Optimaliseer Rookgas instellingen ter bevordering van microalgen groei in fotobioreactoren via Computersimulaties

Het algemene doel van het volgende protocol is om via computationele simulaties aan te tonen dat controle over het uitlaatgas de groei van microalgen op rookgas kan verbeteren, en om procedures voor algenkweek en opschaling te demonstreren. Dit wordt bereikt door eerst een kinetisch model te gebruiken om de groeiomstandigheden van microalgen te simuleren onder verschillende massaoverdrachtssnelheden bij verschillende modi voor de controle van het uitlaatgas; de hier getoonde koolstofdioxideconcentratieprofielen zijn de modelvergelijkingen. Vervolgens worden de procedures voor het kweken van algen en het opschalen van de algenkweek gedemonstreerd.

Vervolgens worden de algen onder rookgas gekweekt in een kleine fotobioreactor. Het rookgas wordt gegenereerd door natuurlijke verbranding en de debieten worden geregeld door een massaflowcontrollersysteem voordat ze in het algensysteem worden geïntroduceerd. Resultaten uit de modelsimulaties laten zien dat controle over het afgas substraatinhibitie kan verminderen en de groei van microalgen met rookgas kan bevorderen.

Het aan- en uitschakelen van de gasregeling bleek bovendien het gebruik van rookgas te verminderen en de energie-efficiëntie te verbeteren. Wat betreft het bioproces demonstreren wij dat modelgestuurde algenkweek met rookgas nuttig kan zijn in de velden van bio-energie en bioremediatie, zoals de vermindering van CO2-emissies uit industriële rookgassen, de productie van biobrandstoffen of biochemicaliën en het verwijderen van toxische metaalionen. Over het algemeen zullen bioprocesingenieurs die nieuw zijn met modelsimulaties moeite hebben, omdat zij vele condities moeten testen via tijdrovende experimenten.

Er zijn bijvoorbeeld veel factoren die de algengroei kunnen beïnvloeden, waardoor het moeilijk is om alle condities te onderzoeken. Met de computersimulatie kunnen we microalgenkweken onder verschillende CO2-, licht- en mengcondities begrijpen en analyseren, zodat we een optimale behandeling van rookgas kunnen ontwerpen. De procedure wordt gedemonstreerd door Leon Hu Amelia Chen, Yyou, ARU var, DNE en Larry Page van het Tang Laboratory.

Om met deze procedure te beginnen, bereidt u het kweekmedium voor. Stel de pH van het medium in op zeven tot acht, volgens het recept in het bijbehorende manuscript. Steriliseer het kweekmedium met behulp van de autoclaaf.

Inoculeer vervolgens chlorella spirulina vanuit een enkele kolonie op een verse agarplaat in een schudkolf met 50 milliliters medium met een steriele entlus; kweek de algen bij 150 RPM en 30 degrees Celsius gedurende zes dagen. Monitor de celdichtheid met een spectrophotometer wanneer de cellen zich in de midden-logaritmische groeifase bevinden met een OD 730 groter dan één.

Overbreng 50 milliliters van de algenkweek naar een glazen kolf van twee liter die ongeveer één liter gesteriliseerd kweekmedium bevat. Incubeer gedurende vijf dagen, waarbij flu-gas uit aardgasverbranding tijdens de incubatie in de kweek wordt gepompt. Overbreng na vijf dagen de ene liter algenkweek naar een glazen carboy van 20 liter die 15 liters niet-gesteriliseerde kweek bevat.

Kweek de algencultuur gedurende zes dagen onder dezelfde omstandigheden als eerder aangegeven. Plaats zes dagen later 15 liter verse algencultuur en 85 liter niet gesteriliseerd medium in een vlakke plaatfotobioreactor. In de geavanceerde faciliteit voor steenkool- en energiewetenschappen van de universiteit is de fotobioreactor uitgerust met een verwarmings- en koelsysteem.

Lichtemitterende diodes, een computercontroller, een gasmengsel en analysatoren voor de optische dichtheid van de cellen, pH, opgeloste zuurstof, temperatuur en opgeloste kooldioxide. Pomp het rookgas-luchtmengsel in de bioreactor en oogst de biomassa bij een OD 730 groter dan 20. Verzamel na centrifugatie van de culturen de algenbiomassa en giet deze in een tray om verder te drogen.

