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

O objetivo geral do protocolo a seguir é mostrar que o controle de gases pode melhorar o crescimento de microalgas no gás de gripe por meio de simulações computacionais e demonstrar procedimentos para cultivo e aumento de escala de algas. Isso é obtido usando primeiro um modelo cinético para simular as condições de crescimento de microalgas sob diferentes taxas de transferência de massa nos modos de controle de gases e perfis de concentração de dióxido de carbono mostrados aqui estão as equações do modelo. Em seguida, são demonstrados os procedimentos para cultivar algas e aumentar o cultivo de lgal.

Posteriormente, as algas são cultivadas sob o gás da gripe em um pequeno fotobiorreator. O gás da gripe é gerado por combustão natural e suas taxas de fluxo são controladas por um sistema de controle de fluxo de massa antes de serem introduzidas no sistema lgal. Os resultados das simulações do modelo mostram que o controle de gases pode reduzir a inibição do substrato e promover o crescimento de microalgas com gripe.

O controle de gás também demonstrou reduzir o uso de gás de gripe e melhorar a eficiência energética. Para o bioprocesso, estamos demonstrando que o cultivo de algas guiado por modelo com processos de algas de gases de gripe pode ser útil nos campos de bioenergia e biorremediação, como redução de emissões de CO2 de gripe industrial, gás, biocombustível ou produção bioquímica e remoção de íons metálicos tóxicos. Geralmente, os engenheiros de bioprocessos novos em simulações de modelos terão dificuldades porque 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 entender e analisar culturas de microalgas sob condições de luz e mistura de CO2 para que possamos projetar o tratamento ideal do gás da gripe. Demonstrando o procedimento estarão 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 do manuscrito que acompanha, ajuste o pH médio para sete a oito. Esterilize o meio de cultura usando a autoclave.

Em seguida, inocular a chlorella spirulina de uma única colônia em uma placa de ágar fresco em um frasco agitado contendo 50 mililitros de meio com uma alga de cultura de alça inoculante estéril a 150 RPM e 30 graus Celsius por seis dias. Monitore a densidade celular por um espectrofotômetro quando as células estiverem no meio. Fase de crescimento logarítmica com OD 730 maior que um.

Transferir 50 mililitros da cultura de algas para um balão de vidro de dois litros contendo aproximadamente um litro de cultura esterilizada. Incubação média por cinco dias bombeando o gás da gripe da combustão do gás natural para a 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 cultura não esterilizada.

Algas de cultura média nas mesmas condições indicadas anteriormente por seis dias. Seis dias depois, foram colocados 15 litros de cultura de algas frescas e 85 litros de meio não esterilizado em um fotobiorreator de placa plana. Nas instalações avançadas de pesquisa de carvão e energia da universidade, o fotobiorreator é equipado com um sistema de aquecimento e resfriamento.

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

Após a colheita, desmonte e limpe completamente o fotobiorreator com etanol a 70%. Comece esta demonstração inoculando culturas de algas em um OD inicial 730 de cerca de 0,3 em garrafas de vidro contendo 200 mililitros de meio por garrafa, queime gás natural e bombeie o gás de combustão através de um funil, um tubo condensador e uma garrafa de lavagem de 0,5 litro contendo uma pasta de calcário de água. O fluxo de gases de combustão para a cultura de algas é controlado pelos controladores de fluxo de massa.

Os pulsos de gases de combustão incluem dois modos, gripe, gás ligado e gás de gripe desligado, o último modo bombeia ar. Estudos anteriores indicaram que a exposição contínua ao gás da gripe afeta adversamente o crescimento da chlorella enquanto diminui a exposição ao dióxido de carbono. O tempo alivia essa inibição.

Um modelo cinético foi desenvolvido para testar três métodos para evitar a inibição do crescimento por gás. Um, manter uma baixa taxa de fluxo na cultura para reduzir a condição de transferência de massa. Dois pulsos de gás de gripe na cultura.

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 que acompanha. 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 abrir o navegador da biblioteca. Escolha o bloco de subsistema no navegador da biblioteca para criar os subsistemas para a equação um e dois. Arraste um bloco de subsistema para o arquivo de modelo Simulink.

Altere seu nome para equação um e repita as mesmas etapas para a equação dois. Crie blocos e parâmetros apropriados em cada subsistema. Clique duas vezes na equação um bloco.

Escolha os blocos apropriados no navegador da biblioteca e conecte-os com setas que denotam a sequência de cálculo. Clique duas vezes nos blocos para configurar os parâmetros e repita essas etapas para o outro subsistema. Vincule os dois subsistemas para representar as equações um e dois do modelo.

Ligar a saída de um subsistema à entrada do outro subsistema por 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. Use o bloco gerador de pulsos como entrada para a equação dois para simular os pulsos de dióxido de carbono ligados.

