Bilgisayar simülasyonları ile fotobiyoreaktörler içinde Mikroalgler Büyüme teşvik için Baca Gazı ayarlarını optimize
Summary
Santrallerden kaynaklanan baca gazı alg büyüme için ucuz bir CO 2 kaynağıdır. Biz sistemleri "ekimi alg için baca gazı" prototip inşa ve alg ekimi işlemini büyütmek için nasıl tarif var. Biz, Chlorella sp büyümesi için baca gazının optimum operasyon ve tasarım simülasyonu için kütle transferi bio-tepki modelinin kullanımı göstermiştir. alg fotoğraf biyoreaktörlerde.
Abstract
Santrallerden kaynaklanan baca gazı alg ekimi teşvik etmek ve sera gazı emisyonlarını 1. azaltabilir. Mikroalg daha verimli bitki 3 daha güneş enerjisini yakalamak, ama aynı zamanda gelişmiş biyoyakıt 2-4 sentez değil sadece. Genellikle, atmosferik CO 2 maksimal alg büyümesini 5 desteklemek için yeterli bir kaynak değildir. Diğer taraftan, endüstriyel egzoz gazlarındaki CO 2'nin yüksek konsantrasyonlarda alg fizyolojisi üzerinde olumsuz etkileri vardır. Sonuç olarak, (örneğin, besin maddeleri ve ışık gibi) hem de yetiştirme koşulları ve foto-biyo-reaktörlere baca gazı akışının kontrol sistemi "Yosunlar için baca gazı" etkili bir geliştirilmesi için önemlidir. Araştırmacılar farklı foto-biyo yapılandırmaları 4,6 ve yetiştirme stratejilerini baca gazı ile 7,8 önerdi. Burada, biz gaz ayarları baca yanıt mikroalgal büyüme tahmin modelleri nasıl kullanılacağını gösteren bir protokol mevcut. Biz perform hem deneysel illüstrasyon ve model simülasyonları baca gazı ile alg büyüme için uygun koşulları belirlemek. Biz homojen bir fotoğraf biyoreaktöründe mikroalgal büyüme simüle etmek için kütle transferi ve ışık yoğunluğu denklemleri ile birleştiğinde bir Monod-temelli bir model geliştirmek. Modeli simülasyon farklı baca gazı ayarları altında alg büyüme ve baca gazı tüketimlerini karşılaştırır. Model göstermektedir: 1) nasıl alg büyüme CO 2 farklı hacimsel kütle transfer katsayıları etkilenir; 2) nasıl dinamik optimizasyon yaklaşımı (DOA) üzerinden alg büyüme için optimal CO 2 konsantrasyonu bulabilirsiniz; 3) nasıl bir tasarlayabilirsiniz alg biyokütle büyümeyi teşvik etmek ve baca gazı kullanımını azaltmak için on-off baca gazı darbe dikdörtgen. Deneysel tarafta, biz (doğal gaz yanma tarafından üretilen) baca gazı altında Chorella yetiştirmek için bir protokol mevcut. Deneysel sonuçlar niteliksel model tahminleri doğrulamak olduğu yüksek frekans baca gazı puLSKÖ önemli ölçüde alg ekimi artırabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmada, biz fotobiyoreaktörler alg toprağı ekme ölçekleme için deneysel protokol göstermektedir. Biz de alg büyümesini teşvik etmek için baca gazı girişler için çeşitli yöntemleri inceliyoruz. Bir kütle transferi ve biyo-tepki modeli kullanarak, CO 2 kütle transfer katsayısı (biyoreaktör karıştırma durumuna ve CO 2 yüzeysel hız tarafından belirlenir) K La güçlü alg büyümesini etkilediğini göstermektedir. Modeli simülasyon kısa pulse genişliğ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, St Louis Washington Üniversitesi'nde bir NSF programı (Lisans Öğrencileri için Deneyimleri Araştırma) tarafından desteklenmektedir.
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).
