2013年IFAC第10届控制教育研讨会：英国谢菲尔德室外微藻培养虚拟实验室

2013年8月28日至30日，国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会控制教育进展。英国谢菲尔德室外微藻培养J. Sánchez*，R. Dormido*，N.杜罗岛Fernández**，S. 多尔米多 **Department of Computer Sciences and Automatic Control，UNED，28040 Madrid，Spain（e-mail：{ jsanchez，raquel，nduro，sdormido}@dia.uned.es）**Department of Languages and Computation，University of Almería，04120 Almería，Spain（电子邮件：iferse@gmail.com）翻译后摘要：本文介绍了一种交互式虚拟实验室的实验室外管状光生物反应器。虚拟实验室让用户以实际的方式模拟和研究在特定时间段内在普通管状光生物反应器中的微型藻栅藻Almeriensis的户外培养的演变，可以通过改变系统的地理位置，太阳辐射分布，培养条件（pH值，生物量浓度，溶解O2，注入CO2等）预设不同的体验，光生物反应器的几何形状，或应用于某些变量的控制模式。高度交互式的用户界面的设计使得可以在运行中引入执行器的意外工作条件或阳光的波动。该虚拟实验室是使用Easy Java Simulations开发的，Easy Java Simulations是一种开源工具，适用于希望创建Java应用程序和applet的编程技能有限的教师。关键词：光生物反应器，生物控制，生物技术，实验室教育，模拟器，交互式程序，建模，Java。1. 介绍由于微藻具有生物勘探的特性，其大量培养越来越受到重视。大规模培养微藻并利用其生物量生产有用产品具有重要意义。众所周知，微藻具有生产广泛的食品或医疗用重要生化物质的巨大潜力（Milledge，2011）。目前，也有相当大的兴趣在生产生物燃料从微藻培养的光生 物 反 应 器 （ 简 称 PBR ） 。 参 见 （ Bernard ， 2011;Campbell等人，2011年）。简而言之，PBR是一个容器，其中光合生物利用光和营养生长。多年来，PBRs和产生的微藻因其在食品工业、环境清洁以及作为清洁能源来源等方面的潜力而引起了人们的极大兴趣。但是，实现藻类培养物的可持续商业用途的最重要的障碍之一是缺乏合适的PBRs，使得能够在受控和商业竞争条件下进行生产。由于这些原因，大学，初创公司和石油公司都对微藻生长和PBR设计的研究非常感兴趣。一个有趣的和困难的控制问题，被广泛分析是PBRs的优化设计和控制。国际会计师联合会生物系统和生物工艺技术委员会认为，生物技术被认为是目前和未来创新商业机会/产品和创造就业机会的主要来源之一。未来生物技术领域的特点是新颖性和高度复杂的过程（例如，PBRs）方面的快速变化，需要精心设计，操作和控制，以便在安全和最佳条件下运行。因此，面对竞争激烈的全球经济环境，卓越的运营是利用这些机会的关键。这必须增加生物系统固有的复杂性。为了应对所有这些问题，需要创新、可靠、智能和具有成本效益的制造。但是，为了满足这些要求，需要教育新的工程师和职业培训学生，利用信息和通信技术在生物技术和生物工艺教育中的应用。仿真技术在教学中的重要性日益增加，特别是在控制过程领域。交互式模拟器，也称为虚拟实验室，由于其在教学和学习之间的直观性和交互性方面的突出优势，这种日益普及并不是什么新鲜事（Guzmán等人，2007;Dormido等人，2008年）。在这种情况下，有必要开发针对学生个人资料的PBRs模拟器。到目前为止，作者的知识，任何虚拟实验室的PBR系统尚未开发。对于职业培训的学生或工厂操作员来说，开发虚拟实验室是合理的，可以从定性的角度而不是从定量和工程的角度来© IFAC 297 10.3182/20130828-3-UK-2039.00073第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲298perspective.