开源设备：基于树莓派的自动化生物反应器！

在英国爱丁堡举行的2025年开源硬件峰会上，格里特作为致力于开发可持续蛋白质食物来源的在线社区AMYBO的代表，讲述了利用电力种植食物的相关内容。

这场演讲非常精彩，在演讲中，你可以看到并了解到很多关于Pioreactor的信息：它是一个微型自动化生物反应器，能让复杂的科学实验在你的桌面上进行。它由树莓派驱动，是许多专业、业余生物学家和化学家以及爱好者的首选工具；也被AMYBO研究社区广泛使用。

什么是生物反应器？

生物反应器是一种为细胞、微生物和微生物培养物的生长提供优化环境的容器。最简单的形式，它可能只是一个罐子，但“生物反应器”一词通常描述的是更复杂的装置，在这种装置中，环境可以被控制和自动化。生物反应器通常用于制药开发，以及食品科学、医学科学和许多其他与化学和生物相关的领域。

Pioreactor体积小巧：工作容量仅为20毫升。你肯定无法用它培养出供燃料电池使用的藻类，也无法创造出可观的食物供应。但是，对于实验和研究而言，它开箱即用，提供了广泛的环境控制功能。它能够长时间自动进行实验，还能全程记录实验数据。相关物料清单（BOM）可在AMYBO文档网站上查看。

https://amybo.org/docs/electropioreactor/electropioreactor-v0.02/

如何搭建Pioreactor?

搭建Pioreactor相当简单——你只需要一个Pioreactor套件。格里特是LabCrafter公司的联合创始人，该公司提供开源科学设备，包括我们在第158期中介绍过的OpenFlexure显微镜套件。该公司还库存有当前型号的Pioreactor，以及众多附加配件和扩展组件。套件从LabCrafter寄来时包装得非常好，使用了美观、可持续且可回收的包装，可直接进行搭建。

你可以使用任意型号的树莓派来搭建Pioreactor，无论是A型、B型，还是Zero系列的任何一款板子。本次搭建我们选择了配备4GB内存的树莓派5（图2），它兼顾了性能和使用体验。搭建时，你只需先将底座安装到树莓派上，然后装上一些支撑柱，最后将Pioreactor扩展板安装到树莓派5的GPIO引脚上。网上可查询到详尽的组装说明。不过，一定要仔细核对一下你拥有的Pioreactor版本，因为针对最近的v1.5硬件设计更新，组装方法略有改变。

接着，我们开始组装“湿件”部分：Pioreactor中容纳装有实验样本的玻璃瓶的主腔室。将提供的O型圈安装到瓶腔的底部和腔壁，然后将小型加热元件插入腔室。该机构各部分的间隙相当精确（图3），所以你需要仔细检查是否使用了正确的螺栓进行组装；包装上有一张标注了所有螺栓尺寸的等比例图片，可供对照。

图2：你可以用各种型号的树莓派搭建Pioreactor；我们搭建时使用的是配备4GB内存的树莓派5

腔壁侧面有许多孔，方便后续添加光学系统。所包含的光学系统由一个红外LED和两个采用相同5毫米LED封装形式的光电二极管组成。这些部件在搭建后期安装，用于自动测量实验样本的光密度。这是衡量生长情况的一个明显潜在指标。想象一下，一开始是相当清澈的液体，其中生长着酵母等生物体；在实验过程中，随着红外LED被混合物的浑浊度越来越遮挡，液体的光密度也会随之增加。

腔壁上还有一个带有一些小螺纹嵌件角落的小矩形孔，这是一个“观察窗”（图4），该区域配有一个空白盖板。观察窗也可用于安装额外的硬件。一种选择是添加一个Adafruit AS7341传感器，这是一款功能相当丰富的光谱仪。你可以单独购买该传感器，有配套软件可直接读取数据。

图3：瓶腔底部装有齐平的螺丝，使风扇能够在靠近表面的位置自由旋转

Pioreactor扩展板和瓶腔之间设有上层面板。面板上有一个风扇单元的安装座，瓶腔组件安装在风扇的安装螺栓上。你会注意到，风扇上加装了一对强磁铁（图5）。其并非用于通风——而是为了在瓶内创建一个搅拌机制。套件中提供了一个小型的、带塑料涂层的金属搅拌棒，放在瓶内；当风扇转动时，磁铁会使搅拌棒旋转，这样你就可以安排实验样本的定期搅拌。

