Optimizar la combustión Gas Ciudad para promover el crecimiento de microalgas en fotobiorreactores a través de Simulaciones computacionales

Resumen

Los gases de combustión de las centrales eléctricas es una fuente de _CO2 baratas para el crecimiento de algas. Hemos construido "de gases de combustión a la de algas de cultivo" prototipo de los sistemas y se describe la manera de ampliar el proceso de cultivo de algas. Hemos demostrado el uso de un modelo de bio-reacción de transferencia de masa para simular y diseñar la operación óptima de los gases de combustión para el crecimiento de Chlorella sp. en algas fotobiorreactores.

Resumen

Los gases de combustión de las centrales puede promover el cultivo de algas y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero ^1. Las microalgas no sólo capta la energía solar más eficiente que las plantas ^3, sino también sintetizar biocombustibles avanzados ^2-4. En general, el CO2 _atmosférico no es una fuente suficiente para apoyar el crecimiento de algas máxima ^5. Por otra parte, las altas concentraciones de CO ₂ en los gases de escape industriales tienen efectos adversos sobre la fisiología de algas. Por consiguiente, ambas condiciones de cultivo (tales como nutrientes y luz) y el control del flujo de gas de combustión en los fotobiorreactores son importantes para desarrollar un "gas de combustión para las algas" eficiente sistema. Los investigadores han propuesto diferentes configuraciones de fotobiorreactores ^4,6 y estrategias de cultivo ^7,8 con salida de humos. A continuación, presentamos un protocolo que se muestra cómo utilizar los modelos para predecir el crecimiento de microalgas en respuesta a los ajustes de combustión de gas. Nos PERForm ambos ilustrativos y modelos experimentales simulaciones para determinar las condiciones favorables para el crecimiento de las algas con los gases de combustión. Desarrollamos un modelo basado en Monod junto con la transferencia de masa y las ecuaciones de intensidad de luz para simular el crecimiento de microalgas en un homogénea foto-biorreactor. La simulación del modelo se comparan los consumos de gas de algas de crecimiento y de combustión bajo diferentes configuraciones de los gases de combustión. El modelo muestra: 1) cómo el crecimiento de las algas está influenciada por diferentes coeficientes de transferencia de masa volumétrica de CO _2, 2) cómo podemos encontrar una óptima concentración de CO ₂ para el crecimiento de algas a través del enfoque de optimización dinámica (DOA), 3) cómo podemos diseñar un rectangular on-off de impulsos de gas de combustión para promover el crecimiento de la biomasa de algas y para reducir el uso de gas de combustión. En el lado experimental, se presenta un protocolo para el cultivo de Chlorella bajo el gas de combustión (generado por la combustión de gas natural). Los resultados experimentales cualitativamente validan las predicciones del modelo de que los gases de combustión de alta frecuencia de la PULSES pueden mejorar significativamente el cultivo de algas.

Protocolo

1. El cultivo de algas y scale-up

1. Preparar el medio de cultivo utilizando agua desionizada que contiene 0,55 g / L ^-1 de urea, 0,1185 g / L ^-1 KH ₂ PO _4, 0,102 g / L ^-1 _MgSO4 · 7 _H2O, 0,015 g / L ^-1 _FeSO4 · 7H ₂ O y 22,5 mu l microelementos (18,5 g / L ^-1 H ₃ BO _3, 21,0 g / L ^-1 CuSO ₄ · 5H ₂ O, 73,2 g / L ^-1 _MnCl2 · 4H ₂ O, 13,7 g / L ^-1 Coso ₄ · 7H ₂ O, 59,5 g / L ^-1 _ZnSO4 · 5H ₂ O, 3,8 g / L ^-1 (NH _{4) 6} Mo ₇ O ₂₄ · 4H ₂ O, 0,31 g / L ^-1 de NH ₄ VO ₃ ). Ajustar el pH del medio a 7-8. Esterilizar medio de cultivo a través de 0,22 micras filtro de jeringa.
2. Inocular Chlorella sp. a partir de una sola colonia en una placa de agar fresco en un fla shakeSK que contiene 50 ml de medio con un asa de inoculación estéril. Algas Cultura por debajo de 150 rpm y 30 º C durante seis días (condiciones de luz continua, flujo de fotones = 40-50 mol m ^-2 s ^-1). Monitor de densidad celular por un espectrofotómetro (OD _730).
3. Transferir 50 ml de cultivo de algas (fase de crecimiento medio de registro, OD _730> 1) en un matraz de vidrio de 2-L (con ~ 1 L de medio de cultivo esterilizado). Bomba de aire filtrado (o CO ₂₎ en el cultivo durante la incubación (durante 5 días).
4. Transferencia de 1 L de cultivo de algas en una bombona de vidrio de 20 l que contiene 15 L de medio no esterilizada de cultivo (en esta etapa, el riesgo de contaminación microbiana es pequeño), a continuación, el cultivo de algas bajo la misma condición como se indica en el paso 1.3.
5. Coloque 15 L de cultivo fresco de algas (OD ₇₃₀ = 2) y 85 L medio no esterilizados en un fotobiorreactor placa plana (equipada con diodos emisores de luz, control de computadora, mezcla de gases, analizadores de densidad óptica de células, pH, oxígeno disueltogen, la temperatura y el _CO2 disuelto). Bombear la mezcla de gas de combustión / aire en el biorreactor.
6. Completamente seco-limpio del fotobiorreactor utilizando etanol al 70% después de la cosecha de la biomasa (OD _730> 20).

