بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کنترل و بهینه سازی غلظت توده زیستی فتوبیوراکتور به روش تاگوچی و بررسی عملکرد آن در تصفیه بیولوژیکی
چکیده:
پژوهش حاضر شامل شبیه سازی عددی یک فتوبیوراکتور صفحهای عمودی به منظور تعیین پارامتر های بهینه کنترلر به روش تاگوچی و کنترل توده زیستی میکروجلبک اسپرولینا است که توسط نرم افزار Matlab و Qualitek-4 صورت گرفته است. از آنجایی که پارامترهای فرایندهای زیستی به شدت به یکدیگر وابسته بوده و شرایط بقا و رشد را برای گونه ی بیولوژیکی فراهم می سازد، کنترل این فرایند ها با چالشهای فراوانی رو به روست. فتوبیوراکتورها سیستم های کشت بیولوژیکی هستند که نه تنها در تسهیل تولید تجاری میکروجلبکها به عنوان خوراک برای آبزی پروری و مکملهای غذایی کاربرد داشته بلکه به عنوان پلت فرم احتمالی برای تولید مولکولهای فعال مانند آنتی بیوتیکهای نو آورانه یا عوامل ضد تومور، حذف دی اکسید کربن، حذف مواد آلی و پاتوژن ها و حذف فلزات سنگین از پساب مورد استفاده قرار می گیرند. در این مقاله کنترلر دیجیتال به منظور کنترل توده زیستی فتوبیوراکتور طراحی شده تا میزان دی اکسید کربن و غلظت مواد آلاینده داخل فتوبیوراکتور مورد بررسی قرار گیرد. مقادیر بهینه پارامترهای کنترلر که با توجه به آنالیز S.N و ANOVA در نرمافزار Qualitek-4 بدست آمده با روشهای منحنی واکنش، کوهن-کن و زیگلر-نیکولز مقایسه شد. با توجه به مجموع قدرمطلق خطای بدست آمده برای هر یک از روش های کنترلی ذکر شده، روش تاگوچی به عنوان بهترین روش به منظور کنترل توده زیستی فتوبیوراکتور انتخاب شد. این روش نسبت به روشهای کنترلی ذکر شده از پایداری بالاتری برخوردار بوده و در فاصله زمانی کوتاهتری به پاسخ میرسد.
واژه های کلیدی: فتوبیوراکتور، تصفیه بیولوژیکی، دی اکسید کربن، پساب، کنترل و بهینه سازی، روش تاگوچی
-1مقدمه:
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 .[1,2] 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.[3] 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.[3,5] بر اساس روش کار، فتوبیوراکتورها به سه دسته کلی تقسیم بندی می شوند. دسته اول، فتوبیوراکتورهایی هستند که عمل اختلاط محیط کشت در آن ها با استفاده از پمپ و یا سیستم هوابالابر صورت می گیرد. دسته دوم، راکتورهای تک فاز هستند که داخل آن ها توسط محیط کشت پر می شود و عمل تبادل گاز توسط یک انتقال دهنده به صورت جداگانه انجام می گیرد. دسته سوم، راکتورهای دوفازی هستند که در آن ها گاز و مایع با هم حضور دارند و تبادلات گازی به طور دائم در خود راکتور انجام می شود. در یک تقسیم بندی دیگر، فتوبیوراکتورها را بر اساس جنس و نوع ماده سازنده آن ها طبقه بندی می کنند. مواد سازنده فتوبیوراکتورها ممکن است از جنس شیشه، متیل پلی متاکریلات، پلی اتیلن، سیلیکون، پلی وینیل کلرید، پلی پروپیلن و غیره باشند.[3,5]
