Optymalizacja ustawień spalin w celu promowania wzrostu mikroalg w fotobioreaktorach za pomocą symulacji komputerowych

Ogólnym celem poniższego protokołu jest wykazanie, że kontrola gazów wylotowych może poprawić wzrost mikroalg zasilanych gazami spalinowymi za pomocą symulacji komputerowych oraz zaprezentowanie procedur hodowli alg i skalowania procesu. Osiągnięto to najpierw poprzez zastosowanie modelu kinetycznego do symulacji warunków wzrostu mikroalg przy różnych szybkościach przenoszenia masy w różnych trybach kontroli gazów wylotowych i profilach stężenia dwutlenku węgla; tutaj przedstawiono równania modelu. Następnie zaprezentowano procedury hodowli alg oraz skalowania ich uprawy.

Następnie algi są hodowane w obecności gazów spalinowych w małym fotobioreaktorze. Gazy spalinowe powstają w wyniku spalania naturalnego, a ich natężenie przepływu jest regulowane przez system sterowania masowym przepływem przed wprowadzeniem do układu algowego. Wyniki symulacji modelowych wykazują, że sterowanie gazami odpadowymi może ograniczyć inhibicję substratową i promować wzrost mikroalg w obecności gazów spalinowych.

Wykazano również, że sterowanie włączaniem i wyłączaniem dopływu gazu zmniejsza zużycie gazów odlotowych i poprawia efektywność energetyczną. W odniesieniu do procesu biologicznego demonstrujemy, że sterowana modelem hodowla alg z wykorzystaniem gazów odlotowych może być użyteczna w dziedzinach bioenergii i bioremediacji, takich jak redukcja emisji CO2 z przemysłowych gazów odlotowych, produkcja biopaliw lub biochemikaliów oraz usuwanie toksycznych jonów metali. Zazwyczaj inżynierowie bioprocesowi, którzy nie mają doświadczenia w symulacjach modelowych, napotykają trudności, ponieważ muszą testować wiele warunków za pomocą czasochłonnych eksperymentów.

Na przykład na wzrost alg może wpływać wiele czynników, co utrudnia zbadanie wszystkich warunków. Dzięki symulacji komputerowej możemy zrozumieć i przeanalizować hodowle mikroalg w zależności od stężenia CO2, oświetlenia i mieszania, co pozwala nam zaprojektować optymalne oczyszczanie gazów odlotowych. Procedurę zaprezentują Leon Hu, Amelia Chen, Yyou, ARU var, DNE oraz Larry Page z Laboratorium Tanga.

Aby rozpocząć tę procedurę, należy przygotować pożywkę hodowlaną. Zgodnie z przepisem zawartym w towarzyszącym manuskrypcie, należy dostosować pH pożywki do zakresu od 7 do 8. Pożywkę hodowlaną należy wysterylizować w autoklawie.

Następnie z pojedynczej kolonii zaszczep chlorellę spirulinę z nowej płytki z agarem do kolby z wytrząsarką zawierającej 50 milliliters medium, używając sterylnej pętli szczepiącej, i hoduj algi przy 150 RPM i 30 degrees Celsius przez sześć dni. Monitoruj gęstość komórek za pomocą spektrofotometru; gdy komórki znajdują się w środkowej fazie wzrostu logarytmicznego, wartość OD 730 powinna być większa niż jeden.

Przenieś 50 mililitrów kultury glonów do dwulitrowej kolby szklanej zawierającej około jednego litra sterylnego pożywienia. Inkubuj przez pięć dni, tłocząc do kultury podczas inkubacji gaz procesowy z procesu spalania gazu ziemnego. Po pięciu dniach przenieś jeden litr kultury glonów do 20-litrowego szklanego gąsiora zawierającego 15 litrów niesterylnej kultury.

Hodowano algi w pożywce w tych samych warunkach, o których wspomniano wcześniej, przez sześć dni. Po sześciu dniach przelewano 15 litrów świeżej kultury alg oraz 85 litrów niesterylizowanej pożywki do płaskiego fotobioreaktora płytowego. W zaawansowanym centrum badań nad węglem i energią uniwersytetu fotobioreaktor ten jest wyposażony w system grzewczy i chłodniczy.

Diody emitujące światło, sterownik komputerowy, mieszanina gazów oraz analizatory gęstości optycznej komórek, pH, tlenu rozpuszczonego, temperatury i dwutlenku węgla rozpuszczonego. Pompowano mieszaninę powietrza i gazów spalinowych do bioreaktora, a biomasę zbierano przy OD 730 większej niż 20. Po odwirowaniu kultur zebrano biomasę algową i przelano ją do tacy w celu dalszego suszenia.

