بخشی از مقاله
چکیده
علیرغم معرفی کانالهاي کشت روباز میکروجلبک - Open Raceway Pond - به عنوان بهترین سیستمها جهت کشت تودهي زیستی در مقیاس صنعتی در شصت سال گذشته ، هنوز مطالعهي دقیقی از شرایط هیدرودینامیکی این سیستمها براي کاهش اتلافات انرژي و در نتیجه کاهش هزینههاي تولیدي انجام نگرفته است.
ایجاد شرایط اختلاط مناسب براي جلوگیري از لایهاي شدن دما، نور و مواد غذایی بسیار اهمیت دارد. توزیع ناهمگون سرعت علاوه بر اینکه باعث تهنشینی سلولها که منجر به کاهش میزان جذب دياکسید کربن، مواد غذایی و نور و در نتیجه کاهش رشد میشود، باعث اتلاف انرژي جریان سیال، ایجاد نواحی مرده و در نتیجه بالا رفتن انرژي مصرفی مورد نیاز براي همزدن محیط کشت میشود.
بهترین راه بالا بردن بازدهی کانالهاي کشت روباز به منظور ایجاد تغییرات ساختاري و بهینه-سازي، استفاده از روشهاي معتبر دینامیک سیالات محاسباتی با قابلیت پیشبینی قابل قبول از رفتار سیستم است. در این مقاله، با به کار گیري نرمافزار FLUENT به پیشبینی رفتار جریان سیال درون کانالهاي کشت روباز در مدلهاي سهبعدي پرداختیم. شبیهسازيهاي رایانهاي به شکل گویایی بیانگر سودمند بودن اعمال تغییرات هندسی در این سیستمها بودند به طوري که فضاهاي مرده تا بیش از چهار برابر کاهش پیدا کردند. براي انجام این شبیهسازيها، از مدل معتبر k-e جهت حل مسئله استفاده کردهایم.
مقدمه
فرایندهاي زیستی بر مبناي استفاده از سیانوباکتريها به دلیل ظرفیت بالاي آنها در تولید ترکیبات شیمیایی متنوع مانند لیپیدها، پلیساکاریدها، پروتیینها و ویتامینها در حال گسترش است. به دلیل محدودیتهاي اقتصادي، براي تولید صنعتی این میکروارگانیسمها، استفاده از سیستمهاي بسته مقرون به صرفه نبوده و سیستمهاي روباز به آنها ترجیح داده میشوند
از بین همه سیستمهاي کشت روبازي که در حال حاضر از آنها استفاده شده است، کانال کشت روباز به همراه همزن - Paddle wheel - به دلیل هزینههاي ساخت پایین، سهولت اجرا و بازدهی مناسب بیش از انواع دیگر آن مورد توجه بوده است. مسئلهاي که وجود دارد، مورد توجه نبودن بهینهسازي این نوع سیستمها به دلیل ارزش بالاي محصولات تولیدي حاصل از میکروجلبک بوده است. اما در سالهاي اخیر، با کاهش ذخایر نفتی و توجه روزافزون به تولید سوخت از منابع تجدیدپذیر و قابلیت بالاي تولید لیپید توسط میکروجلبکها، بهینهسازي این سیستمها با هدف کاهش مصرف انرژي جهت تولید تودهي زیستی از اهمیت خاصی برخوردار شده است.
یکی از مهمترین مسائلی که در بررسی تولید سوخت از منابع طبیعی و تجدیدپذیر مطرح میشود، بحث موازنهي قابل قبول و مقرون به صرفه بین انرژي مصرفی براي تولید سوخت و میزان انرژي دریافتی از سوخت تولید شده میباشد. بنابراین یافتن راه حلی مناسب براي بررسی میزان انرژي ورودي به سیستمهاي تولید تودهي زیستی ضروري میباشد. در این راستا، یکی از مهمترین ویژگیهایی که در سیستمهاي کشت میکروجلبک براي کمتر کردن انرژي مصرفی میتوان مورد توجه قرار داد، بحث بهینه کردن جریان هیدرودینامیکی توسط این سیستمها به منظور کاهش انرژي میباشد.
اگرچه در سالهاي اخیر اهمیت استفاده از کانالهاي کشت روباز میکروجلبک بسیار بالا رفته است، اما کمبود مطالعه در زمینهي رفتار سیال و هیدرودینامیک آن بسیار احساس میشود
این در حالی است که میزان مصرف انرژي هیدرودینامیکی در این سیستمها، میتواند مسئلهي جایگزین کردن سوختهاي طبیعی را به جاي سوختهاي فسیلی بسیار هموار کند. ویژگیهاي هیدرودینامیکی که میتوان به بررسی آنها پرداخت عبارتند از توزیع سرعت و آشفتگی، سرعت زاویهاي همزن و نسبت ابعاد هندسی در کانالها که ابتداییترین بررسیها در این زمینه میتواند به توزیع سرعت در این سیستمها اختصاص یابد.
کانالهاي کشت روباز میکروجلبک از یک فضاي مدور گونه تشکیل شدهاند که با یک تیغه از وسط به دو قسمت تقسیم شده و محیط کشت توسط یک یا دو همزن در انتهاي کانالها جریان مییابد
عمق اجرایی محیط کشت بین 20 تا 30 سانتیمتر و مساحت آنها از 1 متر مربع تا 4000 مترمربع متغیر است. تحقیقات نشان دادهاند میزان روغنی که میکروجلبکها قابلیت تولید آن را دارند در مقیاسی بسیار بالاتر از دیگر گونههاي زیستی میباشد
این نکته اهمیت بهینهسازي سیستمهاي کشت این نوع میکروارگانیسمها را جهت کاهش هزینههاي تولید سوخت بسیار بالا میبرد.
شکل 1 کانالهاي کشت روباز 10 و 100 متر مربعی - واحد فناوري سبز سازمان پژوهشهاي علمی و صنعتی ایران -
جدول 1 مقایسه میزان تولید روغن در میکروجلبکها با دیگر گونههاي زیستی
مراجع مختلف، حداقل سرعت مورد نیاز براي شناور ماندن سلولها را با توجه به گونهي آنها بین 5-10 سانتیمتر بر ثانیه اعلام میکنند اما به دلیل اتلافاتی که در سیستم اتفاق میافتد، در بسیاري از نقاط سرعت کمتر از این مقدار خواهد بود.