Ontmantel de fotobioreactor na de oogst en reinig deze grondig door te drogen met 70% ethanol. Begin deze demonstratie door algenkweken te inoculeren bij een initiële OD 730 van ongeveer 0,3 in glazen flessen met 200 milliliters medium per fles; verbrand aardgas en pomp het rookgas door een trechter, een condensatiebuis en een wasfles van 0,5 liter met een kalkslurry in water. De stroom rookgas naar de algenkweek wordt geregeld door de massastroomregelaars.

Rookgaspulsen omvatten twee modi: rookgas aan en rookgas uit; in de laatste modus wordt in plaats daarvan lucht gepompt. Eerdere studies hebben aangetoond dat continue blootstelling aan rookgas de groei van chlorella nadelig beïnvloedt, terwijl een verminderde blootstelling aan koolstofdioxide dit effect verzacht. De tijd verlicht deze inhibitie.

Er is een kinetisch model ontwikkeld om drie methoden te testen om groeiremming door gas te voorkomen. Ten eerste: het handhaven van een lage stroomsnelheid in de kweek om de massaoverdrachtconditie te verminderen. Ten tweede: het toepassen van aan-uitpulsen van rookgas in de kweek.

Ten derde, het beheersen van de samenstellingen van de instromende kooldioxide op het optimale niveau. De aannames, vergelijkingen en parameters die in dit model zijn betrokken, worden hier niet gepresenteerd, maar worden besproken in de bijbehorende protocoltekst. Begin met het opstellen van een Simulink-bestand voor de modelsimulatie.

Kies voor een nieuw modelbestand in de MATLAB-interface om een Simulink-model aan te maken en open de library browser. Selecteer het subsystem-blok in de library browser om de subsystemen voor vergelijking één en twee te creëren. Sleep één subsystem-blok naar het Simulink-modelbestand.

Wijzig de naam in vergelijking één en herhaal vervolgens dezelfde stappen voor vergelijking twee. Maak passende blokken en parameters aan in elk subsysteem. Dubbelklik op het blok van vergelijking één.

Kies de juiste blokken uit de bibliotheekbrowser en verbind deze met pijlen die de berekeningsvolgorde aangeven. Dubbelklik op de blokken om de parameters in te stellen en herhaal deze stappen voor het andere subsysteem. Koppel de twee subsystemen om modelvergelijkingen één en twee weer te geven.

Verbind indien nodig de output van het ene subsysteem met de input van het andere subsysteem met een pijl. Bijvoorbeeld, de concentratie opgeloste koolstofdioxide is de output in het subsysteem van vergelijking twee en tevens de input van het subsysteem van vergelijking één. Gebruik een pulse generator-blok als input voor vergelijking twee om de aan/uit-pulsen van koolstofdioxide te simuleren.

Gebruik het constant blok als de invoerwaarde voor het oppervlaklicht. Dubbelklik op de blokken om parameters zoals de periode, tijd en amplitude te wijzigen. Selecteer het M-blok in de bibliotheekbrowser.

Verbind alle uitgangen met de mux en verbind deze vervolgens met twee workspace-blokken waarin de gesimuleerde resultaten worden opgeslagen. Definieer de stopafstand van de simulatie in de bovenste werkbalk. Klik op de pijlknop om de simulatie te starten, waarna de resultaten in de MATLAB-workspace worden opgeslagen.

Pas tot slot het MATLAB-programma in ondersteunend materiaal twee toe om een dynamische optimalisatiebenadering uit te voeren om optimale koolstofdioxideconcentraties te profileren. In deze studie is, om de relatie tussen rookgas, gasinstroom en algengroei beter te begrijpen, een empirisch model ontwikkeld om biomassagroei in de aanwezigheid van rookgas te simuleren. De in dit model gebruikte parameters worden in deze tabel weergegeven.

Er wordt aangenomen dat rookgas 15% koolstofdioxide bevat. Ten eerste werd de invloed van de massaoverdrachtssnelheid van koolstofdioxide op de algengroei getest. De resulterende grafiek van de uiteindelijke biomassaconcentratie op dag 12 als functie van de massaoverdrachtssnelheid bij continue behandeling met rookgas geeft aan dat een optimale massaoverdrachtssnelheid van 0,17 tot 0,18 per uur in staat is om de remming van de algengroei door het rookgas te verminderen.

