Name: Optimieren Rauchgas Einstellungen, um Mikroalgen in Photobioreaktoren Wachstum über Computer-Simulationen fördern (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-10-01T09:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 33 s
Description: Lernen Sie, wie computergestützte Simulationen das Wachstum von Chlorella sp. in Photobioreaktoren durch optimierte Rauchgaseinstellungen fördern. Diese Methode reduziert Substrathemmung und verbessert die Energieeffizienz.

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Diese Studie wird von einer NSF-Programm (Forschung Erfahrungen für Absolventen) an der Washington University in St. Louis unterstützt.

1. Algenzucht und Scale-up <ol><li> 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. </li><li> 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). </li><li> Über 50 ml Algenkultur (Mitte-log-Wachstumsphase, OD 730&gt; 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). </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Gründlich trocken-sauber die Photobioreaktor mit 70% Ethanol Biomasse nach der Ernte (OD 730&gt; 20). </li></ol> 2. Labor-Demonstration der Rauchgasreinigung mit kleinen Photobioreaktoren <ol><li> Impfen Algenkulturen in Glasflaschen (200 ml / min Medium / Flasche, Anfangs-OD 730 ~ 0,3). </li><li> 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). </li><li> Die Massendurchflussregler steuern den Rauchgasstrom in die Algenkultur (Abbildung 1). Rauchgasimpulse sind zwei Modi: Rauchgas-on-und Rauchgas-off (Pumpe Luft statt). </li></ol> 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: <img alt="Gleichungen 1 und 2" fo:content-width="4in" src="/files/ftp_upload/50718/50718eq1and2.jpg" width="500px" /> 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, &amp;mgr; mol · m -2 · s -1, 9, die wie folgt berechnet werden kann ((3) Gleichung). <img alt="Gleichung 3" fo:content-width="4in" src="/files/ftp_upload/50718/50718eq3.jpg" width="500px" /> 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: <img alt="Gleichung 4" fo:content-width="4in" src="/files/ftp_upload/50718/50718eq4.jpg" width="500px" /> 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. <ol><li> Konstruieren Sie ein Simulink-Datei für die Modellsimulation (Screen Aufnahmen werden in das Trägermaterial I angegeben). <ol><li> Wählen Sie Datei / Neu / Modell auf der MATLAB-Schnittstelle, ein Simulink-Modell zu erstellen, und öffnen Sie &quot;Library Browser&quot; (Screenshot 1). </li><li> Wählen Sie &#39;Subsystem&#39; 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 &#39;Gleichung 1&#39;, und dann die gleichen Schritte wiederholen Sie für Gleichung 2. </li><li&gt; Erstellen Sie entsprechende Bausteine ​​und Parameter in jedem Teilsystem (Screenshot 3). Doppelklicken Sie auf die &quot;Gleichung 1 &#39;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. </li><li> 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. </li><li> Mit &#39;Impulsgeber&#39; block als Eingänge für &#39;Gleichung 2&#39;, um die Ein-Aus-CO 2 Impulse zu simulieren, verwenden Sie &#39;Konstant&#39; Block als Flächenlichteingangswert. Doppelklicken Sie auf die Blöcke, um die Parameter wie die Periodendauer und Amplitude ändern. </li><li> Wählen Sie &quot;Mux&quot;-Block in der Bibliothek Browser. Schließen Sie die Ausgänge zu &quot;Mux&quot; und verbinden Sie es mit &quot;To Workspace&quot; Block, der die simulierten Ergebnisse speichert dann. </li><li> Definieren Sie die &#39;Simulation Stoppzeit &quot;in der oberen Symbolleiste, klicken Sie auf die Schaltfläche&quot; <img src="/files/ftp_upload/50718/playarrow.jpg" alt="Pfeil" width="10px" fo:content-width="0.1in" fo:src="/files/ftp_upload/50718/playarrow.jpg" /> &quot;, Um die Simulation zu starten, und die Ergebnisse werden in der MATLAB-Workspace (Screenshot 4) gezeigt werden. </li></ol></li><li> Bewerben dynamischen Optimierungsansatz zum Profil optimalen CO 2-Bedingungen. </li&gt; </ol> Um die Änderungen der Einlaufzuströmflächen CO 2-Profil (P opt), die Biomasseproduktion 11, &#39;fmincon &quot;-Funktion MATLAB und CVP (Steuervektor Parametrierung) 12 verwendet werden, zu maximieren. Abbildung 2 zeigt die Optimierungsalgorithmus (siehe MATLAB-Programmiercodes in den Hintergrund Material II).

