趙麗麗, 孫振天, 趙雙雙

(1. 沈陽大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044;

2. 中航工業(yè) 沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所, 遼寧 沈陽　110035)

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螺旋藻和小球藻光藻反應(yīng)器系統(tǒng)的建模仿真

趙麗麗1, 孫振天1, 趙雙雙2

(1. 沈陽大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044;

2. 中航工業(yè) 沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所, 遼寧 沈陽110035)

摘要:從航天員需求營養(yǎng)物質(zhì)成分的角度,篩選了螺旋藻和小球藻在光藻反應(yīng)器(Light Algae Bioreactor, LABR)中進(jìn)行混合培養(yǎng),運(yùn)用MATLAB/Simulink軟件建立了這兩種微藻混合培養(yǎng)LABR的數(shù)學(xué)仿真模型.結(jié)果表明:當(dāng)溫度為30 ℃、光強(qiáng)為150 μmol/(m2·s),螺旋藻和小球藻可以在LABR中較好的生長,獲得總微藻生物量的最大值約為1.1 g/L.

關(guān)鍵詞:CELSS; 光藻反應(yīng)器; 螺旋藻; 小球藻; 模型建立; 系統(tǒng)仿真

微藻是一類結(jié)構(gòu)相對簡單的光合營養(yǎng)有機(jī)體,其光合作用對受控生態(tài)生保系統(tǒng)中氣體循環(huán)和廢水的再生處理有著重要的作用,它的生物學(xué)特性以及在空間密集培養(yǎng)的特性也使它成為受控生態(tài)生保系統(tǒng)(Controlled Ecological Life Support System, CELSS)中一種理想的食品資源[1].建立以微藻為基礎(chǔ)的CELSS系統(tǒng),可為宇航員的空間長期生活提供保障[2].然而由于空間環(huán)境的特殊性,不同的微藻以及同一種微藻的不同個體在系統(tǒng)中的生長動態(tài)及適應(yīng)性是不完全相同的,螺旋藻、小球藻、魚腥藻和鹽藻都是CELSS中微藻篩選的重要研究對象[3],而螺旋藻還有產(chǎn)氫的功能[4].長期以來,對于空間微藻的培養(yǎng)技術(shù)已經(jīng)取得了一定的成就,然而這些大多是針對微藻的單獨(dú)培養(yǎng).由于不同的微藻所含的營養(yǎng)物質(zhì)成分比例并不是完全與人類所需一致,在長期空間任務(wù)中需要增加系統(tǒng)中微藻的種類.微藻生長具有共性,選擇合適的藻類混合培養(yǎng)可實(shí)現(xiàn)藻類培養(yǎng)過程中營養(yǎng)的互補(bǔ),促進(jìn)各自的生長,減少有機(jī)廢物的產(chǎn)生;而且不同藻類的混合培養(yǎng)可以更全面的為航天員提供營養(yǎng)物質(zhì),豐富航天員的食物種類.為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜性,本文擬篩選兩種微藻進(jìn)行混合培養(yǎng).

1受控生態(tài)生保系統(tǒng)中微藻的篩選

1.1篩選原則

微藻作為空間試驗(yàn)最為理想的生物物種之一,根據(jù)空間環(huán)境特點(diǎn),對其品種的篩選應(yīng)遵循以下原則:營養(yǎng)物質(zhì)含量豐富,且經(jīng)過簡單的加工處理,可變成可口、易消化的食品;生長周期短,光合作用效率高;遺傳性狀穩(wěn)定,適用于空間特殊環(huán)境的密集培養(yǎng);生長代謝過程中不產(chǎn)生污染物;可再生利用系統(tǒng)中的有機(jī)廢物、廢水以及礦物質(zhì)等[5] 23-24.目前,國內(nèi)外對微藻的生長特性以及光藻生物反應(yīng)器進(jìn)行了大量的研究,研究表明在受控生態(tài)生保系統(tǒng)中螺旋藻、小球藻、魚腥藻和鹽藻這4種藻類應(yīng)作為優(yōu)選對象.

1.2微藻的篩選

為了實(shí)現(xiàn)兩種微藻的混合培養(yǎng),本文對微藻的篩選既要滿足空間微藻篩選的原則,還應(yīng)考慮到所選微藻能否實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)的互補(bǔ),以及在混合培養(yǎng)狀態(tài)下能否共存,并快速生長.由表1和表2可以看出[6-9],螺旋藻的蛋白質(zhì)含量是最高的,小球藻氨基酸種類最齊全,鹽藻的礦物質(zhì)種類最多;螺旋藻、小球藻和鹽藻均可在較大的光強(qiáng)下生長,這四種微藻生長的適宜溫度范圍和pH值相差不大,但從微藻生長影響因素----碳源體積分?jǐn)?shù),溶氧質(zhì)量濃度和氮源質(zhì)量濃度來看,在LABR中適合選取螺旋藻和小球藻進(jìn)行混合培養(yǎng).

