Photobioreactor Algae υπό πίεση: 10 βήματα (με εικόνες)

2025 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2025-01-13 06:57

Πριν ασχοληθώ με αυτό το διδακτικό, θα ήθελα να εξηγήσω λίγο περισσότερα για το τι είναι αυτό το έργο και γιατί επέλεξα να το κάνω. Παρόλο που είναι λίγο μακρύ, σας ενθαρρύνω να το διαβάσετε, καθώς πολλά από αυτά που κάνω δεν θα έχουν νόημα χωρίς αυτές τις πληροφορίες.

Το πλήρες όνομα αυτού του έργου θα ήταν ένας φωτοβιοαντιδραστήρας φυκών υπό πίεση με αυτόνομη συλλογή δεδομένων, αλλά αυτό θα ήταν λίγο μακρύ ως τίτλος. Ο ορισμός του φωτοβιοαντιδραστήρα είναι:

"Ένας βιοαντιδραστήρας που χρησιμοποιεί πηγή φωτός για την καλλιέργεια φωτοτροφικών μικροοργανισμών. Αυτοί οι οργανισμοί χρησιμοποιούν τη φωτοσύνθεση για να παράγουν βιομάζα από το φως και το διοξείδιο του άνθρακα και περιλαμβάνουν φυτά, βρύα, μακροφύκη, μικροφύκη, κυανοβακτήρια και μοβ βακτήρια".

Η ρύθμιση του αντιδραστήρα μου χρησιμοποιείται για την καλλιέργεια φυκών γλυκού νερού, αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για άλλους οργανισμούς.

Με την ενεργειακή κρίση και τα θέματα κλιματικής αλλαγής, υπάρχουν πολλές εναλλακτικές πηγές ενέργειας, όπως η ηλιακή ενέργεια, που διερευνώνται. Ωστόσο, πιστεύω ότι η μετάβασή μας από την εξάρτηση από ορυκτά καύσιμα σε πιο φιλικές προς το περιβάλλον πηγές ενέργειας θα είναι σταδιακή, καθώς δεν μπορούμε να αναθεωρήσουμε πλήρως την οικονομία γρήγορα. Τα βιοκαύσιμα μπορούν να χρησιμεύσουν ως ένα σκαλοπάτι αφού πολλά αυτοκίνητα που λειτουργούν με ορυκτά καύσιμα μπορούν εύκολα να μετατραπούν σε βιοκαύσιμα. Τι είναι τα βιοκαύσιμα ρωτάτε;

Τα βιοκαύσιμα είναι καύσιμα που παράγονται μέσω βιολογικών διαδικασιών όπως η φωτοσύνθεση ή η αναερόβια πέψη, παρά οι γεωλογικές διεργασίες που δημιουργούν ορυκτά καύσιμα. Μπορούν να γίνουν μέσω διαφορετικών διαδικασιών (τις οποίες δεν θα καλύψω λεπτομερώς εδώ). Δύο κοινές μέθοδοι είναι η μετεστεροποίηση και η υπερηχητοποίηση.

Επί του παρόντος, τα φυτά αποτελούν τη μεγαλύτερη πηγή βιοκαυσίμων. Αυτό είναι σημαντικό γιατί για να δημιουργηθούν τα έλαια που απαιτούνται για τα βιοκαύσιμα, αυτά τα φυτά πρέπει να περάσουν από φωτοσύνθεση για να αποθηκεύσουν την ηλιακή ενέργεια ως χημική ενέργεια. Αυτό σημαίνει ότι όταν καίμε βιοκαύσιμα, οι εκπομπές που εξαλείφονται ακυρώνονται με το διοξείδιο του άνθρακα που είχαν απορροφήσει τα φυτά. Αυτό είναι γνωστό ως ουδέτερο άνθρακα.

Με την τρέχουσα τεχνολογία, τα φυτά καλαμποκιού μπορούν να δώσουν 18 γαλόνια βιοκαυσίμων ανά στρέμμα. Τα σόγια δίνουν 48 γαλόνια και τα ηλιοτρόπια δίνουν 102. Υπάρχουν άλλα φυτά, αλλά κανένα δεν συγκρίνεται με τα φύκια που μπορούν να δώσουν 5, 000 έως 15, 000 γαλόνια ανά στρέμμα (Η διακύμανση οφείλεται στα είδη των φυκών). Τα φύκια μπορούν να καλλιεργηθούν σε ανοιχτές λίμνες γνωστές ως διαδρομές ή σε φωτοβιοαντιδραστήρες.

Αν λοιπόν τα βιοκαύσιμα είναι τόσο μεγάλα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αυτοκίνητα που χρησιμοποιούν ορυκτά καύσιμα, γιατί δεν το κάνουμε περισσότερο; Κόστος. Ακόμη και με υψηλές αποδόσεις ελαίων φυκιών, το κόστος παραγωγής βιοκαυσίμων είναι πολύ υψηλότερο από αυτό των ορυκτών καυσίμων. Δημιούργησα αυτό το σύστημα αντιδραστήρα για να δω αν θα μπορούσα να βελτιώσω την απόδοση ενός φωτοαντιδραστήρα και αν λειτουργεί τότε η ιδέα μου μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εμπορικές εφαρμογές.

