Farma: ett hem bioreaktor för läkemedel (1 / 18 steg)
Steg 1: Krav på konstruktion och teknik
Till att börja utforma enheten, började jag först forska kraven. Jag bröt forskningen i tre kategorier: a Spirulina tillväxt, b användarkrav och c en funktionslista.
Spirulina tillväxt krav:
- Spirulina växer bäst vid 30C.
- Spirulina kräver CO2 för fotosyntesen.
- Spirulina fotosyntes genom att absorbera ljus i flera fotoaktiva pigment. Därför kräver de Sol eller artificiellt ljus att växa. De växer också bäst i en 12 timmars dag/natt cykel, som liknar naturliga förhållanden.
- De växer i en alkalisk (grundläggande) media som innehåller en kvävetillförseln (bland andra nödvändiga näringsämnen).
Lyckligtvis finns det flera at-home Spirulina system för närvarande på marknaden som fungerat som en bra utgångspunkt för att bemöta dessa krav på tillväxt. I synnerhet har Spirulina Systems en start systemet som jag tittat på som en bra utgångspunkt. Jag köpte också förrätt kultur- och näringsämnen från Spirulina system (mer om det senare).
Tekniska:
Lätta krav
Så mycket som möjligt. Jag gjorde en kort litteratursökning för att försöka fastställa ljusintensiteten föredras av Spirulina. Jag hade svårt att hitta en auktoritativ källa (till exempel en review artikel på ämnet) men jag hittade fleraanvändbarapapper som jag grokked som Spirulina som lika mycket ljus som möjligt. Två av studierna använde ljus intensitet större än 3000 μmol fotoner per meter fyrkant per sekund. (En mol av fotoner är Avogadros tal av fotoner).
Har våglängder matter? Ja. Fotosyntetiska pigmenten inom Spirulina (inklusive klorofyll a, beta-cartenoids och phycocyanin) exciteras av smala frekvensband i intervallet blått och rött (inte grön). Det kan vara möjligt att öka produktionen och effektiviteten med hjälp av lysdioder på dessa specifika frekvenser eller ändra näringsprofilen (många av pigmentsna är näringsämnen) genom att exponera Spirulina för särskilda våglängder. För detta projekt använde jag bara varmt vitt ljus.
Reaktorkonstruktioner
Efter tvättning fleraforskningpappers, slutade jag upp utforma ett internt belysta "luftbro" photobioreactor.
Internt belysning - Jag designade en kolumn ljus som skulle sitta i en cylindrisk reaktor. Kolumnen ljuset är helt enkelt en aluminium stav lindade med högsta makt, varma vita lysdioder som jag kunde hitta (på Amazon). Ljuset strålar utåt från mitten av kolumnen med samma intensitet i alla riktningar. Eftersom ljuset strålar utåt, intensiteten (fotoner per meter per sekund) är största närmare ljuset och minskar (med en faktor på r ^ 2) från ljuset. Cylindriska inre belysning gynnar därför bygga en lång kolumn med hög ljusintensitet på både inre diameter och ytterdiameter av reaktorn. Men det finns en uppenbar handel off med volym: en lång, smal reaktorn kommer att ha mycket mindre volym (och därför mindre Spirulina) sedan en kortare, fett reaktor.
