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

Общая цель данного протокола состоит в том, чтобы показать, что контроль включенных газов может улучшить рост микроводорослей на дымовом газе с помощью компьютерного моделирования, а также продемонстрировать процедуры выращивания и масштабирования водорослей. Это достигается за счет использования кинетической модели для моделирования условий роста микроводорослей при различных скоростях массопереноса в режимах контроля выключенных газов и показанных здесь профилей концентрации углекислого газа. Далее демонстрируются процедуры выращивания водорослей и расширения масштабов их выращивания.

Впоследствии водоросли выращивают под дымовым газом в небольшом фотобиореакторе. Дымовой газ образуется в результате естественного сгорания, и его скорость потока контролируется системой управления массовым расходом перед подачей в систему lgal. Результаты моделирования показывают, что контроль включенного газа может снизить ингибирование субстрата и способствовать росту микроводорослей при гриппе.

Также было показано, что контроль газа на выключенных газах снижает использование дымовых газов и повышает энергоэффективность. Что касается биопроцесса, мы демонстрируем, что управляемое моделированием выращивание водорослей с помощью процессов с использованием дымовых газов может быть полезно в области биоэнергетики и биоремедиации, таких как сокращение выбросов CO2 от промышленного дыма, газа, биотоплива или биохимического производства и удаление токсичных ионов металлов. Как правило, инженеры-биотехнологи, не знакомые с моделированием, испытывают трудности, потому что им приходится проверять множество условий с помощью трудоемких экспериментов.

Например, многие факторы могут влиять на рост водорослей, и трудно изучить все условия. С помощью компьютерного моделирования мы можем понимать и анализировать культуры микроводорослей в условиях воздействия CO2 и смешивания, чтобы разработать оптимальную обработку дымовых газов. Демонстрировать процедуру будут Леон Ху, Амелия Чен, Ю, ARU var, DNE и Ларри Пейдж из лаборатории Тан.

Для начала этой процедуры готовят питательную среду. Следуя рецепту в сопроводительной рукописи, отрегулируйте pH среды до семи-восьми. Простерилизовать питательную среду с помощью автоклава.

Затем инокулируют хлореллу спирулину из одной колонии на свежую агаровую тарелку в колбу для встряхивания, содержащую 50 миллилитров среды, со стерильной петлей посева водорослей при 150 об/мин и 30 градусах Цельсия в течение шести дней. Контролируйте плотность клеток с помощью спектрофотометра, когда клетки находятся в середине. Фаза роста Log с наружным диаметром 730 больше единицы.

Перелейте 50 миллилитров культуры водорослей в двухлитровую стеклянную колбу, содержащую примерно один литр стерилизованной культуры. Среду инкубируют в течение пяти дней, закачивая дымовые газы от сгорания природного газа в культуру во время инкубации. Через пять дней перелейте один литр водорослевой культуры в 20-литровую стеклянную коробку, содержащую 15 литров нестерилизованной культуры.

Среднюю культуру водорослей в тех же условиях, что и указано ранее, в течение шести дней. Через шесть дней 15 литров свежей культуры водорослей и 85 литров нестерилизованной среды поместили в фотобиореактор с плоской пластиной. В передовом научно-исследовательском центре университета в области угля и энергетики фотобиореактор оснащен системой нагрева и охлаждения.

Светодиоды, компьютерный контроллер, газовая смесь и анализаторы оптической плотности клеток, температуры растворенного кислорода pH и растворенного углекислого газа. Закачайте воздушную смесь дымовых газов в биореактор, соберите биомассу при наружном диаметре 730 более 20. После центрифугирования культур соберите водорослевую биомассу и высыпьте ее в лоток для дальнейшей сушки.

После сбора урожая разберите и тщательно очистите фотобиореактор с использованием 70% этанола. Начните эту демонстрацию с инокуляции культур водорослей с начальным наружным диаметром 730 около 0,3 в стеклянных бутылках, содержащих 200 миллилитров среды на бутылку, сожгите природный газ и прокачайте дымовой газ через воронку, трубку конденсатора и промывочную бутылку объемом 0,5 литра, содержащую водный известняковый шлам. Поток дымовых газов в культуру водорослей контролируется регуляторами массового расхода.

Импульсы дымовых газов включают в себя два режима: дым, газ включен и дымовой газ выключен, последний режим нагнетает воздух. Предыдущие исследования показали, что постоянное воздействие дымовых газов отрицательно влияет на рост хлореллы при одновременном снижении воздействия углекислого газа. Время смягчает это торможение.

Была разработана кинетическая модель для проверки трех методов предотвращения ингибирования роста газом. Во-первых, поддержание низкой скорости потока в культуру для снижения условия массообмена. Два включенных импульса дымового газа в культуру.

В-третьих, контроль притока углекислого газа композиций на оптимальном уровне. Предположения, уравнения и параметры, используемые в этой модели, здесь представлены не будут, а будут обсуждаться в сопроводительном тексте протокола. Для начала создайте файл Simulink для моделирования модели.

Выберите файл новой модели в интерфейсе MATLAB для создания модели Simulink и откройте браузер библиотеки. Выберите блок подсистемы в браузере библиотеки для создания подсистем для уравнения номер один и два. Перетащите один блок подсистемы в файл модели Simulink.

Измените его название на уравнение один, а затем повторите те же шаги для уравнения два. Создайте соответствующие блоки и параметры в каждой подсистеме. Дважды кликните по формуле на один блок.

