Ethylomètre Gazeux

Un éthylométre gazeux

Objectifs : Il s'agit d'un dispositif pour estimer la teneur en alcool dans votre fermenteur (liquid alcohol concentration ou LAC) ou dans le sang (Blood A C) à partir d'un échantillon de souffle.

La fermentation alcoolique est un processus biochimique réalisé par des levures et par lequel des sucres (glucides, principalement le glucose) sont transformés en alcool (éthanol) dans un milieu liquide, privé d'air, un bioréacteur, appelé également fermenteur . Ce bioréacteur est un récipient appareillé dans lequel on multiplie des micro-organismes (levures, bactéries, champignons microscopiques, algues, cellules animales et végétales) pour la production de biomasse (écologie), ou pour la production d'un métabolite comme l’éthanol. L'homme a utilisé la fermentation alcoolique par exemple dans la fabrication de la bière ou celle du vin.

Le foie est constitué dans sa majorité de cellules hépatiques qui élimine environ 90% de l’alcool présent dans l’organisme.. La transformation de l’alcool par le foie est très lente. Le reste de l’alcool non métabolisé par le foie se mêle au dioxyde de carbone et se dissout dans le plasma sanguin (milieu aqueux).

Cet alcool s’achemine ensuite aux poumons, d’où la présence d’alcool dans l’haleine, une autre partie étant éliminée dans l’urine. En effet, le foie ne peut détruire plus de 1 gramme d'alcool par kilogramme de poids corporel et par jour. Dans le cas d’une consommation régulière d’alcool, les risques de maladies sont importants (ex : cirrhose, c'est à dire la destruction des hépatocytes).

Dès lors, on peut relier la concentration en alcool dans l'haleine d'un individu à celle qui est contenue dans son sang : il s’agit de la loi de Henry (1803). Cette dernière stipule que lorsqu’un gaz est en équilibre avec un liquide sous une pression et une température donnée, la quantité de gaz dissoute dans ce liquide est proportionnelle à la pression partielle de ce gaz dans l’atmosphère surnageant le liquide,

Principe de fonctionnement du capteur :

Lorsque les levures fermentent ou que l'utilisateur souffle, tout l'éthanol contenu dans l’air est oxydé en acide acétique à l'anode:

CH3CH2OH + H2O → CH3CO2H + 4H + 4e-

À la cathode, l'oxygène atmosphérique est réduit: O2 + 4H + 4e- → 2H2O

La réaction globale est l'oxydation de l'éthanol en acide acétique et en eau.

CH3CH2OH + O2 → CH3COOH + H2O

Le courant électrique produit par cette réaction est mesuré par le microprocesseur et présenté comme une approximation de la teneur totale en alcool dans le milieu de culture

Notre montage peut donc s'appliquer à l'estimation du taux d'alcool dans le sang (BAC)

La loi de Henry permet de montrer que la quantité de gaz dissous est proportionnelle à la pression du gaz au-dessus de ce liquide mais qu’elle est valable pour des solutions assez diluées. Cette loi s’applique donc dans le cas de l’alcool produit ou consommé, c’est-à-dire l’éthanol dilué dans le milieu liquide (culture, bière, sang). Au bilan, nous trouvons autant d’alcool dans 2100 cm3 d’air alvéolaire expiré que dans 1 cm3 de sang.

Ainsi, une personne avec un taux d'alcoolémie de 0,1% a 1000 mg / L d'alcool dans le sang à donc 1000/2100 = 0,4762 mg d'alcool dans son haleine.

Donc, notre formule finale pour calculer le taux d'alcoolémie à partir des valeurs mesurées dans l'air est:

Alcoolémie en g/l = souffle mg / L * 0,2100

Rappelons que le taux légal en France est de 0,5 g d'alcool par litre de sang soit 0,24 mg par litre d'air expiré.

Activité 1 : Mesure et affichage de la teneur en alcool avec Arduino

Étape 1 : Stratégie de résolution avec conception (schéma ou organigramme) et construction de la partie électronique (Annexe 1 et 2)

Étape 2 : Lire le signal analogique du capteur dans différentes conditions

Étape 3 : Réaliser un étalonnage avec des solutions à concentrations connues

Étape 4 : Afficher la valeur dans le moniteur série

Étape 5 : Mettre en place un indicateur LED sur le taux d'alcool

Matériel

- Arduino (Uno)

- 10x LED 5 mm (vert, jaune et rouge)

- Potentiomètre à 100KΩ (pour étalonner le capteur)

- 10 x ≈ 220 Ω ou 300 Ω

- BreadBoard

- Module Capteur MQ-3 sur circuit imprimé (type seed, grove ..) ou PCB (Printed circuit board)

- Une alimentation externe 5 à 9V

- Câbles

- Fermenteur

- Tube d’Inhalateur ou tube de spirométrie

Pour calibrer le détecteur nous utilisons une solution à 0.4mg/L ( approximativement 200 ppm ) d'éthanol dans l'air

Pour connecter le capteur, vous devez connecter l'une des broches à Vcc à + 5V d'alimentation et Ground, la masse (-). Il faut utilisez une alimentation externe car il peut y avoir trop de courant pour la carte Arduino, limitée à 5V, 500mA.

