Optimizar la combustión Gas Ciudad para promover el crecimiento de microalgas en fotobiorreactores a través de Simulaciones computacionales

El objetivo general del siguiente protocolo es mostrar que el control del gas residual puede mejorar el crecimiento de microalgas en gases de combustión mediante simulaciones computacionales, y demostrar los procedimientos para el cultivo y la ampliación del cultivo de algas. Esto se logra primero utilizando un modelo cinético para simular las condiciones de crecimiento de microalgas bajo diferentes tasas de transferencia de masa en modos de control de gas residual, y los perfiles de concentración de dióxido de carbono que se muestran aquí corresponden a las ecuaciones del modelo. A continuación, se demuestran los procedimientos para cultivar algas y escalar el cultivo algálico.

Posteriormente, las algas se cultivan bajo gas de combustión en un pequeño biorreactor fototrófico. El gas de combustión se genera mediante combustión natural y sus caudales son controlados por un sistema de control de flujo másico antes de introducirse en el sistema algal. Los resultados de las simulaciones del modelo muestran que el control de encendido y apagado del gas puede reducir la inhibición por sustrato y favorecer el crecimiento microalgal con el gas de combustión.

Se demostró también que el control de encendido y apagado del gas reduce el uso de gas de chimenea y mejora la eficiencia energética. Para el proceso biológico, estamos demostrando que el cultivo de algas guiado por modelos con procesos de algas utilizando gas de chimenea puede ser útil en los campos de bioenergía y biorremediación, como la reducción de emisiones de CO2 provenientes de gases industriales de escape, producción de biocombustibles o biocompuestos, y la eliminación de iones metálicos tóxicos. Por lo general, los ingenieros de bioprocesos que son nuevos en las simulaciones de modelos tendrán dificultades porque deben probar muchas condiciones mediante experimentos que consumen mucho tiempo.

Por ejemplo, muchos factores pueden influir en el crecimiento algal y es difícil examinar todas las condiciones. Con la simulación por computadora, podemos comprender y analizar cultivos de microalgas bajo condiciones de CO2, luz y mezcla, de modo que podamos diseñar un tratamiento óptimo de gases de combustión. Quienes demostrarán el procedimiento serán Leon Hu, Amelia Chen, Yyou, ARU var, DNE y Larry Page del Laboratorio Tang.

Para comenzar este procedimiento, prepare el medio de cultivo. Siguiendo la receta descrita en el manuscrito adjunto, ajuste el pH del medio a entre siete y ocho. Esterilice el medio de cultivo utilizando el autoclave.

A continuación, inocule *Chlorella spirulina* a partir de una sola colonia en una placa de agar fresca en un matraz agitado que contenga 50 mililitros de medio, utilizando un asa de inoculación estéril. Cultive las algas a 150 RPM y 30 grados Celsius durante seis días. Monitoree la densidad celular mediante un espectrofotómetro cuando las células se encuentren en fase logarítmica media, con una DO730 mayor que uno.

Transfiera 50 mililitros de la cultura de algas a un matraz de vidrio de dos litros que contenga aproximadamente un litro de medio esterilizado. Incube el medio durante cinco días, bombeando gas fluente proveniente de la combustión de gas natural hacia la cultura durante la incubación. Después de cinco días, transfiera el litro de cultura de algas a un garrafón de vidrio de 20 litros que contenga 15 litros de medio no esterilizado.

Cultive algas en medio bajo las mismas condiciones indicadas anteriormente durante seis días. Seis días después, coloque 15 litros de cultivo algal fresco y 85 litros de medio no esterilizado en un fotobiorreactor de placa plana. En las instalaciones avanzadas de investigación de carbón y energía de la universidad, el fotobiorreactor está equipado con un sistema de calefacción y refrigeración.

Diodos emisores de luz, un controlador informático, una mezcla de gases y analizadores para la densidad óptica celular, pH, temperatura de oxígeno disuelto y dióxido de carbono disuelto. Introduzca la mezcla de gas de chimenea y aire en el biorreactor, recolecte la biomasa a una DO 730 mayor que 20. Después de centrifugar los cultivos, recoja la biomasa algal y viértala en una bandeja para un secado adicional.

