تحسين إعدادات غاز المداخن في تعزيز نمو الطحالب في Photobioreactors عبر المحاكاة الحاسوبية

يهدف البروتوكول التالي بشكل عام إلى إثبات أن التحكم في غازات العادم يمكن أن يحسن نمو الطحالب الدقيقة عند استخدام غازات المداخن من خلال عمليات المحاكاة الحاسوبية، ولتوضيح إجراءات زراعة الطحالب وزيادة نطاق الإنتاج. ويتم تحقيق ذلك أولاً باستخدام نموذج حركي لمحاكاة ظروف نمو الطحالب الدقيقة تحت معدلات انتقال كتلة مختلفة في أنماط التحكم في غازات العادم ومخططات تركيز ثاني أكسيد الكربون، وتظهر هنا معادلات النموذج. بعد ذلك، يتم استعراض إجراءات تنمية الطحالب وزيادة نطاق زراعتها.

بعد ذلك، يتم استزراع الطحالب تحت تأثير غاز المداخن في مفاعل حيوي ضوئي صغير. يتم توليد غاز المداخن عن طريق الاحتراق الطبيعي، ويتم التحكم في معدلات تدفقه بواسطة نظام التحكم في التدفق الكتلي قبل إدخاله إلى النظام الطحلبي. وتظهر نتائج محاكاة النموذج أن التحكم في الغازات العادمة يمكن أن يقلل من تثبيط الركيزة ويعزز نمو الطحالب الدقيقة باستخدام غاز المداخن.

كما تبيّن أن التحكم في تشغيل وإيقاف تدفق الغاز يقلل من استهلاك غاز العادم ويحسن كفاءة الطاقة. وبالنسبة للعملية الحيوية، فإننا نوضح أن استزراع الطحالب الموجه بالنماذج باستخدام غاز العادم في عمليات الطحالب يمكن أن يكون مفيداً في مجالات الطاقة الحيوية والمعالجة الحيوية، مثل تقليل انبعاثات CO2 من غازات العادم الصناعية، أو إنتاج الوقود الحيوي، أو الإنتاج الكيميائي الحيوي، وإزالة أيونات المعادن السامة. وبشكل عام، سيواجه مهندسو العمليات الحيوية المبتدئون في محاكاة النماذج صعوبة لأن عليهم اختبار العديد من الظروف من خلال تجارب تستغرق وقتاً طويلاً.

على سبيل المثال، قد تؤثر عوامل عديدة على نمو الطحالب، ومن الصعب فحص جميع الظروف. ومن خلال المحاكاة الحاسوبية، يمكننا فهم وتحليل مزارع الطحالب الدقيقة تحت ظروف الإضاءة وخلط CO2، بحيث يمكننا تصميم المعالجة المثلى لغازات المداخن. سيقوم بتقديم الإجراء كل من Leon Hu وAmelia Chen وYyou وARU var وDNE وLarry Page من مختبر Tang.

لبدء هذا الإجراء، قم بتحضير الوسط الزرعي. وفقاً للوصفة الواردة في المخطوطة المرفقة، اضبط pH الوسط ليكون بين سبعة وثمانية. قم بتعقيم الوسط الزرعي باستخدام autoclave.

بعد ذلك، يتم تلقيح chlorella spirulina من مستعمرة واحدة على طبق أغار جديد في دورق هزاز يحتوي على 50 milliliters من الوسط الغذائي باستخدام عروة تلقيح معقمة، وتُستزرع الطحالب عند 150 RPM و30 degrees Celsius لمدة ستة أيام. يتم مراقبة كثافة الخلايا بواسطة مقياس الطيف الضوئي عندما تكون الخلايا في منتصف مرحلة النمو اللوغاريتمي مع OD 730 أكبر من واحد.

انقل 50 milliliters من المزرعة الطحلبية إلى دورق زجاجي سعة لترين يحتوي على لتر واحد تقريبًا من الوسط الغذائي المعقم. يتم التحضين لمدة خمسة أيام مع ضخ غاز العادم الناتج عن احتراق الغاز الطبيعي في المزرعة أثناء فترة التحضين. بعد خمسة أيام، انقل لتر المزرعة الطحلبية إلى قارورة زجاجية سعة 20 لترًا تحتوي على 15 liters من المزرعة غير المعقمة.

