Оптимизация дымовых Настройки Газовые поощрять микроводорослей рост в фотобиореакторы через компьютерных вычислений

Общая цель данного протокола заключается в том, чтобы с помощью компьютерного моделирования показать, что управление отходящими газами может улучшить рост микроводорослей на дымовых газах, а также продемонстрировать процедуры культивирования и масштабирования производства водорослей. Для этого сначала используется кинетическая модель для симуляции условий роста микроводорослей при различных скоростях массопереноса в различных режимах управления отходящими газами и профилях концентрации диоксида углерода; уравнения модели представлены здесь. Далее демонстрируются процедуры выращивания водорослей и масштабирования их культивирования.

Впоследствии водоросли выращивают в потоке дымовых газов в небольшом фотобиореакторе. Дымовые газы образуются в результате естественного сгорания; перед подачей в систему с водорослями скорость их потока регулируется системой управления массовым расходом. Результаты имитационного моделирования показывают, что управление отходящими газами может снизить ингибирование субстратом и стимулировать рост микроводорослей при использовании дымовых газов.

Также было показано, что управление подачей дымовых газов в режиме «вкл/выкл» позволяет сократить расход дымовых газов и повысить энергоэффективность. Что касается биопроцесса, мы демонстрируем, что культивирование водорослей под руководством модели с использованием дымовых газов может быть полезным в областях биоэнергетики и биоремедиации, таких как снижение выбросов CO2 из промышленных дымовых газов, производство биотоплива или биохимикатов, а также удаление токсичных ионов металлов. Как правило, инженеры-биопроцессингисты, начинающие работу с имитационным моделированием, сталкиваются с трудностями, поскольку им приходится проверять множество условий с помощью трудоемких экспериментов.

Например, на рост водорослей может влиять множество факторов, и изучить все условия затруднительно. С помощью компьютерного моделирования мы можем изучать и анализировать культуры микроводорослей при различных условиях освещенности, концентрации CO2 и перемешивания, что позволяет нам разработать оптимальную систему очистки дымовых газов. Демонстрацию процедуры проведут Leon Hu, Amelia Chen, Yyou, ARU var, DNE и Larry Page из лаборатории Tang Laboratory.

Для начала данной процедуры приготовьте культуральную среду. Согласно рецепту, приведенному в сопроводительной рукописи, доведите pH среды до значения от семи до восьми. Стерилизуйте культуральную среду в автоклаве.

Затем перенесите культуру chlorella spirulina из одной колонии с нового агаризованного планшета в колбу с перемешиванием, содержащую 50 milliliters среды, используя стерильную инокуляционную петлю; инкубируйте водоросли при 150 RPM и 30 degrees Celsius в течение шести дней. Контролируйте плотность клеток с помощью спектрофотометра; когда клетки перейдут в середину логарифмической фазы роста, значение OD 730 должно быть более одного.

Перенесите 50 мл культуры водорослей в двухлитровый стеклянный флакон, содержащий примерно один литр стерилизованной питательной среды. Инкубируйте в течение пяти дней, подавая в культуру в процессе инкубации дымовые газы сжигания природного газа. Через пять дней перенесите один литр культуры водорослей в 20-литровый стеклянный бутыль, содержащий 15 литров нестерилизованной культуры.

Культивируйте водоросли в среде в тех же условиях, которые были указаны ранее, в течение шести дней. Спустя шесть дней перенесите 15 литров свежей культуры водорослей и 85 литров нестерилизованной среды в плоский пластинчатый фотобиореактор. В университетском центре передовых исследований угля и энергетики фотобиореактор оснащен системой нагрева и охлаждения.

Светоизлучающие диоды, компьютерный контроллер, газовая смесь и анализаторы оптической плотности клеток, pH, растворенного кислорода, температуры и растворенного углекислого газа. Нагнетайте смесь дымовых газов и воздуха в биореактор, собирайте биомассу при OD 730 более 20. После центрифугирования культур соберите биомассу водорослей и перелейте ее в лоток для дальнейшего высушивания.

