Bioreaktor

Bioreaktor Eigenbau

 

 

Die Hefe ist ein zentraler Bestandteil des Brauens und hat einen erheblichen Einfluss auf den Geschmack und die Aromen des Bieres. Daher spielt die Lagerung und Vermehrung von Bierhefe auch bei Hobbybrauern eine entscheidende Rolle, um eine Gewisse Qualität des Endproduktes erzielen zu können. Durch das Lagern und Vermehren in einer kontrollierten Umgebung, kann die Verfügbarkeit hochwertiger und lebendiger Hefekulturen sichergestellt werden.

Ein selbstgebauter Bioreaktor bietet hier die Möglichkeit, die Umgebung und Bedingungen zu kontrollieren, in denen die Hefe wächst und sich vermehrt. Dadurch können optimale Wachstumsbedingungen geschaffen werden und die Hefepopulation im Reaktor gesund und aktiv gehalten werden. Zusätzlich wird auch der Zustand der Organismen überwacht und an den Betreiber des Reaktors weitergegeben.

Die folgende Bauanleitung zeigt Schritt für Schritt, wie der Bioreaktor entworfen und gebaut wird. Von den Materialien, die benötigt werden, bis hin zur Montage, Programmierung und Inbetriebnahme der Anlage – hier sind alle wichtigen Informationen zusammengestellt.

 

 

Inhalt

1.      Komponentenliste. 1

1.1.       Elektronikkomponenten. 1

1.2.       Hardware. 1

1.3.       Werkzeuge. 1

2.      Steuerung. 1

2.1.       Zusammenbau Steuerung. 1

2.1.1.        Einbau Gehäuse. 1

2.1.2.        Verkabelung. 1

2.2.       Programmierung Steuerung. 1

2.2.1.        Installieren von benötigten Bibliotheken. 1

2.2.2.        Aufsetzen des Programms. 1

2.2.3.        Kalibrieren des pH-Moduls. 1

2.2.4.        Einstellen der Variablen für den Reaktorbetrieb. 1

3.      Anhang. 1

3.1.       Programm Arduino. 1

 

 

1. Komponentenliste

1.1.                 Elektronikkomponenten

 

Bezeichnung	Stk.	Stückpreis	Quelle
Arduino Uno Rev3	1	24,00 €	Arduino Uno Rev3 — Arduino Official Store
220 Ohm Widerstand	3	0,48 €	Yageo CFR25J220RH CFR-25JT-52-220R Kohleschicht-Widerstand 220 Ω axial bedrahtet 0207 0.25 W 5 % 1 St. kaufen (conrad.de)
LED grün	1	0,13 €	Vossloh Schwabe LD 20 5MM GN LED bedrahtet Grün Rund 5 mm 40 mcd 60 ° 20 mA 2.2 V kaufen (conrad.de)
LED gelb	1	0,11 €	Kingbright LD 20 GB 5MM LED bedrahtet Gelb Rund 5 mm 20 mcd 60 ° 20 mA 2.1 V kaufen (conrad.de)
LED rot	1	0,11 €	Vossloh Schwabe WU-8-53HD LED bedrahtet Rot Rund 5 mm 14 mcd 60 ° 20 mA 2.25 V kaufen (conrad.de)
Jumper-Kabel	1	3,29 €	Renkforce JKMF403 Jumper-Kabel Arduino, Banana Pi, Raspberry Pi [40x Drahtbrücken-Stecker - 40x Drahtbrücken-Buchse] 30. kaufen (conrad.de)
Kippschalter	1	2,79 €	TRU COMPONENTS 1587773 TC-TA101A1 Kippschalter 250 V/AC 3 A 1 x Aus/Ein rastend 1 St. kaufen (conrad.de)
Steckplatine klein	1	4,79 €	TRU COMPONENTS Steckplatine Weiß Polzahl Gesamt 170 (L x B x H) 45.72 x 35.56 x 9.40 mm 1 St. kaufen (conrad.de)
pH-Meter mit Sensormodul	1	40,71 €	Sharainn PH-Sensormodul, 5-V-PH-Sensor-Verbundelektroden-Testcode-Sensor 2.0 Schnittstelle mit PH-Sonde und BNC-Anschluss für PH-Meter : Amazon.de: Gewerbe, Industrie & Wissenschaft
Universal Netzteil	2	15,89 €	Zolt 12W Universal Netzteil AC zu DC 3V 4,5V 5V 6V 7,5V 9V 12V 1A Schaltnetzteil mit 8 DC-Steckern für Lautsprecher Kamera Lampe Tablet und mehr Haushaltselektronik, 1000mA max.: Amazon.de: Elektronik & Foto
Schlauchpumpe	1	21,29 €	Peristaltikpumpe, DC 12V Mini Schlauchpumpe Laboratory Bioengineering Biochemische Pumpe Miniatur-Vakuumpumpe fur Laboranalytik(C) : Amazon.de: Gewerbe, Industrie & Wissenschaft
Relais	1	3,99 €	AZDelivery 3 x 1-Relais 5V KY-019 Modul High-Level-Trigger kompatibel mit Arduino und Raspberry Pi inklusive E-Book! : Amazon.de: Computer & Zubehör