تتم زراعة الطحالب في الوسط الغذائي تحت نفس الظروف المذكورة سابقاً لمدة ستة أيام. وبعد مرور ستة أيام، يتم وضع 15 لتر من مستنبت الطحالب الطازج و 85 لتر من الوسط غير المعقم في مفاعل حيوي ضوئي ذو لوح مسطح. وفي مرفق أبحاث الفحم والطاقة المتقدم بالجامعة، يكون المفاعل الحيوي الضوئي مجهزاً بنظام للتدفئة والتبريد.

ثنائيات باعثة للضوء، ووحدة تحكم حاسوبية، ومزيج غازي، وأجهزة تحليل للكثافة الضوئية للخلايا، والأس الهيدروجيني pH، والأكسجين المذاب، ودرجة الحرارة، وثاني أكسيد الكربون المذاب. يتم ضخ مزيج غاز العادم والهواء في المفاعل الحيوي، ثم يتم حصاد الكتلة الحيوية عندما تكون الكثافة الضوئية OD 730 أكبر من 20. وبعد طرد المزارع مركزياً، تُجمع الكتلة الحيوية الطحلبية وتُصب في صينية لمزيد من التجفيف.

بعد الحصاد، قم بتفكيك المفاعل الحيوي الضوئي وتنظيفه وتجفيفه جيداً باستخدام ethanol 70%. ابدأ هذا العرض بتلقيح مستنبتات طحلبية بكثافة بصرية أولية OD 730 تبلغ حوالي 0.3 في زجاجات تحتوي كل منها على 200 milliliters من الوسط الغذائي، ثم قم بحرق الغاز الطبيعي وضخ غاز العادم عبر قمع، وأنبوب تكثيف، وزجاجة غسيل سعة 0.5 liter تحتوي على ملاط جيري مائي. ويتم التحكم في تدفق غاز العادم إلى المستنبت الطحلبى بواسطة وحدات التحكم في التدفق الكتلي.

تتضمن نبضات غاز المداخن وضعين: تشغيل غاز المداخن وإيقاف غاز المداخن، حيث يتم في الوضع الأخير ضخ الهواء بدلاً من ذلك. وقد أشارت الدراسات السابقة إلى أن التعرض المستمر لغاز المداخن يؤثر سلباً على نمو chlorella مع تقليل التعرض لثاني أكسيد الكربون. ويخفف الوقت من هذا التثبيط.

تم تطوير نموذج حركي لاختبار ثلاث طرق لتجنب تثبيط النمو الناتج عن الغاز. الأولى هي الحفاظ على معدل تدفق منخفض في المزرعة لتقليل ظروف انتقال الكتلة. والثانية تعتمد على نبضات متقطعة من غاز التدفق في المزرعة.

ثالثاً، التحكم في تركيبات ثاني أكسيد الكربون المتدفقة عند المستوى الأمثل. لن يتم عرض الافتراضات والمعادلات والمعاملات الواردة في هذا النموذج هنا، ولكن تمت مناقشتها في نص البروتوكول المصاحب. للبدء، قم بإنشاء ملف Simulink لمحاكاة النموذج.

اختر "file new model" من واجهة MATLAB لإنشاء نموذج Simulink وفتح متصفح المكتبة (library browser). اختر كتلة "subsystem" من متصفح المكتبة لإنشاء الأنظمة الفرعية للمعادلتين الأولى والثانية. اسحب كتلة "subsystem" واحدة إلى ملف نموذج Simulink.

قم بتغيير اسمه إلى equation one ثم كرر الخطوات نفسها لـ equation two. أنشئ الكتل والمعلمات المناسبة في كل نظام فرعي. انقر نقرًا مزدوجًا على كتلة equation one.

اختر الكتل المناسبة من متصفح المكتبة وقم بتوصيلها بأسهم توضح تسلسل الحسابات. انقر نقرًا مزدوجًا على الكتل لضبط المعلمات، وكرر هذه الخطوات للنظام الفرعي الآخر. اربط النظامين الفرعيين لتمثيل معادلتي النموذج الأولى والثانية.

