Фотобиореактор с водорасли под налягане: 10 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

Преди да се потопя в този инструктаж, бих искал да обясня малко повече за този проект и защо избрах да го направя. Въпреки че е малко дълъг, препоръчвам ви да го прочетете, тъй като много от това, което правя, няма да има смисъл без тази информация.

Пълното име на този проект ще бъде фотобиореактор с водорасли под налягане с автономно събиране на данни, но това би било малко дълго като заглавие. Определението за фотобиореактор е:

"Биореактор, който използва източник на светлина за култивиране на фототрофни микроорганизми. Тези организми използват фотосинтеза, за да генерират биомаса от светлина и въглероден диоксид и включват растения, мъхове, макроводорасли, микроводорасли, цианобактерии и лилави бактерии"

Моята реакторна инсталация се използва за отглеждане на сладководни водорасли, но може да се използва и за други организми.

С нашата енергийна криза и проблемите с изменението на климата се изследват много алтернативни източници на енергия, като слънчева енергия. Вярвам обаче, че преходът ни от зависимост от изкопаеми горива към по -екологично чисти енергийни източници ще бъде постепенен, тъй като не можем бързо да променим напълно икономиката. Биогоривата могат да служат като стъпка, тъй като много автомобили, които се движат с изкопаеми горива, могат лесно да бъдат преобразувани, за да работят с биогорива. Какви биогорива питате?

Биогоривата са горива, произвеждани чрез биологични процеси като фотосинтеза или анаеробно разграждане, а не геоложки процеси, които създават изкопаеми горива. Те могат да бъдат направени чрез различни процеси (които няма да обхващам подробно тук). Два често срещани метода са трансестерификация и ултразвук.

Понастоящем растенията са най -големият източник на биогорива. Това е важно, защото за да се създадат маслата, необходими за биогоривата, тези растения трябва да преминат през фотосинтеза, за да съхраняват слънчевата енергия като химическа енергия. Това означава, че когато изгаряме биогорива, изхвърлените емисии се анулират с въглеродния диоксид, който растенията са усвоили. Това е известно като въглеродно неутрално.

При сегашните технологии царевичните растения могат да дадат 18 галона биогориво на декар. Соевите зърна дават 48 галона, а слънчогледите дават 102. Има и други растения, но никое не се сравнява с водорасли, които могат да дадат 5 000 до 15 000 галона на декар (Разликата се дължи на вида водорасли). Водораслите могат да се отглеждат в открити езера, известни като писти или във фотобиореактори.

Така че, ако биогоривата са толкова големи и могат да се използват в автомобили, които използват изкопаеми горива, защо не го правим повече? Разходи. Дори при високи добиви на водорасли, цената на производството на биогорива е много по -висока от тази на изкопаемите горива. Създадох тази реакторна система, за да видя дали мога да подобря ефективността на фотобиореактор и ако тя работи, тогава моята идея може да се използва в търговски приложения.

Ето моята концепция:

Чрез добавяне на налягане към фотобиореактор, мога да увелича разтворимостта на въглеродния диоксид, както е описано в Закона на Хенри, който гласи, че при постоянна температура количеството на даден газ, което се разтваря в даден вид и обем течност, е правопропорционално на парциално налягане на този газ в равновесие с тази течност. Частичното налягане е колко налягане упражнява дадено съединение. Например парциалното налягане на азотния газ на морското равнище е 0,78 atm, тъй като това е процентът на азот във въздуха.

Това означава, че чрез увеличаване на концентрацията на въглероден диоксид или чрез увеличаване на въздушното налягане, ще увелича количеството на разтворен CO2 в биореактора. В тази настройка ще променя само налягането. Надявам се, че това ще позволи на водораслите да претърпят повече фотосинтеза и да растат по -бързо.

ОТКАЗ ОТ ОТГОВОРНОСТ: Това е експеримент, който провеждам в момента и в момента, в който го пиша, не знам, че ще засегне производството на водорасли. В най -лошия случай, той така или иначе ще бъде функционален фотобиореактор. Като част от моя експеримент, трябва да наблюдавам растежа на водораслите. Ще използвам CO2 сензори за това с Arduino и SD карта за събиране и запазване на данните, които да анализирам. Тази част за събиране на данни е по избор, ако искате просто да направите фотобиореактор, но аз ще дам инструкции и код на Arduino за тези, които искат да го използват.

