Mathematical modelling of bioreactors in the MELiSSA regenerative life support system
El projecte MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) es va concebre per a desenvolupar un sistema tancat de suport vital regeneratiu basat en la integració de sis compartiments biològics en un circuit tancat pensat per missions humanes de llarga duració. La present tesis es focalit...
| Autor: | |
|---|---|
| Formato: | tesis doctoral |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2022 |
| País: | España |
| Recursos: | CBUC, CESCA |
| Repositorio: | TDR. Tesis Doctorales en Red |
| OAI Identifier: | oai:www.tdx.cat:10803/675379 |
| Acesso em linha: | http://hdl.handle.net/10803/675379 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palavra-chave: | Modelització de sistemes Modelización de sistemas System modelling Melissa Bioreactors Biorreactores Tecnologies 66 |
| Resumo: | El projecte MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) es va concebre per a desenvolupar un sistema tancat de suport vital regeneratiu basat en la integració de sis compartiments biològics en un circuit tancat pensat per missions humanes de llarga duració. La present tesis es focalitza en desenvolupar diferents models per descriure el comportament d’alguns dels compartiments del MELiSSA en operació en solitari i també en la connexió entre diferents compartiments i diferents fases de gas, líquid i sòlid. En una primera etapa, s’ha desenvolupat un model que descriu la operació del reactor nitrificant de llit empacat. Aquest reactor opera en condicions axèniques amb dues soques de nitrificació Nitrosomonas europaea i Nitrobacter winogradsky. El model s’estructura en diferents nivells: la descripció de la hidrodinàmica del reactor i la descripció del creixement del biofilm. Aquest últim està basat en la consideració del creixement de les diferents espècies basat en un model de difusió 1-D simplificat i inclou una aproximació simplificada per simular la consolidació del biofilm. La validesa d’aquest model s’ha testejat usant dades experimentals del bioreactor durant un període d’operació de 2 anys en el que diferents concentracions i càrregues d’amoni s’han usat per a caracteritzar la seva operació en continu. Els resultats obtinguts encaixen bastant bé amb les dades experimentals i els perfils de concentració de biomassa observats al final del període operacional analitzat. Això és rellevant en aquest cas, considerant les limitacions existents en mostreig durant la operació de llarga duració per a no pertorbar la estructura del llit empacat. En una segona fase, s’ha creat un model que descriu la operació d’un fotobioreactor tipus air-lift de loop extern colonitzat amb Limnospira indica. (commpartiment 4a de la MPP). Aquest model integra coneixement existent en transferència de llum en el líquid, la transferència gas-líquid d’oxigen i diòxid de carboni i cinètiques de creixement de les microalgues. En una tercera fase, s’ha desenvolupat també un model simplificat per a la consumició d’oxigen i la producció de diòxid de carboni a la fase gas del compartiment de la tripulació. Aquest compartiment està configurat per un aïllador d’animals on hi viuen un conjunt de rates. Per a desenvolupar el model, s’han calculat els coeficients de consum d’acord amb dades experimentals existents. Després, el coneixement generat en el desenvolupament d’aquests dos últims models s’ha integrat amb el sistema de control de la MPP per a simular la integració en fase gas d’aquests dos compartiments (el fotobioreactor i el compartiment dels animals) en continu. A partir d’un objectiu específic d’oxigen al compartiment dels animals, el sistema de control incrementa la il·luminació en el fotobioreactor per a assolir el nivell necessari d’oxigen per a mantenir el nivell desitjat en el compartiment dels animals. Finalment, el conjunt de models creats s’han validat usant dades experimentals de dues series llargues d’operació del sistema complet (fotobioreactor i tripulació) en loop de gas tancat. El desenvolupament dels models permet reproduir amb precisió els resultats i les dinàmiques del sistema global associades a la introducció d’una tripulació real en el loop tancat de gas. Aquests resultats són una prova de concepte de l’alt potencial dels models matemàtics per entendre i donar suport a la operació de sistemes d’operació complexos com aquest. Els resultats obtinguts en aquesta tesis representen un pas endavant en el desenvolupament del loop MELiSSA. El coneixement generat en la formulació dels models proposats pot ser usat per la definició de un sistema de control simplificat basat en coneixement que serà crític per a les etapes de desenvolupament futur i l’estudi d’escenaris d’integració com una eina per a simular el comportament de l’arquitectura del loop en diferents condicions operacionals. |
|---|