Mathematical modelling of bioreactors in the MELiSSA regenerative life support system

Abstract

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.

El proyecto MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) se concibió para desarrollar un sistema cerrado de soporte vital regenerativo basado en la integración de seis compartimentos biológicos en un circuito cerrado. La presente tesis se focaliza en el desarrollo de distintos modelos para describir el comportamiento de algunos de los compartimentos del MELiSSA en operación en solitario y en la conexión entre distintos compartimentos y distintas fases de gas, líquido y sólido. En una primera etapa, se ha desarrollado un modelo que describe la operación el reactor nitrificante de lecho empacado. Este reactor opera en condiciones axénicas con dos cepas de nitrificación Nitrosomonas europaea i Nitrobacter winogradsky. El modelo se estructura en distintos niveles: la descripción de la hidrodinámica del reactor y la descripción del crecimiento del biofilm. Este último está basado en la consideración del crecimiento de las distintas especies basadas en un modelo de difusión 1-D simplificado que incluye una aproximación simplificada para simular la consolidación del biofilm. La validez de este modelo se ha testeado usando datos experimentales del biorreactor durante un período de operación de 2 años en el que se han usado distintas concentraciones y cargas de amonio para caracterizar su operación en continuo. Los resultados obtenidos encajan bastante bien con los datos experimentales y los perfiles de concentración de biomasa observados al final del período operacional analizado. Esto es relevante, considerando las limitaciones existentes en muestreo durante la operación para no perturbar la estructura del lecho empacado. En una segunda fase, se ha creado un modelo para la operación de un fotobiorreactor tipo air-lift de loop externo colonizado con Limnospira indica. (compartimento 4a MPP). Este modelo integra el conocimiento en la transferencia de luz en el líquido, la transferencia gas-líquido de oxígeno y dióxido de carbono y las cinéticas de crecimiento de microalgas. En una tercera fase, se ha desarrollado también un modelo simplificado para el consumo de oxígeno y la producción de dióxido de carbono en la fase gas del compartimento de la tripulación. Este compartimento está configurado para un aislador de animales donde viven un conjunto de ratas. Para desarrollar el modelo, se han calculado los coeficientes de consumo de acuerdo con datos experimentales existentes. Después, el conocimiento generado en el desarrollo de estos dos últimos modelos se ha integrado con el sistema de control de la MPP para simular la integración en fase gas de estos dos compartimentos (el fotobiorreactor y el compartimento de los animales) en continuo. A partir de un objetivo específico de oxígeno al compartimento de los animales, el sistema de control incrementa la iluminación en el fotobiorreactor para lograr el nivel necesario de oxígeno para mantener el nivel deseado en el compartimento de los animales. Finalmente, el conjunto de modelos creados se ha validado usando datos experimentales de dos largas series de operación del sistema completo (fotobiorreactor y tripulación) en un circuito de gas cerrado. El desarrollo de los modelos permite reproducir con precisión los resultados y las dinámicas del sistema global asociadas a introducir una tripulación real en el circuito cerrado de gas. Los resultados demuestran el alto potencial de los modelos matemáticos para entender y dar soporte a la operación de sistemas de operación complejos. Los resultados obtenidos en esta tesis representan un paso adelante en el desarrollo del MELiSSA. El conocimiento generado en la formulación de los modelos propuestos puede ser usado para la definición de un sistema de control basado en conocimiento que será crítico para las etapas de desarrollo futuro y estudio de escenarios de integración como una herramienta para simular el comportamiento de la arquitectura del circuito en diferentes condiciones operacionales.

MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) is a project conceived to develop a closed regenerative life support system where the integration of six biological compartments in a loop can enable to provide life support functions in long-term human space missions. The present thesis is focused on developing different models to describe the performance of some of the compartments in MELiSSA loop in stand-alone operation as well as considering the connection between different compartments in different gas liquid and solid phases. In a first step, a model for the description of the operation of the packed-bed nitrifying compartment 3 has been developed. This reactor operates in axenic conditions with two nitrification strains Nitrosomonas europaea and Nitrobacter winogradsky. The model is structured in different levels: the global reactor hydrodynamics and the biofilm that considers the growth of the different species based on a simplified 1-D diffusion model and includes a simplified approach to simulate biofilm consolidation. The validity of this model has been tested by using experimental data from the bioreactor operation during a period of 2 years in which different concentrations and loads of ammonium have been tested to characterize the continuous operation of the reactor. The obtained results fit reasonably well the experimental data and final biomass concentration profiles observed at the end of the operational period. This is especially relevant considering the limitation to obtain biofilm samples during the long-term operation in order not to perturbate the packed-bed structure. In a second phase, a model has been also created to describe the operation of the external loop air-lift photobioreactor colonized with Limnospira indica, corresponding to compartment 4a in the MPP. This model integrates existing knowledge on light transfer in the photobioreactor liquid, gas-liquid mass transfer of oxygen and carbon dioxide and the growth kinetics of microalgae. In a third phase, a simplified model has also been developed for the oxygen consumption and carbon dioxide production in the gas phase of the crew compartment. This compartment is configured in the MPP by an animal isolator with a cohort of rats. To develop the model, the consumption coefficients have been calculated based on experimental data. Then, the knowledge generated in the development of these last two models has been integrated with the MPP control system to support the gas-phase integration of these two compartments (the photobioreactor and the animal compartment) in continuous operation. Given an oxygen set point in the animal compartment, the control system increases the illumination in the photobioreactor to reach the necessary oxygen production in order to maintain the oxygen level in the animal compartment. Finally, the complete set of models has been validated by using two series of long-term operation experimental data of the complete system (photobioreactor and animal compartment) in closed gas loop. The developed models reproduce with high accuracy the experimental profile of the photobioreactor and the global system dynamics associated to the introduction of a real living crew in the gas close loop. This provides a proof of concept of the high potential of mathematical models to understand and support such type of complex systems dynamics. The results obtained in the present thesis represent a step forward in the development of the MELiSSA loop. The knowledge generated in the formulation of the proposed models can be used for the definition of simplified knowledge-based control systems critical for future development steps as well as their use in the study of future integration scenarios as a tool to simulate the performance of different loop architecture options and operational conditions.