Po zbiorze rozebrać i dokładnie oczyścić na sucho fotobioreaktor, używając 70% ethanol. Rozpocząć demonstrację od zaszczepienia kultur alg do początkowej gęstości optycznej OD 730 wynoszącej około 0,3 w szklanych butelkach zawierających 200 milliliters pożywki w każdej butelce, spalać gaz ziemny i pompować spaliny przez lejek, rurkę kondensacyjną oraz 0,5 literową butelkę płuczkową zawierającą zawiesinę wapienia w wodzie. Przepływ spalin do kultury alg jest kontrolowany przez kontrolery przepływu masowego.

Impulsy spalin obejmują dwa tryby: dopływ spalin oraz brak dopływu spalin, przy czym w tym drugim trybie pompowane jest powietrze. Wcześniejsze badania wykazały, że ciągła ekspozycja na spaliny niekorzystnie wpływa na wzrost chlorella, podczas gdy zmniejszenie ekspozycji na dwutlenek węgla ogranicza to zjawisko. Z czasem inhibicja ta ustępuje.

Opracowano model kinetyczny w celu przetestowania trzech metod zapobiegania hamowaniu wzrostu przez gaz. Pierwsza polega na utrzymaniu niskiego przepływu do hodowli w celu ograniczenia warunków transportu masy. Druga opiera się na impulsowym podawaniu gazu w cyklach włącz/wyłącz do hodowli.

Po trzecie, kontrolowanie składu dopływającego dwutlenku węgla na optymalnym poziomie. Założenia, równania i parametry wykorzystane w tym modelu nie zostaną tutaj przedstawione, lecz są omówione w towarzyszącym tekście protokołu. Na początek należy utworzyć plik Simulink do symulacji modelu.

W interfejsie MATLAB wybierz opcję nowego modelu, aby utworzyć model Simulink i otworzyć przeglądarkę bibliotek. W przeglądarce bibliotek wybierz blok podsystemu, aby utworzyć podsystemy dla równania pierwszego i drugiego. Przeciągnij jeden blok podsystemu do pliku modelu Simulink.

Zmień jego nazwę na equation one, a następnie powtórz te same kroki dla equation two. Utwórz odpowiednie bloki i parametry w każdym podsystemie. Kliknij dwukrotnie blok equation one.

Wybierz odpowiednie bloki z przeglądarki biblioteki i połącz je strzałkami oznaczającymi sekwencję obliczeń. Kliknij dwukrotnie bloki, aby ustawić parametry, a następnie powtórz te kroki dla drugiego podsystemu. Połącz oba podsystemy, aby odwzorować równania modelu jeden i dwa.

Jeśli jest to konieczne, połącz wyjście jednego podsystemu z wejściem drugiego za pomocą strzałki. Na przykład stężenie rozpuszczonego dwutlenku węgla jest wyjściem w podsystemie równania dwa oraz wejściem w podsystemie równania jeden. Użyj bloku generatora impulsów jako wejścia dla równania dwa, aby zasymulować impulsowe podawanie i odcinanie dwutlenku węgla.

Użyj bloku constant jako wartości wejściowej dla światła powierzchniowego. Kliknij dwukrotnie bloki, aby zmienić parametry, takie jak okres, czas i amplituda. Wybierz blok M w przeglądarce biblioteki.

Podłącz wszystkie wyjścia do multipleksera (mux), a następnie podłącz go do dwóch bloków workspace służących do przechowywania wyników symulacji. Zdefiniuj czas zakończenia symulacji (Stop time) na górnym pasku narzędzi. Kliknij przycisk strzałki, aby rozpocząć symulację; wyniki zostaną zapisane w obszarze roboczym (workspace) MATLAB.

Na koniec należy zastosować program MATLAB zawarty w materiale pomocniczym dwa, aby przeprowadzić dynamiczną optymalizację w celu wyznaczenia optymalnych profili stężeń dwutlenku węgla. W niniejszym badaniu, aby lepiej zrozumieć zależność między gazami spalinowymi, dopływem gazu a wzrostem alg, opracowano model empiryczny symulujący wzrost biomasy w obecności gazów spalinowych. Parametry wykorzystane w tym modelu przedstawiono w poniższej tabeli.

Przyjęto, że gaz spalinowy zawiera 15% dwutlenku węgla. W pierwszej kolejności zbadano wpływ szybkości przenoszenia masy dwutlenku węgla na wzrost alg. Wynikowy wykres końcowego stężenia biomasy w 12. dniu jako funkcji szybkości przenoszenia masy podczas ciągłego napowietrzania gazem spalinowym wskazuje, że optymalna szybkość przenoszenia masy wynosząca od 0,17 do 0,18 na godzinę pozwala zredukować hamowanie wzrostu alg przez gazy spalinowe.

