Optimer Røggas indstillinger for at fremme mikroalger Vækst i fotobioreaktorer via computersimuleringer
Summary
Røggas fra kraftværker er en billig CO2 kilde til algevækst. Vi har bygget prototype "røggas til algernes dyrkningssystemer" systemer og beskrev, hvordan at skalere op den alge dyrkning processen. Vi har vist, at anvendelse af en masse-overførsel bio-reaktionen model for at simulere og at udforme den optimale drift af røggas for væksten af Chlorella sp. i algernes foto-bioreaktorer.
Abstract
Røggas fra kraftværker kan fremme alge dyrkning og reducere udledningen af drivhusgasser 1. Mikroalger ikke kun fange solenergi mere effektivt end planter 3, men også syntetisere avancerede biobrændstoffer 2-4. Generelt atmosfærisk CO 2 er ikke en tilstrækkelig kilde til at understøtte maksimal algevækst 5.. På den anden side, de høje koncentrationer af CO 2 i industrielle udstødningsgasser have negative virkninger på algevækst fysiologi. Derfor både dyrkningsforhold (såsom næringsstoffer og lys) og kontrol af røggasmængden ind i foto-bioreaktorer er vigtigt at udvikle en effektiv "røggas for alger" system. Forskere har foreslået forskellige photobioreactor konfigurationer 4,6 og dyrkningsmetoder strategier 7,8 med røggas. Her præsenterer vi en protokol, der demonstrerer, hvordan man bruger modeller til at forudsige mikroalger vækst som svar på flue indstillinger gas. Vi perfOrm såvel eksperimentelle illustration og modelsimuleringer at bestemme de gunstige betingelser for algevækst med røggas. Vi udvikler en Monod-baserede model kombineret med massetransport og lysintensitet ligninger til at simulere mikroalger vækst i et homogent foto-bioreaktor. Modellen simulering sammenligner algernes vækst og røggas forbrug under forskellige indstillinger flue-gas. Modellen illustrerer: 1) hvordan algevækst er påvirket af forskellige volumetriske masse transfer koefficienter af CO 2, 2) hvordan vi kan finde en optimal CO 2 koncentration for algevækst via dynamisk optimering tilgang (DOA), 3) hvordan vi kan designe en rektangulære on-off røggas puls til fremme algebiomasse vækst og for at reducere brugen af røggassen. På den eksperimentelle side, præsenterer vi en protokol for dyrkning Chlorella under røggassen (genereret af naturgas forbrænding). De eksperimentelle resultater kvalitativt validere modellens forudsigelser, at den høje frekvens røggas puLSES kan forbedre alge dyrkning.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne undersøgelse viser vi forsøgsprotokollen for opskalering alge dyrkninger i fotobioreaktorer. Vi undersøger også flere metoder til røggasrensning indgange til at fremme algevækst. Ved hjælp af en masse overførsel og bio-reaktion model, vi vise, at CO 2 masseoverføringskoefficient K La (bestemt af bioreaktor blande tilstand og CO 2 overfladisk hastighed) stor indflydelse algevækst. Modellen simulering viser kontinuerlig on-off røggas pulser med kort puls bredde og høje o…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne undersøgelse understøttes af en NSF program (Forskning Oplevelser for bachelorstuderende) ved Washington University i 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).