 

 

1.2.                 Hardware

 

Bezeichnung	Stk.	Stückpreis	Quelle
M12 Verbindungsmuttern	1	6,80 €	4X M12x50 Verbindungsmuttern Langmuttern Gewindehülsen Distanzmuffen Gewindemuffen Sechskant galv. Verzinkt SW 17 M12 x 50 4 Stück : Amazon.de: Baumarkt
Silikonschlauch 3mm Innendurchmesser 4m Länge	1	18,23 €	https://www.amazon.de/dp/B08CPZ5Q96?psc=1&ref=ppx_pop_dt_b_product_details
Silikonschlauch 15mm Innendurchmesser 0,3m Länge	1	20,02 €	https://www.amazon.de/dp/B07SXGNTSF?psc=1&ref=ppx_pop_dt_b_product_details
PH-Messgerät	1	13,89 €	BMUT 1x pH Messgerät für Wasser, Aquarium, Teich, Pool Digital, 0.00-14.00 pH-Meter Messer, Hohe Auflösung von 0.01 mit Buffer/Kalibrierung Set inkl. Kalibrierlösungen : Amazon.de: Garten
Kühlschrankthermometer	1	6,89 €	KühlschrankThermometer, SUTMSH Digitale Wasserdichte Thermometer kühlschrank und kühlschrankThermometer geeicht mit großer LED-Anzeige drei Aufstellungsarten hängend, stehend (1) : Amazon.de: Elektro-Großgeräte
PH-Sensormodul	1	40,71 €	Sharainn PH-Sensormodul, 5-V-PH-Sensor-Verbundelektroden-Testcode-Sensor 2.0 Schnittstelle mit PH-Sonde und BNC-Anschluss für PH-Meter : Amazon.de: Gewerbe, Industrie & Wissenschaft
O-Ringe Lebensmittelecht	2	3,62 €	10 x Lebensmittelecht Silikon O Ring Dichtringe 8 - 30 mm Schnurstärke 2,4 mm | eBay
Gewindeeinsatzset	1	29,99 €	ruthex Gewindeeinsatz M2 + M3 + M4 + M5 Sortimentskasten – 70 + 100 + 50 + 50 Stück Gewindebuchsen aus Messing – Einpressmutter für Kunststoffteile – durch Wärme oder Ultraschall für 3D-Druck-Teile : Amazon.de: Baumarkt

 

1.3.                 Werkzeuge

 

-3D-Drucker

-Lötkolben

-Elektronik Werkzeug kit

-Akkuschrauber

 

2. Steuerung

2.1.                  Zusammenbau Steuerung

2.1.1.                    Einbau Gehäuse

 

Der Einbau der Elektronik Komponenten erfolgt in 2 separate Gehäuse. CAD-Dateien für beide Gehäuse sind bereitgestellt, und können mittels 3D-Drucker hergestellt werden. Nach erfolgreichem Druck werden M3-Gewinde Einsätze an allen vorgesehen Stellen, mit einem Lötkolben und entsprechendem Aufsatz, eingeschmolzen. Diese Gewindeeinsätze dienen später zur Befestigung der Elektronik-Komponenten und des Deckels.

