Pioreactor: автоматизований біореактор Raspberry Pi

Ласкаво просимо до чергового чудового #MakerMonday, в рамках якого ми відзначаємо ваші розробки на базі Raspberry Pi. Сьогодні давайте поглянемо на «Pioreactor» — дивовижний проект, призначений для автоматизації тривалих експериментів з біореакторами, про який йдеться в останньому випуску офіційного журналу Raspberry Pi Official Magazine​​​​​

Під час Open Hardware Summit 2025 в Единбурзі, Великобританія, ми зустрілися з Геррітом, який розповів про вирощування продуктів харчування за допомогою електрики, представляючи AMYBO, онлайн-спільноту, що займається розробкою стійких джерел білкової їжі.

Лекція чудова, і її можна переглянути на YouTube. У ній ви зможете побачити та почути багато інформації про Pioreactor: крихітний автоматизований біореактор, який дозволяє проводити складні наукові дослідження прямо на вашому столі. Він працює на базі Raspberry Pi і є незамінним інструментом для багатьох професійних біологів і хіміків, аматорів та ентузіастів; його також використовує цікава дослідницька спільнота під назвою AMYBO.

Що ж таке біореактор?

Біореактор — це "посудина", яка забезпечує оптимальні умови для вирощування клітин, мікроорганізмів і мікробних культур. У найпростішому вигляді це може бути просто банка, але термін «біореактор» зазвичай описує більш складні установки, в яких середовище можна контролювати та автоматизувати. Біореактори зазвичай використовуються у розробці фармацевтичних препаратів, а також у харчовій, медичній науці та багатьох інших галузях, пов'язаних з хімією та біологією.

Картинка 1: Невеликий скляний флакон об'ємом 20 мл дозволяє вирощувати невеликі зразки та культури.

Pioreactor невеликий: робочий об'єм нашої версії становить всього 20 мл (див. картинку 1). Ви, звичайно, не зможете виростити достатню кількість водоростей для вашої паливної комірки або для створення пристойного запасу їжі. Однак для експериментів і досліджень він пропонує широкий спектр засобів контролю навколишнього середовища, які можна використовувати відразу після придбання. Він здатний автоматизувати експерименти протягом тривалого часу, а також може реєструвати дані про експерименти, які ви запланували для його виконання. Ви можете переглянути специфікацію матеріалів (BOM) на веб-сайті документації AMYBO.

Як же побудувати Pioreactor?

Складання Pioreactor досить просте — все, що вам потрібно, це набір Pioreactor. Герріт є співзасновником LabCrafter, компанії, яка постачає наукове обладнання з відкритим кодом, включаючи набори мікроскопів OpenFlexure, про які ми писали у випуску 158. Вона також має в наявності поточні моделі Pioreactor, а також численні додаткові аксесуари та розширення. Набір від LabCrafter надійшов у дуже гарній, екологічній, придатній для переробки упаковці, готовий до складання. 

Ви можете створити Pioreactor, використовуючи будь-яку модель Raspberry Pi на ваш вибір, будь то модель A, модель B або будь-яка з плат серії Zero. Ми вибрали Raspberry Pi 5 з 4 ГБ оперативної пам'яті (картинка 2), оскільки знали, що це забезпечить чудову продуктивність. Почніть з простого кріплення основи до Raspberry Pi, а потім встановіть кілька прокладок, перш ніж остаточно встановити Pioreactor HAT на роз'єм GPIO Raspberry Pi 5. Інструкції доступні в Інтернеті і вони справді чудові. Однак переконайтеся, яку версію Pioreactor ви маєте, оскільки підхід до складання дещо змінився в останньому оновленні апаратного забезпечення v1.5.

Далі переходимо до складання «мокрої» частини: основної камери Pioreactor, в якій розміщується скляна колба з вашим експериментом. Встановіть О-кільця, що входять до комплекту, на дно камери флакона та стінку камери, а потім вставте невеликий нагрівальний елемент у камеру. Зазори для різних частин механізму є досить точними (картинка 3), тому вам потрібно двічі перевірити, чи ви збираєте його, використовуючи правильні болти; для зручності на упаковці є марковане зображення всіх болтів у масштабі, з яким можна їх порівняти.

Картинка 2: Ви можете побудувати Pioreactor з використанням різних моделей; у нашій конструкції використовується Raspberry Pi 5 з 4 ГБ пам'яті.

