Optimieren Rauchgas Einstellungen, um Mikroalgen in Photobioreaktoren Wachstum über Computer-Simulationen fördern

Zusammenfassung

Rauchgas von Kraftwerken ist eine billige CO _2-Quelle für das Algenwachstum. Wir haben Prototyp "Rauchgas auf Algenanbau" gebaut Systeme und beschrieben, wie Scale-up der Algenkultivierungsprozess. Wir haben die Verwendung einer Massentransfer Bio-Reaktionsmodell, um das Wachstum von Chlorella sp simulieren und Design der optimalen Betrieb des Rauchgases gezeigt. in Algenphotobioreaktoren.

Zusammenfassung

Rauchgas von Kraftwerken können Algen-Anbau zu fördern und Verringerung der Treibhausgasemissionen ^ein. Mikroalgen nicht nur Sonnenenergie einzufangen effizienter als Anlagen ^3, aber auch zu synthetisieren fortschrittliche Biokraftstoffe ^2-4. Im Allgemeinen ist atmosphärische CO ₂ keine ausreichende Quelle für die Unterstützung maximal ⁵ Algenwachstum. Auf der anderen Seite, die hohe Konzentrationen von CO ₂ in industriellen Abgasen nachteilige Auswirkungen auf das Algenphysiologie. Folglich sind beide Anbaubedingungen (wie Nährstoffe und Licht) und die Kontrolle der Rauchgasstrom in die Photobioreaktoren wichtig, ein effizientes "Rauchgas-Algen" System entwickeln. Forscher haben verschiedene Photobioreaktor Konfigurationen ^4,6 und ^7,8 Bearbeitungsstrategien mit Rauchgas vorgeschlagen. Hier präsentieren wir ein Protokoll, wie man Modelle verwenden, um die Mikroalgenwachstum in Reaktion vorherzusagen, um Gas Einstellungen Rauch demonstriert. Wir perform sowohl experimentelle Darstellung und Modellsimulationen, die günstigen Bedingungen für das Algenwachstum mit Rauchgas bestimmen. Wir entwickeln eine Monod-basiertes Modell verbunden mit Stoff-und Lichtintensität Gleichungen, um die Mikroalgenwachstum in einem homogenen Photobioreaktor zu simulieren. Die Modellsimulation vergleicht das Algenwachstum und Rauchgasverbrauch unter verschiedenen Rauchgas-Einstellungen. Das Modell veranschaulicht: 1), wie das Algenwachstum wird durch verschiedene volumetrische Stoffübergangskoeffizienten von CO ₂ beeinflusst, 2) wie können wir optimale CO _{2-Konzentration} für das Algenwachstum durch die dynamische Optimierungsansatz (DOA) zu finden, 3), wie können wir ein Design rechteckige Ein-Aus-Abgasimpuls an Algenbiomasse Wachstum zu fördern und um die Verwendung von Rauchgas zu reduzieren. Auf der experimentellen Seite präsentieren wir ein Protokoll für den Anbau von Chlorella unter dem Rauchgas (durch Verbrennung von Erdgas erzeugt wird). Die experimentellen Ergebnisse bestätigen qualitativ die Modellvorhersagen, dass die Hochfrequenz-Rauchgas puGU deutlich verbessern kann Algenanbau.

Protokoll

1. Algenzucht und Scale-up

1. Vorbereitung des Kulturmediums unter Verwendung von entionisiertem Wasser, enthaltend 0,55 g / L ^-1 Harnstoff, 0,1185 g / L ^-1 KH ₂ PO _4, 0,102 g / L ^-1 MgSO ₄ · 7H ₂ O, 0,015 g / L ^-1 FeSO ₄ · 7H ₂ O und 22,5 ul Mikro (18,5 g / L ^-1 H ₃ BO _3, 21,0 g / L ^-1 CuSO ₄ · 5H ₂ O, 73,2 g / L ^-1 MnCl ₂ · 4H ₂ O, 13,7 g / L ^-1 CoSO ₄ · 7H ₂ O, 59,5 g / L ^-1 ZnSO ₄ · 5H ₂ O, 3,8 g / L ^-1 (NH _{4) 6} Mo ₇ O ₂₄ · 4H ₂ O, 0,31 g / L ^-1 NH ₄ VO ₃ ). Stellen Medium pH-Wert auf 7-8. Sterilisieren Kulturmedium über 0,22 um Spritzenfilter.
2. Impfen Chlorella sp. aus einer Kolonie auf einem frischen Agar-Platte in ein Shake flask, der 50 ml Medium mit einer sterilen Impföse. Kultur Algen unter 150 rpm und 30 ° C für sechs Tage (Dauerlichtanlage, Photonenfluss = 40-50 mmol m ^-2 s ^-1). Überwachung der Zelldichte mit einem Spektrophotometer (OD _730).
3. Über 50 ml Algenkultur (Mitte-log-Wachstumsphase, OD _730> 1) in einem 2-l-Glasflasche (mit ~ 1 L sterilisiert Kulturmedium). Pumpe gefilterte Luft (oder CO ₂₎ in die Kultur während der Inkubation (5 Tage).
4. Über 1 L Algenkultur in einen 20-l-Glasballonflasche mit 15 L nicht sterilisierten Kulturmedium (in diesem Stadium Risiko einer mikrobiellen Kontamination gering ist), dann ist Kultur Algen unter gleichen Bedingungen, wie in Schritt 1.3 angegeben.
5. Platz 15 L frische Algenkultur (OD ₇₃₀ = 2) und 85 L nicht-sterilisierten Mediums zu einer flachen Platte Photobioreaktor (mit Leuchtdioden, Computersteuerung, Gasgemisch, Analysegeräte für die Zell optische Dichte ausgestattet, pH, gelöster Sauerstoffgen, Temperatur und gelöste CO _2). Pumpen Sie den Abgas / Luft-Gemisch in den Bioreaktor.
6. Gründlich trocken-sauber die Photobioreaktor mit 70% Ethanol Biomasse nach der Ernte (OD _730> 20).

