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

Aşağıdaki protokolün genel amacı, açık gaz kontrolünün, hesaplamalı simülasyonlar yoluyla grip gazı üzerindeki mikro alg büyümesini iyileştirebileceğini göstermek ve alg yetiştirme ve ölçek büyütme prosedürlerini göstermektir. Bu, ilk olarak, kapalı gaz kontrol modlarında farklı kütle transfer hızları altında mikro alg büyüme koşullarını simüle etmek için bir kinetik model kullanılarak elde edilir ve burada gösterilen model denklemleridir. Daha sonra, yosun yetiştirme ve lgal yetiştiriciliğini artırma prosedürleri gösterilmiştir.

Daha sonra, algler küçük bir foto biyoreaktörde grip gazı altında büyütülür. Grip gazı doğal yanma ile üretilir ve akış hızları, lgal sistemine sokulmadan önce bir kütle akış kontrol sistemi tarafından kontrol edilir. Model simülasyonlarından elde edilen sonuçlar, açık kapalı gaz kontrolünün substrat inhibisyonunu azaltabileceğini ve gripte mikro alg büyümesini teşvik edebileceğini göstermektedir.

Gaz açma kapama gaz kontrolünün de grip gazı kullanımını azalttığı ve enerji verimliliğini artırdığı gösterilmiştir. Biyoproses için, endüstriyel grip, gaz, biyoyakıt veya biyokimyasal üretimden kaynaklanan CO2 emisyonlarının azaltılması ve toksik metal iyonlarının uzaklaştırılması gibi biyoenerji ve biyoremediasyon alanlarında faydalı olabilecek grip gazı alg süreçleri ile model güdümlü alg yetiştiriciliğini gösteriyoruz. Genel olarak, model simülasyonlarına yeni başlayan biyoproses mühendisleri, zaman alıcı deneylerle birçok koşulu test etmek zorunda kaldıkları için mücadele edeceklerdir.

Örneğin, birçok faktör alg büyümesini etkileyebilir ve tüm koşulları incelemek zordur. Bilgisayar simülasyonu ile, CO2 ışığı ve karıştırma koşulları altında mikroalg kültürlerini anlayabilir ve analiz edebiliriz, böylece optimum grip gazı arıtımı tasarlayabiliriz. Prosedürü gösterenler Tang Laboratuvarı'ndan Leon Hu Amelia Chen, Yyou, ARU var, DNE ve Larry Page olacak.

Bu işleme başlamak için kültür ortamını hazırlayın. Ekteki el yazmasındaki tarifi takip ederek, orta pH'ı yedi ila sekize ayarlayın. Otoklav kullanarak kültür ortamını sterilize edin.

Daha sonra, taze bir agar plakası üzerindeki tek bir koloniden klorella spirulina'yı, altı gün boyunca 150 RPM ve 30 santigrat derecede steril bir aşılama döngü kültürü algleri ile 50 mililitre orta içeren bir çalkalama şişesine aşılayın. Hücreler ortadayken hücre yoğunluğunu bir spektrofotometre ile izleyin. OD 730 ile birden büyük kütük büyüme aşaması.

50 mililitre alg kültürünü, yaklaşık bir litre sterilize kültür içeren iki litrelik bir cam şişeye aktarın. Orta beş gün boyunca inkübe edin, inkübasyon sırasında doğal gaz yanmasından kültüre grip gazı pompalayın. Beş gün sonra, bir litrelik alg kültürünü, 15 litre sterilize edilmemiş kültür içeren 20 litrelik bir cam damacanaya aktarın.

Altı gün boyunca daha önce belirtildiği gibi aynı koşullar altında orta kültür algleri. Altı gün sonra, 15 litre taze alg kültürü ve 85 litre sterilize edilmemiş ortam düz plakalı bir foto biyoreaktöre yerleştirildi. Üniversitenin gelişmiş kömür ve enerji araştırma tesisinde, foto biyoreaktör bir ısıtma ve soğutma sistemi ile donatılmıştır.

Işık yayan diyotlar, bir bilgisayar denetleyicisi, bir gaz karışımı ve hücre optik yoğunluğu, pH çözünmüş oksijen sıcaklığı ve çözünmüş karbon dioksit için analizörler. Baca gazı hava karışımını biyoreaktöre pompalayın, biyokütleyi OD 730'da 20'den büyük hasat edin. Kültürleri santrifüjledikten sonra, alg biyokütlesini toplayın ve daha fazla kurutma için bir tepsiye dökün.

