Optimaliseer Rookgas instellingen ter bevordering van microalgen groei in fotobioreactoren via Computersimulaties
Summary
Rookgas van energiecentrales is een goedkope CO 2 bron voor algengroei. We hebben prototype "rookgas teelt van algen" gebouwd systemen en beschreef hoe de opschaling van de algen teeltproces. We hebben het gebruik van een massa-overdracht bio-reactie model te simuleren en het ontwerp van de optimale werking van rookgas voor de groei van Chlorella sp aangetoond. in algen foto-bioreactoren.
Abstract
Rookgas van energiecentrales kunnen algen teelt te bevorderen en de uitstoot van broeikasgassen te verminderen 1. Microalgen niet alleen zonne-energie efficiënter dan planten 3 vast te leggen, maar ook synthetiseren geavanceerde biobrandstoffen 2-4. In het algemeen, de atmosferische CO 2 is geen voldoende bron voor de ondersteuning van maximaal algengroei 5. Anderzijds, de hoge concentraties van CO2 in industriële uitlaatgassen negatieve effecten op algen fysiologie. Bijgevolg beide teeltomstandigheden (zoals nutriënten en licht) en de controle van de rookgasstroom in de foto-bioreactoren zijn belangrijk om een doeltreffende "rookgas voor algen ontwikkelen" systeem. Onderzoekers hebben verschillende photobioreactor configuraties 4,6 en teeltstrategieën 7,8 met rookgas voorgesteld. Hier presenteren we een protocol dat laat zien hoe modellen te gebruiken om de groei van microalgen in reactie voorspellen gasinstellingen rookkanaal. We perform zowel experimentele illustratie en modelsimulaties aan de gunstige voorwaarden voor de groei van algen met rookgas. Wij ontwikkelen een Monod-gebaseerd model gekoppeld aan massa-overdracht en lichtintensiteit vergelijkingen te simuleren de microalgen groei in een homogene foto-bioreactor. Het model simulatie vergelijkt algengroei en rookgas consumpties onder verschillende rookgasreiniging instellingen. Het model illustreert: 1) hoe de algengroei wordt beïnvloed door verschillende volumetrische massa-overdracht coëfficiënten van CO 2, 2) hoe kunnen we optimaal CO 2-concentratie voor algengroei vinden via de dynamische optimalisatie aanpak (DOA), 3) hoe kunnen we het ontwerp van een rechthoekig aan-uit rookgas-impuls om algengroei biomassa te bevorderen en om het gebruik van rookgassen. Op de experimentele kant, presenteren we een protocol voor het kweken van Chlorella onder het rookgas (opgewekt door verbranding van aardgas). De experimentele resultaten kwalitatief valideren van het model voorspellingen die de hoge frequentie rookgas puGrote ondernemingen kunnen een aanzienlijke verbetering van de algenteelt.
Protocol
Representative Results
Discussion
In deze studie tonen we aan de experimentele protocol voor het opschalen van algen teelten in fotobioreactoren. We onderzoeken ook verschillende methoden voor rookgas ingangen om algengroei te bevorderen. Met behulp van een massa-overdracht en bio-reactie model, tonen we aan dat de CO 2 massatransfercoëfficiënt K La (bepaald door bioreactor mengen conditie en CO 2 oppervlakkige snelheid) van grote invloed op de algengroei. Het model simulatie geeft continu aan-uit rookgas pulsen met kor…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek wordt ondersteund door een NSF-programma (Onderzoek Ervaringen voor studenten) aan de Washington University in St. Louis.
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 |
References
- 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).
