Optimiser les réglages des gaz de combustion pour la promotion de la croissance des microalgues en photobioréacteurs via des simulations informatiques

L’objectif global du protocole suivant est de montrer que le contrôle des gaz hors gaz peut améliorer la croissance des micro-algues sur les gaz de la grippe via des simulations informatiques, et de démontrer les procédures de culture et de mise à l’échelle des algues. Ceci est réalisé en utilisant d’abord un modèle cinétique pour simuler les conditions de croissance des micro-algues sous différents taux de transfert de masse sur les modes de contrôle des effluents gazeux et les profils de concentration de dioxyde de carbone illustrés ici sont les équations du modèle. Ensuite, les procédures de culture d’algues et d’expansion de la culture du lgal sont démontrées.

Par la suite, les algues sont cultivées sous le gaz de la grippe dans un petit photobioréacteur. Le gaz de la grippe est généré par combustion naturelle et ses débits sont contrôlés par un système de contrôle du débit massique avant d’être introduits dans le système lgal. Les résultats des simulations du modèle montrent que le contrôle des gaz d’arrêt peut réduire l’inhibition du substrat et favoriser la croissance des microalgues avec la grippe.

Il a également été démontré que le contrôle du gaz sur les gaz hors gaz réduit l’utilisation de gaz de grippe et améliore l’efficacité énergétique. Pour le bioprocédé, nous démontrons que la culture d’algues guidée par modèle avec des procédés d’algues de gaz de la grippe peut être utile dans les domaines de la bioénergie et de la bioremédiation, tels que la réduction des émissions de CO2 de la grippe industrielle, des gaz, des biocarburants ou de la production biochimique et l’élimination des ions métalliques toxiques. En général, les ingénieurs en bioprocédés qui débutent dans les simulations de modèles auront du mal car ils doivent tester de nombreuses conditions par des expériences chronophages.

Par exemple, de nombreux facteurs peuvent influer sur la croissance des algues et il est difficile d’examiner toutes les conditions. Grâce à la simulation informatique, nous pouvons comprendre et analyser les cultures de microalgues sous la lumière CO2 et dans des conditions de mélange afin de concevoir un traitement optimal des gaz de grippe. Leon Hu Amelia Chen, Yyou, ARU var, DNE et Larry Page du Laboratoire Tang feront la démonstration de la procédure.

Pour commencer cette procédure, préparez le milieu de culture. En suivant la recette du manuscrit ci-joint, ajustez le pH moyen à sept à huit. Stérilisez le milieu de culture à l’aide de l’autoclave.

Ensuite, inoculez la chlorella spirulina d’une seule colonie sur une plaque de gélose fraîche dans un flacon agitateur contenant 50 millilitres de milieu avec une boucle d’inoculation stérile d’algues à 150 tr/min et 30 degrés Celsius pendant six jours. Surveillez la densité cellulaire à l’aide d’un spectrophotomètre lorsque les cellules sont au milieu. Phase de croissance logarithmique avec OD 730 supérieur à un.

Transvaser 50 millilitres de culture d’algues dans une fiole en verre de deux litres contenant environ un litre de culture stérilisée. Incuber à moyen pendant cinq jours en pompant le gaz de la grippe provenant de la combustion du gaz naturel dans la culture pendant l’incubation. Après cinq jours, transférez la culture d’algues d’un litre dans une tourie en verre de 20 litres contenant 15 litres de culture non stérilisée.

Cultiver moyennement les algues dans les mêmes conditions que celles indiquées précédemment pendant six jours. Six jours plus tard, 15 litres de culture d’algues fraîches et 85 litres de milieu non stérilisé ont été placés dans un photobioréacteur à plaque plate. Dans le centre de recherche avancé sur le charbon et l’énergie de l’université, le photobioréacteur est équipé d’un système de chauffage et de refroidissement.

Des diodes électroluminescentes, un contrôleur informatique, un mélange gazeux et des analyseurs pour la densité optique des cellules, le pH, la température de l’oxygène dissous et le dioxyde de carbone dissous. Pompez le mélange d’air de combustion dans le bioréacteur, récoltez la biomasse à OD 730 supérieure à 20. Après avoir centrifugé les cultures, récupérez la biomasse d’algues et versez-la dans un bac pour un séchage ultérieur.