表1　四種微藻所含營養(yǎng)物質(zhì)比較

表2　四種微藻最適的生長條件比較

2兩種微藻培養(yǎng)的LABR系統(tǒng)仿真模型的建立

由于螺旋藻和小球藻培養(yǎng)過程中最適生長條件有一定的差異,不同的生長影響因子對小球藻比生長速度的影響也不一樣,但其在LABR中的物質(zhì)變化過程是相似的.通過分析各生長因子在微藻生長過程中的變化,進(jìn)行兩種微藻混合培養(yǎng)LABR系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模,然后使用Simulink搭建用于螺旋藻和小球藻混合培養(yǎng)的LABR系統(tǒng)的仿真模型,驗(yàn)證不同條件和參數(shù)下所建模型的可靠性,并不斷的進(jìn)行校正分析.

2.1生長影響因子分析

2.1.1光強(qiáng)的影響

不同品種的螺旋藻以及小球藻適應(yīng)的光強(qiáng)范圍有很大的差異,由于空間環(huán)境的限制,應(yīng)篩選適宜光強(qiáng)在160 μmol/(m2·s)左右的螺旋藻與小球藻進(jìn)行混養(yǎng).假設(shè)在培養(yǎng)過程中,螺旋藻與小球藻的生長其他因素都在最適范圍內(nèi),通過分析可知光強(qiáng)對微藻最大比生長速率的影響函數(shù)為:

(1)

式中:μ1為光強(qiáng)影響下的最大比生長速率,h-1;K為常數(shù);Iavg為LABR中的平均光強(qiáng),μmol/(m2·s);l為微藻中葉綠素對特定光質(zhì)的光吸收系數(shù);λ為微藻中葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;ρ(Mic)為藻的生物量質(zhì)量濃度,g/L;b為飽和光強(qiáng),μmol/(m2·s);c為光強(qiáng)抑制常數(shù).

2.1.2溫度的影響

溫度是微藻生長另外一個影響最大的因素,當(dāng)溫度為25～35 ℃之間時,培養(yǎng)螺旋藻可使其生長速度達(dá)到最大,小球藻生長的最適溫度在5～30 ℃范圍內(nèi),當(dāng)溫度在30～35 ℃范圍內(nèi)時,會抑制小球藻的生長[7].溫度對微藻最大比生長速率影響函數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式為[5]42-43

(2)

式中:α、β為常數(shù);t為溫度,℃.

2.1.3營養(yǎng)鹽的影響

微藻的生長需要吸收各種營養(yǎng)物質(zhì),培養(yǎng)液中這些營養(yǎng)物質(zhì)的質(zhì)量濃度是決定微藻生長速率的主要因素之一,眾多研究表明不同的藻種都有其適合的營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度,但當(dāng)培養(yǎng)液中營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度高于此質(zhì)量濃度值時微藻生長就會受到抑制,其中碳源和氮源是微藻生長中最重要的兩種營養(yǎng)鹽.研究表明,小球藻在體積分?jǐn)?shù)為0.5%～10.0%的二氧化碳條件下能夠較好的生長[10],這與螺旋藻的適宜CO2條件范圍相差不大,在LABR中為了實(shí)現(xiàn)微藻的快速生長和CELSS系統(tǒng)中氣體的平衡,本文擬控制流入LABR系統(tǒng)中的二氧化碳在1%(體積分?jǐn)?shù))左右.培養(yǎng)液中碳源對微藻的比生長速率影響可以用Model方程來表示:

(3)

式中:ρ(CO2)為培養(yǎng)液中溶解CO2的質(zhì)量濃度, g/L;Kc為相應(yīng)于ρ(CO2)的半飽和常數(shù).

以尿素為氮源時,這兩種微藻適宜快速生長的尿素質(zhì)量濃度范圍在0.4 g/L左右,當(dāng)尿素質(zhì)量濃度達(dá)到0.8 g/L時微藻的生長會明顯下降,培養(yǎng)液中氮源質(zhì)量濃度對微藻的比生長速率影響可以用Haldane方程來表示[11]60-66:

(4)

式中:Kn為相應(yīng)于ρ(Nt)的半飽和常數(shù);ρ(Nt)為培養(yǎng)液中總氮的質(zhì)量濃度,g/L;Kt為抑制因子.

