Trycksatt alger Fotobioreaktor: 10 steg (med bilder)

2025 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2025-01-13 06:58

Innan jag dyker ner i detta instruerbara skulle jag vilja förklara lite mer om vad detta projekt och varför jag valde att göra det. Även om det är lite långt, uppmuntrar jag dig att läsa igenom det, eftersom mycket av det jag gör inte är meningsfullt utan denna information.

Projektets fullständiga namn skulle vara en trycksatt algerfotobioreaktor med autonom datainsamling, men det skulle vara lite långt som en titel. Definitionen av en fotobioreaktor är:

"En bioreaktor som använder en ljuskälla för att odla fototrofa mikroorganismer. Dessa organismer använder fotosyntes för att generera biomassa från ljus och koldioxid och inkluderar växter, mossor, makroalger, mikroalger, cyanobakterier och lila bakterier"

Min reaktorinstallation används för odling av sötvattensalger, men den kan användas för andra organismer.

Med vår energikris och klimatfrågor är det många alternativa energikällor, till exempel solenergi, som utforskas. Jag tror emellertid att vår övergång från att vara beroende av fossila bränslen till mer miljövänliga energikällor kommer att ske gradvis, eftersom vi inte helt kan göra om ekonomin snabbt. Biobränslen kan fungera som ett slags springbräda eftersom många bilar som körs på fossila bränslen lätt kan omvandlas till att drivas med biobränslen. Vad är biobränslen frågar du?

Biobränslen är bränslen som produceras genom biologiska processer som fotosyntes eller anaerob nedbrytning, snarare än de geologiska processer som skapar fossila bränslen. De kan göras genom olika processer (som jag inte kommer att täcka i detalj här). Två vanliga metoder är transförestring och ultraljud.

För närvarande är växter den största källan för biobränslen. Detta är viktigt eftersom dessa växter måste gå igenom fotosyntes för att lagra solenergi som kemisk energi för att skapa de oljor som behövs för biobränslen. Det betyder att när vi förbränner biobränslen, släpper utsläppen ut med koldioxiden som växterna hade absorberat. Detta är känt som koldioxidneutralt.

Med nuvarande teknik kan majsväxter ge 18 liter biobränsle per tunnland. Sojabönor ger 48 liter och solrosor ger 102. Det finns andra växter, men ingen jämför med alger som kan ge 5 000 till 15 000 gallon per tunnland (variationen beror på algerna). Alger kan odlas i öppna dammar som kallas raceways eller i fotobioreaktorer.

Så om biobränslen är så stora och kan användas i bilar som använder fossila bränslen, varför gör vi inte det mer? Kosta. Även med höga algoljeavkastningar är produktionskostnaderna för biobränslen mycket högre än för fossila bränslen. Jag skapade detta reaktorsystem för att se om jag kunde förbättra effektiviteten hos en fotobioreaktor, och om det fungerar kan min idé användas i kommersiella applikationer.

Här är mitt koncept:

Genom att lägga till tryck på en fotobioreaktor kan jag öka lösligheten för koldioxid enligt beskrivningen i Henry's Law, som säger att vid en konstant temperatur är mängden av en given gas som löser sig i en viss typ och volym vätska direkt proportionell mot partiellt tryck för den gasen i jämvikt med den vätskan. Partiellt tryck är hur mycket tryck en given förening utövar. Till exempel är partialtrycket för kvävgas vid havsnivån 0,78 atm eftersom det är andelen kväve som finns i luften.

Detta innebär att genom att öka koncentrationen av koldioxid eller genom att öka lufttrycket kommer jag att öka mängden löst CO2 i bioreaktorn. I den här inställningen kommer jag bara att ändra trycket. Jag hoppas att detta gör att alger kan genomgå fotosyntes mer och växa snabbare.

ANSVARSFRISKRIVNING: Detta är ett experiment som jag för närvarande utför och jag vid skrivandet av detta, jag vet inte att det kommer att påverka algproduktion. I värsta fall kommer det att vara en funktionell fotobioreaktor i alla fall. Som en del av mitt experiment måste jag övervaka algtillväxt. Jag kommer att använda CO2 -sensorer för detta med ett Arduino- och SD -kort för att samla in och spara data för mig att analysera. Den här datainsamlingsdelen är valfri om du bara vill göra en fotobioreaktor, men jag kommer att ge instruktioner och Arduino -kod för dem som vill använda den.

