Optimieren Rauchgas Einstellungen, um Mikroalgen in Photobioreaktoren Wachstum über Computer-Simulationen fördern

Das übergeordnete Ziel des folgenden Protokolls besteht darin, zu zeigen, dass eine Abschaltung der Gassteuerung das Wachstum von Mikroalgen auf Rauchgas durch computergestützte Simulationen verbessern kann, und um Verfahren zur Algenkultivierung und Hochskalierung zu demonstrieren. Dies wird erreicht, indem zunächst ein kinetisches Modell verwendet wird, um Wachstumsbedingungen von Mikroalgen unter verschiedenen Stoffübergangs­raten bei abgeschalteten Gassteuerungsmodi und Kohlendioxid-Konzentrationsprofilen zu simulieren; die hier gezeigten Modellgleichungen beschreiben diese. Anschließend werden die Verfahren zur Algenzucht und zur Hochskalierung der Algenkultivierung demonstriert.

Anschließend werden die Algen unter Flugaz in einem kleinen Photobioreaktor kultiviert. Das Flugaz entsteht durch natürliche Verbrennung, und seine Durchflussraten werden mithilfe eines Massendurchflussregelsystems gesteuert, bevor es in das Algensystem eingeleitet wird. Die Ergebnisse der Modellsimulationen zeigen, dass eine Abschaltgasregelung die Substrat-Inhibition verringern und das Wachstum von Mikroalgen unter Flugaz fördern kann.

Es wurde ebenfalls gezeigt, dass die Ein-Aus-Gassteuerung den Verbrauch von Abgasen reduziert und die Energieeffizienz verbessert. Für den Bioprozess zeigen wir, dass die modellgeführte Algenkultivierung mit Abgas-Algenprozessen in den Bereichen Bioenergie und Bioremediation nützlich sein kann, beispielsweise zur Verringerung von CO2-Emissionen aus industriellen Abgasen, zur Herstellung von Biokraftstoffen oder biochemischen Produkten sowie zur Entfernung toxischer Metallionen. Im Allgemeinen haben Bioprozess-Ingenieure, die neu in modellbasierten Simulationen sind, Schwierigkeiten, da sie viele Bedingungen durch zeitaufwändige Experimente testen müssen.

Beispielsweise können viele Faktoren das Algenwachstum beeinflussen, und es ist schwierig, alle Bedingungen zu untersuchen. Mithilfe der Computersimulation können wir Mikroalgenkulturen unter CO2-, Licht- und Mischbedingungen verstehen und analysieren, um so eine optimale Abgastreatmentanlage zu entwerfen. Den Ablauf demonstrieren Leon Hu, Amelia Chen, Yyou, ARU var, DNE und Larry Page aus dem Tang-Labor.

Um dieses Verfahren zu beginnen, bereiten Sie das Kulturmedium vor. Passen Sie gemäß dem Rezept im begleitenden Manuskript den pH-Wert des Mediums auf sieben bis acht an. Sterilisieren Sie das Kulturmedium mithilfe des Autoklaven.

Inokulieren Sie anschließend Chlorella spirulina mit einem sterilen Inokulationshaken von einer einzelnen Kolonie auf einer frischen Agarplatte in einen Schüttelkolben, der 50 Milliliter Medium enthält. Kultivieren Sie die Algen bei 150 U/min und 30 Grad Celsius über sechs Tage. Überwachen Sie die Zelldichte mittels eines Spektrophotometers, wenn sich die Zellen in der mittleren exponentiellen Wachstumsphase befinden, mit einem OD730-Wert größer als eins.

Überführen Sie 50 Milliliter der Algenkultur in einen zwei Liter fassenden Glaskolben, der etwa ein Liter sterilisiertes Kulturmedium enthält. Inkubieren Sie das Medium fünf Tage lang, wobei während der Inkubation Abgas aus der Verbrennung von Erdgas in die Kultur eingeleitet wird. Nach fünf Tagen überführen Sie die ein Liter Algenkultur in einen 20 Liter fassenden Glaskaraffe, die 15 Liter nicht sterilisierte Kultur enthält.