Стъпка 1: Материали

Тъй като частта за събиране на данни не е задължителна, ще разделя списъка с материали на два раздела. Също така моята настройка създава два фотобиореактора. Ако искате само един реактор, просто използвайте половината от материалите за нещо над 2 (Този списък ще посочи номер или материали, последвани от размерите, ако има такива). Също така добавих връзки към определени материали, които можете да използвате, но ви препоръчвам да направите предварително проучване на цените, преди да купите, тъй като те могат да се променят.

Фотобиореактор:

• 2 - 4,2 галона бутилка вода. (Използва се за дозиране на вода. Уверете се, че бутилката е симетрична и няма вградена дръжка. Тя също трябва да се затваря отново.
• 1 - RGB LED лента (15 до 20 фута, или наполовина повече за един реактор. Не е задължително да се адресира индивидуално, но се уверете, че идва със собствен контролер и захранване)
• 2 - 5 галона аквариумни балончета + приблизително 2 фута тръби (обикновено се доставят с балончето)
• 2 - тежести за тръбите на балончетата. Току -що използвах 2 малки камъка и ластици.
• 2 фута - 3/8 "пластмасова тръба с вътрешен диаметър
• 2 - 1/8 "NPT велосипедни клапани (Amazon връзка за клапани)
• 1 тръба - 2 части епоксидна смола
• Начална култура от водорасли
• Водоразтворим растителен тор (използвах марката MiracleGro от Home Depot)

Важна информация:

Въз основа на концентрацията на стартерната култура ще ви трябват повече или по -малко на галон капацитет на реактора. В моя експеримент проведох 12 пътеки по 2,5 галона всяка, но започнах само с 2 супени лъжици. Просто трябваше да отглеждам водораслите в отделен резервоар, докато нямам достатъчно. Освен това видовете нямат значение, но използвах хематокок, тъй като те се разтварят във вода по -добре от водораслите с нишки. Ето линк за водораслите. Като забавен страничен експеримент може да купя биолуминесцентни водорасли по някое време. Видях, че това се случва естествено в Пуерто Рико и изглеждаха наистина страхотно.

Също така, това вероятно е моята четвърта итерация на дизайна и се опитах да направя разходите възможно най -ниски. Това е една от причините, вместо да натискам с истински компресор, ще използвам малки аквариумни балончета. Те обаче имат по -малка сила и могат да движат въздуха при налягане около 6 psi плюс налягането му на всмукване.

Реших този проблем, като купих въздушни балончета с всмукател, към който мога да свържа тръбите. Оттам получих своите измервания на тръби 3/8 . Всмукването на балончето е свързано към тръбата, а след това другият край е свързан към реактора. Това рециклира въздуха, за да мога също да измервам съдържанието на въглероден диоксид с помощта на моите сензори. Търговските приложения вероятно просто ще имат постоянен приток на въздух, който да използвате и изхвърляте. Ето една връзка за мехурчетата. Те са част от филтър за аквариум, от който нямате нужда. Използвах ги само защото използвах един за моите домашни риби. Вероятно можете да намерите само балончето без филтъра онлайн.

Събиране на данни:

• 2 - Сензори Vernier CO2 (те са съвместими с Arduino, но и скъпи. Заех моя от моето училище)
• Термосвиваеми тръби - поне 1 инч диаметър, за да се поберат върху сензорите
• 2 - Адаптери за аналогова платка на Верние (код за поръчка: BTA -ELV)
• 1 - макет
• проводници за джъмпер за дъска
• 1 - SD карта или MicroSD и адаптер
• 1 - щит за SD карта Arduino. Моят е от Seed Studio и моят код също е за него. Може да се наложи да коригирате кода, ако щитът ви е от друг източник
• 1 - Arduino, използвах Arduino Mega 2560
• USB кабел за Arduino (за качване на код)
• Захранване на Arduino. Можете също да използвате тухла за зарядно устройство за телефон с USB кабел, за да осигурите 5V захранване

Стъпка 2: Налягане

За да се постави под налягане контейнерът, трябва да се направят две основни неща:

