Optimiser les réglages des gaz de combustion pour la promotion de la croissance des microalgues en photobioréacteurs via des simulations informatiques

L'objectif général du protocole suivant est de montrer qu'un contrôle du gaz d'échappement peut améliorer la croissance des microalgues en présence de gaz de fumée par le biais de simulations informatiques, et de démontrer les procédures de culture et de mise à l'échelle de la culture algale. Cela est réalisé en utilisant d'abord un modèle cinétique pour simuler les conditions de croissance des microalgues sous différents taux de transfert de masse, dans des modes de contrôle du gaz d'échappement, ainsi que des profils de concentration en dioxyde de carbone ; les équations du modèle sont indiquées ici. Ensuite, les procédures de culture des algues et de mise à l'échelle de la culture algale sont démontrées.

Par la suite, les algues sont cultivées sous gaz de combustion dans un petit bioréacteur photo. Le gaz de combustion est produit par une combustion naturelle, et ses débits sont régulés par un système de contrôle de débit massique avant d’être introduits dans le système algal. Les résultats des simulations du modèle montrent qu’un contrôle intermittent du gaz en sortie peut réduire l’inhibition par le substrat et favoriser la croissance des microalgues en présence de gaz de combustion.

Il a également été démontré que la commande d'activation et de désactivation du gaz réduit l'utilisation des gaz de combustion et améliore l'efficacité énergétique. Pour le procédé biologique, nous montrons que la culture algale guidée par modèle utilisant des gaz de combustion peut s'avérer utile dans les domaines de la bioénergie et de la bioremédiation, notamment pour la réduction des émissions de CO2 provenant des gaz de combustion industriels, la production de biocarburants ou de produits biochimiques, ainsi que pour l'élimination d'ions métalliques toxiques. En général, les ingénieurs des procédés biologiques novices en matière de simulations de modèles éprouvent des difficultés, car ils doivent tester de nombreuses conditions au moyen d'expériences longues.

Par exemple, de nombreux facteurs peuvent influencer la croissance des algues, et il est difficile d'examiner toutes les conditions. Grâce à la simulation informatique, nous pouvons comprendre et analyser les cultures de microalgues dans des conditions de CO2, de lumière et d'agitation, afin de concevoir un traitement optimal des gaz de fumée. La procédure sera démontrée par Leon Hu, Amelia Chen, Yyou, ARU var, DNE et Larry Page du laboratoire Tang.

Pour commencer cette procédure, préparez le milieu de culture. En suivant la recette décrite dans le manuscrit associé, ajustez le pH du milieu à une valeur comprise entre sept et huit. Stérilisez le milieu de culture à l'aide de l'autoclave.

Ensuite, inoculez la chlorelle spiruline à partir d'une colonie unique prélevée sur une boîte de gélose fraîche dans un flacon agité contenant 50 millilitres de milieu, à l'aide d'un anneau d'inoculation stérile. Faites cultiver les algues à 150 tr/min et à 30 degrés Celsius pendant six jours. Surveillez la densité cellulaire à l'aide d'un spectrophotomètre lorsque les cellules sont en phase de croissance logarithmique moyenne, avec une DO à 730 supérieure à un.

Transférez 50 millilitres de la culture algale dans un flacon en verre de deux litres contenant environ un litre de milieu stérilisé. Incubez le milieu pendant cinq jours en pompant du gaz de combustion de gaz naturel dans la culture durant l'incubation. Après cinq jours, transférez un litre de la culture algale dans un bidon en verre de 20 litres contenant 15 litres de milieu non stérilisé.

Faites croître les algues en milieu de culture dans les mêmes conditions que celles indiquées précédemment pendant six jours. Six jours plus tard, introduisez 15 litres de culture algale fraîche et 85 litres de milieu non stérilisé dans un photobioréacteur à plaque plane. Dans les installations de recherche avancée sur le charbon et l'énergie de l'université, le photobioréacteur est équipé d'un système de chauffage et de refroidissement.

Des diodes électroluminescentes, un contrôleur informatique, un mélange de gaz et des analyseurs pour la densité optique cellulaire, le pH, la température d’oxygène dissous et le dioxyde de carbone dissous. Pomper le mélange de gaz d’échappement et d’air dans le bioréacteur, récolter la biomasse à une DO 730 supérieure à 20. Après centrifugation des cultures, collecter la biomasse algale et la verser dans un plateau pour un séchage ultérieur.