2.1.4pH的影響

培養(yǎng)液中的pH值受CO2質(zhì)量濃度的影響,忽略其他較小的因素,當(dāng)系統(tǒng)中CO2的消耗速率與通入速率相等時,培養(yǎng)液的pH值會達(dá)到動態(tài)平衡.螺旋藻適合生長在堿性環(huán)境中,小球藻適合生長的pH值在6.5～9.0,因此可控制LABR中培養(yǎng)液的pH值不超過9,即可實(shí)現(xiàn)這兩種微藻的最優(yōu)化培養(yǎng)[11]80-93.經(jīng)資料分析得出,pH對螺旋藻比生長速率影響擬合回歸模型方程為

y=-0.004 455x4+0.160 9x3-2.19x2+

(5)

pH值對小球藻比生長速率影響的擬合回歸模型方程:

(6)

2.1.5溶氧的影響

微藻在生長過程也會進(jìn)行呼吸作用消耗氧氣,但只有溶解在溶液中的氧氣才能被微藻吸收.當(dāng)培養(yǎng)液中溶解氧質(zhì)量濃度處于4.5～6.5 g/L范圍內(nèi)時,培養(yǎng)螺旋藻可獲得較高質(zhì)量濃度的蛋白質(zhì)和干物質(zhì)[12].但過高或過低的溶氧含量都會在一定程度上抑制微藻的快速生長,溶解氧在培養(yǎng)液中蓄積過多也會對藻細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用,且大多數(shù)的光藻反應(yīng)器都存在溶解氧過高的問題,LABR中的溶氧含量對螺旋藻比生長速率的之間的關(guān)系可用影響函數(shù)----式(7)來表示:

(7)

式中:ρ(O2)為培養(yǎng)液中溶解O2的質(zhì)量濃度,g/L;Ko為較小的常數(shù).

光藻反應(yīng)器中液相溶氧質(zhì)量濃度對小球藻生長的影響與螺旋藻的相似.

2.2系統(tǒng)仿真模型的建立

微藻培養(yǎng)系統(tǒng)是一種氣相、液相和生物相共存的三相反應(yīng)體系,其生長影響因子存在于不同的相態(tài)中.通過分析氣相、液相以及生物相中CO2、O2以及總氮質(zhì)量濃度的變化流程,并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用MATLAB/Simulink軟件建立各子系統(tǒng)及總系統(tǒng)的仿真模型,建立后的LABR氣相仿真模型如圖1所示.

生物相和液相的仿真模型如圖2、圖3所示.

圖1　氣相仿真模型

在LABR中各個不同子系統(tǒng)之間通過輸入與輸出的關(guān)系緊密的聯(lián)系在一起,通過Simulink將這三個子系統(tǒng)封裝成獨(dú)立的子系統(tǒng)并連接起來,即可得到LABR系統(tǒng)的總系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真模型.

圖2　LABR系統(tǒng)生物相仿真模型

圖3　液相仿真模型

2.3光強(qiáng)和溫度變化LABR仿真結(jié)果分析

在設(shè)置各個子系統(tǒng)中的參數(shù)值和狀態(tài)變量的初始值后,進(jìn)行計算機(jī)仿真,通過設(shè)置不同的光強(qiáng)與溫度變化值來進(jìn)行LABR仿真結(jié)果分析,并驗(yàn)證仿真模型的可行性.

2.3.1光強(qiáng)變化仿真結(jié)果分析

設(shè)定系統(tǒng)狀態(tài)變量的初值后,在不改變系統(tǒng)其他參數(shù)值的情況下,以階躍函數(shù)作為系統(tǒng)光強(qiáng)的輸入,以微藻生物量質(zhì)量濃度作為系統(tǒng)的輸出,得到不同光強(qiáng)條件下總微藻生物量、小球藻以及螺旋藻生物量的仿真結(jié)果,如圖4所示.從圖中可以看出,當(dāng)光強(qiáng)為100、150和200 μmol/(m2·s)時,混合培養(yǎng)微藻的生物量總量變化不大,但小球藻與螺旋藻生物量質(zhì)量濃度有差異.當(dāng)光強(qiáng)為100 μmol/(m2·s)時,處于小球藻生長的適宜光強(qiáng)內(nèi),因而小球藻生長較好,累積生物量較多;當(dāng)光強(qiáng)為150 μmol/(m2·s)時,小球藻與螺旋藻均能適應(yīng)光強(qiáng)而快速生長;當(dāng)光強(qiáng)為200 μmol/(m2·s)時,處于螺旋藻生長的適宜光強(qiáng)內(nèi),因而螺旋藻生長較好,累積生物量較多.仿真結(jié)果比較理想,因此所建LABR模型是可行的.