2. Labor-Demonstration der Rauchgasreinigung mit kleinen Photobioreaktoren

1. Impfen Algenkulturen in Glasflaschen (200 ml / min Medium / Flasche, Anfangs-OD ₇₃₀ ~ 0,3).
2. Brennen Erdgas und pumpen das Rauchgas (~ 250 cm ³ min ^-1) durch einen Trichter, einem Kühler Rohr und einem 0,5 L Waschflasche (mit Wasser / Kalksteinsuspension).
3. Die Massendurchflussregler steuern den Rauchgasstrom in die Algenkultur (Abbildung 1). Rauchgasimpulse sind zwei Modi: Rauchgas-on-und Rauchgas-off (Pumpe Luft statt).

3. Kinetische Modellentwicklung

Die kinetische Modell geht davon: (1) die Kulturen homogenes Systems. (2) CO _{2-Konzentration} und der Lichtintensität in den Kulturen sind die begrenzenden Faktoren für das Algenwachstum. (3) CO _{2-Partialdruck} und seiner flüssigen Phase Gleichgewicht mit H ₂ CO _3, HCO ₃ ^- und CO ₃ ^{2 -} ist mit dem Gesetz von Henry vereinfacht). Die Modellgleichungen sind:

X ist die Biomasse (kg · m ^-3). S ist der gelöste CO ₂ (mol · m ^-3). P ist der CO _{2-Partialdruck} in der Gasphase (Pa). p _i ist der Partialdruck des i-ten toxischen Verbindung in dem Gas (wie NO _x und SO _x). P _max.i ist der Partialdruck des Giftgases, Voll Hemmung von Biomasse Wachstum haben. η _i die Erfahrungszahl. K _s ist die Michaelis-Menten-KonstanteCO ₂ (mol · m ^-3). K _I ist die Hemmung Konstante von CO ₂ (mol · m ^-3). K ist die Michaelis-Menten-Konstante der Lichtintensität (mmol · m ^-2 · s ^-1). H ist die Henry-Konstante für CO ₂ (Pa · m ³ · mol ^-1). K _La ist der Massentransferrate von CO ₂ (h ^-1). I ist die durchschnittliche Lichtstärke, &mgr; mol · m ^-2 · s ^{-1, 9,} die wie folgt berechnet werden kann ((3) Gleichung).

Die Definition der Modellparameter ist in Tabelle 1. Die Anfangsbedingungen annehmen, daß Biomasse-und gelöstem CO _{2-Konzentration} 100 mg / l und 13 mmol / L sind. Der volumetrische Stoffübergangskoeffizienten können durch empirische Korrelationen geschätzt werdention, um Bioreaktor-Parameter ^10:

P _G / V ist der Stromverbrauch des belüfteten System im Bioreaktor (W / m _{^3). UGS} ist die Oberflächengeschwindigkeit des Gasstromes durch den Bioreaktor (m / sec). α, β und γ Konstanten sind Mischbedingungen.