سیستم ها و روش های مختلفی جهت تصفیه پساب ها طراحی شده که هر یک دارای مزایا و معایبی است. از آنجایی که ریز جلبک ها قادر به برداشت و حذف مواد مغذی، فلزات سنگین، مواد آلی و پاتوژن ها از پساب هستند، می توانند نقش ارزنده ای در تصفیه پساب ها ایفا نمایند. نکته قابل توجه در تصفیه پساب ها با استفاده از ریز جلبک ها، همزیستی و همکاری آن ها با باکتری ها در فرایند تصفیه است. در این ارتباط، ریز جلبک ها گاز دی اکسید کربن تولیدی در نتیجه فعالیت های متابولیسمی باکتری ها را جذب کرده و در فرایند فتوسنتز برای تولید ترکیبات مختلف مورد استفاده قرار می دهند و از طرف دیگر اکسیژن تولیدی ریز جلبک ها در فرایند های متابولیسمی باکتری ها مورد استفاده قرار می گیرد. ریز جلبک ها برای ایجاد تشکیل 45 تا 60 در صد از وزن خشک خود به مقادیر بالای نیتروژن و فسفر در ساخت اسید های نوکلئیک، فسفولیپید ها و پروتئین ها نیاز دارند؛ بنابراین می توانند برداشت مواد مغذی از پساب ها را تسریع نمایند. از طرف دیگر این میکرو ارگانیسم های فتوسنتز کننده قادر به جمع آوری فلزات سنگین با روند هایی مانند
جذب سطحی، جا به جایی یون ها، اتصالات کووالان، رسوب دهی و یا کریستالیزاسیون روی سطح سلول ها می باشد. انتقال فلزات سنگین به داخل سلول ها و محصور کردن آن ها، یک مکانیسم دفاعی در ریز جلبک ها برای در امان ماندن از آثار سمی فلزات است.[3]
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.[4]
-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 .[6]
بر طبق تعریف، معادله نرخ رشد خالص به صورت زیر بدست می آید.
که در آن نرخ رشد ماکزیمم نرخ رشد خالص را نشان داده که برابر با است.همچنین تابع تاثیر شدت نور تابع غلظت محلول تابع غلظت متابولیک محیط کشت بوده که در محدوده 0تا 1 قرار دارد. براساس معادله (2)تعریف می شود.
که در آن X غلظت توده زیستی میکروجلبک، ɛ (0/72 g.L-1) حساسیت ضریب انعکاس میکروجلبک به نور قرمز-آبی و g.L-1) h ( 7/22 و(r (287/42µmol.m-2.s -1 ثوابت آزمایشگاهی هستند.
f L (CO 2 L ) را می توان به صورت زیر نوشت.
که در معادله فوق K c (2/38 gL-1) ثابت نیمه اشباع CO2 است.
f p (P ) نیز از معادله (4) بدست می آید.
که در آن P غلظت متابولیتی محیط کشت و K p ثابتی با مقداری برابر با (1/2*10-2 gL-1) است.[6] با جا گذاری معادلات 2-3 تا 4-3 در معادله (5) خواهیم داشت:
-2-2 شبیه سازی دینامیکی
شبیه سازی دینامیکی فتوبیوراکتور با استفاده از معادلاتی از قبیل شدت نور، دی اکسید کربن محلول، میزان رشد میکروجلبک و ...
صورت گرفت. معادلات به صورت S.Function در محیط m.file نرم افزار MATLAB کدنویسی شده و به منظور انجام عملیات کنترل، در محیط Simulink به روش ODE 15s در مدت زمان 300 ساعت حل شد. بیشترین و کمترین مقدار برای تحریک پله به ترتیب برابر10 و 0/0001 در نظر گرفته شد. تلورانس نسبی و مطلق نیز روی مقدار10- 3 تنظیم شده و از آنجایی که تمامی توابع مورد استفاده از نوع آرایه هستند، فرمت Array برای آن ها تعیین گردید. مدار کنترلی با استفاده از بلوک های Mux و Demax، Scope، Constant، To workspace و کنترلر PID مطابق شکل (1) طراحی شد.
-3-2 کنترل به روش تاگوچی
به منظور یافتن مقادیر بهینه پارامترهای کنترلر به روش تاگوچی از نرم افزار Qualitek-4 استفاده شد. در ابتدا برای هر یک از پارامتر های K، Ti و Td چهار عدد در نظر گرفته شده که پس از تعریف این اعداد در نرم افزار، 16 آزمایش تعیین می شود که هر یک از آن
ها شامل اعدادی است که توسط نرم افزار به پارامتر های کنترلر اختصاص داده شده است. با اعمال هر یک از این اعداد در کنترلر و بررسی نتایج بدست آمده توسط نرم افزار Qualitek-4، مقادیر بهینه پارامتر های کنترلر مشخص می شود. این اعداد در جدول (1) نشان داده شده است.
