Photobioreactor สาหร่ายอัดแรงดัน: 10 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2025 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2025-01-13 06:58

ก่อนดำดิ่งสู่คำแนะนำนี้ ฉันต้องการอธิบายเพิ่มเติมเล็กน้อยเกี่ยวกับโครงการนี้และเหตุผลที่ฉันเลือกทำ แม้ว่าจะยาวไปหน่อย แต่เราขอแนะนำให้คุณอ่านให้จบ เพราะสิ่งที่ฉันทำหลายอย่างไม่สมเหตุสมผลหากไม่มีข้อมูลนี้

ชื่อเต็มของโปรเจ็กต์นี้จะเป็น photobioreactor ของสาหร่ายที่มีแรงดันพร้อมการเก็บรวบรวมข้อมูลอัตโนมัติ แต่จะยาวกว่าชื่อเล็กน้อย คำจำกัดความของ photobioreactor คือ:

"เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่ใช้แหล่งกำเนิดแสงในการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์โฟโตโทรฟิก สิ่งมีชีวิตเหล่านี้ใช้การสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อสร้างชีวมวลจากแสงและคาร์บอนไดออกไซด์ รวมถึงพืช มอส สาหร่ายมาโคร สาหร่ายขนาดเล็ก ไซยาโนแบคทีเรีย และแบคทีเรียสีม่วง"

การตั้งค่าเครื่องปฏิกรณ์ของฉันใช้สำหรับการปลูกสาหร่ายน้ำจืด แต่อาจใช้สำหรับสิ่งมีชีวิตอื่นๆ

ด้วยวิกฤตพลังงานและปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ มีการสำรวจแหล่งพลังงานทางเลือกมากมาย เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม ฉันเชื่อว่าการเปลี่ยนจากการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลไปสู่แหล่งพลังงานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมจะค่อยเป็นค่อยไป เนื่องจากเราไม่สามารถยกเครื่องระบบเศรษฐกิจได้อย่างรวดเร็ว เชื้อเพลิงชีวภาพสามารถใช้เป็นก้าวย่างได้ เนื่องจากรถยนต์หลายคันที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลสามารถเปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพได้อย่างง่ายดาย เชื้อเพลิงชีวภาพที่คุณถามคืออะไร?

เชื้อเพลิงชีวภาพเป็นเชื้อเพลิงที่ผลิตขึ้นผ่านกระบวนการทางชีววิทยา เช่น การสังเคราะห์ด้วยแสงหรือการย่อยแบบไม่ใช้ออกซิเจน แทนที่จะเป็นกระบวนการทางธรณีวิทยาที่สร้างเชื้อเพลิงฟอสซิล สามารถทำได้ผ่านกระบวนการต่างๆ (ซึ่งฉันจะไม่กล่าวถึงในรายละเอียดที่นี่) สองวิธีทั่วไปคือ transesterification และ Ultrasonication

ปัจจุบันพืชเป็นแหล่งเชื้อเพลิงชีวภาพที่ใหญ่ที่สุด นี่เป็นสิ่งสำคัญเพราะในการสร้างน้ำมันที่จำเป็นสำหรับเชื้อเพลิงชีวภาพ พืชเหล่านี้ต้องผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อเก็บพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานเคมี ซึ่งหมายความว่าเมื่อเราเผาเชื้อเพลิงชีวภาพ การปล่อยมลพิษจะขจัดคาร์บอนไดออกไซด์ที่พืชดูดซับออกไป นี้เรียกว่าคาร์บอนเป็นกลาง

ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน ต้นข้าวโพดสามารถให้เชื้อเพลิงชีวภาพได้ 18 แกลลอนต่อเอเคอร์ ถั่วเหลืองให้ 48 แกลลอน และทานตะวันให้ 102 มีพืชชนิดอื่น แต่ไม่มีพืชชนิดอื่นเทียบได้กับสาหร่ายที่สามารถให้ 5, 000 ถึง 15,000 แกลลอนต่อเอเคอร์ (รูปแบบนี้เกิดจากชนิดของสาหร่าย) สาหร่ายสามารถปลูกได้ในบ่อน้ำเปิดที่เรียกว่าร่องน้ำหรือในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ

ดังนั้นหากเชื้อเพลิงชีวภาพนั้นยอดเยี่ยมมากและสามารถนำมาใช้ในรถยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลได้ ทำไมเราไม่ทำมากกว่านี้ล่ะ ค่าใช้จ่าย. แม้จะมีผลผลิตน้ำมันสาหร่ายสูง แต่ต้นทุนการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพก็ยังสูงกว่าเชื้อเพลิงฟอสซิลมาก ฉันสร้างระบบเครื่องปฏิกรณ์นี้เพื่อดูว่าฉันสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพได้หรือไม่ และถ้ามันใช้งานได้ แนวคิดของฉันก็อาจนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้

นี่คือแนวคิดของฉัน:

การเพิ่มแรงดันให้กับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพด้วยแสง สามารถเพิ่มความสามารถในการละลายของคาร์บอนไดออกไซด์ตามที่อธิบายไว้ในกฎของเฮนรี่ ซึ่งระบุว่าที่อุณหภูมิคงที่ ปริมาณของก๊าซที่กำหนดซึ่งละลายในประเภทและปริมาตรของของเหลวที่กำหนดจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับ ความดันบางส่วนของก๊าซนั้นในสภาวะสมดุลกับของเหลวนั้น ความดันบางส่วนคือแรงดันที่สารประกอบที่กำหนดออก ตัวอย่างเช่น ความดันบางส่วนของก๊าซไนโตรเจนที่ระดับน้ำทะเลคือ.78 atm เนื่องจากเป็นเปอร์เซ็นต์ของไนโตรเจนในอากาศ

