Bilgisayar simülasyonları ile fotobiyoreaktörler içinde Mikroalgler Büyüme teşvik için Baca Gazı ayarlarını optimize

Aşağıdaki protokolün genel amacı, hesaplamalı simülasyonlar aracılığıyla çıkış gazı kontrolünün baca gazı üzerindeki mikroalg büyümesini iyileştirebileceğini göstermek ve alg kültivasyonu ile ölçek büyütme prosedürlerini kanıtlamaktır. Bu, öncelikle farklı kütle aktarım hızları ve çıkış gazı kontrol modları altında mikroalg büyüme koşullarını simüle etmek için kinetik bir model kullanılarak gerçekleştirilir; model denklemleri burada gösterilmektedir. Ardından, alg yetiştirme ve alg kültivasyonunu ölçek büyütme prosedürleri gösterilmektedir.

Ardından, algler küçük bir fotobiyoreaktörde baca gazı altında yetiştirilir. Baca gazı, doğal yanma yoluyla üretilir ve alg sistemine verilmeden önce akış hızları bir kütlesel akış kontrol sistemi ile kontrol edilir. Model simülasyonlarından elde edilen sonuçlar, çıkış gazı kontrolünün substrat inhibisyonunu azaltabileceğini ve baca gazı ile mikroalg büyümesini teşvik edebileceğini göstermektedir.

Gaz açma-kapama gaz kontrolünün ayrıca baca gazı kullanımını azalttığı ve enerji verimliliğini artırdığı gösterilmiştir. Biyoproses için, model güdümlü alg kültürünün baca gazı içeren alg prosesleriyle birlikte biy 에너지 ve biyoremediyasyon alanlarında, endüstriyel baca gazından CO2 emisyonlarının azaltılması, biyoyakıt veya biyokimyasal üretim ve toksik metal iyonlarının giderilmesi gibi konularda faydalı olabileceğini kanıtlıyoruz. Genel olarak, model simülasyonlarına yeni başlayan biyoproses mühendisleri, çok sayıda koşulu zaman alıcı deneylerle test etmek zorunda kalacakları için zorlanacaklardır.

Örneğin, alg büyümesini birçok faktör etkileyebilir ve tüm koşulları incelemek zordur. Bilgisayar simülasyonu ile mikroalg kültürlerini CO2, ışık ve karıştırma koşulları altında anlayıp analiz edebilir, böylece optimize edilmiş baca gazı arıtımı tasarlayabiliriz. Prosedürü Tang Laboratuvarı'ndan Leon Hu Amelia Chen, Yyou, ARU var, DNE ve Larry Page uygulamalı olarak gösterecektir.

Bu prosedüre başlamak için kültür ortamını hazırlayın. Eşlik eden makaledeki tarife uygun olarak, ortamın pH değerini yedi ile sekiz arasına ayarlayın. Kültür ortamını otoklav kullanarak sterilize edin.

Ardından, tek bir koloniden alınan chlorella spirulina'yı steril bir ekim döngüsü kullanarak 50 mililitre besiyeri içeren çalkalamalı bir erlene ekleyin; algleri 150 RPM ve 30 degrees Celsius'te altı gün boyunca kültüre edin. Hücreler logaritmik büyüme fazının ortasına ulaştığında, OD 730 değeri bir'den büyük olduğunda hücre yoğunluğunu bir spektrofotometre ile izleyin.

50 mililitre alg kültürünü, yaklaşık bir litre steril kültür ortamı içeren iki litrelik cam bir erlene aktarın. İnkübasyon boyunca kültüre doğal gaz yanmasından elde edilen baca gazı pompalayarak beş gün boyunca inkübe edin. Beş gün sonra, bir litrelik alg kültürünü 15 litre sterilize edilmemiş kültür içeren 20 litrelik cam bir damacanaya aktarın.

Algleri, daha önce belirtilen koşulların aynısında altı gün boyunca kültürlemede tutun. Altı gün sonra, 15 litre taze alg kültürü ve 85 litre sterilize edilmemiş besiyerini düz plakalı bir fotobiyoreaktöre yerleştirin. Üniversitenin ileri kömür ve enerji araştırma tesisinde bulunan fotobiyoreaktör, bir ısıtma ve soğutma sistemiyle donatılmıştır.

Işık yayan diyotlar, bir bilgisayar kontrolörü, bir gaz karışımı ve hücre optik yoğunluğu, pH, çözünmüş oksijen, sıcaklık ile çözünmüş karbondioksit analizörleri. Baca gazı hava karışımını biyoreaktöre pompalayın, biyokütleyi OD 730 değeri 20'den büyük olduğunda hasat edin. Kültürleri santrifüjledikten sonra algal biyokütleyi toplayın ve daha sonra kurutulmak üzere bir tepsiye dökün.

