مقالة منهجية

تحسين إعدادات غاز المداخن في تعزيز نمو الطحالب في Photobioreactors عبر المحاكاة الحاسوبية

DOI:

10.3791/50718

⸱

أكتوبر 1, 2013

 ,  ,  ,  , 
1Department of Energy, Environmental and Chemical Engineering, Washington University in St. Louis, St. Louis, 2School of Pharmaceutical Sciences, Wuhan University of China, 3Department of Earth and Planetary Sciences, Washington University in St. Louis

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. زراعة الطحالب ومقياس المتابعة

  1. تحضير مستنبت باستخدام الماء منزوع الأيونات التي تحتوي على 0.55 غرام / لتر -1 اليوريا، 0.1185 جم / لتر -1 KH 2 PO 4، 0.102 غرام / لتر -1 MgSO 4 · 7H 2 O، 0.015 غرام / لتر -1 FESO 4 · 7H 2 O و 22.5 ميكرولتر الصغرى (18.5 جرام / لتر -1 H 3 BO 3، 21.0 غرام / لتر -1 كبريتات النحاس 4 · 5H 2 O، 73.2 غرام / لتر -1 MnCl 2 · 4H 2 O، و 13.7 غرام / لتر -1 COSO 4 · 7H 2 O، 59.5 غرام / لتر -1 ZnSO 4 · 5H 2 O، 3.8 غرام / لتر -1 (NH 4) 6 مو 7 O 24 · 4H 2 O، 0.31 جم / لتر -1 NH 4 VO 3 ). ضبط درجة الحموضة إلى 7-8 المتوسطة. تعقيم مستنبت عبر مرشح 0.22 ميكرون حقنة.
  2. تطعيم طحلب. من مستعمرة واحدة على لوحة آغار جديدة إلى رابطة العمل المنصف هزةكورونا تحتوي على 50 مل المتوسطة مع بتلقيح حلقة عقيمة. الثقافة الطحالب تحت 150 دورة في الدقيقة و 30 درجة مئوية لمدة ستة أيام (حالة الضوء المستمر، تدفق الفوتون = 40-50 ميكرومول م -2 ثانية -1). رصد كثافة الخلية من قبل معمل (OD 730).
  3. نقل 50 مل الثقافة الطحالب (مرحلة نمو سجل في منتصف، OD 730> 1) في كوب قارورة 2-L (مع ~ 1 L تعقيمها مستنبت). مضخة تنقية الهواء (أو CO 2) في الثقافة خلال الحضانة (لمدة 5 أيام).
  4. نقل 1 L الثقافة الطحالب في كوب 20-L الدامجانة زجاجة كبيرة تحتوي على 15 L غير معقمة متوسطة الثقافة (في هذه المرحلة، من مخاطر التلوث الميكروبي صغير)، ثم الثقافة الطحالب تحت شرط نفس كما ذكر في الخطوة 1.3.
  5. وضع 15 L ثقافة جديدة الطحالب (OD 730 = 2) و 85 L المتوسطة غير المعقمة، في لوحة مسطحة photobioreactor (مجهزة الباعثة للضوء الثنائيات، وحدة تحكم الكمبيوتر، خليط الغاز، تحليل للخلية الضوئية الكثافة، ودرجة الحموضة، وحلت أوكسيالجنرال ودرجة الحرارة ويذوب CO 2). ضخ الغاز المداخن / خليط الهواء في مفاعل حيوي.
  6. تماما تنظيف جاف في photobioreactor باستخدام الايثانول 70٪ بعد الحصاد الكتلة الحيوية (OD 730> 20).

2. مظاهرة مختبر المداخن عن طريق معالجة الغاز Photobioreactors الصغيرة

  1. تطعيم الثقافات الطحالب في عبوات زجاجية (200 مل / دقيقة متوسط ​​/ زجاجة، OD الأولي 730 ~ 0.3).
  2. حرق الغاز الطبيعي وضخ غاز المداخن (~ 250 سم 3 دقيقة -1) من خلال قمع، أنبوب مكثف، وزجاجة غسل 0.5 L (التي تحتوي على الماء / الحجر الجيري الطين).
  3. وحدات تحكم تدفق الشامل السيطرة على تدفق غازات المداخن في الثقافة الطحالب (الشكل 1). وتشمل البقول غاز المداخن وضعين: المداخن الغاز على والمداخن الغاز قبالة (ضخ الهواء بدلا من ذلك).

