Optimalisere Røykgass Innstillinger for å fremme Mikroalger Vekst i fotobioreaktorer via datasimulering
Summary
Røykgass fra kraftverk er en billig CO 2 kilde for algevekst. Vi har bygget prototypen "røykgass til algedyrkings" systemer og beskrev hvordan å skalere opp alge dyrking prosessen. Vi har vist at bruken av en masse-overførings bio-reaksjonsmodell for å simulere og å utforme en optimal drift av røkgass for vekst av Chlorella sp. i alge foto-bioreaktorer.
Abstract
Røykgass fra kraftverk kan fremme algedyrking og redusere klimagassutslippene en. Mikroalger ikke bare fange solenergi mer effektivt enn planter tre, men også syntetisere avanserte biodrivstoff 2-4. Vanligvis er atmosfærisk CO 2 ikke en tilstrekkelig kilde for understøttelse av maksimal vekst av alger 5. På den annen side, de høye konsentrasjoner av CO2 i industrielle avgasser ha negative effekter på alge fysiologi. Følgelig er begge dyrkningsbetingelser (for eksempel næringsmidler og lys), og kontroll av røykgassen strømme inn i foto-bioreaktorer er viktig å utvikle en effektiv "avgass for alger" system. Forskere har foreslått ulike photobioreactor konfigurasjoner 4,6 og dyrkingsstrategier 7,8 med røykgass. Her presenterer vi en protokoll som viser hvordan du bruker modeller for å forutsi microalgal vekst i respons til røykgass innstillinger. Vi perfOrm både eksperimentelle illustrasjon og modellsimuleringer som avgjør de gunstige forhold for algevekst med røykgass. Vi utvikle en Monod-baserte modellen sammen med masseoverføring og lysintensitet ligninger for å simulere microalgal vekst i et homogent foto-bioreaktor. Modellen simulering sammenalgevekst og røykgass forbruk under forskjellige røykgass innstillinger. Modellen illustrerer: 1) hvordan algevekst påvirkes av ulike volumetriske masseoverførings koeffisienter av CO 2, 2) hvordan vi kan finne optimal CO 2-konsentrasjon for algevekst via dynamisk optimalisering tilnærming (DOA), 3) hvordan vi kan utforme en rektangulær på-av avgass puls for å fremme algebiomasseveksten og for å redusere bruken av røykgass. På den eksperimentelle side presenterer vi en protokoll for dyrking av Chlorella under røkgass (generert av naturgass forbrenning). De eksperimentelle resultatene kvalitativt validere modell spådommer om at den høye frekvensen røykgass pulses kan forbedre algedyrking.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne studien, demonstrerer vi forsøksprotokoll for å skalere opp alge cultivations i fotobioreaktorer. Vi undersøker også flere metoder for røykgass innganger for å fremme algevekst. Ved hjelp av en massetransport og bio-reaksjon modell, viser vi at CO 2 masseoverføringsfaktor K La (bestemt av bioreaktor blande tilstand og CO 2 overflatehastighet) sterkt påvirker algevekst. Modellen simuleringen indikerer kontinuerlig on-off røykgass pulser med kort puls bredde og høyt på-of…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne studien er støttet av en NSF program (Forskning Erfaringer for Undergraduates) på i St. Louis Washington University.
Materials
| Spectrophotometer | Thermal Scientific, Texas USA | |
| CO2 gas analyzer | LI-COR, Biosciences, Nebraska USA | |
| Mass flow controllers | OMEGA Engineering INC, Connecticut USA | FMA5416 |
| Data acquisition card | Measurement Computing Corporation, Massachusetts USA | USB-1208FS |
| Filters | Aerocolloid LLC, Minnesota USA | |
| MATLAB/Simulink | Mathworks, Massachusetts USA | R2010a |
| Glass bottles | Fisher USA |
Referências
- Granite, E. J., O’Brien, T. Review of novel methods for carbon dioxide separation from flue and fuel gases. Fuel Process. Technol. 86, 1423-1434 (2005).