2. Demostración del Laboratorio de Tratamiento de gases Usando fotobioreactores Pequeños

1. Inocular cultivos de algas en botellas de vidrio (200 ml / min medio / botella, OD inicial ₇₃₀ ~ 0,3).
2. Queman gas natural y bombear el gas de combustión (~ 250 cm ³ min ^-1) a través de un embudo, un tubo condensador, y una botella de lavado 0.5 L (que contiene suspensión de agua / piedra caliza).
3. Los controladores de flujo másico controlan el flujo de gas de combustión en el cultivo de algas (Figura 1). Pulsos de gas de salida incluyen dos modos: con gas de combustión y los gases de combustión off (bomba de aire en su lugar).

3. Desarrollo del Modelo Cinético

El modelo cinético asume: (1) las culturas son sistema homogéneos. (2) la concentración de CO ₂ y la intensidad de la luz en los cultivos son los factores limitantes para el crecimiento de algas. (3) CO ₂ presión parcial y su equilibrio de fases líquido con H ₂ CO _3, HCO ₃ ^- y CO ₃ ^{2 -} se simplifica con la Ley de Henry). Las ecuaciones del modelo son:

X es la biomasa (kg · ^m-3). S es el _CO2 disuelto (mol · ^m-3). P es la presión parcial de CO ₂ en la fase de gas (Pa). p _i es la presión parcial del i th compuesto tóxico en el gas (como NO _x y SO _x). P _max.i es la presión parcial del gas tóxico para tener la inhibición total en el crecimiento de la biomasa. η _i es el coeficiente empírico. K _s es la constante de Michaelis-Mentende CO ₂ (mol · ^m-3). K _I es la constante de inhibición de CO ₂ (mol · ^m-3). K es la constante de Michaelis-Menten de la intensidad de la luz (mol · m ^-2 · s ^-1). H es la constante de Henry para el CO ₂ (Pa · m ³ mol ^-1). _La K es la tasa de transferencia de masa de CO ₂ ^(-1 hora). I es el promedio de intensidad de luz, mol m ^-2 s ^-1, que se puede calcular de la siguiente manera (Ec. (3)) ^9.

La definición de los parámetros del modelo se encuentra en la Tabla 1. Las condiciones iniciales suponen que la biomasa y CO ₂ disuelto concentraciones son 100 mg / L y 13 mmol / L, respectivamente. El coeficiente de transferencia de masa volumétrica puede ser estimado por correlación empíricación de biorreactor parámetros ^10:

P _g / V es el consumo de energía del sistema de gasificado, en el biorreactor (W / m ^_3). U _GS es la velocidad superficial del flujo de gas a través del biorreactor (m / seg). α, β, y γ son constantes relacionadas con las condiciones de mezcla.

