לייעל ארובות הגדרות גז לקידום Microalgae צמיחה בphotobioreactors באמצעות הדמיות מחשב

המטרה הכוללת של הפרוטוקול הבא היא להראות שבקרת גז כבוי יכולה לשפר את צמיחת המיקרו אצות על גז שפעת באמצעות סימולציות חישוביות, ולהדגים נהלים לגידול אצות והגדלתן. זה מושג על ידי שימוש תחילה במודל קינטי כדי לדמות תנאי גידול מיקרו אצות בקצבי העברת מסה שונים במצבי בקרת גז כבוי ופרופילי ריכוז פחמן דו חמצני המוצגים כאן הם משוואות המודל. לאחר מכן, מודגמים ההליכים לגידול אצות ולהגדלת גידול האצות.

לאחר מכן, האצות גדלות תחת גז שפעת בביו-ריאקטור צילום קטן. גז השפעת נוצר על ידי בעירה טבעית וקצבי הזרימה שלו נשלטים על ידי מערכת בקרת זרימת מסה לפני הכנסתו למערכת ה-lgal. תוצאות סימולציות המודל מראות כי בקרת גז כבוי יכולה להפחית את עיכוב המצע ולקדם צמיחת מיקרו אצות עם שפעת.

בקרת גז על גז הוכחה גם כמפחיתה את השימוש בגז שפעת ומשפרת את היעילות האנרגטית. עבור התהליך הביולוגי, אנו מדגימים את המודל של גידול אצות מונחה עם תהליכי אצות גז שפעת יכול להיות שימושי בתחומי הביו-אנרגיה והטיפול הביולוגי, כגון הפחתת פליטת CO2 משפעת תעשייתית, גז, דלק ביולוגי או ייצור ביוכימי והסרת יוני מתכות רעילות. בדרך כלל מהנדסי ביו-תהליכים חדשים בסימולציות מודלים יתקשו מכיוון שהם צריכים לבדוק תנאים רבים על ידי ניסויים גוזלי זמן.

לדוגמה, גורמים רבים עשויים להשפיע על גדילת אצות וקשה לבחון את כל התנאים. בעזרת הדמיית המחשב, אנו יכולים להבין ולנתח תרביות מיקרו-אצות בתנאי אור וערבוב CO2 כדי שנוכל לתכנן טיפול אופטימלי בגז שפעת. ידגימו את ההליך ליאון הו אמיליה צ'ן, יו, ARU var, DNE ולארי פייג' ממעבדת טאנג.

כדי להתחיל בהליך זה, הכינו את מדיום התרבות. בעקבות המתכון בכתב היד המצורף, התאם pH בינוני לשבע עד שמונה. עקר את מדיום התרבות באמצעות החיטוי.

לאחר מכן, חסנו כלורלה ספירולינה ממושבה אחת על צלחת אגר טרייה לתוך בקבוק רועד המכיל 50 מיליליטר מדיום עם אצות תרבית לולאה סטריליות ב-150 סל"ד ו-30 מעלות צלזיוס למשך שישה ימים. עקוב אחר צפיפות התאים על ידי ספקטרופוטומטר כאשר התאים נמצאים באמצע. שלב גידול בולי עץ עם OD 730 גדול מאחד.

מעבירים 50 מיליליטר מתרבית האצות לבקבוק זכוכית של שני ליטר המכיל כליטר תרבית מעוקרת. דגירה בינונית למשך חמישה ימים, שאיבת גז שפעת משריפת גז טבעי לתרבית במהלך הדגירה. לאחר חמישה ימים, העבירו את תרבית האצות של ליטר אחד לקרבוי זכוכית של 20 ליטר המכיל 15 ליטר תרבית לא מעוקרת.

אצות תרבות בינוניות באותם תנאים כפי שצוין קודם לכן למשך שישה ימים. שישה ימים לאחר מכן, הנחתי 15 ליטר תרבית אצות טרייה ו-85 ליטר מדיום לא מעוקר לתוך ביו-ריאקטור צילום בצלחת שטוחה. במתקן המחקר המתקדם של האוניברסיטה לפחם ואנרגיה, הביוריאקטור הצילום מצויד במערכת חימום וקירור.

דיודות פולטות אור, בקר מחשב, תערובת גזים ומנתחים לצפיפות אופטית של תאים, טמפרטורת חמצן מומס pH ופחמן דו חמצני מומס. שאבו את תערובת האוויר של גז הפליטה לתוך הביוריאקטור, קצרו את הביומסה ב-OD 730 גדול מ-20. לאחר צנטריפוגה של התרבויות, אספו את הביומסה של האצות ושפכו אותה למגש לייבוש נוסף.