Züchten Sie Algen im Medium unter denselben Bedingungen wie zuvor angegeben sechs Tage lang. Sechs Tage später wurden 15 Liter frische Algenkultur und 85 Liter nicht sterilisiertes Medium in einen Flachplatten-Photobioreaktor gegeben. Der Photobioreaktor befindet sich in der fortgeschrittenen Forschungseinrichtung für Kohle und Energie der Universität und ist mit einer Heiz- und Kühleinrichtung ausgestattet.

Leuchtdioden, ein Computerregler, eine Gasgemisch und Analysatoren für die optische Dichte der Zellen, pH, gelösten Sauerstoff, Temperatur und gelösten Kohlendioxid. Pumpen Sie das Rauchgas-Luft-Gemisch in den Bioreaktor und gewinnen Sie die Biomasse bei einem OD 730 von mehr als 20. Nach dem Zentrifugieren der Kulturen sammeln Sie die algenartige Biomasse und gießen sie in ein Tablett zur weiteren Trocknung.

Nach der Ernte zerlegen und den Photobioreaktor gründlich mit 70 %igem Ethanol trocken reinigen. Beginnen Sie diese Demonstration, indem Sie Algenkulturen mit einem anfänglichen OD 730 von etwa 0,3 in Glasflaschen mit je 200 Milliliter Medium impfen, Erdgas verbrennen und das Abgas durch einen Trichter, ein Kondensrohr und eine 0,5-Liter-Waschflasche, die eine wässrige Kalkschlämme enthält, leiten. Der Abgasstrom in die Algenkultur wird über Massedurchflussregler gesteuert.

Die Abgasimpulse umfassen zwei Modi: Abgas ein und Abgas aus, wobei im letzteren Modus Luft statt Abgas gepumpt wird. Frühere Studien haben gezeigt, dass eine kontinuierliche Abgasexposition das Wachstum von Chlorella negativ beeinträchtigt und gleichzeitig die Kohlendioxidexposition verringert. Die Wirkung dieser Hemmung nimmt mit der Zeit ab.

Ein kinetisches Modell wurde entwickelt, um drei Methoden zur Vermeidung von Wachstumshemmungen durch Gas zu testen. Erstens, eine geringe Durchflussrate in die Kultur einhalten, um die Bedingungen des Stofftransports zu verringern. Zweitens, Ein- und Ausschaltimpulse von Spülgas in die Kultur.

Drei, Steuerung der Zusammensetzung des eintretenden Kohlendioxids auf dem optimalen Niveau. Die Annahmen, Gleichungen und Parameter, die in diesem Modell verwendet werden, werden hier nicht dargestellt, sondern im begleitenden Protokolltext erläutert. Erstellen Sie zunächst eine Simulink-Datei zur Modellierung der Simulation.

Wählen Sie in der MATLAB-Oberfläche die Option „Neues Modell“ aus, um ein Simulink-Modell zu erstellen, und öffnen Sie den Bibliotheksbrowser. Wählen Sie im Bibliotheksbrowser den Subsystem-Block aus, um die Subsysteme für Gleichung eins und zwei zu erstellen. Ziehen Sie einen Subsystem-Block in die Simulink-Modell-Datei.

Ändern Sie den Namen in Gleichung eins und wiederholen Sie anschließend die gleichen Schritte für Gleichung zwei. Erstellen Sie geeignete Blöcke und Parameter in jedem Teilsystem. Doppelklicken Sie auf den Block „Gleichung eins“.

Wählen Sie geeignete Blöcke aus dem Bibliotheksbrowser aus und verbinden Sie sie mit Pfeilen, die die Berechnungsreihenfolge angeben. Doppelklicken Sie auf die Blöcke, um die Parameter festzulegen, und wiederholen Sie diese Schritte für das andere Teilsystem. Verbinden Sie die beiden Teilsysteme, um die Modellgleichungen eins und zwei darzustellen.