Abbildung 1: Arduino Gehäuse

Das erste Gehäuse beinhaltet das pH-Sensormodul, ein Breadboard (gelb dargestellt), einen Kippschalter, 3 LEDs und den Arduino selbst. Die Komponenten werden wie in Abbildung 1 dargestellt arrangiert und befestigt. Alle drei LEDs sollten dabei in ihren vorgesehenen Öffnungen festgeklebt werden.

 

 

Abbildung 2: Pumpengehäuse Draufsicht

Abbildung 3: Pumpengehäuse 3D-Ansicht

 

Im zweiten Kasten werden das Relais, wie in Abbildung 2 schematisch dargestellt, angeschraubt. Die Dosierpumpe wird auf den Säulen in Gehäuse befestigt, wobei die Löcher auf der Vorderseite des Kastens zur Ausführung der beiden Anschlussnippel gedacht sind. Alle Steuerleitungen werden durch eine kleine Runde Öffnung gelegt, die Stromversorgungsleitung durch eine rechteckige Öffnung in den Schaltkasten geleitetet. Letztere wird zur zusätzlichen Sicherheit mit einer M3-Schraube festgeklemmt.

 

2.1.2.                    Verkabelung

 

Abbildung 4: Verkabelung Steuerung

Nach korrekter Verkabelung können die Deckel beider geschlossen werden.

 

2.2.  Programmierung Steuerung

2.2.1.     Installieren von benötigten Bibliotheken

 

Um das Programm auf den Arduino übertragen zu können, muss in einem ersten Schritt die „Arduino IDE“ installiert werden. Diese stellt die Bedienoberfläche für den Mikrocontroller dar und kann mit folgendem Link heruntergeladen werden: https://support.arduino.cc/hc/en-us/articles/360019833020-Download-and-install-Arduino-IDE

Mit diesem Programm kann der zur Verfügung gestellte Code bearbeitet, und Messdaten in Echtzeit analysiert werden. Um den Code einzusetzen, müssen jedoch vorerst ein paar „Bibliotheken“ installiert werden. Bibliotheken ermöglichen es dem Benutzer umfangreichen und komplizierten Code simpel in das Programm mit einzubinden. Die für dieses Projekt benötigten Bibliotheken sind:

-Wire

-SimpleTimer

-QuickMedianLib

Der Bibliotheksmanager befindet sich in der IDE unter dem Reiter „Sketch“ à „Include Library“ à „Manage Libraries“ (Abbildung 5). In der sich öffnenden Suchzeile kann die entsprechende Bibliothek gesucht und installiert werden. Damit ist Sie automatisch für das Programm verfügbar.

Abbildung 5: Bibliotheken

 

2.2.2.     Aufsetzen des Programms

 

Nach anschließen des Arduinos an den Computer per USB-Kabel, muss in der Arduino IDE lediglich der verwendete USB-Port ausgewählt werden, und das Programm mit betätigen des rot umrandeten Pfeils auf den Mikrocontroller übertragen werden (Abbildung 6).

Abbildung 6: Bedienoberfläche

 

2.2.3.     Kalibrieren des pH-Moduls

 

Das pH-Modul gibt an die Steuerung nicht den pH-Wert der Hefe weiter, sondern lediglich ein Signal, welches sich auf eine Spannung abhängig von dem pH-Wert bezieht. Diese Spannung wird von dem Arduino gemessen und im Programm in den tatsächlichen pH-Wert umgerechnet. Da die Umrechnung von der Spannung in pH-Wert zwischen einzelnen Geräten variieren kann und das Modul nicht kalibriert geliefert wird, müssen zwei einmalige Kalibrierungsmessungen vorgenommen werden. Die Daten werden in den Zeilen 9 – 12 des Programms einmalig eingegeben und dienen der korrekten Umrechnung.