1. Капакът трябва да може здраво да се фиксира върху бутилката
2. Необходимо е да се инсталира вентил, за да се добави въздушно налягане

Вече имаме вентила. Просто изберете място на бутилката доста над линията на водораслите и пробийте дупка в нея. Диаметърът на отвора трябва да бъде равен на диаметъра на по -големия или винтовия край на клапана (Можете първо да направите по -малък пилотен отвор, а след това и действителния отвор на диаметъра). Това би трябвало да позволи на края на клапана ечемика да се вмести в бутилката. С помощта на регулируем ключ затегнах клапана в пластмасата. Това прави канали и в пластмасата за винта. След това просто извадих клапана, добавих водопроводна лента и я върнах на място.

Ако бутилката ви няма пластмаса с дебели стени:

С помощта на шкурка настържете пластмасата около отвора. След това върху по -голямата част на клапана нанесете обилно количество епоксид. Тя може да бъде двукомпонентна епоксидна смола или всякакъв друг вид. Просто се уверете, че издържа на високо налягане и е водоустойчив. След това просто поставете клапана на място и задръжте за малко, докато се залепи на място. Не изтривайте излишъка около ръбовете. Оставете епоксидното време да се втвърди, преди да тествате фотобиореактора.

Що се отнася до капака, този, който имам, идва с О -пръстен и се фиксира плътно. Използвам максимално налягане от 30 psi и може да го задържи. Ако имате винт на капачката, това е още по -добре. Просто не забравяйте да го навиете с водопроводна лента. И накрая, можете да увиете канап или тежка лента под бутилката до капачката, за да я задържите здраво.

За да го тествате, бавно добавете въздух през клапана и слушайте за течове на въздух. Използването на малко сапунена вода ще помогне да се определи къде изтича въздух и трябва да се добави още епоксид.

Стъпка 3: Bubbler

Както споменах в раздела за материалите, размерите на тръбите ми се основават на балончето, което купих. Ако сте използвали връзката или сте купили същата марка балончета, тогава не е нужно да се притеснявате за други измерения. Ако обаче имате различна марка балончета, трябва да предприемете няколко стъпки:

1. Уверете се, че има прием. Някои балончета ще имат ясен вход, а други ще го имат около изхода (като този, който имам, вижте изображенията).
2. Измерете диаметъра на входа и това е вътрешният диаметър на тръбите.
3. Уверете се, че изходящата тръба/балончето може лесно да се вмъкне през входящата тръба, ако приемът на балончето ви е около изхода.

След това прокарайте по -малката тръба през по -голямата и след това прикрепете единия край към изхода на балончето. Плъзнете по -големия край над входа. Използвайте епоксидна смола, за да я задържите на място и да запечатате от високо налягане. Просто внимавайте да не поставите епоксидна смола във входящия отвор. Странична бележка: Използването на шкурка за леко надраскване на повърхността преди добавяне на епоксидна смола прави връзката по -здрава.

И накрая, направете дупка в бутилката, достатъчно голяма за тръбите. В моя случай беше 1/2 (Снимка 5). Прокарайте по -малката тръба през нея и нагоре по горната част на бутилката. Сега можете да прикрепите тежест (използвах гумени ленти и камък) и да я поставите обратно в След това поставете и по -голямата тръба през бутилката и я поставете на епоксидна смола. Забележете, че голямата тръба свършва веднага след като влезе в бутилката. Това е така, защото е въздухозаборник и не бихте искали водата да се пръска в то.

Предимството на тази затворена система означава, че водната пара няма да изтича и стаята ви няма да мирише на водорасли.

Стъпка 4: Светодиоди

Светодиодите са известни с това, че са енергийно ефективни и много по -хладни (по отношение на температурата) от нормалните крушки с нажежаема жичка или флуоресцентни. Въпреки това, те все още произвеждат малко топлина и лесно може да се забележи, ако е включен, докато все още е навит. Когато използваме лентите в този проект, те няма да бъдат толкова групирани заедно. Всяка допълнителна топлина лесно се излъчва или абсорбира от водния разтвор на водорасли.

В зависимост от вида на водораслите, те ще се нуждаят от повече или по -малко светлина и топлина. Например, биолуминесцентният вид водорасли, които споменах по -рано, изисква много повече светлина. Основно правило, което използвах, е да го поддържам на най -ниската настройка и бавно да го увеличавам с ниво или две яркост, докато водораслите растат.

