65ª Reunião Anual da SBPC

A. Ciências Exatas e da Terra - 3. Física - 3. Física Atômica e Molecular

CARACTERIZAÇÃO DE SENSORES TÉRMICOS EM FOTOBIORREATORES

Maísa Rodrigues Campos - Depto. de Engenharia Elétrica, UnB Gabriela Moura do Amaral - Instituto de Física, UnB José Arlan Ribeiro de Sá - Depto. de Engenharia Civil, UnB Pedro Terceiro Haluch Pino - Instituto de Física, UnB Luiz Fernando Roncaratti Júnior - Prof. Dr. – Instituto de Física – UnB Wiliam Ferreira da Cunha - Prof. Dr. / Orientador – Instituto de Física – UnB

INTRODUÇÃO:

A fotossíntese é o principal processo de transformação de energia na biosfera e também fornece o oxigênio molecular para a respiração. Para seu estudo, utilizam-se fotobiorreatores, que são aparatos desenvolvidos para o cultivo e estudo de organismos fotossintetizantes sob condições de temperatura, luminosidade, pH e nutrientes controladas. A luz, parâmetro mais importante na construção e design de fotobiorreatores, fornece a energia necessária ao sistema, podendo ser obtida tanto natural como artificialmente. Além disso, moléculas importantes devem se difundir no meio de cultura sob uma determinada temperatura e pressão. Esses fatores determinam e condicionam o desenvolvimento e características dos organismos cultivados. Dos vários organismos fotossintetizantes conhecidos, as microalgas têm recebido enorme atenção, tanto da comunidade acadêmica como da indústria, devido ao seu papel fundamental na ecologia terrestre e aos possíveis impactos econômicos dos produtos delas derivados. Em face disto, o presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um fotobiorreator com parâmetros controlados por meio de placas microcontroladas Arduino para o estudo quantitativo da fotossíntese em microalgas da espécie Nannochloropsis Oculata.

OBJETIVO DO TRABALHO:

Avaliação de diferentes tipos de sensores e dispositivos eletrônicos através de placas microcontroladas Arduino, visando o controle da temperatura no fotobiorreator, parâmetro que condiciona o desenvolvimento de sistemas biológicos, para o estudo quantitativo da fotossíntese em microalgas.

MÉTODOS:

Foi feita a calibração de sensores de temperatura utilizando-se os sensores termistor TTC 222, LM 335 e TMP 36, junto com uma placa Arduino Uno. Medições de valores de temperatura com esses sensores tiveram como objetivo associar a cada grau de temperatura um valor lido pela placa Arduino, a fim de se encontrar uma expressão matemática que relacionasse tais grandezas. Em seguida, iniciou-se o estudo do dispositivo eletrônico peltier, juntamente com o de pontes H para o controle do sentido da corrente elétrica, de forma a esse atuador funcionar como aquecedor e refrigerador. Em seguida, o trabalho prosseguiu com o estudo do controle de temperatura por modulação por pulso, utilizando-se um programa de controle da placa Arduino com os dados obtidos anteriormente. Para a otimização do controle do funcionamento de dispositivos eletrônicos em conjunto (peltiers, sensores de temperatura, coolers e ventoinhas) utilizou-se um algoritmo PID, possibilitando a variação dos três parâmetros: proporcional, integral e diferencial.

RESULTADOS E DISCUSSÃO:

Com a calibração dos sensores, decidiu-se utilizar o sensor TMP 36, pois ele apresentou maior linearidade entre os dados obtidos. A equação do sensor TMP 36 foi então encontrada e utilizada no programa da placa Arduino para o controle da temperatura no fotobiorreator. Quanto aos peltiers, observou-se maior eficiência quando utilizados como aquecedor se comparado à sua utilização como refrigerador. No estudo da modulação por pulso e implementação do algoritmo PID verificou-se que, de fato, para uma dada temperatura alvo, o termo proporcional contribui para que a resposta do sistema se estabilize, ainda que, eventualmente, para um valor um pouco diferente do desejado. O termo integral contribui para que esse erro seja levado à zero, ou seja, para que se alcance a temperatura que se deseja e, por último, o termo diferencial contribui com a velocidade da estabilização do sistema, a despeito de possíveis oscilações para se alcançar essa estabilidade. Verificou-se também que as microalgas somente crescem na presença de luz e que a temperatura de maior taxa de crescimento se encontra em torno de 20ºC.

CONCLUSÕES:

Os resultados obtidos no estudo da temperatura resultaram em um programa final para a placa Arduino, que juntamente com os dados do estudo das outras variáveis, contribuíram para o controle do sistema. O fotobiorreator obtido até então possui um sistema de controle de temperatura baseado em quatro módulos termoelétricos (célula Peltier 76W, HT8 Laird Technologies + dissipador de calor + ventoinha Standart SanAce60, Sanyo Denki) e termômetros digitais (DS18S20, Maxim). Esse fotobiorreator já tem as variáveis “temperatura”, “iluminação” e “densidade” controladas, porém pode-se ainda fazer melhoramentos na eficiência do fotobiorreator. No caso da temperatura, pretende-se fazer estudo de outros conjuntos de parâmetros PID para alcançar a temperatura desejada em um menor intervalo de tempo, ou até mesmo, diminuir as oscilações da temperatura antes de se alcançar a estabilidade, obtendo-se um sistema criticamente amortecido. Para trabalhos futuros, deseja-se estudar outros modelos de controle de temperatura, como é o caso dos sistemas de malha fechada e fazer um segundo protótipo de fotobiorreator que tenha além dessas variáveis controladas, o controle do sistema de diluição e o controle das linhas de gases para a preparação de ar sintético.

Palavras-chave: Fotobiorreator, Temperatura, Arduino.