Es wird empfohlen, zwei Lösungen, eine saure und eine basische, mit bekanntem pH-Wert (am besten pH 4 und pH 10) vorzubereiten und zu Messen. Hierfür können Kalibrierlösungen verwendet werden (z.B. GAIN EXPRESS pH-Puder Kalibrierlösung 4.00 7.00 10.00pH Set : Amazon.de: Haustier).

Sind beide Lösungen vorbereitet, hält man das pH-Meter in eine der Lösungen, wartet ca. 5 min, liest den ganz linken Wert des Arduino IDE Serial Plotters ab (Siehe Abbildung 7). Dieser Wert entspricht der gemessenen Spannung bei aktuellem pH-Wert. Der Serial Monitor lässt sich über den Befehl strg + Shift + M oder im Reiter „Tools“ öffnen.

 

Abbildung 7: Ablesen der Spannung im Serial Monitor

Der pH-Wert der Lösung wird in Zeile 11 eingefügt und der abgelesene Wert wird in Zeile 12 hinter „float cal_u1 = “ eingefügt.
Dieser Vorgang wird mit der zweiten Lösung wiederholt und in den Zeilen 13 & 14 eingefügt.
Die Kalibrierung ist nur einmalig notwendig und muss lediglich wiederholt werden, falls das pH-Meter oder die pH-Modulplatine ersetzt werden sollte.

11	float cal_ph_1 = 4.04;    // pH-Wert der ersten Kalibrierungsmessung
12	float cal_u_1 = 0.85;     // Spannung des pH-Meters bei erster Kalibrierungsmessung
13	float cal_ph_2 = 9.97;    // pH-Wert der zweiten Kalibrierungsmessung
14	float cal_u_2 = 2.67;     // Spannung des pH-Meters bei zweiter Kalibrierungsmessung

 

 

2.2.4.     Einstellen der Variablen für den Reaktorbetrieb

 

Abhängig davon, wie der Reaktor betrieben werden soll, ob primär zur Vermehrung der Hefe oder zur Lagerung / Konservierung, dienen die folgenden Variablen der Steuerung des Reaktors und sollten dementsprechend angepasst werden. Eine weitere Variable um die Aktivität der Hefe zu regulieren ist die Kühlschranktemperatur, welche über den Regler im Kühlschrank gesteuert wird.

Generell wird empfohlen, zu Beginn mit niedrigerer Temperatur und reduzierter Fütterung zu starten, um ein Überquellen des Reaktors bei zu viel Hefeaktivität zu vermeiden.

In den folgenden Programmzeilen wird angegeben, wie viel Sekunden zwischen den einzelnen Fütterungsintervallen liegen (Zeile 15) und wie viel Milliliter Speise dem Reaktor bei Ansteuerung der Pumpe zugegeben werden soll (Zeile 16).

15	float anz_mot = 3600;        // Sekunden zwischen Motoransteuerungen 3600
16	float mot_vol = 3;         // Fördervolumen des Motors pro Ansteuerung im ml

 

 

In den Zeilen 17 & 18 wird die Ober- und Untergrenze definiert, ab welcher die Steuerung über die LEDs Feedback gibt, dass die Hefe ihren gewünschten PH-Bereich über- oder unterschritten hat. Leuchtet die gelbe LED ist die Hefe zu basisch, leuchtet die rote LED ist sie zu sauer. In beiden Fällen sollte die Hefe nach fachmännischer Beurteilung entweder entsorgt, oder zeitnah zum Brauen verwendet werden.

