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

الهدف العام من البروتوكول التالي هو إظهار أن التحكم في الغاز خارج الهجوم يمكن أن يحسن نمو الطحالب الدقيقة على غازات الأنفلونزا من خلال المحاكاة الحسابية ، وإظهار إجراءات زراعة الطحالب وتوسيع نطاقها. يتم تحقيق ذلك أولا باستخدام نموذج حركي لمحاكاة ظروف نمو الطحالب الدقيقة في ظل معدلات نقل كتلة مختلفة على أوضاع التحكم في الغاز خارج الغاز وملامح تركيز ثاني أكسيد الكربون الموضحة هنا هي معادلات النموذج. بعد ذلك ، يتم توضيح إجراءات زراعة الطحالب وتوسيع نطاق زراعة الطحالب.

بعد ذلك ، تزرع الطحالب تحت غاز الأنفلونزا في مفاعل حيوي صغير للصور. يتم توليد غاز الإنفلونزا عن طريق الاحتراق الطبيعي ويتم التحكم في معدلات تدفقه بواسطة نظام التحكم في التدفق الكتلي قبل إدخاله في نظام الطحالب. تظهر نتائج محاكاة النموذج أن التحكم في الغاز خارج الغلق يمكن أن يقلل من تثبيط الركيزة ويعزز نمو الطحالب الدقيقة مع الأنفلونزا.

كما تبين أن التحكم في الغاز الموجود على الغاز يقلل من استخدام غاز الإنفلونزا ويحسن كفاءة الطاقة. بالنسبة للعملية الحيوية ، نحن نوضح أن زراعة الطحالب الموجهة بالنموذج مع عمليات الطحالب لغاز الإنفلونزا يمكن أن تكون مفيدة في مجالات الطاقة الحيوية والمعالجة الحيوية ، مثل الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من الأنفلونزا الصناعية أو الغاز أو الوقود الحيوي أو الإنتاج الكيميائي الحيوي وإزالة أيونات المعادن السامة. بشكل عام ، سيكافح مهندسو العمليات الحيوية الجدد في محاكاة النماذج لأنه يتعين عليهم اختبار العديد من الظروف من خلال التجارب التي تستغرق وقتا طويلا.

على سبيل المثال ، قد تؤثر العديد من العوامل على نمو الطحالب ومن الصعب فحص جميع الحالات. من خلال المحاكاة الحاسوبية ، يمكننا فهم وتحليل مزارع الطحالب الدقيقة تحت ضوء ثاني أكسيد الكربون2 وظروف الخلط حتى نتمكن من تصميم العلاج الأمثل لغاز الإنفلونزا. سيوضح الإجراء ليون هو أميليا تشين ، ويو ، ARU var ، DNE ، ولاري بيج من مختبر تانغ.

لبدء هذا الإجراء ، قم بإعداد وسط الثقافة. باتباع الوصفة في المخطوطة المصاحبة ، اضبط درجة الحموضة المتوسطة إلى سبعة إلى ثمانية. تعقيم وسط الثقافة باستخدام الأوتوكلاف.

بعد ذلك ، قم بتلقيح الكلوريلا سبيرولينا من مستعمرة واحدة على صفيحة أجار جديدة في قارورة اهتزاز تحتوي على 50 مل وسط مع طحالب ثقافة حلقة معقمة عند 150 دورة في الدقيقة و 30 درجة مئوية لمدة ستة أيام. راقب كثافة الخلايا بواسطة مقياس الطيف الضوئي عندما تكون الخلايا في المنتصف. مرحلة نمو السجل مع OD 730 أكبر من واحد.

انقل 50 مل من زراعة الطحالب إلى قارورة زجاجية سعة لترين تحتوي على ما يقرب من لتر واحد من الثقافة المعقمة. احتضان متوسط لمدة خمسة أيام لضخ غاز الإنفلونزا من احتراق الغاز الطبيعي في المزرعة أثناء الحضانة. بعد خمسة أيام ، قم بنقل استزراع الطحالب سعة لتر واحد إلى عربة زجاجية سعة 20 لترا تحتوي على 15 لترا من الثقافة غير المعقمة.