У бічній стінці камери є численні отвори, що дозволяє пізніше додати оптичну систему. Оптична система, що входить до комплекту, складається з інфрачервоного (ІЧ) світлодіода та двох фотодіодів такого ж розміру, як і світлодіод (5 мм). Вони встановлюються на пізній стадії складання, що дозволяє автоматично вимірювати оптичну щільність вашого експерименту. Це очевидний потенційний показник зростання. Уявіть, що ви починаєте з досить прозорої рідини, в якій росте організм, наприклад дріжджі; в ході експерименту очікується, що оптична щільність рідини буде збільшуватися, оскільки ІЧ-світлодіод буде все більше затулятися каламутністю суміші.

Також на стінці камери є невеликий прямокутний отвір з декількома невеликими різьбовими вставками в кутку. Це «оглядове вікно» (картинка 4), для якого передбачена заглушка. Оглядове вікно також призначене для встановлення додаткового обладнання. Одним з варіантів є додавання датчика Adafruit AS7341, який є досить функціональним спектрометром. Його можна придбати окремо, і також є програмне забезпечення для цього пристрою, яке дозволяє безпосередньо отримувати з нього показання.

Картинка 3: Нижня частина камери флакона має гвинти для вирівнювання, що дозволяють вентилятору вільно обертатися близько до поверхні.

Верхня лицьова панель розташована між Pioreactor HAT і камерою для пробірок. Лицьова панель має кріплення для вентилятора, а камера для пробірок встановлюється на кріпильні болти вентилятора. Як ви можете помітити, вентилятор був модернізований за допомогою пари потужних магнітів (картинка 5). Це пов'язано з тим, що вентилятор насправді не використовується як вентилятор — магніти створюють механізм перемішування всередині пробірки. У комплекті з набором поставляється маленька металева мішалка, покрита пластиком, яка розміщується всередині флакона; коли вентилятор отримує команду на обертання, магніти змушують мішалку обертатися, що дозволяє вам запланувати періодичне перемішування вашого експерименту.

Продовжується ця все збіркою вентилятору та камери для пробірок, надалі прикріплюючи їх до верхньої лицьової панелі, а потім встановлення лицьової панелі і кріплення на HAT і Raspberry Pi. Надійне підключення зроблено спеціально для кабеля вентилятора/мішалки, а також стрічковий кабель нагрівального елемента вже є підключеним в цей момент.

Картинка 4: У стінці камери є вікно для спостереження за експериментом або для підключення додаткових пристроїв, таких як спектрометрична плата Adafruit AS7341.

Насамкінець додайте ІЧ-світлодіод і два фотодіоди, що входять до комплекту, та накрийте їх акуратно розробленими захисними кришками (картинка 6). У комплекті є кілька запасних кришок, тож поки що ми можемо накрити ними додаткові отвори камери (ці отвори призначені для того, щоб ви могли додати ще світлодіоди, залежно від потреб вашого експерименту). Багато експериментів з біореакторами вимагають певного джерела світла, тому в ці отвори зазвичай встановлюють світлодіоди 5 мм з цільовою довжиною хвилі.

Встановлення програмного забезпечення

Після того, як ви зібрали все обладнання, настав час взяти картку microSD і встановити програмне забезпечення, яке запускає Pioreactor. Це можна легко зробити за допомогою спеціального образу операціцної системи Raspberry Pi, наданого командою Pioreactor. З останньою версією офіційного додатка Raspberry Pi Imager установка не складе труднощів.

Картинка 5: Включений в комплект вентилятор насправді не використовується як вентилятор; він модифікований для роботи магнітної системи перемішування.

Після запуску Raspberry Pi Imager потрібно натиснути кнопку «App Options» (Параметри програми) на головній сторінці.

Якщо ви використовуєте версію AppImage інструменту Raspberry Pi Imager в Ubuntu, вам потрібно запустити Imager з правами суперкористувача. Для цього перейдіть до каталогу, де знаходиться AppImage та запустіть Imager за допомогою команди:

$ sudo ./imager_2.0.0_amd64.AppImage

На сторінці «Параметри програми» ви можете редагувати вкладку «Репозиторій вмісту» та додати власну URL-адресу для образу операціної системи Pioreactor. Після перезавантаження Imager ви зможете вибрати пристрій Raspberry Pi та побачити операційну систему Pioreactor, доступну для встановлення на картку microSD.

Картинка 6: Додавання ІЧ-світлодіода та фотодіодів.

Інструкції Pioreactor дуже добре пояснюють цей процес. По суті, Imager запропонує вам встановити налаштування локалізації, а потім ввести конкретне ім'я користувача та пароль з інструкцій Pioreactor, а також ваші власні облікові дані Wi-Fi мережі. Але не хвилюйтеся: ви можете змінити ці налаштування пізніше.