Hasattan sonra, fotobiyoreaktörü sökün ve %70 etanol kullanarak tamamen kurulayarak temizleyin. Bu demonstrasyona, şişe başına 200 mililitre besiyeri içeren cam şişelerde, yaklaşık 0,3 başlangıç OD 730 değerinde alg kültürleri inoküle ederek başlayın; doğal gaz yakın ve baca gazını bir huni, bir kondenser tüpü ve kireç taşı çamuru içeren 0,5 litrelik bir yıkama şişesi üzerinden pompalayın. Alg kültürüne giren baca gazı akışı, kütle akış kontrolörleri ile kontrol edilir.

Baca gazı darbeleri, baca gazının açık olduğu ve baca gazının kapalı olduğu iki mod içerir; ikinci modda bunun yerine hava pompalanır. Önceki çalışmalar, sürekli baca gazı maruziyetinin chlorella büyümesini olumsuz etkilediğini, ancak karbondioksit maruziyetinin azaltılmasının bu durumu hafiflettiğini göstermiştir. Zamanla bu inhibisyon azalır.

Gaz kaynaklı büyüme inhibisyonunu önlemek için üç yöntemi test etmek amacıyla kinetik bir model geliştirilmiştir. Birincisi, kütle transfer koşulunu azaltmak için kültüre düşük bir akış hızı uygulanmasıdır. İkincisi, kültüre flu gazın kesikli darbeler halinde verilmesidir.

Üçincüsü, giriş karbondioksit bileşimlerini optimal seviyede kontrol etmektir. Bu modelde yer alan varsayımlar, denklemler ve parametreler burada sunulmayacak, ancak beraberindeki protokol metninde tartışılacaktır. Başlamak için, model simülasyonuna yönelik bir Simulink dosyası oluşturun.

Bir Simulink modeli oluşturmak ve kütüphane tarayıcısını açmak için MATLAB arayüzünde "file new model" seçeneğini belirleyin. Birinci ve ikinci denklem için alt sistemler oluşturmak amacıyla kütüphane tarayıcısında "subsystem" bloğunu seçin. Bir alt sistem bloğunu Simulink model dosyasına sürükleyin.

Adını denklem bir olarak değiştirin ve ardından aynı adımları denklem iki için tekrarlayın. Her bir alt sistemde uygun blokları ve parametreleri oluşturun. Denklem bir bloğuna çift tıklayın.

Kütüphane tarayıcısından uygun blokları seçin ve bunları hesaplama sırasını belirten oklarla birbirine bağlayın. Parametreleri ayarlamak için bloklara çift tıklayın ve bu adımları diğer alt sistem için tekrarlayın. Birinci ve ikinci model denklemlerini temsil etmek için iki alt sistemi birbirine bağlayın.

Gerektiğinde, bir alt sistemin çıkışını ok yardımıyla diğer alt sistemin girişine bağlayın. Örneğin, çözünmüş karbondioksit konsantrasyonu, denklem iki alt sisteminin çıkışıyken aynı zamanda denklem bir alt sisteminin girişidir. Açık-kapalı karbondioksit darbelerini simüle etmek için denklem ikisinin girişi olarak darbe üreteç bloğunu kullanın.

Yüzey ışık giriş değeri olarak sabit bloğu kullanın. Periyot, zaman ve genlik gibi parametreleri değiştirmek için bloklara çift tıklayın. Kütüphane tarayıcısından M bloğunu seçin.

Tüm çıkışları bir çoklayıcıya (mux) bağlayın ve ardından bunu simülasyon sonuçlarını kaydeden iki çalışma alanı (workspace) bloğuna bağlayın. Üst araç çubuğunda simülasyon Durdurma süresini (Stop time) tanımlayın. Simülasyonu başlatmak için ok düğmesine tıklayın; sonuçlar MATLAB çalışma alanına kaydedilecektir.

Son olarak, optimal karbondioksit konsantrasyonlarını profillemek için dinamik optimizasyon yaklaşımını uygulamak üzere destekleyici materyal iki'deki MATLAB programını kullanın. Bu çalışmada, baca gazı, gaz girişi ve alg büyümesi arasındaki ilişkiyi daha iyi anlamak için baca gazı varlığında biyokütle büyümesini simüle eden ampirik bir model geliştirilmiştir. Bu modelde kullanılan parametreler bu tabloda gösterilmiştir.

Baca gazının %15 karbondioksit içerdiği varsayılmıştır. İlk olarak, karbondioksitin kütle transfer hızının alg büyümesi üzerindeki etkisi test edilmiştir. Sürekli baca gazı uygulaması altında, 12. gündeki nihai biyokütle konsantrasyonunun kütle transfer hızının bir fonksiyonu olarak çizilen grafik, saatte 0,17 ile 0,18 arasındaki optimal bir kütle transfer hızının, baca gazının alg büyümesi üzerindeki inhibisyonunu azaltabildiğini göstermektedir.