Steg 1: Material

Eftersom datainsamlingsdelen är valfri kommer jag att dela upp materiallistan i två sektioner. Dessutom skapar min installation två fotobioreaktorer. Om du bara vill ha en reaktor använder du bara hälften av materialen för allt ovanför 2 (Denna lista visar antal eller material följt av dimensioner om tillämpligt). Jag har också lagt till länkar till vissa material som du kan använda, men jag uppmuntrar dig att göra tidigare undersökningar av priser innan du köper eftersom de kan ändras.

Fotobioreaktor:

• 2 - 4,2 gallon vattenflaska. (Används för utmatning av vatten. Se till att flaskan är symmetrisk och inte har ett inbyggt handtag. Den ska också kunna återförslutas.
• 1 - RGB LED -remsa (15 till 20 fot, eller hälften så mycket för en reaktor. Behöver inte vara individuellt adresserbart, men se till att den kommer med en egen styrenhet och strömförsörjning)
• 2 - 5 gallons akvariumbubblor + cirka 2 fot slang (vanligtvis levererad med bubblaren)
• 2 - vikter för bubblarens rör. Jag använde precis 2 små stenar och gummiband.
• 2 fot - 3/8 "innerdiameter plaströr
• 2 - 1/8 "NPT -cykelventiler (Amazon -länk för ventiler)
• 1 rör - 2 delar epoxi
• Alger startkultur
• Vattenlösligt växtgödselmedel (jag använde märket MiracleGro från Home Depot)

Viktig information:

Baserat på koncentrationen av startkultur behöver du mer eller mindre reaktorns kapacitet per gallon. I mitt experiment genomförde jag 12 spår på 2,5 gallon vardera men började bara med 2 matskedar. Jag var bara tvungen att odla algerna i en separat tank tills jag fick nog. Dessutom spelar art ingen roll, men jag använde Haematococcus eftersom de löser sig i vatten bättre än filamentalger. Här är en länk till algerna. Som ett roligt sidaexperiment kanske jag kommer att köpa de lysande algerna någon gång. Jag såg det förekomma naturligt i Puerto Rico och de såg riktigt coola ut.

Det här är förmodligen min fjärde iteration av design och jag har försökt att göra kostnaden så låg som möjligt. Det är en anledning till att jag kommer att använda små akvariumbubblor istället för att trycksätta med en faktisk kompressor. De har dock mindre kraft och kan flytta luft vid ett tryck på cirka 6 psi plus dess inloppstryck.

Jag löste detta problem genom att köpa luftbubblor med ett intag som jag kan ansluta slangen till. Det var där jag fick mina 3/8 slangmätningar från. Bubblarens intag är anslutet till slangen och sedan den andra änden ansluten till reaktorn. Detta återvinner luften så att jag också kan mäta koldioxidinnehåll med mina sensorer. Kommersiella applikationer kommer förmodligen att ha en stadig lufttillförsel att använda och kasta istället. Här är en länk till bubblarna. De är en del av ett akvariefilter som du inte behöver. Jag använde dessa bara för att jag brukade använda det för mina sällskapsdjur fiskar. Du kan förmodligen bara hitta bubblaren utan filtret på nätet också.

Datainsamling:

• 2 - Vernier CO2 -sensorer (de är kompatibla med Arduino, men också dyra. Jag lånade mina från min skola)
• Krympslang - minst 1 tum diameter för att passa på sensorerna
• 2 - Vernier analoga protoboard -adaptrar (beställningskod: BTA -ELV)
• 1 - brödbräda
• trådbräda för trådbräda
• 1 - SD -kort eller MicroSD och adapter
• 1 - Arduino SD -kortsköld. Mitt är från Seed Studio och min kod är också för det. Du kan behöva justera koden om din sköld är från en annan källa
• 1 - Arduino, jag använde Arduino Mega 2560
• USB -kabel för Arduino (för att ladda upp kod)
• Arduino strömförsörjning. Du kan också använda en telefonladdare med USB -kabeln för att ge 5V ström