圖4　不同光強(qiáng)下微藻生物量的動態(tài)變化

2.3.2溫度變化仿真結(jié)果分析

設(shè)定系統(tǒng)狀態(tài)變量的初值后,在不改變系統(tǒng)其他參數(shù)值的情況下,以階躍函數(shù)作為系統(tǒng)溫度的輸入,以微藻生物量質(zhì)量濃度作為系統(tǒng)的輸出,得到不同溫度條件下系統(tǒng)的仿真結(jié)果,如圖5所示.圖5可以看出,當(dāng)溫度為26、30和33 ℃時,混合培養(yǎng)微藻的生物量總量變化不大,當(dāng)溫度為26或30 ℃時,處于小球藻生長的適宜溫度范圍內(nèi),相比較可以看出小球藻生物量變化不大,當(dāng)溫度為33℃超出了小球藻生長適宜溫度范圍,因而其生長受到抑制,生物量累積明顯降低;當(dāng)溫度為26、30和33 ℃時,處于螺旋藻生長的適宜溫度范圍內(nèi),隨著溫度的升高,其生長速率加快,累積的生物量質(zhì)量濃度也隨之增加.仿真結(jié)果與分析結(jié)果相吻合,因此所建LABR模型是可行的.

從仿真結(jié)果上可以看出,控制LABR中光強(qiáng)為150 μmol/(m2·s)、溫度為30 ℃時,得到的微藻生物量最大值約為1.1 g/L.在受控生態(tài)生保系統(tǒng)中一名航天員每天的生理代謝所需物質(zhì)與排除的廢物量,如表3所示[13].中國營養(yǎng)協(xié)會為中等勞動強(qiáng)度的成年人推薦的蛋白質(zhì)攝入量男性為80 g/d,女性為70 g/d[5]8-9.螺旋藻和小球藻的干物質(zhì)中蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均可達(dá)到65%左右,在CELSS中如果航天員生存所需的蛋白質(zhì)完全由微藻來提供,以男性蛋白質(zhì)的攝入量為標(biāo)準(zhǔn),航天員蛋白質(zhì)攝入量與微藻蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系的表達(dá)式為

(8)

式中:x1為微藻干物質(zhì)量,g/d;X1為蛋白質(zhì)攝入量,g/d;a1為微藻干物質(zhì)中蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%.

經(jīng)計算可知:需要收集螺旋藻和小球藻的干物質(zhì)量約為123 g/d,收集這些干物質(zhì),則LABR的液相體積至少要達(dá)到110 L,這在太空任務(wù)中是可以實(shí)現(xiàn)的;且與在LABR中單獨(dú)培養(yǎng)螺旋藻提供航天員蛋白質(zhì)時相差不大,但由于小球藻含有的氨基酸種類及礦物質(zhì)更豐富,兩種微藻混合培養(yǎng)更加適合提供航天員的營養(yǎng)物質(zhì).

圖5　不同溫度下微藻生物量的動態(tài)變化

攝入物質(zhì)攝入量kg·d-1排出物質(zhì)排出量kg·d-1O20.84CO21.00干食物0.56固體廢物0.29飲用水2.80生理代謝廢水1.50洗漱用水14.60冷凝廢水2.60衛(wèi)生用水7.60衛(wèi)生廢水20.90

3結(jié)論

(1) 進(jìn)行了受控生態(tài)生保系統(tǒng)中兩種微藻混合培養(yǎng)時的種類篩選,確定螺旋藻和小球藻進(jìn)行混合培養(yǎng).

(2) 通過分析光強(qiáng)、溫度、pH值、液相溶氧以及營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度對螺旋藻和小球藻生長過程的影響,使用MATLAB/Simulink軟件搭建了LABR系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真模型,結(jié)果表明:當(dāng)光強(qiáng)為150 μmol/(m2·s)、溫度為30 ℃時,螺旋藻和小球藻能夠在LABR中較好的生長.

(3) 當(dāng)光藻反應(yīng)器容積達(dá)到110 L時,通過該反應(yīng)器連續(xù)培養(yǎng)螺旋藻和小球藻,可使其生物量達(dá)到123 g/d,豐富了航天員營養(yǎng)物質(zhì)需求.

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【責(zé)任編輯: 胡天慧】

Simulation Study on System Modeling of Spirulina and Chlorella in Light Algae Bioreactor

ZhaoLili1,SunZhentian1,ZhaoShuangshuang2

(1. School of Mechanical Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China; 2. AVIC Shenyang Aircraft Design & Research Institute, Shenyang 110035, China)

Abstract:From the view of nutrient composition for astronaut, two kinds of microalgae are screened to mixed culture in LABR, and its mathematical simulation model is established by using MATLAB/Simulink software. The results show that, when the temperature is 30 ℃ and light intensity is 150 μmol/(m2·s), chlorella and Spirulina can grow better in LABR, microalgae biomass is stable at about 1.1 g/L.

Key words:CELSS; light algae bioreactor; Spirulina; chlorella; model construction; system simulation

中圖分類號:Q 943; S 188

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:2095-5456(2016)01-0016-07

作者簡介:趙麗麗(1979-),女,遼寧沈陽人,沈陽大學(xué)副教授,博士.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31300408).

收稿日期:2015-07-10