Optimera Rökgas inställningar för att främja Mikroalger Tillväxten i Photobioreactors via datorsimuleringar
Summary
Rökgas från kraftverk är en billig CO2 källa för algtillväxt. Vi har byggt prototyp "rökgas att alg odling" system och beskrev hur man skala upp algernas odlingsprocessen. Vi har visat användningen av ett massöverförings bio-reaktionsmodell för att simulera och att utforma den optimala driften av rökgas för tillväxten av Chlorella sp. i alger foto bioreaktorer.
Abstract
Rökgas från kraftverk kan främja alger odling och minska utsläpp av växthusgaser 1. Mikroalger inte bara fånga solenergi mer effektivt än växter 3, men också syntetisera avancerade biobränslen 2-4. Generellt är atmosfärisk CO2 inte en tillräcklig källa för att stödja maximal algtillväxt 5. Å andra sidan, de höga koncentrationer av CO2 i industriella avgaser har negativa effekter på algers fysiologi. Följaktligen båda odlingsbetingelser (såsom näring och ljus) och styrning av rökgasflödet i foto-bioreaktorer är viktiga för att utveckla en effektiv "rökgas för alger" system. Forskare har föreslagit olika fotobioreaktor konfigurationer 4,6 och odlingsstrategier 7,8 med rökgas. Här presenterar vi ett protokoll som visar hur man använder modeller för att förutsäga mikroalger tillväxt som svar på rökgas-inställningar. Vi perfOrm både experimentella illustration och modellsimuleringar för att fastställa de förutsättningar för algtillväxt med rökgas. Vi utvecklar ett Monod-baserad modell i kombination med massöverföring och ljusintensitet ekvationer för att simulera mikroalger tillväxt i en homogen foto-bioreaktor. Simuleringsmodellen jämför algtillväxt och rökgaser förbrukning under olika inställningar rökgasrenings. Modellen visar: 1) hur algtillväxt påverkas av olika volymetriska massöverföringskoefficienterna CO2, 2) hur vi kan hitta en optimal CO2-koncentrationen för algtillväxt via dynamisk optimering strategi (DOA), 3) hur vi kan utforma en rektangulär till-från rökgasen puls att främja algtillväxt biomassa och för att minska användningen av rökgasen. På den experimentella sidan presenterar vi ett protokoll för att odla Chlorella i rökgasen (som genereras av naturgas förbränning). De experimentella resultaten kvalitativt validera modellens förutsägelser att den höga frekvensen rökgas puLSES kan avsevärt förbättra alger odling.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denna studie visar vi det experimentella protokollet för uppskalning algal odlingar i photobioreactors. Vi undersöker också flera metoder för rökgas-ingångar för att främja algtillväxten. Med hjälp av en massöverföring och bio-reaktionsmodell, visar vi att CO2-massöverföringskoefficienten K La (bestäms av bioreaktor blanda skick och CO2 ytlig hastighet) starkt påverkar algtillväxt. Simuleringsmodellen indikerar kontinuerlig on-off rökgas pulser med kort pulsbredd och h…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie stöds av en NSF-program (Forskning Upplevelser för studenter) vid 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).