17	float ph_untergrenze = 3; // sinkt der pH--Wert unter diese Grenze leuchtet die rote LED
18	float ph_obergrenze = 6;   // steigt der pH-Wert über diese Grenze leuchtet die gelbe LED

 

 

Da die ausgegebene Spannung des PH-Sensormoduls, welche im Programm den PH-Wert darstellt, über kurze Zeiträume schwankt, und diese unablässigen Schwankungen nicht für die Steuerung störend sind, wird im Programm mit einem Median des PH-Wertes gearbeitet. Damit werden Schwankungen eliminiert, und die Anzeige flüssiger. Die Dauer, über welche der Median gebildet wird, lässt sich in den Zeilen 32 und 33 einstellen, wobei es wichtig ist, dass in beiden Zeilen der gleiche Wert eingegeben wird.

32	int anz_med = 60;     //Anzahl der Messungen pro Median
33	float ph_act59[60];   // hier auch Anzahl der Messungen pro Median eintragen

 

Während die obigen Zeilen zur Einstellung der Variablen im Reaktorbetrieb je nach Betriebssituation verändert werden können und sollten, läuft der Kern des Programms, der sich in der „void loop ()“ -Schleife befindet automatisiert ab, und sollte ohne Expertise nicht abgeändert werden.

Nach dem Kalibrieren des pH-Meters und der Eingabe der Betriebsvariablen wird das neue Programm gespeichert und erneut auf den Arduino hochgeladen.
Somit ist die Steuerung bereit für den Betrieb und kann eingesetzt werden.

 

 

3.    Anhang

3.1.  Programm Arduino

 