对于控制和化学工程专业的学生来说，PBR模拟器是了解这些多变量生物过程复杂性的基础。在任何情况下，使用这些交互式模拟器，学生将获得所需的知识和技能，以开发，测试和操作控制器，满足一定的性能要求。这些虚拟实验室的互动性鼓励学生发挥更积极的作用，并参与他们的学习过程（Dormido等人，2005年）。但是，从工业的角度来看，更先进的建模库和仿真环境的开发是强制性的，因为有许多设计因素必须优化和平衡，以在大型商业设施上实现藻类生长系统。本文所描述的虚拟实验室旨在激励学生和研究人员学习管状PBR的工作原理。使用这个实验室，可以发现理论，模拟和真实物理系统之间的联系。它可以用来学习设计原理和优化。从生物化学的角度来看，虚拟实验室的用户可以直观地了解PBR性能如何受到设计参数（如辐照曲线，初始pH值或流速）变化的影响。它有助于学习微藻生长的基本变量，以设计最佳的PBR。由于其交互性，该实验室允许用户改变几个几何和地理参数的值，以塑造不同的PBR设计。例如，它可以用于通过增加管的直径来按比例放大管状PBR的问题，这实际上仅在窄范围内是可行的（Molina等人，2000年）。该实验室可以帮助完成如何设计这种规模扩大的任务。从控制的角度来看，可以应用和研究不同的控制策略来实现有效的微藻生物质生产。这包括注入CO2流量的控制或培养温度的控制，直接影响光合作用的效率，是决定微藻生长速度的因素之一。本文的结构如下。第2节描述了PBR系统。第3节讨论了实验室实施中使用的一些环境问题。第4节介绍了在EasyJava Simulations（简称Ejs）中开发的PBR系统。论文最后提出了一些结论和对进一步工作的思考。2. 光生物反应器系统2.1 光生物反应器设计有 两 种 类 型 的 PBR ， 一 种 是 开 放 系 统 PBR （ 称 为 滚道），另一种是封闭系统。开放系统的好处在于易于构建。一个开放的系统可以是湖的形式，池塘，或一些大的开放容器，可以容纳水。这种设计的缺点是它容易蒸发，也容易受到入侵物种的污染。一旦微藻蓬勃发展，也很难获得最大量的光到所有的微藻，因为池有点深，有效的循环是有问题的。另一方面，封闭式PBRs更容易操作，可以优化基本变量，并且通常比开放式PBRs获得更高的生产率。此外，封闭式PBR的优点之一是，它们可以根据尺寸、当地天气条件等设计为室内或室外使用。最常见的封闭式PBR几何形状是平板、环形和管状（见图1）。这三类的详细情况见（Carvalho，2006年）。比较三种设计封闭式PBRs的方法，管状PBRs有助于更好地控制许多培养环境参数，例如二氧化碳供应、水供应、最佳温度、有效暴露于阳光、培养密度、pH水平、气体供应速率或混合制度。Fig. 1. 常用的反应堆设计。并不是所有的PBR看起来都一样，但它们基本上以相同的方式工作。用于室外微藻培养的通用管式PBR系统的工作示意图示于图2中。室外微藻培养只需要营养、阳光和二氧化碳就能生长。培养物流通常从混合单元前进到泵，该泵调节进入管中的流。内置在泵中的是CO2入口阀.作为太阳能接收器的管状环本身用于通过控制环境参数来促进生物生长。在管状回路中通常可使用不同的传感器，例如用于确定植物中积累了多少氧气的氧气传感器，或者pH或温度传感器。一旦微藻完成了通过管状回路的流动，它们就返回到混合单元。在这个阶段，光学传感器确定收获率。当微藻准备好收获时，它们通过连接的过滤系统。该过滤器收集准备加工的微藻，而剩余的微藻返回到混合单元。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲299另一个系统是内置的清洗系统，它可以在不停止生产的情况下对管道进行内部清洗。这是一个搅拌系统，可以防止微藻粘在容器壁上，减少可用的光量。图二. 用于室外培养的管式PBR的示意图。2.2 系统概述通过空气汽提（氧解吸），以防止气泡再循环到太阳能接收器中。在外部回路中，液体通过离心泵循环，其中纯CO2根据需要提供用于pH控制目的。在液相和气相中考虑完全混合。通过混合单元中的热交换器盘管泵送的冷却水用于温度控制。