Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 54443 Моделирование в биофизике Modelling in biophycis Моделирование в биофизике AUTOMATIC OPTICAL DENSITY SENSOR OF MICROALGAE CULTURE ON THE ARDUINO NANO BASIS АВТОМАТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ КУЛЬТУРЫ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ НА БАЗЕ ARDUINO NANO Чекушкин А А Chekushkin A A chekushkin.78@mail.ru Гаврилов П Е Gavrilov P E havrilovpyotr@gmail.com Лелеков А С Lelekov A S ФИЦ «Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского РАН» ru A.O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas of RAS ru Севастопольский государственный университет ru Sevastopol State University ru ФИЦ «Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского РАН» ru A.O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas of RAS ru 25 09 2019 25 09 2019 4 3 352 359 20 09 2019 20 09 2019 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54443/view

Предложен автоматический датчик измерения оптической плотности культуры микроводорослей на базе платформы Arduino Nano. Выбор данного микроконтроллера обусловлен его широкой доступностью, наличием свободного программного обеспечения, низкой стоимостью. Анализ литературных данных показал, что при разработке подобных датчиков обычно используется проточная кювета, в качестве источника света используются различные светодиоды. Использование приведённых в литературе датчиков невозможно, так как авторами не указываются монтажные схемы подключения элементов к микроконтроллеру, программная среда, на которой написан алгоритм сбора данных и т. д. В данной работе поставлена задача предложить схему разработки датчика оптической плотности из стандартных широкодоступных комплектующих. Например, в данной работе использовался зелёный светодиод с максимумом светимости на длине волны 520 нм, в качестве фотоприёмника - фоторезистор GL12516. При калибровке использовали культуру цианопрокариоты Spirulina platensis . Получены кривые зависимости коэффициента пропускания и поглощения от сухой биомассы S. platensis. Показано, что в диапазоне плотностей культуры от 0,07 до 1,38 г СВ/л данные с высокой степенью точности (R2 = 0,99) описываются уравнением Бугера-Ламберта-Бера. Выполнена апробация датчика при культивировании S. platensis в плоскопараллельных фотобиореакторах различной толщины.

An automatic sensor for measuring the optical density of microalgae culture on the Arduino Nano basis is proposed. The choice of this microcontroller is due to its wide availability, availability of free software, low cost. It is shown that in the development of such sensors a flow cell is applied, various LEDs are used as a light source. The use of the sensors given in the literature is impossible since the authors do not specify the wiring diagrams of the sensor elements, the software environment on which the algorithm of data collection is written, etc. In this work, the task is to offer a scheme for the development of an optical density sensor from standard widely available components. For example, the proposed sensor used a green led with a maximum luminosity at a wavelength of 520 nm, as a photodetector - photoresistor GL12516. During calibration of the sensor used culture of the cyanoprokaryota Spirulina platensis . The curves of the transmittance and absorption dependence on the dry biomass of S. platensis are obtained. It is shown that in the range of culture densities from 0.07 to 1.38 g DW/l the data with a high degree of accuracy (R2 = 0.99) are described by the Booger-Lambert-Ber equation. Performed testing of the sensor during the cultivation of S. platensis in a plane-parallel photobioreactors of varying thickness.

 датчик оптической плотности Spirulina platensis коэффициент поглощения моделирование плоскопараллельный фотобиореактор optical density sensor Spirulina platensis absorption coefficient modelling plane parallel photobioreactor Работа выполнена в рамках госзадания по теме НИР ФИЦ ИнБЮМ № 0828-2019-0004.