完成风扇和瓶腔的上层面板安装后，将面板及其附件安装到扩展板和树莓派上。为风扇/搅拌器电缆和加热元件的排线做好牢固连接。

图4：腔壁上有一个观察窗，可用于观察实验，也可用于安装像Adafruit AS7341光谱板这样的附加组件

最后，安装红外LED和提供的两个光电二极管，并用设计精巧的保护盖将它们盖住（图6）。套件中包含一些备用保护盖，我们可以用它们盖住额外的腔室孔（设置这些孔是为了让你根据实验需要添加更多LED）。许多生物反应器实验需要特定形式的光源，所以通常会在这些孔中安装目标波长的5毫米LED。

安装软件

所有硬件组装完成后，需准备一张microSD卡，安装运行Pioreactor的软件了。使用Pioreactor团队提供的定制树莓派操作系统镜像，就能轻松完成这一操作。

使用最新版本的官方树莓派镜像应用程序，安装过程十分简便。

https://www.raspberrypi.com/software/

图5：所包含的风扇单元实际上并非用作风扇；它经过改装，用于运行磁力搅拌系统

启动树莓派镜像程序后，主页上点击“应用选项”按钮。

如果你在Ubuntu系统上使用的是AppImage版本的树莓派镜像工具，则需要以root权限运行该镜像工具。为此，导航到AppImage所在的目录，然后使用以下命令启动镜像工具：

$ sudo ./imager_2.0.0_amd64.AppImage

在“应用选项”页面，编辑“内容仓库”选项卡，并添加Pioreactor操作系统镜像的自定义URL。然后重新启动镜像工具，你应该就能选择你的树莓派设备，并看到可供安装到microSD卡的Pioreactor操作系统。

图6：安装红外LED和光电二极管

Pioreactor的说明会很好地引导你完成这一过程。本质上，镜像工具会提示你设置本地化设置，然后输入Pioreactor说明中提供的特定用户名和密码，以及你自己的Wi-Fi网络凭证。这些信息之后都可以更改。

启动Pioreactor

安装好软件后，你可以连接电源来启动Pioreactor。我们确保使用了官方树莓派电源，几分钟后，我们看到Pioreactor扩展板上的蓝色LED灯闪烁。然后，在与同一Wi-Fi网络连接的笔记本电脑上，我们打开网页浏览器，导航至http://pioreactor.local。页面会弹出窗口要求我们确认所拥有的Pioreactor版本；选择后，我们Pioreactor的精彩仪表盘就出现了（图7）。

图7：网页界面简洁，易于探索

即使不开始在Pioreactor上进行实验，也有很多内容可以查看。作为一个简单的测试，你可以从屏幕左侧选择“配置文件”选项卡，然后从可用配置文件的下拉列表中选择“演示搅拌示例”。这个由社区贡献的小示例会以特定的转速启动搅拌系统，90秒后提高搅拌速度，三分钟后停止搅拌。如果你在运行此示例前取下瓶腔的盖子，就能看到搅拌棒在工作。

同样，如果你从左侧列表中点击“Pioreactors”选项卡，你可以选择你的Pioreactor（你可以通过单个界面运行多个Pioreactor），并将其指定为“主控”。然后，如果你点击“管理”按钮，就会看到一个“活动”列表，你可以在其中运行或停止实验内部的活动，影响搅拌、光密度、温度控制等方面。

进行实验

AMYBO网站上介绍了一个不错的初始实验。按照描述，该实验用于校准两个Pioreactor，但你也可以将其作为单个Pioreactor的测试实验。本质上，你要使用酵母提取物蛋白胨葡萄糖（YPD）肉汤培养一些酵母，这是一种在各种微生物培养中常用的培养基。该实验基本上是在YPD肉汤中培养酵母，在搅拌并加热混合物的同时，定期测量光密度以跟踪其生长情况（图8）。

图8：两个Pioreactor培养酵母的校准测试示例结果集

Pioreactor本身功能强大，但社区中还有很多可用的或正在开发的附加组件和改装件。例如，图9展示了一个扩展后的Pioreactor系统，它可以将二氧化碳通入腔室内的液体中，可用从样本中去除其他挥发性化合物。这一过程被称为“鼓泡”。二氧化碳鼓泡系统设计精良，但可以使用像Sodastream设备的二氧化碳瓶这样的简单物品来制作，这些物品广泛易得且易于重新填充。这个改装后的Pioreactor还配备了带有医用软管的蠕动泵，能够准确地向给定实验中添加额外物质。一些AMYBO实验需要在瓶腔中存在氢气和氧气，这可以通过腔内电解来实现，所有这些都在探索和开发中。看到社区成员共同开发，完善这些复杂工具，也让Pioreactor的生态更加丰富。

图9：配备了许多附加功能的Pioreactor装置，包括二氧化碳鼓泡、腔内电解等

官方网站：https://edatec.cn/zh/cm0

淘宝店铺：https://edatec.taobao.com/