在实验室中使用的数学模型，基于基本原理，考虑到流体动力学和传质，除了生物现象，结合体积元模型（VEM）的方法。VEM使我们可以将偏微分方程简化为常微分方程。使用它，外部回路被分成微分元件，其中假设完美的混合。微分元件的数量是可以在虚拟实验室中改变的参数。参见（Fernández等人，2012）详情。本文介绍的虚拟实验室是基于西班牙阿尔梅里亚大学化学工程系设计和建造的PBR（见图3）。该设施包括如（Acién等人，2001; Molina等人，2001年）的报告。图三.位于Almería（西班牙）的PBR的混合单元和管状回路的局部视图。管式PBR模型由两部分组成，即太阳能接收器（连续管式回路）和混合单元（鼓泡塔）。使用气升和机械泵将培养物从一个部分连续再循环到另一个部分。由于传质和流体动力学现象在每个部分是不同的，它们被单独建模。在鼓泡塔中，液相和气相都出现。一方面，气泡（气升）柱使培养物通过太阳能接收器循环，其中大部分光合作用发生。另一方面，由光合作用产生的氧在培养液中积累，直到培养物返回到气升区，在气升区中积累的氧被释放。3. 环境问题3.1 太阳辐射根据太阳全年在天空中的位置方程，理论上可以计算出特定倾斜角度下表面上的太阳辐射量，作为纬度和一年中的一天的函数。虚拟实验室包括水平太阳辐射（直接，漫射和全球）的模拟，即在水平表面测量的辐射。因此，它被认为是太阳辐射的假设PBR面临的入射太阳日射。有关太阳辐射方程的详细信息，请参见（Lorenzo，2006）。3.2 控制架构PBRs是非常复杂的系统，具有许多输入和输出，这使得管理它们具有很大的可操作性。从控制的角度来看，在PBR中，可以调节不同的变量，如CO2、培养速度或培养温度，以使生物质产量最大化。通常，PBRs系统通过开/关阀控制，因此实现经典的开/关切换控制器。在这个意义上，系统动态和干扰不考虑在控制系统的设计。在我们的实验室中，我们试图通过包括，在写这篇文章的时刻，三个低级别的PI控制回路来管理CO2流量，培养速度，和培养温度来改进控制架构。在 这三 个 控制 器 中， 使 用了 同 样的 方 法（ Aström 和Wittenmark，1997年）。首先，识别三个致动器的模型（用于喷射CO2的阀和用于喷射CO2的阀）。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲300冷水和用于培养速度的泵），然后设计控制器。详情见（Rodríguez，2012年）在每个循环中，有四种可能的控制模式可用：手动，开/关和PI，两种模式（基于时间和基于事件）。参见（Beschi et al.，2012），以了解所选基于事件的策略的详细信息。4. EJS光生物反应器系统本节介绍模拟器的主要功能。该模拟器已被编程与Ejs，一个免费的开源工具，在Java开发，专门设计用于创建交互式动态模拟（Esquembre，2004年）。学生可以通过使用标准的支持Java的Web浏览器访问http://lab.dia.uned.es4.1 表示系统图4示出了模拟器的主窗口，其显示了PBR的示意图，该示意图已经尽可能地变得不言自明和逼真。在图中，系统的不同组件可以清楚地可视化。混合单元由垂直取向的泡罩塔表示，并且太阳能接收器是水平定位的管状回路。泡罩塔和管状回路的颜色根据瞬时生物质浓度从浅绿色到深绿色变化。沿着管状回路，有三个红色圆圈指向pH和温度传感器所在的地方。此外，在鼓泡塔的出口处有一个离心泵以循环培养物，并且在泵出口之后根据需要提供纯CO2在离心泵之前和鼓泡塔的底部，有一个手动阀向塔中供应空气（空气流速），用于氧解吸。视图中还显示了三个控制回路1)控制二氧化碳流量的回路.它位于管状环下方。2)循环来控制培养速度。它位于离心泵旁边。3)循环以控制培养温度。它位于鼓泡塔的顶部。所有这些控制都可以在手动或自动模式下操作。如果系统以手动方式控制，则用户需要直接设置操纵变量的值。如果在自动模式下操作，用户必须选择控制器策略并调整控制器参数以获得最佳性能。这一事实详述如下。在主窗口的顶部，“文件”和“实验”菜单允许用户分别加载或保存模拟和预定义实验。