לאחר הקציר יש לפרק ולנקות היטב את הביוריאקטור באמצעות אתנול 70%. התחל את ההדגמה הזו על ידי חיסון תרביות אצות ב-OD 730 ראשוני של כ-0.3 בבקבוקי זכוכית המכילים 200 מיליליטר מדיום לבקבוק, שריפת גז טבעי ושאיבת גז הפליטה דרך משפך, צינור מעבה ובקבוק כביסה של 0.5 ליטר המכיל תמיסת אבן גיר מים. זרימת גז הפליטה לתרבית האצות נשלטת על ידי בקרי זרימת המסה.

פעימות גז פליטה כוללות שני מצבים, שפעת, גז מופעל וגז שפעת כבוי, המצב האחרון שואב אוויר במקום. מחקרים קודמים הצביעו על כך שחשיפה מתמשכת לגזי שפעת משפיעה לרעה על צמיחת הכלורלה תוך הפחתת החשיפה לפחמן דו חמצני. הזמן מקל על עיכוב זה.

מודל קינטי פותח כדי לבחון שלוש שיטות למניעת עיכוב גדילה על ידי גז. האחד, שמירה על קצב זרימה נמוך לתרבית כדי להפחית את מצב העברת המסה. שתי פולסים של גז שפעת לתוך התרבית.

שלוש, שליטה בהרכבי הפחמן הדו חמצני הנכנסים ברמה האופטימלית. ההנחות, המשוואות והפרמטרים המעורבים במודל זה לא יוצגו כאן, אך יידונו בטקסט הפרוטוקול הנלווה. כדי להתחיל, בנה קובץ Simulink עבור סימולציית המודל.

בחר קובץ מודל חדש בממשק MATLAB כדי ליצור מודל Simulink ודפדפן ספרייה פתוח. בחר בלוק תת-מערכת בדפדפן הספריה כדי ליצור את מערכות המשנה עבור משוואה אחת ושתיים. גרור בלוק תת-מערכת אחד לקובץ מודל Simulink.

שנה את שמה למשוואה הראשונה ולאחר מכן חזור על אותם שלבים עבור משוואה שנייה. צור בלוקים ופרמטרים מתאימים בכל תת-מערכת. לחץ פעמיים על המשוואה בלוק אחד.

בחר בלוקים מתאימים מדפדפן הספריה וחבר אותם עם חצים המציינים את רצף החישוב. לחץ פעמיים על הבלוקים כדי להגדיר את הפרמטרים וחזור על שלבים אלה עבור תת-המערכת האחרת. קשר את שתי תת-המערכות כדי לייצג את משוואות המודל 1 ו-2.

חבר את הפלט של תת-מערכת אחת לכניסה של תת-המערכת השנייה באמצעות חץ במידת הצורך. לדוגמה, ריכוז הפחמן הדו חמצני המומס הוא הפלט במשוואה תת-מערכת שתי וגם הקלט של המשוואה תת-מערכת אחת. השתמש בבלוק מחולל דופק כקלט למשוואה שתיים כדי לדמות את פעימות הפחמן הדו-חמצני המופעלות.

השתמש בבלוק קבוע כערך קלט האור על פני השטח. לחץ פעמיים על הבלוקים כדי לשנות את הפרמטרים כגון התקופה, הזמן והמשרעת. בחר בלוק M בדפדפן הספרייה.

חבר את כל היציאות ל-mux ולאחר מכן חבר אותו לשני בלוק סביבת עבודה המאחסן את התוצאות המדומות. הגדר את זמן העצירה של הסימולציה בסרגל הכלים העליון. לחץ על כפתור החץ כדי להתחיל את הסימולציה והתוצאות יאוחסנו בסביבת העבודה של MATLAB.

לבסוף, יישם את תוכנית MATLAB בחומר התומך שניים כדי לבצע גישת אופטימיזציה דינמית לפרופיל ריכוזי פחמן דו חמצני אופטימליים. במחקר זה כדי להבין טוב יותר את הקשר בין שפעת, זרימת גזים וגידול אצות, פותח מודל אמפירי להדמיית גידול ביומסה בנוכחות גז שפעת. הפרמטרים המשמשים במודל זה מוצגים בטבלה זו.

ההנחה היא שגז שפעת מכיל 15% פחמן דו חמצני. ראשית, נבדקה השפעת קצב העברת המסה של פחמן דו חמצני על צמיחת אצות. הגרף המתקבל של ריכוז הביומסה הסופי ביום ה-12 כפונקציה של קצב העברת המסה בטיפול רציף בגז שפעת מצביע על כך שקצב העברת מסה אופטימלי של 0.17 עד 0.18 לשעה מסוגל להפחית את עיכוב גזי הפליטה של צמיחת אצות.