Steg 2: Tryck

För att trycksätta behållaren måste två huvudsakliga saker göras:

1. Locket ska kunna fästas säkert på flaskan
2. En ventil måste installeras för att öka lufttrycket

Vi har redan ventilen. Välj helt enkelt en plats på flaskan långt ovanför alglinjen och borra ett hål i den. Diametern på hålet ska vara lika med diametern på ventilens större eller skruvände (Du kan först göra ett mindre pilothål och sedan det verkliga diameterhålet). Detta bör göra det möjligt för icke -ventiländen att bygga in i flaskan. Med en justerbar skiftnyckel spände jag in ventilen i plasten. Detta gör spår i plasten till skruven också. Därefter tog jag bara ut ventilen, la till rörmokare tejp och satte tillbaka den på plats.

Om din flaska inte har tjockväggig plast:

Med lite sandpapper grov upp plasten runt hålet. Applicera sedan en generös mängd epoxi på ventilen större del. Det kan vara två delar epoxi eller någon annan typ. Se bara till att den tål högt tryck och är vattentålig. Placera därefter helt enkelt ventilen på plats och håll den en stund tills den fastnar på plats. Torka inte bort överskottet runt kanterna. Låt epoxitiden härda också innan du testar fotobioreaktorn.

När det gäller locket kommer det jag har med en O -ring och fästs tätt. Jag använder max 30 psi tryck och det kan hålla det tillbaka. Om du har en skruv på locket är det ännu bättre. Se bara till att trä den med rörmokare tejp. Slutligen kan du linda garn eller kraftig tejp under flaskan till över locket för att hålla den stadigt.

För att testa det, tillsätt långsamt luft genom ventilen och lyssna efter luftläckor. Att använda lite tvålvatten hjälper till att identifiera var luft kommer ut och mer epoxi måste tillsättas.

Steg 3: Bubbler

Som jag hade nämnt i materialavsnittet, är måtten för mina slangar baserade på bubblan jag köpte. Om du använde länken eller köpte samma bubbelmärke behöver du inte oroa dig för andra dimensioner. Men om du har ett annat märke av bubblare är det några steg du måste ta:

1. Se till att det finns ett intag. Vissa bubblare kommer att ha en tydlig ingång, och andra kommer att ha det runt utgången (som den jag har, se bilderna).
2. Mät ingångens diameter och det är innerdiametern för slangen.
3. Se till att utgångs-/bubblarslangen lätt kan passera genom din ingångsslang om din bubblares intag ligger runt utgången.

Trä sedan igenom den mindre slangen genom den större och fäst sedan ena änden på bubblarens utgång. Skjut den större änden över ingången. Använd epoxi för att hålla den på plats och för att täta från högt tryck. Var bara försiktig så att du inte lägger någon epoxi i insugningsporten. Sidnotering, med sandpapper för att lätt repa upp en yta innan du lägger till epoxi gör bindningen starkare.

Slutligen gör du ett hål i flaskan som är tillräckligt stor för slangen. I mitt fall var det 1/2 (bild 5). Trä den mindre slangen genom den och uppåt på flaskan. Du kan nu fästa en vikt (jag använde gummiband och en sten) och lägga tillbaka den i Lägg sedan det större röret genom flaskan också och epoxi det på plats. Lägg märke till att det stora röret slutar precis efter att det har kommit in i flaskan. Detta beror på att det är ett luftintag och du inte vill att vatten ska stänka ner i den.

En fördel med att ha detta stängda system innebär att vattenånga inte kommer ut och ditt rum inte kommer att lukta som alger.

Steg 4: Lysdioder

Lysdioder är kända för att vara energieffektiva och mycket svalare (temperaturmässigt) än vanliga glödlampor eller lysrör. De producerar dock fortfarande lite värme och det kan lätt märkas om den slås på medan den fortfarande rullas ihop. När vi använder remsorna i det här projektet kommer de inte att vara så hopklumpade. Eventuell extra värme utstrålas eller absorberas lätt av algvattenlösningen.

Beroende på algerna kommer de att behöva mer eller mindre ljus och värme. Till exempel kräver den bioluminescerande typen av alger som jag nämnde tidigare mycket mer ljus. En tumregel jag använde är att hålla den på den lägsta inställningen och långsamt öka den med en eller två ljusstyrka när algerna växte.

