Ottimizzare le impostazioni dei gas di scarico per promuovere la crescita di microalghe in fotobioreattori tramite simulazioni al computer

L'obiettivo generale del seguente protocollo è dimostrare che il controllo dei gas on off può migliorare la crescita delle microalghe sui gas fluenziali attraverso simulazioni computazionali e dimostrare le procedure per la coltivazione e lo scale-up delle alghe. Ciò si ottiene utilizzando prima un modello cinetico per simulare le condizioni di crescita delle microalghe in diverse velocità di trasferimento di massa in modalità di controllo dei gas di scarico e i profili di concentrazione di anidride carbonica mostrati qui sono le equazioni del modello. Successivamente, vengono dimostrate le procedure per coltivare alghe e aumentare la coltivazione di galline.

Successivamente, le alghe vengono coltivate sotto gas influenzale in un piccolo fotobioreattore. L'effluente gassoso è generato dalla combustione naturale e le sue portate sono controllate da un sistema di controllo del flusso di massa prima di essere immesse nel sistema lgal. I risultati delle simulazioni del modello mostrano che il controllo dei gas on off può ridurre l'inibizione del substrato e promuovere la crescita di microalghe con l'influenza.

È stato inoltre dimostrato che il controllo del gas di accensione e di scarico riduce l'uso di gas di influenza e migliora l'efficienza energetica. Per il processo biologico, stiamo dimostrando che la coltivazione algale guidata da modelli con gas influenzali i processi algali possono essere utili nei campi della bioenergia e del biorisanamento, come la riduzione delle emissioni di CO2 da influenza industriale, gas, biocarburanti o produzione biochimica e rimozione di ioni metallici tossici. In generale, gli ingegneri dei bioprocessi che si avvicinano per la prima volta alle simulazioni di modelli avranno difficoltà perché devono testare molte condizioni con esperimenti che richiedono molto tempo.

Ad esempio, molti fattori possono influenzare la crescita delle alghe ed è difficile esaminare tutte le condizioni. Con la simulazione al computer, possiamo comprendere e analizzare le colture di microalghe in condizioni di luce CO2 e di miscelazione in modo da poter progettare un trattamento ottimale dei gas di influenza. A dimostrare la procedura saranno Leon Hu, Amelia Chen, Yyou, ARU var, DNE e Larry Page del Tang Laboratory.

Per iniziare questa procedura, preparare il terreno di coltura. Seguendo la ricetta nel manoscritto allegato, regolare il pH del terreno da sette a otto. Sterilizzare il terreno di coltura utilizzando l'autoclave.

Successivamente, inoculare la clorella spirulina da una singola colonia su una piastra di agar fresca in un pallone di agitazione contenente 50 millilitri di terreno con un'alga di coltura ad anello di inoculazione sterile a 150 giri/min e 30 gradi Celsius per sei giorni. Monitora la densità cellulare con uno spettrofotometro quando le cellule sono al centro. Fase di crescita del tronco con OD 730 maggiore di uno.

Trasferire 50 millilitri di coltura algale in un pallone di vetro da due litri contenente circa un litro di coltura sterilizzata. Incubare al medio per cinque giorni pompando gas influenzali dalla combustione del gas naturale nella coltura durante l'incubazione. Dopo cinque giorni, trasferire la coltura algale da un litro in una damigiana di vetro da 20 litri contenente 15 litri di coltura non sterilizzata.

Alghe di coltura media nelle stesse condizioni indicate in precedenza per sei giorni. Sei giorni dopo, ho inserito 15 litri di coltura algale fresca e 85 litri di terreno non sterilizzato in un fotobioreattore a piastra piana. Nella struttura di ricerca avanzata sul carbone e l'energia dell'università, il fotobioreattore è dotato di un sistema di riscaldamento e raffreddamento.

Diodi emettitori di luce, un controller computerizzato, una miscela di gas e analizzatori per la densità ottica delle celle, il pH, la temperatura dell'ossigeno disciolto e l'anidride carbonica disciolta. Pompare la miscela aria-fumi nel bioreattore, raccogliere la biomassa a OD 730 maggiore di 20. Dopo aver centrifugato le colture, raccogliere la biomassa algale e versarla in un vassoio per un'ulteriore essiccazione.