Εδώ είναι η ιδέα μου:

Προσθέτοντας πίεση σε έναν φωτοβιοαντιδραστήρα, μπορώ να αυξήσω τη διαλυτότητα του διοξειδίου του άνθρακα όπως περιγράφεται από τον νόμο του Henry, ο οποίος αναφέρει ότι σε μια σταθερή θερμοκρασία, η ποσότητα ενός δεδομένου αερίου που διαλύεται σε έναν δεδομένο τύπο και όγκο υγρού είναι ευθέως ανάλογη του μερική πίεση αυτού του αερίου σε ισορροπία με αυτό το υγρό. Μερική πίεση είναι η πίεση που ασκεί μια δεδομένη ένωση. Για παράδειγμα, η μερική πίεση του αζώτου στο επίπεδο της θάλασσας είναι 0,78 atm αφού αυτό είναι το ποσοστό αζώτου που υπάρχει στον αέρα.

Αυτό σημαίνει ότι αυξάνοντας τη συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα ή αυξάνοντας την πίεση του αέρα, θα αυξήσω την ποσότητα του διαλυμένου CO2 στον βιοαντιδραστήρα. Σε αυτή τη ρύθμιση, θα αλλάξω μόνο την πίεση. Ελπίζω ότι αυτό θα επιτρέψει στα φύκια να υποστούν φωτοσύνθεση περισσότερο και να αναπτυχθούν γρηγορότερα.

ΑΠΟΠΟΙΗΣΗ: Αυτό είναι ένα πείραμα που διεξάγω αυτήν τη στιγμή και κατά τη στιγμή που το γράφω αυτό, δεν το ξέρω ότι θα επηρεάσει την παραγωγή φυκιών. Στη χειρότερη περίπτωση, θα είναι ούτως ή άλλως ένας λειτουργικός φωτοαντιδραστήρας. Στο πλαίσιο του πειράματός μου, πρέπει να παρακολουθώ την ανάπτυξη φυκιών. Θα χρησιμοποιήσω αισθητήρες CO2 για αυτό με κάρτα Arduino και SD για να συλλέξω και να αποθηκεύσω τα δεδομένα για να τα αναλύσω. Αυτό το τμήμα συλλογής δεδομένων είναι προαιρετικό εάν θέλετε να φτιάξετε έναν φωτοαντιδραστήρα, αλλά θα δώσω οδηγίες και κώδικα Arduino για όσους θέλουν να το χρησιμοποιήσουν.

Βήμα 1: Υλικά

Δεδομένου ότι το μέρος συλλογής δεδομένων είναι προαιρετικό, θα χωρίσω τη λίστα των υλικών σε δύο ενότητες. Επίσης, η ρύθμισή μου δημιουργεί δύο φωτοβιοαντιδραστήρες. Εάν θέλετε μόνο έναν αντιδραστήρα, απλώς χρησιμοποιήστε τα μισά υλικά για οτιδήποτε πάνω από 2 (Αυτή η λίστα θα αναφέρει τον αριθμό ή τα υλικά που ακολουθούνται από τις διαστάσεις, εάν υπάρχουν). Πρόσθεσα επίσης συνδέσμους σε ορισμένα υλικά που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε, αλλά σας ενθαρρύνω να κάνετε προηγούμενη έρευνα σχετικά με τις τιμές πριν από την αγορά, καθώς μπορούν να αλλάξουν.

Φωτοβιοαντιδραστήρας:

• Μπουκάλι νερού 2 - 4,2 γαλόνια. (Χρησιμοποιείται για τη διανομή νερού. Βεβαιωθείτε ότι το μπουκάλι είναι συμμετρικό και δεν έχει ενσωματωμένη λαβή. Θα πρέπει επίσης να είναι επανασφραγιζόμενο.
• 1 - RGB λωρίδα LED (15 έως 20 πόδια, ή το μισό περισσότερο για έναν αντιδραστήρα. Δεν χρειάζεται να είναι ξεχωριστά διευθετήσιμη, αλλά βεβαιωθείτε ότι έρχεται με τον δικό της ελεγκτή και τροφοδοτικό)
• Φυσαλίδες ενυδρείου χωρητικότητας 2 - 5 γαλλονών + σωλήνες περίπου 2 πόδια (συνήθως παρέχονται με το φούσκα)
• 2 - βάρη για τη σωλήνωση των φυσαλίδων. Μόλις χρησιμοποίησα 2 μικρά βράχια και λαστιχάκια.
• 2 πόδια - πλαστική σωλήνωση εσωτερικής διαμέτρου 3/8"
• 2 - 1/8 "βαλβίδες ποδηλάτων NPT (σύνδεσμος Amazon για βαλβίδες)
• 1 σωλήνας - 2 μέρη εποξικό
• Καλλιέργεια εκκίνησης φυκιών
• Υδατοδιαλυτό φυτικό λίπασμα (χρησιμοποίησα το εμπορικό σήμα MiracleGro από το Home Depot)

Σημαντικές πληροφορίες:

Με βάση τη συγκέντρωση της καλλιέργειας εκκίνησης, θα χρειαστείτε περισσότερο ή λιγότερο για κάθε γαλόνι χωρητικότητας του αντιδραστήρα. Στο πείραμά μου, έκανα 12 μονοπάτια των 2,5 γαλόνια το καθένα, αλλά ξεκίνησα μόνο με 2 κουταλιές της σούπας. Απλώς έπρεπε να καλλιεργήσω τα φύκια σε ξεχωριστή δεξαμενή μέχρι να μου φτάσουν. Επίσης, τα είδη δεν έχουν σημασία, αλλά χρησιμοποίησα το Haematococcus αφού διαλύονται στο νερό καλύτερα από τα φύκια νημάτων. Εδώ είναι ένας σύνδεσμος για τα φύκια. Ως διασκεδαστικό πείραμα, ίσως αγοράσω κάποια στιγμή τα βιοφωταύγεια φύκια. Το είδα να συμβαίνει φυσιολογικά στο Πουέρτο Ρίκο και φαινόταν πραγματικά υπέροχο.

