Arduino und der Bioreaktor

Biotechnik / Biologische Technik in einem Technik-Gymnasium – wie genial ist das denn?

Eine Klasse einesTechnik-Gymnasiums erkundete in vergangenen Wochen unterschiedliche Bauelemente, Sensoren und Aktoren mit Hilfe des Arduino. Ziel der (Vor-)arbeiten ist der Bau und Betrieb eines Fotobioreaktors. Als Zwischenstufe und wegen des deutlich schnelleren Stoffwechsels konstruierten die Schüler zunächst einen Vorläufer, mit dem sie die alkoholische Gärung von Hefe verfolgen wollen.

Bei dieser Form der Gärung entsteht als Produkt nicht nur Ethanol sondern auch Kohlendioxid. Was also liegt näher, als mit den entsprechenden Sensoren auf Entdeckertour zu gehen? Ein nicht kalibrierter MQ-3-Sensor eines 37-Sensor-Kits diente als Alkoholsensor. Mit dem MH-z19 von Winsen ging es auf Fahndung nach Kohlendioxid.

Der Gärprozess war als geregelter Prozess mit ON/Off-Regelung angelegt. Nachdem die DS18B20-Thermofühler in der Vorwoche kalibriert und rückgeführt wurden, sind sie nun für den Mess- und Regeleinsatz verwendbar. Bei der Rückführung ergab sich als Nebenergebnis, dass 2/3 der vorhandenen Alkohol und Quecksilberthermometer zum Teil erhebliche Missweisungen zeigten. Arduino und DS18B20 zeigten sich für den Einsatz in biologischen Medien von 0 bis 100°C definitiv bestgeeignet.

Als Dummy des Bioreaktors musste ein großes Becherglas herhalten an dem außen eine 20W Heizfolie mit Klebefilm befestigt wurde. Ein Trockentuch um den Aufbau ergab den isolierenden Mantel.

Das Medium bestand zu 10% aus Saccharose, die in einem Gemisch aus H-Milch und dem. Wasser gelöst wurde. Ein Hefeblöckchen lieferte die lebende Zutat.

Es wäre bei 35°C auch fast ideal verlaufen. CO2 und Ethanol würde proportional freigesetzt – in der ersten Zeit. Dann stiegen die Konzentrationen jedoch zunächst langsamer und schließlich nicht mehr an. Da der ganze Aufbau unsichtbar unter einer Haube ablief / ablaufen musste, damit die Konzentration der entstehenden Gase nicht gesört wurde, tappte die Gruppe im Dunklen bis die Haube zum Glück entfernt wurde. Fast wie beim Ansetzen von Hefeteig, hatte sich eine absorbierende Schaumkrone gebildet, die beinahe die empfindlichen Sensoren erreicht hätte. Lösungsorientierung ist Markenzeichen technikaffiner Menschen. Der nächste Aufbau soll auf jeden Fall einen Selbstbau-Schaumsensor enthalten. Eine Pumpe zur Förderung von Öl (Olive) als Schaumbremse ist ebenfalls in Planung.

Die Technik-Garage begleitet und fördert Technik-Unterricht. Das Gesprächsthema der Schüler in den Pausen dieses Praxistages waren übrigens Autos, Motorräder und deren Details (Verbrauch, Felgen, Beschleunigung …), Politik … ganz normal eben.

Unterricht ist Unterricht und Pause ist Pause. Gerne wollen die Schüler aber Freizeit investieren, um ihren charakterisierten, fertigen Fotobioreaktor auf einer Maker Faire vorzustellen.

Biotechnik ist beständige, wechselseitige Befruchtung von Lifescience und technischen Disziplinen inklusive Werkstoffkunde. Mancher Stoff (Strömungslehre, Elektromagnetismus) ist zunächst schwerer verdaulich als anderer (Elektrotechnik, Wärmeübertragung), aber spätestens mit der praktischen Umsetzung gewinnen Verstehen und Spaß.

Materialliste, Aufbau und Programm folgen als Beitrag sobald die Protokolle des Versuchs abgegeben wurden.

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