|
|
Photobioreactor aeration optimization using image analysis
Hruška, Kryštof ; Létal, Tomáš (referee) ; Naď, Martin (advisor)
This diploma thesis summarizes the knowledge about microalgae, their use, cultivation methods and obstacles that prevent their wider use. In the practical part of the work, a device was designed, constructed, and programmed. This device can analyze the bubbles of the tubular photobioreactor and, based on the obtained data, control its aeration. The Python programming language was used to create the program and the OpenCV library was used to analyze the photographs. The bubble detection is based on the edge detection and the subsequent refinement. The data obtained from the analysis are displayed on the device screen and the data are also stored in a csv file. The discussion lists possible improvements and lessons learned during the creation of this device.
|
|
|
Balance of energy, water and nutrients in the aquaponic cycle
Szotkowski, Matěj ; Procházková, Michaela (referee) ; Máša, Vítězslav (advisor)
Předložená diplomová práce byla zpracována s cílem vytvořit přehled poznatků v oblasti akvaponické potravinové produkce. Informace získané během tvorby tohoto přehledu pak měly vést, v kombinaci s daty získanými z funkčního provozu, k vytvoření matematického modelu akvaponického cyklu. Na akvaponické farmě provozované společností Flenexa plus s.r.o., která byla zdrojem potřebných procesních dat, měla být dále zpracována a vyhodnocena bilance energie a vody. Nakonec měla být v průběhu práce posouzena možnost implementace mikrořasového fotobioreaktoru do akvaponického cyklu. Úvod práce představuje motivaci vedoucí k potřebě inovovat dnešní potravinovou produkci. Kriticky jsou zhodnoceny predikce vývoje lidské populace, a to pak hlavně z pohledu dopadu, který by tento růst měl na zemědělskou produkci. Současná situace se na základě získaných poznatků ukazuje jako neudržitelná, primárně pak v oblastech vodohospodářství a energetické spotřeby. Následně je jako možné řešení vedoucí ke zlepšení udržitelnosti potravinové produkce zkoumána akvaponie. Akvaponie je definována a její jednotlivé komponenty jsou představeny z hlediska mechanismu jejich fungování a z pohledu jejich návrhu. Mezi popsané oblasti patří například principy tzv. coupled a decoupled akvaponie a popis možných typů hydroponického komponentu. V této části práce je pozornost věnována také představení cyklů jednotlivých živin v rámci akvaponie. Následující a poslední teoretická část práce je pak věnována mikrořasovému fotobioreaktoru. Jsou zde popsány mechanismy, jak motivující, tak odrazující od zakomponování bioreaktoru do akvaponie. V oblasti výhod se jedná hlavně o jeho roli ve stabilizaci pH a spotřebě toxikého amoniaku. Na druhou stranu jeho ekonomické dopady na profitabilitu akvaponie jsou velmi proměnlivé v závislosti na způsobu implementace. Samotný mikrořasový fotobioreaktor je pak v práci detailněji představen. Jednotlivé procesní ukazatele ovlivňující růst řas jsou rozebrány, a to společně s jednotlivými typy fotobioreaktoru, metodami sklizně a využitími pro vyprodukované mikrořasy. Na základě poznatků schromážděných v této práci pak lze jako nejvhodnější k implementaci do akvaponie doporučit hybridní fotobioreaktory, u kterých je většina osvětlení zajištěna v podobě slunečního svitu. Samotná experimentální část práce pak začíná popisem zkoumaného provozu společnosti Flenexa plus s.r.o. z pohledu aplikovaného akvaponického procesu. Jednotka podrobená měření byla provozně stabilní a využívala implementace hydroponického komponentu typu Deep Water Culture (DWC). Spolu s detailním popisem celého provozu jsou poskytnuty a vyhodnoceny vypracované bilance vody a energií. Pozornost je pak přesunuta k matematickým modelům vypracovaným a ověřeným na základě dat a poznatků shromážděných z provozu společnosti Felenexa plus s.r.o. Logika a algoritmy, na kterých jsou oba modely postaveny, jsou v této části vysvětleny a diskutovány společně s hlavními funkcemi a schopnostmi obou modelů. První, primárně statistický model je představen jako nástroj pro použití při uvádění akvaponie do provozu. Druhý, fyzikální model pak v uživatelsky přívětivém formátu představuje základ pro model řízení akvaponické farmy s mikrořasovým fotobioreaktorem. V neposlední řadě jsou nastíněny také cesty možného budoucího vývoje pro oba vytvořené modely. Práce je následně završena shrnutím a diskusí nad poznatky a výstupy získanými během celého tvůrčího procesu.