Hur som helst, för att installera LED -systemet, linda bara remsan runt flaskan några gånger med varje omslag som kommer upp cirka 1 tum. Min flaska hade åsar i den som lysdioden bekvämt passade in. Jag använde bara lite förpackningstejp för att hålla den på plats. Om du använder två flaskor som jag, bara linda hälften runt en flaska och hälften runt den andra.

Nu kanske du undrar varför mina LED -remsor inte sveper runt änden till toppen av min fotobioreaktor. Jag gjorde detta med avsikt eftersom jag behövde utrymme för luften och för sensorn. Även om flaskan har en volym på 4,2 gallon, använde jag bara hälften av den för att odla algerna. Om min reaktor hade ett litet läckage skulle volymtrycket sjunka mindre drastiskt eftersom volymen av utgående luft är en mindre andel av den totala mängden luft inuti flaskan. Det finns en fin linje som jag måste vara på där algerna skulle ha tillräckligt med koldioxid för att växa, men samtidigt ska det finnas mindre luft så att koldioxiden som algerna absorberar påverkar den övergripande sammansättningen av luft, så att jag kan spela in data.

Om du till exempel andas in en papperspåse fylls den med en hög andel koldioxid. Men om du bara andas in den öppna atmosfären kommer luftens övergripande sammansättning fortfarande att vara ungefär densamma och omöjlig att upptäcka någon förändring.

Steg 5: Protoboard -anslutningar

Det är här din fotobioreaktor -installation är klar om du inte vill lägga till arduino -datainsamling och sensorer. Du kan bara hoppa till steget om att odla alger.

Om du är intresserad måste du ta ut elektroniken för ett preliminärt test innan du lägger den i flaskan. Anslut först SD -kortskyddet ovanpå arduinoen. Alla stift som du normalt skulle använda på arduino som används av SD -kortskyddet är fortfarande tillgängliga; anslut bara bygeln till hålet direkt ovanför.

Jag har bifogat en bild av arduino -pin -konfigurationerna till det här steget som du kan hänvisa till. Gröna trådar användes för att ansluta 5V till arduino 5V, orange för att ansluta GND till Arduino -mark och gul för att ansluta SIG1 till Arduino A2 och A5. Observera att det finns många extra anslutningar till sensorerna som kunde ha gjorts, men de behövs inte för datainsamling och hjälper bara Vernier -biblioteket att utföra vissa funktioner (som att identifiera sensorn som används)

Här är en snabb översikt över vad stiften på protoboardet gör:

1. SIG2 - 10V utsignal som endast används av några få vernier -sensorer. Vi behöver det inte.
2. GND - ansluter till arduinojord
3. Vres - olika vernier -sensorer har olika motstånd i sig. matning av spänning och avläsning av strömmen från denna pin hjälper till att identifiera sensorer, men det fungerade inte för mig. Jag visste också vilken sensor jag använde i förväg så jag hårdkodade programmet.
4. ID - hjälper också till att identifiera sensorer, men behövs inte här
5. 5V - ger 5 volt ström till sensorn. Ansluten till arduino 5V
6. SIG1 - utgång för sensorerna från en skala från 0 till 5 volt. Jag kommer inte att förklara kalibreringsekvationerna och allt för att konvertera sensorutmatningen till faktiska data, men tänk på CO2 -sensorn som fungerar så här: ju mer CO2 den känner, desto mer spänning återgår den på SIG2.

Tyvärr fungerar Vernier -sensorbiblioteket bara med en sensor och om vi behöver använda två måste vi läsa in den råa spänningen som sensorerna matar ut. Jag har tillhandahållit koden som en.ino -fil i nästa steg.

Tänk på att rader med hål är anslutna när du fäster bygelkablar till brödbrädet. Så här ansluter vi protoboardadaptrarna till arduinoen. Vissa stift kan också användas av SD -kortläsaren, men jag såg till att de inte stör varandra. (Det är vanligtvis digital pin 4)

Steg 6: Kod och test

Ladda ner arduino -programvaran till din dator om du inte redan har den installerad.