قم بتوصيل مخرج أحد الأنظمة الفرعية بمدخل النظام الفرعي الآخر بواسطة سهم إذا لزم الأمر. على سبيل المثال، يمثل تركيز ثاني أكسيد الكربون المذاب المخرج في النظام الفرعي للمعادلة اثنين والمدخل في النظام الفرعي للمعادلة واحد. استخدم كتلة مولد النبضات (pulse generator block) كمدخل للمعادلة اثنين لمحاكاة نبضات ثاني أكسيد الكربون في وضع التشغيل والإيقاف.

استخدم كتلة constant كقيمة لمدخلات الضوء السطحي. انقر نقراً مزدوجاً فوق الكتل لتغيير المعلمات مثل الفترة والزمن والسعة. اختر كتلة M من متصفح المكتبة.

قم بتوصيل جميع المخرجات بمجمّع البيانات (mux)، ثم قم بتوصيله بكتلتين من مساحة العمل (workspace blocks) لتخزين نتائج المحاكاة. حدد وقت إيقاف المحاكاة (Stop time) في شريط الأدوات العلوي. انقر فوق زر السهم لبدء المحاكاة، وسيتم تخزين النتائج في مساحة عمل MATLAB.

وأخيرًا، قم بتطبيق برنامج MATLAB الموجود في المادة الداعمة الثانية لتنفيذ نهج تحسين ديناميكي لتحديد تراكيز ثاني أكسيد الكربون المثلى. وفي هذه الدراسة، ومن أجل فهم العلاقة بين غاز المداخن وتدفق الغاز والنمو الطحلبي بشكل أفضل، تم تطوير نموذج تجريبي لمحاكاة نمو الكتلة الحيوية في وجود غاز المداخن. وتظهر المعاملات المستخدمة في هذا النموذج في هذا الجدول.

يُفترض أن غاز المداخن يحتوي على 15% من ثاني أكسيد الكربون. أولاً، تم اختبار تأثير معدل انتقال الكتلة لثاني أكسيد الكربون على نمو الطحالب. ويشير الرسم البياني الناتج لتركيز الكتلة الحيوية النهائي في اليوم 12 كدالة لمعدل انتقال الكتلة تحت معالجة مستمرة بغاز المداخن إلى أن معدل انتقال كتلة مثالي يتراوح بين 0.17 و 0.18 في الساعة قادر على تقليل تثبيط غاز المداخن لنمو الطحالب.

إذا كان معدل انتقال الكتلة أقل أو أعلى من القيمة المثلى، فإن نمو الطحالب سينخفض. يظهر هنا المعادلة الرابعة من النموذج الحركي حيث تمثل PG over V استهلاك الطاقة للنظام المهوى في المفاعل الحيوي، وUGS هي السرعة السطحية لتدفق الغاز عبر المفاعل الحيوي، بينما تمثل alpha وbeta وgamma ثوابت متعلقة بظروف الخلط. تشير هذه المعادلة إلى أن تقليل التهوية وتدفق الغاز عبر المزرعة يمكن أن يقلل من معامل انتقال الكتلة.

يوضح هذا الجدول نمو الكتلة الحيوية مع استخدام غاز العادم بنسبة 15% في اليوم 12 تحت سرعات تدفق غاز سطحية أو معدلات تدفق مختلفة. وبشكل عام، يؤدي معدل التدفق المنخفض إلى تقليل استخدام غاز العادم ومعدل انتقال الكتلة، مما يمنع تثبيط ثاني أكسيد الكربون لنمو الطحالب. ومع ذلك، فإن المزيد من خفض معدل التدفق عبر المفاعل الحيوي سيؤدي إلى جعل معامل انتقال الكتلة صغيراً جداً لدرجة لا تكفي لتوفير كمية كافية من ثاني أكسيد الكربون لنمو الطحالب.

يظهر ذلك من خلال الخط الأزرق في هذا الرسم البياني، والذي يقارن نمو الكتلة الحيوية مع معدلات انتقال كتلة مختلفة. تحت معالجة غاز المداخن المستمرة، يمثل الخط الأزرق KLA بقيمة 0.017 لكل ساعة. ويمثل الخط الأصفر KLA قريب من القيمة المثلى بواقع 0.17 لكل ساعة، بينما يمثل الخط الأسود KLA بقيمة 17 لكل ساعة.

