Оптимизация дымовых Настройки Газовые поощрять микроводорослей рост в фотобиореакторы через компьютерных вычислений
Summary
Дымовых газов от электростанций является дешевым CO 2 источником для роста водорослей. Мы построили прототип "дымовой газ для водорослевых выращивания» систем и описаны как расширить водорослевую процесс совершенствования. Мы продемонстрировали использование массообмена био-реакции модели для имитации и разрабатывать оптимальную работу дымовых газов для роста хлореллы зр. в водорослевых фото-биореакторов.
Abstract
Дымовых газов от электростанций может способствовать водорослей культивирования и сократить выбросы парниковых газов 1. Микроводорослей не только захватить солнечную энергию более эффективно, чем растения 3, но и синтезировать передовых видов биотоплива 2-4. Как правило, атмосферное CO 2 не является достаточным источником для поддержки максимального рост водорослей 5. С другой стороны, высокая концентрация СО 2 в промышленных выхлопных газов оказать неблагоприятное воздействие на водорослей физиологии. Следовательно, оба условия культивирования (например, питательных веществ и света) и управление потоком дымовых газов в фото-биореакторов важны для разработки эффективного "дымового газа для водорослей» систему. Исследователи предложили различные конфигурации фотобиореакторе 4,6 и культивирования стратегии 7,8 с дымовых газов. Здесь мы приводим протокол, который демонстрирует, как использовать модели для прогнозирования микроводорослей рост в ответ на дымовых настройки газов. Мы перфорацияORM обе экспериментальные иллюстрации и модельные эксперименты, чтобы определить благоприятные условия для роста водорослей с дымовых газов. Мы разрабатываем Моно-ориентированная модель в сочетании с массообмена и легких уравнений интенсивности для имитации микроводорослей рост однородной фото-биореактора. Имитационная модель сравнивает рост водорослей и дымовых Расход газа при разных настройках дымовых газов. Эта модель иллюстрирует: 1) как водорослей рост под влиянием различных объемных коэффициентов массопереноса СО 2, 2), как мы можем найти оптимальную концентрацию СО 2 для роста водорослей с помощью динамического подхода оптимизации (DOA); 3) как мы можем конструировать прямоугольные включения-выключения импульса дымовых газов в целях содействия росту водорослей биомассы и уменьшить использование дымовых газов. На экспериментальной стороны, мы приводим протокол для выращивания хлореллы в дымовых газах (порожденных сжигания природного газа). Экспериментальные результаты качественно проверить предсказания модели, что высокая частота дымовых газов пуLSES может значительно улучшить водорослей культивирования.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом исследовании мы демонстрируем экспериментальный протокол для расширения водорослей культивации в фотобиореакторов. Мы также рассмотрим несколько методов для дымовых входов газа в целях содействия росту водорослей. Использование массоперенос и модель био-реакции, мы демонстр?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование поддерживается в NSF программе (исследование Опыт для студентов) в Университете Вашингтона в Сент-Луисе.
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).
