Summary

Оптимизация дымовых Настройки Газовые поощрять микроводорослей рост в фотобиореакторы через компьютерных вычислений

Published: October 01, 2013
doi:

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

1. Водорослей Выращивание и Шкала деятельности Подготовьте культуральной среды с использованием деионизированной воды, содержащей 0,55 г / л -1 мочевину, 0,1185 г / л -1 KH 2 PO 4, 0,102 г / л -1 MgSO 4 · 7H 2 O, 0,015 г / л -1 FeSO 4 · 7H 2 O и 22,5 мкл микроэл…

Representative Results

Наш предыдущий экспериментальный анализ показывает, что воздействие непрерывного дымовых газов отрицательно влияет на рост хлореллы, при снижении CO время 2 экспозиции способен решить эту ингибирование 13. Чтобы лучше понять приток дымовых газов и водорослей отношения…

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

  1. 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).
  2. Chisti, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol. Adv. 25, 294-306 (2007).
  3. Li, Y., Horsman, M., Wu, N., Lan, C. Q., Dubois-Calero, N. Biofuels from microalgae. Biotechnol. Prog. 24, 815-820 (2008).
  4. Schenk, P., et al. Second generation biofuels: high-efficiency microalgae for biodiesel production. BioEnergy Research. 1, 20-43 (2008).
  5. Kumar, A., et al. Enhanced CO2 fixation and biofuel production via microalgae: recent developments and future directions. Trends Biotechnol. 28, 371-380 (2010).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Kameswaran, S., Biegler, L. T. Simultaneous dynamic optimization strategies: Recent advances and challenges. Comput. Chem. Eng. 30, 1560-1575 .
  13. 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).
  14. Novak, J. T., Brune, D. E. Inorganic carbon limited growth kinetics of some freshwater algae. Water Res. 19 (85), 215-225 (1985).
  15. 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).
  16. Silva, H. J., Pirt, S. J. Carbon dioxide inhibition of photosynthetic growth of Chlorella. J. Gen. Microbiol. 130, 2833-2838 (1984).
  17. 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).
  18. Sawyer, C. N., McCarty, P. L., Parkin, G. F. . Chemistry for environmental engineering and science. , 144 (2003).
  19. 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).
  20. 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).

Play Video

Cite This Article
He, L., Chen, A. B., Yu, Y., Kucera, L., Tang, Y. Optimize Flue Gas Settings to Promote Microalgae Growth in Photobioreactors via Computer Simulations. J. Vis. Exp. (80), e50718, doi:10.3791/50718 (2013).

View Video