Abstract:
A oportunidade de produção de biomassa microalgal tem despertado interesse pelos diversos
destinos que a mesma pode ter, seja na produção de bioenergia, como fonte de alimento ou
servindo como produto da biofixação de dióxido de carbono. Em geral, a produção em larga
escala de cianobactérias e microalgas é feita com acompanhamento através de análises físicoquímicas
offline. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi monitorar a concentração
celular em fotobiorreator raceway para produção de biomassa microalgal usando técnicas de
aquisição digital de dados e controle de processos, pela aquisição de dados inline de
iluminância, concentração de biomassa, temperatura e pH. Para tal fim foi necessário
construir sensor baseado em software capaz de determinar a concentração de biomassa
microalgal a partir de medidas ópticas de intensidade de radiação monocromática espalhada e
desenvolver modelo matemático para a produção da biomassa microalgal no
microcontrolador, utilizando algoritmo de computação natural no ajuste do modelo. Foi
projetado, construído e testado durante cultivos de Spirulina sp. LEB 18, em escala piloto
outdoor, um sistema autônomo de registro de informações advindas do cultivo. Foi testado
um sensor de concentração de biomassa baseado na medição da radiação passante. Em uma
segunda etapa foi concebido, construído e testado um sensor óptico de concentração de
biomassa de Spirulina sp. LEB 18 baseado na medição da intensidade da radiação que sofre
espalhamento pela suspensão da cianobactéria, em experimento no laboratório, sob condições
controladas de luminosidade, temperatura e fluxo de suspensão de biomassa. A partir das
medidas de espalhamento da radiação luminosa, foi construído um sistema de inferência
neurofuzzy, que serve como um sensor por software da concentração de biomassa em cultivo.
Por fim, a partir das concentrações de biomassa de cultivo, ao longo do tempo, foi
prospectado o uso da plataforma Arduino na modelagem empírica da cinética de crescimento,
usando a Equação de Verhulst. As medidas realizadas no sensor óptico baseado na medida da
intensidade da radiação monocromática passante através da suspensão, usado em condições
outdoor, apresentaram baixa correlação entre a concentração de biomassa e a radiação,
mesmo para concentrações abaixo de 0,6 g/L. Quando da investigação do espalhamento
óptico pela suspensão do cultivo, para os ângulos de 45º e 90º a radiação monocromática em
530 nm apresentou um comportamento linear crescente com a concentração, apresentando
coeficiente de determinação, nos dois casos, 0,95. Foi possível construir um sensor de
concentração de biomassa baseado em software, usando as informações combinadas de
intensidade de radiação espalhada nos ângulos de 45º e 135º com coeficiente de determinação
de 0,99. É factível realizar simultaneamente a determinação inline de variáveis do processo de
cultivo de Spirulina e a modelagem cinética empírica do crescimento do micro-organismo
através da equação de Verhulst, em microcontrolador Arduino.
Increasing interest has been given to microalge due to the wide range of destinations where
the produced biomass may applied. Ranging from food products, bioenergy production, or
using the culture itself as a carbon dioxide biofixation process. Usually, cyanobacteria and
microalgae large scale production physical-chemical analysis are analyzed through offline
methodologies. Within this context, this work objective was to monitor microalgae cellular
concentration automatically within raceway photobioreactor using digital data acquisition and
process control through inline acquisition of luminance data, biomass concentration,
temperature and pH. To achieve such, a software based sensor capable of determining
microalgae biomass concentration from scattered monochromatic radiation and mathematical
model with natural computing parameters search was constructed. The instrument was tested
throughly in several outdoor pilot scale Spirulina sp LEB 18 cultures. Alongside the
instrument, an automated culture data data logger was also designed. The first biomass sensor
based its principle in emitting ligth through the culture and measuring passing radiation.