بعد ذلك، تم تقديم وضع نبضات غاز التدفق بنظام التشغيل والإيقاف (on off) للتغلب على تثبيط النمو في حال كان معدل انتقال كتلة غاز التدفق مرتفعاً في المفاعل الحيوي الضوئي، على سبيل المثال، 17 في الساعة. ولتحسين وضع نبضات غاز التدفق، تم اختبار ترددات تشغيل وإيقاف مختلفة. وتظهر المحاكاة أن نبضات غاز التدفق عالية التردد قادرة على تعزيز نمو الطحالب. كما يشير هذا الجدول الذي عُرض سابقاً إلى أن وضع التحكم بنظام التشغيل والإيقاف يستهلك كمية أقل من غاز التدفق مقارنة بالتغذية المستمرة لغاز التدفق في المفاعل الحيوي.

ثالثاً، تم حساب ملفات تركيز ثاني أكسيد الكربون لتحقيق أقصى نمو للطحالب باستخدام معاملات النموذج المدرجة هنا. ويُظهر نهج التحسين الديناميكي أن تركيزات ثاني أكسيد الكربون المثالية في الطور الغازي يجب أن تزداد باستمرار أثناء نمو الطحالب. كما تُظهر محاكاة النموذج أن كلاً من نبضات ثاني أكسيد الكربون المتقطعة والتحكم في إدخال ثاني أكسيد الكربون الأمثل هما طريقتان جيدتان على حد سواء لتعزيز نمو الطحالب باستخدام غاز العادم.

يوضح هذا الرسم البياني مقارنة لنمو الكتلة الحيوية تحت ملف تعريف مثالي لثاني أكسيد الكربون ممثلاً بالخط الأصفر. تردد التشغيل والإيقاف المتمثل في 10 ثوانٍ من تدفق الغاز مقابل خمس دقائق من إيقاف الغاز ممثلاً بالخط الأحمر، وعنصر التحكم في التشغيل والإيقاف بتردد 10 ثوانٍ من تدفق الغاز مقابل سبع دقائق من إيقاف الغاز ممثلاً بالخط الأخضر، وعنصر التحكم في التشغيل والإيقاف بتردد دقيقة واحدة من تدفق الغاز مقابل 29 دقيقة من إيقاف الغاز ممثلاً بالخط الأسود، والمعاملة المستمرة بغاز المداخن الذي يحتوي على 15% من ثاني أكسيد الكربون ممثلة بالخط الأزرق. يوضح هذا الشكل النهائي من دراسة سابقة مقارنة تجريبية لنمو الكتلة الحيوية باستخدام نهج مختلفة.

تمثل الحالة A فترة 10 seconds من تدفق الغاز تليها سبع دقائق من إيقاف الغاز، بينما تمثل الحالة B فترة 30 minutes من تدفق الغاز تليها 30 minutes من إيقاف الغاز، والحالة C هي خمس ساعات من تدفق الغاز تليها سبع ساعات من إيقاف الغاز، أما الحالة D فهي الاستنبات في دوارق هزازة. وبالمقارنة مع المعالجة المستمرة بغاز العادم أو الاستنبات في الدوارق الهزازة، يتم تحقيق إنتاجية أعلى من الكتلة الحيوية باستخدام نبضات غاز العادم المتقطعة (التشغيل والإيقاف). وعند محاولة تطبيق عملية حيوية طحلبية تعتمد على غاز العادم، من المهم استخدام النمذجة الحاسوبية لتصميم عمليات نمو مثالية.

بعد اتباع هذا الإجراء، يمكن إجراء اختبارات تجريبية للتحقق من صحة تنبؤات النموذج. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية بناء نموذج لنقل الكتلة والتفاعل الحيوي للتنبؤ بنمو الكتلة الحيوية باستخدام CO2 وتحسين ظروف النمو. ضع في اعتبارك أن محاكاة النموذج مخصصة فقط لنظام متجانس مبسط.

يمكن تحسين النموذج من خلال إضافة ميكانيكا سوائل أكثر تطوراً في المستقبل.