بخشی از مقاله
چکیده:
وابستگی شدید پارامترهای زیستی به یکدیگر و کنترل شرایط بقاء و رشد گونه بیولوژیکی، کنترل این فرایندها را با چالش هایی روبه رو ساخته که به منظور حل آن ها از انواع سیستم های کشت بسته استفاده می شود. پژوهش حاضر شامل شبیه سازی عددی یک فتوبیوراکتور صفحهای عمودی است که توسط نرم افزار MATLAB صورت گرفته است.
فتوبیوراکتورها سیستم های کشت بیولوژیکی هستند که توانایی تولید توده زیستی از میکروجلبک ها را به عنوان خوراک دام، آبزی پروری و مکمل های غذایی داشته و می توانند هم زمان با تولید توده زیستی، در تصفیه بیولوژیکی به منظور حذف دی اکسید کربن، فلزات سنگین، مواد آلی و پاتوژن ها از پساب مورد استفاده قرار گیرند.
این سیستم ها در تسهیل کنترل شرایط بقا و رشد گونه زیستی نقش بسزایی دارند . در این پژوهش سه کنترلر با هدف کنترل شدت نور، غلظت دی اکسید کربن و غلظت توده زیستی طراحی شده و تاثیر هر یک از آن ها در عملکرد فتوبیوراکتور مورد بررسی قرار گرفت. شرایط عملیاتی در تمامی مراحل یکسان در نظر گرفته شده و تنها تغییر در سیستم، مربوط به مقدار مقرر و پارامتر های کنترلر بوده که به روش تاگوچی و با استفاده از نرم افزار Qualitek-4 تنظیم شده است
عملکرد سیستم در حذف دی اکسید کربن، مواد آلاینده و تولید توده زیستی در فتوبیوراکتور با ترسیم نمودار هایی مورد بررسی قرار گرفت. به منظور اعتبار سنجی داده ها، قدر مطلق خطای هر یک از کنترلر ها نیز محاسبه شد. بررسی ها نشان داد کنترلر دی اکسید کربن نسبت به کنترلر های شدت نور و غلظت توده زیستی در شرایط عملیاتی یکسان در مدت زمان کوتاه تری به پاسخ می رسد.
-1مقدمه:
تاثیر گازهای گلخانه ای بر افزایش دمای کره زمین یکی از مسائل مهمی است که امروزه توجه همگان را به خود جلب کرده است. از مهمترین پیامد های این افزایش دما می توان به تغییر آب و هوا اشاره کرد. گرم شدن زمین موجب تغییر الگوی بارش، افزایش سطح آب دریاهای آزاد و کاهش سطح آب دریاچه ها و تاثیرات وسیع بر گیاهان، حیوانات و انسانها می شود.
آلودگی هوا به عنوان بزرگترین مشکل دنیای امروزی، همچنان مشکلی بدون هیچ راه حل عملی برای بشر باقی مانده است. هزاران سال عدم تغییر تراکم گازهای گلخانه ای در جو، محیط مناسبی برای رشد تمدن بشری فراهم ساخته است در حالی که پیشرفت همین تمدن، به خصوص پس از انقلاب صنعتی در حدود سال 1800 میلادی، دنیا را به مکانی برای تجمع گاز دی اکسید کربن تبدیل کرده و هر روزه تاثیرات جدیدی از اثرات مستقیم و غیر مستقیم گاز های گلخانه ای کشف می شود.
در میان انواع مختلف گازهای گلخانه ای، گاز دی اکسید کربن سهم عمده ای در ایجاد این اثرات نامطلوب داشته چرا که حدود %26 از حجم گاز های گلخانه ای را به خود اختصاص داده است. از آنجایی کربن به عنوان اصلی ترین جزء شرکت کننده در فرایند های فتوسنتز و اصلی ترین عنصر تشکیل دهنده پیکره ریزجلبک ها می باشد، می توان از این گاز برای رشد گونه های مختلف میکروجلبک استفاده کرده و حین تولید توده زیستی و حذف دی اکسید کربن، تولید اکسیژن نمود.[1] لازم به ذکر است فرایند های بیولوژیکی دارای پیچیدگی خاصی بوده و شرایط بقاء و رشد در این فرایند ها به شدت به یکدیگر وابسته است، لذا عملکرد صحیح و مناسب این فرایند ها منوط به کنترل دقیق آن ها است.