1	#include <Wire.h>
2	// #include <Adafruit_GFX.h>
3	// #include <Adafruit_SSD1306.h>
4	#include <SimpleTimer.h>
5	#include <QuickMedianLib.h>
6
7	# define PIN_TASTER 8
8
9	SimpleTimer timer;
10	// Anpassbare Variablen
11	float cal_ph_1 = 4.04;    // pH-Wert der ersten Kalibrierungsmessung
12	float cal_u_1 = 0.85;     // Spannung des pH-Meters bei erster Kalibrierungsmessung
13	float cal_ph_2 = 9.97;    // pH-Wert der zweiten Kalibrierungsmessung
14	float cal_u_2 = 2.67;     // Spannung des pH-Meters bei zweiter Kalibrierungsmessung
15	float anz_mot = 3600;        // Sekunden zwischen Motoransteuerungen 3600
16	float mot_vol = 3;         // Fördervolumen des Motors pro Ansteuerung im ml
17	float ph_untergrenze = 3; // sinkt der pH--Wert unter diese Grenze leuchtet die rote LED
18	float ph_obergrenze = 6;   // steigt der pH-Wert über diese Grenze leuchtet die gelbe LED
19	float startdelay = 129600000;
20
21	int phval = 0;
22	unsigned long int avgval;
23	int buffer_arr[10],temp;
24
25	int led_green = 5;    //Pin 5 fuer LED gruen
26	int led_yellow = 4;   //Pin 4 fuer LED gelb
27	int led_red = 3;      //Pin 3 fuer LED rot
28	int motor = 10;       //Pin 10 fuer Motorsteuerung
29
30	float ph_act;         //Variable fuer pH-Wert Messung
31	float ph_act_med;     //Median des pH-Werts
32	int anz_med = 60;     //Anzahl der Messungen pro Median
33	float ph_act59[60];   // hier auch Anzahl der Messungen pro Median eintragen
34
35	int lauf_var1 = 0;
36	int lauf_var2 = 0;
37	int lauf_var3 = 0;
38	float calibration_value_1;
39	float calibration_value_2;
40
41	void setup()
42	{
43	calibration_value_1 = (cal_ph_1 - cal_ph_2) / (cal_u_1 - cal_u_2);
44	calibration_value_2 = cal_ph_1 - calibration_value_1 * cal_u_1;
45
46	Wire.begin();
47	Serial.begin(9600);
48
49	pinMode(PIN_TASTER, INPUT_PULLUP);
50
51	pinMode(led_green, OUTPUT);
52	pinMode(led_yellow, OUTPUT);
53	pinMode(led_red, OUTPUT);
54	pinMode(motor, OUTPUT);
55
56	digitalWrite(led_yellow, HIGH);
57	digitalWrite(led_red, HIGH);
58	digitalWrite(led_green, HIGH);
59	digitalWrite(motor, HIGH);
60	delay(500);
61	digitalWrite(motor, LOW);
62	Serial.print(startdelay);
63	//delay(startdelay);
64
65	digitalWrite(led_yellow, LOW);
66	digitalWrite(led_red, LOW);
67	digitalWrite(led_green, LOW);
68	//timer.setInterval(500L, display_pHValue);
69	}
70
71	void loop()
72	{
73
74	bool zustandTaster = digitalRead(PIN_TASTER);
75
76	//ganzes Programm wird ausgesetzt, falls Schalter aus ist
77	if(zustandTaster == 1){
78
79	//timer.run(); // Initiates SimpleTimer
80	for(int i=0;i<10;i++) {
81	buffer_arr[i]=analogRead(A0);
82	delay(30);
83	}
84	//Serial.print(analogRead(A0));
85	for(int i=0;i<9;i++){
86	for(int j=i+1;j<10;j++){
87	if(buffer_arr[i]>buffer_arr[j]){
88	temp=buffer_arr[i];
89	buffer_arr[i]=buffer_arr[j];
90	buffer_arr[j]=temp;
91	}
92	}
93	}
94	avgval=0;
95	for(int i=2;i<8;i++)
96	avgval+=buffer_arr[i];
97	float volt=(float)avgval*5.0/1024/6;
98	ph_act = calibration_value_1 * volt + calibration_value_2;
99	Serial.print("Spannung: ");
100	Serial.print(volt);
101	Serial.print("  ");
102
103	//Medianbildung des ph-Werts
104	ph_act59[lauf_var1]=ph_act;
105	lauf_var1 = lauf_var1 + 1;
106	if(lauf_var1>=anz_med){
107	lauf_var1 = 0;
108	}
109
110	ph_act_med = QuickMedian<float>::GetMedian(ph_act59, anz_med);
111
112	// Reaktion auf Median
113	if(ph_act_med>ph_obergrenze){
114	digitalWrite(led_green, LOW);
115	digitalWrite(led_yellow, HIGH);
116	digitalWrite(led_red, LOW);
117	}else if(ph_act< ph_untergrenze){
118	digitalWrite(led_green, LOW);
119	digitalWrite(led_yellow, LOW);
120	digitalWrite(led_red, HIGH);
121	}else {
122	digitalWrite(led_green, HIGH);
123	digitalWrite(led_yellow, LOW);
124	digitalWrite(led_red, LOW);
125	}
126
127	//Ansteuerung Motor
128	lauf_var2 = lauf_var2 + 1;
129	if(lauf_var2>=anz_mot){
130	digitalWrite(motor, HIGH);
131	lauf_var3 = lauf_var3 + 1;
132	}
133	if (lauf_var3>=mot_vol){
134	digitalWrite(motor, LOW);
135	lauf_var2 = 0;
136	lauf_var3 = 0;
137	}
138
139	} // if
140	else{
141	digitalWrite(led_green, LOW);
142	digitalWrite(led_yellow, LOW);
143	digitalWrite(led_red, LOW);
144	digitalWrite(motor, LOW);
145	lauf_var2 = 0;
146	lauf_var3 = 0;
147	}
148
149	Serial.print(0);              //lower limit scale
150	Serial.print("  ");
151	Serial.print(14);             //upper limit scale
152	Serial.print("  ph_act: ");
153	Serial.print(ph_act);         //diplay current pH-value
154	Serial.print("  ph_act_med: ");
155	Serial.println(ph_act_med);   //display pH-median
156
157
158	delay(700);                  //repeate the program every 1sec; internal delay ~300ms}
159
160	}

 

4.    Reaktor

4.1.  Zusammenbau Reaktor