1. Konstruieren Sie ein Simulink-Datei für die Modellsimulation (Screen Aufnahmen werden in das Trägermaterial I angegeben).
   1. Wählen Sie Datei / Neu / Modell auf der MATLAB-Schnittstelle, ein Simulink-Modell zu erstellen, und öffnen Sie "Library Browser" (Screenshot 1).
   2. Wählen Sie 'Subsystem' Baustein in der Bibliothek Browser, um die Subsysteme zur Gleichung 1 und 2 zu erstellen. Ziehen Sie ein Subsystem Block an den Simulink-Modell-Datei, ändern ihren Namen in 'Gleichung 1', und dann die gleichen Schritte wiederholen Sie für Gleichung 2.
   3. Erstellen Sie entsprechende Bausteine ​​und Parameter in jedem Teilsystem (Screenshot 3). Doppelklicken Sie auf die "Gleichung 1 'block, wählen geeignete Bausteine ​​aus der Bibliothek Browser und verbinden sie mit Pfeilen, die die Berechnungsfolge bezeichnen, doppelklicken Sie auf die Blöcke, um die Parameter auf, und wiederholen Sie diese Schritte für die andere Subsystem.
      Hinweis: 1) Die Reihenfolge sollte mit Eingangsblöcke starten und schließen mit Ausgangsblöcke, 2) Die Bedienbausteine ​​für Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division und Integration können alle in der Bibliothek Browser gefunden werden, und wir schlagen Benutzer erkunden Sie die Hilfe-Dateien von die Simulink zu verstehen, wie sie zu benutzen, 3) Die Optimierung Löser kann durch die Bahn Simulation / Konfigurationsparameter auf der Symbolleiste eingestellt werden.
   4. Verknüpfen Sie die beiden Teilsysteme zu Modellgleichungen (1 und 2) zu vertreten. Verbinden des Ausgangs von einem Untersystem zu dem Eingang des anderen Subsystem durch den Pfeil falls erforderlich. Beispielsweise ist die gelöste CO _{2-Konzentration} der output in der Gleichung 2 Subsystem und auch der Eingang der Gleichung 1 Subsystem.
   5. Mit 'Impulsgeber' block als Eingänge für 'Gleichung 2', um die Ein-Aus-CO ₂ Impulse zu simulieren, verwenden Sie 'Konstant' Block als Flächenlichteingangswert. Doppelklicken Sie auf die Blöcke, um die Parameter wie die Periodendauer und Amplitude ändern.
   6. Wählen Sie "Mux"-Block in der Bibliothek Browser. Schließen Sie die Ausgänge zu "Mux" und verbinden Sie es mit "To Workspace" Block, der die simulierten Ergebnisse speichert dann.
   7. Definieren Sie die 'Simulation Stoppzeit "in der oberen Symbolleiste, klicken Sie auf die Schaltfläche" ", Um die Simulation zu starten, und die Ergebnisse werden in der MATLAB-Workspace (Screenshot 4) gezeigt werden.
2. Bewerben dynamischen Optimierungsansatz zum Profil optimalen CO _{2-Bedingungen.}

Um die Änderungen der Einlaufzuströmflächen CO _2-Profil (P _opt), die Biomasseproduktion ^11, 'fmincon "-Funktion MATLAB und CVP (Steuervektor Parametrierung) ¹² verwendet werden, zu maximieren. Abbildung 2 zeigt die Optimierungsalgorithmus (siehe MATLAB-Programmiercodes in den Hintergrund Material II).

Ergebnisse

Unsere bisherigen experimentellen Analyse zeigt, dass die kontinuierliche Rauchgasexposition nachteilig auf die Chlorella-Wachstum, während abnehmende CO ₂ Belichtungszeit wird der Lage, diese Hemmung ¹³ zu lindern. Um die Rauchgaszufluss und Algenwachstum Beziehung besser zu verstehen, entwickeln wir ein empirisches Modell, um die Biomasse Wachstum in Gegenwart von Rauchgas zu simulieren. Wir gehen davon aus, dass das Rauchgas enthält 15% CO ₂ (Hinweis: Die typische CO _2-K...

Diskussion

In dieser Studie zeigen wir die Versuchsprotokoll für die Aufstockung Algenkulturen in Photobioreaktoren. Wir mehrere Methoden zur Rauchgaseingänge prüfen, auch das Algenwachstum fördern. Mit einem Massen-und Bio-Reaktionsmodell zeigen wir, dass die CO _{2-Stoffübergangskoeffizienten} K _La (von Bioreaktor Mischzustand und CO _{2-Oberflächengeschwindigkeit} bestimmt) beeinflusst stark das Algenwachstum. Die Modellsimulation zeigt kontinuierlichen Ein-Aus-Rauchgaspulse mit kurzen Impulsbreite und...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Spektralphotometer	Thermal Scientific, Texas USA
CO2 Gasanalysator	LI-COR, Biosciences, Nebraska USA
Massendurchflussregler	OMEGA Engineering INC, Connecticut USA	FMA5416
Datenerfassungskarte	Measurement Computing Corporation, Massachusetts	USA USB-1208FS
Filter	Aerocolloid LLC, Minnesota USA
MATLAB/Simulink	Mathworks, Massachusetts USA	R2010a
Glasflaschen	Fisher USA