Illustration 1: Schéma du circuit de l'éthylomètre

Etape 1: le code (inspiré de https://www.arduino.cc/en/Tutorial/BarGraph)

/*

BIOTECH Ethylométre pour fermenteur

Circuit: MQ3 et 9 LEDs sur pins 2 à 9

Code pour détecteur de vapeur d’alcool avec le capteur MQ-3

*/

int capteurpin = A0;//l'entree analogique est sur A0

float value;

float alcool; // valeur entiere non signee entre 0 et 255

int ledCount = 9; // le nombre de broches (c'est-à-dire la longueur du tableau map)

int ledPins[] = { 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10,}; //un ensemble de numéros de broches auxquels les LED sont attachées

void setup() {

// les éléments du tableau sont numérotés de 0 à (pinCount - 1).

// utilisez une boucle for pour initialiser chaque broche comme sortie:

Serial.begin(9600); //taux de transmission des données

for (int thisLed = 0; thisLed < ledCount; thisLed++) {

pinMode(ledPins[thisLed], OUTPUT);

}

}

void loop() { // pour allumer les LED de la broche la plus basse au plus haut:

value= analogRead(capteurpin);//lit la valeur lue sur le capteur et la corrige en fonction de l'étalonnage

alcool = (0.015*value-4);/*Affiche à cette position la valeur en g/l d'alcool en faisant le zéro'*/

alcool = constrain(alcool, 0, 13); // contraint l'affichage du taux d'alcool entre 0 et 13 g/l

Serial.print("Valeur brute d'alcool dans l'air : ");

Serial.println(value);//affiche la valeur brute

Serial.print("Alcoolemie: ");

Serial.print (alcool,2); // affiche l'alcoolémie

Serial.print (" g/l");

Serial.println ();

delay(1000);

int value = analogRead(capteurpin);

int ledLevel = map(value, 60, 870, 0, ledCount);

for (int thisLed = 0; thisLed < ledCount; thisLed++) { // allume la broche concernée par la valeur relative entre le mini et le maxi pour 9 broches

if (thisLed < ledLevel) {

digitalWrite(ledPins[thisLed], HIGH);

}

else {

digitalWrite(ledPins[thisLed], LOW); // éteignez la broche:

}

}

}

Tester votre montage

Illustration 2: Suivi de la fermentation

Illustration 3: Calibrage à l'éthanol

Lecture sur culture de levures

Les valeurs enregistrées dans le cadre des fermenteurs doivent être corrigées en fonction de la température et de l'humidité, Deux LED vertes s'allument sans présence d'alcool: le fermenteur ou le réceptacle pour le BAC affichent 100 % d'humidité, donc l'étalonnage se fait dans ces conditions.

Pour les besoins de cette activité, nous relèverons le signal à 0 g/l, 0,4g/l, 1 g/l, 2 g/l, 4 g/l, 8 g/l et 13 g/l (éthanol 99% dans de l'eau distillée).

Analyse des résultats

Les valeurs du signal analogique relevées à différentes concentration en alcool figurent dans le tableau suivant.

Nous utilisons un tableur pour saisir les données et pour les représenter graphiquement sous forme de nuage de point et en ajoutant une courbe de tendance avec l'équation de la droite.

Nous voulons obtenir le fonction f(signal) = [alcool], fonction qui nous permettra de trouver la teneur en alcool quelque soit le signal analogique lu. La teneur en alcool sera en ordonnées et le signal analogique en abscisse.

Nous obtenons donc la fonction alcool en g/l = 0,015(value)-4 que nous introduisons dans le code,

Nous observons une saturation du capteur au delà de 10 g/l conformément à la fiche technique et un manque de précision sous 0,2 mg/l.

L'affichage du taux d’alcool dans le fermenteur se fait dans le moniteur série. Par défaut il sera réglé sur le débit de 9600 bauds. Dans la nouvelle fenêtre un signal analogique compris entre 50 et 870 (théoriquement entre 0 et 1023) va s'inscrire.

Illustration 4: Courbe d'étalonnage du capteur

Applications complémentaire à réaliser: Estimation du taux d’alcool dans le sang

Affichage du taux d’alcool dans le sang dans le moniteur série. Par défaut il sera réglé sur le débit de 9600 bauds. La teneur en alcool sera affichée sur un écran LCD avec un seuil d'alerte à 0.25 g/l d'alcool dans le sang.