Kütle transfer hızı optimal değerden daha düşük veya daha yüksek olduğunda, alg büyümesi azalacaktır. Burada, V üzerinden PG'nin biyoreaktördeki havalandırılmış sistemin güç tüketimi, UGS'nin biyoreaktör boyunca gaz akışının yüzeysel hızı ve alfa, beta ve gamma'nın karıştırma koşullarıyla ilgili sabitlar olduğu kinetik modelin dördüncü denklemi gösterilmiştir. Bu denklem, havalandırmanın ve kültür boyunca gaz akışının azaltılmasının kütle transfer katsayısını düşürebileceğini öne sürmektedir.

Bu tablo, farklı yüzeysel gaz akış hızlarında veya akış debilerinde, 12. gündeki %15'lik baca gazı ile biyokütle büyümesini göstermektedir. Genel olarak, düşük bir akış debisi baca gazı kullanımını ve kütle transfer hızını azaltır; bu da karbon dioksitin alg büyümesini inhibe etmesini önler. Ancak, biyoreaktördeki akış debisinin daha da azaltılması, kütle transfer katsayısının alg büyümesi için yeterli karbon dioksit sağlayamayacak kadar küçülmesine neden olacaktır.

Bu durum, farklı kütle aktarım hızları ile biyokütle büyümesini karşılaştıran bu grafikteki mavi çizgi ile gösterilmektedir. Sürekli baca gazı işlemi altında, mavi çizgi saatte 0.017'lik bir KLA değerini temsil etmektedir. Sarı çizgi, saate 0.17'lik optimuma yakın bir KLA değerini, siyah çizgi ise saatte 17'lik bir KLA değerini temsil etmektedir.

Ardından, örneğin saatte 17 kez olacak şekilde, fotobiyoreaktördeki baca gazı kütle transfer hızının yüksek olması durumunda meydana gelebilecek büyüme inhibisyonunu aşmak için bir açık-kapalı baca gazı darbe modu uygulanmıştır; baca gazı darbe modunu optimize etmek amacıyla farklı açık-kapalı frekansları test edilmiştir. Simülasyon, yüksek frekanslı baca gazı darbelerinin alg büyümesini teşvik edebildiğini göstermektedir. Daha önce gösterilen bu tablo, açık-kapalı kontrol modunun, biyoreaktöre sürekli baca gazı beslemesine kıyasla daha az baca gazı kullandığını da belirtmektedir.

Üçüncü olarak, maksimum alg büyümesi için karbondioksit konsantrasyon profilleri, burada listelenen model parametreleri kullanılarak hesaplanmıştır. Dinamik optimizasyon yaklaşımı, gaz fazındaki optimal karbondioksit konsantrasyonlarının alg büyümesi sırasında sürekli olarak artırılması gerektiğini göstermektedir. Model simülasyonu ayrıca, hem açık-kapalı karbondioksit darbelerinin hem de optimal karbondioksit giriş kontrolünün, baca gazı ile alg büyümesini teşvik etmek için eşit derecede iyi yöntemler olduğunu göstermektedir.

Bu grafik, sarı çizgi ile temsil edilen optimal bir karbondioksit profili altındaki biyokütle büyümesinin karşılaştırmasını göstermektedir. Kırmızı çizgi ile temsil edilen 10 saniye gaz açık beş dakika gaz kapalı şeklinde olan açık-kapalı frekansı, yeşil çizgi ile temsil edilen 10 saniye gaz açık yedi dakika gaz kapalı şeklinde olan açık-kapalı kontrolü, siyah çizgi ile temsil edilen bir dakika gaz açık 29 dakika gaz kapalı şeklinde olan açık-kapalı kontrolü ve mavi çizgi ile temsil edilen %15 karbon dioksit içeren baca gazı ile yapılan sürekli uygulamayı göstermektedir. Önceki bir çalışmadan alınan bu son şekil, farklı yaklaşımlar kullanılarak biyokütle büyümesinin deneysel bir karşılaştırmasını sunmaktadır.

A, 10 saniye gaz açık ve yedi dakika gaz kapalı; B, 30 dakika gaz açık ve 30 dakika gaz kapalı; C, beş saat gaz açık ve yedi saat gaz kapalı; D ise çalkalamalı balonlarda kültüre etmedir. Sürekli baca gazı uygulamasıyla veya çalkalamalı balon kültürüyle karşılaştırıldığında, açık-kapalı baca gazı darbeleri kullanılarak daha yüksek biyokütle üretimi elde edilmektedir. Baca gazı tabanlı bir alg biyoproses denemesi yapılırken, optimal büyüme operasyonlarını tasarlamak için bilgisayar modellemesi kullanmak önemlidir.

Bu prosedürün ardından, model tahminlerini doğrulamak için deneysel testler gerçekleştirilebilir. Bu videoyu izledikten sonra, CO2 ile biyokütle büyümesini tahmin etmek ve büyüme koşullarını optimize etmek için bir kütle transferi ve biyoreaksiyon modelinin nasıl kurulacağına dair iyi bir anlayışa sahip olmalısınız. Model simülasyonunun yalnızca basitleştirilmiş homojen bir sistem için olduğunu unutmayın.

Model, gelecekte daha gelişmiş akışkanlar mekaniği eklenerek iyileştirilebilir.