Après la récolte, démonter et nettoyer soigneusement le photobioréacteur avec de l'éthanol à 70 %. Commencez cette démonstration en inoculant des cultures algales à une DO 730 initiale d'environ 0,3 dans des bouteilles en verre contenant 200 millilitres de milieu par bouteille, brûlez du gaz naturel et faites passer le gaz d'échappement à travers un entonnoir, un tube condenseur et une bouteille de lavage de 0,5 litre contenant une suspension aqueuse de calcaire. Le débit de gaz d'échappement dans la culture algale est contrôlé par des débitmètres massiques.

Les impulsions de gaz d'échappement comprennent deux modes : gaz d'échappement activé et gaz d'échappement désactivé, ce dernier mode faisant circuler de l'air à la place. Des études antérieures ont indiqué qu'une exposition continue aux gaz d'échappement nuit à la croissance de la chlorelle tout en réduisant l'exposition au dioxyde de carbone. Le temps atténue cet effet inhibiteur.

Un modèle cinétique a été développé pour tester trois méthodes permettant d'éviter l'inhibition de la croissance par le gaz. Premièrement, maintenir un faible débit de gaz dans la culture afin de réduire les conditions de transfert de masse. Deuxièmement, appliquer des impulsions intermittentes de gaz d'échappement dans la culture.

Trois, contrôler les compositions en dioxyde de carbone entrant au niveau optimal. Les hypothèses, équations et paramètres associés à ce modèle ne seront pas présentés ici, mais sont discutés dans le texte du protocole accompagnant. Pour commencer, construire un fichier Simulink pour la simulation du modèle.

Choisissez le fichier nouveau modèle dans l'interface MATLAB pour créer un modèle Simulink et ouvrez le navigateur de bibliothèque. Sélectionnez le bloc de sous-système dans le navigateur de bibliothèque afin de créer les sous-systèmes pour les équations une et deux. Faites glisser un bloc de sous-système vers le fichier de modèle Simulink.

Changer son nom en équation un, puis répéter les mêmes étapes pour l'équation deux. Créer des blocs et des paramètres appropriés dans chaque sous-système. Double-cliquer sur le bloc de l'équation un.

Choisissez des blocs appropriés dans le navigateur de bibliothèque et reliez-les à l’aide de flèches indiquant la séquence de calcul. Double-cliquez sur les blocs pour définir les paramètres et répétez ces étapes pour l’autre sous-système. Liez les deux sous-systèmes afin de représenter les équations du modèle un et deux.

Reliez la sortie d'un sous-système à l'entrée de l'autre sous-système à l'aide d'une flèche si nécessaire. Par exemple, la concentration de dioxyde de carbone dissous est la sortie du sous-système de l'équation deux et également l'entrée du sous-système de l'équation un. Utilisez un bloc de générateur d'impulsions comme entrée pour l'équation deux afin de simuler les impulsions de dioxyde de carbone marche-arrêt.

Utilisez le bloc constant comme valeur d'entrée de lumière de surface. Double-cliquez sur les blocs pour modifier les paramètres tels que la période, le temps et l'amplitude. Sélectionnez le bloc M dans le navigateur de bibliothèque.

Connectez toutes les sorties au multiplexeur, puis reliez-le à deux blocs d'espace de travail qui stockent les résultats simulés. Définissez le temps d'arrêt de la simulation dans la barre d'outils supérieure. Cliquez sur le bouton fléché pour démarrer la simulation ; les résultats seront alors stockés dans l'espace de travail MATLAB.

Enfin, appliquez le programme MATLAB fourni dans le matériel complémentaire deux pour effectuer une approche d'optimisation dynamique visant à déterminer les concentrations optimales de dioxyde de carbone. Dans cette étude visant à mieux comprendre la relation entre le gaz de combustion, le débit gazeux et la croissance algale, un modèle empirique a été élaboré pour simuler la croissance de la biomasse en présence de gaz de combustion. Les paramètres utilisés dans ce modèle sont indiqués dans ce tableau.

On suppose que le gaz d'échappement contient 15 % de dioxyde de carbone. Premièrement, l'influence du taux de transfert de masse du dioxyde de carbone sur la croissance algale a été testée. Le graphique résultant de la concentration finale en biomasse au jour 12 en fonction du taux de transfert de masse sous traitement continu au gaz d'échappement indique qu'un taux de transfert de masse optimal compris entre 0,17 et 0,18 par heure permet de réduire l'inhibition par le gaz d'échappement de la croissance algale.

