컴퓨터 시뮬레이션을 통해 광 바이오 반응기에서 미세 조류의 성장을 촉진하기 위해 연소 가스 설정을 최적화
Summary
발전소에서 연소 가스는 조류의 성장을위한 저렴한 CO 2 소스입니다. 우리는 시스템 "재배 조류하는 배기 가스"프로토 타입을 구축하고 조류 재배 과정을 확장하는 방법을 설명했다. 우리는 클로렐라 (SP)의 성장을위한 연도 가스의 최적의 동작을 시뮬레이션하고 설계하는 대량 전송 바이오 반응 모델의 사용을 증명하고있다. 조류 사진 – 생물 반응기.
Abstract
발전소에서 연소 가스는 조류 재배를 촉진하고 온실 가스 배출 1을 줄일 수 있습니다. 미세 조류는보다 효율적으로 식물 3보다 태양 에너지를 캡처뿐만 아니라 고급 바이오 연료 2-4를 합성뿐만 아니라. 일반적으로, 대기 CO 2는 최대 조류 성장 5를 지원하기위한 충분한 소스가 아닙니다. 한편, 산업용 배기 가스 중의 CO (2)의 높은 농도는 조류 생리학에 악영향이있다. 결과적으로, (예 영양소 및 빛 등) 둘 재배 조건으로 광 생물 반응기에 연도 가스 흐름의 제어 시스템 "조류하는 배연"효율적인 개발하는 것이 중요하다. 연구진은 다른 광 생물 반응기 구성 4,6 재배 전략 배기 가스와 7,8를 제안했다. 여기서는 가스 설정 연도에 응답하여 미세 조류 성장을 예측하는 모델을 사용하는 방법을 보여주는 프로토콜을 제시한다. 우리는 PERFORM은 모두 실험 그림 및 모델 시뮬레이션 배기 가스와 조류의 성장을위한 유리한 조건을 결정합니다. 우리는 균일 한 광 생물 반응기에서 미세 조류의 성장을 시뮬레이션하는 물질 전달과 빛의 강도 방정식과 함께 모 노드 기반 모델을 개발한다. 모델 시뮬레이션은 다른 배기 가스 설정에서 조류의 성장과 배기 가스 소비량을 비교합니다. 모델을 보여줍니다 : 1) 방법 조류의 성장이 CO 2의 다른 부피 물질 전달 계수에 의해 영향을 받는다 2) 우리는 어떻게 동적 최적화 방법 (DOA)를 통해 조류의 성장을위한 최적의 CO 2 농도를 찾을 수 있으며, 3) 우리는 어떻게 디자인 할 수 있습니다 조류 바이오 매스의 성장을 촉진하고, 배기 가스의 사용량을 줄이기 위해 온 – 오프 배연 펄스 직사각형. 실험적인 측면에서, 우리는 (천연 가스 연소에 의해 생성 된) 연도 가스에서 클로렐라 성장을위한 프로토콜을 제시한다. 실험 결과는 정 성적으로 예측 모델을 검증하는 고주파 배연 PULSES 크게 조류 재배를 향상시킬 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 연구에서, 우리는 광 바이오 반응기에서 조류 cultivations을 확장하기위한 실험 프로토콜을 보여줍니다. 우리는 또한 조류의 성장을 촉진하는 연소 가스의 입력을위한 여러 가지 방법을 검토합니다. 물질 전달 및 바이오 반응 모델을 사용하여, 우리는 CO 2 질량 전달 계수 (생물 반응기의 혼합 조건 및 CO 2 외관 속도에 의해 결정) K 라 강하게 조류 성장에 영향을 미치는…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 세인트 루이스의 워싱턴 대학의 NSF 프로그램 (학부생에 대한 경험을 연구)에 의해 지원된다.
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).