После сбора урожая разберите фотобиореактор и тщательно очистите его путем протирания 70% ethanol. Начните демонстрацию с инокуляции культур водорослей до начальной OD 730 около 0,3 в стеклянных бутылях, содержащих по 200 milliliters среды в каждой; сжигайте природный газ и прокачивайте дымовые газы через воронку, трубку конденсатора и промывочную бутыль объемом 0,5 liter, содержащую водную суспензию известняка. Поток дымовых газов в культуру водорослей регулируется регуляторами массового расхода.

Импульсы дымовых газов включают два режима: подачу дымовых газов и перерыв в подаче, при котором вместо них перекачивается воздух. Предыдущие исследования показали, что непрерывное воздействие дымовых газов отрицательно влияет на рост chlorella, в то время как снижение экспозиции диоксида углерода уменьшает этот эффект. Со временем данное ингибирование ослабевает.

Была разработана кинетическая модель для проверки трех методов предотвращения ингибирования роста газом. Первый метод заключается в поддержании низкой скорости потока в культуру для снижения интенсивности массопереноса. Второй метод предполагает подачу дымовых газов в культуру короткими импульсами.

В-третьих, контроль состава подаваемого углекислого газа на оптимальном уровне. Допущения, уравнения и параметры, используемые в данной модели, здесь не приводятся, но обсуждаются в сопроводительном тексте протокола. Для начала создайте файл Simulink для моделирования.

В интерфейсе MATLAB выберите «File» → «New Model», чтобы создать модель Simulink, и откройте браузер библиотек (Library Browser). В браузере библиотек выберите блок «Subsystem», чтобы создать подсистемы для уравнений один и два. Перетащите один блок подсистемы в файл модели Simulink.

Переименуйте его в «equation one», а затем повторите те же действия для «equation two». Создайте соответствующие блоки и параметры в каждой подсистеме. Дважды щелкните по блоку equation one.

Выберите соответствующие блоки в браузере библиотек и соедините их стрелками, обозначающими последовательность вычислений. Дважды щелкните по блокам для настройки параметров и повторите эти шаги для другой подсистемы. Свяжите две подсистемы, чтобы представить уравнения модели один и два.

При необходимости соедините выход одной подсистемы со входом другой подсистемы с помощью стрелки. Например, концентрация растворенного углекислого газа является выходом в подсистеме уравнения два и одновременно входом в подсистеме уравнения один. Используйте блок генератора импульсов в качестве входа для уравнения два, чтобы имитировать импульсы подачи и отключения углекислого газа.

Используйте блок constant в качестве значения входного поверхностного освещения. Дважды щелкните по блокам, чтобы изменить такие параметры, как период, время и амплитуда. Выберите блок M в браузере библиотек.

Подключите все выходы к мультиплексору (mux), а затем подключите его к двум блокам workspace, в которых будут храниться результаты моделирования. Определите время окончания моделирования (Stop time) на верхней панели инструментов. Нажмите кнопку со стрелкой для запуска моделирования, после чего результаты будут сохранены в рабочем пространстве MATLAB.

Наконец, используйте программу MATLAB из второго раздела вспомогательных материалов для проведения динамической оптимизации с целью определения профиля оптимальных концентраций диоксида углерода. В данном исследовании для более глубокого понимания взаимосвязи между дымовыми газами, притоком газа и ростом водорослей была разработана эмпирическая модель для имитации роста биомассы в присутствии дымовых газов. Параметры, использованные в этой модели, представлены в данной таблице.

Предполагается, что дымовые газы содержат 15% диоксида углерода. Сначала было изучено влияние скорости массопереноса диоксида углерода на рост водорослей. Полученный график конечной концентрации биомассы на 12-й день в зависимости от скорости массопереноса при непрерывной подаче дымовых газов показывает, что оптимальная скорость массопереноса от 0,17 до 0,18 в час способна снизить ингибирующее действие дымовых газов на рост водорослей.