1. Construir un archivo de Simulink para la simulación del modelo (Las capturas de pantalla se dan en el material de apoyo I).
   1. Seleccione Archivo / Nuevo / modelo en la interfaz de MATLAB para crear un modelo de Simulink, y abrir "Browser Library" (captura de pantalla 1).
   2. Elija bloque 'subsistema' en el navegador de la biblioteca para crear los subsistemas de la ecuación 1 y 2. Arrastre una cuadra del subsistema en el fichero de modelo de Simulink, cambiará su nombre a 'la ecuación 1', y repita los mismos pasos para la Ecuación 2.
   3. Crear bloques y parámetros adecuados en cada subsistema (captura de pantalla 3). Haga doble clic en el bloque de la 'ecuación 1', seleccione los bloques apropiados desde el navegador de la biblioteca y su conexión con las flechas que indican la secuencia de cálculo, haga doble clic en los bloques para configurar los parámetros, y repita estos pasos para el otro subsistema.
      Nota: 1) La secuencia debe empezar con los bloques de entrada y concluir con los bloques de salida, 2) Los bloques de operador para la suma, resta, multiplicación, división y la integración puede ser todo lo que se encuentra en el navegador de la biblioteca, y sugerimos a los usuarios explorar los archivos de ayuda de el Simulink para entender cómo usarlos; 3) El solucionador de optimización se puede establecer a través de los parámetros vía Simulación / Configuración en la barra de herramientas.
   4. Vincular los dos subsistemas de representar ecuaciones del modelo (1 y 2). Conectar la salida de un subsistema a la entrada del otro subsistema por la flecha si es necesario. Por ejemplo, la concentración disuelta de CO ₂ es la Output en la Ecuación 2 subsistema, y ​​también la entrada del subsistema de la Ecuación 1.
   5. Use 'generador de pulso' de bloques como los insumos para la 'ecuación 2' para simular las CO ₂ pulsos de encendido y apagado, el uso de bloque 'constante' como valor de entrada de luz superficial. Haga doble clic en los bloques para cambiar los parámetros, tales como el período de tiempo y amplitud.
   6. Elija bloque 'Mux' en el navegador de la biblioteca. Conecte todas las salidas a "Mux" y luego conectarlo a 'Para Workspace' bloque que almacena los resultados simulados.
   7. Definir el "tiempo de parada Simulación" en la barra de herramientas superior, haga clic en el botón " "Para iniciar la simulación, y los resultados se muestran en el espacio de trabajo de MATLAB (captura de pantalla 4).
2. Aplicar el enfoque de optimización dinámica al perfil óptimo CO ₂ condiciones.

Para encontrar los cambios de flujo de entrada ₂ perfil CO (P _OPT) que maximizan la producción de biomasa ^11, la función de MATLAB 'fmincon' y CVP (control vectorial parametrización) ¹² se utilizan. Figura 2 ilustra el algoritmo de optimización (ver los códigos de programación de MATLAB en el apoyo Material II).

Resultados

Nuestro análisis experimental previa indica que la exposición a los gases de combustión continua afecta negativamente al crecimiento de Chlorella, mientras que la disminución de CO ₂ Tiempo de exposición es capaz de aliviar esta inhibición ^13. Para comprender mejor el flujo de entrada de gas de combustión y la relación crecimiento de las algas, desarrollamos un modelo empírico para simular el crecimiento de la biomasa en la presencia de gases de combustión. Suponemos que el gas de combusti...

Discusión

En este estudio, se demuestra el protocolo experimental para la ampliación de cultivos de algas en fotobiorreactores. También examinamos varios métodos para las entradas de gases de combustión para promover el crecimiento de algas. El uso de un modelo de transferencia de masa y bio-reacción, se demuestra que el coeficiente de transferencia de masa de CO ₂ K _La (determinado por la condición biorreactor mezcla y CO ₂ velocidad superficial) influye fuertemente en el crecimiento de algas. El ...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Espectrofotómetro	Thermal Scientific, Texas, EE. UU
. Analizador de gas CO2	LI-COR, Biosciences, Nebraska EE. UU
Controladores de flujo másico	OMEGA Engineering INC, Connecticut, EE. UU.	FMA5416
Tarjeta de adquisición de datos	Measurement Computing Corporation, Massachusetts, EE. UU.	USB-1208FS
Filtros	Aerocolloid LLC, Minnesota EE.UU.
MATLAB/Simulink	Mathworks, Massachusetts EE.UU.	R2010a
Botellas de vidrio	Fisher EE.UU.