الطحالب متوسطة الاستزراع في نفس الظروف المشار إليها سابقا لمدة ستة أيام. بعد ستة أيام ، وضعت 15 لترا من ثقافة الطحالب الطازجة و 85 لترا من الوسط غير المعقم في مفاعل حيوي للصور ذات اللوحة المسطحة. في منشأة أبحاث الفحم والطاقة المتقدمة بالجامعة ، تم تجهيز المفاعل الحيوي الضوئي بنظام تدفئة وتبريد.

الثنائيات الباعثة للضوء ، وحدة تحكم الكمبيوتر ، خليط الغاز وأجهزة التحليل للكثافة البصرية للخلية ، درجة حرارة الأكسجين المذاب الأس الهيدروجيني وثاني أكسيد الكربون المذاب. ضخ خليط هواء غاز المداخن في المفاعل الحيوي ، وحصاد الكتلة الحيوية عند OD 730 أكبر من 20. بعد الطرد المركزي للثقافات ، اجمع الكتلة الحيوية للطحالب واسكبها في صينية لمزيد من التجفيف.

بعد الحصاد ، قم بتفكيك المفاعل الحيوي للصور وتنظيفه جيدا باستخدام 70٪ من الإيثانول. ابدأ هذا العرض التوضيحي عن طريق تلقيح مزارع الطحالب في OD 730 الأولي بحوالي 0.3 في عبوات زجاجية تحتوي على 200 مل من الوسط لكل زجاجة ، وحرق الغاز الطبيعي وضخ غاز المداخن من خلال قمع وأنبوب مكثف وزجاجة غسيل سعة 0.5 لتر تحتوي على ملاط من الحجر الجيري المائي. يتم التحكم في تدفق غاز المداخن إلى ثقافة الطحالب بواسطة وحدات التحكم في التدفق الشامل.

تشتمل نبضات غاز المداخن على وضعين ، الأنفلونزا والغاز وغاز الإنفلونزا من الوضع الأخير يضخ الهواء بدلا من ذلك. أشارت الدراسات السابقة إلى أن التعرض المستمر لغاز الإنفلونزا يؤثر سلبا على نمو الكلوريلا مع تقليل التعرض لثاني أكسيد الكربون. الوقت يخفف من هذا التثبيط.

تم تطوير نموذج حركي لاختبار ثلاث طرق لتجنب تثبيط النمو بالغاز. أولا ، الحفاظ على معدل تدفق منخفض في الثقافة لتقليل حالة نقل الكتلة. اثنان على نبضات من غاز الإنفلونزا في الثقافة.

ثالثا ، التحكم في تركيبات ثاني أكسيد الكربون الواردة على المستوى الأمثل. لن يتم تقديم الافتراضات والمعادلات والمعلمات المتضمنة في هذا النموذج هنا ، ولكن تتم مناقشتها في نص البروتوكول المصاحب. للبدء ، قم بإنشاء ملف Simulink لمحاكاة النموذج.

اختر نموذج جديد للملف على واجهة MATLAB لإنشاء نموذج Simulink وفتح متصفح المكتبة. اختر كتلة النظام الفرعي في مستعرض المكتبة لإنشاء الأنظمة الفرعية للمعادلة الأولى والثانية. اسحب كتلة نظام فرعي واحدة إلى ملف نموذج Simulink.

قم بتغيير اسمها إلى المعادلة الأولى ثم كرر نفس الخطوات للمعادلة الثانية. قم بإنشاء كتل ومعلمات مناسبة في كل نظام فرعي. انقر نقرا مزدوجا فوق المعادلة كتلة واحدة.

اختر الكتل المناسبة من مستعرض المكتبة وربطها بالأسهم التي تشير إلى تسلسل الحساب. انقر نقرا مزدوجا فوق الكتل لإعداد المعلمات وكرر هذه الخطوات للنظام الفرعي الآخر. اربط النظامين الفرعيين لتمثيل معادلتي النموذج الأول والثاني.