|
|
|
CO2 reduction with algae
Naider, Jakub ; Rebej, Miroslav (referee) ; Vondál, Jiří (advisor)
The aim of this final thesis is the process of algae cultivation their use for carbon dioxid reduction. The main objective of this work is the mass and heat balance of the photobioreactor and the design of a temperature control system. Within the research work, an overview of certain types of bioreactors and photobioreactors, the current situation around the climate and the impact of the cultivation of algae on carbon dioxide emissions. The model for temperature control and mass transfer of a plate photobioreactor is created in this work.
|
|
| |
|
|
Cell cycle of astaxanthin producing green alga Haematococcus pluvialis, culture media and cultivation conditions
Vávrová, Karolína ; Němcová, Yvonne (advisor) ; Pichrtová, Martina (referee)
Haematococcus pluvialis is unicellular green alga (Chlorophyceae, Chlamydomonadales), which can be found in ephemeral rock pools and birdbaths. It is the best natural producer of strong antioxidant astaxanthin, red secondary carotenoid used as coloring agent in aquaculture and poultry breeding. Astaxanthin also has various positive effects on human health. Haematococcus pluvialis has quite complex life cycle consisting of four life stages, biflagellated zoospores, non- motile round palmella stage, thick-walled akinetes (aplanospores, cysts) with high content of astaxanthin and small biflagellated gametes. Akinetes, which enable H. pluvialis to survive desiccation in its natural habitat, are formed in response to stress conditions such as high irradiance and temperature and nutrient depletion. Cells undergo dramatic ultrastructural changes during aplanospore formation. Chloroplast volume is decreased, synthesis of high amount of astaxanthin and fatty acids results in presence of lipid droplets that spread from the center to the periphery of the cell and thick cell wall containing algaenans is formed. Cultivation of H. pluvialis is often performed in two subsequent stages, green stage focused on biomass production and red stage focused on astaxanthin accumulation under stress conditions. There are...
|
|
|
Production, Characterization and Utilization of the Biomass from Various Sources
Gojkovic, Živan ; Vávrová, Milada (referee) ; Čertík, Milan (referee) ; Márová, Ivana (advisor)
Úprava biomasy je jedním z nejdůležitějších problémů v moderních přírodních vědách, protože je základní kategorií týkající se zemědělství, potravinářství, ekologie, zpracování odpadu a biotechnologie. Ať už živočišného, rostlinného nebo mikrobiálního původu, biomasa představuje obrovský zdroj surovin jako potravin, čistých chemikálií, bioaktivních molekul atd., jejichž izolace, charakterizace a formulace může vést k zajímavým novým produktům určeným pro lidskou spotřebu, nebo jako nový materiál v biomedicíně. Předložená studie byla zaměřena na výzkum dvou druhů biomasy - kuřecí kůže jako zdroje kolagenu t a biomasy mikrořasy Chlorella sorokiniana obohacené selenomethioninem (SeMet). V první části práce byl z kuřecí kůže izolován, identifikován a charakterizován kolagen typu I. Molekulární vlastnosti kuřecího kolagenu byly analyzovány a srovnány s jinými kolageny z živočišných kůží. Pro molekulární charakterizaci kolagenu byla použita viskosimetrie a ultrazvuková spektroskopie. Ultrazvukovou spektroskopií bylo zjištěno, že disagregace a zkapalňování hovězího kolagenu začíná při teplotě 40 °C, zatímco u kuřecího kolagenu začíná až při 50 °C. Viskosimetrie dále potvrdila vyšší tepelnou stabilitu kolagenu z kuřecí kůže, jeho denaturační teplota byla 50 °C, což je rovněž o deset stupňů více