ซึ่งหมายความว่าโดยการเพิ่มความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์หรือโดยการเพิ่มความดันอากาศ ฉันจะเพิ่มปริมาณ CO2 ที่ละลายในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ ในการตั้งค่านี้ ฉันจะเปลี่ยนความกดดันเท่านั้น ฉันหวังว่าสิ่งนี้จะช่วยให้สาหร่ายสามารถสังเคราะห์แสงได้มากขึ้นและเติบโตเร็วขึ้น

การปฏิเสธความรับผิด: นี่เป็นการทดลองที่ฉันกำลังดำเนินการอยู่และในขณะที่เขียนสิ่งนี้ ฉันไม่รู้ว่ามันจะส่งผลต่อการผลิตสาหร่าย กรณีที่เลวร้ายที่สุดมันจะเป็นเครื่องปฏิกรณ์ photobioreactor ที่ใช้งานได้อยู่ดี ในการทดลองของฉัน ฉันต้องติดตามการเจริญเติบโตของสาหร่าย ฉันจะใช้เซ็นเซอร์ CO2 สำหรับสิ่งนี้กับ Arduino และการ์ด SD เพื่อรวบรวมและบันทึกข้อมูลให้ฉันวิเคราะห์ ส่วนการรวบรวมข้อมูลนี้เป็นทางเลือก หากคุณต้องการเพียงแค่สร้างเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ แต่ฉันจะให้คำแนะนำและรหัส Arduino สำหรับผู้ที่ต้องการใช้

ขั้นตอนที่ 1: วัสดุ

เนื่องจากส่วนการรวบรวมข้อมูลเป็นทางเลือก ฉันจะแบ่งรายการวัสดุออกเป็นสองส่วน นอกจากนี้ การตั้งค่าของฉันยังสร้างเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสองเครื่อง หากคุณต้องการเครื่องปฏิกรณ์เพียงเครื่องเดียว ให้ใช้วัสดุครึ่งหนึ่งสำหรับสิ่งใดก็ตามที่สูงกว่า 2 (รายการนี้จะบอกจำนวนหรือวัสดุตามด้วยขนาด หากมี) ฉันยังเพิ่มลิงก์ไปยังเนื้อหาบางอย่างที่คุณสามารถใช้ได้ แต่เราขอแนะนำให้คุณศึกษาราคาก่อนซื้อเนื่องจากสามารถเปลี่ยนแปลงได้

เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ:

• ขวดน้ำ 2 - 4.2 แกลลอน. (ใช้สำหรับจ่ายน้ำ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าขวดมีความสมมาตรและไม่มีที่จับในตัว ควรปิดผนึกได้เช่นกัน
• 1 - แถบ LED RGB (15 ถึง 20 ฟุต หรือครึ่งหนึ่งสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ 1 เครื่อง ไม่จำเป็นต้องระบุตำแหน่งแยกกันได้ แต่ตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุปกรณ์นั้นมาพร้อมกับตัวควบคุมและแหล่งจ่ายไฟของตัวเอง)
• ถังเก็บน้ำขนาดความจุ 2 - 5 แกลลอน + ท่อน้ำประมาณ 2 ฟุต (ปกติจะมาพร้อมกับถังเก็บน้ำ)
• 2 - น้ำหนักสำหรับท่อของ bubblers ฉันเพิ่งใช้หินก้อนเล็กๆ 2 อันและหนังยาง
• 2 ฟุต - ท่อพลาสติกเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 3/8"
• วาล์วจักรยาน NPT 2 - 1/8" (ลิงค์ Amazon สำหรับวาล์ว)
• 1 หลอด - อีพ็อกซี่ 2 ส่วน
• สาหร่ายเริ่มต้นวัฒนธรรม
• ปุ๋ยพืชละลายน้ำ (ผมใช้ยี่ห้อ MiracleGro จาก Home Depot)

ข้อมูลสำคัญ:

ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของการเพาะเชื้อเริ่มต้น คุณจะต้องการความจุของเครื่องปฏิกรณ์มากหรือน้อยต่อแกลลอน ในการทดลองของฉัน ฉันดำเนินการ 12 เส้นทาง แต่ละอัน 2.5 แกลลอน แต่เริ่มต้นด้วย 2 ช้อนโต๊ะเท่านั้น ฉันแค่ต้องปลูกสาหร่ายในถังแยกต่างหากจนกว่าฉันจะพอ สายพันธุ์ก็ไม่สำคัญเช่นกัน แต่ฉันใช้ Haematococcus เนื่องจากพวกมันละลายในน้ำได้ดีกว่าสาหร่ายใยยาว นี่คือลิงค์สำหรับสาหร่าย เพื่อเป็นการทดลองที่น่าสนุก ฉันอาจจะซื้อสาหร่ายเรืองแสงในบางครั้ง ฉันเห็นว่ามันเกิดขึ้นตามธรรมชาติในเปอร์โตริโก และดูดีมาก