Si le taux de transfert de masse est inférieur ou supérieur à la valeur optimale, la croissance algale sera réduite. On voit ici l'équation quatre du modèle cinétique, où PG divisé par V représente la consommation d'énergie du système aéré dans le bioréacteur, UGS est la vitesse superficielle du flux gazeux à travers le bioréacteur, et alpha, beta et gamma sont des constantes liées aux conditions de mélange. Cette équation suggère que la réduction de l'aération et du flux gazeux à travers la culture peut diminuer le coefficient de transfert de masse.

Ce tableau présente la croissance de la biomasse avec un gaz flu à 15 % au jour 12, sous différentes vitesses superficielles de débit de gaz ou débits volumétriques. En général, un faible débit réduit l'utilisation du gaz flu et la vitesse de transfert de masse, ce qui empêche l'inhibition de la croissance algale par le dioxyde de carbone. Toutefois, une réduction supplémentaire du débit à travers le bioréacteur entraîne une diminution excessive du coefficient de transfert de masse, qui devient insuffisant pour fournir assez de dioxyde de carbone à la croissance algale.

Ceci est illustré par la ligne bleue sur ce graphique, qui compare la croissance de la biomasse avec différents taux de transfert de masse. Sous un traitement continu par gaz de fumée, la ligne bleue représente un KLA de 0,017 par heure. La ligne jaune représente un KLA quasi optimal de 0,17 par heure, et la ligne noire représente un KLA de 17 par heure.

Ensuite, un mode pulsé de gaz de fumée en fonctionnement intermittent a été introduit afin de surmonter l'inhibition de la croissance si le taux de transfert de masse du gaz de fumée était élevé dans le photobioréacteur, par exemple 17 par heure. Afin d'optimiser le mode pulsé du gaz de fumée, différentes fréquences marche-arrêt ont été testées. La simulation montre que des impulsions de gaz de fumée à haute fréquence sont capables de favoriser la croissance algale. Ce tableau, déjà présenté précédemment, indique également que le mode de contrôle marche-arrêt consomme moins de gaz de fumée qu'une alimentation continue en gaz de fumée dans le bioréacteur.

En troisième lieu, les profils de concentration en dioxyde de carbone pour une croissance maximale des algues ont été calculés à l'aide des paramètres du modèle énumérés ici. L'approche d'optimisation dynamique montre que les concentrations optimales en dioxyde de carbone dans la phase gazeuse devraient être augmentées continuellement pendant la croissance des algues. La simulation du modèle montre également que les impulsions de dioxyde de carbone en mode tout-ou-rien ainsi que le contrôle de l'apport optimal en dioxyde de carbone sont des méthodes également efficaces pour favoriser la croissance des algues avec du gaz de combustion.

Ce graphique montre une comparaison de la croissance de la biomasse dans un profil optimal de dioxyde de carbone, représenté par la ligne jaune. Le contrôle marche-arrêt avec une fréquence de 10 secondes de gaz activé et 5 minutes de gaz désactivé, représenté par la ligne rouge ; le contrôle marche-arrêt avec une fréquence de 10 secondes de gaz activé et 7 minutes de gaz désactivé, représenté par la ligne verte ; le contrôle marche-arrêt avec une fréquence d'une minute de gaz activé et 29 minutes de gaz désactivé, représenté par la ligne noire ; et le traitement continu avec un gaz fumée contenant 15 % de dioxyde de carbone, représenté par la ligne bleue. Cette dernière figure, issue d'une étude précédente, présente une comparaison expérimentale de la croissance de la biomasse selon différentes approches.

A correspond à 10 secondes de gaz allumé, suivi de 7 minutes de gaz éteint ; B, à 30 minutes de gaz allumé, suivies de 30 minutes de gaz éteint ; C, à 5 heures de gaz allumé, suivies de 7 heures de gaz éteint ; et D, à une culture en flacons agités. Par rapport à un traitement continu au gaz de fumage ou à une culture en flacon agité, une production plus élevée de biomasse est obtenue en utilisant des impulsions intermittentes de gaz de fumage. Lorsqu'on met en œuvre un bioprocédé utilisant le gaz de fumage, il est important d'utiliser une modélisation informatique pour concevoir des conditions de croissance optimales.

Après avoir suivi cette procédure, des tests expérimentaux peuvent être réalisés afin de valider les prédictions du modèle. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez bien comprendre comment élaborer un modèle de transfert de masse et de réaction biologique permettant de prédire la croissance de la biomasse à partir de CO2 et d'optimiser les conditions de croissance. Gardez à l'esprit que la simulation du modèle concerne uniquement un système homogène simplifié.

Le modèle pourra être amélioré en ajoutant des mécaniques des fluides plus sophistiquées à l'avenir.