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</ol>

Diese Autoren haben nichts zu offenbaren.

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...

<table><tbody><tr><td>Spektralphotometer</td><td>Thermal Scientific, Texas USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>CO2 Gasanalysator</td><td>LI-COR, Biosciences, Nebraska USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Massendurchflussregler</td><td>OMEGA Engineering INC, Connecticut USA</td><td>FMA5416</td><td></td></tr><tr><td>Datenerfassungskarte</td><td>Measurement Computing Corporation, Massachusetts</td><td>USA USB-1208FS</td><td></td></tr><tr><td>Filter</td><td>Aerocolloid LLC, Minnesota USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MATLAB/Simulink</td><td>Mathworks, Massachusetts USA</td><td>R2010a</td><td></td></tr><tr><td>Glasflaschen</td><td>Fisher USA</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

optimieren rauchgas einstellungen, um mikroalgen in photobioreaktoren wachstum über computer-simulationen fördern

Optimize Flue Gas Settings to Promote Microalgae Growth in Photobioreactors via Computer Simulations

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 &quot;Rauchgas-Algen&quot; 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.

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...

Rauchgas von Kraftwerken ist eine billige CO 2-Quelle für das Algenwachstum. Wir haben Prototyp &quot;Rauchgas auf Algenanbau&quot; 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.

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

Flue gas from power plants can promote algal cultivation and reduce greenhouse gas emissions1. Microalgae not only capture solar energy more efficiently ...

Das übergeordnete Ziel des folgenden Protokolls besteht darin, zu zeigen, dass eine Abschaltung der Gassteuerung das Wachstum von Mikroalgen auf Rauchgas durch computergestützte Simulationen verbessern kann, und um Verfahren zur Algenkultivierung und Hochskalierung zu demonstrieren. Dies wird erreicht, indem zunächst ein kinetisches Modell verwendet wird, um Wachstumsbedingungen von Mikroalgen unter verschiedenen Stoffübergangs­raten bei abgeschalteten Gassteuerungsmodi und Kohlendioxid-Konzentrationsprofilen zu simulieren; die hier gezeigten Modellgleichungen beschreiben diese. Anschließend werden die Verfahren zur Algenzucht und zur Hochskalierung der Algenkultivierung demonstriert.Anschließend werden die Algen unter Flugaz in einem kleinen Photobioreaktor kultiviert. Das Flugaz entsteht durch natürliche Verbrennung, und seine Durchflussraten werden mithilfe eines Massendurchflussregelsystems gesteuert, bevor es in das Algensystem eingeleitet wird. Die Ergebnisse der Modellsimulationen zeigen, dass eine Abschaltgasregelung die Substrat-Inhibition verringern und das Wachstum von Mikroalgen unter Flugaz fördern kann.Es wurde ebenfalls gezeigt, dass die Ein-Aus-Gassteuerung den Verb

optimize-flue-gas-settings-to-promote-microalgae-growth

Research

Forschung

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Environment

Umwelt

Die Integration der Mikroalgenkultivierung mit industriellem Rauchgas wird letztendlich Schwermetalle und andere anorganische Verbindungen in das Wachstumsmedium einbringen. In dieser Studie wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem das Endschicksal und die Auswirkungen von Schwermetallen und anorganischen Kontaminanten auf das Wachstum von Nannochloropsis salina bestimmt werden können, die in Photobioreaktoren gezüchtet werden.