นอกจากนี้ นี่อาจเป็นการออกแบบซ้ำครั้งที่ 4 ของฉัน และฉันพยายามทำให้ต้นทุนต่ำที่สุดเท่าที่จะทำได้ นั่นเป็นเหตุผลหนึ่งว่าทำไม แทนที่จะใช้แรงดันด้วยคอมเพรสเซอร์จริง ฉันจะใช้ฟองอากาศในตู้ปลาขนาดเล็ก อย่างไรก็ตาม พวกมันมีแรงน้อยกว่าและสามารถเคลื่อนย้ายอากาศที่แรงดันประมาณ 6 psi บวกกับแรงดันไอดี

ฉันแก้ไขปัญหานี้โดยการซื้อเครื่องพ่นฟองอากาศพร้อมช่องรับอากาศเข้าที่ฉันสามารถต่อท่อได้ นั่นคือจุดที่ฉันได้การวัดขนาดท่อ 3/8 ของฉัน ท่อไอดีของ bubbler เชื่อมต่อกับท่อ จากนั้นปลายอีกด้านเชื่อมต่อกับเครื่องปฏิกรณ์ สิ่งนี้จะหมุนเวียนอากาศ ดังนั้นฉันจึงสามารถวัดปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์โดยใช้เซ็นเซอร์ของฉันได้ การใช้งานเชิงพาณิชย์อาจจะมีเพียงแค่การจ่ายอากาศคงที่และทิ้งแทน นี่คือลิงค์สำหรับ bubblers พวกเขาเป็นส่วนหนึ่งของตัวกรองตู้ปลาที่คุณไม่ต้องการ ฉันใช้สิ่งเหล่านี้เท่านั้นเพราะฉันเคยใช้สำหรับ ปลาสัตว์เลี้ยงของฉัน คุณอาจพบเพียง bubbler ที่ไม่มีตัวกรองออนไลน์เช่นกัน

การเก็บรวบรวมข้อมูล:

• 2 - เซ็นเซอร์ Vernier CO2 (เข้ากันได้กับ Arduino แต่ก็มีราคาแพงเช่นกัน ฉันยืมของฉันจากโรงเรียนของฉัน)
• ท่อหดความร้อน - เส้นผ่านศูนย์กลางอย่างน้อย 1 นิ้วเพื่อให้พอดีกับเซ็นเซอร์
• 2 - อะแด็ปเตอร์โปรโตบอร์ดอนาล็อก Vernier (รหัสการสั่งซื้อ: BTA-ELV)
• 1 - เขียงหั่นขนม
• สายจัมเปอร์เขียงหั่นขนม
• 1 - การ์ด SD หรือ MicroSD และอะแดปเตอร์
• 1 - ชิลด์การ์ด Arduino SD ของฉันมาจาก Seed Studio และรหัสของฉันก็มีไว้สำหรับมันเช่นกัน คุณอาจต้องปรับโค้ดหากโล่ของคุณมาจากแหล่งอื่น
• 1 - Arduino ฉันใช้ Arduino Mega 2560
• สาย USB สำหรับ Arduino (เพื่ออัพโหลดโค้ด)
• แหล่งจ่ายไฟ Arduino คุณสามารถใช้ก้อนที่ชาร์จโทรศัพท์กับสาย USB เพื่อจ่ายไฟ 5V ได้

ขั้นตอนที่ 2: ความกดดัน

ในการกดดันภาชนะบรรจุต้องทำสองสิ่งหลัก:

1. ฝาควรจะยึดเข้ากับขวดได้อย่างปลอดภัย
2. ต้องติดตั้งวาล์วเพื่อเพิ่มแรงดันอากาศ

เรามีวาล์วอยู่แล้ว เพียงเลือกจุดบนขวดที่อยู่เหนือเส้นสาหร่ายแล้วเจาะรู เส้นผ่านศูนย์กลางของรูควรเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของปลายวาล์วที่ใหญ่กว่าหรือปลายเกลียว (คุณสามารถทำรูนำร่องที่เล็กกว่าก่อนแล้วค่อยทำรูที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางจริง) วิธีนี้จะช่วยให้ปลายที่ไม่ใช่วาล์วสามารถใส่ข้าวบาร์เลย์เข้าไปในขวดได้ ฉันขันวาล์วให้แน่นด้วยพลาสติกโดยใช้ประแจแบบปรับได้ ทำให้ร่องพลาสติกสำหรับสกรูเช่นกัน ต่อไป ฉันเพิ่งเอาวาล์วออก ติดเทปช่างประปา แล้วใส่กลับเข้าที่

หากขวดของคุณไม่มีพลาสติกที่มีผนังหนา:

ใช้กระดาษทรายขูดพลาสติกรอบๆ รู จากนั้นใช้อีพ็อกซี่ในปริมาณที่พอเหมาะบนวาล์วส่วนใหญ่ อาจเป็นอีพ็อกซี่สองส่วนหรือชนิดอื่นก็ได้ เพียงตรวจสอบให้แน่ใจว่าสามารถทนต่อแรงดันสูงและกันน้ำได้ ขั้นต่อไป เพียงวางวาล์วให้เข้าที่และกดค้างไว้เล็กน้อยจนกว่าจะเข้าที่ อย่าเช็ดส่วนเกินรอบขอบออก ปล่อยให้เวลาอีพ็อกซี่รักษาเช่นกันก่อนทำการทดสอบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ

สำหรับฝาปิดที่ฉันมากับโอริงและยึดให้แน่น ฉันใช้แรงดันสูงสุด 30 psi และสามารถยึดไว้ได้ หากคุณมีสกรูที่ฝาจะดีกว่า เพียงให้แน่ใจว่าได้ร้อยด้ายด้วยเทปของช่างประปา สุดท้าย คุณสามารถพันเกลียวหรือเทปพันสายไฟสำหรับงานหนักไว้ใต้ขวดเพื่อปิดฝาให้แน่น

ในการทดสอบ ให้ค่อยๆ เติมอากาศผ่านวาล์วและฟังการรั่วไหลของอากาศ การใช้น้ำสบู่จะช่วยระบุตำแหน่งที่อากาศกำลังหลบหนีและจำเป็นต้องเติมอีพ็อกซี่เพิ่มเติม

ขั้นตอนที่ 3: Bubbler

ดังที่ได้กล่าวไว้ในส่วนวัสดุ ขนาดสำหรับท่อของฉันจะขึ้นอยู่กับ bubbler ที่ฉันซื้อ หากคุณใช้ลิงก์หรือซื้อแบรนด์ Bubbler เดียวกัน คุณไม่ต้องกังวลกับมิติข้อมูลอื่น อย่างไรก็ตาม หากคุณมี Bubbler ยี่ห้ออื่น คุณต้องทำตามขั้นตอนต่อไปนี้:

1. ตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีการบริโภค บับเบิ้ลบางตัวจะมีอินพุตที่ชัดเจน และตัวอื่นๆ จะมีข้อมูลรอบๆ เอาต์พุต (เช่นเดียวกับที่ฉันมี ให้อ้างอิงกับรูปภาพ)
2. วัดเส้นผ่านศูนย์กลางของอินพุตและนั่นคือเส้นผ่านศูนย์กลางภายในสำหรับท่อ
3. ตรวจสอบให้แน่ใจว่าท่อจ่ายน้ำออก/ฟองสบู่สามารถใส่เข้าไปในท่อป้อนของคุณได้อย่างง่ายดาย หากปริมาณของฟองสบู่ของคุณอยู่รอบๆ เอาต์พุต

ถัดไป ร้อยท่อขนาดเล็กผ่านท่อที่ใหญ่กว่า จากนั้นต่อปลายด้านหนึ่งเข้ากับเอาต์พุตของ bubbler เลื่อนปลายด้านที่ใหญ่กว่าเหนืออินพุต ใช้อีพ็อกซี่ยึดเข้าที่และปิดผนึกจากแรงดันสูง เพียงระวังอย่าใส่อีพ็อกซี่ใดๆ เข้าไปในช่องไอดี โน้ตด้านข้าง ใช้กระดาษทรายขูดพื้นผิวเล็กน้อยก่อนเติมอีพ็อกซี่ทำให้การยึดติดแน่นขึ้น

สุดท้าย ทำรูในขวดให้ใหญ่พอสำหรับวางท่อ ในกรณีของฉัน มันคือ 1/2 (รูปที่ 5) ร้อยท่อเล็กๆ ผ่านขึ้นไปด้านบนสุดของขวด ตอนนี้คุณสามารถใส่ตุ้มน้ำหนัก (ฉันใช้หนังยางกับหิน) แล้วใส่กลับเข้าไปในขวด จากนั้นใส่ท่อขนาดใหญ่เข้าไปในขวดด้วยและอีพ็อกซี่ให้เข้าที่ สังเกตว่าท่อขนาดใหญ่จะสิ้นสุดหลังจากเข้าไปในขวดทันที เนื่องจากเป็นช่องลมเข้าและไม่อยากให้น้ำกระเซ็นเข้า มัน.

ข้อดีของการมีระบบปิดนี้คือไอน้ำจะไม่ไหลออกมาและห้องของคุณก็จะไม่มีกลิ่นเหมือนสาหร่าย

ขั้นตอนที่ 4: LEDs

ไฟ LED เป็นที่รู้จักกันว่าประหยัดพลังงานและเย็นกว่ามาก (ตามอุณหภูมิ) มากกว่าหลอดไส้หรือหลอดฟลูออเรสเซนต์ทั่วไป อย่างไรก็ตาม มันยังคงสร้างความร้อนอยู่ และสังเกตได้ง่ายหากเปิดเครื่องในขณะที่ยังม้วนขึ้น เมื่อเราใช้แถบในโปรเจ็กต์นี้ พวกมันจะไม่ถูกรวมกลุ่มกันมากนัก ความร้อนส่วนเกินจะถูกแผ่ออกหรือดูดซับได้ง่ายโดยสารละลายน้ำจากสาหร่าย

พวกเขาต้องการแสงและความร้อนมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับชนิดของสาหร่าย ตัวอย่างเช่น สาหร่ายชนิดเรืองแสงได้ที่ฉันได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ต้องใช้แสงมากขึ้น กฎทั่วไปที่ฉันใช้คือเก็บไว้ในการตั้งค่าต่ำสุดและค่อยๆ เพิ่มความสว่างขึ้นหนึ่งหรือสองระดับเมื่อสาหร่ายโตขึ้น

อย่างไรก็ตาม ในการติดตั้งระบบไฟ LED ก็แค่พันแถบรอบขวดสองสามครั้งโดยแต่ละห่อจะมีขนาดประมาณ 1 นิ้ว ขวดของฉันมีร่องตรงที่ไฟ LED นั้นใส่เข้าได้พอดี ฉันแค่ใช้เทปปิดกล่องนิดหน่อยเพื่อเก็บเข้าที่ หากคุณกำลังใช้สองขวดเหมือนฉัน ก็แค่พันรอบขวดหนึ่งและอีกครึ่งรอบ

