Otimizar Configurações de gases de combustão para promover o crescimento de microalgas em fotobiorreatores via simulações de computador

O objetivo geral do seguinte protocolo é demonstrar que o controle de gás residual pode melhorar o crescimento de microalgas em gás de chaminé por meio de simulações computacionais, e mostrar os procedimentos para o cultivo e a ampliação do cultivo de algas. Isso é alcançado primeiramente utilizando um modelo cinético para simular as condições de crescimento de microalgas sob diferentes taxas de transferência de massa em modos de controle de gás residual, sendo que os perfis de concentração de dióxido de carbono apresentados aqui correspondem às equações do modelo. Em seguida, são demonstrados os procedimentos para o cultivo de algas e a ampliação do cultivo algal.

Posteriormente, as algas são cultivadas sob gás de combustão em um pequeno biorreator fotobiológico. O gás de combustão é gerado pela combustão natural e suas vazões são controladas por um sistema de controle de fluxo de massa antes de ser introduzido no sistema algal. Os resultados das simulações do modelo mostram que o controle do gás de saída pode reduzir a inibição do substrato e promover o crescimento microalgal com o gás de combustão.

Mostrou-se também que o controle de gás liga-desliga reduz o uso de gás residual e melhora a eficiência energética. Para o processo biológico, estamos demonstrando o cultivo de algas orientado por modelo, com processos de algas utilizando gás residual, o que pode ser útil nos campos da bioenergia e da biorremediação, como na redução de emissões de CO2 a partir de efluentes industriais, gás residual, produção de biocombustíveis ou bioquímicos, e na remoção de íons metálicos tóxicos. Em geral, engenheiros de bioprocessos novos em simulações por modelos enfrentarão dificuldades, pois precisam testar muitas condições por meio de experimentos demorados.

Por exemplo, muitos fatores podem influenciar o crescimento de algas e é difícil examinar todas as condições. Com a simulação computacional, podemos compreender e analisar culturas de microalgas sob condições de CO2, luz e mistura, de modo que possamos projetar um tratamento ideal de gases de escape. Demonstrarão o procedimento Leon Hu, Amelia Chen, Yyou, ARU var, DNE e Larry Page do Laboratório Tang.

Para iniciar este procedimento, prepare o meio de cultura. Seguindo a receita descrita no manuscrito suplementar, ajuste o pH do meio entre sete e oito. Esterilize o meio de cultura utilizando o autoclave.

Em seguida, inocular Chlorella spirulina a partir de uma única colônia em uma placa de ágar fresca em um frasco agitado contendo 50 mililitros de meio, utilizando uma alça de inoculação estéril, cultivando as algas a 150 rpm e 30 graus Celsius por seis dias. Monitorar a densidade celular por espectrofotômetro quando as células estiverem na fase logarítmica de crescimento médio, com OD 730 maior que um.

Transfira 50 mililitros da cultura de algas para um frasco de vidro de dois litros contendo aproximadamente um litro de meio de cultura esterilizado. Incube o meio por cinco dias, bombeando gás fluente proveniente da combustão de gás natural para dentro da cultura durante a incubação. Após cinco dias, transfira a cultura de algas de um litro para um garrafão de vidro de 20 litros contendo 15 litros de meio de cultura não esterilizado.

Cultive as algas em meio sob as mesmas condições indicadas anteriormente por seis dias. Seis dias depois, coloque 15 litros de cultura fresca de algas e 85 litros de meio não esterilizado em um fotobiorreator de placa plana. Na instalação avançada de pesquisa em carvão e energia da universidade, o fotobiorreator é equipado com um sistema de aquecimento e refrigeração.

Diodos emissores de luz, um controlador de computador, uma mistura de gás e analisadores para densidade óptica celular, pH, temperatura de oxigênio dissolvido e dióxido de carbono dissolvido. Bombeie a mistura de gás de chaminé e ar para o biorreator, colha a biomassa em OD 730 maior que 20. Após centrifugar as culturas, colete a biomassa de algas e despeje-a em uma bandeja para secagem adicional.