Както и да е, за да настроите светодиодната система, просто увийте лентата около бутилката няколко пъти, като всяка обвивка идва около 1 инч. В бутилката ми имаше вдлъбнатини, в които светодиодът удобно се вписваше. Просто използвах малко опаковъчна лента, за да я държа на място. Ако използвате две бутилки като мен, просто увийте половината около едната бутилка и половината около другата.

Сега може би се чудите защо моите LED ленти не се увиват чак до върха на моя фотобиореактор. Направих това нарочно, защото имах нужда от пространство за въздуха и за сензора. Въпреки че бутилката е с обем 4,2 галона, аз използвах само половината от нея за отглеждане на водорасли. Също така, ако в реактора ми имаше малък теч, тогава обемното налягане би спаднало по -малко драстично, тъй като обемът на изтичащия въздух е по -малък процент от общото количество въздух в бутилката. Има една тънка линия, на която трябваше да бъда там, където водораслите ще имат достатъчно въглероден диоксид, за да растат, но в същото време трябва да има по -малко въздух, така че въглеродният диоксид, който водораслите да абсорбират, оказва влияние върху цялостния състав на въздух, което ми позволява да записвам данните.

Например, ако дишате в хартиена торбичка, тя ще се напълни с висок процент въглероден диоксид. Но ако просто дишате в откритата атмосфера, цялостният състав на въздуха ще остане приблизително същият и е невъзможно да се открие някаква промяна.

Стъпка 5: Връзки с Protoboard

Тук настройката на фотобиореактора е завършена, ако не искате да добавяте събирането на данни и сензорите на arduino. Можете просто да преминете към стъпката за отглеждане на водорасли.

Ако се интересувате обаче, ще трябва да извадите електрониката за предварителен тест, преди да я поставите в бутилката. Първо, свържете щита за SD карта отгоре на arduino. Всички щифтове, които обикновено бихте използвали на arduino, използвани от щита на SD картата, все още са налични; просто свържете джъмперния проводник към отвора точно отгоре.

Към тази стъпка съм приложил снимки на конфигурациите на щифта arduino, към които можете да се обърнете. Зелени проводници бяха използвани за свързване на 5V към arduino 5V, оранжево за свързване на GND към заземяване на Arduino и жълто за свързване на SIG1 към Arduino A2 и A5. Имайте предвид, че има много допълнителни връзки към сензорите, които биха могли да бъдат направени, но те не са необходими за събиране на данни и само помагат на библиотеката Vernier да изпълнява определени функции (като например идентифициране на използвания сензор)

Ето кратък преглед на това, което правят щифтовете на протоборда:

1. SIG2 - 10V изходен сигнал, използван само от няколко нониусни сензора. Няма да имаме нужда от него.
2. GND - свързва се към заземяване на arduino
3. Vres - различните нониусни сензори имат различни резистори в тях. подаване на напрежение и четене на токовия изход от този щифт помага за идентифициране на сензори, но при мен не работи. Знаех предварително и какъв сензор използвам, затова го кодирах твърдо в програмата.
4. ID - също помагат за идентифициране на сензори, но не са необходими тук
5. 5V - дава 5 волта на сензора. Свързан към arduino 5V
6. SIG1 - изход за сензорите от скала от 0 до 5 волта. Няма да обяснявам уравненията за калибриране и всичко за преобразуване на изхода на сензора в действителни данни, но помислете за CO2 сензора, който работи по следния начин: колкото повече CO2 усеща, толкова по -голямо напрежение се връща на SIG2.

За съжаление, сензорната библиотека на Верние работи само с един сензор и ако трябва да използваме два, тогава ще трябва да прочетем суровото напрежение, изведено от сензорите. Предоставих кода като.ino файл в следващата стъпка.

Докато прикрепяте джъмперните проводници към макета, имайте предвид, че редици отвори са свързани. Ето как свързваме адапторите на протоборда към arduino. Също така някои щифтове могат да се използват от четеца на SD карти, но се уверих, че те не си пречат. (Обикновено това е цифров пин 4)

Стъпка 6: Код и тест

Изтеглете софтуера arduino на компютъра си, ако още не сте го инсталирали.