ตอนนี้ คุณอาจสงสัยว่าเหตุใดแถบ LED ของฉันจึงไม่พันรอบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพของฉัน ฉันทำสิ่งนี้โดยตั้งใจเพราะฉันต้องการพื้นที่สำหรับอากาศและสำหรับเซ็นเซอร์ แม้ว่าขวดจะมีปริมาตร 4.2 แกลลอน แต่ฉันใช้เพียงครึ่งขวดเพื่อปลูกสาหร่าย นอกจากนี้ หากเครื่องปฏิกรณ์ของฉันมีรอยรั่วเล็กน้อย ความดันปริมาตรจะลดลงอย่างมากเนื่องจากปริมาตรของอากาศที่หลบหนีออกจะมีเปอร์เซ็นต์น้อยกว่าของปริมาณอากาศทั้งหมดภายในขวด มีเส้นบางๆ ที่ฉันต้องบอกว่าสาหร่ายจะมีคาร์บอนไดออกไซด์มากพอที่จะเติบโต แต่ในขณะเดียวกันก็ควรมีอากาศให้น้อยลงเพื่อให้คาร์บอนไดออกไซด์ที่สาหร่ายดูดซับนั้นส่งผลกระทบต่อองค์ประกอบโดยรวมของ อากาศทำให้สามารถบันทึกข้อมูลได้

ตัวอย่างเช่น ถ้าคุณหายใจเอาถุงกระดาษเข้าไป ก็จะเต็มไปด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ในระดับสูง แต่ถ้าคุณหายใจในบรรยากาศที่เปิดโล่ง องค์ประกอบโดยรวมของอากาศจะยังคงเหมือนเดิมและไม่สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงใดๆ ได้

ขั้นตอนที่ 5: การเชื่อมต่อ Protoboard

นี่คือจุดที่การตั้งค่า photobioreactor ของคุณเสร็จสมบูรณ์ หากคุณไม่ต้องการเพิ่มการรวบรวมข้อมูลและเซ็นเซอร์ Arduino คุณสามารถข้ามไปที่ขั้นตอนเกี่ยวกับการปลูกสาหร่ายได้

อย่างไรก็ตาม หากคุณสนใจ คุณจะต้องนำอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ออกมาทดสอบเบื้องต้นก่อนวางลงในขวด ขั้นแรกให้เชื่อมต่อตัวป้องกันการ์ด SD ที่ด้านบนของ Arduino หมุดใด ๆ ที่ปกติแล้วคุณจะใช้กับ Arduino ที่ใช้โดยตัวป้องกันการ์ด SD ยังคงมีอยู่ เพียงต่อสายจัมเปอร์เข้ากับรูด้านบนโดยตรง

ฉันได้แนบรูปภาพของการกำหนดค่าพิน Arduino กับขั้นตอนนี้ซึ่งคุณสามารถอ้างถึงได้ สายสีเขียวใช้สำหรับเชื่อมต่อ 5V กับ Arduino 5V, สีส้มเพื่อเชื่อมต่อ GND กับกราวด์ Arduino และสีเหลืองเพื่อเชื่อมต่อ SIG1 กับ Arduino A2 และ A5 โปรดทราบว่ามีการเชื่อมต่อเพิ่มเติมมากมายกับเซ็นเซอร์ที่สามารถทำได้ แต่ไม่จำเป็นสำหรับการรวบรวมข้อมูล และช่วยให้ไลบรารี Vernier ทำหน้าที่บางอย่างเท่านั้น (เช่น การระบุเซ็นเซอร์ที่กำลังใช้งาน)

ต่อไปนี้คือภาพรวมคร่าวๆ ของสิ่งที่พินของโปรโตบอร์ดทำ:

1. SIG2 - สัญญาณเอาท์พุต 10V ที่ใช้โดยเซ็นเซอร์เวอร์เนียร์เพียงไม่กี่ตัวเท่านั้น เราจะไม่ต้องการมัน
2. GND - เชื่อมต่อกับกราวด์ Arduino
3. Vres - เวอร์เนียร์เซ็นเซอร์ต่างๆ มีตัวต้านทานต่างกัน การจ่ายแรงดันไฟและการอ่านเอาต์พุตปัจจุบันจากพินนี้ช่วยในการระบุเซ็นเซอร์ แต่ไม่ได้ผลสำหรับฉัน ฉันยังรู้ว่าฉันใช้เซ็นเซอร์ใดมาก่อนดังนั้นฉันจึงฮาร์ดโค้ดโปรแกรม
4. ID - ยังช่วยระบุเซ็นเซอร์ แต่ไม่จำเป็นที่นี่
5. 5V - ให้พลังงาน 5 โวลต์แก่เซ็นเซอร์ เชื่อมต่อกับ Arduino 5V
6. SIG1 - เอาต์พุตสำหรับเซ็นเซอร์ตั้งแต่ 0 ถึง 5 โวลต์ ฉันจะไม่อธิบายสมการการสอบเทียบและทั้งหมดเพื่อแปลงเอาต์พุตเซ็นเซอร์เป็นข้อมูลจริง แต่ให้คิดว่าเซ็นเซอร์ CO2 ทำงานดังนี้: ยิ่งตรวจจับ CO2 ได้มาก แรงดันไฟฟ้าที่ส่งกลับบน SIG2 ก็จะยิ่งมากขึ้น

