通过计算机模拟优化烟气参数以促进光生物反应器中微藻的生长

摘要

发电厂烟气是一种廉价的CO₂ 藻类生长的来源。我们已构建了原型 "烟气用于藻类培养" 系统，并描述了如何放大藻类培养过程。我们展示了利用传质生物反应模型来模拟和设计烟气最优操作条件以促进藻类生长的方法。 小球藻 藻类光生物反应器中的sp.

摘要

发电厂的烟气可促进藻类培养并减少温室气体排放¹。微藻不仅比植物更高效地捕获太阳能³，还能合成先进的生物燃料^2-4。通常情况下，大气中的CO₂不足以支持微藻的最大化生长⁵。另一方面，工业废气中高浓度的CO₂会对藻类的生理状态产生不利影响。因此，培养条件（如营养物质和光照）以及烟气流入光生物反应器的控制，对于开发高效的“烟气到藻类”系统至关重要。研究人员已提出了多种采用烟气的光生物反应器构型^4,6和培养策略^7,8。本文提供了一种利用模型预测微藻在不同烟气条件下生长情况的实验方案。我们通过实验验证与模型模拟相结合的方法，确定了烟气条件下促进藻类生长的有利条件。我们建立了一个基于Monod模型并耦合了传质和光强方程的模型，用于模拟均相光生物反应器中微藻的生长过程。该模型模拟比较了不同烟气条件下的藻类生长情况及烟气消耗量。模型展示了以下三个方面：1）CO₂的不同体积传质系数如何影响藻类生长；2）如何通过动态优化方法（DOA）寻找藻类生长的最佳CO₂浓度；3）如何设计矩形开关式的烟气脉冲，以促进藻类生物量的积累并减少烟气的使用量。在实验方面，我们提供了一种在天然气燃烧产生的烟气条件下培养Chlorella的实验方案。实验结果在定性上验证了模型的预测，即高频烟气脉冲可显著提高藻类的培养效率。

方案

1. 藻类培养与放大

1. 使用去离子水配制培养基，其中含有 0.55 g/L^-1 尿素、0.1185 g/L^-1 KH₂PO₄、0.102 g/L^-1 MgSO₄·7H₂O、0.015 g/L^-1 FeSO₄·7H₂O 以及 22.5 µl 微量元素溶液（含 18.5 g/L^-1 H₃BO₃、21.0 g/L^-1 CuSO₄·5H₂O、73.2 g/L^-1 MnCl₂·4H₂O、13.7 g/L^-1 CoSO₄·7H₂O、59.5 g/L^-1 ZnSO₄·5H₂O、3.8 g/L^-1 (NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O、0.31 g/L^-1 NH₄VO₃）。调节培养基 pH 至 7–8。使用 0.22 µm 注射器滤器对培养基进行灭菌。
2. 用无菌接种环从新鲜琼脂平板上的单个菌落接种 Chlorella sp. 至含有 50 mL 培养基的摇瓶中。在 150 rpm、30 °C 条件下培养藻类 6 天（持续光照，光子通量 = 40–50 µmol m^-2 sec^-1）。使用分光光度计监测细胞密度（OD₇₃₀）。
3. 将 50 mL 藻类培养物（对数中期，OD₇₃₀ >1）转移至 2-L 玻璃烧瓶中（内含约 1 L 灭菌培养基）。在培养过程中（持续 5 天）向培养液中通入过滤空气（或 CO₂）。
4. 将 1 L 藻类培养物转移至含有 15 L 非灭菌培养基的 20-L 玻璃大瓶中（此阶段微生物污染风险较小），然后在与步骤 1.3 相同的条件下培养藻类。
5. 将 15 L 新鲜藻类培养物（OD₇₃₀ = 2）和 85 L 非灭菌培养基加入平板式光生物反应器中（配备发光二极管、计算机控制器、气体混合系统，以及用于监测细胞光密度、pH、溶解氧、温度和溶解 CO₂ 的分析仪）。向反应器中通入烟道气/空气混合气体。
6. 收获生物质后（OD₇₃₀ >20），使用 70% 乙醇对光生物反应器进行彻底干式清洁。

2. 利用小型光生物反应器进行烟气处理的实验室演示

1. 在玻璃瓶中接种藻类培养物（每瓶200 ml培养基，初始OD₇₃₀ ~0.3).
2. 燃烧天然气并泵送烟道气（约250 cm³ 分钟^-1）经由漏斗、冷凝管和一个0.5 L的洗气瓶（内含水/石灰浆）。
3. 质量流量控制器用于调控烟道气进入藻类培养物的流量图1). 烟气脉冲包含两种模式：烟气开启和烟气关闭（此时通入泵空气）。

3. 动力学模型构建

动力学模型假设：（1）培养体系为均相系统。（2）培养体系中的 CO₂ 浓度和光照强度是藻类生长的限制因素。（3）CO₂ 分压及其在液相中与 H₂CO₃、HCO₃^- 和 CO₃^2- 的平衡关系通过亨利定律简化处理。模型方程如下：

X 为生物量（kg·m^-3）。S 为溶解态 CO₂（mol·m^-3）。P 为气相中 CO₂ 的分压（Pa）。p_i 为气相中第 i种 有毒化合物（如 NO_x 和 SO_x）的分压。P_max.i 为对生物量生长产生完全抑制作用的有毒气体分压。η_i 为经验系数。K_s 为 CO₂ 的米氏常数（mol·m^-3）。K_I 为 CO₂ 的抑制常数（mol·m^-3）。K 为光强的米氏常数（µmol·m^-2·sec^-1）。H 为 CO₂ 的亨利常数（Pa·m³·mol^-1）。K_La 为 CO₂ 的传质速率（hr^-1）。I 为平均光强，单位为 µmol·m^-2·sec^-1，可通过下式（公式 (3)）⁹ 计算得出。