Επίσης, αυτή είναι πιθανώς η 4η επανάληψη του σχεδιασμού μου και προσπάθησα να κάνω το κόστος όσο το δυνατόν χαμηλότερο. Αυτός είναι ένας λόγος για τον οποίο αντί να πιέζω με έναν πραγματικό συμπιεστή, θα χρησιμοποιώ μικρές φυσαλίδες ενυδρείου. Ωστόσο, έχουν λιγότερη δύναμη και μπορούν να κινούν τον αέρα σε πίεση περίπου 6 psi συν την πίεση εισαγωγής του.

Έλυσα αυτό το πρόβλημα αγοράζοντας φυσαλίδες αέρα με είσοδο στο οποίο μπορώ να συνδέσω τις σωληνώσεις. Από εκεί πήρα τις μετρήσεις σωλήνων 3/8 . Η εισαγωγή του φούσκα συνδέεται με τη σωλήνωση και στη συνέχεια το άλλο άκρο συνδέεται με τον αντιδραστήρα. Αυτό ανακυκλώνει τον αέρα, ώστε να μπορώ επίσης να μετρήσω την περιεκτικότητα σε διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιώντας τους αισθητήρες μου. Οι εμπορικές εφαρμογές πιθανότατα θα έχουν απλώς μια σταθερή παροχή αέρα για χρήση και απόρριψη. Εδώ είναι ένας σύνδεσμος για τους φυσαλίδες. Είναι μέρος ενός φίλτρου ενυδρείου που δεν χρειάζεστε. Τα χρησιμοποιούσα μόνο επειδή χρησιμοποιούσα ένα για τα ψάρια κατοικίδιων ζώων μου. Μπορείτε επίσης να βρείτε μόνο το bubbler χωρίς το φίλτρο στο διαδίκτυο.

Συλλογή δεδομένων:

• 2 - Αισθητήρες Vernier CO2 (είναι συμβατοί με το Arduino, αλλά και ακριβοί. Δανείστηκα τον δικό μου από το σχολείο μου)
• Σωλήνες συρρίκνωσης θερμότητας - διάμετρος τουλάχιστον 1 ίντσας για να ταιριάζουν στους αισθητήρες
• 2 - Αναλογικοί προσαρμογείς πρωτογενούς πίνακα Vernier (κωδικός παραγγελίας: BTA -ELV)
• 1 - σανίδα ψωμιού
• καλώδια από άλμα
• 1 - Κάρτα SD ή MicroSD και προσαρμογέας
• 1 - ασπίδα κάρτας Arduino SD. Το δικό μου είναι από το Seed Studio και ο κωδικός μου είναι επίσης για αυτό. Mayσως χρειαστεί να προσαρμόσετε τον κωδικό εάν η ασπίδα σας προέρχεται από άλλη πηγή
• 1 - Arduino, χρησιμοποίησα το Arduino Mega 2560
• Καλώδιο USB για το Arduino (για μεταφόρτωση κώδικα)
• Τροφοδοτικό Arduino. Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε ένα τούβλο φορτιστή τηλεφώνου με το καλώδιο USB για να παρέχετε ισχύ 5V

Βήμα 2: Πίεση

Για να πιέσετε το δοχείο, πρέπει να κάνετε δύο κύρια πράγματα:

1. Το καπάκι πρέπει να μπορεί να στερεωθεί με ασφάλεια στη φιάλη
2. Πρέπει να εγκατασταθεί μια βαλβίδα για να προσθέσει πίεση αέρα

Έχουμε ήδη τη βαλβίδα. Απλά επιλέξτε ένα σημείο στο μπουκάλι πολύ πάνω από τη γραμμή των φυκιών και ανοίξτε μια τρύπα σε αυτό. Η διάμετρος της οπής πρέπει να είναι ίση με τη διάμετρο του μεγαλύτερου ή βιδωτού άκρου της βαλβίδας (Μπορείτε να κάνετε μια μικρότερη πιλοτική τρύπα πρώτα και στη συνέχεια την πραγματική οπή διαμέτρου). Αυτό θα επιτρέψει στο άκρο της βαλβίδας να κριθάρι να χωρέσει μέσα στη φιάλη. Χρησιμοποιώντας ένα ρυθμιζόμενο κλειδί, έσφιξα τη βαλβίδα στο πλαστικό. Αυτό κάνει αυλακώσεις στο πλαστικό και για τη βίδα. Στη συνέχεια, μόλις έβγαλα τη βαλβίδα, πρόσθεσα ταινία υδραυλικών και την ξαναέβαλα στη θέση της.

Εάν το μπουκάλι σας δεν έχει πλαστικό με παχύ τοίχωμα:

Χρησιμοποιώντας λίγο γυαλόχαρτο, τραβήξτε το πλαστικό γύρω από την τρύπα. Στη συνέχεια, στο μεγαλύτερο τμήμα της βαλβίδας, εφαρμόστε μια γενναιόδωρη ποσότητα εποξειδικού. Μπορεί να είναι δύο μέρη εποξικό ή οποιοδήποτε άλλο είδος. Απλά βεβαιωθείτε ότι αντέχει σε υψηλή πίεση και είναι αδιάβροχο. Στη συνέχεια, απλά τοποθετήστε τη βαλβίδα στη θέση της και κρατήστε τη για λίγο μέχρι να κολλήσει στη θέση της. Μην σκουπίζετε την περίσσεια γύρω από τις άκρες. Αφήστε το εποξικό χρόνο να θεραπευτεί επίσης πριν δοκιμάσετε τον φωτοαντιδραστήρα.