ขออภัย ไลบรารีเซ็นเซอร์ Vernier ใช้งานได้กับเซ็นเซอร์เพียงตัวเดียว และหากเราจำเป็นต้องใช้สองตัว เราจะต้องอ่านค่าแรงดันดิบที่ส่งออกโดยเซ็นเซอร์ ฉันได้ให้รหัสเป็นไฟล์.ino ในขั้นตอนถัดไป

ขณะที่คุณต่อสายจัมเปอร์เข้ากับเขียงหั่นขนม โปรดทราบว่ามีการเชื่อมต่อแถวของรู นี่คือวิธีที่เราเชื่อมต่ออะแดปเตอร์โปรโตบอร์ดกับ Arduino นอกจากนี้ เครื่องอ่านการ์ด SD อาจใช้หมุดบางตัว แต่ฉันแน่ใจว่าหมุดเหล่านั้นจะไม่รบกวนซึ่งกันและกัน (ปกติจะเป็นขาดิจิตอล 4)

ขั้นตอนที่ 6: รหัสและการทดสอบ

ดาวน์โหลดซอฟต์แวร์ Arduino ลงในคอมพิวเตอร์ของคุณ หากคุณยังไม่ได้ติดตั้ง

ถัดไป เชื่อมต่อเซ็นเซอร์กับอะแดปเตอร์และตรวจดูให้แน่ใจว่าการเดินสายทั้งหมดเรียบร้อยดี (ตรวจสอบเพื่อให้แน่ใจว่าเซ็นเซอร์อยู่ในการตั้งค่าต่ำตั้งแต่ 0 - 10,000 ppm) ใส่การ์ด SD ลงในช่องเสียบและเชื่อมต่อ Arduino กับคอมพิวเตอร์ของคุณผ่านสาย USB จากนั้นเปิดไฟล์ SDTest.ino ที่ฉันให้ไว้ในขั้นตอนนี้แล้วคลิกปุ่มอัปโหลด คุณจะต้องดาวน์โหลดไลบรารี SD เป็นไฟล์.zip และเพิ่มเข้าไปด้วย

หลังจากอัปโหลดโค้ดสำเร็จแล้ว ให้คลิกที่เครื่องมือและเลือกมอนิเตอร์แบบอนุกรม คุณควรเห็นข้อมูลเกี่ยวกับการอ่านเซ็นเซอร์ที่พิมพ์ไปยังหน้าจอ หลังจากรันโค้ดมาระยะหนึ่งแล้ว คุณสามารถถอดปลั๊ก Arduino และนำการ์ด SD ออกได้

อย่างไรก็ตาม หากคุณเสียบการ์ด SD ลงในแล็ปท็อป คุณจะเห็นไฟล์ DATALOG. TXT เปิดและตรวจสอบว่ามีข้อมูลอยู่ในนั้น ฉันได้เพิ่มฟังก์ชันบางอย่างในการทดสอบ SD ซึ่งจะบันทึกไฟล์หลังจากเขียนทุกครั้ง นั่นหมายความว่าแม้ว่าคุณจะนำการ์ด SD ออกกลางโปรแกรม แต่ก็จะมีข้อมูลทั้งหมดจนถึงจุดนั้น ไฟล์ AlgaeLogger.ino ของฉันซับซ้อนยิ่งขึ้นด้วยความล่าช้าในการทำให้ทำงานเป็นเวลาหนึ่งสัปดาห์ นอกจากนี้ ฉันได้เพิ่มฟังก์ชันที่จะเริ่มต้นไฟล์ datalog.txt ใหม่หากมีอยู่แล้ว โค้ดไม่จำเป็นสำหรับการทำงาน แต่ฉันแค่ต้องการข้อมูลทั้งหมดที่ Arduino รวบรวมในไฟล์ต่างๆ แทนที่จะต้องจัดเรียงตามชั่วโมงที่แสดง ฉันสามารถเสียบ Arduino ก่อนเริ่มการทดลองและเพียงแค่รีเซ็ตรหัสโดยคลิกปุ่มสีแดงเมื่อฉันพร้อมที่จะเริ่มต้น

หากรหัสทดสอบใช้งานได้ คุณสามารถดาวน์โหลดไฟล์ AlgaeLogger.ino ที่ฉันให้มาและอัปโหลดไปยัง Arduino เมื่อคุณพร้อมที่จะเริ่มการรวบรวมข้อมูล ให้เปิด Arduino ใส่การ์ด SD แล้วคลิกปุ่มสีแดงบน Arduino เพื่อรีสตาร์ทโปรแกรม รหัสจะทำการวัดในช่วงเวลาหนึ่งชั่วโมงเป็นเวลา 1 สัปดาห์ (168 การรวบรวมข้อมูล)

ขั้นตอนที่ 7: การติดตั้งเซ็นเซอร์ลงในเครื่องปฏิกรณ์โฟโตไบโอรีแอคเตอร์

เออ ลืมไปได้ยังไง

คุณต้องติดตั้งเซ็นเซอร์ลงในเครื่องปฏิกรณ์โฟโตไบโอรีแอคเตอร์ก่อนที่จะพยายามรวบรวมข้อมูล ฉันมีขั้นตอนในการทดสอบเซ็นเซอร์และรหัสก่อนหน้านี้เท่านั้น เพื่อที่ว่าหากเซ็นเซอร์ตัวใดตัวหนึ่งของคุณเสีย คุณจะได้เซ็นเซอร์ตัวอื่นทันทีก่อนที่จะรวมเข้ากับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ จะต้องถอดเซ็นเซอร์หลังจากขั้นตอนนี้จะยากแต่ก็เป็นไปได้ คำแนะนำเกี่ยวกับวิธีการทำเช่นนั้นอยู่ในขั้นตอนเคล็ดลับและความคิดสุดท้าย

