Farma: een huis bioreactor voor farmaceutische drugs (1 / 18 stap)

Stap 1: Vereisten inzake een ontwerp en engineering

Om te beginnen met het ontwerpen van het apparaat, begon ik onderzoekend de ontwerpvereisten. Ik brak het onderzoek in drie categorieën: (a) Spirulina groei, (b) de gebruikerseisen, en (c) een lijst met functies.

Spirulina groei eisen:

1. Spirulina groeien best op 30C.
2. Spirulina hebben CO2 nodig voor fotosynthese.
3. Spirulina photosynthesize door het absorberen van licht in verschillende photoactive pigmenten. Zij vereisen daarom, zon- of kunstlicht om te groeien. Ze groeien ook best in een 12-uurs dag/nacht cyclus, vergelijkbaar met de natuurlijke omstandigheden.
4. Ze groeien in een alkalische (basis) media dat een stikstofbron (onder andere noodzakelijke voedingsstoffen bevat).

Gelukkig zijn er verschillende at Home Spirulina-systeem momenteel op de markt die als een goed uitgangspunt diende voor de aanpak van deze groei-eisen. Met name heeft Spirulina Systems een starter-systeem dat ik keek als een goed uitgangspunt. Ik kocht ook de starter cultuur en voedingsstoffen uit Spirulina systemen (daarover later meer).

Engineering:

Lichte eisen

Zo veel mogelijk. Ik heb een korte literatuur zoeken om te proberen te bepalen van de voorkeur van Spirulina lichtintensiteit. Ik had problemen met het vinden van een gezaghebbende bron (zoals een review artikel over het onderwerp), maar ik vond verscheidenenuttigedocumenten waaruit ik grokked dat de Spirulina zoals zoveel licht als mogelijk. Twee van de studies gebruikt licht intensiteit groter is dan 3000 μmol fotonen per meter per seconde kwadraat. (Een mol van fotonen is Avogadro van aantal fotonen).

Golflengten toe doen? Ja. De fotosynthetische pigmenten binnen Spirulina (met inbegrip van chlorofyl a, beta-cartenoids en phycocyanin) zijn opgewonden door smalle frequentiebanden in het blauwe en rode bereik (niet groen). Het is misschien mogelijk tot productie en efficiëntie verhogen door gebruik te maken van LEDs op deze specifieke frequenties of wijziging van het voedingsprofiel (veel van de pigmenten zijn voedingsstoffen) door de Spirulina voor bepaalde golflengtes bloot te leggen. Ik gebruikte voor dit project, warm wit licht.

Reactorontwerp

Na het wassen van verschillendeonderzoekpapiers, uiteindelijk heb ik een intern verlichte "luchtbrug" photobioreactor ontwerpen.

Intern verlichting - ik ontwierp een kolom licht dat binnen een cilindrische reactor zou zitten. Het licht van de kolom is gewoon een aluminium staaf omwikkeld met de hoogste macht, warm witte LED's die ik (op Amazon vinden kon). Het licht straalt naar buiten vanuit het midden van de kolom met gelijke intensiteit in alle richtingen. Omdat het licht naar buiten straalt, de intensiteit (fotonen per meter per seconde) is grootste dichter aan het licht en neemt af (met een factor van r ^ 2) weg van het licht. Daarom, cilindrische interne verlichting gunsten gebouw een hoge kolom met hoge lichtintensiteit op zowel de binnendiameter en de buitendiameter van de reactor. Echter, er is een duidelijke afweging met volume: een lange, smalle reactor zal hebben veel minder volume (en dus minder Spirulina) dan een kortere, vette reactor.

