Monitoramento por microcontrolador do cultivo de spirulina em fotobiorreator raceway

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.