Όσο για το καπάκι, αυτό που έχω έρχεται με δακτύλιο Ο και ασφαλίζει σφιχτά. Χρησιμοποιώ μέγιστη πίεση 30 psi και μπορεί να το συγκρατήσει. Αν έχετε βίδα στο καπάκι, είναι ακόμα καλύτερο. Απλά φροντίστε να το περάσετε με ταινία υδραυλικών. Τέλος, μπορείτε να τυλίξετε σπάγκο ή κολλητική ταινία κάτω από το μπουκάλι πάνω από το καπάκι για να το κρατήσετε σταθερά.

Για να το δοκιμάσετε, προσθέστε αργά αέρα μέσα από τη βαλβίδα και ακούστε για διαρροές αέρα. Η χρήση σαπουνόνερου θα σας βοηθήσει να εντοπίσετε πού φεύγει ο αέρας και πρέπει να προστεθεί περισσότερο εποξικό.

Βήμα 3: Bubbler

Όπως είχα αναφέρει στην ενότητα υλικών, οι διαστάσεις για τις σωληνώσεις μου βασίζονται στο φούσκα που αγόρασα. Εάν χρησιμοποιήσατε τον σύνδεσμο ή αγοράσατε την ίδια μάρκα bubbler, τότε δεν χρειάζεται να ανησυχείτε για άλλες διαστάσεις. Ωστόσο, εάν έχετε διαφορετική μάρκα bubbler, τότε πρέπει να κάνετε μερικά βήματα:

1. Βεβαιωθείτε ότι υπάρχει πρόσληψη. Μερικά bubbler θα έχουν σαφή είσοδο και άλλα θα το έχουν γύρω από την έξοδο (όπως αυτό που έχω, ανατρέξτε στις εικόνες).
2. Μετρήστε τη διάμετρο της εισόδου και αυτή είναι η εσωτερική διάμετρος για τη σωλήνωση.
3. Βεβαιωθείτε ότι η σωλήνωση εξόδου/φούσκα μπορεί να χωρέσει εύκολα στη σωλήνα εισόδου σας εάν η πρόσληψη του αφρώδους σας είναι γύρω από την έξοδο.

Στη συνέχεια, περάστε τη μικρότερη σωλήνωση μέσω της μεγαλύτερης και στη συνέχεια συνδέστε το ένα άκρο στην έξοδο του φούσκα. Σύρετε το μεγαλύτερο άκρο πάνω από την είσοδο. Χρησιμοποιήστε εποξικό για να το κρατήσετε στη θέση του και να στεγανοποιηθεί από υψηλή πίεση. Απλά προσέξτε να μην βάλετε κανένα εποξικό μέσα στη θύρα εισαγωγής. Πλευρική σημείωση, η χρήση γυαλόχαρτου για να ξύνει ελαφρώς μια επιφάνεια πριν προσθέσετε εποξικό κάνει τον δεσμό πιο δυνατό.

Τέλος, κάντε μια τρύπα στη φιάλη αρκετά μεγάλη για τη σωλήνωση. Στην περίπτωσή μου, ήταν 1/2 (Εικόνα 5). Περάστε το μικρότερο σωλήνα μέσα από αυτό και επάνω στην κορυφή της φιάλης. Τώρα μπορείτε να στερεώσετε ένα βάρος (χρησιμοποίησα λαστιχάκια και έναν βράχο) και να το βάλετε ξανά στο στη συνέχεια, βάλτε επίσης τον μεγαλύτερο σωλήνα μέσα από τη φιάλη και τοποθετήστε τον σε εποξικό τρόπο. Παρατηρήστε ότι ο μεγάλος σωλήνας τελειώνει αμέσως μετά την είσοδό του στη φιάλη. Αυτό συμβαίνει επειδή πρόκειται για εισαγωγή αέρα και δεν θα θέλατε να εκτοξευτεί νερό το.

Ένα όφελος από αυτό το κλειστό σύστημα σημαίνει ότι οι υδρατμοί δεν θα διαφύγουν και το δωμάτιό σας δεν θα καταλήξει να μυρίζει φύκια.

Βήμα 4: LED

Οι λυχνίες LED είναι γνωστές για την ενεργειακά αποδοτική και πολύ ψυχρότερη (θερμοκρασία) από τους κανονικούς λαμπτήρες πυρακτώσεως ή φθορισμού. Ωστόσο, εξακολουθούν να παράγουν κάποια θερμότητα και μπορεί εύκολα να παρατηρηθεί εάν είναι ενεργοποιημένη ενώ είναι ακόμα τυλιγμένη. Όταν χρησιμοποιούμε τις λωρίδες σε αυτό το έργο, δεν θα είναι τόσο συγκεντρωμένες μεταξύ τους. Οποιαδήποτε επιπλέον θερμότητα ακτινοβολείται ή απορροφάται εύκολα από το διάλυμα του άλγης.

Ανάλογα με το είδος των φυκών, θα χρειαστούν περισσότερο ή λιγότερο φως και θερμότητα. Για παράδειγμα, ο βιοφωταύγειος τύπος φυκιών που είχα αναφέρει νωρίτερα απαιτεί πολύ περισσότερο φως. Ένας βασικός κανόνας που χρησιμοποίησα είναι να το διατηρήσω στη χαμηλότερη ρύθμιση και να το αυξήσω αργά κατά ένα ή δύο επίπεδα φωτεινότητας καθώς τα φύκια μεγάλωναν.

