OpenReactor
 
Vývoj laboratorního modulárního fed-batch bioreaktoru pro vyšší efektivitu a produktivitu mikrobiálních procesů
Laboratorní bioreaktory tvoří páteř biotechnologických laboratoří a představují základní infrastrukturu pro vývoj biotechnologických procesů. Na trhu je dostupná řada malých reaktorů se sofistikovanými řídícími systémy. Složité proprietární systémy dostupných reaktorů obvykle neumožňují rychlou a snadnou úpravu experimentálního uspořádání, jednoduché přidání dalších řídících/monitorovacích prvků, či spojení zařízení od různých výrobců. Cena v řádu jednotek milionů CZK omezuje využití bioreaktorů v průmyslu či vědeckých pracích. Zároveň zákaznická podpora etablovaných zahraničních výrobců je zdlouhavá a náhradní komponenty se pohybují v desetinásobcích ceny lokálních alternativ.
 
EPS biotechnology ve spolupráci s Fakultou elektrotechniky ČVUT v Praze vyvíjí modulární bioreaktor s přítokováním (fed-batch), jež doplní stávající trh. Díky modulárnosti systému, která zahrnuje flexibilitu, rozšiřitelnost a snadnost údržby, umožní využívat systém jak na standardní bioprocesy tak i jeho případné rozšíření a upravení na speciální požadavky. Vlastnosti řešení rovněž umožní paralelizaci testovacích kultivací, což výrazně urychlí vývoj a testování bioprocesů v laboratořích. Ke snížení výrobních nákladů i případných budoucích oprav budou pro hardware využity standardní běžně dostupné komponenty, části, ke kterým neexistuje dostupná alternativa, budou zhotoveny pomocí 3D tisku. Díky konceptu open - source, bude technická dokumentace hardwaru i software kontroleru a uživatelského rozhraní volně dostupná v elektronické podobě k volnému použití, jež může vést k vytvoření uživatelské platformy uživatelské komunity pro troubleshooting, vývoj a sdílení nových aplikačních protokolů, elektronických / mechanických dílů a uspořádání.
Informace z průběhu realizace 1. etapy
První etapa projektu byla věnována návrhům požadovaných a vhodných senzorů a řídících prvků, dále konstrukčním částem systému a architektuře řídicího systému včetně hardwaru řízení. V závěru etapy byl zkompletován funkční celek prototypu bioreaktoru z jednotlivých navržených a připravených komponent a podroben prvnímu testu funkčnosti (Obrázek 1).
Obrázek 1: OpenReactor s nakultivovanou kvasničnou biomasou.
Konstrukční části, senzory a řídící prvky
Jako vhodná kultivační nádoba pro OpenReactor se ukázala reagenční láhev typu Duran®. Tato láhev je dvouplášťová a umožňuje tak řídit teplotu pomocí teplé či studené vody pouštěné do duplikátoru dle potřeby.
 
Pro výrobu víka OpenReactoru byl jako nejjednodušší a nejméně nákladný způsob, z důvodu velkého množství specifických vstupů a portů, vybrán stereolitografický 3D tisk (Obrázek 2) z pryskyřice odolné vůči autoklávování.
Obrázek 2: Víko s podporami po ukončení 3D tisku připevněné na tiskovém plátu.
Homogenita vsádky u OpenReactoru je řešena pomocí mechanického míchadla, jehož konstrukce sestává z duté nerezové hřídele. Tato hřídel je zároveň využita pro přívod vzduchu do bioreaktoru. Hřídel je osazena dvěma Rushtonovými turbínami. Pro výrobu těchto turbín byl opět využit 3D tisk.
 
Pro měření pH byla vybrána autoklávovatelná sonda od výrobce Hamilton, která umožňuje komunikaci přes ModBus RS485, což usnadňuje zapojení do řídícího systému. Tato pH sonda obsahuje, z důvodu teplotní kompenzace, také integrovaný teplotní senzor, který bude zároveň využit k snímání teploty v kultivačním médiu.
 
K měření rozpuštěného kyslíku v kultivačním médiu byl vybrán tyčový optický senzor od společnosti Hamilton, která nabízí senzor opět s komunikací přes ModBus RS485.
 
K dávkování kyseliny, báze, odpěňovacího činidla a živin (feedu) je u OpenReactoru využíváno peristaltických pump, přičemž čerpací hlava je vyrobena 3D tiskem, k pohonu je využito krokových motorů s driverem zkonstruovaným ČVUT s komunikací přes ModBus RS485 (Obrázek 3).
 
Podpůrná konstrukce OpenReactoru je tvořená hliníkovými profily V-slot díky jejich kvůli jejich modularitě, což umožňuje snadnou montáž a rekonfiguraci. Atypické části konstrukce byly vyrobeny 3D tiskem.
Obrázky 3: Vlevo driver krokového motoru (bez krytu), uprostřed pohled na celou pumpu shora, vpravo pohled na čelní stranu.
Hardware řízení a software
Byl sestaven prototyp řídicí elektroniky založené na Raspberry pi 5 a dotykovém panelu (Obrázek 4). Tento kompaktní systém byl vybaven RS485 převodníkem a napájecími zdroji, aby pomocí něj bylo možné rovnou napájet i komunikovat s plánovanými senzory a aktuátory.
Obrázky 4: Vlevo je pohled na vnitřní uspořádání kontroléru, vpravo pohled na kontrolér z vnějšku.
Následně probíhal vývoj první verze softwaru. Postupně byla přidávána funkcionalita čtení ze všech senzorů a následně řízení motorů peristaltických pump a míchadla. Následně bylo implementováno uživatelské rozhraní (od vykreslování grafů, přes manuální ovládání až po načítání receptů ze souboru (Obrázek 5).
Obrázky 5: Pohled na uživatelské rozhraní.

PODPORA PROJEKTU

Program:
Program na podporu aplikovaného výzkumu a inovací
Název projektu:
Vývoj laboratorního modulárního fed-batch bioreaktoru pro vyšší efektivitu a produktivitu mikrobiálních procesů
Kód projektu:
TQ15000201
Veřejná soutěž:
7. VS SIGMA DC2
Metadata dokumentů projektu

PŘÍJEMCI PODPORY

JECMEN
NANO 8
MULTI D
NANOFENREM
MIKROŘASY
KOKULTGÉ
OIL-AID
OPENREACTOR
NEXUS
NUCLEOFUN
HYBRA
BIOGAS
EPS biotechnology, s.r.o.
web EPS
kde jsme
zavolejte
mapa webu
UKONČENÉ PROJEKTY
ANAREM   ǀ   CARRIER   ǀ   Elektřina   ǀ   Techtool   ǀ   Sanační modul   ǀ   Denitrifikace   ǀ  BioSurfaktant   ǀ   Odsiřování   ǀ   Inokulum   ǀ   Trvalá Prosperita   ǀ   EUREKA   ǀ   Vinter   ǀ   Konsor   ǀ   Vinifer   ǀ   Ryby   ǀ   Snip   ǀ   Lowine   ǀ   Steril   ǀ   Bcov   ǀ   Vmscv   ǀ   Twink   ǀ   Pesticidy   ǀ   Naki   ǀ   Agrised   ǀ   Revit   ǀ   Porem   ǀ   NNP5   ǀ   Nos   ǀ   Navino   ǀ   Neoeno   ǀ   Stimul   ǀ   Mikropivo   ǀ   Newsec   ǀ   Sikoc   ǀ   Ferin   ǀ   Elipes   ǀ   Beersan   ǀ   Bioreg   ǀ   Brettin