Proiectul PN-III-P1-1.1-TE-2019-2062, intitulat “Modelarea și controlul mecanismelor de stres subletal la microalge în spiritul conceptului de biorafinărie” (Acronim – ReSuLS) a avut două obiective majore:
– Colectarea de date de la fotobioreactor, identificarea și validarea unui model matematic,
– Dezvoltarea, implementarea și validarea de algoritmi de control.
Pentru atingerea primului obiectiv s-au desfășurat experimente în laborator care au vizat cultivarea în fotobioreactor a microalgei Desmodesmus sp., în condiții de creștere fotosintetică. Fotobioreactorul utilizat a fost unul air-lift, de tip placă, luminat pe o singură parte de un panoul LED, așa cum este reprezentat în figura de mai jos.
Mecanismul de stres sub-letal investigat a fost limitarea sursei de azot, un mecanism care duce la formarea lipidelor intracelulare. Fotobioreactorul a fost operat în regim discontinuu, lăsând azotul să se consume odată cu creșterea biomasei. În acest fel microalgele au o fază de creștere exponențială, urmată de o fază de limitare a azotului în care concentrația de lipide intracelulare crește. Chiar dacă azotul a fost epuizat, experimentele au continuat pentru a dovedi existența unei cote intracelulare de azot care determină creștere biomasei în lipsa azotului extracelular. Culturile de microalge au fost monitorizate online cu ajutorul senzorilor și s-au prelevat zilnic probe pentru analizele offline. Odată cu experimentele realizate pe fotobioreactor s-au dezvoltat, pe lângă analizele uzuale (i.e., substanță uscată, amoniu, azot total și fosfor total), metode de analiză pentru determinarea conținutului în lipide, pigmenți clorofilieni, carbohidrați și proteine. Pe baza rezultatelor obținute a fost posibilă identificarea unui model matematic capabil să descrie evoluția biomasei, azotului extracelular, cotei intracelulare de azot și lipidelor. Modelul matematic identificat pe date experimentale a fost validat pe un alt set de date provenite de la un experiment desfășurat în condiții similare.
Pentru atingerea celui de-al doilea obiectiv major, controlul optimal al procesului de creștere fotosintetica a fost investigat. Obiectivul strategiei de control a fost identificarea intensității optime a luminii incidente pentru care consumul de energie luminoasă, pentru orice cantitate de biomasa nou formată, să fie minimă. Folosind un model simplu și fiabil de creștere a microalgelor, s-au putut face predicții asupra cantității de biomasă produsă și asupra cantității de lumină consumată, al căror raport este randamentul de biomasă pe energie luminoasă. Această variabilă este unimodală în intervalul permis de intensități ale luminii incidente și a fost folosită ca funcție obiectiv. În plus, s-a dezvoltat o funcție obiectiv îmbunătățită prin utilizarea vitezei specifice de creștere și a unui factor de ponderare care permite obținerea cantității dorite de biomasă în timp ce consumul de energie luminoasă este optim. O structură de control în buclă închisă a fost proiectată pe baza algoritmului de optimizare dezvoltat. Controlerul optimal a fost validat în simulare, comparând diferite lungimi ale orizontului de optimizare și ale perioadei de eșantionare. În scopul implementării practice s-a construit un senzor software în lipsa unui senzor online de biomasă. Pentru aceasta s-a folosit un model matematic simplu cu ajutorul căruia se pot face predicții asupra concentrației de biomasă. Pe baza analizelor zilnice de substanță uscată, modelul matematic a fost reidentificat, astfel încât predicția să fie mult mai apropiată de valoarea reală. Cu ajutorul acestor predicții s-a implementat practic algoritmul de optimizare, acesta fiind validat prin experimente pe fotobioreactor.
O parte din rezultatele obținute au fost diseminate în 2 articole de jurnal indexate de Clarivate, 3 articole publicate în proceedings-ul unor conferințe internaționale indexate de IEEE, 3 postere la conferințe internaționale și o prezentare la o conferință națională.