模型参数的定义见表1。初始条件假设生物量和溶解态CO₂的浓度分别为100 mg/L和13 µmol/L。体积传质系数可通过与生物反应器参数的经验关联式进行估算¹⁰：

P_g/V 表示生物反应器中曝气系统的单位体积功耗（W/m³₎。u_gs 表示气体在生物反应器中的表观流速（m/sec）。α、β 和 γ 是与混合条件相关的常数。

1. 为模型仿真构建 Simulink 文件（相关截图见补充材料 I）。
   1. 在 MATLAB 界面上选择“文件/新建/模型”以创建 Simulink 模型，并打开“库浏览器”（截图 1）。
   2. 在库浏览器中选择“子系统”模块，为方程 1 和方程 2 创建子系统。将一个子系统模块拖入 Simulink 模型文件中，将其重命名为“方程 1”，然后对“方程 2”重复相同步骤。
   3. 在每个子系统中创建适当的模块和参数（截图 3）。双击“方程 1”模块，从库浏览器中选择合适的模块，并用箭头连接以表示计算顺序；双击各模块以设置参数，并对另一个子系统重复这些步骤。
      注意：1）顺序应从输入模块开始，以输出模块结束；2）加法、减法、乘法、除法和积分等运算模块均可在库浏览器中找到，建议用户查阅 Simulink 帮助文件以了解其使用方法；3）可通过工具栏上的“仿真/配置参数”路径设置优化求解器。
   4. 连接两个子系统以表示模型方程（1 和 2）。如有需要，用箭头将一个子系统的输出连接到另一个子系统的输入。例如，溶解态 CO₂ 浓度是“方程 2”子系统的输出，同时也是“方程 1”子系统的输入。
   5. 使用“脉冲发生器”模块作为“方程 2”的输入，以模拟开关式的 CO₂ 脉冲；使用“常量”模块作为表面光照输入值。双击模块以修改周期时间和幅值等参数。
   6. 在库浏览器中选择“Mux”模块。将所有输出连接至“Mux”，然后将其连接至“输出到工作区”模块，以存储仿真结果。
   7. 在顶部工具栏设置“仿真停止时间”，点击按钮 "" 开始仿真，结果将显示在 MATLAB 工作区中（截图 4）。
2. 应用动态优化方法，确定最优的 CO₂ 条件曲线。

为了确定使生物量生产最大化的进气中 CO₂ 浓度变化曲线（P_opt），采用 MATLAB 的 'fmincon' 函数和控制向量参数化方法（CVP）¹² 进行求解¹¹。图 2 展示了优化算法流程（参见支持材料 II 中的 MATLAB 程序代码）。

结果

我们之前的实验分析表明，持续暴露于烟道气会对 小球藻 生长，同时减少 CO₂ 曝光时间能够缓解这种抑制作用¹³为了更好地理解烟气流入与藻类生长之间的关系，我们建立了一个经验模型，用于模拟在烟气存在条件下藻类生物量的增长。我们假设烟气中含有15% CO₂。₂ （注意：典型的CO₂ 燃煤产生的浓度为10-15%，而富氧燃烧电厂的烟气中含有CO₂ >15%）。传质和藻类生长参数基于 表1模型模拟测试了三种避免烟气抑制生长的方法：1. 保持低流速通入培养体系，以降低传质条件。2. 以开关脉冲方式向培养体系通入烟气。3. 控制进流 CO₂ 在最佳水平的组分。

首先，我们测试传质速率对藻类生长的影响（图3a），结果表明，最佳传质速率（K_La = 0.17–0.18 hr^-1）能够降低烟气对藻类生长的抑制作用。若K_La

讨论

在本研究中，我们展示了在光生物反应器中扩大藻类培养的实验方案，并考察了多种烟气输入方法以促进藻类生长。利用传质与生物反应模型，我们证明了CO₂ 传质系数 K_La （由生物反应器混合条件和CO₂ 表观流速）对藻类生长有显著影响。模型模拟表明，采用短脉冲宽度和高开关频率的间歇性烟气脉冲，可促进 小球藻 生长（即 高频启停烟气脉冲对生物量生长的促进作用几乎与最佳CO相当₂ 条件， 图5.与此同时，开关模式可显著减少必须通过生物反应器抽送的烟气总量。 （表 2），这节省了用于藻类培养的烟气输送能耗。开-关式气体脉冲模式可应用于光生物反应器或藻类培养池，因为与动态调控进气CO₂相比，恒定烟气脉冲模式的操作更为简便。₂ 浓度。另一方面，我们已使用烟道气进行了藻类培养实验。烟道气以特定的开启/关闭频率脉冲式通入光生物反应器，与使用大气CO₂的培养相比，这种方法明显减轻了烟道气的抑制作用，并提高了生物量的产出。₂ (

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
分光光度计	Thermal Scientific, Texas USA
CO2 气体分析仪	LI-COR, Biosciences, Nebraska USA
质量流量控制器	OMEGA Engineering INC, Connecticut USA	FMA5416
数据采集卡	Measurement Computing Corporation, Massachusetts USA	USB-1208FS
滤膜	Aerocolloid LLC, Minnesota USA
MATLAB/Simulink	Mathworks, Massachusetts USA	R2010a
玻璃瓶	Fisher USA