Hasattan sonra, foto biyoreaktörü %70 etanol kullanarak sökün ve iyice kuru temizleyin. Bu gösteriye, şişe başına 200 mililitre ortam içeren cam şişelerde yaklaşık 0.3'lük bir ilk OD 730'da alg kültürlerini aşılayarak başlayın, doğal gazı yakın ve baca gazını bir huni, bir kondenser borusu ve 0.5 litrelik bir su kireçtaşı bulamacı içeren bir yıkama şişesi. Alg kültürüne baca gazı akışı, kütle akış kontrolörleri tarafından kontrol edilir.

Baca gazı darbeleri iki mod içerir, grip, gaz açık ve grip gazı kapalı, ikinci mod bunun yerine hava pompalar. Önceki çalışmalar, sürekli grip gazı maruziyetinin karbondioksit maruziyetini azaltırken klorella büyümesini olumsuz etkilediğini göstermiştir. Zaman bu çekingenliği hafifletir.

Gazla büyüme inhibisyonunu önlemek için üç yöntemi test etmek için bir kinetik model geliştirilmiştir. Birincisi, kütle transfer koşulunu azaltmak için kültüre düşük bir akış hızı tutmak. Kültüre iki açık grip gazı darbesi.

Üç, giriş karbondioksit bileşimlerini optimum seviyede kontrol etmek. Bu modelde yer alan varsayımlar, denklemler ve parametreler burada sunulmayacak, ancak ekteki protokol metninde tartışılacaktır. Başlamak için, model simülasyonu için bir Simulink dosyası oluşturun.

Bir Simulink modeli oluşturmak ve kitaplık tarayıcısını açmak için MATLAB arayüzünde yeni model dosyala'yı seçin. Denklem bir ve ikinci için alt sistemleri oluşturmak üzere kitaplık tarayıcısında alt sistem bloğunu seçin. Bir alt sistem bloğunu Simulink model dosyasına sürükleyin.

Adını denklem bir olarak değiştirin ve ardından aynı adımları denklem ikinci için tekrarlayın. Her alt sistemde uygun bloklar ve parametreler oluşturun. Denklemi bir blok çift tıklayın.

Kitaplık tarayıcısından uygun blokları seçin ve bunları hesaplama sırasını gösteren oklarla birleştirin. Parametreleri ayarlamak için bloklara çift tıklayın ve diğer alt sistem için bu adımları tekrarlayın. Bir ve iki model denklemlerini temsil etmek için iki alt sistemi bağlayın.

Gerekirse bir alt sistemin çıkışını okla diğer alt sistemin girişine bağlayın. Örneğin, çözünmüş karbondioksit konsantrasyonu, denklem iki alt sisteminin çıktısı ve aynı zamanda denklem bir alt sistemin girdisidir. Açık kapalı karbondioksit darbelerini simüle etmek için denklem iki'nin girişi olarak darbe üreteci bloğunu kullanın.

Yüzey ışığı giriş değeri olarak sabit blok kullanın. Periyot, zaman ve genlik gibi parametreleri değiştirmek için bloklara çift tıklayın. Kitaplık tarayıcısında M bloğunu seçin.

Tüm çıkışları mux'a bağlayın ve ardından simüle edilmiş sonuçları depolayan iki çalışma alanı bloğuna bağlayın. Üst araç çubuğunda simülasyon Durdurma süresini tanımlayın. Simülasyonu başlatmak için ok düğmesine tıklayın ve sonuçlar MATLAB çalışma alanında saklanacaktır.

Son olarak, optimum karbondioksit konsantrasyonlarının profilini çıkarmak için dinamik bir optimizasyon yaklaşımı gerçekleştirmek için MATLAB programını destekleyici malzeme ikide uygulayın. Bu çalışmada, grip, gaz girişi ve alg büyümesi arasındaki ilişkiyi daha iyi anlamak için, grip gazı varlığında biyokütle büyümesini simüle etmek için ampirik bir model geliştirilmiştir. Bu modelde kullanılan parametreler bu tabloda gösterilmiştir.

Grip gazının %15 oranında karbondioksit içerdiği varsayılmaktadır. İlk olarak, karbondioksitin kütle transfer hızının alg büyümesi üzerindeki etkisi test edildi. Sürekli grip gazı tedavisi altında kütle transfer hızının bir fonksiyonu olarak 12. günde elde edilen nihai biyokütle konsantrasyonu grafiği, saatte 0.17 ila 0.18'lik bir optimal kütle transfer hızının, alg büyümesinin baca gazı inhibisyonunu azaltabildiğini göstermektedir.