Sandnes J.M., Ringstad T., Wenner D., Heyerdahl P.H., Källqvist T., Gislerød H.R. Real-time monitoring and automatic density control of large-scale microalgal cultures using near infrared (NIR) optical density sensors. J. Biotech., 2006, vol. 122, pp. 209-215. DOI: 10.1016/j.jbiotec.2005.08.034. Sandnes J.M., Ringstad T., Wenner D., Heyerdahl P.H., Källqvist T., Gislerød H.R. Real-time monitoring and automatic density control of large-scale microalgal cultures using near infrared (NIR) optical density sensors. J. Biotech., 2006, vol. 122, pp. 209-215. DOI: 10.1016/j.jbiotec.2005.08.034. Briassoulis D., Panagakis P., Chionidis M., Tzenos D., Lalos A., Tsinos C., Berberidis K., Jacobsen A. An experimental helical-tubular photobioreactor for continuous production of Nannochloropsis sp. Bioresour. Technol., 2010, vol. 101, pp. 6768-6777. DOI: 10.1007/s00253-015-6876-7. Briassoulis D., Panagakis P., Chionidis M., Tzenos D., Lalos A., Tsinos C., Berberidis K., Jacobsen A. An experimental helical-tubular photobioreactor for continuous production of Nannochloropsis sp. Bioresour. Technol., 2010, vol. 101, pp. 6768-6777. DOI: 10.1007/s00253-015-6876-7. Nedbal L., Trtílek M., Červený J., Komárek O., Pakrasi H.B. A photobioreactor system for precision cultivation of photoautotrophic microorganisms and for high-content analysis of suspension dynamics. Biotechnol. Bioeng., 2008, vol. 100, pp. 902-910. Nedbal L., Trtílek M., Červený J., Komárek O., Pakrasi H.B. A photobioreactor system for precision cultivation of photoautotrophic microorganisms and for high-content analysis of suspension dynamics. Biotechnol. Bioeng., 2008, vol. 100, pp. 902-910. Marxen K., Vanselow K., Lippemeier S., Hintze R., Ruser A., Hansen U. A photobioreactor system for computer controlled cultivation of microalgae. J. Appl. Phycol., 2005, vol. 17, pp. 535-549. Marxen K., Vanselow K., Lippemeier S., Hintze R., Ruser A., Hansen U. A photobioreactor system for computer controlled cultivation of microalgae. J. Appl. Phycol., 2005, vol. 17, pp. 535-549. Yao Y., Thommasson J.A., Ge Y., Sui R. Improvement of an optical density sensor for algae pond monitoring and process control. ASABE, 2012. DOI:10.13031/2013.42323. Yao Y., Thommasson J.A., Ge Y., Sui R. Improvement of an optical density sensor for algae pond monitoring and process control. ASABE, 2012. DOI:10.13031/2013.42323. Тренкеншу Р.П., Лелеков А.С. Моделирование роста микроводорослей в культуре. Белгород: ООО "Константа", 2017, 152 с. DOI: 10.21072/978-5-906952-28-8. @@[Trenkenshu R.P., Lelekov A.S. Modelling of microalgae growth in culture. Belgorod: Konstanta, 2017, 152 p. (In Russ.)] Trenkenshu R.P., Lelekov A.S. Modelirovanie rosta mikrovodorosley v kul'ture. Belgorod: OOO "Konstanta", 2017, 152 s. DOI: 10.21072/978-5-906952-28-8. @@[Trenkenshu R.P., Lelekov A.S. Modelling of microalgae growth in culture. Belgorod: Konstanta, 2017, 152 p. (In Russ.)] Тренкеншу Р.П., Лелеков А.С., Боровков А.Б., Новикова Т.М. Унифицированная установка для лабораторных исследований микроводорослей. Вопросы современной альгологии, 2017, № 1, вып. 13. URL: http://algology.ru/1097 @@[Trenkenshu R.P., Lelekov A.S., Borovkov A.B., Novikova T.M. Unified installation for laboratory studies of microalgae. Questions of modern algology, 2017, no. 1, iss. 13. URL: http://algology.ru/1097. (In Russ.)] Trenkenshu R.P., Lelekov A.S., Borovkov A.B., Novikova T.M. Unificirovannaya ustanovka dlya laboratornyh issledovaniy mikrovodorosley. Voprosy sovremennoy al'gologii, 2017, № 1, vyp. 13. URL: http://algology.ru/1097 @@[Trenkenshu R.P., Lelekov A.S., Borovkov A.B., Novikova T.M. Unified installation for laboratory studies of microalgae. Questions of modern algology, 2017, no. 1, iss. 13. URL: http://algology.ru/1097. (In Russ.)] Гаврилов П.Е., Азаров А.А., Лелеков А.