อย่างไรก็ตาม ฉันจะรวมเซ็นเซอร์ไว้ในฝาขวดของฉัน เนื่องจากอยู่ห่างจากน้ำมากที่สุด และฉันไม่ต้องการให้มันเปียก นอกจากนี้ ฉันยังสังเกตเห็นไอน้ำทั้งหมดที่ควบแน่นใกล้กับก้นขวดและผนังบางๆ ของขวด ดังนั้นตำแหน่งนี้จะป้องกันไอน้ำไม่ให้ทำลายเซ็นเซอร์

ในการเริ่มต้น ให้เลื่อนท่อหดด้วยความร้อนเหนือเซ็นเซอร์ แต่อย่าปิดรูทั้งหมด ถัดไป ย่อท่อโดยใช้เปลวไฟเล็กน้อย สีไม่สำคัญ แต่ฉันใช้สีแดงเพื่อให้มองเห็นได้

ต่อไปเจาะรูขนาด 1 นิ้วตรงกลางฝา แล้วใช้กระดาษทรายขูดพลาสติกรอบๆ ให้หยาบ วิธีนี้จะช่วยให้อีพ็อกซี่ยึดเกาะได้ดี

สุดท้าย เติมอีพ็อกซี่ลงบนท่อแล้วเลื่อนเซ็นเซอร์เข้าที่บนฝา เพิ่มอีพ็อกซี่อีกบางส่วนที่ด้านนอกและด้านในของฝาที่ฝาตรงกับความร้อนหดตัวและปล่อยให้แห้ง ตอนนี้มันควรจะเป็นสุญญากาศ แต่เราจะต้องทดสอบแรงดันเพื่อความปลอดภัย

ขั้นตอนที่ 8: ทดสอบแรงดันด้วยเซ็นเซอร์

เนื่องจากเราได้ทดสอบเครื่องปฏิกรณ์โฟโตไบโอรีแอคเตอร์ล่วงหน้ากับวาล์วจักรยานแล้ว เราจึงจำเป็นต้องกังวลเรื่องฝาครอบที่นี่เท่านั้น เหมือนครั้งที่แล้ว ค่อย ๆ เพิ่มความกดดันและฟังการรั่วไหล หากพบ ให้เพิ่มอีพ็อกซี่บางส่วนที่ด้านในของฝาปิดและด้านนอก

ใช้น้ำสบู่เพื่อค้นหารอยรั่วหากคุณต้องการ แต่อย่าใส่เข้าไปในเซ็นเซอร์

เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องไม่มีอากาศออกจากเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ การอ่านเซ็นเซอร์ CO2 ได้รับผลกระทบจากค่าคงที่ที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับความดัน การทราบความดันจะช่วยให้คุณสามารถแก้ปัญหาความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ที่แท้จริงสำหรับการเก็บรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูลได้

ขั้นตอนที่ 9: การเพาะเลี้ยงสาหร่ายและสารอาหาร

หากต้องการให้สาหร่ายเติบโต ให้เติมน้ำในภาชนะให้อยู่เหนือหลอด LED มันควรจะประมาณ 2 แกลลอนให้หรือสองสามถ้วย จากนั้นใส่ปุ๋ยพืชที่ละลายน้ำได้ตามคำแนะนำข้างกล่อง ฉันเพิ่มอีกเล็กน้อยเพื่อเพิ่มการเจริญเติบโตของสาหร่าย สุดท้าย เพิ่มการเพาะเลี้ยงสาหร่าย ตอนแรกฉันใช้ 2 ช้อนโต๊ะสำหรับทั้ง 2 แกลลอน แต่ฉันจะใช้ 2 ถ้วยระหว่างการทดลองเพื่อให้สาหร่ายเติบโตเร็วขึ้น

ตั้งไฟ LED เป็นค่าต่ำสุดและเพิ่มขึ้นในภายหลังหากน้ำมืดเกินไป เปิดเครื่องบับเบิ้ลและปล่อยให้เครื่องปฏิกรณ์นั่งเป็นเวลาหนึ่งสัปดาห์หรือประมาณนั้นเพื่อให้สาหร่ายเติบโต คุณต้องหมุนน้ำไปรอบ ๆ สองสามครั้งเพื่อป้องกันไม่ให้สาหร่ายตกลงไปที่ก้นบ่อ

นอกจากนี้ การสังเคราะห์ด้วยแสงยังดูดซับแสงสีแดงและสีน้ำเงินเป็นหลัก ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้ใบไม้เป็นสีเขียว เพื่อให้สาหร่ายมีแสงที่ต้องการโดยไม่ให้ความร้อนมากเกินไป ฉันจึงใช้แสงสีม่วง

ในภาพที่แนบมา ฉันเพิ่งเติบโตจากอาหารเรียกน้ำย่อยดั้งเดิม 2 ช้อนโต๊ะ ซึ่งต้องใช้ประมาณ 40 ถ้วยสำหรับการทดลองจริงของฉัน คุณสามารถบอกได้ว่าสาหร่ายเติบโตได้มากเมื่อพิจารณาจากน้ำที่ใสสะอาดมาก่อน