- Chisti, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol. Adv. 25, 294-306 (2007).
- Li, Y., Horsman, M., Wu, N., Lan, C. Q., Dubois-Calero, N. Biofuels from microalgae. Biotechnol. Prog. 24, 815-820 (2008).
- Schenk, P., et al. Second generation biofuels: high-efficiency microalgae for biodiesel production. BioEnergy Research. 1, 20-43 (2008).
- Kumar, A., et al. Enhanced CO2 fixation and biofuel production via microalgae: recent developments and future directions. Trends Biotechnol. 28, 371-380 (2010).
- Kumar, K., Dasgupta, C. N., Nayak, B., Lindblad, P., Das, D. Development of suitable photobioreactors for CO2 sequestration addressing global warming using green algae and cyanobacteria. Bioresour. Technol. 102, 4945-4953 (2011).
- Lee, J. -. N., Lee, J. -. S., Shin, C. -. S., Park, S. -. C., Kim, S. -. W. Methods to enhance tolerances of Chlorella KR-1 to toxic compounds in flue gas. Appl. Biochem. Biotechnol. 84-86, 329-342 (2000).
- Zeiler, K. G., Heacox, D. A., Toon, S. T., Kadam, K. L., Brown, L. M. The use of microalgae for assimilation and utilization of carbon dioxide from fossil fuel-fired power plant flue gas. Energy Conversion and Management. 36 (95), 707-712 (1995).
- Martínez, M. E., Camacho, F., Jiménez, J. M., Espínola, J. B. Influence of light intensity on the kinetic and yield parameters of Chlorella pyrenoidosa mixotrophic growth. Process Biochem. 32 (96), 93-98 (1997).
- Van’t Riet, K. Review of measuring methods and results in nonviscous gas-liquid mass transfer in stirred vessels. Ind. Eng. Chem. Process. 18, 357-364 (1979).
- Methekar, R., Ramadesigan, V., Braatz, R. D., Subramanian, V. R. Optimum charging profile for lithium-ion batteries to maximize energy storage and utilization. ECS Trans. 25, 139-146 (2010).
- Kameswaran, S., Biegler, L. T. Simultaneous dynamic optimization strategies: Recent advances and challenges. Comput. Chem. Eng. 30, 1560-1575 .
- He, L., Subramanian, V. R., Tang, Y. J. Experimental analysis and model-based optimization of microalgae growth in photo-bioreactors using flue gas. Biomass Bioenergy. 41, 131-138 (2012).
- Novak, J. T., Brune, D. E. Inorganic carbon limited growth kinetics of some freshwater algae. Water Res. 19 (85), 215-225 (1985).
- Landry, M. R., Haas, L. W., Fagerness, V. L. Dynamics of microbial plankton communities experiments in Kaneohe Bay, Hawaii. Mar. Ecol. 16, 127-133 (1984).
- Silva, H. J., Pirt, S. J. Carbon dioxide inhibition of photosynthetic growth of Chlorella. J. Gen. Microbiol. 130, 2833-2838 (1984).
- Powell, E. E., Mapiour, M. L., Evitts, R. W., Hill, G. A. Growth kinetics of Chlorella vulgaris and its use as a cathodic half cell. Bioresour. Technol. 100, 269-274 (2009).
- Sawyer, C. N., McCarty, P. L., Parkin, G. F. . Chemistry for environmental engineering and science. , 144 (2003).
- Doucha, J., Straka, F., Lívanský, K. Utilization of flue gas for cultivation of microalgae Chlorella sp. in an outdoor open thin-layer photobioreactor. J. Appl. Phycol. 17, 403-412 (2005).
- Thimijan, R. W., Heins, R. D. Photometric, radiometric, and quantum light units of measure: a review of procedures for interconversion. Hortscience. 18, 818-822 (1983).