Verbinden Sie gegebenenfalls den Ausgang eines Teilsystems mit dem Eingang des anderen Teilsystems durch einen Pfeil. Beispielsweise ist die gelöste Kohlendioxidkonzentration der Ausgang im Gleichungszwei-Teilsystem und gleichzeitig der Eingang des Gleichungseins-Teilsystems. Verwenden Sie einen Impulsgenerator-Block als Eingang für Gleichung zwei, um ein- und ausschaltende Kohlendioxidimpulse zu simulieren.

Konstantenblock als Eingangswert für die Oberflächenbeleuchtung verwenden. Doppelklicken Sie die Blöcke, um Parameter wie Periode, Zeit und Amplitude zu ändern. Wählen Sie den M-Block im Bibliotheksbrowser.

Verbinden Sie alle Ausgänge mit dem Mux und anschließend mit zwei Workspace-Blöcken, die die simulierten Ergebnisse speichern. Legen Sie die Simulationsstoppzeit in der oberen Symbolleiste fest. Klicken Sie auf den Pfeilknopf, um die Simulation zu starten; die Ergebnisse werden dann im MATLAB-Arbeitsbereich gespeichert.

Zuletzt wenden Sie das MATLAB-Programm im unterstützenden Material zwei an, um einen dynamischen Optimierungsansatz zur Ermittlung optimaler Kohlendioxidkonzentrationen durchzuführen. In dieser Studie wurde, um den Zusammenhang zwischen Rauchgas, Gaszufluss und Algenwachstum besser zu verstehen, ein empirisches Modell entwickelt, das das Biomassewachstum unter Anwesenheit von Rauchgas simuliert. Die in diesem Modell verwendeten Parameter sind in dieser Tabelle dargestellt.

Es wird angenommen, dass Rauchgas 15 % Kohlendioxid enthält. Zunächst wurde der Einfluss der Stoffübergangsrate von Kohlendioxid auf das Algenwachstum untersucht. Der resultierende Graph der endgültigen Biomassekonzentration am Tag 12 in Abhängigkeit von der Stoffübergangsrate unter kontinuierlicher Rauchgasbehandlung zeigt, dass eine optimale Stoffübergangsrate von 0,17 bis 0,18 pro Stunde die hemmende Wirkung von Rauchgas auf das Algenwachstum verringern kann.

Wenn die Stoffübergangsrate niedriger oder höher als der optimale Wert ist, wird das Algenwachstum verringert. Dargestellt ist hier Gleichung vier des kinetischen Modells, wobei PG über V den Energieverbrauch des belüfteten Systems im Bioreaktor angibt, UGS die Oberflächengeschwindigkeit des Gasstroms durch den Bioreaktor ist und α, β und γ Konstanten sind, die mit den Mischbedingungen verknüpft sind. Diese Gleichung legt nahe, dass eine Verringerung der Belüftung und des Gasstroms durch die Kultur den Stoffübergangskoeffizienten reduzieren kann.

Diese Tabelle zeigt das Biomassewachstum mit 15 % Flu-Gas am Tag 12 unter verschiedenen spezifischen Gasgeschwindigkeiten oder Durchflussraten. Im Allgemeinen verringert eine niedrige Durchflussrate die Nutzung von Flu-Gas und die Stoffübergangsrate, wodurch eine Hemmung des algenartigen Wachstums durch Kohlendioxid verhindert wird. Eine weitere Verringerung der Durchflussrate durch den Bioreaktor führt jedoch dazu, dass der Stoffübergangskoeffizient zu gering wird, um ausreichend Kohlendioxid für das algenartige Wachstum bereitzustellen.