אם קצב העברת המסה נמוך או גבוה מהערך האופטימלי, צמיחת האצות תפחת. מוצגת כאן משוואה רביעית של המודל הקינטי שבה PG מעל V היא צריכת החשמל של המערכת המאווררת בביו-ריאקטור UGS היא המהירות השטחית של זרימת הגז דרך הביוריאקטור ואלפא, בטא וגמא הם קבועים הקשורים לתנאי ערבוב. משוואה זו מציעה שהפחתת האוורור וזרימת הגז דרך התרבית יכולה להפחית את מקדם העברת המסה.

טבלה זו מציגה גידול ביומסה עם 15% גז שפעת ביום ה-12 במהירויות או קצבי זרימה שטחיים שונים. בדרך כלל, קצב זרימה נמוך מפחית את השימוש בגז שפעת ואת קצב העברת המסה המונע עיכוב פחמן דו חמצני של צמיחת אצות. עם זאת, הפחתה נוספת של קצב הזרימה דרך הביוריאקטור תגרום למקדם העברת המסה להיות קטן מכדי לספק מספיק פחמן דו חמצני לצמיחת אצות.

זה מוצג על ידי הקו הכחול בגרף הזה, שמשווה את צמיחת הביומסה עם קצבי העברת מסה שונים. תחת טיפול רציף בגז שפעת, הקו הכחול מייצג KLA של 0.017 לשעה. הקו הצהוב מייצג KLA כמעט אופטימלי של 0.17 לשעה, והקו השחור מייצג KLA של 17 לשעה.

לאחר מכן, הוצג מצב דופק גז שפעת כבוי כדי להתגבר על עיכוב גדילה אם קצב העברת המסה של גז השפעת היה גבוה בביו-ריאקטור הצילום, למשל, 17 לשעה כדי לייעל את מצב דופק גז השפעת, נבדקו תדרי כיבוי שונים. הסימולציה מראה כי פולסים של גזי שפעת בתדירות גבוהה מסוגלים לקדם צמיחת אצות. טבלה זו שהוצגה קודם לכן מצביעה גם על כך שמצב בקרת ההפעלה משתמש בפחות גז שפעת מאשר הזנה רציפה של שפעת לתוך הביוריאקטור.

שלישית, פרופילי ריכוז הפחמן הדו-חמצני לצמיחה מקסימלית של אצות חושבו באמצעות פרמטרי המודל המפורטים כאן. גישת האופטימיזציה הדינמית מראה כי יש להגדיל ברציפות את ריכוזי הפחמן הדו חמצני האופטימליים בשלב הגז במהלך גידול האצות. סימולציית המודל מראה גם שגם פעימות הפחמן הדו-חמצני וגם השליטה בקלט האופטימלי של פחמן דו חמצני הן שיטות טובות באותה מידה לקידום צמיחת האצות עם גז שפעת.

גרף זה מציג השוואה של גידול ביומסה תחת פרופיל פחמן דו חמצני אופטימלי המיוצג על ידי הקו הצהוב. תדר הכיבוי של 10 שניות, גז על חמש דקות כיבוי גז מיוצג על ידי הקו האדום בשליטה כבויה בתדר של 10 שניות, גז על שבע דקות כבוי גז מיוצג על ידי הקו הירוק על כיבוי בקרה בתדר של דקה גז על 29 דקות, גז כבוי המיוצג על ידי הקו השחור והטיפול הרציף בגז שפעת המכיל 15% פחמן דו חמצני המיוצג על ידי הקו הכחול. נתון אחרון זה ממחקר קודם מראה השוואה ניסויית של גידול ביומסה באמצעות גישות שונות.

A הוא 10 שניות גז על שבע דקות גז כבוי B הוא 30 דקות, גז על 30 דקות גז כבוי C הוא חמש שעות גז על שבע שעות גז כבוי ו-D הוא גידול בצלוחיות רועדות. בהשוואה לטיפול רציף בגז שפעת או תרבית בקבוק רועדת, ייצור ביומסה גבוה יותר מושג באמצעות פולסים של גזי שפעת. כאשר מנסים תהליך ביולוגי אלגו מבוסס גז שפעת, חשוב להשתמש במודלים ממוחשבים כדי לתכנן פעולות גידול אופטימליות.

בעקבות הליך זה, ניתן לבצע בדיקות ניסיוניות כדי לאמת את תחזיות המודל. לאחר צפייה בסרטון זה, אתם אמורים להבין היטב כיצד לבנות מודל העברת מסה ותגובה ביולוגית כדי לחזות צמיחת ביומסה עם CO2 ולייעל את תנאי הגידול. זכור שהדמיית המודל מיועדת רק למערכת הומוגנית פשוטה.

ניתן לשפר את המודל על ידי הוספת מכניקת זורמים מתוחכמת יותר בעתיד.