Farma: un biorreactor de inicio para fármacos (1 / 18 paso)

Paso 1: Requisitos de diseño e ingeniería

Para comenzar a diseñar el dispositivo, empecé a investigar los requisitos de diseño. Rompí la investigación en tres categorías: (a) espirulina crecimiento, necesidades de los usuarios (b) y (c) una lista de funciones.

Requerimientos de crecimiento de la espirulina:

1. La espirulina crece mejor a 30C.
2. La espirulina requiere CO2 para la fotosíntesis.
3. Espirulina fotosíntesis absorbiendo la luz en varios pigmentos fotoactivos. Por lo tanto, necesitan de sol o luz artificial para crecer. También crecen mejores en un ciclo de día/noche de 12 horas, similar a las condiciones naturales.
4. Crecen en un medio alcalino (básico) que contiene una fuente de nitrógeno (entre otros nutrientes necesarios).

Afortunadamente, hay varias en casa sistema de Spirulina en el mercado que sirve como un buen punto de partida para hacer frente a estos requisitos de crecimiento. En particular, Sistemas de espirulina tiene un sistema de arranque que vieron como un buen punto de partida. He comprado también la cultura de arrancador y los nutrientes de Spirulina sistemas (más sobre esto más adelante).

De ingeniería:

Requerimientos de luz

Tanto como sea posible. Hice una búsqueda de literatura breve para tratar de determinar la intensidad de la luz preferida por la espirulina. Tuve problemas para encontrar una fuente autorizada (por ejemplo, un artículo de revisión sobre el tema) pero he encontrado variosútilesdocumentos que grokked la espirulina como tanta luz como sea posible. Dos de los estudios utilizan intensidades de luz mayor que 3000 μmol fotones por metro cuadrado por segundo. (Un mol de fotones es número de Avogadro de fotones).

¿Importan las longitudes de onda? Sí. Los pigmentos fotosintéticos en Spirulina (incluyendo clorofila a, beta-cartenoides y ficocianina) son excitados por las bandas de frecuencia estrechas en la gama roja y azul (no verde). Es posible aumentar la producción y la eficiencia mediante el uso de LEDs en estas frecuencias específicas o altera el perfil de nutrientes (muchos de los pigmentos son nutrientes) al exponer la espirulina a longitudes de onda particular. Para este proyecto usé sólo luz blanca cálida.

Diseño de reactores

Después de fregar variasinvestigaciónpapels, terminé diseño un fotobiorreactor internamente iluminado "puente aéreo".

Internamente la iluminación - diseñé una luz de columna que se sentaba dentro de un reactor cilíndrico. La luz de columna es simplemente una barra de aluminio envuelta con el más alto poder, LED blanco cálido que pude encontrar (en Amazon). La luz irradia hacia afuera desde el centro de la columna con igual intensidad en todas las direcciones. Porque la luz se irradia hacia el exterior, la intensidad (fotones por metro por segundo) es más grande más cercano a la luz y disminuye (por un factor de r ^ 2) de la luz. Por lo tanto, iluminación interna cilíndrica favorece la construcción de una columna de altura con alta intensidad de luz en el diámetro interno y diámetro externo del reactor. Sin embargo, hay un evidente comercio volumen: un reactor alto y angosto tendrán mucho menos volumen (y por lo tanto menos Spirulina) entonces un reactor más corto, gordo.

