Modelling and Performance of a Hydrogel-Based Photobioreactor
Notice bibliographique
Résumé
This work is motivated by the need for in situ food production with respect to future \nspace activities due to the technical and economic in-feasibility of long-term earth-based \nresupply. The unique size constraints of space have prevented conventional food systems \nfrom demonstrating feasibility. Owing to their high growth rates and phototropic activity, \nmicroalgae are a promising candidate to meet the caloric and respiratory needs of astronauts as part of a biological life support systems (BLSS). However, the gravity dependence \nand size of transitional photobioreactors poses a challenged to their utilization in space. \nAs such, a solid-state hydrogel-based photobioreactor (hPBR) is proposed to achieve inherent phase separation allowing for extra-terrestial use. Initially proposed for the Canadian Space Agency (CSA) Deep Space Food Challenge (DSFC) (Design A), this design \nwas further iterated to improve productivity and reactor performance (Design B). Using \nChlorella vulgaris, Design B achieved a biomass productivity of 2.4 and 3.2 g m−2d \n−1 when \nusing physically (pPVA) and chemically (cPVA) crosslinked poly(vinyl) alcohol (PVA) respectively with a water demand of 0.44 kg g−1 biomass. Over 23 days of growth, the lipid \ncontent increased from 18.9% to 56.6% and 13.8% to 43.2% for pPVA and cPVA respectively, and the chlorophyll content also decreased. However, cell viability remained high \nat over 97% and surface coverage analysis showed good coverage within a few days. \nObservations made with the prototype suggested mass transport limitations were impacting growth, and that poor humidity control led to the hydrogels drying out. To this \nend, a continuum model of the hydrogel was proposed to better understand mass transfer \nand to inform future design iterations. Hydrogels are two phase systems where the polymer \nis fixed due to crosslinking leading to a moving boundary with changes in water content. \nThe proposed model did not require any parameter fitting as values were determined with \nindependent experiments. The model enabled the prediction of the transient material response to changing relative humidity. This helped to explain why humidity control was \ncritical in maintaining cell viability. Humidity impacted the water content of the gel’s \nsurface which needed to be high enough to support algae growth. Using the steady-state \nsolution to the model, the solute transport through the system was also modelled. The solute profile suggested that nutrient concentrations throughout the hydrogel were similar to \nthat in the media tank. This suggests nutrient supply was not the cause of the diminishing \nbiomass quality and that other factors such as photo-inhibition, and mechanical stresses \nfrom solid-state cultivation may be issues to address in future work.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,002 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».