След това свържете сензорите към адаптерите и се уверете, че всички кабели са добре (Проверете дали сензорите са на ниска настройка от 0 - 10 000 ppm). Поставете SD картата в слота и свържете arduino към компютъра си чрез USB кабел. След това отворете файла SDTest.ino, който предоставих в тази стъпка, и щракнете върху бутона за качване. Ще трябва да изтеглите SD библиотеката като.zip файл и да я добавите.

След като кодът се качи успешно, щракнете върху инструменти и изберете серийния монитор. Трябва да видите информация за отпечатването на сензора на екрана. След като стартирате кода за известно време, можете да изключите arduino и да извадите SD картата.

Както и да е, ако поставите SD картата в лаптопа си, ще видите файл DATALOG. TXT. Отворете го и се уверете, че има данни в него. Добавих някои функции към SD теста, които ще запазят файла след всяко записване. Това означава, че дори да извадите SD картата в средата на програмата, тя ще има всички данни до този момент. Моят файл AlgaeLogger.ino е още по -сложен със закъснения, за да може да работи една седмица. На всичкото отгоре добавих функция, която ще стартира нов файл datalog.txt, ако такъв вече съществува. Не беше необходимо кода да работи, но просто исках всички данни, които Arduino събира в различни файлове, вместо да се налага да ги сортирам по показания час. Също така мога да включа arduino, преди да започна експеримента си и просто да нулирам кода, като щракна върху червения бутон, когато съм готов да започна.

Ако тестовият код работи, можете да изтеглите предоставения от мен файл AlgaeLogger.ino и да го качите в arduino. Когато сте готови да започнете събирането на данни, включете arduino, поставете SD картата и щракнете върху червения бутон на arduino, за да рестартирате програмата. Кодът ще прави измервания на интервали от един час в продължение на 1 седмица. (168 колекции от данни)

Стъпка 7: Инсталиране на сензори във фотобиореактора

О, да, как можах да забравя?

Трябва да инсталирате сензорите във фотобиореактора, преди да се опитате да съберете данни. Имах само стъпката да тествам сензорите и кода преди този, така че ако един от сензорите ви е дефектен, тогава можете да получите друг веднага, преди да го интегрирате във фотобиореактора. Трябва да премахнете сензорите след тази стъпка ще бъде трудно, но е възможно. Инструкциите как да направите това са на стъпката Съвети и Последни мисли.

Както и да е, ще интегрирам сензорите в капака на бутилката си, тъй като тя е най -отдалечена от водата и не искам да се намокри. Също така забелязах, че всички водни пари се кондензират близо до дъното и тънките стени на бутилката, така че това разположение ще предотврати увреждането на сензорите.

За да започнете, плъзнете термосвиваемата тръба над сензора, но внимавайте да не покриете всички отвори. След това свийте тръбите с малък пламък. Цветът няма значение, но използвах червено за видимост.

След това пробийте 1 -инчов отвор в центъра на капака и използвайте шкурка, за да настържете пластмасата около него. Това ще помогне за епоксидното свързване добре.

Накрая добавете малко епоксид към тръбите и плъзнете сензора на мястото му на капака. Добавете още малко епоксид от външната и вътрешната страна на капачката, където капачката отговаря на термосвиването и я оставете да изсъхне. Сега тя трябва да е херметична, но ще трябва да я тестваме под налягане, за да бъде безопасна.

Стъпка 8: Тест за налягане със сензори

Тъй като вече предварително тествахме фотобиореактора с вентила на велосипеда, трябва само да се притесняваме за капачката тук. Както и миналия път, бавно добавете натиск и слушайте за течове. Ако намерите такъв, добавете малко епоксид към вътрешната страна на капачката и от външната страна.

Използвайте също сапунена вода, за да откриете течове, ако искате, но не поставяйте никакви вътре в сензора.

Изключително важно е да не излиза въздух от фотобиореактора. Отчитането на CO2 сензора се влияе от константа, пряко свързана с налягането. Познаването на налягането ще ви позволи да определите действителната концентрация на въглероден диоксид за събиране и анализ на данни.