جلبک ها از قدیمی ترین موجودات فتوسنتز کننده و تولید کننده اکسیژن بر روی زمین به شمار می روند که به چهار گروه دسته بندی می شوند. گروه اول دارای ساختاری پروکاریوتی است در حالی که گروه دوم مرکب از انواعی است که کلروپلاست آنها فقط توسط دو غشاء کلروپلاستی احاطه می شوند. گروه سوم علاوه بر دو غشاء مذکور دارای غشاء سومی متشکل از شبکه آندوپلاستی هستند.
گروه چهارم نیز دو غشاء با منشاء آندوپلاستی دارند.[2,3] لازم به ذکر است ریز جلبک ها جزء هیچ یک از سطوح طبقه بندی به حساب نیامده بلکه اصطلاحی است که تمامی جلبک های میکروسکوپی اعم از پروکاریوتی و یوکاریوتی را در بر می گیرد.[4] سیستم های کشت بسته یا فتوبیوراکتورها 1، راکتورهایی هستند که در آن ها میکروارگانیسم های فتوتروف - 2 انواع باکتریی، ریز جلبک ها و یا سلول های گیاهی - به منظور انجام یک واکنش فتوبیولوژیکی کشت داده می شوند. فتوبیوراکتورها، یک محیط کشت بسته را فراهم می آورند که در برابر تهاجم و رقابت با سایر میکروارگانیسم ها ایمن بوده و شرایط کشت ریز جلبک ها در آن ها به طور موثرتری کنترل می شود.
اصطلاح فیکورمدیشن3 یا تصفیه زیستی آلاینده ها به وسیله جلبک ها به استفاده از جلبک ها برای تیمار و تصفیه مواد آلاینده از پساب هایی با منشاء مختلف و یا تبدیل آلودگی هایی مثل زنوبیوتیک ها4 از پساب اشاره دارد. استفاده از ریزجلبک ها برای تصفیه پساب های شهری تا کنون موضوع بسیاری از مطالعات محققین قرار گرفته است. اولین تحقیق اساسی در این زمینه، توسط اوسوالد5 در سال 1963 در ایالات متحده امریکا انجام شد. امروزه تصفیه زیستی آلاینده ها با استفاده از جلبک ها کاربرد های بسیاری داشته که از آن میان می توان به حذف مواد غذایی و ترکیبات آلی از پساب ها، جداکردن زنوبیوتیک ها و ایجاد تبدیلات زیستی بر ساختار شیمیایی آن ها، تعدیل پساب های اسیدی و حاوی فلزات سنگین، جداکردن و جذب دی اکسید کربن و سنجش ترکیبات سمی توسط حسگر های زیستی بر پایه سیستم های ریزجلبکی اشاره کرد.
در اواخر سال 1940 میلادی، دکتر تاگوچی مفاهیم آماری جدیدی را مطرح کرد که بعدها ثابت شد این مفاهیم، ابزارهای با ارزشی در مقوله کنترل و بهبود کیفیت هستند. روش تاگوچی نسبت به روشهای متدوال و رایج مهندسی کیفیت کاملاً متفاوتی ارائه می کند. این روش در بسیاری از مطالعات به منظور کاهش تعداد آزمایشها مورد استفاده قرار می گیرد. متدولوژی تاگوچی بر طراحی کیفیت، در هنگام طراحی محصولات و فرآیند تأکید داشته، در حالی که روش های متداول بر مبنای بازرسی و کنترل کیفیت در حین فرآیند تولید و یا بعد از تولید محصولات می باشند.
-2 شبیه سازی و کنترل:
-1-2 معادلات حاکم
میکروجلبک ها در طول رشد، محیط کشت را به عنوان مواد مغزی مورد نیاز مصرف کرده و طی عملیات فتوسنتز تولید اکسیژن می کنند. پس می توان نتیجه گرفت یکی از مهمترین معادلاتی که برای یک فتوبیوراکتور باید در نظر داشت، نرخ رشد خالص میکروجلبک بوده که خود تابعی از نور، غلظت CO2 و میزان رشد میکروجلبک می باشد