Anslut sedan sensorerna till adaptrarna och se till att alla ledningar är fina (Kontrollera att sensorerna har låg inställning från 0 - 10 000 ppm). Sätt in SD -kortet i facket och anslut arduino till datorn via USB -kabeln. Öppna sedan filen SDTest.ino som jag har levererat i det här steget och klicka på uppladdningsknappen. Du måste ladda ner SD -biblioteket som en.zip -fil och lägga till det också.

När koden har laddats upp klickar du på verktyg och väljer seriell bildskärm. Du bör se information om sensoravläsningen som skrivs ut på skärmen. Efter att ha kört koden ett tag kan du koppla ur arduino och ta ut SD -kortet.

Hur som helst, om du sätter in SD -kortet i din bärbara dator ser du en DATALOG. TXT -fil. Öppna den och se till att det finns data i den. Jag har lagt till några funktioner i SD -testet som sparar filen efter varje skrivning. Det betyder att även om du tar ut SD-kortets mittprogram kommer det att ha all data fram till den punkten. Min AlgaeLogger.ino -fil är ännu mer komplex med förseningar så att den kan köras i en vecka. Utöver detta lade jag till en funktion som startar en ny datalog.txt -fil om den redan finns. Det krävdes inte för att koden skulle fungera, men jag ville bara ha all data som Arduino samlar in på olika filer istället för att behöva sortera dem efter den visade timmen. Jag kan också få arduino ansluten innan jag påbörjar mitt experiment och bara återställa koden genom att klicka på den röda knappen när jag är redo att börja.

Om testkoden fungerade kan du ladda ner filen AlgaeLogger.ino som jag levererade och ladda upp den till arduino. När du är redo att starta din datainsamling, slå på arduino, sätt i SD -kortet och klicka på den röda knappen på arduino för att starta om programmet. Koden kommer att mäta med en timmes intervall i 1 vecka. (168 datasamlingar)

Steg 7: Installera sensorer i fotobioreaktorn

Åh ja, hur kunde jag glömma?

Du måste installera sensorerna i fotobioreaktorn innan du försöker samla in data. Jag hade bara steget att testa sensorerna och koden före den här så att om en av dina sensorer är felaktig kan du få en annan direkt innan du integrerar den i fotobioreaktorn. Att behöva ta bort sensorerna efter det här steget blir svårt, men det är möjligt. Instruktioner om hur du gör det finns i steget Tips och slutliga tankar.

Hur som helst kommer jag att integrera sensorerna i locket på min flaska eftersom det är längst bort från vattnet och jag vill inte att det ska bli blött. Jag märkte också att all vattenånga kondenseras nära botten och tunna väggar i flaskan så att denna placering kommer att förhindra att vattenånga skadar sensorerna.

För att börja, skjut värmekrympslangen över sensorn, men se till att inte täcka över alla hål. Krympa sedan slangen med en liten låga. Färg spelar ingen roll men jag använde rött för synlighet.

Borra sedan ett 1 hål i mitten av locket och använd sandpapper för att grova upp plasten runt det. Detta hjälper epoxibindningen väl.

Lägg till sist lite epoxi på slangen och skjut sensorn på plats på locket. Lägg till lite mer epoxi på utsidan och insidan av locket där locket möter värmekrympningen och låt det torka. Det ska nu vara lufttätt, men vi måste trycktesta det för att vara säker.

Steg 8: Trycktest med sensorer

Eftersom vi redan testat fotobioreaktorn i förväg med cykelventilen behöver vi bara bry oss om locket här. Precis som förra gången, lägg långsamt till tryck och lyssna efter läckor. Om du hittar en, lägg till lite epoxi på insidan av locket och på utsidan.

Använd också tvålvatten för att hitta läckor om du vill, men lägg inte in några i sensorn.

Det är oerhört viktigt att ingen luft kommer ut från fotobioreaktorn. CO2 -sensoravläsningen påverkas av en konstant som är direkt relaterad till trycket. Genom att känna till trycket kan du lösa den faktiska koldioxidkoncentrationen för datainsamling och analys.