Выберите подходящие блоки в браузере библиотеки и соедините их стрелками, обозначающими последовательность расчета. Дважды щелкните блоки, чтобы настроить параметры, и повторите эти шаги для другой подсистемы. Свяжите две подсистемы, чтобы представить уравнения модели номер один и два.

При необходимости подключите выход одной подсистемы к входу другой подсистемы стрелкой. Например, концентрация растворенного углекислого газа является выходом в подсистеме уравнения два, а также входом подсистемы уравнения один. Используйте блок генератора импульсов в качестве входных данных для уравнения два для моделирования импульсов включения углекислого газа.

Используйте постоянный блок в качестве входного значения поверхностного освещения. Дважды щелкните блоки, чтобы изменить такие параметры, как период, время и амплитуда. Выберите блок M в браузере библиотеки.

Подключите все выходы к мультиплексору, а затем подключите его к двум блокам рабочей области, в которых хранятся смоделированные результаты. Определите время остановки моделирования на верхней панели инструментов. Нажмите кнопку со стрелкой, чтобы начать моделирование, и результаты будут сохранены в рабочем пространстве MATLAB.

Наконец, примените программу MATLAB во втором вспомогательном материале для выполнения динамической оптимизации для определения оптимальных концентраций углекислого газа. В этом исследовании для лучшего понимания взаимосвязи между гриппом, притоком газов и ростом водорослей была разработана эмпирическая модель для моделирования роста биомассы в присутствии газообразного газа. Параметры, используемые в данной модели, приведены в этой таблице.

Предполагается, что дымовой газ содержит 15% углекислого газа. Во-первых, было проверено влияние скорости массопереноса углекислого газа на рост водорослей. Полученный график конечной концентрации биомассы на 12-й день в зависимости от скорости массопереноса при непрерывной обработке дымовых газов показывает, что оптимальная скорость массопереноса от 0,17 до 0,18 в час способна снизить ингибирование дымовых газов роста водорослей.

Если скорость массопереноса ниже или выше оптимального значения, рост водорослей будет снижен. Здесь показано четвертое уравнение кинетической модели, где PG над V — потребляемая мощность аэрируемой системы в биореакторе, UGS — поверхностная скорость потока газа через биореактор, а альфа, бета и гамма — константы, связанные с условиями смешивания. Это уравнение предполагает, что уменьшение аэрации и потока газа через культуру может снизить коэффициент массообмена.

В этой таблице показан рост биомассы с 15% дымового газа на 12-й день при различных скоростях поверхностного потока газа или расходе. Как правило, низкая скорость потока снижает использование дымовых газов и скорость массообмена, что предотвращает ингибирование роста водорослей углекислым газом. Однако дальнейшее снижение скорости потока через биореактор приведет к тому, что коэффициент массопереноса станет слишком малым, чтобы обеспечить достаточное количество углекислого газа для роста водорослей.

Это показано синей линией на этом графике, которая сравнивает рост биомассы с различными скоростями массообмена. При непрерывной обработке дымовых газов синяя линия представляет KLA, равный 0,017 в час. Желтая линия представляет собой почти оптимальную ОАК в 0,17 в час, а черная линия представляет ОАК в 17 в час.

Затем был введен импульсный режим выключения дымовых газов для преодоления торможения роста при высокой скорости массопереноса дымовых газов в фотобиореакторе, например, 17 в час для оптимизации импульсного режима дымовых газов, были протестированы различные частоты включения. Моделирование показывает, что высокочастотные импульсы дымовых газов способны способствовать росту водорослей. Эта таблица, которая была приведена ранее, также показывает, что режим управления выключением потребляет меньше дымовых газов, чем непрерывная подача гриппа в биореактор

В-третьих, профили концентрации углекислого газа для максимального роста водорослей были рассчитаны с использованием перечисленных здесь параметров модели. Подход к динамической оптимизации показывает, что оптимальные концентрации углекислого газа в газовой фазе должны постоянно увеличиваться во время роста водорослей. Моделирование также показывает, что как импульсы включения углекислого газа, так и контроль оптимального поступления углекислого газа являются одинаково хорошими методами стимулирования роста углекислого газа с дымовым газом.

На этом графике показано сравнение прироста биомассы при оптимальном профиле углекислого газа, представленном желтой линией. Частота выключения в течение 10 секунд, газ в течение пяти минут выключения представлен красной линией, контроль выключения газа в течение семи минут, контроль газа в течение семи минут, контроль в выключенном виде в течение одной минуты, газ в течение 29 минут выключен в виде газа, обозначенный черной линией, и непрерывная обработка дымовым газом, содержащим 15% углекислого газа, представлена синей линией. Этот окончательный рисунок из предыдущего исследования показывает экспериментальное сравнение роста биомассы с использованием различных подходов.

A - это 10 секунд, газ на семь минут, газ на 30 минут, газ на 30 минут, газ на 30 минут, C - это пять часов газа на семь часов выключения и D - выращивание в трясущихся колбах. По сравнению с непрерывной обработкой дымовых газов или встряхивающей колбой, более высокое производство биомассы достигается за счет импульсов с выключением дымовых газов. При попытке использовать алгоритмический биопроцесс на основе дымовых газов важно использовать компьютерное моделирование для разработки оптимальных операций роста.

После этой процедуры можно провести экспериментальные тесты для проверки прогнозов модели. После просмотра этого видео у вас должно быть хорошее понимание того, как построить модель массопереноса и биореакции для прогнозирования роста биомассы с CO2 и оптимизации условий роста. Имейте в виду, что моделирование модели предназначено только для упрощенной однородной системы.

В будущем модель может быть улучшена за счет добавления более сложной механики жидкости.