Als de massaoverdrachtssnelheid lager of hoger is dan de optimale waarde, zal de algengroei worden verminderd. Hier wordt vergelijking vier van het kinetische model getoond, waarbij PG over V het energieverbruik is van het beluchte systeem in de bioreactor, UGS de oppervlakkige snelheid is van de gasstroom door de bioreactor en alpha, beta en gamma constanten zijn die gerelateerd zijn aan de mengcondities. Deze vergelijking suggereert dat het verminderen van de beluchting en de gasstroom door de cultuur de massaoverdrachtscoëfficiënt kan verlagen.

Deze tabel toont de biomassa-groei met 15% rookgas op dag 12 bij verschillende oppervlakkige gasstroomsnelheden of debieten. Over het algemeen vermindert een laag debiet het rookgasverbruik en de massaoverdrachtssnelheid, wat remming van de algengroei door kooldioxide voorkomt. Het verder verlagen van het debiet door de bioreactor zal echter ertoe leiden dat de massaoverdrachtscoëfficiënt te klein wordt om voldoende kooldioxide voor de algengroei te leveren.

Dit wordt weergegeven door de blauwe lijn in deze grafiek, waarin de biomassagroei bij verschillende massaoverdrachtssnelheden wordt vergeleken. Bij continue rookgasbehandeling vertegenwoordigt de blauwe lijn een KLA van 0,017 per uur. De gele lijn vertegenwoordigt een bijna optimale KLA van 0,17 per uur en de zwarte lijn vertegenwoordigt een KLA van 17 per uur.

Vervolgens werd een aan/uit-pulsmodus voor rookgas geïntroduceerd om groeiremming te voorkomen wanneer de massaoverdrachtssnelheid van het rookgas in de fotobioreactor hoog was; er werden bijvoorbeeld 17 per uur verschillende aan/uit-frequenties getest om de pulsmodus van het rookgas te optimaliseren. De simulatie laat zien dat hoogfrequente rookgaspulsen in staat zijn om de algengroei te bevorderen. Deze eerder getoonde tabel geeft ook aan dat de aan/uit-regelmodus minder rookgas verbruikt dan een continue toevoer van rookgas aan de bioreactor.

Ten derde werden koolstofdioxideconcentratieprofielen voor maximale algengroei berekend met behulp van de hier vermelde modelparameters. De dynamische optimalisatiebenadering laat zien dat de optimale koolstofdioxideconcentraties in de gasfase continu moeten worden verhoogd tijdens de algengroei. Modelsimulaties tonen daarnaast aan dat zowel het aan- en uitschakelen van koolstofdioxidepulsen als de regeling van de optimale koolstofdioxide-invoer gelijkwaardige methoden zijn om de algengroei met rookgas te bevorderen.

Deze grafiek toont een vergelijking van de biomassagroei onder een optimaal kooldioxideprofiel, weergegeven door de gele lijn. De aan-uitfrequentie van 10 seconden gas aan en vijf minuten gas uit wordt weergegeven door de rode lijn, de aan-uitcontrole met een frequentie van 10 seconden gas aan en zeven minuten gas uit wordt weergegeven door de groene lijn, de aan-uitcontrole met een frequentie van één minuut gas aan en 29 minuten gas uit wordt weergegeven door de zwarte lijn, en de continue behandeling met rookgas met 15% carbon dioxide wordt weergegeven door de blauwe lijn. Deze laatste figuur uit een eerdere studie toont een experimentele vergelijking van de biomassagroei met behulp van verschillende benaderingen.

Bij A is het gas 10 seconden aan en zeven minuten uit; bij B is het gas 30 minuten aan en 30 minuten uit; bij C is het gas vijf uur aan en zeven uur uit, en D is cultivatie in schudkolven. In vergelijking met een continue rookgasbehandeling of een kweek in schudkolven wordt een hogere biomassaopbrengst behaald door het gebruik van aan/uit-rookgaspulsen. Bij het opzetten van een op rookgas gebaseerd algobioproces is het belangrijk om computermodellering te gebruiken voor het ontwerpen van optimale groeiprocedures.

Na deze procedure kunnen experimentele tests worden uitgevoerd om de modelvoorspellingen te valideren. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u een massaoverdracht- en bioreactiemodel opstelt om biomassa-groei met CO2 te voorspellen en om de groeiomstandigheden te optimaliseren. Houd er rekening mee dat de modelsimulatie alleen bedoeld is voor een vereenvoudigd homogeen systeem.

Het model kan in de toekomst worden verbeterd door geavanceerdere vloeistofmechanica toe te voegen.