Jeśli szybkość transferu masy jest niższa lub wyższa od wartości optymalnej, wzrost alg zostanie zahamowany. Przedstawiono tutaj równanie czwarte modelu kinetycznego, w którym PG/V to pobór mocy systemu napowietrzanego w bioreaktorze, UGS to prędkość liniowa przepływu gazu przez bioreaktor, a alfa, beta i gamma są stałymi związanymi z warunkami mieszania. Równanie to sugeruje, że zmniejszenie napowietrzania i przepływu gazu przez kulturę może obniżyć współczynnik transferu masy.

Tabela ta przedstawia przyrost biomasy przy zastosowaniu 15% gazu spalinowego w 12. dniu dla różnych powierzchniowych prędkości przepływu gazu lub natrzeń przepływu. Zazwyczaj niskie natężenie przepływu zmniejsza zużycie gazu spalinowego i szybkość transferu masy, co zapobiega hamowaniu wzrostu alg przez dwutlenek węgla. Jednak dalsze zmniejszanie natężenia przepływu przez bioreaktor spowoduje, że współczynnik transferu masy stanie się zbyt mały, aby zapewnić wystarczającą ilość dwutlenku węgla dla wzrostu alg.

Pokazuje to niebieska linia na tym wykresie, który porównuje przyrost biomasy przy różnych współczynnikach przeniesienia masy. W warunkach ciągłego oczyszczania gazów spalinowych niebieska linia reprezentuje KLA na poziomie 0,017 na godzinę. Żółta linia reprezentuje niemal optymalną wartość KLA wynoszącą 0,17 na godzinę, a czarna linia reprezentuje KLA na poziomie 17 na godzinę.

Następnie, aby przezwyciężyć zahamowanie wzrostu w przypadku wysokiego tempa transferu masy gazu flu w fotobioreaktorze, wprowadzono tryb impulsowy włącz/wyłącz (np. 17 impulsów na godzinę); w celu optymalizacji tego trybu przetestowano różne częstotliwości przełączania. Symulacja wykazuje, że wysokoczęstotliwościowe impulsy gazu flu są w stanie promować wzrost alg. Tabela przedstawiona wcześniej wskazuje również, że tryb sterowania włącz/wyłącz zużywa mniej gazu flu niż ciągłe zasilanie bioreaktora tym gazem.

Po trzecie, przy użyciu wymienionych tutaj parametrów modelu obliczono profile stężeń dwutlenku węgla zapewniające maksymalny wzrost alg. Podejście oparte na optymalizacji dynamicznej wykazuje, że optymalne stężenia dwutlenku węgla w fazie gazowej powinny być stale zwiększane w trakcie wzrostu alg. Symulacja modelu wykazuje również, że zarówno pulsacyjne podawanie dwutlenku węgla, jak i kontrola optymalnego dopływu dwutlenku węgla są równie skutecznymi metodami stymulowania wzrostu alg przy użyciu gazów spalinowych.

Wykres ten przedstawia porównanie przyrostu biomasy przy optymalnym profilu dwutlenku węgla, reprezentowanym przez żółtą linię. Częstotliwość włączania i wyłączania wynosząca 10 sekund podawania gazu i pięć minut przerwy została przedstawiona przez czerwoną linię; kontrola włącz/wyłącz przy częstotliwości 10 sekund podawania gazu i siedmiu minut przerwy została przedstawiona przez zieloną linię; kontrola włącz/wyłącz przy częstotliwości jednej minuty podawania gazu i 29 minut przerwy została przedstawiona przez czarną linię, a traktowanie ciągłe gazem wylotowym zawierającym 15% carbon dioxide zostało przedstawione przez niebieską linię. Ta końcowa rycina z poprzedniego badania pokazuje eksperymentalne porównanie przyrostu biomasy z zastosowaniem różnych podejść.

Wariant A to 10 sekund podawania gazu i siedem minut przerwy, wariant B to 30 minut podawania gazu i 30 minut przerwy, wariant C to pięć godzin podawania gazu i siedem godzin przerwy, a wariant D to hodowla w kolbach z wytrząsaniem. W porównaniu do ciągłego napowietrzania gazami spalinowymi lub hodowli w kolbach z wytrząsaniem, wyższą produkcję biomasy uzyskuje się stosując pulsacyjne podawanie gazów spalinowych w cyklach włącz/wyłącz. Podczas projektowania algowych bioprocesów opartych na gazach spalinowych ważne jest wykorzystanie modelowania komputerowego do opracowania optymalnych warunków wzrostu.

Po wykonaniu tej procedury można przeprowadzić testy eksperymentalne w celu walidacji przewidywań modelu. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś mieć dobrą wiedzę na temat tego, jak budować model transferu masy i bioreakcji w celu przewidywania wzrostu biomasy z CO2 oraz optymalizacji warunków wzrostu. Należy pamiętać, że symulacja modelu dotyczy wyłącznie uproszczonego układu homogenicznego.

Model można ulepszyć w przyszłości poprzez wprowadzenie bardziej zaawansowanej mechaniki płynów.