Após a colheita, desmonte e limpe completamente o biorreator fotobiológico com etanol 70%. Inicie esta demonstração inoculando culturas de algas com uma OD inicial de 730 de aproximadamente 0,3 em frascos de vidro contendo 200 mililitros de meio por frasco, queime gás natural e borbulhe o gás de exaustão através de um funil, um tubo condensador e uma garrafa de lavagem de 0,5 litro contendo uma suspensão aquosa de calcário. O fluxo de gás de exaustão para a cultura de algas é controlado por controladores de fluxo de massa.

Os pulsos de gás de chaminé incluem dois modos: gás de chaminé ligado e gás de chaminé desligado, sendo que o último modo bombeia ar em vez disso. Estudos anteriores indicaram que a exposição contínua ao gás de chaminé afeta negativamente o crescimento de chlorella, ao mesmo tempo que reduz a exposição ao dióxido de carbono. O tempo atenua essa inibição.

Um modelo cinético foi desenvolvido para testar três métodos para evitar a inibição do crescimento pelo gás. Um deles é manter uma baixa taxa de fluxo para dentro do cultivo, reduzindo assim a condição de transferência de massa. O segundo, pulsos intermitentes de gás flu no cultivo.

Três, controlar as composições de dióxido de carbono de entrada no nível ideal. As suposições, equações e parâmetros envolvidos neste modelo não serão apresentados aqui, mas são discutidos no texto do protocolo correspondente. Para começar, construa um arquivo Simulink para a simulação do modelo.

Escolha o arquivo novo modelo na interface do MATLAB para criar um modelo Simulink e abra o navegador de biblioteca. Escolha o bloco de subsistema no navegador de biblioteca para criar os subsistemas para as equações um e dois. Arraste um bloco de subsistema para o arquivo de modelo Simulink.

Altere o nome para equação um e, em seguida, repita os mesmos passos para a equação dois. Crie blocos e parâmetros apropriados em cada subsistema. Dê dois cliques no bloco da equação um.

Escolha blocos apropriados do navegador de biblioteca e conecte-os com setas que indicam a sequência de cálculo. Dê um duplo clique nos blocos para configurar os parâmetros e repita esses passos para o outro subsistema. Conecte os dois subsistemas para representar as equações do modelo um e dois.

Conecte a saída de um subsistema à entrada do outro subsistema por meio de uma seta, se necessário. Por exemplo, a concentração de dióxido de carbono dissolvido é a saída no subsistema da equação dois e também a entrada do subsistema da equação um. Utilize o bloco gerador de pulso como entrada para a equação dois para simular os pulsos liga-desliga de dióxido de carbono.

Utilize o bloco constante como valor de entrada de luz na superfície. Dê dois cliques nos blocos para alterar os parâmetros, como período, tempo e amplitude. Escolha o bloco M no navegador de biblioteca.

Conecte todas as saídas ao mux e, em seguida, conecte-o a dois blocos de espaço de trabalho que armazenarão os resultados simulados. Defina o tempo de parada da simulação na barra de ferramentas superior. Clique no botão de seta para iniciar a simulação e os resultados serão armazenados no espaço de trabalho do MATLAB.

Por fim, aplique o programa MATLAB no material de apoio dois para realizar uma abordagem de otimização dinâmica com o objetivo de traçar perfis de concentrações ótimas de dióxido de carbono. Neste estudo, para compreender melhor a relação entre gás de combustão, fluxo de gás e crescimento algal, foi desenvolvido um modelo empírico para simular o crescimento da biomassa na presença de gás de combustão. Os parâmetros utilizados neste modelo são apresentados nesta tabela.

Presume-se que o gás de chaminé contenha 15% de dióxido de carbono. Em primeiro lugar, testou-se a influência da taxa de transferência de massa de dióxido de carbono no crescimento algal. O gráfico resultante da concentração final de biomassa no dia 12 em função da taxa de transferência de massa sob tratamento contínuo com gás de chaminé indica que uma taxa de transferência de massa ótima entre 0,17 e 0,18 por hora é capaz de reduzir a inibição do crescimento algal pelo gás de chaminé.

