Моделирование и идентификация элемента Пельтье TEC1‑12706 для применения в малообъемных биореакторах искусственного ЖКТ рыб

Биореактор статической мини-модели искусственного желудочно-кишечного тракта рыбы обеспечит моделирование процессов в ЖКТ промышленно выращиваемых рыб (карповых, форелевых, осетровых). Исследования проведены с целью изучения термодинамических процессов, происходящих в биореакторе, и возможности применения термоэлектрического преобразователя TEC1-12706 в системе контроля температуры биореактора. Температура в биореакторе объемом до 200 мл должна варьироваться от 45 до 14℃, точность поддержания температуры – 0,1℃. Как результат, была получена математическая модель с корректировкой по идентифицированным параметрам системы, что позволяет оценить термодинамические процессы в биореакторе, подобрать аппаратное оснащение и создать его общую математическую модель. Идентификация параметров элемента Пельтье осуществлялась с помощью макета-прототипа, измеряющего температуру холодной стороны преобразователя, горячего радиатора, окружающей среды, температуру жидкости в реакторе и потребляемый ток. Функционирование реальной системы происходило при внешней температуре 28,31°C, все физические накопители находились в температурном равновесии и в одинаковых начальных условиях. Сравнение температурных изменений в реальной системе и полученной нами математической модели в результате идентификации параметров элемента Пельтье показало, что соответствие значений было не идеальным, но характер изменения температур был идентичным. Сделаны следующие выводы: в математической модели необходимо учитывать дополнительные накопители и потоки, описывающие неидеальные условия экспериментальных данных: например, тепловое отражение рабочей поверхности стола и частичное отражение воздушных потоков. Для снижения температуры заполненного биореактора на 2…3℃ достаточно 1/3 от максимальной мощности преобразователя. Таким образом, термоэлектрический преобразователь TEC1-12706 может применяться в системе in vitro моделирования желудочно-кишечного тракта рыб.

1. Verhoeckx K, Cotter P, López-Expósito I, et al. The Impact of Food Bioactives on Health: in vitro and ex vivo models [Internet]. Cham (CH): Springer; 2015. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK500148/

2. Van de Wiele T., Van den Abbeele P., Ossieur W., Possemiers S., Marzorati M. The Simulator of the Human Intestinal Microbial Ecosystem (SHIME®). The Impact of Food Bioactives on Health. Springer. Cham. 2015. Рp. 305-317. https://doi.org/10.1007/978-3-319-16104-4_27

3. Донской Д.Ю., Лукьянов А.Д., Филипович В., Астен Т.Б. Математическая модель системы управления pH в in vitro модели желудочно-кишечного тракта домашней птицы. Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don). 2023;23(1):95-106. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2023-23-1-95-106

4. Mandalari G., Chessa S., Bisignano C., Chan L., Carughi A. The eff ect of sun-dried raisins (Vitis vinifera L.) on the in vitro composition of the gut microbiota. Food & Function. 2016;7(9):4048-4060. http://dx.doi.org/10.1039/C6FO01137C

5. Donskoy D., Katin O., Alekseenko L. Develop - ment and implementation of the GIT-modelling bioreactor system: the way to reducing a carbon footprint. E3S Web of Conferences. 2021;279:01030. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202127901030

6. Лапшин В.П., Туркин И.А., Закалюжный А.А. Синтез управления, стабилизирующего режимы работы термодинамической системы // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2019. № 3. С. 43-48. https://doi.org/10.30987/article_5c7434fd136d59.56723792

7. LukyanovA., Donskoy D., Bykador V., Chuveyko M., Kasyanenko E. Simulation of thermodynamic systems with a thermoelectric converter based on the Peltier element for energy efficient management. E3S Web of Conferences. 2019;104:01001. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201910401001

8. Майстренко А.В. Тепловой расчет конструкций. Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don). 2021. Т. 21, № 3. С. 260 267. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2021-21-3-260-267

9. Mao J., Du J., Wang S., Zhou J., Wang Y. The transient supercooling enhancement for a pulsed thermoelectric cooler (TEC). International Refrigeration and Air Conditioning Conference. 2016. Paper 1773. http://docs.lib.purdue.edu/iracc/1773

10. Snyder G.J., Soto M., Alley R., Koester D., Conner B. Hot spot cooling using embedded thermoelectric coolers. Twenty-Second Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement And Management Symposium, Dallas, TX, USA, 2006, pp. 135-143. https://doi.org/10.1109/STHERM.2006.1625219

11. Piggott A. Transient thermoelectric supercooling: Isosceles current pulses from a response surface perspective and the performance effects of pulse cooling a heat generating mass. 2015. Vol. 55 03. 130 p. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2015PhDT……160P/abstract

12. Okawa K., Amagai Y., Fujiki H., Kaneko N. Reverse heat flow with Peltier-induced thermoinductive effect. Commun Phys. 2021;4:267. https://doi.org/10.1038/s42005-021-00772-4

13. Remeli M., Bakaruddin N., Shawal S., Husin H., Othman M., Singh B. Experimental study of a mini cooler by using Peltier thermoelectric cell. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020;788:012076. https://doi.org/10.1088/1757-899X/788/1/012076