Dimensionamiento del reactor - dado este equilibrio entre intensidad y volumen, sabía que tendría que hacer algunas suposiciones y cálculos ásperos para escoger el diámetro y la longitud del reactor. En primer lugar, supuse que el fotobiorreactor podrían producto 1 g por L / día de espirulina. Me dio este número investigando las tasas de producción de fotobiorreactores internamente iluminados en la literatura. Obviamente es una gran suposición, pero tenía que empezar por alguna parte! En segundo lugar, hice otra gran hipótesis: una cucharadita de espirulina por día sería un volumen suficiente para una dosis diaria de medicamentos. Esto está cargado de supuestos a preguntas que no tienen una respuesta... particularmente la concentración de la droga un futuro organismo Spirulina podría ser capaz de producir (es decir, el % de su biomasa, que es droga y todo lo demás) y el requisito de la droga para el usuario. Por lo tanto, tomé 1 cucharadita (otra vez tienes que empezar por alguna parte!), que significa que necesitaría un reactor de 5 L. Para darme mucho espacio para el error, he decidido que 10-15 L me pareció un buen tamaño. A continuación, configurar un cálculo de hoja de cálculo en las dimensiones, incluyendo el OD del reactor, ID del reactor y la longitud del reactor y calcula el volumen. Entonces enchufé lo que sabía acerca de la luz del LED de la tira (potencia, eficacia luminosa) y calcula la intensidad de la luz (fotones por metro cuadrado por segundo) en el ID y OD. Yo jugaba con las entradas (OD, ID y diámetro) y calcula las salidas (volumen, intensidad de la luz) hasta que fui feliz. Encontré que con 200 mm OD, ID de 60 mm, longitud 450mm, calcula que la intensidad de la luz en el ID sería ~ 4000 μmol m−2 s−1 y ~ 1100 en el OD con un volumen total de 12,8 L. Yo también CAD hasta esa forma y era feliz con las proporciones. Si usted está interesado en Cómo hice estos cálculos, por favor comenten abajo... También estoy muy interesado en cómo este problema podría matemáticamente modelado - me encantaria tus pensamientos en eso!

Transporte aéreo - reactores del puente aéreo utilizan aireación además mezclar el contenido del reactor. Encontré a sparger de un acuario en forma de anillo. El sparger emiten burbujas de aire concéntrico alrededor de la interior ligero y hasta la superficie, creando una corriente ascendente alrededor del tubo de luz interior y luego una corriente hacia abajo en los bordes del biorreactor.

Necesidades de los usuarios:
¿Qué tienen una futuro drogas brew casero dispositivo apariencia? ¿Cómo se utiliza? ¿Qué características debe tener? Para responder a algunas de estas preguntas e informar el diseño del producto, que podría haber hecho alguna creación rápida de prototipos y pruebas, entrevistas de usuario y otro diseño de investigación se acerca. Sin embargo, honestamente no tengo tiempo para hacerlas. En cambio, yo pensaba de mí mismo como el hipotético usuario y trató de imaginar la experiencia que me gustaría.

Se me ocurrió con los siguientes requisitos de usuario.

1. Una experiencia automatizada. Lo ideal es simplemente una pastilla diario pop fuera de la máquina.
2. En la cocina. Quiero poner el producto en la cocina, cerca de otros aparatos.
3. Opciones de diversas drogas. Quiero el producto para poder colar encima de un montón de diferentes tipos de drogas.
4. Producción rápida. Los sistemas existentes de espirulina toman hasta 2-3 semanas para empezar a cosechar. Quieren cosechar para comenzar mucho antes.
5. Retroalimentación sobre el avance de la elaboración de la cerveza. Quiero saber cuanta espirulina ha crecido.

De estos requisitos de usuario, he creado una lista deseada de características:

1. Luz artificial permite el aparato de colocarse lejos de las ventanas y el producto tener un mayor control sobre el crecimiento.
2. Control de la temperatura a 30 C.
3. La aireación. Decidí no utilizar CO2 puro, que debe resultar en un mayor crecimiento.
4. Continuo de mezcla. Para asegurar la espirulina reciben la misma cantidad de luz.
5. Sensores de densidad de espirulina y "Barra de progreso". El sistema de seguimiento de la densidad de la cultura e informe esta densidad usando una barra de progreso, creada por las luces de iluminación interior.
6. Recolección automatizada. El aparato debe ser capaz de sentido cuando la espirulina debe ser cosechada y luego hacerlo automáticamente.
7. Filtrado y secado de la espirulina
8. Interfaz de usuario táctil capacitiva. El usuario podía funcionar varias partes del dispositivo apenas tocándolos.

Esta fue una lista bastante ambiciosa. He podido implementar con éxito 1-4... 5-7 son obras en curso, y no he probado a aplicar 8, sin embargo.