Después de la cosecha, desarme y limpie completamente el biorreactor fototrófico con etanol al 70 %. Inicie esta demostración inoculando cultivos de algas con una DO730 inicial de aproximadamente 0,3 en botellas de vidrio que contienen 200 mililitros de medio por botella, queme gas natural y dirija el gas de escape a través de un embudo, un tubo condensador y una botella de lavado de 0,5 litros que contiene una lechada de agua y caliza. El flujo de gas de escape hacia el cultivo de algas se controla mediante controladores de flujo másico.

Los pulsos de gas de chimenea incluyen dos modos: gas de chimenea encendido y gas de chimenea apagado; este último modo bombea aire en su lugar. Estudios previos han indicado que la exposición continua al gas de chimenea afecta negativamente el crecimiento de chlorella al disminuir la exposición al dióxido de carbono. El tiempo alivia esta inhibición.

Se desarrolló un modelo cinético para probar tres métodos destinados a evitar la inhibición del crecimiento por gas. Uno, mantener una baja velocidad de flujo hacia el cultivo para reducir la condición de transferencia de masa. Dos, pulsos intermitentes de gas residual hacia el cultivo.

Tres, controlar las composiciones de dióxido de carbono de entrada al nivel óptimo. No se presentarán aquí las suposiciones, ecuaciones y parámetros involucrados en este modelo, pero se discuten en el texto del protocolo adjunto. Para comenzar, construya un archivo Simulink para la simulación del modelo.

Seleccione el archivo nuevo modelo en la interfaz de MATLAB para crear un modelo Simulink y abra el navegador de bibliotecas. Seleccione el bloque de subsistema en el navegador de bibliotecas para crear los subsistemas para la ecuación uno y dos. Arrastre un bloque de subsistema al archivo del modelo Simulink.

Cambie su nombre a ecuación uno y luego repita los mismos pasos para la ecuación dos. Cree bloques y parámetros adecuados en cada subsistema. Haga doble clic en el bloque de la ecuación uno.

Seleccione bloques adecuados del navegador de biblioteca y conéctelos con flechas que indiquen la secuencia de cálculo. Haga doble clic en los bloques para configurar los parámetros y repita estos pasos para el otro subsistema. Conecte los dos subsistemas para representar las ecuaciones del modelo uno y dos.

Conecte la salida de un subsistema a la entrada del otro subsistema mediante una flecha, si es necesario. Por ejemplo, la concentración de dióxido de carbono disuelto es la salida en el subsistema de la ecuación dos y también la entrada del subsistema de la ecuación uno. Utilice un bloque generador de pulsos como entrada para la ecuación dos para simular los pulsos de dióxido de carbono de encendido y apagado.

Utilice el bloque constante como valor de entrada de luz en la superficie. Haga doble clic en los bloques para cambiar los parámetros, como el período, el tiempo y la amplitud. Seleccione el bloque M en el navegador de biblioteca.

Conecte todas las salidas al mux y luego conéctelo a dos bloques de espacio de trabajo que almacenan los resultados simulados. Defina el tiempo de detención de la simulación en la barra de herramientas superior. Haga clic en el botón de flecha para iniciar la simulación y los resultados se almacenarán en el espacio de trabajo de MATLAB.

Por último, aplique el programa MATLAB del material de apoyo dos para realizar un enfoque de optimización dinámica que determine los perfiles óptimos de concentración de dióxido de carbono. En este estudio, para comprender mejor la relación entre el gas de chimenea, el flujo de gas y el crecimiento algal, se desarrolló un modelo empírico para simular el crecimiento de la biomasa en presencia de gas de chimenea. Los parámetros utilizados en este modelo se muestran en esta tabla.

Se asume que el gas de chimenea contiene 15 % de dióxido de carbono. En primer lugar, se evaluó la influencia de la velocidad de transferencia de masa del dióxido de carbono en el crecimiento algal. La gráfica resultante de la concentración final de biomasa al día 12 en función de la velocidad de transferencia de masa bajo tratamiento continuo con gas de chimenea indica que una velocidad de transferencia de masa óptima de 0,17 a 0,18 por hora es capaz de reducir la inhibición del crecimiento algal por el gas de chimenea.