Thereafter, a second array of sensors were constructed. In the later array, the measured
radiation was the portion scattered by the cyanobacteria from its original path. Both
instruments were calibrated under controlled luminosity, temperature and biomass flow
conditions. The light scattering data enable a neurofuzzy inference system in order to
converted such data into biomass concentration within the culture. Ultimately, from the
culture biomass data, the utilization of the Arduino platform was investigated in order to
realize empirical modeling of the growth kinetics using the Verhulst equation. The nonscattered
monochromatic light biomass sensor, when applied to outdoor conditions, achieved
poor correlations among biomass concentration and measured radiation, for biomass
concentrations smaller than 0.6 g.L-1. The scattered light sensor obtained a crescent linear
behavior between biomass concentration and measured radiation when using a 530nm emitter
and 45º and 90º receivers. In this situation, the coefficient of determination was higher than
0.95. Thus, a software based sensor was constructed using the combined measurements of
scattered radiation in the 45º and 135º angles. The coefficient of determination the entire
system is approximately 0,99. Therefore, it is feasible to imply that inline determination of
process variables and kinetic modeling within the Spirulina culture is possible using the
Arduino platform.
O cultivo de microalgas é uma alternativa para a biofixação de dióxido de carbono, bem como
fonte de biomassa, matéria-prima para a indústria alimentícia. A monitoração automática no
cultivo é útil no acompanhamento das variáveis fundamentais à produção de biomassa em
larga escala, tais como luminosidade, temperatura e concentração de biomassa no cultivo,
bem como na tomada de decisão sobre a operação do cultivo. Este trabalho teve como
objetivo principal prototipar um equipamento autônomo de acompanhamento da cinética de
cultivo em tempo real, denominado MARK (Microalgal Analyzer of Real Time Kynetics). O
sistema de aquisição de dados é composto por conjunto de sensores ópticos de biomassa
desenvolvidos e testados ao longo do trabalho. O sistema armazenador de dados concebido é
gerenciado por um microcontrolador Arduino Nano, e dotado de módulo de tempo real (RTC)
e gravador de dados em micro SD. Foram desenvolvidos durante o trabalho quatro protótipos,
que operaram em reais condições de cultivo em estufa, entre os meses de outubro de 2012 à
janeiro de 2013. Os sistemas desenvolvidos foram resistentes às condições de temperatura,
bem como de umidade no interior da estufa, propiciando operação contínua durante a
realização dos experimentos. Foram acompanhados a luminosidade no interior da estufa,
dentro do cultivo, a temperatura na estufa e dentro do cultivo, a concentração de biomassa
através de sensores ópticos e pH. Houve correlação estatística entre o sinal do sistema óptico
desenvolvido e a concentração de biomassa somente para concentrações de biomassa abaixo
de 0,6 g/L. A razão entre a iluminância dentro e fora do cultivo caiu em uma razão que sugere
uma relação exponencial, ao longo do cultivo, entre 47% e 42% da iluminância disponível
fora do cultivo. O uso da plataforma de hardware livre Arduino acelerou o ciclo de
desenvolvimento do sistema desenvolvido, bem como se mostrou suficientemente robusta,
exata e com precisão suficiente no sistema de aquisição de dados para o acompanhamento da
cinética de cultivo.
Microalgae culture is an possible path to carbon dioxide biofixation, while producing the
biomass itself, a high value ingredient to food products. Monitoring fundamental variables in
the culture is an important step towards efficient industrial scale process. Such variables may
be luminosity, biomass concentration and temperature and may enable in automated actuation
within the system, in order to increase the process productivity. This work objective was to
build a culture data logger prototype, named MARK (Micralgal Analyzer of Real Time
Kynetics). The data acquisition system is composed by a array of optical biomass sensors
developed and tested throughout this work. The system hardware is conceived and built
around a Arduino Nano microcontroller. The microcontroller is aided by a Real Time Clock
(RTC) and micro SD dock. Four prototypes were manufactured and all were subjected to real
culture conditions in greenhouse between the months of October 2012 and January 2013. The
systems were developed in order to operate in the high temperature and humidity inside the
greenhouse, enabling continuous operation during the experiments duration. The monitored
variables were luminosity and temperature, both inside the greenhouse and in the culture,
greenhouse humidity, biomass concentration through optical sensor and culture pH. A
positive correlation between the biomass concentration and the measured opical signal was
only achieved for concentration less than 0.6 g.L-1. The diference between the greenhouse
ambient luminosity and inside the culture decreased exponentially from 47% to 42%
throughout the culture. The utilization of the Arduino free platform accelerated the prototype
development and presented itself as a fairly robust solution. The Arduino architecture also
presented sufficient numeric precision in order to monitor the growth kinetics.