Если скорость массопереноса ниже или выше оптимального значения, рост водорослей замедлится. Здесь приведено уравнение четыре кинетической модели, где PG/V — энергопотребление аэрируемой системы в биореакторе, UGS — поверхностная скорость газового потока через биореактор, а альфа, бета и гамма — константы, связанные с условиями перемешивания. Данное уравнение указывает на то, что снижение аэрации и газового потока через культуру может привести к уменьшению коэффициента массопереноса.

В этой таблице показан рост биомассы при использовании 15% дымовых газов на 12-й день при различных скоростях поверхностного потока газа или расходах газа. Как правило, низкий расход газа снижает потребление дымовых газов и скорость массопереноса, что предотвращает ингибирование роста водорослей углекислым газом. Однако дальнейшее снижение расхода газа через биореактор приведет к тому, что коэффициент массопереноса станет слишком малым для обеспечения достаточного количества углекислого газа для роста водорослей.

Это показано синей линией на данном графике, который сравнивает рост биомассы при различных скоростях массопереноса. При непрерывной очистке дымовых газов синяя линия соответствует KLA 0,017 в час. Желтая линия представляет почти оптимальное значение KLA 0,17 в час, а черная линия — KLA 17 в час.

Затем был введен импульсный режим подачи дымовых газов (вкл/выкл), чтобы преодолеть ингибирование роста в случае высокой скорости массопереноса дымовых газов в фотобиореакторе; например, для оптимизации импульсного режима подачи дымовых газов были протестированы различные частоты включения и выключения (17 в час). Моделирование показывает, что высокочастотные импульсы дымовых газов способны стимулировать рост водорослей. Эта таблица, представленная ранее, также указывает на то, что режим управления вкл/выкл требует меньше дымовых газов, чем непрерывная подача дымовых газов в биореактор.

В-третьих, профили концентрации диоксида углерода для максимального роста водорослей были рассчитаны с использованием приведенных здесь параметров модели. Подход динамической оптимизации показывает, что оптимальные концентрации диоксида углерода в газовой фазе должны непрерывно увеличиваться в процессе роста водорослей. Моделирование также показывает, что как прерывистые импульсы диоксида углерода, так и контроль оптимального подачи диоксида углерода являются одинаково эффективными методами стимулирования роста водорослей при использовании дымовых газов.

На этом графике представлено сравнение роста биомассы при оптимальном профиле подачи диоксида углерода, обозначенном желтой линией. Также показаны: частота включения/выключения (10 секунд подачи газа, пять минут перерыва), обозначенная красной линией; контрольная группа с циклом включения/выключения (10 секунд подачи газа, семь минут перерыва), обозначенная зеленой линией; контрольная группа с циклом включения/выключения (одна минута подачи газа, 29 минут перерыва), обозначенная черной линией; и режим непрерывной подачи дымовых газов, содержащих 15% carbon dioxide, обозначенный синей линией. Эта итоговая фигура из предыдущего исследования демонстрирует экспериментальное сравнение роста биомассы при использовании различных подходов.

Вариант A представляет собой 10 секунд подачи газа и семь минут перерыва; B — 30 минут подачи газа и 30 минут перерыва; C — пять часов подачи газа и семь часов перерыва; а D — культивирование в колбах с перемешиванием. По сравнению с непрерывной подачей дымовых газов или культивированием в колбах с перемешиванием, более высокий выход биомассы достигается при использовании импульсной подачи дымовых газов (циклы «вкл/выкл»). При разработке альго-биопроцессов на основе дымовых газов важно использовать компьютерное моделирование для проектирования оптимальных режимов роста.

После выполнения данной процедуры можно провести экспериментальные испытания для проверки прогнозов модели. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как построить модель массопереноса и биохимической реакции для прогнозирования роста биомассы при использовании CO2 и оптимизации условий роста. Имейте в виду, что имитационное моделирование предназначено только для упрощенной гомогенной системы.

В будущем модель можно будет усовершенствовать, добавив в нее более сложные механизмы гидродинамики.