Steg 9: algkultur och näringsämnen

För att odla algerna fyller du behållaren till strax ovanför lysdioderna med vatten. Det bör vara cirka 2 liter ge eller ta några koppar. Tillsätt sedan lösligt växtgödsel enligt anvisningarna på lådan. Jag lade till lite mer faktiskt för att öka algtillväxten. Slutligen, lägg till i alger starter kultur. Jag använde ursprungligen 2 matskedar för hela 2 liter, men jag kommer att använda 2 koppar under mitt experiment för att få algerna att växa snabbare.

Ställ in lysdioderna på den lägsta inställningen och öka den senare om vattnet blir för mörkt. Slå på bubblaren och låt reaktorn sitta i någon vecka för att algerna ska växa. Du många behöver snurra runt vattnet några gånger för att förhindra att algerna sätter sig i botten.

Fotosyntesen absorberar också främst rött och blått ljus, varför bladen är gröna. För att ge algerna det ljus de behöver utan att värma dem för mycket använde jag lila ljus.

På de bifogade bilderna växte jag bara ut de ursprungliga 2 matskedarna starter jag hade till cirka 40 koppar för mitt faktiska experiment. Du kan se att algerna växte mycket med tanke på att vattnet var helt klart innan.

Steg 10: Tips och slutliga tankar

Jag lärde mig mycket när jag byggde detta projekt och jag svarar gärna på frågor i kommentarerna efter bästa förmåga. Under tiden kommer här några tips jag har:

1. Använd dubbelsidig skumtejp för att säkra saker på plats. Det minskade också vibrationer från bubblaren.
2. Använd en strömkabel för att skydda alla delar samt ha plats att koppla in saker.
3. Använd en cykelpump med tryckmätare och lägg inte på tryck utan att fylla flaskan med vatten. Detta är av två skäl. För det första kommer trycket att öka snabbare, och för det andra kommer vattnets vikt att förhindra att flaskans botten vänds.
4. Snurra algerna då och då för att få en jämn lösning.
5. För att ta bort sensorerna: Använd ett skarpt blad för att klippa av slangen från sensorn och riva bort så mycket du kan. Dra sedan försiktigt ut sensorn.

Jag kommer att lägga till fler tips när de kommer att tänka på.

Slutligen vill jag avsluta med att säga några saker. Syftet med detta projekt är att se om alger kan odlas snabbare för produktion av biobränslen. Även om det är en fungerande fotobioreaktor kan jag inte garantera att trycket kommer att göra skillnad förrän alla mina prövningar är klara. Vid den tiden kommer jag att redigera här och visa resultaten (leta efter det någon gång i mitten av mars).

Om du tyckte att det här kan vara användbart och dokumentationen är bra, lämna mig en gilla eller en kommentar. Jag har också deltagit i LED-, Arduino- och Epilog -tävlingarna, så rösta på mig om jag förtjänar det.

Tills dess, glädjefylld alla

REDIGERA:

Mitt experiment var en framgång och jag kunde också komma till en statlig vetenskapsmässa med det! Efter att ha jämfört graferna för koldioxidgivarna körde jag också ett ANOVA -test (Variansanalys). I grund och botten vad detta test gör är att det bestämmer sannolikheten för att de givna resultaten kommer naturligt. Ju närmare sannolikhetsvärdet är 0, desto mindre sannolikt är det att se det givna resultatet, vilket betyder att oberoende variabel som ändrats faktiskt hade effekt på resultaten. För mig var sannolikhetsvärdet (aka p -värde) mycket lågt, någonstans runt 10 höjd till -23…. i grunden 0. Detta innebar att ökande tryck i reaktorn gjorde att algerna växte bättre och absorberade mer CO2 som jag hade förutsagt.

I mitt test hade jag en kontrollgrupp utan tryck tillsatt, 650 kubik cm luft, 1300 kubik cm luft och 1950 kubik cm luft tillsatt. Sensorerna slutade fungera ordentligt på det högsta trycket, så jag utesluter det som en outlier. Trots det förändrades inte P -värdet mycket och avrundades fortfarande enkelt till 0. I framtida experiment skulle jag försöka hitta ett pålitligt sätt att mäta CO2 -upptag utan dyra sensorer och kanske uppgradera reaktorn så att den säkert kan hantera högre tryck.

Tvåa i LED -tävlingen 2017