Τέλος πάντων, για να ρυθμίσετε το σύστημα LED, απλά τυλίξτε τη λωρίδα γύρω από το μπουκάλι μερικές φορές με κάθε περιτύλιγμα να έρχεται περίπου 1 ίντσα. Το μπουκάλι μου είχε ραβδώσεις μέσα στις οποίες ταιριάζει το LED. Απλώς χρησιμοποίησα λίγη ταινία συσκευασίας για να το κρατήσω στη θέση του. Εάν χρησιμοποιείτε δύο μπουκάλια όπως εγώ, απλά τυλίξτε τα μισά γύρω από το ένα μπουκάλι και τα μισά γύρω από το άλλο.

Τώρα ίσως αναρωτιέστε γιατί οι λωρίδες μου LED δεν τυλίγονται μέχρι την κορυφή του φωτοβιοαντιδραστήρα μου. Το έκανα επίτηδες γιατί χρειαζόμουν χώρο για τον αέρα και τον αισθητήρα. Παρόλο που το μπουκάλι έχει όγκο 4,2 γαλόνια, χρησιμοποίησα μόνο το μισό από αυτό για να καλλιεργήσω τα φύκια. Επίσης, εάν ο αντιδραστήρας μου είχε μια μικρή διαρροή, τότε η πίεση του όγκου θα έπεφτε λιγότερο δραστικά, καθώς ο όγκος του αέρα που διαφεύγει είναι μικρότερο ποσοστό της συνολικής ποσότητας αέρα μέσα στη φιάλη. Υπάρχει μια λεπτή γραμμή που έπρεπε να είμαι εκεί όπου τα φύκια θα είχαν αρκετό διοξείδιο του άνθρακα για να αναπτυχθούν, αλλά ταυτόχρονα θα πρέπει να υπάρχει λιγότερος αέρας έτσι ώστε το διοξείδιο του άνθρακα που απορροφά τα φύκια να έχει αντίκτυπο στη συνολική σύνθεση του αέρα, επιτρέποντάς μου να καταγράψω τα δεδομένα.

Για παράδειγμα, εάν αναπνέετε σε μια χάρτινη σακούλα, θα γεμίσει με υψηλό ποσοστό διοξειδίου του άνθρακα. Αλλά αν απλώς αναπνέετε στην ανοιχτή ατμόσφαιρα, η συνολική σύνθεση του αέρα θα εξακολουθεί να είναι περίπου η ίδια και αδύνατο να εντοπιστεί οποιαδήποτε αλλαγή.

Βήμα 5: Συνδέσεις Protoboard

Εδώ ολοκληρώνεται η ρύθμιση του φωτοαντιδραστήρα εάν δεν θέλετε να προσθέσετε τη συλλογή δεδομένων arduino και τους αισθητήρες. Μπορείτε απλά να μεταβείτε στο βήμα για την καλλιέργεια φυκιών.

Εάν ενδιαφέρεστε, ωστόσο, θα χρειαστεί να φέρετε τα ηλεκτρονικά για μια προκαταρκτική δοκιμή πριν τα τοποθετήσετε στη φιάλη. Πρώτον, συνδέστε την ασπίδα της κάρτας SD πάνω από το arduino. Οποιεσδήποτε καρφίτσες που θα χρησιμοποιούσατε κανονικά στο arduino που χρησιμοποιούνται από την ασπίδα της κάρτας SD είναι ακόμα διαθέσιμες. απλά συνδέστε το καλώδιο βραχυκυκλωτήρα στην οπή ακριβώς πάνω.

Έχω επισυνάψει μια εικόνα των διαμορφώσεων του arduino pin σε αυτό το βήμα, στο οποίο μπορείτε να ανατρέξετε. Πράσινα σύρματα χρησιμοποιήθηκαν για τη σύνδεση του 5V με το arduino 5V, το πορτοκαλί για τη σύνδεση του GND με τη γείωση του Arduino και κίτρινο για τη σύνδεση του SIG1 με το Arduino A2 και A5. Σημειώστε ότι υπάρχουν πολλές επιπλέον συνδέσεις με τους αισθητήρες που θα μπορούσαν να έχουν πραγματοποιηθεί, αλλά δεν χρειάζονται για τη συλλογή δεδομένων και βοηθούν μόνο τη βιβλιοθήκη Vernier να εκτελεί ορισμένες λειτουργίες (όπως η αναγνώριση του αισθητήρα που χρησιμοποιείται)

Ακολουθεί μια γρήγορη επισκόπηση του τι κάνουν οι καρφίτσες του protoboard:

1. Σήμα εξόδου SIG2 - 10V που χρησιμοποιείται μόνο από μερικούς αισθητήρες vernier. Δεν θα το χρειαστούμε.
2. GND - συνδέεται με γείωση arduino
3. Vres - διαφορετικοί αισθητήρες vernier έχουν διαφορετικές αντιστάσεις. η παροχή τάσης και η ανάγνωση της τρέχουσας εξόδου από αυτόν τον πείρο βοηθά στον εντοπισμό αισθητήρων, αλλά δεν λειτούργησε για μένα. Knewξερα επίσης τι αισθητήρα χρησιμοποιούσα εκ των προτέρων, οπότε το κωδικοποίησα σκληρά το πρόγραμμα.
4. Αναγνωριστικό - βοηθά επίσης στον εντοπισμό αισθητήρων, αλλά δεν χρειάζεται εδώ
5. 5V - δίνει ισχύ 5 βολτ στον αισθητήρα. Συνδέεται με arduino 5V
6. SIG1 - έξοδος για τους αισθητήρες από κλίμακα 0 έως 5 βολτ. Δεν θα εξηγήσω τις εξισώσεις βαθμονόμησης και όλα για να μετατρέψω την έξοδο του αισθητήρα σε πραγματικά δεδομένα, αλλά σκεφτείτε ότι ο αισθητήρας CO2 λειτουργεί έτσι: όσο περισσότερο CO2 αισθάνεται, τόσο περισσότερη τάση επιστρέφει στο SIG2.