než u hovězího kolagenu. Kuřecí kolagen obsahuje dvakrát vyšší množství lysinu, což poskytuje tepelnou stabilitu kolagenu. Na základě získaných výsledků lze říci, že vzhledem ke své vysoké tepelné stabilitě a vhodnému aminokyselinovému složení, kuřecí kůže může být použita jako alternativní zdroj kolagenu typu I s aplikacemi v potravinářském průmyslu a biomedicíně. Druhá část práce byla zaměřena na obohacení biomasy zelené mikrořasy C. sorokiniana selenomethioninem. Experimentální část byla provedena v Laboratoři biotechnologie řas na Univerzitě Huelva ve Španělsku. Cílem první části experimentů bylo studovat vliv selenu na životaschopnost řas, morfologii buněk a akumulaci SeMet v biomase mikrořasy kultivované v dávkových kulturách. Subletální koncentrace Se v živném médiu, 40 mgL-1 (212 M), snížila rychlost růstu o 25 % ve srovnání s kontrolní kulturou. Hodnota EC50 45 mgL-1 (238,2 M) byla stanovena pro selenan. Ultrastrukturální studie ukazovaly na strukturální změny chloroplastu (granulární stroma, redukce thylakoid). Elektroforéza proteinů z biomasy mikrořasy ukazuje, že Se ovlivňuje expresi genu enzymu Rubisco. C. sorokiniana byla schopna akumulovat až 140 mgkg-1 SeMet během 120 h kultivace. Další část experimentální práce byla zaměřena na obohacování biomasy mikrořasy C. sorokiniana selenomethioninem během kontinuální kultivace s použitím 2,2 L bioreaktoru v kultivačním médiu s přídavkem koncentrace selenu v rozmezí od 5 do 50 mgL-1. C. sorokiniana rostla stejně ve všech testovaných koncentracích selenu kromě koncentrace 50 mgL1, která byla již po krátké době kultivace letální. Během kontinuální kultivace se 40 mgL-1 selenu, bylo získáno maximálně 246 gL-1 selenomethioninu denně. Výsledky ukazují, že kultivace v dávkových kulturách a dlouhodobá kontinuální kultivace mikrořasy C. sorokiniana pro získaní biomasy obohacené SeMet je možná pečlivým výběrem podmínek kultivace a subletálních koncentrací selenu v živném médiu.
|
|
|
Temperature control in bioreactor
Pospíchal, Zbyněk ; Václavek, Pavel (referee) ; Blaha, Petr (advisor)
This thesis deal with improvement behavior of temperature control in bioreactor. It was created model of system. Basic PI controller could solve all problems. After analysis of system were decided to used fuzzy controller. Fuzzy controller in comparison with classic PI controller has better behavior in this application.
|
|
| |
|
|
Optimization of Algae Population Growth Using Markov Chains and
Zouharová, Martina ; Kalčevová, Jana (advisor) ; Černý, Michal (referee)
The thesis deals with the task of refining the constructional and operational parameters of a tubular photobioreactor in order to maximise the growth rate of algae contained in the cultivation suspension. It builds on a basic growth model of the Porhydrium sp. alga, and focuses on the optimization of external irradiance, which is one of the key determinants of algae growth. Two distinct methodological approaches are applied: analytic approach, which employs Markov Chains, and simulation approach, which relies on agent-based simulations. In the analytic part, we introduce the construction of state transition matrix for a Markov Chain that accounts for varying irradiance inside the photobioreactor (in contrast to constant-irradiance methods that have been published so far). In the simulation part, we devised an agent-based model of algae population that enables us to analyze the system behaviour while interactively changing the model parameters. In the context of the results from both the analytic and simulation part, we conclude by suggesting the optimal level of external irradiance.
|
guest ::