Kütle transfer hızı optimal değerden daha düşük veya daha yüksekse, alg büyümesi azalacaktır. Burada, PG over V'nin biyoreaktördeki havalandırılmış sistemin güç tüketimi olduğu, UGS'nin biyoreaktörden geçen gaz akışının yüzeysel hızı olduğu ve alfa, beta ve gama'nın karıştırma koşullarıyla ilgili sabitler olduğu kinetik modelin dördüncü denklemi gösterilmiştir. Bu denklem, kültürden geçen havalandırma ve gaz akışının azalmasının kütle transfer katsayısını azaltabileceğini düşündürmektedir.

Bu tablo, farklı yüzeysel gaz akış hızları veya akış hızları altında 12. günde %15 grip gazı ile biyokütle büyümesini göstermektedir. Genel olarak, düşük bir akış hızı, grip gazı kullanımını ve kütle transfer hızını azaltır, bu da lgal büyümesinin karbondioksit inhibisyonunu önler. Bununla birlikte, biyoreaktörden geçen akış hızının daha da azaltılması, kütle transfer katsayısının lgal büyümesi için yeterli karbondioksit sağlamak için çok küçük olmasına neden olacaktır.

Bu, biyokütle büyümesini farklı kütle transfer hızlarıyla karşılaştıran bu grafikteki mavi çizgi ile gösterilmiştir. Sürekli grip gazı tedavisi altında, mavi çizgi saatte 0.017'lik bir KLA'yı temsil eder. Sarı çizgi, saatte 0.17'lik optimuma yakın bir KLA'yı temsil eder ve siyah çizgi, saatte 17'lik bir KLA'yı temsil eder.

Daha sonra, foto biyoreaktörde grip gazı kütle transfer hızı yüksekse, örneğin grip gazı darbe modunu optimize etmek için saatte 17 ise, büyüme inhibisyonunun üstesinden gelmek için bir açık kapalı grip gazı darbe modu tanıtıldı, farklı açık kapalı frekanslar test edildi. Simülasyon, yüksek frekanslı grip gazı darbelerinin alg büyümesini teşvik edebildiğini göstermektedir. Daha önce gösterilen bu tablo, açma kapama kontrol modunun, gribin biyoreaktöre sürekli beslenmesinden daha az grip gazı kullandığını da göstermektedir.

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

Bu grafik, sarı çizgi ile temsil edilen optimal bir karbondioksit profili altında biyokütle büyümesinin bir karşılaştırmasını göstermektedir. 10 saniye açık kapalı frekans, beş dakikalık gaz, kırmızı çizgi ile temsil edilen gaz kapalı, 10 saniye frekansında kapalı kontrol, yedi dakikalık frekansta gaz, yeşil hat ile temsil edilen gaz kapalı, kapalı kontrol, bir dakikalık frekansta gaz, 29 dakikalık gaz kapalı, siyah çizgi ile temsil edilen gaz kapatma ve mavi çizgi ile temsil edilen %15 karbondioksit içeren grip gazı ile sürekli tedavi. Önceki bir çalışmadan elde edilen bu son rakam, farklı yaklaşımlar kullanılarak biyokütle büyümesinin deneysel bir karşılaştırmasını göstermektedir.

A 10 saniye gaz açık yedi dakika gaz kapalı B 30 dakika, gaz açık 30 dakika gaz kapalı C beş saat gaz açık yedi saat gaz kapalı ve D çalkalama şişelerinde yetiştirme dir. Sürekli bir grip gazı tedavisi veya çalkalama şişesi kültürü ile karşılaştırıldığında, açık kapalı grip gazı darbeleri kullanılarak daha yüksek biyokütle üretimi elde edilir. Grip gazı bazlı algo biyoprosesini denerken, optimal büyüme operasyonlarını tasarlamak için bilgisayar modellemesini kullanmak önemlidir.

Bu prosedürü takiben, model tahminlerini doğrulamak için deneysel testler yapılabilir. Bu videoyu izledikten sonra, CO2 ile biyokütle büyümesini tahmin etmek ve büyüme koşullarını optimize etmek için bir kütle transferi ve biyo reaksiyon modelinin nasıl oluşturulacağını iyi anlamış olmalısınız. Model simülasyonunun yalnızca basitleştirilmiş bir homojen sistem için olduğunu unutmayın.

Model, gelecekte daha karmaşık akışkanlar mekaniği eklenerek geliştirilebilir.