Use o bloco constante como o valor de entrada de luz de superfície. Clique duas vezes nos blocos para alterar os parâmetros, como período, tempo e amplitude. Escolha Bloco M no navegador da biblioteca.

Conecte todas as saídas ao mux e, em seguida, conecte-o a dois blocos de espaço de trabalho que armazenam 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 na área de trabalho do MATLAB.

Por fim, aplique o programa MATLAB no material de suporte dois para realizar uma abordagem de otimização dinâmica para traçar o perfil das concentrações ideais de dióxido de carbono. Neste estudo, para entender melhor a relação entre gripe, influxo de gás e crescimento de algas, foi desenvolvido um modelo empírico para simular o crescimento da biomassa na presença de gás de gripe. Os parâmetros usados neste modelo são mostrados nesta tabela.

Presume-se que o gás da gripe contenha 15% de dióxido de carbono. Em primeiro lugar, foi testada a influência da taxa de transferência de massa do dióxido de carbono no crescimento de algas. O gráfico resultante da concentração final de biomassa no dia 12 em função da taxa de transferência de massa sob tratamento contínuo de gases de gripe indica que uma taxa de transferência de massa ideal de 0,17 a 0,18 por hora é capaz de reduzir a inibição do crescimento de algas pelos gases de combustão.

Se a taxa de transferência de massa for menor ou maior que o valor ideal, o crescimento de algas será reduzido. Aqui é mostrada 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 diminuição da aeração e do fluxo de gás através da cultura pode reduzir o coeficiente de transferência de massa.

Esta tabela mostra o crescimento da biomassa com 15% de gás de gripe no dia 12 sob diferentes velocidades de fluxo de gás superficial ou taxas de fluxo. Geralmente, uma baixa taxa de fluxo reduz o uso de gases de gripe e a taxa de transferência de massa, o que impede a inibição do dióxido de carbono do crescimento de lgal. No entanto, reduzir ainda mais a taxa de fluxo através do biorreator fará com que o coeficiente de transferência de massa se torne muito pequeno para fornecer dióxido de carbono suficiente para o crescimento do lgal.

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

Em seguida, um modo de pulso de gás de gripe ligado e desligado foi introduzido para superar a inibição do crescimento se a taxa de transferência de massa de gás de gripe fosse alta no fotobiorreator, por exemplo, 17 por hora para otimizar o modo de pulso de gás de gripe, diferentes frequências de ligar e desligar foram testadas. A simulação mostra que os pulsos de gás de gripe de alta frequência são capazes de promover o crescimento de algas. Esta tabela mostrada anteriormente também indica que o modo de controle liga e desliga usa menos gás de gripe do que a alimentação contínua de gripe no biorreator.

Em terceiro lugar, os perfis de concentração de dióxido de carbono para o crescimento máximo de algas foram calculados usando os parâmetros do modelo listados aqui. A abordagem de otimização dinâmica mostra que as concentrações ideais de dióxido de carbono na fase gasosa devem ser continuamente aumentadas durante o crescimento do lgal. A simulação do modelo também mostra que tanto os pulsos de dióxido de carbono quanto o controle da entrada ideal de dióxido de carbono são métodos igualmente bons para promover o crescimento lgal com gás de gripe.

Este gráfico mostra uma comparação do crescimento da biomassa sob um perfil ótimo de dióxido de carbono representado pela linha amarela. A frequência de ligar e desligar de 10 segundos de gás ligado, cinco minutos de gás desligado representada pela linha vermelha de ligar desligar a uma frequência de 10 segundos, gás ligado, sete minutos de gás desligado representado pela linha verde de ligar desligar a uma frequência de um minuto, gás ligado, 29 minutos de gás desligado representado pela linha preta e o tratamento contínuo com gás de gripe 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 usando diferentes abordagens.

A é 10 segundos, gás em, sete minutos, gás desligado, B é 30 minutos, gás ligado, 30 minutos, gás desligado, C é cinco horas, gás ligado, sete horas gás desligado e D é cultivo em frascos agitados. Em comparação com um tratamento contínuo de gases de gripe ou uma cultura de frasco agitado, uma maior produção de biomassa é alcançada usando os pulsos de gás de gripe liga-desliga. Ao tentar o bioprocesso algorítmico à base de gás de gripe, é importante usar modelagem computacional para projetar operações de crescimento ideais.

Seguindo este procedimento, testes experimentais podem ser realizados para validar as previsões do modelo. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como construir um modelo de transferência de massa e biorreação para prever o crescimento da biomassa com CO2 e otimizar as condições de crescimento. Lembre-se de que a simulação do modelo é apenas para um sistema homogêneo simplificado.

O modelo pode ser melhorado adicionando mecânica de fluidos mais sofisticada no futuro.