Se a taxa de transferência de massa for menor ou maior que o valor ideal, o crescimento algal será reduzido. É mostrada aqui a equação quatro do modelo cinético, onde PG sobre V é o consumo de energia do sistema aerado no biorreator, UGS é a velocidade superficial do fluxo de gás através do biorreator e alfa, beta e gama são constantes relacionadas às condições de mistura. Esta equação sugere que a redução da aeração e do fluxo de gás através do cultivo pode diminuir o coeficiente de transferência de massa.

Esta tabela mostra o crescimento da biomassa com gás flu a 15% no dia 12 sob diferentes velocidades superficiais de fluxo de gás ou taxas de fluxo. Geralmente, uma taxa de fluxo baixa reduz o uso de gás flu e a taxa de transferência de massa, o que previne a inibição do crescimento de algas pelo dióxido de carbono. No entanto, reduzir ainda mais a taxa de fluxo através do biorreator fará com que o coeficiente de transferência de massa fique muito pequeno para fornecer quantidade suficiente de dióxido de carbono para o crescimento de algas.

Isso é mostrado pela linha azul neste gráfico, que compara o crescimento da biomassa com diferentes taxas de transferência de massa. Sob tratamento contínuo com gás flu, a linha azul representa um KLA de 0,017 por hora. A linha amarela representa um KLA próximo ao ideal de 0,17 por hora, e a linha preta representa um KLA de 17 por hora.

Em seguida, foi introduzido um modo de pulso de gás residual liga-desliga para superar a inibição do crescimento caso a taxa de transferência de massa do gás residual fosse alta no fotobiorreator, por exemplo, 17 por hora. Para otimizar o modo de pulso de gás residual, diferentes frequências de liga-desliga foram testadas. A simulação mostra que pulsos de gás residual de alta frequência são capazes de promover o crescimento algal. Esta tabela, que foi mostrada anteriormente, também indica que o modo de controle liga-desliga utiliza menos gás residual do que a alimentação contínua de gás residual no biorreator.

Em terceiro lugar, foram calculados perfis de concentração de dióxido de carbono para o crescimento máximo de algas utilizando os parâmetros do modelo listados aqui. A abordagem de otimização dinâmica mostra que as concentrações ótimas de dióxido de carbono na fase gasosa devem ser continuamente aumentadas durante o crescimento algal. A simulação do modelo também mostra que tanto os pulsos liga-desliga de dióxido de carbono quanto o controle da entrada ótima de dióxido de carbono são métodos igualmente eficazes para promover o crescimento algal com gás de chaminé.

Este gráfico mostra uma comparação do crescimento da biomassa sob um perfil ideal de dióxido de carbono, representado pela linha amarela. O controle liga-desliga com frequência de 10 segundos de gás ligado e cinco minutos de gás desligado, representado pela linha vermelha; controle liga-desliga com frequência de 10 segundos de gás ligado e sete minutos de gás desligado, representado pela linha verde; controle liga-desliga com frequência de um minuto de gás ligado e 29 minutos de gás desligado, representado pela linha preta; e o tratamento contínuo com gás fluído contendo 15% de dióxido de carbono, representado pela linha azul. Esta figura final de um estudo anterior mostra uma comparação experimental do crescimento da biomassa utilizando diferentes abordagens.

A é 10 segundos com gás ligado e sete minutos com gás desligado; B é 30 minutos com gás ligado e 30 minutos com gás desligado; C é cinco horas com gás ligado e sete horas com gás desligado; e D é o cultivo em frascos agitados. Em comparação com um tratamento contínuo com gás flu ou um cultivo em frasco agitado, obtém-se maior produção de biomassa utilizando pulsos intermitentes de gás flu. Ao tentar um bioprocesso baseado em gás flu, é importante usar modelagem computacional para projetar operações de crescimento ideais.

Após este procedimento, testes experimentais podem ser realizados para validar as previsões do modelo. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como construir um modelo de transferência de massa e reação bioquímica para prever o crescimento da biomassa com CO2 e para otimizar as condições de crescimento. Tenha em mente que a simulação do modelo é válida apenas para um sistema homogêneo simplificado.

O modelo pode ser aprimorado com a adição de mecânicas de fluidos mais sofisticadas no futuro.