Dopo il raccolto, smontare e lavare accuratamente a secco il fotobioreattore utilizzando etanolo al 70%. Inizia questa dimostrazione inoculando colture algali a un OD iniziale di circa 0,3 in bottiglie di vetro contenenti 200 millilitri di terreno per bottiglia, brucia gas naturale e pompa i gas di combustione attraverso un imbuto, un tubo del condensatore e una bottiglia di lavaggio da 0,5 litri contenente un impasto di calcare acquoso. Il flusso dei gas di combustione nella coltura algale è controllato dai regolatori di flusso di massa.

Gli impulsi dei gas di combustione includono due modalità, influenza, gas acceso e gas di scarico dell'aria, quest'ultima modalità pompa invece l'aria. Studi precedenti hanno indicato che l'esposizione continua ai gas influenzali influisce negativamente sulla crescita della clorella diminuendo l'esposizione all'anidride carbonica. Il tempo allevia questa inibizione.

È stato sviluppato un modello cinetico per testare tre metodi per evitare l'inibizione della crescita da parte dei gas. Uno, mantenere una bassa portata nella coltura per ridurre la condizione di trasferimento di massa. Due impulsi on off di gas influenzale nella coltura.

Tre, controllare le composizioni di anidride carbonica in ingresso al livello ottimale. Le ipotesi, le equazioni e i parametri coinvolti in questo modello non saranno presentati qui, ma sono discussi nel testo del protocollo di accompagnamento. Per iniziare, costruisci un file Simulink per la simulazione del modello.

Scegli il file del nuovo modello sull'interfaccia MATLAB per creare un modello Simulink e aprire il browser della libreria. Scegliere Blocco sottosistema nel browser della libreria per creare i sottosistemi per l'equazione uno e due. Trascinare un blocco di sottosistema nel file del modello Simulink.

Cambia il suo nome in equazione uno e poi ripeti gli stessi passaggi per l'equazione due. Creare blocchi e parametri appropriati in ogni sottosistema. Fare doppio clic sull'equazione di un blocco.

Scegliere i blocchi appropriati dal browser della libreria e collegarli con frecce che denotano la sequenza di calcolo. Fare doppio clic sui blocchi per impostare i parametri e ripetere questi passaggi per l'altro sottosistema. Collegare i due sottosistemi per rappresentare le equazioni uno e due del modello.

Se necessario, collegare l'uscita di un sottosistema all'ingresso dell'altro sottosistema tramite una freccia. Ad esempio, la concentrazione di anidride carbonica disciolta è l'output nel sottosistema equazione due e anche l'input del sottosistema equazione uno. Utilizzare il blocco generatore di impulsi come input per l'equazione due per simulare gli impulsi di anidride carbonica on off.

Utilizzare il blocco costante come valore di input della luce di superficie. Fare doppio clic sui blocchi per modificare i parametri come il periodo, l'ora e l'ampiezza. Scegli il blocco M nel browser della libreria.

Collegare tutte le uscite al mux e quindi collegarlo a due blocchi dell'area di lavoro che memorizza i risultati simulati. Definisci il tempo di arresto della simulazione sulla barra degli strumenti in alto. Fare clic sul pulsante freccia per avviare la simulazione e i risultati verranno memorizzati nell'area di lavoro di MATLAB.

Infine, applicare il programma MATLAB nel materiale di supporto due per eseguire un approccio di ottimizzazione dinamica per profilare le concentrazioni ottimali di anidride carbonica. In questo studio per comprendere meglio la relazione tra influenza, afflusso di gas e crescita algale, è stato sviluppato un modello empirico per simulare la crescita della biomassa in presenza di gas influenzali. I parametri utilizzati in questo modello sono mostrati in questa tabella.

Si presume che i gas fluenziali contengano il 15% di anidride carbonica. In primo luogo, è stata testata l'influenza del tasso di trasferimento di massa dell'anidride carbonica sulla crescita delle alghe. Il grafico risultante della concentrazione finale di biomassa al giorno 12 in funzione della velocità di trasferimento di massa in trattamento continuo dei gas fluenziali indica che una velocità di trasferimento di massa ottimale da 0,17 a 0,18 all'ora è in grado di ridurre l'inibizione dei gas di combustione della crescita algale.