Si la tasa de transferencia de masa es menor o mayor que el valor óptimo, el crecimiento algálico se reducirá. Se muestra aquí la ecuación cuatro del modelo cinético, donde PG sobre V es el consumo de energía del sistema aireado en el biorreactor, UGS es la velocidad superficial del flujo de gas a través del biorreactor y alfa, beta y gamma son constantes relacionadas con las condiciones de mezcla. Esta ecuación sugiere que la disminución de la aireación y del flujo de gas a través del cultivo puede reducir el coeficiente de transferencia de masa.

Esta tabla muestra el crecimiento de biomasa con gas flu al 15% al día 12 bajo diferentes velocidades superficiales de flujo de gas o caudales. En general, un caudal bajo reduce el uso de gas flu y la velocidad de transferencia de masa, lo que previene la inhibición del crecimiento algáceo por dióxido de carbono. Sin embargo, reducir aún más el caudal a través del biorreactor hará que el coeficiente de transferencia de masa sea demasiado pequeño para suministrar suficiente dióxido de carbono para el crecimiento algáceo.

Esto se muestra mediante la línea azul en este gráfico, que compara el crecimiento de la biomasa con diferentes tasas de transferencia de masa. Bajo tratamiento continuo con gas de flujo, la línea azul representa un KLA de 0,017 por hora. La línea amarilla representa un KLA cercano al óptimo de 0,17 por hora, y la línea negra representa un KLA de 17 por hora.

A continuación, se introdujo un modo de pulsos de gas de combustión intermitentes (encendido/apagado) para superar la inhibición del crecimiento si la velocidad de transferencia de masa del gas de combustión fuera alta en el biorreactor fototrófico, por ejemplo, 17 por hora. Para optimizar el modo de pulsos de gas de combustión, se probaron diferentes frecuencias de encendido/apagado. La simulación muestra que los pulsos de gas de combustión de alta frecuencia son capaces de promover el crecimiento algal. Esta tabla, que se mostró anteriormente, también indica que el modo de control encendido/apagado utiliza menos gas de combustión que la alimentación continua de gas en el biorreactor.

En tercer lugar, se calcularon perfiles de concentración de dióxido de carbono para el crecimiento máximo de algas utilizando los parámetros del modelo enumerados aquí. El enfoque de optimización dinámica muestra que las concentraciones óptimas de dióxido de carbono en la fase gaseosa deben aumentarse continuamente durante el crecimiento de las algas. La simulación del modelo también muestra que tanto los pulsos cíclicos de dióxido de carbono como el control de la entrada óptima de dióxido de carbono son métodos igualmente eficaces para promover el crecimiento de algas con gas de chimenea.

Este gráfico muestra una comparación del crecimiento de biomasa bajo un perfil óptimo de dióxido de carbono representado por la línea amarilla. El control de encendido/apagado con una frecuencia de 10 segundos de gas encendido y cinco minutos de gas apagado, representado por la línea roja; el control de encendido/apagado con una frecuencia de 10 segundos de gas encendido y siete minutos de gas apagado, representado por la línea verde; el control de encendido/apagado con una frecuencia de un minuto de gas encendido y 29 minutos de gas apagado, representado por la línea negra; y el tratamiento continuo con gas de combustión que contiene 15 % de dióxido de carbono, representado por la línea azul. Esta figura final de un estudio previo muestra una comparación experimental del crecimiento de biomasa utilizando diferentes enfoques.

A es 10 segundos con gas encendido y siete minutos con gas apagado; B es 30 minutos con gas encendido y 30 minutos con gas apagado; C es cinco horas con gas encendido y siete horas con gas apagado; y D es cultivo en matraces agitados. En comparación con un tratamiento continuo con gas de flujo o un cultivo en matraces agitados, se logra una mayor producción de biomasa utilizando pulsos intermitentes de gas de flujo. Al intentar un bioproceso basado en gas de flujo, es importante utilizar modelado por computadora para diseñar operaciones de crecimiento óptimas.

Tras seguir este procedimiento, se pueden realizar pruebas experimentales para validar las predicciones del modelo. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo construir un modelo de transferencia de masa y reacción biológica para predecir el crecimiento de biomasa con CO2 y optimizar las condiciones de crecimiento. Tenga en cuenta que la simulación del modelo es solo para un sistema homogéneo simplificado.

El modelo puede mejorarse mediante la adición de mecánica de fluidos más sofisticada en el futuro.