Simulasi Bio-synth PBR Generasi Ke-2: Penyerapan Karbon Makrofit, Kinetik Monod dan Pemindahan Jisim Gas

Simulator Bio-synth Photobioreactor (PBR) Generasi Ke-2: Penyerapan Karbon Makrofit Interaktif

Developed By : Ir. MD Nursyazwi

Aplikasi STEM Pemodelan Bioproses Termaju: Kinetik Pertumbuhan Monod, Dinamik Pemindahan Jisim Gas CO2/O2, Hydrodinamik Pam Udara, dan Penilaian Ketoksikan Oksigen Terlarut Secara Masa-Nyata.

Pilih Senario Pemanduan (Play Style Scenario)

Visualisasi Generasi Ke-2 PBR (Prototip Makmal Fizikal)

Siku PVC 90-Darjah (Kipas Ekzos Active O2)

Daun Floating Canopy (Pistia & Lemna)

Akar Matrik Gantung (Pistia stratiotes)

Penyebar Udara Air Stone (Bottom Sparger)

Gelongsor LED PAR Ring Light

Parameter Operasi Bioproses (Pelarasan Boleh Ubah)

Intensiti Cahaya PAR (Keamatan Fotons) 350 µmol/m²/s

Kadar Aliran Gas Sparger Udara/CO2 1.5 L/min

Suhu Air Reaktor 26.0 °C

Kepekatan Nutrien CEC (Nitrogen & P) 40 mg/L

Kelajuan Kipas Ekzos Siku PVC (Gas Stripping) 75 %

Biojisim Permulaan Canopy 20 g

Hasil Analisis & Keputusan Pemodelan Kejuruteraan

Kadar Serapan CO2

0.00 g/hari

Tumbesaran Biojisim

0.00 g/hari

Ketepuan Oksigen (DO)

100 %

Terkumpul (30 Hari)

0.00 g CO2

Status Bioreaktor: Normal

Memuatkan penilaian sistem kejuruteraan bioproses...

Terokai Versi Simulator Mikroalga Bio-synth PBR Selari:

Penerangan Teknikal & Dokumentasi Makmal Bio-synth PBR Generasi Ke-2

Prototip Fotobioreaktor (PBR) Generasi Ke-2 yang dibangunkan oleh Ir. MD Nursyazwi mewakili anjakan paradigma dalam reka bentuk bioreaktor makrofit skala kecil. Berbeza daripada reka bentuk konvensional yang relying kepada mikroalga terapung dalam cecair, PBR ini menggabungkan dua spesis makrofit akuatik terapung secara serentak iaitu Kangkung Air (Pistia stratiotes) dan Itik-itikan (Lemna spp.). Gabungan ini mencipta struktur kanopi dwi-lapisan yang beroperasi dalam zon fotik yang sangat cekap untuk penyerapan karbon dioksida atmosferik dan akuatik.

1. Prinsip Kinetik Pertumbuhan Monod dan Penyerapan Karbon

Kadar pertumbuhan spesifik makrofit dihitung menggunakan model kinetik Monod yang diubah suai untuk mengambil kira faktor had cahaya Photosynthetically Active Radiation (PAR), kepekatan substrat nutrien (N & P), serta fungsi tindak balas suhu Arrhenius. Formula asas yang digunakan dalam simulator ini ialah:

Kadar Pertumbuhan Spesifik (mu) = mu_max * (PAR / (K_I + PAR)) * (S / (K_S + S)) * f(T)

Di mana mu_max ialah kadar pertumbuhan maksimum spesis campuran (0.35 per hari), K_I ialah pemalar separuh ketepuan cahaya (180 umol/m2/s), K_S ialah pemalar separuh ketepuan nutrien (12.0 mg/L), dan f(T) ialah faktor pekali suhu berbentuk lengkok Gaussian dengan suhu optimum pada 26.0 deg C. Biojisim kering makrofit mengandungi kira-kira 44 peratus unsur karbon tulen. Oleh itu, kadar penyerapan CO2 dikira secara langsung daripada nisbah stoikiometri biojisim yang terbentuk setiap hari.

2. Kejuruteraan Dinamik Pemindahan Jisim Gas dan Kipas Siku PVC 90-Darjah

Salah satu kekangan utama dalam fotobioreaktor kanopi tertutup ialah akumulasi gas Oksigen Terlarut (Dissolved Oxygen - DO) dan kelembapan tepu di dalam ruang kepala (headspace). Semasa proses fotosintesis aktif di bawah keamatan PAR yang tinggi, kepekatan O2 cecair boleh melebihi 200 peratus ketepuan. Keadaan ini mencetuskan tekanan foto-oksidatif yang merosakkan kompleks Pusat Reaksi Photosystem II (PSII), sekali gus membendung kadar pembentukan biojisim.

Siku PVC 90-darjah yang dipasang di bahagian atas prototip PBR Generasi Ke-2 berfungsi sebagai perumah sistem penyedut dan penyingkir gas aktif (active gas stripping exhaust). Kipas ekzos yang dipasang di dalam elbow memodelkan daya pemindahan jisim konvektif yang menarik keluar gas O2 terkumpul di ruangan headspace dan menghembuskannya keluar dari reaktor. Keadaan ini mengekalkan kecerunan tekanan separa CO2 yang tinggi pada permukaan stomata daun Pistia stratiotes dan Lemna spp., memastikan stomata kekal terbuka untuk penyerapan karbon secara berterusan.

3. Peran Air Stone Sparger dan Hydrodinamik Zon Akar

Pam udara yang disambungkan ke penyebar udara (air stone) di dasar botol reaktor menghasilkan gelembung micro-bubbles yang naik menembusi matrik akar gantung Pistia stratiotes. Aliran gelembung ini tidak bertujuan untuk melarutkan CO2 ke dalam air semata-mata, sebaliknya berfungsi sebagai mekanisme "airlift circulation" yang membekalkan nutrien terlarut secara konveksi ke seluruh permukaan akar. Kadar pusingan cecair yang lembut memastikan nutrien terus diperbaharui di lapisan sempadan akar tanpa menimbulkan daya ricih (shear stress) fizikal yang boleh membalikkan atau merosakkan frond halus Lemna spp. di permukaan cecair.

4. Pengurusan Biojisim dan Kitaran Penuaian Optimum

Untuk memastikan PBR Generasi Ke-2 beroperasi pada fasa pertumbuhan eksponen berterusan, Biojisim kanopi permukaan perlu dikawal melalui penuaian berkala. Apabila permukaan cecair menjadi terlalu padat (biojisim melebihi 45 gram per botol), fenomena bayangan kendiri (self-shading) berlaku di mana frond bahagian atas menutupi frond di bawahnya. Ini mengurangkan pemindahan tenaga foton ke daun lapisan bawah, menurunkan kadar penyerapan CO2 bersih reaktor. Penuaian rutin sebanyak 20 hingga 30 peratus biojisim setiap beberapa hari membolehkan kadar penyerapan karbon kekal pada tahap optimum maksimum.