Après la récolte, démontez et nettoyez soigneusement à sec le photobioréacteur avec de l’éthanol à 70 %. Commencez cette démonstration en inoculant des cultures d’algues à une OD initiale de 730 d’environ 0,3 dans des bouteilles en verre contenant 200 millilitres de milieu par bouteille, brûlez du gaz naturel et pompez les gaz de combustion à travers un entonnoir, un tube de condensation et une bouteille de lavage de 0,5 litre contenant une boue d’eau calcaire. Le flux de gaz de combustion dans la culture d’algues est contrôlé par les régulateurs de débit massique.

Les impulsions de gaz de combustion comprennent deux modes, la grippe, le gaz allumé et le gaz de grippe éteint, ce dernier mode pompant de l’air à la place. Des études antérieures ont indiqué que l’exposition continue au gaz de la grippe affecte négativement la croissance de la chlorelle tout en diminuant l’exposition au dioxyde de carbone. Le temps atténue cette inhibition.

Un modèle cinétique a été mis au point pour tester trois méthodes permettant d’éviter l’inhibition de la croissance par les gaz. Premièrement, maintenir un faible débit dans la culture pour réduire la condition de transfert de masse. Deux impulsions de gaz de la grippe dans la culture.

Troisièmement, contrôler la composition du dioxyde de carbone entrant à un niveau optimal. Les hypothèses, équations et paramètres impliqués dans ce modèle ne seront pas présentés ici, mais sont discutés dans le texte du protocole qui l’accompagne. Pour commencer, créez un fichier Simulink pour la simulation du modèle.

Choisissez de déposer un nouveau modèle sur l’interface MATLAB pour créer un modèle Simulink et ouvrez le navigateur de bibliothèque. Choisissez le bloc de sous-système dans le navigateur de la bibliothèque pour créer les sous-systèmes des équations un et deux. Faites glisser un bloc de sous-système vers le fichier de modèle Simulink.

Changez son nom en équation un, puis répétez les mêmes étapes pour l’équation deux. Créez les blocs et les paramètres appropriés dans chaque sous-système. Double-cliquez sur l’équation d’un bloc.

Choisissez les blocs appropriés dans le navigateur de la bibliothèque et reliez-les à l’aide de flèches indiquant la séquence de calcul. Double-cliquez sur les blocs pour configurer les paramètres et répétez ces étapes pour l’autre sous-système. Reliez les deux sous-systèmes pour représenter les équations un et deux du modèle.

Connectez la sortie d’un sous-système à l’entrée de l’autre sous-système à l’aide d’une flèche si nécessaire. Par exemple, la concentration de dioxyde de carbone dissous est la sortie du sous-système de l’équation deux et également l’entrée du sous-système de l’équation un. Utilisez le bloc générateur d’impulsions comme entrée pour l’équation deux afin de simuler les impulsions de dioxyde de carbone activées.

Utilisez le bloc constant comme valeur d’entrée de lumière de surface. Double-cliquez sur les blocs pour modifier les paramètres tels que la période, le temps et l’amplitude. Choisissez le bloc M dans le navigateur de la bibliothèque.

Connectez toutes les sorties au multiplexeur, puis connectez-le à deux blocs d’espace de travail qui stockent les résultats simulés. Définissez le temps d’arrêt de la simulation dans la barre d’outils supérieure. Cliquez sur le bouton fléché pour démarrer la simulation et les résultats seront stockés dans l’espace de travail MATLAB.

Enfin, appliquez le programme MATLAB dans le deuxième matériau pour réaliser une approche d’optimisation dynamique afin de profiler les concentrations optimales de dioxyde de carbone. Dans cette étude, afin de mieux comprendre la relation entre la grippe, l’afflux de gaz et la croissance des algues, un modèle empirique a été développé pour simuler la croissance de la biomasse en présence de gaz de grippe. Les paramètres utilisés dans ce modèle sont indiqués dans ce tableau.

On suppose que le gaz de la grippe contient 15 % de dioxyde de carbone. Tout d’abord, l’influence du taux de transfert de masse du dioxyde de carbone sur la croissance des algues a été testée. Le graphique résultant de la concentration finale de biomasse au jour 12 en fonction du taux de transfert de masse sous traitement continu des gaz de grippe indique qu’un taux de transfert de masse optimal de 0,17 à 0,18 par heure est capable de réduire l’inhibition des gaz de combustion de la croissance des algues.