قم بتوصيل إخراج نظام فرعي واحد بمدخلات النظام الفرعي الآخر عن طريق السهم إذا لزم الأمر. على سبيل المثال ، تركيز ثاني أكسيد الكربون المذاب هو الناتج في النظام الفرعي للمعادلة الثانية وكذلك مدخلات النظام الفرعي للمعادلة الواحدة. استخدم كتلة مولد النبض كمدخل للمعادلة الثانية لمحاكاة نبضات ثاني أكسيد الكربون الخارجة.

استخدم كتلة ثابتة كقيمة إدخال ضوء السطح. انقر نقرا مزدوجا فوق الكتل لتغيير المعلمات مثل الفترة والوقت والسعة. اختر المكون M في متصفح المكتبة.

قم بتوصيل جميع المخرجات ب mux ثم قم بتوصيلها بكتلتين لمساحة العمل تخزن النتائج المحاكاة. حدد وقت إيقاف المحاكاة على شريط الأدوات العلوي. انقر فوق زر السهم لبدء المحاكاة وسيتم تخزين النتائج في مساحة عمل MATLAB.

أخيرا ، قم بتطبيق برنامج MATLAB في المواد الداعمة الثانية لأداء نهج التحسين الديناميكي لتحديد تركيزات ثاني أكسيد الكربون المثلى. في هذه الدراسة لفهم العلاقة بين الأنفلونزا وتدفق الغازات ونمو الطحالب بشكل أفضل ، تم تطوير نموذج تجريبي لمحاكاة نمو الكتلة الحيوية في وجود غاز الأنفلونزا. يتم عرض المعلمات المستخدمة في هذا النموذج في هذا الجدول.

يفترض أن يحتوي غاز الأنفلونزا على 15٪ من ثاني أكسيد الكربون. أولا ، تم اختبار تأثير معدل نقل الكتلة لثاني أكسيد الكربون على نمو الطحالب. يشير الرسم البياني الناتج لتركيز الكتلة الحيوية النهائي في اليوم 12 كدالة لمعدل نقل الكتلة تحت المعالجة المستمرة لغاز الإنفلونزا إلى أن معدل نقل الكتلة الأمثل من 0.17 إلى 0.18 في الساعة قادر على تقليل تثبيط غاز المداخن لنمو الطحالب.

إذا كان معدل نقل الكتلة أقل أو أعلى من القيمة المثلى ، تقليل نمو الطحالب. تظهر هنا المعادلة الرابعة من النموذج الحركي حيث PG على V هو استهلاك الطاقة للنظام الهواوي في المفاعل الحيوي UGS هي السرعة السطحية لتدفق الغاز عبر المفاعل الحيوي و alpha و beta و gamma هي ثوابت مرتبطة بظروف الخلط. تشير هذه المعادلة إلى أن انخفاض التهوية وتدفق الغاز عبر المزرعة يمكن أن يقلل من معامل نقل الكتلة.

يوضح هذا الجدول نمو الكتلة الحيوية بنسبة 15٪ من غاز الإنفلونزا في اليوم 12 تحت سرعات تدفق الغاز السطحية أو معدلات التدفق المختلفة. بشكل عام ، يقلل معدل التدفق المنخفض من استخدام غاز الإنفلونزا ومعدل نقل الكتلة الذي يمنع تثبيط ثاني أكسيد الكربون لنمو الطحالب. ومع ذلك ، فإن تقليل معدل التدفق عبر المفاعل الحيوي سيؤدي إلى أن يصبح معامل نقل الكتلة صغيرا جدا لتوفير ما يكفي من ثاني أكسيد الكربون لنمو الطحالب.