Δυστυχώς, η βιβλιοθήκη αισθητήρων Vernier λειτουργεί μόνο με έναν αισθητήρα και εάν χρειαστεί να χρησιμοποιήσουμε δύο, τότε θα πρέπει να διαβάσουμε την ακατέργαστη τάση που παράγουν οι αισθητήρες. Έχω δώσει τον κωδικό ως αρχείο.ino στο επόμενο βήμα.

Καθώς συνδέετε καλώδια με βραχυκύκλωμα στο breadboard, λάβετε υπόψη ότι συνδέονται σειρές οπών. Με αυτόν τον τρόπο συνδέουμε τους προσαρμογείς protoboard στο arduino. Επίσης, ορισμένες ακίδες μπορεί να χρησιμοποιούνται από τον αναγνώστη καρτών SD, αλλά φρόντισα να μην παρεμβαίνουν μεταξύ τους. (Είναι συνήθως ψηφιακό pin 4)

Βήμα 6: Κωδικός και δοκιμή

Κάντε λήψη του λογισμικού arduino στον υπολογιστή σας εάν δεν το έχετε ήδη εγκαταστήσει.

Στη συνέχεια, συνδέστε τους αισθητήρες στους προσαρμογείς και βεβαιωθείτε ότι όλα τα καλώδια είναι καλά (Ελέγξτε για να βεβαιωθείτε ότι οι αισθητήρες βρίσκονται στη χαμηλή ρύθμιση από 0 - 10, 000 ppm). Τοποθετήστε την κάρτα SD στην υποδοχή και συνδέστε το arduino στον υπολογιστή σας μέσω καλωδίου USB. Στη συνέχεια, ανοίξτε το αρχείο SDTest.ino που έχω παράσχει σε αυτό το βήμα και κάντε κλικ στο κουμπί μεταφόρτωσης. Θα χρειαστεί να κατεβάσετε τη βιβλιοθήκη SD ως αρχείο.zip και να την προσθέσετε επίσης.

Μετά την επιτυχή μεταφόρτωση του κώδικα, κάντε κλικ στα εργαλεία και επιλέξτε τη σειριακή οθόνη. Θα πρέπει να δείτε πληροφορίες σχετικά με την ανάγνωση του αισθητήρα που εκτυπώνονται στην οθόνη. Αφού εκτελέσετε τον κωδικό για λίγο, μπορείτε να αποσυνδέσετε το arduino και να αφαιρέσετε την κάρτα SD.

Τέλος πάντων, εάν τοποθετήσετε την κάρτα SD στον φορητό υπολογιστή σας, θα δείτε ένα αρχείο DATALOG. TXT. Ανοίξτε το και βεβαιωθείτε ότι υπάρχουν δεδομένα σε αυτό. Έχω προσθέσει μερικές λειτουργίες στη δοκιμή SD που θα αποθηκεύσουν το αρχείο μετά από κάθε εγγραφή. Αυτό σημαίνει ότι ακόμη και αν βγάλεις την κάρτα SD στο μέσο του προγράμματος, θα έχει όλα τα δεδομένα μέχρι εκεί. Το αρχείο μου AlgaeLogger.ino είναι ακόμη πιο περίπλοκο με καθυστερήσεις στην εκτέλεσή του για μια εβδομάδα. Επιπλέον, πρόσθεσα μια συνάρτηση που θα ξεκινήσει ένα νέο αρχείο datalog.txt εάν υπάρχει ήδη. Δεν ήταν απαραίτητο για να λειτουργήσει ο κώδικας, αλλά ήθελα απλώς όλα τα δεδομένα που συλλέγει το Arduino σε διαφορετικά αρχεία αντί να χρειαστεί να τα ταξινομήσει ανά ώρα που εμφανίζεται. Μπορώ επίσης να έχω το arduino συνδεδεμένο πριν ξεκινήσω τον πειραματισμό μου και να επαναφέρω τον κώδικα κάνοντας κλικ στο κόκκινο κουμπί όταν είμαι έτοιμος να ξεκινήσω.

Εάν ο κωδικός δοκιμής λειτούργησε, μπορείτε να κατεβάσετε το αρχείο AlgaeLogger.ino που παρείχα και να το ανεβάσετε στο arduino. Όταν είστε έτοιμοι να ξεκινήσετε τη συλλογή δεδομένων, ενεργοποιήστε το arduino, τοποθετήστε την κάρτα SD και κάντε κλικ στο κόκκινο κουμπί στο arduino για επανεκκίνηση του προγράμματος. Ο κώδικας θα λαμβάνει μετρήσεις σε διαστήματα μίας ώρας για 1 εβδομάδα. (168 συλλογές δεδομένων)

Βήμα 7: Εγκατάσταση αισθητήρων στον φωτοαντιδραστήρα

Ω ναι, πώς θα μπορούσα να το ξεχάσω;

Πρέπει να εγκαταστήσετε τους αισθητήρες στον φωτοαντιδραστήρα πριν προσπαθήσετε να συλλέξετε δεδομένα. Είχα μόνο το βήμα να δοκιμάσω τους αισθητήρες και τον κωδικό πριν από αυτόν, έτσι ώστε εάν ένας από τους αισθητήρες σας είναι ελαττωματικός, τότε μπορείτε να πάρετε έναν διαφορετικό αμέσως πριν τον ενσωματώσετε στον φωτοαντιδραστήρα. Το να χρειαστεί να αφαιρέσετε τους αισθητήρες μετά από αυτό το βήμα θα είναι δύσκολο, αλλά είναι δυνατό. Οδηγίες για το πώς να το κάνετε βρίσκονται στο βήμα Συμβουλές και τελικές σκέψεις.