O cultivo da cianobactéria Spirulina permite obter uma fonte de proteínas,
pigmentos e outros biocompostos de interesse na indústria de alimentos. No acompanhamento
inline da cinética de cultivo são fundamentais sensores de concentração de biomassa. Dentre
esses sensores, os baseados em fenômenos ópticos apresentam-se como uma possibilidade a
ser avaliada, especialmente pelo seu uso fora da região de validade da lei de Lambert-Beer.
Este trabalho teve por objetivo avaliar a dispersão da radiação monocromática em suspensões
da cianobactéria Spirulina sp. LEB 18, em condições controladas de temperatura e
luminosidade sob escoamento com fluxo constante. Foi mensurada a intensidade da radiação
espalhada detectada em função do ângulo formado entre emissor e receptor, da concentração
de biomassa microalgal e do comprimento de onda usado. Durante a realização dos
experimentos foi usado como suporte um dispositivo in-situ construído em plástico ABS
através da técnica de impressão 3D, dotado de emissores lasers em 530 nm e 660 nm,
receptores usando sensor TAOS TSL235R, sendo o sistema de aquisição de dados comandado
por microcontrolador Arduino Due (32 bits). As medições de espalhamento da radiação
monocromática em 530 nm pela suspensão de Spirulina que tiveram maior sensitividade, na
faixa entre 0,2 g/L e 1,4 g/L, foram aquelas com um ângulo entre emissor e receptor de 90º,
sendo 9,1% em média maiores do que com o ângulo de 45º. A determinação da existência de
correlação estatística (R2
>0,95) entre o sinal detectado pelo sensor TAOS TSL235R e a
concentração de biomassa de Spirulina, durante o espalhamento da radiação de 530 nm,
especificamente para os ângulos entre emissor e receptor de 45º, 90º e 135º reafirma a
possibilidade de desenvolvimento de sensores ópticos de concentração de biomassa
microalgal baseados em espalhamento da radiação para uso inline, sem necessidade de diluição da suspensão da Spirulina.
Spirulina culture enables the obtainment of a high value protein source, pigments and other
interesting compounds to the food industry. In order to obtain such compounds in large
quantities, it is necessary to monitor their production in the culture, thus, generating the
necessity of keeping track with cellular growth. Optical sensors are a possible solution.
However, further studies are necessary in order to generate a robust system, specially when
working in concentration rages outside the Lambert-Beer validity region. This work objective
was to evaluate the dispersion of monochromatic radiation in different biomass concentrations
of Spirulina sp. LEB 18, under controlled temperature, luminosity and flow conditions. The
scattered radiation, from various emitters, was measured in different angles in relation with
the original path direction under increasing biomass concentrations. An in-situ device was
utilized in order to place the optical instruments in their correct place. The structure was first
design with Computer Aided Design and extruded with 3D printing technique. Laser emitters
with 530nm and 660nm radiations were mounted in the support to act as radiation emitters.
Several sensor TAOS TSL235R were added different angles in order to measure dispersed
radiation. The system was controled by a microcontroller Arduino Due (32 bits). The
measurements of scattering of monochromatic radiation at 530 nm by Spirulina suspension
which had a higher sensitivity in the range between 0.2 g/L and 1.4 g/L were those with an
angle of 90o
between emitter and receiver, being 9.1% on average in the that the angle of
45°.The determination of statistical correlation (R² > 0.95) between the signal measured by
the 45º, 90º and 135º receptors when the emitter of 530nm was utilized reassures the
possibility of applying scattered light optical sensors in order to monitor inline biomass
concentration without the dilution necessity.