通过点击“几何”、“操作”、“生物”和“生物”，特定模拟的辐射参数可以加载或保存在独立的文件中。使用界面的标准按钮可以播放、暂停和重置模拟。见图4。PRB系统的图形用户界面。4.2 管理该系统在主窗口的底部有六个面板，不仅可以更改系统的多个参数，还可以正确管理系统的操作过程。每个面板的内容如下：1)仿真一年的开球日可以交互式地改变（见图5）。这一天指的是一年中的哪一天，以便计算这一天有多少辐射。还可以交互式修改开球时间和模拟间隔（以天为单位）。在此面板中，还可以选择模拟中涉及的时间窗口的大小（以小时为单位）、模拟步骤以及图形范围中表示的信号的抽取。此外，可以交互地修改与全局辐射模型相关联的不同参数。这些参数是纬度和经度，必须设置为第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲301PBR位置、相关时区的经度和清晰度指数。图五. 模拟面板。2)几何该面板允许改变PRB的物理参数（参见图6）。它可以修改管道和柱长度，柱和管道直径（外部或内部）。通过改变这些参数的值，可以容易地修改PBR的设计，并且可以进行不同的体验。管道内部体积和柱体积也显示在此面板中。可编辑字段“截面数”表示PBR管道的空间离散化，即总体积管道划分的小隔室数。这种方法产生了一个数学公式的基础上偏微分方程，但在同一时间，它反映了PBR过程的特点详细。管道密度也可以从该面板更改。见图6。设计面板。3)数据区.此面板用于加载从真实来源获得的数据集。它允许用户使用真实的信息而不是人为的价值来进行体验。例如，可以加载具有从天气数据库获得的真实太阳辐射数据的文件，而不是使用人工辐射数据。在此面板中，可以交互式修改回路中可用的管道数。这种变化很容易在界面中显示出来。4)控制此面板包含三个子面板，每个子面板对应一个控制回路。从这些子面板中，用户可以选择控制操作模式。如果系统在手动模式下运行，则用户需要使用为此提供的可编辑字段直接设置操纵变量的值。显然，模拟解决其主要教学目标当它被设置为特定的控制器时。可用的选项有手动、开/关、基于时间的PI和SSOD PID（见图7）。根据所选的控制器，用户可以管理不同的参数。见图7。控制面板.5)数据这个面板包含复选框，可以显示不同的范围，以显示主要系统变量的变化（见图1）。（八）。见图8。数据面板。图九.显示了pH值、生物质浓度和溶解氧的演变的示例。如果选中“数据”面板中的“全局辐射”按钮，则图形将显示PBR上沿模拟中所选天数间隔的水平太阳辐射强度（W/m2）见图9。主要变量的演变。6)辐射该面板包含与模型系统温度相关的不同参数（见图10）。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲302见图10。辐射面板7)生理上的。该面板包含生物质浓度、pH、溶解O2和培养密度的初始状态。5. 结论PBRs是用于微藻衍生的高价值产品的潜在大规模生产的最有前途的培养系统之一。这项工作的重点是开发一个虚拟的管状PBR实验室。迄今为止，还没有为PBR系统开发任何其他交互式模拟器。所开发的虚拟实验室对PBR系统的教学和研究都有很好的帮助。它有助于了解PBR如何工作，并了解藻类生长中涉及的基本变量如何表现以及它们之间的相互关系。由于PBR的培养生产率在很大程度上取决于流体动力学和几何参数，因此使用此交互式工具可以分析特定设计的性能。这可以帮助解决藻类生长期间发生的任何问题，或者在最佳PBR的设计中提供解决方案。在不久的将来，可以开展几项工作来改进实验室。必须实施新的高级控制策略来控制系统的不同变量。例如，为了增加生物质的产量，营养物的水平是需要控制的一个基本变量。此外，它可以被纳入到PBR系统的倾斜表面通过适当修改太阳辐射的估计，因为现在只有水平的太阳辐射被考虑在模型中。确认这项工作得到了西班牙科学和创新部国家计划项目DPI2011 -27818-C 02 -02和FEDER基金的资助。引用Acién，F.G，Fernández，J.M.，Sánchez，J.A.，Molina和E. 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