Dimensionering i reaktorn - med tanke på denna avvägning mellan låg intensitet och volym, visste jag att jag skulle behöva göra några antaganden och grova beräkningar att plocka diameter och längd av reaktorn. Jag antog först att photobioreactor skulle kunna produkt 1 g / L per dag av Spirulina. Jag fick detta nummer från forska produktion andelen internt belysta photobioreactors i litteraturen. Det är naturligtvis en enorm antagande, men jag var tvungen att börja någonstans! För det andra gjorde jag en annan stor antagandet: en tesked av Spirulina per dag skulle vara en tillräcklig volym för en daglig dos av läkemedel. Detta är laddad med antaganden på frågor som har inget svar... särskilt drog koncentrationen en framtida Spirulina organism skulle kunna producera (dvs. % av deras biomassa som är läkemedel vs allt annat) och drog kravet för användaren. Så, jag plockade 1 tesked (igen du måste börja någonstans!), som skulle medel jag skulle behöva en 5 L reaktor. För att ge mig själv en hel del utrymme för misstag, jag bestämde mig att 10-15 L kändes som en bra storlek. Sedan satt jag upp en kalkylblad beräkning som räknade in dimensioner, inklusive OD av reaktorn, ID av reaktorn och längd av reaktorn och beräknas volymen. Jag satt då i vad jag visste om LED-ljus remsa (wattal, lysande effektivitet) och beräknade ljusintensiteten (fotoner per kvadratmeter per sekund) vid ID och OD. Jag spelade runt med ingångar (OD, ID och diameter) och beräknad utgångarna (volym, ljusstyrka) tills jag var nöjd. Jag fann att en 200 mm OD, 60 mm ID, 450mm längd, jag räknat med att ljusintensiteten på ID skulle vara ~ 4000 μmol m−2 s−1 och ~ 1100 på OD med en total volym på 12,8 L. Jag också CAD 'd upp formen och var nöjd med proportionerna. Om du är intresserad av hur jag gjorde dessa beräkningar, kommentera gärna nedan... Jag är också ganska intresserad hur detta problem kan Matematiskt modellerade--jag skulle älska dina tankar på det!
Luftbro - luftbroreaktorer använda luftning att dessutom blanda innehållet i reaktorn. Jag hittade ett akvarium sparger i form av ringen. Sparger skulle avger luftbubblor koncentriskt runt inre ljuset och upp till den övre ytan, att skapa en uppåtgående ström runt inre ljus röret och sedan en nedåt nuvarande på kanterna av bioreaktor.
Användarnas krav:
Vad betyder ett framtida drog hem brygga enhet utseende ut? Hur används det? Vilka funktioner ska den ha? För att svara på några av dessa frågor och informera produktdesign, jag kunde ha gjort några prototyper och testning, användaren intervjuer och andra designforskning strategier. Men hade jag ärligt talat verkligen inte tid att göra dem. I stället jag tänkt mig själv som hypotetiska användaren och försökte föreställa sig den erfarenhet som jag vill ha.
Jag kom upp med följande användarkraven.
- En automatiserad upplevelse. Vi rekommenderar ett dagligt piller skulle bara pop ur maskinen.
- I köket. Jag skulle vilja placera produkten i köket, nära andra apparater.
- Olika läkemedel alternativ. Jag vill ha produkten för att kunna brygga upp massor av olika typer av droger.
- Snabb produktion. Befintliga Spirulina system ta upp till 2-3 veckor att börja skörda. Jag vill ha skörden börjar mycket förr.
- Feedback på framsteg som brygga. Jag skulle vilja veta hur mycket Spirulina har vuxit.
Från dessa användarkrav skapade jag en önskad lista över funktioner:
- Artificiell ljus gör apparaten placeras från windows och tillåter produkt att ha större kontroll över tillväxt.
- Temperaturkontroll på 30 C.
- Luftning. Jag beslutade att inte använda ren CO2, som bör leda till högre tillväxt.
- Kontinuerlig blandning. För att säkerställa Spirulina får en lika stor mängd ljus.
- Spirulina densitet avkänning och "Progress Bar". Systemet skulle spåra tätheten av kulturen och rapportera denna täthet med en förloppsindikator, skapad av inre belysning lampor.
- Automated skörd. Apparaten bör kunna känsla när Spirulina bör skördas och sedan göra det automatiskt.
- Filtrering och torkning av Spirulina
- Kapacitiv touch användargränssnitt. Användaren kan fungera olika delar av enheten bara genom att röra vid dem.
Detta var en ganska ambitiös lista. Jag fick möjlighet att framgångsrikt genomföra 1-4... 5-7 är verk-in-progress, och jag har inte provat att genomföra 8, ännu.