26651

مدل سازي رشد ميكروجلبك در يك راكتور بيوفيلمي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1397-1400

1400/12/7

اميد وحيدي

حامد عابديني

مهندسي شيمي

در سال¬هاي اخير استفاده از ميكروجلبك به عنوان يك منبع انرژي تجديدپذير جهت جايگزيني سوخت¬هاي فسيلي و يا به عنوان يك فناوري زيست محيطي موثر براي كاهش گازهاي گلخانه¬اي بيش از پيش مورد توجه محققين قرار گرفته است. كشت ميكروجلبك به صورت بيوفيلم مي¬تواند راه حلي موثر براي معايب سيستم كشت معلق از جمله مصرف آب بالا، سيستم برداشت پرهزينه و بهره¬وري كم باشد. در سال¬هاي اخير مدل¬سازي اين سيستم¬ها به منظور استفاده از مزاياي مدل¬سازي در كشت بيوفيلمي مورد توجه پژوهش¬گران قرار گرفته است. مزاياي مدل¬سازي در اين سيستم¬ها شناخت بيشتر پارامترهاي موثر در رشد و رسيدن به بهره¬وري بالاتر است. در اين پروژه مدل¬سازي كشت ميكروجلبك كلرلا ولگاريس در محيط كشت BG-11 انجام شده است. براي اين منظور معادلات انتقال جرم، تعادل ترموديناميكي، رشد و تغييرات شدت نور در بيوفيلم بررسي شده و فرضياتي هم در نظر گرفته شده است. اين فرضيات، رشد بيوفيلم فقط در يك جهت و عدم تاثير رشد بر الگوي جريان است و براي حل آن كه يك مسئله¬ي شرط مرزي متغير است، با استفاده از روش حل مسائل استفان، معادلات پاره¬اي مدل به مسئله¬ي شرط مرزي با مرز ثابت تبديل شده است. با استفاده از روش Method of Lines، دستگاه معادلات پاره¬اي به دستگاه معادلات ديفرانسيل معمولي با شرايط اوليه تبديل و معادلات حاصل از طريق كدنويسي در نرم-افزار متلب حل شده است. از طرفي، نتايج اين سيستم كشت به صورت تجربي در دو شدت نور متفاوت در دسترس بوده است كه نتايج مدل¬سازي با يك دسته از نتايج آزمايشگاهي يعني شدت تابش نور پايين-تر با ضريب تعيين 0.99 و ميانگين خطاي 7 درصد تخمين زده و با دسته¬ي ديگر يعني شدت تابش نور بالاتر با ضريب تعيين 0.96 و ميانگين خطاي 10 درصد اعتبارسنجي شده است كه در دو حالت نتايج بسيار مطلوب و قابل قبول گزارش شده است. براي مرحله¬ي تخمين نتايج از پارمتر maxμ يعني حداكثر نرخ بهره¬برداري از كل كربن معدني توسط ميكروجلبك¬ها استفاده شده است. سپس آناليز حساسيت انجام شده است و پارامترهاي تاثيرگذار در خروجي شناسايي شده اند. شدت تابش نور و غلظت كلي كربن در محيط كشت پارامترهايي هستند كه تغيير در آن¬ها، تغيير محسوس بر روي سرعت رشد بيوفيلم ايجاد مي¬كند كه بعد از اعتبار سنجي مدل، براي به دست آوردن شرايط بهينه،¬ تغييرات در پارامترهاي نام برده انجام شده است و نتايج آن گزارش شده است.

1401/03/31

Microalgae Growth Modeling in a Biofilm Photobioreactor

2/26/2023 12:00:00 AM

In recent years, the use of microalgae as a renewable energy source to replace fossil fuels or as an effective environmental technology to reduce greenhouse gases has received increasing attention from researchers. Microalgae culture in biofilm can be an effective solution to the disadvantages of the suspended culture system, including high water consumption, costly harvesting system and low productivity. Modeling of these systems has been considered by researchers in recent years. The advantages of modeling in these systems are more knowledge of the effective parameters in growth and achieving higher productivity. In this thesis, the culture of Chlorella vulgaris microalgae in BG-11 medium was modeled. For this purpose, the equations of mass transfer, thermodynamic equilibrium, growth and changes in light intensity in the biofilm are investigated. Some hypotheses are considered in solving the equations, including, biofilm growth in one direction only and no growth effect on the flow pattern. The problem, which is a moving boundary PDE problem, has been turned in to a fixed boundary PDE problem using Stefan solution. Using the Method of Lines solution method, the system of partial equations is converted to a system of ordinary differential equations with initial conditions and the resulting equations are solved by coding in MATLAB software. The experimental results of this culture system was available at two different light intensities. The simulation data is fitted with one data set in the low light intensity, with the coefficient of determination of 0.99 and an average error of 7%, and is validated with another data set with the coefficient of determination of 0.96 and an average error of 10%. In both cases the results are very desirable and acceptable. The μ_max parameter, ie the maximum utilization rate of total mineral carbon by microalgae, was used to estimate the results. Sensitivity analysis was performed and the parameters affecting the output were identified. Light intensity and total carbon concentration in the culture medium are parameters in which a change causes a significant change in the growth rate of the biofilm. After validation of the model, to obtain optimal conditions, the mentioned parameters was modified and the results have been reported.

كشت ميكروجلبك , سوخت زيستي , كشت بيوفيلمي , فتوبيوراكتور , مدل¬سازي كشت ميكروجلبك

Microalgae culture , Biofuel , Biofilm culture , Photobioreactor , Microalgae culture modeling

parvin ghafouri

omid vahidi