3. الحركية تطوير نموذج

نموذج يفترض الحركية: (1) الثقافات هي نظام متجانسق. (2) CO 2 التركيز وشدة الضوء في الثقافات هي العوامل المحددة لنمو الطحالب. (3) CO 2 الضغط الجزئي والمرحلة توازنه السائل مع H 2 CO 3، HCO 3 - وCO 3 2 - تم تبسيط مع قانون هنري). معادلات النموذج هي:

figure-protocol-1

X هو الكتلة الحيوية (كلغ · م -3). S هو حله CO 2 (مول · م -3). P هو الضغط الجزئي CO 2 في الطور الغازي (باسكال). ع ط هو الضغط الجزئي للط ال مركب سام في الغاز (مثل أكاسيد النيتروجين وأكاسيد الكبريت). P max.i هو الضغط الجزئي للغاز سام لتثبيط كامل على نمو الكتلة الحيوية. η ط هو معامل تجريبية. ق K هو ثابت ميخائيل، منتنمن CO 2 (مول · م -3). K أنا هو ثابت تثبيط CO 2 (مول · م -3). K هو ثابت ميخائيل، منتن من شدة الضوء (ميكرومول · م · -2 ثانية -1). H هو ثابت هنري لCO 2 (باسكال · م · 3 مول -1). K لا هو معدل نقل الجماعي من CO 2 (ساعة -1). أنا هو متوسط ​​شدة الضوء، مكرومول · م · -2 -1 ثانية، والتي يمكن أن تحسب على النحو التالي (ما يعادل (3)) 9.

figure-protocol-2

تعريف المعلمات النموذج هو في الجدول رقم 1. تحمل الظروف الأولية أن الكتلة الحيوية وأول أكسيد الكربون الذائب 2 تركيزات هي 100 ملغم / لتر و 13 ميكرومول / لتر، على التوالي. يمكن تقدير معامل انتقال الكتلة الحجمية بواسطة correla التجريبيةنشوئها إلى مفاعل حيوي المعلمات 10:

figure-protocol-3

ف ز / V هو استهلاك الطاقة للنظام الخلوية في مفاعل حيوي (W / م 3). ش ع هو سرعة سطحية من تدفق الغاز من خلال مفاعل حيوي (م / ثانية). α، β، γ وثوابت تتعلق خلط الظروف.