Dies wird durch die blaue Linie in diesem Diagramm veranschaulicht, das das Biomassewachstum bei unterschiedlichen Stoffübergangs­raten vergleicht. Bei kontinuierlicher Behandlung mit Abgas stellt die blaue Linie eine KLA von 0,017 pro Stunde dar. Die gelbe Linie zeigt eine nahezu optimale KLA von 0,17 pro Stunde, und die schwarze Linie repräsentiert eine KLA von 17 pro Stunde.

Anschließend wurde ein Ein-Aus-Abgas-Impulsmodus eingeführt, um ein Wachstumshemmung entgegenzuwirken, falls die Abgas-Massenübertragungsrate im Photobioreaktor hoch wäre, beispielsweise 17 pro Stunde. Um den Abgas-Impulsmodus zu optimieren, wurden verschiedene Ein-Aus-Frequenzen getestet. Die Simulation zeigt, dass hochfrequente Abgas-Impulse das Algenwachstum fördern können. Diese bereits früher gezeigte Tabelle weist ebenfalls darauf hin, dass der Ein-Aus-Regelmodus weniger Abgas verbraucht als eine kontinuierliche Zufuhr von Abgas in den Bioreaktor.

Drittens wurden Kohlendioxid-Konzentrationsprofile für maximales Algenwachstum unter Verwendung der hier aufgeführten Modellparameter berechnet. Die dynamische Optimierungsmethode zeigt, dass die optimalen Kohlendioxid-Konzentrationen in der Gasphase während des Algenwachstums kontinuierlich erhöht werden sollten. Die Modellsimulation zeigt außerdem, dass sowohl ein- und ausschaltende Kohlendioxid-Impulse als auch die Steuerung einer optimalen Kohlendioxid-Zufuhr gleichwertige Methoden sind, um das Algenwachstum mit Rauchgas zu fördern.

Dieses Diagramm zeigt einen Vergleich des Biomassewachstums unter einem optimalen Kohlendioxid-Verlauf, dargestellt durch die gelbe Linie. Die Ein-Aus-Frequenz von 10 Sekunden Gas ein und fünf Minuten Gas aus, dargestellt durch die rote Linie, die Ein-Aus-Steuerung mit einer Frequenz von 10 Sekunden Gas ein und sieben Minuten Gas aus, dargestellt durch die grüne Linie, die Ein-Aus-Steuerung mit einer Frequenz von einer Minute Gas ein und 29 Minuten Gas aus, dargestellt durch die schwarze Linie, sowie die kontinuierliche Behandlung mit Rauchgas, das 15 % Kohlendioxid enthält, dargestellt durch die blaue Linie. Diese abschließende Abbildung aus einer früheren Studie zeigt einen experimentellen Vergleich des Biomassewachstums unter Verwendung unterschiedlicher Ansätze.

A ist 10 Sekunden Gas ein, sieben Minuten Gas aus, B ist 30 Minuten Gas ein, 30 Minuten Gas aus, C ist fünf Stunden Gas ein, sieben Stunden Gas aus und D ist der Anbau in Schüttelgefäßen. Im Vergleich zu einer kontinuierlichen Gasbehandlung oder einer Kultur in Schüttelgefäßen wird durch die pulsweisen Ein- und Ausschaltzyklen des Gases eine höhere Biomasseproduktion erzielt. Bei der Durchführung eines gasbasierten Algen-Bioprozesses ist es wichtig, computergestützte Modellierung einzusetzen, um optimale Wachstumsbedingungen zu entwerfen.

Nach Durchführung dieses Verfahrens können experimentelle Tests durchgeführt werden, um die Modellvorhersagen zu überprüfen. Nach dem Ansehen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie ein Modell zum Stofftransport und biochemischen Reaktionen aufgebaut wird, um das Biomassewachstum mit CO2 vorherzusagen und die Wachstumsbedingungen zu optimieren. Beachten Sie, dass die Modellsimulation nur für ein vereinfachtes homogenes System gilt.

Das Modell kann in Zukunft verbessert werden, indem komplexere Strömungsmechanik hinzugefügt wird.