Dimensionering van de reactor - gegeven deze afweging tussen licht intensiteit en volume, ik wist dat ik zou hebben om een paar veronderstellingen en ruwe berekeningen te halen van de diameter en de lengte van de reactor te maken. Ten eerste, ik ging ervan uit dat de photobioreactor zou kunnen product 1 g per liter per dag van Spirulina. Ik heb dit nummer van onderzoek naar de productie tarieven van intern verlichte photobioreactors in de literatuur. Het is natuurlijk een enorme veronderstelling, maar ik moest ergens beginnen! Ten tweede, ik maakte een andere enorme veronderstelling: een theelepel Spirulina per dag zou een voldoende volume voor een dagelijkse dosis van drugs. Dit is geladen met aannames op vragen die geen antwoord hebben... met name de concentratie van de drug een toekomstige Spirulina organisme zou kunnen produceren (d.w.z. de % van hun biomassa thats drug vs. alles) en de eis van de drug voor de gebruiker. Dus, ik pakte 1 theelepel (Again je moet ergens beginnen!), hetgeen betekent dat ik zou moeten een reactor 5 L. Als u wilt geven me een heleboel ruimte voor fouten, besloten heb ik dat de 10-15 L leek me een goede grootte. Vervolgens, mij troep opwaarts een werkblad berekening die meegewogen in de afmetingen, met inbegrip van de OD van de reactor, de ID van de reactor en lengte van de reactor en het volume berekend. Ik aangesloten dan wat ik over de LED-lamp wist strippen (vermogen, lichtopbrengst) en de lichtsterkte (fotonen per vierkante meter per seconde) bij de ID en OD berekend. Ik speelde rond met de inputs (OD, ID en diameter) en berekend de uitgangen (Volume, lichtintensiteit) totdat ik blij was. Ik vond dat ik met een 200 mm OD, 60 mm ID 450mm lengte, berekend dat de licht intensiteit aan de ID zou ~ 4000 μmol m−2 s−1 en ~ 1100 op de OD met een totaal volume van 12,8 L. Ik ook CAD 'd up die vorm en was blij met de verhoudingen. Als u geïnteresseerd bent in hoe ik deze berekeningen gemaakt, please comment hieronder... Ik ben ook vrij geïnteresseerd in hoe dit probleem kan mathematisch worden gemodelleerd--ik zou graag uw gedachten over dat!

Luchttransport - Airlift reactoren kunnen beluchting bovendien Meng de inhoud van de reactor. Ik vond een aquarium-sparger in de vorm van de ring. De sparger zou uitstoten luchtbellen concentrisch rond de innerlijke licht en tot de oppervlaktelaag, creëren een opwaartse stroom rond de innerlijke licht buis en een neerwaartse toenmalige op de randen van de bioreactor.

De behoeften van de gebruikers:
Wat doet een toekomstige drug Huis brouw apparaat look and feel like? Hoe wordt het gebruikt? Welke functies moet het hebben? Om te antwoorden op een aantal van deze vragen en informeren van het productontwerp, dat ik kon gedaan hebben sommige snelle prototyping en testen, gebruiker interviews en andere ontwerp-onderzoek benadert. Echter, ik eerlijk gezegd niet echt de tijd hebben om ze te doen. In plaats daarvan, ik dacht van mezelf als de hypothetische gebruiker en geprobeerd om de ervaring die ik zou willen voorstellen.

Ik kwam met de volgende gebruikerseisen.

1. Een geautomatiseerde ervaring. In het ideale geval een dagelijkse pil zou gewoon pop uit de machine.
2. In de keuken. Ik zou willen om het product in de keuken, in de buurt van andere apparaten.
3. Divers drug opties. Ik zou willen dat het product te kunnen brouwen veel verschillende soorten drugs.
4. Snelle productie. De bestaande systemen van Spirulina nemen tot 2-3 weken om te beginnen met oogsten. Ik wil om te beginnen veel oogsten vroeg.
5. Feedback over het brouwen vooruitgang. Ik zou willen weten hoeveel Spirulina is gegroeid.

Van deze behoeften van de gebruikers heb ik een gewenste lijst met functies:

1. Kunstmatige licht kunt het toestel aan op afstand van ramen worden geplaatst en het product te hebben meer controle over de groei.
2. Temperatuurregeling op 30 C.
3. Beluchting. Ik besloot niet te gebruiken van zuiver CO2, die leiden een hogere groei tot moet.
4. Continu mengen. Om ervoor te zorgen de Spirulina ontvangen een gelijke hoeveelheid van licht.
5. Spirulina dichtheid sensing en de "Staaf van de vooruitgang". Het systeem zou bijhouden van de dichtheid van de cultuur en rapporteren deze dichtheid met behulp van een voortgangsbalk, gemaakt door de interne verlichting verlichting.
6. Automated oogsten. Het toestel moet zitten kundig voor zin als de Spirulina moet worden geoogst en vervolgens automatisch doen.
7. Filteren en drogen de Spirulina
8. Capacitieve touch gebruikersinterface. De gebruiker kan verschillende delen van het apparaat werken gewoon door ze aan te raken.

Dit was een vrij ambitieuze lijst. Ik was in staat om succesvol te implementeren van 1-4... 5-7 zijn werken-in-progress, en ik heb niet geprobeerd om 8, nog.