Τέλος πάντων, θα ενσωματώσω τους αισθητήρες στο καπάκι του μπουκαλιού μου, επειδή είναι το πιο μακριά από το νερό και δεν θέλω να βραχεί. Επίσης, παρατήρησα όλο τον υδρατμό συμπυκνωμένο κοντά στον πυθμένα και τα λεπτά τοιχώματα της φιάλης, οπότε αυτή η τοποθέτηση θα αποτρέψει τους υδρατμούς να καταστρέψουν τους αισθητήρες.

Για να ξεκινήσετε, σύρετε τη σωλήνα συρρίκνωσης θερμότητας πάνω από τον αισθητήρα, αλλά φροντίστε να μην καλύψετε όλες τις τρύπες. Στη συνέχεια, συρρικνώστε το σωλήνα χρησιμοποιώντας μια μικρή φλόγα. Το χρώμα δεν έχει σημασία, αλλά χρησιμοποίησα το κόκκινο για ορατότητα.

Στη συνέχεια, ανοίξτε μια τρύπα 1 στο κέντρο του καπακιού και χρησιμοποιήστε γυαλόχαρτο για να τραβήξετε το πλαστικό γύρω από αυτό. Αυτό θα βοηθήσει το εποξειδικό δέσιμο καλά.

Τέλος, προσθέστε λίγο εποξειδικό στο σωλήνα και σύρετε τον αισθητήρα στη θέση του στο καπάκι. Προσθέστε λίγο περισσότερο εποξειδικό στο εξωτερικό και στο εσωτερικό του καλύμματος όπου το καπάκι συναντά τη θερμική συρρίκνωση και αφήστε το να στεγνώσει. Θα πρέπει τώρα να είναι αεροστεγές, αλλά θα χρειαστεί να το δοκιμάσουμε υπό πίεση για να είναι ασφαλές.

Βήμα 8: Δοκιμή πίεσης με αισθητήρες

Δεδομένου ότι έχουμε ήδη δοκιμάσει τον φωτοβιοαντιδραστήρα εκ των προτέρων με τη βαλβίδα ποδηλάτου, δεν έχουμε παρά να ασχοληθούμε με το καπάκι εδώ. Όπως και την προηγούμενη φορά, προσθέστε αργά πίεση και ακούστε τυχόν διαρροές. Αν βρείτε ένα, προσθέστε λίγο εποξειδικό στο εσωτερικό του καλύμματος και στο εξωτερικό.

Χρησιμοποιήστε επίσης σαπουνόνερο για να εντοπίσετε διαρροές, αν θέλετε, αλλά μην βάλετε κανένα στο εσωτερικό του αισθητήρα.

Είναι εξαιρετικά σημαντικό να μην διαφεύγει αέρας από τον φωτοβιοαντιδραστήρα. Η ένδειξη του αισθητήρα CO2 επηρεάζεται από μια σταθερά που σχετίζεται άμεσα με την πίεση. Η γνώση της πίεσης θα σας επιτρέψει να λύσετε την πραγματική συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα για συλλογή και ανάλυση δεδομένων.

Βήμα 9: Καλλιέργεια φυκιών και θρεπτικά συστατικά

Για να μεγαλώσετε τα φύκια, γεμίστε το δοχείο ακριβώς πάνω από τα LED με νερό. Θα πρέπει να είναι περίπου 2 γαλόνια δώστε ή πάρτε μερικά φλιτζάνια. Στη συνέχεια, προσθέστε διαλυτό φυτικό λίπασμα σύμφωνα με τις οδηγίες στο κουτί. Πρόσθεσα λίγο περισσότερο στην πραγματικότητα για να αυξήσω την ανάπτυξη των φυκιών. Τέλος, προσθέστε καλλιέργεια εκκίνησης φυκιών. Αρχικά χρησιμοποίησα 2 κουταλιές της σούπας για ολόκληρα τα 2 γαλόνια, αλλά θα χρησιμοποιήσω 2 φλιτζάνια κατά τη διάρκεια του πειράματός μου για να αναπτυχθούν τα φύκια πιο γρήγορα.

Ρυθμίστε τα LED στη χαμηλότερη ρύθμιση και αυξήστε τα αργότερα εάν το νερό γίνει πολύ σκοτεινό. Ενεργοποιήστε το φούσκα και αφήστε τον αντιδραστήρα να καθίσει για περίπου μία εβδομάδα για να αναπτυχθούν τα φύκια. Πολλοί πρέπει να στροβιλίζετε το νερό μερικές φορές για να αποτρέψετε την καθίζηση των φυκιών στον πυθμένα.

Επίσης, η φωτοσύνθεση απορροφά κυρίως κόκκινο και μπλε φως, γι 'αυτό και τα φύλλα είναι πράσινα. Για να δώσω στα φύκια το φως που χρειάζονται χωρίς να τα θερμάνω πολύ, χρησιμοποίησα μοβ φως.

Στις συνημμένες εικόνες, μεγάλωνα μόνο τις 2 κουταλιές της σούπας μίζα που είχα για να φτιάξω περίπου 40 φλιτζάνια για το πραγματικό μου πείραμα. Μπορείτε να πείτε ότι τα φύκια μεγάλωσαν πολύ αν λάβετε υπόψη ότι το νερό ήταν απολύτως διαυγές πριν.

Βήμα 10: Συμβουλές και τελικές σκέψεις

Έμαθα πολλά κατά την οικοδόμηση αυτού του έργου και είμαι στην ευχάριστη θέση να απαντήσω σε ερωτήσεις στα σχόλια με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Εν τω μεταξύ, εδώ είναι μερικές συμβουλές που έχω:

1. Χρησιμοποιήστε ταινία αφρού διπλής όψης για να στερεώσετε τα πράγματα στη θέση τους. Επίσης, μείωσε τους κραδασμούς από το φούσκα.
2. Χρησιμοποιήστε ένα πολύπριζο για να προστατέψετε όλα τα μέρη καθώς και να έχετε χώρο για να συνδέσετε τα πράγματα.
3. Χρησιμοποιήστε αντλία ποδηλάτου με μανόμετρο και μην προσθέτετε πίεση χωρίς να γεμίσετε το μπουκάλι με νερό. Αυτό συμβαίνει για δύο λόγους. Πρώτον, η πίεση θα αυξηθεί γρηγορότερα, και δεύτερον, το βάρος του νερού θα αποτρέψει την αναστροφή του πυθμένα της φιάλης.
4. Περιστρέψτε τα φύκια κάθε τόσο για να έχετε μια ομοιόμορφη λύση.
5. Για να αφαιρέσετε τους αισθητήρες: χρησιμοποιήστε μια αιχμηρή λεπίδα για να κόψετε τη σωλήνωση από τον αισθητήρα και να σπάσετε όσο μπορείτε. Στη συνέχεια, τραβήξτε απαλά τον αισθητήρα.

Θα προσθέσω περισσότερες συμβουλές καθώς έρχονται στο μυαλό.

Τέλος, θα ήθελα να ολοκληρώσω λέγοντας μερικά πράγματα. Ο σκοπός αυτού του έργου είναι να διαπιστωθεί εάν τα φύκια μπορούν να αναπτυχθούν γρηγορότερα για παραγωγή βιοκαυσίμων. Ενώ είναι ένας φωτοαντιδραστήρας που λειτουργεί, δεν μπορώ να εγγυηθώ ότι η πίεση θα κάνει τη διαφορά μέχρι να ολοκληρωθούν όλες οι δοκιμές μου. Εκείνη τη στιγμή, θα κάνω μια επεξεργασία εδώ και θα δείξω τα αποτελέσματα (Αναζητήστε το στα μέσα Μαρτίου).

Εάν πιστεύετε ότι αυτό το διδακτικό είναι δυνητικά χρήσιμο και η τεκμηρίωση είναι καλή, αφήστε μου ένα like ή ένα σχόλιο. Έχω συμμετάσχει επίσης στους διαγωνισμούς LED, Arduino και Epilog, οπότε ψηφίστε με αν το αξίζω.

Μέχρι τότε, χαρούμενος DIY σε όλους

ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ:

Το πείραμά μου ήταν επιτυχές και μπόρεσα να φτάσω σε μια κρατική έκθεση επιστήμης και με αυτό! Μετά τη σύγκριση των γραφημάτων των αισθητήρων διοξειδίου του άνθρακα, έκανα επίσης μια δοκιμή ANOVA (Ανάλυση διακύμανσης). Βασικά αυτό που κάνει αυτό το τεστ είναι ότι καθορίζει την πιθανότητα να προκύψουν φυσικά τα δεδομένα αποτελέσματα. Όσο πιο κοντά είναι η τιμή πιθανότητας στο 0, τόσο λιγότερο πιθανό είναι να δούμε το δεδομένο αποτέλεσμα, πράγμα που σημαίνει ότι οποιαδήποτε ανεξάρτητη μεταβλητή αλλάξει είχε πραγματικά επίδραση στα αποτελέσματα. Για μένα, η τιμή πιθανότητας (γνωστή και ως τιμή p) ήταν πολύ χαμηλή, κάπου 10 αυξήθηκε στους -23…. βασικά 0. Αυτό σήμαινε ότι η αύξηση της πίεσης στον αντιδραστήρα επέτρεψε στα φύκια να αναπτυχθούν καλύτερα και να απορροφήσουν περισσότερο CO2 όπως είχα προβλέψει.

Στη δοκιμή μου είχα μια ομάδα ελέγχου χωρίς προσθήκη πίεσης, 650 κυβικά εκατοστά αέρα, 1300 κυβικά εκατοστά αέρα και 1950 κυβικά εκατοστά αέρα. Οι αισθητήρες σταμάτησαν να λειτουργούν σωστά στο μονοπάτι υψηλότερης πίεσης, οπότε το απέκλεισα ως υπερβολικό. Ακόμα κι έτσι, η τιμή Ρ δεν άλλαξε πολύ και στρογγυλοποιήθηκε εύκολα στο 0. Σε μελλοντικά πειράματα, θα προσπαθούσα να βρω έναν αξιόπιστο τρόπο μέτρησης της πρόσληψης CO2 χωρίς ακριβούς αισθητήρες και ίσως να αναβαθμίσω τον αντιδραστήρα έτσι ώστε να μπορεί να χειριστεί με ασφάλεια υψηλότερα πιέσεις.

Υποψήφιος στο Διαγωνισμό LED 2017