Se la velocità di trasferimento di massa è inferiore o superiore al valore ottimale, la crescita delle alghe sarà ridotta. Qui è mostrata l'equazione quattro del modello cinetico dove PG su V è il consumo di energia del sistema aerato nel bioreattore, UGS è la velocità superficiale del flusso di gas attraverso il bioreattore e alfa, beta e gamma sono costanti correlate alle condizioni di miscelazione. Questa equazione suggerisce che la diminuzione dell'aerazione e del flusso di gas attraverso la coltura può ridurre il coefficiente di trasferimento di massa.

Questa tabella mostra la crescita della biomassa con il 15% di gas di fluenza al giorno 12 a diverse velocità di flusso di gas superficiali o portate. In generale, una bassa portata riduce l'uso di gas influenzali e la velocità di trasferimento di massa che impedisce l'inibizione dell'anidride carbonica della crescita dell'anidride carbonica. Tuttavia, un'ulteriore riduzione della portata attraverso il bioreattore farà sì che il coefficiente di trasferimento di massa diventi troppo piccolo per fornire abbastanza anidride carbonica per la crescita del lgal.

Ciò è mostrato dalla linea blu in questo grafico, che confronta la crescita della biomassa con diversi tassi di trasferimento di massa. In condizioni di trattamento continuo dei gas fluvi, la linea blu rappresenta un KLA di 0,017 all'ora. La linea gialla rappresenta un KLA quasi ottimale di 0,17 all'ora e la linea nera rappresenta un KLA di 17 all'ora.

Successivamente, è stata introdotta una modalità di impulso di gas di influenza on off per superare l'inibizione della crescita se la velocità di trasferimento di massa del gas di influenza era elevata nel bioreattore fotografico, ad esempio, 17 all'ora per ottimizzare la modalità di impulso di gas di influenza, sono state testate diverse frequenze di accensione. La simulazione mostra che gli impulsi di gas influenzali ad alta frequenza sono in grado di promuovere la crescita delle alghe. Questa tabella mostrata in precedenza indica anche che la modalità di controllo on off utilizza meno gas influenzali rispetto all'alimentazione continua di influenza nel bioreattore.

In terzo luogo, i profili di concentrazione di anidride carbonica per la massima crescita delle alghe sono stati calcolati utilizzando i parametri del modello qui elencati. L'approccio dell'ottimizzazione dinamica mostra che le concentrazioni ottimali di anidride carbonica nella fase gassosa dovrebbero essere continuamente aumentate durante la crescita del lgal. La simulazione del modello mostra anche che sia gli impulsi di anidride carbonica che il controllo dell'input ottimale di anidride carbonica sono metodi altrettanto validi per promuovere la crescita dell'anidride carbonica con l'influenza gassosa.

Questo grafico mostra un confronto della crescita della biomassa in un profilo ottimale di anidride carbonica rappresentato dalla linea gialla. La frequenza di accensione e spegnimento di 10 secondi, gas acceso, cinque minuti gas spento, rappresentato dalla linea rossa, accensione, controllo spento alla frequenza di 10 secondi, gas acceso, sette minuti gas spento, rappresentato dalla linea verde acceso, controllo spento alla frequenza di un minuto, gas acceso, 29 minuti, gas spento, rappresentato dalla linea nera e il trattamento continuo con gas flufluo contenente il 15% di anidride carbonica, rappresentato dalla linea blu. Questo dato finale di uno studio precedente mostra un confronto sperimentale della crescita della biomassa utilizzando diversi approcci.

A è 10 secondi gas acceso sette minuti gas spento B è 30 minuti, gas acceso 30 minuti gas spento C è cinque ore gas acceso sette ore gas spento e D è coltivazione in fiasche agitate. Rispetto a un trattamento continuo dei gas fluviali o a una coltura in pallone di agitazione, si ottiene una maggiore produzione di biomassa utilizzando gli impulsi di gas influenzali on off. Quando si tenta un bioprocesso algoritmico basato su gas flussivi, è importante utilizzare la modellazione computerizzata per progettare operazioni di crescita ottimali.

Seguendo questa procedura, è possibile eseguire test sperimentali per convalidare le previsioni del modello. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come costruire un modello di trasferimento di massa e bioreazione per prevedere la crescita della biomassa con CO2 e ottimizzare le condizioni di crescita. Tenere presente che la simulazione del modello è solo per un sistema omogeneo semplificato.

Il modello può essere migliorato aggiungendo in futuro una meccanica dei fluidi più sofisticata.