تحسين إعدادات غاز المداخن في تعزيز نمو الطحالب في Photobioreactors عبر المحاكاة الحاسوبية
Summary
غازات المداخن من محطات توليد الطاقة هو رخيصة CO 2 مصدر لنمو الطحالب. بنينا "غاز المداخن لزراعة الطحالب" نموذج أنظمة ووصف كيفية توسيع نطاق عملية زراعة الطحالب. لقد أثبتنا استخدام نقل الجماعي نموذج التفاعل الحيوي لمحاكاة وتصميم العملية المثلى من غاز المداخن لنمو طحلب. في الطحالب الصور المفاعلات الحيوية.
Abstract
غازات المداخن من محطات الطاقة يمكن أن تعزز زراعة الطحالب والحد من انبعاثات غازات الدفيئة 1. الطحالب التقاط ليس فقط الطاقة الشمسية أكثر كفاءة من النباتات 3، ولكن أيضا تجميع الوقود الحيوي المتقدم 2-4. عموما، CO 2 في الغلاف الجوي ليست مصدرا كافيا لدعم نمو الطحالب القصوى 5. من ناحية أخرى، فإن تركيزات عالية من ثاني أكسيد الكربون 2 في غازات العادم الصناعية لها آثار ضارة على فسيولوجيا الطحالب. بالتالي، سواء الظروف زراعة (مثل المواد الغذائية والضوء) والسيطرة على تدفق غازات المداخن في الصور المفاعلات الحيوية الهامة لتطوير كفاءة "غاز المداخن للطحالب" النظام. وقد اقترح الباحثون تكوينات مختلفة photobioreactor 4،6 واستراتيجيات زراعة 7،8 مع غازات المداخن. هنا، نقدم البروتوكول الذي يوضح كيفية استخدام النماذج للتنبؤ النمو الطحالب الدقيقة ردا على المداخن إعدادات الغاز. نحن تخريممكتب إدارة السجلات على حد سواء التجريبية التوضيح ونموذج المحاكاة لتحديد الظروف المواتية لنمو الطحالب مع غازات المداخن. ونحن في تطوير نموذج يستند مونود-إلى جانب نقل الجماعي والمعادلات شدة الضوء لمحاكاة نمو الطحالب الدقيقة في متجانسة الصور مفاعل حيوي. محاكاة نموذج يقارن الطحالب استهلاك الغاز النمو والمداخن تحت إعدادات مختلفة غازات المداخن. يوضح نموذج: 1) كيف يتأثر نمو الطحالب من قبل مختلف معاملات نقل الجماعي الحجمي للCO 2، 2) كيف يمكن أن نجد الأمثل تركيز CO 2 لنمو الطحالب عبر النهج الأمثل الحيوي (DOA)، 3) كيف يمكننا تصميم مستطيلة على الخروج نبض غاز المداخن لتعزيز النمو الكتلة الحيوية للطحالب والحد من استخدام غازات المداخن. على الجانب التجريبي، نقدم بروتوكول لزراعة شلوريلا تحت غازات المداخن (الناتجة عن احتراق الغاز الطبيعي). النتائج التجريبية التحقق من صحة نوعيا تنبؤات النموذج أن الغاز عالية التردد المداخن بويمكن أن تحسن إلى حد كبير lses زراعة الطحالب.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذه الدراسة، ونحن لشرح بروتوكول تجريبي لزيادة الزراعات الطحالب في photobioreactors. كما ندرس عدة طرق للمدخلات غاز المداخن لتعزيز نمو الطحالب. باستخدام نقل الجماعي ونموذج التفاعل الحيوي، علينا أن نظهر أن نقل الجماعي معامل CO 2 K لا (يحدده مفاعل حيوي الاختلاط حالة…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويدعم هذه الدراسة من قبل برنامج جبهة الخلاص الوطني (بحث تجارب للطلاب الجامعيين) في جامعة واشنطن في سانت لويس.
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).