Завантаження Pioreactor

Після встановлення програмного забезпечення ви можете запустити Pioreactor, підключивши джерело живлення. Ми переконалися, що використовуємо офіційне джерело живлення Raspberry Pi, і через кілька хвилин побачили, як на Pioreactor HAT замигав синій світлодіод. Потім на ноутбуці, підключеному до тієї ж мережі Wi-Fi, ми відкрили веб-браузер і перейшли на сторінку http://pioreactor.local. У спливаючому вікні нас попросили підтвердити, яку версію Pioreactor ми маємо; після вибору з'явилася чудова панель управління для нашого Pioreactor (див. картинку 7).

Картинка 7: Веб-інтерфейс зручний і простий у використанні.

Ви можете перевірити багато речей, навіть не починаючи експеримент на вашому Pioreactor. В якості простого тесту ви можете вибрати вкладку «Профілі» в лівій частині екрана, а потім вибрати «Демонстраційний приклад перемішування» зі списку доступних профілів. Цей невеликий приклад, наданий спільнотою, увімкне систему перемішування з певною кількістю обертів на хвилину (RPM), збільшить швидкість перемішування через 90 секунд, а потім зупинить перемішування через три хвилини. Якщо ви знімете кришку з камери флакона перед запуском, ви зможете спостерігати за роботою мішалки.

Аналогічно, якщо ви натиснете вкладку «Pioreactors» у списку зліва, ви зможете вибрати свій Pioreactor (ви можете запускати декілька з одного інтерфейсу) і призначити його «лідером». Потім, якщо натиснути кнопку «Manage» (Керувати), ви побачите список «Activities» (Дії), які ви можете запустити або зупинити в рамках свого експерименту, впливаючи на такі параметри, як перемішування, оптична щільність, контроль температури тощо.

Сам експеримент

Хороший перший експеримент описаний на веб-сайті AMYBO. Як зазначено, він використовується для калібрування двох Pioreactor один до одного, але ви також можете провести експеримент як тест для одного Pioreactor. По суті, ви будете вирощувати дріжджі, використовуючи бульйон з дріжджовим екстрактом, пептоном і декстрозою (YPD), який є поширеним середовищем для вирощування, що використовується у всіх видах мікробіологічних культивувань. Експеримент полягає в вирощуванні дріжджів у бульйоні YPD, перемішуванні та підігріванні суміші з періодичним вимірюванням оптичної щільності для відстеження її росту (картинка 8).

Картинка 8: Приклад набору результатів калібрувального тесту між двома Pioreactors, що вирощують дріжджі.

Pioreactor є ефективним пристроєм у самостійному вигляді, але існує безліч додаткових компонентів та модифікацій, які вже доступні або знаходяться на стадії розробки в рамках спільноти. Наприклад, на картинці 9 показано розширену систему Pioreactor, яка може пропускати CO2 через рідину в камері, що може бути використано для видалення інших летких сполук із зразка. Цей процес відомий як «промивання». Система барботажу CO2 добре спроектована, але її можна виготовити з простих предметів, таких як балон з CO2 від пристрою Sodastream, які широко доступні та легко заправляються. Цей модифікований Pioreactor також має перистальтичні насоси з хірургічними трубками, що дозволяє точно дозувати додатковий матеріал у певному експерименті. Деякі експерименти AMYBO вимагають присутності водню та кисню в камері флакона, що можна досягти за допомогою електролізу в камері, і все це зараз досліджується та розробляється. Чудово бачити, як спільнота створює та розробляє ці складні інструменти для всіх. 

Картинка 9: Установка Pioreactor з безліччю додаткових функцій, включаючи барботаж CO2, електроліз у камері та інше.

Новий випуск журналу Raspberry Pi Official Magazine вже доступний в продажу!

Ви можете придбати цей випуск у Tesco, Sainsbury’s, Asda, WHSmith та інших газетних кіосках, включаючи Raspberry Pi Store в Кембриджі. Він також доступний у нашому інтернет-магазині, який здійснює доставку по всьому світу. Ви також можете отримати цифрову версію через наш додаток для Android або iOS.

Ви також можете передплатити друковану версію нашого журналу. Ми не тільки доставляємо по всьому світу, але й ті, хто передплачує друковану версію на шість або дванадцять місяців, отримують БЕЗКОШТОВНО Raspberry Pi Pico 2 W!