Hysteresis analysis for on-off pH control in the cultivation of Scenedesmus obliquus BR003 microalgae

Abstract

This study evaluated the effect of hysteresis in hydrogen potential control on Scenedesmus microalgae cultures. Based on the hypothesis that hysteresis alters cellular conditions and the amount of carbon dioxide injected, a binary control logic with margins above and below a reference value was explored to identify the optimal hysteresis value and hydrogen potential range. The study was conducted in two procedures. Procedure one investigated three different hydrogen potential ranges (6.0–9.0) with varying hysteresis values, assessing their impact on cell growth. The results showed that the 7.0–8.0 range with a 0.5 hysteresis provided the best growth. It was also found that allowing the hydrogen potential to reach values above 8.0 or below 6.5, even with hysteresis, significantly impairs growth. Procedure two focused on evaluating dry mass production by maintaining a constant hysteresis of 0.5 within a wider range (6.5–8.5) and shifting the reference value to three different points within this interval. The findings revealed that a 0.5 hysteresis with a reference between 7.0 and 7.5 is the most suitable for binary hydrogen potential control in microalgae cultures. Additionally, the 7.5 reference value with 0.5 hysteresis offers a significant advantage in terms of energy consumption by the control system. Keywords: operational range, dry biomass, embedded systems.Neste estudo foi implementado na plataforma Arduíno Mega 2560 um controlador on-off com histerese para avaliar o efeito dessa histerese desse controlador no controle do potencial hidrogeniônico (pH) no cultivo da microalga Scenedesmus obliquuos utilizando fotobioreator de bancada, neste tipo de fotobioreator utiliza-se água como meio de cultivo onde foram adicionados o inóculo de microalgas e os nutrientes previamente pesados e calculados para o volume total do fotobioreator que foram consumidos durante os dias de cultivo. A análise do crescimento do cultivo foi medida através das curvas de absorbância de 680 e 750 nanômetros, a cada dia de cultivo uma amostra era coletada e com o uso de um espectofotômetro, as absorbâncias eram medidas e os valores plotados em um planilha eletrônica, ao final do cultivo com os dados obtidos foi feita a regressão logística para cada curva do cultivo a fim de levanter os parâmetros pertinentes tais como a taxa de crescimento e a assíntota da curva de cultivo. Com esse procedimento pode-se testar a hipótese de que a histerese altera as condições celulares e a quantidade de dióxido de carbono injetada, foi explorada uma lógica de controle binária com margens acima e abaixo de um valor de referência , que foi o de pH=7,5, para identificar o valor ideal de histerese e a faixa de potencial hidrogeniônico mais adequada. O estudo foi conduzido em dois procedimentos, o primeiro ocorrido entre os dias 21 de maio de 2025 e o dia 18 de junho de 2025 onde se investigou dentro da faixa de potencial hidrogeniônico compreendida dentre 6,0 a 9,0, três diferentes valores de histerese (0,5; 1,0; e 1,5), gerando os intervalos (7,0 – 8,0) ; (6,5 – 8,5) e (6,0 – 9,0) respectivamente, o intuito era o de avaliar o impacto de cada faixa com a sua respective histerese no crescimento celular. Os resultados mostraram que a faixa entre 7,0 e 8,0 com histerese de 0,5 proporcionou o melhor crescimento. Também foi observado que permitir que o potencial hidrogeniônico ultrapasse 8,0 ou fique abaixo de 6,5, mesmo com histerese, prejudica significativamente o crescimento celular. O segundo procedimento, ocorrido entre os dias 9 de julho de 2025 e o dia 14 de agosto de 2025, utilizando o mesmo tipo de fotobioreator e a metodologia aplicada no cultivo 1, teve como foco a avaliação da produção de biomassa seca, mantendo histerese constante de 0,5 dentro de uma faixa mais ampla (6,5–8,5) e alterando o valor de referência para três pontosdiferentes dentro desse interval, gerando os subintervalos de cultivos (7,0 - 8,0), (6,5- 7,5) e (7,5 a 8,5) em elação ao pH central de 7,5 . Os resultados revelaram que a histerese de 0,5 com valor de referência entre 7,0 e 7,5 é a mais adequada para o controle binário do potencial hidrogeniônico em cultivos de microalgas. Além disso, o valor de referência em 7,5 com histerese de 0,5 oferece uma vantagem significativa em termos de consumo de energia pelo sistema de controle. O tempo de operação da válvula solenoide responsável pela injeção de CO2 foi monitorado e registrado automaticamente pelo sistema de aquisição de dados real time clock (RTC) e cartão de memória (SD), permitindo determinar o consumo energético associado ao controle de pH. Os dados processados em Python possibilitaram o cálculo do tempo total de ativação e, a partir da tensão e corrente medidas, estimou-se a energia elétrica demandada durante os cultivos principais e suas duplicatas. Palavras-chave: biomassa seca, sistemas embarcados, faixa operacional, sistemas de controle.