Si le taux de transfert de masse est inférieur ou supérieur à la valeur optimale, la croissance des algues sera réduite. Voici l’équation quatre du modèle cinétique où PG sur V est la consommation d’énergie du système aéré dans le bioréacteur UGS est la vitesse superficielle du flux de gaz à travers le bioréacteur et alpha, bêta et gamma sont des constantes liées aux conditions de mélange. Cette équation suggère que la diminution de l’aération et du flux de gaz à travers la culture peut réduire le coefficient de transfert de masse.

Ce tableau montre la croissance de la biomasse avec 15 % de gaz grippal au jour 12 sous différentes vitesses ou débits de gaz superficiels. Généralement, un faible débit réduit l’utilisation de gaz de grippe et le taux de transfert de masse qui empêche l’inhibition du dioxyde de carbone de la croissance lgal. Cependant, une réduction supplémentaire du débit à travers le bioréacteur fera en sorte que le coefficient de transfert de masse deviendra trop petit pour fournir suffisamment de dioxyde de carbone pour la croissance lgal.

C’est ce que montre la ligne bleue de ce graphique, qui compare la croissance de la biomasse avec différents taux de transfert de masse. Dans le cadre d’un traitement continu des gaz de grippe, la ligne bleue représente un KLA de 0,017 par heure. La ligne jaune représente un KLA presque optimal de 0,17 par heure, et la ligne noire représente un KLA de 17 par heure.

Ensuite, un mode d’impulsion de gaz de la grippe a été introduit pour surmonter l’inhibition de la croissance si le taux de transfert de masse de gaz de la grippe était élevé dans le bioréacteur photo, par exemple, 17 par heure pour optimiser le mode d’impulsion de gaz de la grippe, différentes fréquences d’arrêt ont été testées. La simulation montre que les impulsions de gaz de la grippe à haute fréquence sont capables de favoriser la croissance des algues. Ce tableau, qui a été montré précédemment, indique également que le mode de commande marche-arrêt utilise moins de gaz de la grippe que l’alimentation continue de la grippe dans le bioréacteur.

Troisièmement, les profils de concentration de dioxyde de carbone pour la croissance maximale des algues ont été calculés à l’aide des paramètres du modèle énumérés ici. L’approche d’optimisation dynamique montre que les concentrations optimales de dioxyde de carbone dans la phase gazeuse doivent être continuellement augmentées pendant la croissance lgal. La simulation du modèle montre également que les impulsions de dioxyde de carbone activées et le contrôle de l’apport optimal de dioxyde de carbone sont des méthodes tout aussi bonnes pour favoriser la croissance lgal avec le gaz de grippe.

Ce graphique montre une comparaison de la croissance de la biomasse sous un profil optimal de dioxyde de carbone représenté par la ligne jaune. La fréquence de marche et d’arrêt de 10 secondes de gaz sur cinq minutes de gaz représentée par la ligne rouge marche arrêt commande à une fréquence de 10 secondes gaz sur sept minutes de gaz éteint représentée par la ligne verte marche arrêt commande sur une fréquence d’une minute de gaz sur 29 minutes de gaz représenté par la ligne noire et le traitement continu avec des gaz de grippe contenant 15 % de dioxyde de carbone représenté par la ligne bleue. Cette dernière figure d’une étude précédente montre une comparaison expérimentale de la croissance de la biomasse à l’aide de différentes approches.

A est de 10 secondes de gaz sur sept minutes, de gaz éteint B de 30 minutes, de gaz sur 30 minutes de gaz éteint, C de cinq heures de gaz sur sept heures de gaz éteint et D de culture dans des flacons agitants. Par rapport à un traitement continu au gaz de la grippe ou à une culture en flacon agité, une production de biomasse plus élevée est obtenue en utilisant les impulsions de gaz de la grippe. Lors de la tentative de bioprocédé algo basé sur les gaz de grippe, il est important d’utiliser la modélisation informatique pour concevoir des opérations de croissance optimales.

À la suite de cette procédure, des tests expérimentaux peuvent être effectués pour valider les prédictions du modèle. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de construire un modèle de transfert de masse et de bioréaction pour prédire la croissance de la biomasse avec du CO2 et optimiser les conditions de croissance. Gardez à l’esprit que la simulation du modèle ne concerne qu’un système homogène simplifié.

Le modèle peut être amélioré en ajoutant à l’avenir une mécanique des fluides plus sophistiquée.