Quantifizierung von Schwermetallen und anderen anorganischen Kontaminanten auf die Produktivität von Mikroalgen

Dieses Papier beschreibt den Montageprozess und den Betrieb eines fotosynthetischen Bioreaktors auf der Bank, der in Verbindung mit anderen Methoden verwendet werden kann, um relevante kinetische Wachstumsparameter zu schätzen. Dieses System überwacht kontinuierlich den pH-Wert, das Licht und die Temperatur mit Sensoren, einer Datenerfassungs- und Steuereinheit und einer Open-Source-Datenerfassungssoftware.

Aufbau und Aufbau eines handelsüblichen Algen-Photosynthese-Bioreaktors mit Temperatur-, Licht- und pH-Monitoring für kinetische Wachstumstests

Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll zur Labormaßstab Blase Spalte Photobioreaktoren zu konstruieren und zu Kultur Mikroalgen zu verwenden. Es bietet auch eine Methode zur Bestimmung der Wachstumsrate Kultur und neutrale Lipidgehalt.

Anbau von grünen Mikroalgen in Bubble Spalte Photobioreaktoren und ein Test für neutrale Lipide

Die axtische Kultivierung auf Der Bench-Skala erleichtert die Mikroalgencharakterisierung und Produktivitätsoptimierung vor dem anschließenden Prozessskalieren. Photobioreaktoren bieten die notwendige Kontrolle für zuverlässige und reproduzierbare Mikroalgenexperimente und können angepasst werden, um Mikroalgen mit den korrosiven Gasen(CO2, SO2, NO2) aus kommunalen oder industriellen Verbrennungsemissionen sicher zu kultivieren.

Mikroalgen-Anbau und Biomasse-Quantifizierung in einem Bench-Scale Photobioreaktor mit ätzenden Rauchgasen

Es wird ein Protokoll beschrieben, um das Kohlendioxid im Rauchgas von Erdgaskraftwerken zu nutzen, um Mikroalgen in offenen Laufsteichen zu kultivieren. Die Rauchgasinjektion wird mit einem pH-Sensor gesteuert, und das Wachstum von Mikroalgen wird mit Echtzeitmessungen der optischen Dichte überwacht.

Kopplung der Kohlenstoffabscheidung aus einem Kraftwerk mit halbautomatischen offenen Laufsteichen für die Mikroalgenzucht

Diese Veröffentlichung beschreibt das Design von Labor-Photobioreaktoren (PBRs) mit anpassbaren Lichtregimen. Das Wachstum von Cyanobakterien oder Mikroalgen, die Bicarbonat als Kohlenstoffquelle verwenden, wird kontinuierlich überwacht, indem die volumetrische Sauerstoffproduktion gemessen wird. Diese PBRs ermöglichen schnelle, replizierte Laborwachstumsvergleiche mit wenig Benutzereingriffen während der Experimente.

Betrieb von Labor-Photobioreaktoren mit Online-Wachstumsmessungen und anpassbaren Lichtregimen

Luftverschmutzung wirkt sich auf die Lebensqualität aller Organismen aus. Hier beschreiben wir den Einsatz der Mikroalgen-Biotechnologie zur Aufbereitung von Biogas (gleichzeitige Entfernung von Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff) und die Produktion von Biomethan durch semi-industrielle offene Hochraten-Algenteiche und die anschließende Analyse der Aufbereitungseffizienz, des pH-Werts, des gelösten Sauerstoffs und des Mikroalgenwachstums.

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Ein Verfahren zur Bestimmung der Fettsäuregehalt und der Zusammensetzung in Mikroalgen anhand von mechanischen Zellaufschluss, Lösungsmittelbasis Lipidextraktion, Umesterung und die Quantifizierung und Identifizierung der Fettsäuren mittels Gaschromatographie beschrieben. Ein tripentadecanoin interner Standard verwendet wird, um für die möglichen Verluste bei der Extraktion und unvollständiger Umesterung kompensieren.

Die Analyse der Fettsäuregehalt und Zusammensetzung in Mikroalgen

Dieser Artikel stellt die auf statischen Kammern basierende Methode zur Messung des Treibhausgasflusses aus Bodensystemen vor. Mit relativ bescheidenen Infrastrukturinvestitionen können Messungen an mehreren Behandlungen/Standorten und über Zeiträume von Stunden bis Jahren durchgeführt werden.

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

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