С. Проточный датчик для определения оптической плотности культуры микроводорослей. Актуальные вопросы биологической физики и химии, 2016, т. 1, с. 101-105. @@[Gavrilov P.E., Azarov A.A., Lelekov A.S. Flow sensor for determining the optical density of a microalgae culture, Actual problems of biological physics and chemistry, 2016, vol. 1, pp. 101-105. (In Russ.)] Gavrilov P.E., Azarov A.A., Lelekov A.S. Protochnyy datchik dlya opredeleniya opticheskoy plotnosti kul'tury mikrovodorosley. Aktual'nye voprosy biologicheskoy fiziki i himii, 2016, t. 1, s. 101-105. @@[Gavrilov P.E., Azarov A.A., Lelekov A.S. Flow sensor for determining the optical density of a microalgae culture, Actual problems of biological physics and chemistry, 2016, vol. 1, pp. 101-105. (In Russ.)] Zarrouck C. Contribution a l’etude d’une cyanophycee. Influence de divers physiques et chimiques sur la crossance et la photosynthese de Spirulina maxima. Ph.D. thesis, Paris, 1966, 138 p. Zarrouck C. Contribution a l’etude d’une cyanophycee. Influence de divers physiques et chimiques sur la crossance et la photosynthese de Spirulina maxima. Ph.D. thesis, Paris, 1966, 138 p. Хол Д., Рао К. Фотосинтез: пер. с англ. М.: Мир, 1983, 134 с. @@[Hol D., Rao K. Photosynthesis: trans. from english. M.: Mir, 1983, 134 p. (In Russ.)] Hol D., Rao K. Fotosintez: per. s angl. M.: Mir, 1983, 134 s. @@[Hol D., Rao K. Photosynthesis: trans. from english. M.: Mir, 1983, 134 p. (In Russ.)] CdS Photoresistor Manual. GL125 Series Photoresistor. URL: https://opencircuit.nl/ProductInfo/1000662/ GL12528-Datasheet.pdf. CdS Photoresistor Manual. GL125 Series Photoresistor. URL: https://opencircuit.nl/ProductInfo/1000662/ GL12528-Datasheet.pdf. Тренкеншу Р.П., Лелеков А.С., Новикова Т.М. Линейный рост морских микроводорослей в культуре. Морской биологический журнал, 2018, т. 3, № 1, с. 53-60. DOI: 10.21072/mbj.2018.03.1.06 @@[Trenkenshu R.P., Lelekov A.S., Novikova T.M. Linear growth of marine microalgae in culture. Marine Biological Journal, 2018, vol. 3, no. 1, pp. 53-60. (In Russ.)] Trenkenshu R.P., Lelekov A.S., Novikova T.M. Lineynyy rost morskih mikrovodorosley v kul'ture. Morskoy biologicheskiy zhurnal, 2018, t. 3, № 1, s. 53-60. DOI: 10.21072/mbj.2018.03.1.06 @@[Trenkenshu R.P., Lelekov A.S., Novikova T.M. Linear growth of marine microalgae in culture. Marine Biological Journal, 2018, vol. 3, no. 1, pp. 53-60. (In Russ.)] Naumann T., Çebi Z., Podola B., Melkonian M. Growing microalgae as aquaculture feeds on twin-layers: a novel solid-state photobioreactor. J. Appl. Phycol., 2013, vol. 25, pp. 1413-1420. DOI 10.1007/s10811-012-9962-6. Naumann T., Çebi Z., Podola B., Melkonian M. Growing microalgae as aquaculture feeds on twin-layers: a novel solid-state photobioreactor. J. Appl. Phycol., 2013, vol. 25, pp. 1413-1420. DOI 10.1007/s10811-012-9962-6. Марьин В.А., Харитонов Д.В. Линейный рост и пассивация активных клеток растущей культуры микроорганизмов. Техника и технология пищевых производств, 2014, № 4, с. 97-106. @@[Mar'in V.A., Haritonov D.V. Linear growth and passivation of active cells of a growing culture of microorganisms. Technique and technology of food production, 2014, no. 4, pp. 97-106. (In Russ.)] Mar'in V.A., Haritonov D.V. Lineynyy rost i passivaciya aktivnyh kletok rastuschey kul'tury mikroorganizmov. Tehnika i tehnologiya pischevyh proizvodstv, 2014, № 4, s. 97-106. @@[Mar'in V.A., Haritonov D.V. Linear growth and passivation of active cells of a growing culture of microorganisms. Technique and technology of food production, 2014, no. 4, pp. 97-106. (In Russ.)] Белянин В.Н., Сидько Ф.Я., Тренкеншу А.П. Энергетика фотосинтезирующей культуры микроводорослей. Новосибирск: Наука, 1980, 136 с. @@[Belyanin V.N., Sid'ko F.YA., Trenkenshu A.P. Energy photosynthetic culture of microalgae. Novosibirsk: Nauka, 1980, 136 p. (In Russ.)] Belyanin V.N., Sid'ko F.Ya., Trenkenshu A.P. Energetika fotosinteziruyuschey kul'tury mikrovodorosley. Novosibirsk: Nauka, 1980, 136 s. @@[Belyanin V.N., Sid'ko F.YA., Trenkenshu A.P. Energy photosynthetic culture of microalgae. Novosibirsk: Nauka, 1980, 136 p. (In Russ.)] Тренкеншу Р.П., Лелеков А.С., Гаврилов П.Е., Набойщиков В.С. Математическая модель зависимости оптической плотности культуры от биомассы микроводорослей. Актуальные вопросы биологической физики и химии, 2016, т. 1, c. 77-82. @@[Trenkenshu R.P., Lelekov A.S., Gavrilov P.E., Nabojshchikov V.S. Mathematical model of the dependence of the optical density of the culture on the biomass of microalgae. Actual problems of biological physics and chemistry, 2016, vol. 1, p. 77-82. (In Russ.)] Trenkenshu R.P., Lelekov A.S., Gavrilov P.E., Naboyschikov V.S. Matematicheskaya model' zavisimosti opticheskoy plotnosti kul'tury ot biomassy mikrovodorosley. Aktual'nye voprosy biologicheskoy fiziki i himii, 2016, t. 1, c. 77-82. @@[Trenkenshu R.P., Lelekov A.S., Gavrilov P.E., Nabojshchikov V.S. Mathematical model of the dependence of the optical density of the culture on the biomass of microalgae. Actual problems of biological physics and chemistry, 2016, vol. 1, p. 77-82. (In Russ.)]