ขั้นตอนที่ 10: เคล็ดลับและความคิดสุดท้าย

ฉันได้เรียนรู้มากมายขณะสร้างโครงการนี้ และฉันยินดีที่จะตอบคำถามในความคิดเห็นอย่างสุดความสามารถ ในระหว่างนี้ ฉันมีเคล็ดลับเล็กๆ น้อยๆ ดังต่อไปนี้

1. ใช้เทปโฟมสองหน้าเพื่อยึดสิ่งของให้เข้าที่ นอกจากนี้ยังลดการสั่นสะเทือนจาก bubbler
2. ใช้รางปลั๊กไฟเพื่อป้องกันชิ้นส่วนทั้งหมดและมีพื้นที่สำหรับเสียบปลั๊ก
3. ใช้ปั๊มจักรยานที่มีเกจวัดแรงดัน และอย่าเพิ่มแรงดันโดยไม่เติมน้ำลงในขวด นี่คือเหตุผลสองประการ ประการแรกแรงดันจะเพิ่มขึ้นเร็วขึ้น และประการที่สองน้ำหนักของน้ำจะป้องกันไม่ให้ก้นขวดพลิกกลับ
4. หมุนสาหร่ายเป็นระยะๆ เพื่อให้ได้สารละลายที่สม่ำเสมอ
5. ในการถอดเซ็นเซอร์: ใช้ใบมีดคมเพื่อตัดท่อออกจากเซ็นเซอร์และฉีกออกให้มากที่สุด จากนั้นค่อย ๆ ดึงเซ็นเซอร์ออก

ฉันจะเพิ่มเคล็ดลับเพิ่มเติมเมื่อพวกเขานึกถึง

สุดท้ายนี้ ฉันอยากจะปิดท้ายด้วยการพูดบางสิ่ง วัตถุประสงค์ของโครงการนี้คือเพื่อดูว่าสาหร่ายสามารถเติบโตได้เร็วขึ้นสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพหรือไม่ แม้ว่าจะเป็นโฟโตไบโอรีแอคเตอร์ที่ใช้งานได้ แต่ฉันไม่สามารถรับประกันได้ว่าแรงกดดันจะสร้างความแตกต่างจนกว่าการทดลองทั้งหมดของฉันจะเสร็จสิ้น ในเวลานั้นฉันจะแก้ไขที่นี่และแสดงผล (มองหามันในช่วงกลางเดือนมีนาคม)

หากคุณรู้สึกว่าคำแนะนำนี้อาจมีประโยชน์และเอกสารประกอบดี โปรดฝากไลค์หรือแสดงความคิดเห็นให้ฉัน ฉันได้เข้าร่วมการแข่งขัน LED, Arduino และ Epilog ดังนั้นโหวตให้ฉันถ้าฉันสมควรได้รับ

ถึงเวลานั้น ขอให้มีความสุขในการ DIY ทุกคน

แก้ไข:

การทดลองของฉันประสบความสำเร็จ และฉันก็สามารถเข้าร่วมงานวิทยาศาสตร์ของรัฐด้วย! หลังจากเปรียบเทียบกราฟของเซ็นเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์แล้ว ฉันก็ได้ทำการทดสอบ ANOVA (การวิเคราะห์ความแปรปรวน) ด้วย โดยทั่วไป สิ่งที่การทดสอบนี้ทำคือกำหนดความน่าจะเป็นของผลลัพธ์ที่กำหนดซึ่งเกิดขึ้นตามธรรมชาติ ยิ่งค่าความน่าจะเป็นเข้าใกล้ 0 มากเท่าใด โอกาสที่จะเห็นผลลัพธ์ที่กำหนดก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าตัวแปรอิสระใดๆ ก็ตามที่เปลี่ยนแปลงไปจะส่งผลต่อผลลัพธ์จริง สำหรับฉัน ค่าความน่าจะเป็น (aka p-value) ต่ำมาก ประมาณ 10 เพิ่มเป็น -23…. โดยพื้นฐานแล้ว 0 นี่หมายความว่าแรงดันที่เพิ่มขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์ทำให้สาหร่ายเติบโตได้ดีขึ้นและดูดซับ CO2 ได้มากขึ้นตามที่ฉันคาดการณ์ไว้

ในการทดสอบของฉัน ฉันมีกลุ่มควบคุมที่ไม่มีการเพิ่มแรงดันอากาศ 650 ลูกบาศก์เซนติเมตร อากาศ 1300 ลูกบาศก์เซนติเมตร และอากาศ 1950 ลูกบาศก์เซนติเมตร เซ็นเซอร์หยุดทำงานอย่างถูกต้องบนเส้นทางแรงดันสูงสุด ดังนั้นฉันจึงยกเว้นว่าเป็นค่าผิดปกติ ถึงกระนั้น ค่า P ก็ไม่เปลี่ยนแปลงมากนักและยังคงปัดเศษเป็น 0 ได้ง่าย ในการทดลองในอนาคต ฉันจะพยายามค้นหาวิธีที่เชื่อถือได้ในการวัดการดูดซึม CO2 โดยไม่ต้องใช้เซ็นเซอร์ราคาแพง และอาจอัพเกรดเครื่องปฏิกรณ์เพื่อให้สามารถจัดการที่สูงขึ้นได้อย่างปลอดภัย แรงกดดัน

รองชนะเลิศการแข่งขัน LED Contest 2017