Das Schaumproblem

Schaumbildung gibt es nicht nur bei Bioreaktoren in denen Pilze / Hefen oder Bakterien kultiviert werden. Auch der Fotobioreaktor mit Spirulina zeigt Schaumbildung nach Begasung.

Zum Problem wird Schaum, wenn er auf Sensoren trifft oder in die Abluft des Reaktors gelangt und dort letztlich für eine Blockade des hydrophoben Luftfilters sorgt. Ohne Belüftung aber geht die grüne Pracht den Weg alles Irdischen.

Schaum lässt sich durch unterschiedliche Maßnahmen bekämpfen. In manchen Fällen hilft Öl in anderen eine mechanische Abscheidung. Allen Alternativem gemein ist die Notwendigkeit der Schaumerkennung. Ein Schaumsensor war in keinem Sensorkit für den Arduino enthalten, also gilt es, einen Sensor zu entwickeln.

  1. Ansatz: Abstand zwischen Oberfläche Medium / Schaum und dem Deckel mittels Ultraschall berührungslos messen und Sicherheitsabstand einhalten.

Ein Ultraschall-Sensor HC-SR04 ist in den Sensorkits enthalten. An die Stelle des Bioreaktors tritt ein Messzylinder. Reflexionen an den Seitenwänden könnten eine Rolle spielen. An die Stelle des wässrigen Mediums tritt Wasser. Eine Kalibration der Abstände mit Vergleichsmessungen mittels Zollstock ist rasch erledigt. Ein Arduino-Sketch „Entfernung messen“ findet sich zum Beispiel auf der Funduino Webseite.

Die Ergebnisse sehen zunächst gut aus. Hoch signifikante Korrelation und so weiter. Details werden auf der Maker Faire in Hannover gezeigt.

Wie ändern sich die Ergebnisse, wenn der Ultraschall auf Schaum trifft?

 

 

 

Desaster wäre geschmeichelt. Die Ergebnisse werden unzuverlässig. Je nach Anpassungen im Arduino-Sketch ergibt sich kein Messergebnis (0) oder ein unplausibel großer Abstand. Mehr als 300 cm Abstand zwischen Sensor und Schaumoberfläche sind bei einem noch so schlanken 1000ml Messzylinder nicht zu erwarten.

Je nach Art des Schaums variieren die Probleme offensichtlich, denn Hefeschaum in beginnender Gärung (50% Wasser, 50% H-Milch mit 1,5% Fett bei insgesamt etwa  10% gelöstem Zucker) verhielt sich dem Ultraschallsensor gegenüber wie eine feste Oberfläche und ergab gute Übereinstimmung mit den Vergleichsergebnissen des Zollstocks.

Die Konsistenz des Schaums beeinflusst die Reflexion des Ultraschalls. Wie würden sich Fledermäuse in einer entsprechenden Umgebung orientieren? Zunächst irrelevant. Eine andere Lösung muss her.

2. Ansatz: Die Änderung der Leitfähigkeit einer geeigneten Sonde bei Kontakt mit Medium oder Schaum im Vergleich zum berührungslosen Zustand bestimmen.

Etwas Silberdraht und eine Schablone von circa 1 cm² Fläche ist rasch erstellt und mit Alufolie kaschiert. An die freien Enden werden jeweils flexible Steckbrücken gelötet und das Ganze an einem Reagenzglas zur Gewährleistung eines definierten Abstandes mittels Klebefilm fixiert. Damit sollte sich elektrische Leitfähigkeit beziehungsweise ein Widerstand messen lassen.

Da das Medium auch im Fall von Algen Ionen (in Form von Spurenelementen) enthalten sollte, erscheint die Annahme einer Leitfähigkeit vernünftig, die größer als die von Reinstwasser ist. Eine Tabelle der Leitfähigkeiten unterschiedlicher Stoffe findet sich im obigen Link zur elektrischen Leitfähigkeit. Im vorliegenden Fall soll der Kehrwert der Leitfähigkeit, also der elektrische Widerstand, gemessen werden.

Ergebnisdetails sind auf der der Maker Faire in Hannover zu sehen. Als Gesamtergebnis zeigt sich, dass:

  • Schaum und Medium unterschiedliche Leitfähigkeiten / Widerstände aufweisen.
  • salzhaltigere Schäume und Medien erwartungsgemäß geringere Widerstände also höhere Leitfähigkeiten besitzen.
  • Schaum und Medium in jedem Fall klar voneinander zu unterscheiden sind.

Mit diesem Wissen lässt sich ein Spannungsteiler mit umschaltbaren Widerstandswerten oder programmierten Widerständen so entwerfen, dass er für jedes Medium und den jeweiligen Schaum verwendbar ist.

Die Idee den Sensor unmittelbar an einen digitalen Eingang eines Arduino zu koppeln ist aus mehreren Gründen zu verwerfen. Die fließenden Ströme ohne Vorwiderstand können den Prozessor zerstören.

Die Arbeitsspannung des Sensors sollte aus einem als Ausgang jeweils nur bei Messbedarf auf „HIGH“ geschalteten Digitalpin entnommen werden. So fließt im Zweifel nur für die Zeit Strom, während der er tatsächlich benötigt wird. Ionenflüsse, Oxidationen, Beeinflussung der Organismen werden minimiert. Die Größe der Widerstände im Spannungsteiler können entweder mittels Tabelle für die jeweilige Anwendung gewählt werden. Sinnvoll kann aber auch eine Selbstkonfiguration in Folge der Spanungsmessung innerhalb des Spannungsteilers via Analogeingang und Justierung der Digitalpotenziometer sein. Der letzgenannte Weg besitzt zudem den Vorteil, dass sich Medien mit falsch zu hoher oder falsch zu geringer Salzkonzentration im Verlauf der Selbstjustierung zu erkennen geben und Schäden für die Organismen vermieden werden können.

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