يظهر هذا من خلال الخط الأزرق في هذا الرسم البياني ، والذي يقارن نمو الكتلة الحيوية بمعدلات نقل الكتلة المختلفة. في ظل المعالجة المستمرة لغاز الإنفلونزا ، يمثل الخط الأزرق KLA قدره 0.017 في الساعة. يمثل الخط الأصفر KLA شبه مثالي يبلغ 0.17 في الساعة ، ويمثل الخط الأسود KLA 17 في الساعة.

بعد ذلك ، تم تقديم وضع نبض غاز الإنفلونزا للتغلب على تثبيط النمو إذا كان معدل نقل كتلة غاز الإنفلونزا مرتفعا في المفاعل الحيوي للصور ، على سبيل المثال ، 17 في الساعة لتحسين وضع نبض غاز الإنفلونزا ، تم اختبار ترددات مختلفة على إيقاف التشغيل. تظهر المحاكاة أن نبضات غاز الإنفلونزا عالية التردد قادرة على تعزيز نمو الطحالب. يشير هذا الجدول الذي تم عرضه سابقا أيضا إلى أن وضع التحكم في إيقاف التشغيل يستخدم غاز إنفلونزا أقل من التغذية المستمرة للإنفلونزا في المفاعل الحيوي.

ثالثا ، تم حساب ملامح تركيز ثاني أكسيد الكربون لنمو الطحالب القصوى باستخدام معلمات النموذج المدرجة هنا. يوضح نهج التحسين الديناميكي أنه يجب زيادة تركيزات ثاني أكسيد الكربون المثلى في الطور الغازي باستمرار أثناء نمو الطحالب. تظهر محاكاة النموذج أيضا أن كلا من نبضات ثاني أكسيد الكربون والتحكم في مدخلات ثاني أكسيد الكربون المثلى هي طرق جيدة بنفس القدر لتعزيز نمو الطحالب باستخدام غاز الأنفلونزا.

يوضح هذا الرسم البياني مقارنة لنمو الكتلة الحيوية تحت ملف ثاني أكسيد الكربون الأمثل الذي يمثله الخط الأصفر. تردد إيقاف تشغيل 10 ثوان غاز على خمس دقائق من الغاز متمثلة بالخط الأحمر عند إيقاف التحكم عند تردد 10 ثوان غاز على سبع دقائق من الغاز المتمثل بالخط الأخضر على إيقاف التحكم عند تردد دقيقة واحدة غاز على 29 دقيقة توقف الغاز المتمثل بالخط الأسود والمعالجة المستمرة بغاز الإنفلونزا الذي يحتوي على 15٪ ثاني أكسيد الكربون المتمثل بالخط الأزرق. يظهر هذا الرقم النهائي من دراسة سابقة مقارنة تجريبية لنمو الكتلة الحيوية باستخدام مناهج مختلفة.

A هو 10 ثوان غاز على سبع دقائق من الغاز B هو 30 دقيقة ، والغاز على 30 دقيقة من الغاز C هو خمس ساعات من الغاز على سبع ساعات من الغاز و D هو الزراعة في قوارير اهتزاز. بالمقارنة مع العلاج المستمر بغاز الإنفلونزا أو ثقافة القارورة المهتزة ، يتم تحقيق إنتاج أعلى للكتلة الحيوية باستخدام نبضات غاز الإنفلونزا. عند محاولة المعالجة الحيوية الخوارزمية القائمة على غاز الإنفلونزا ، من المهم استخدام النمذجة الحاسوبية لتصميم عمليات النمو المثلى.

باتباع هذا الإجراء ، يمكن إجراء اختبارات تجريبية للتحقق من صحة تنبؤات النموذج. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية بناء نموذج نقل الكتلة والتفاعل الحيوي للتنبؤ بنمو الكتلة الحيوية مع ثاني أكسيد الكربون2 وتحسين ظروف النمو. ضع في اعتبارك أن محاكاة النموذج مخصصة فقط لنظام متجانس مبسط.

يمكن تحسين النموذج عن طريق إضافة ميكانيكا سوائل أكثر تطورا في المستقبل.