Стъпка 9: Култура на водорасли и хранителни вещества

За да отглеждате водораслите, напълнете контейнера с вода точно над светодиодите. Тя трябва да бъде около 2 галона, дайте или вземете няколко чаши. След това добавете разтворим растителен тор според указанията на кутията. Всъщност добавих още малко, за да увелича растежа на водораслите. И накрая, добавете начална култура от водорасли. Първоначално използвах 2 супени лъжици за всичките 2 галона, но ще използвам 2 чаши по време на моя експеримент, за да накарам водораслите да растат по -бързо.

Настройте светодиодите на най -ниската настройка и я увеличете по -късно, ако водата стане твърде тъмна. Включете балончето и оставете реактора да престои около седмица, за да растат водораслите. Много от вас трябва да завъртите водата няколко пъти, за да предотвратите утаяването на водораслите на дъното.

Също така, фотосинтезата поглъща предимно червена и синя светлина, поради което листата са зелени. За да дам на водораслите необходимата им светлина, без да ги загрявам твърде много, използвах лилава светлина.

В прикачените снимки само отглеждах първоначалните 2 супени лъжици предястие, което ми трябваше около 40 чаши за моя действителен експеримент. Можете да кажете, че водораслите са нараснали много, като се има предвид, че преди водата е била напълно чиста.

Стъпка 10: Съвети и заключителни мисли

Научих много, докато изграждах този проект и с удоволствие отговарям на въпросите в коментарите, доколкото мога. Междувременно имам няколко съвета, които имам:

1. Използвайте двустранна лента от пяна, за да фиксирате нещата на място. Той също така намалява вибрациите от балончето.
2. Използвайте разклонител, за да защитите всички части, както и да имате място за включване на нещата.
3. Използвайте велосипедна помпа с манометър и не добавяйте налягане, без да напълните бутилката с вода. Това е по две причини. Първо, налягането ще се увеличи по -бързо, и второ, теглото на водата ще попречи на дъното на бутилката да се обърне.
4. Вихрете водораслите от време на време, за да имате равномерно решение.
5. За да премахнете сензорите: използвайте остър нож, за да отрежете тръбите от сензора и да го откъснете колкото можете. След това внимателно издърпайте сензора.

Ще добавя още съвети, когато им дойдат на ум.

И накрая, бих искал да завърша, като кажа няколко неща. Целта на този проект е да се види дали водораслите могат да се отглеждат по -бързо за производството на биогорива. Въпреки че е работещ фотобиореактор, не мога да гарантирам, че натискът ще има значение, докато не приключат всичките ми опити. По това време ще направя редакция тук и ще покажа резултатите (Потърсете го някъде в средата на март).

Ако смятате, че тази инструкция е потенциално полезна и документацията е добра, оставете ми харесване или коментар. Също така участвах в конкурсите LED, Arduino и Epilog, така че гласувайте за мен, ако го заслужавам.

Дотогава честит DIY'ing на всички

РЕДАКТИРАНЕ:

Моят експеримент беше успешен и с него успях да стигна до държавен панаир на науката! След като сравних графиките на сензорите за въглероден диоксид, проведох и ANOVA (анализ на вариацията) тест. По същество това, което прави този тест, е, че определя вероятността дадени резултати да се появят естествено. Колкото по -близо е стойността на вероятността до 0, толкова по -малка е вероятността да видите дадения резултат, което означава, че каквато и независима променлива е променена, действително е повлияла на резултатите. За мен стойността на вероятността (известна още като p -стойност) беше много ниска, някъде около 10 повишена до -23…. основно 0. Това означава, че увеличаването на налягането в реактора позволява на водораслите да растат по -добре и да абсорбират повече CO2, както бях прогнозирал.

В моя тест имах контролна група без добавено налягане, 650 куб. См въздух, 1300 куб. См въздух и 1950 кубически см въздух. Сензорите спряха да работят правилно по следите с най -високо налягане, така че го изключих като извънреден. Въпреки това стойността на Р не се е променила много и все още лесно се закръглява до 0. В бъдещите експерименти ще се опитам да намеря надежден начин за измерване на поглъщането на CO2 без скъпи сензори и може би ще надстроя реактора, така че да може безопасно да се справи с по -високи натиск.

Вицешампион в LED конкурса 2017