  1. بناء ملف السيميولينك لمحاكاة نموذج (ترد لقطات الشاشة في المواد الداعمة الأول).
    1. اختر ملف / جديد / نموذج على واجهة MATLAB لخلق نموذج السيميولينك، ومفتوحة "مستعرض مكتبة" (لقطة من الشاشة 1).
    2. اختيار كتلة "النظام الفرعي" في متصفح مكتبة لإنشاء منظومات للالمعادلة 1 و 2. سحب كتلة واحدة الفرعي إلى ملف نموذج السيميولينك، وتغيير اسمها إلى "المعادلة 1 '، ثم كرر نفس الخطوات لالمعادلة 2.
      3. إنشاء كتل والمعلمات المناسبة في كل نظام فرعي (لقطة من الشاشة 3). انقر نقرا مزدوجا فوق كتلة "المعادلة 1 '، واختيار المناسب من كتل المتصفح المكتبة وربطها مع السهام التي تدل على تسلسل الحساب، انقر نقرا مزدوجا فوق كتل لإعداد المعلمات، وكرر هذه الخطوات لنظام فرعي آخر.
      ملاحظة: 1) يجب أن يبدأ التسلسل مع كتل مدخلات وتختتم مع كتل الإخراج؛ 2) كتل المشغل لبالإضافة إلى ذلك، الطرح، الضرب، القسمة والتكامل يمكن العثور عليها في جميع المتصفح المكتبة، ونقترح مستخدمين استكشاف ملفات المساعدة ل والسيميولينك لفهم كيفية استخدامها؛ 3) يمكن تعيين حلالا الأمثل من خلال معلمات مسار المحاكاة / تكوين على شريط الأدوات.
    3. ربط الأنظمة الفرعية اثنين لتمثيل المعادلات نموذج (1 و 2). ربط مخرجات الفرعي واحد لمدخلات النظام الفرعي الآخرين من خلال السهم إذا لزم الأمر. على سبيل المثال، حلت CO 2 التركيز هو سutput في المعادلة 2 الفرعي، وأيضا مدخلات النظام الفرعي المعادلة 1.
    4. استخدام 'نبض مولد' كتلة باعتبارها مدخلات ل'المعادلة 2' لمحاكاة CO 2 البقول على الخروج، واستخدام كتلة 'ثابت' كقيمة مدخلات ضوء السطح. انقر نقرا مزدوجا فوق كتل لتغيير معالم مثل الفترة الزمنية والسعة.
    5. اختيار كتلة "مسك الغزال" في متصفح المكتبة. ربط جميع النواتج إلى "مسك الغزال" ومن ثم توصيله إلى 'لمساحة عمل "كتلة الذي يقوم بتخزين نتائج المحاكاة.
    6. تحديد "محاكاة الوقت توقف 'على شريط الأدوات العلوي، انقر على زر" figure-protocol-4 "لبدء المحاكاة، وسيتم عرض النتائج في مساحة العمل MATLAB (لقطة من الشاشة 4).
  2. تطبيق نهج التحسين ديناميكية لملف CO 2 الأمثل الظروف.

العثور على تغيرات في مدخل تدفق CO 2 الملف (P التقيد) التي تزيد من إنتاج الكتلة الحيوية 11، 'fmincon' MATLAB وظيفة CVP (مكافحة النواقل بنفسجية) وتستخدم 12. الشكل 2 يوضح خوارزمية الأمثل (انظر رموز برمجة MATLAB في دعم المادة الثانية).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تحليلنا التجريبية السابقة تشير إلى أن التعرض للغازات المداخن المستمر يؤثر سلبا على النمو شلوريلا، بينما تتناقص CO 2 التعرض الوقت هي قادرة على تخفيف هذا تثبيط 13. إلى فهم أفضل لتدفق غازات المداخن والعلاقة نمو الطحالب، ونحن نطور نموذج تجريبي لمحاكاة نمو الكتلة الحيوية في وجود غاز المداخن. نحن نفترض أن غاز المداخن يحتوي على 15٪ CO 2 (ملاحظة: إن تركيز CO 2 نموذجية من احتراق الفحم هو 10-15٪، في حين غازات المداخن من محطة للطاقة ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 وCO 2 سرعة سطحية) يؤثر بقوة نمو الطحالب. محاكاة نموذج يشير المستمر البقول غازات المداخن على الخروج مع عرض النبضة قصيرة وعالية الترددات على الخروج يمكن أن تحسن النمو شلوريلا (تردد...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هؤلاء الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويدعم هذه الدراسة من قبل برنامج جبهة الخلاص الوطني (بحث تجارب للطلاب الجامعيين) في جامعة واشنطن في سانت لويس.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
مقياس الطيفالضوئي الحراري العلمي ، تكساس الولايات المتحدة الأمريكية
CO2< / sub> محلل الغازLI-COR ، العلوم البيولوجية ، نبراسكا الولايات المتحدة الأمريكية
وحدات التحكم في التدفق الكتليOMEGA Engineering INC ، كونيتيكت الولايات المتحدة الأمريكيةFMA5416
بطاقة الحصولالبيانات شركة حوسبة القياس ، ماساتشوستس الولايات المتحدة الأمريكيةUSB-1208FS
مرشحاتAerogruoid LLC ، مينيسوتا الولايات المتحدة الأمريكية
MATLAB / SimulinkMathworks ، ماساتشوستس الولايات المتحدة الأمريكيةR2010a
زجاجاتزجاجية فيشر الولايات المتحدة الأمريكية
على

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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 Forthcoming.
  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. , 5th, McGraw-Hil. 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).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة