Optimiser les réglages des gaz de combustion pour la promotion de la croissance des microalgues en photobioréacteurs via des simulations informatiques

Résumé

Les gaz de combustion des centrales est une source de CO ₂ pas cher pour la croissance des algues. Nous avons construit "gaz de combustion à des algues de culture" prototype systèmes et décrit comment redimensionner le processus de culture des algues. Nous avons démontré l'utilisation d'un modèle bio-réaction de transfert de masse afin de simuler et de concevoir le fonctionnement optimal du gaz de fumée pour la croissance de la Chlorella sp. en algues photobioréacteurs.

Résumé

Les gaz de combustion des centrales électriques peut promouvoir la culture d'algues et de réduire les émissions de gaz à effet de serre ^1. Les microalgues non seulement capter l'énergie solaire plus efficacement que les plantes ^3, mais aussi la synthèse de biocarburants avancés ^2-4. Généralement, le CO ₂ atmosphérique n'est pas une source suffisante pour soutenir la croissance des algues maximale ^5. D'autre part, les fortes concentrations de CO ₂ dans les gaz d'échappement industriels ont des effets néfastes sur la physiologie des algues. Par conséquent, les deux conditions de culture (tels que les nutriments et la lumière) et le contrôle de l'écoulement des gaz de combustion dans les photobioréacteurs sont importants pour développer un "gaz de combustion pour les algues" système efficace. Les chercheurs ont proposé différentes configurations de photobioréacteur ^4,6 et ^7,8 stratégies de culture avec du gaz de carneau. Ici, nous présentons un protocole qui montre comment utiliser des modèles pour prédire la croissance des microalgues en réponse à carneau réglages de gaz. Nous PERForm deux illustrations et modèle simulations expérimentales pour déterminer les conditions favorables à la croissance des algues avec du gaz de combustion. Nous développons un modèle basé Monod couplé avec le transfert de masse et les équations d'intensité de lumière pour simuler la croissance des microalgues dans un photo-bioréacteur homogène. La simulation du modèle compare la croissance d'algues et de combustion des consommations de gaz sous différents réglages des gaz de combustion. Le modèle illustre: 1) comment la croissance des algues est influencée par différents volumétriques coefficients de transfert de masse de CO _2; 2) comment nous pouvons trouver optimale concentration de CO ₂ pour la croissance des algues par l'approche d'optimisation dynamique (DOA), 3) la façon dont nous pouvons concevoir un rectangulaire marche-arrêt impulsion de gaz de combustion pour favoriser la croissance de la biomasse d'algues et de réduire l'utilisation de gaz de fumée. Sur le plan expérimental, nous présentons un protocole pour la croissance de la Chlorella sous le gaz de carneau (produit par la combustion de gaz naturel). Les résultats expérimentaux valident qualitativement les prédictions du modèle que le gaz à haute fréquence de combustion puGE peuvent améliorer de manière significative la culture des algues.

Protocole

Une. Culture d'algues et Scale-up

1. Préparer le milieu de culture en utilisant de l'eau déminéralisée contenant 0,55 g / L ^-1 urée, 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 et 22,5 ul de micro-éléments (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 _ZnSO4 · 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 ). Ajuster le pH à 7-8 milieu. Stériliser milieu de culture par filtre de 0,22 um seringue.
2. Inoculer Chlorella sp. à partir d'une seule colonie sur une plaque de gélose frais dans une secousse de flask milieu contenant 50 mL avec une anse d'inoculation stérile. algues de culture moins de 150 tours par minute et 30 ° C pendant six jours (condition de lumière continue, le flux de photons = 40-50 mol m ^-2 s ^-1). Surveiller la densité des cellules par un spectrophotomètre (OD _730).
3. ML algues culture transfert 50 (phase de croissance moyen journal, OD _730> 1) dans un flacon de verre de 2 L (avec ~ 1 L milieu de culture stérilisé). Pompe à air filtré (ou CO ₂₎ dans la culture au cours de l'incubation (pendant 5 jours).
4. Transfert 1 L algues culture dans une bonbonne de verre de 20 L contenant 15 L milieu non-stérilisé culture (à ce stade, le risque de contamination microbienne est faible), alors la culture des algues sous le même état comme indiqué dans l'étape 1.3.
5. Placer 15 L culture fraîche d'algues (DO ₇₃₀ = 2) et 85 L de milieu non stérilisé dans un photobioréacteur de plaque plate (équipé de diodes émettrices de lumière, le contrôleur d'ordinateur, d'un mélange de gaz, analyseurs de densité optique de la cellule, le pH, oxy dissousgen, la température et le CO ₂ dissous). Pomper le mélange air / des gaz de combustion dans le bioréacteur.
6. Bien nettoyer à sec photobioréacteur en utilisant 70% d'éthanol après la récolte de la biomasse (OD _730> 20).

2. Laboratoire démonstration de traitement de gaz de combustion utilisant de petits Photobioréacteurs

1. Inoculer des cultures d'algues dans des bouteilles en verre (200 ml / min à moyen / bouteille, DO initial ₇₃₀ ~ 0,3).
2. Brûler du gaz naturel et de pomper les gaz de combustion (~ 250 cm ³ min ^-1) à travers un entonnoir, un tube de condenseur, et un lave-bouteille de 0,5 L (contenant de l'eau / la suspension de calcaire).
3. Les régulateurs de débit massique de contrôler le flux de gaz de combustion dans la culture des algues (figure 1). Impulsions de gaz de combustion comprennent deux modes: cheminée gaz-gaz de combustion et sur-off (pomper l'air à la place).

3. Kinetic modèle de développement

Le modèle cinétique suppose: (1) les cultures sont système homogènes. (2) la concentration de CO ₂ et de l'intensité de la lumière dans les cultures sont les facteurs limitant pour la croissance des algues. (3) CO ₂ pression partielle et son équilibre en phase liquide avec H ₂ CO _3, HCO ₃ ^- et CO ₃ ^{2 -} est simplifiée avec la loi de Henry). Les équations du modèle sont:

X est la biomasse (kg · m ^-3). S est le CO ₂ dissous (mol · m ^-3). P est la pression partielle en CO ₂ dans la phase gazeuse (Pa). p _i est la pression partielle du ième composé toxique dans le gaz (tels que les NO _x et de SO _{x). Max.i} P est la pression partielle de gaz toxique à avoir une inhibition complète de la croissance de la biomasse. η _i est le coefficient empirique. K _s est la constante de Michaelis-Mentende CO ₂ (mol · m ^-3). K _I est la constante d'inhibition de CO ₂ (mol · m ^-3). K est la constante de Michaelis-Menten de l'intensité lumineuse (umol · m ^-2 · s ^-1). H est la constante de Henry pour le CO ₂ (Pa · m ³ · mol ^-1). _La K est le taux de CO ₂ (hr ^{de -1)} de transfert de masse. I est l'intensité lumineuse moyenne, umol · m ^-2 · s ^-1, qui peut être calculée de la manière suivante (Eq. (3)) ^9.

La définition des paramètres de modèle se trouve dans le tableau 1. Les conditions initiales supposent que la biomasse et de CO ₂ dissous concentrations sont de 100 mg / L et 13 mol / L, respectivement. Le coefficient de transfert de masse volumique peut être estimée par corrélation empiriquetion de bioréacteur paramètres ^10:

P _g / V est la consommation de puissance du système cellulaire dans le bioréacteur (W / m ^_3). u _GS est la vitesse superficielle de l'écoulement de gaz à travers le bioréacteur (m / sec). α, β, et γ sont des constantes liées à des conditions de mélange.

1. Construire un fichier Simulink pour la simulation du modèle (captures d'écran sont donnés dans le matériel d'appui I).
   1. Choisissez File / New / Modèle de l'interface MATLAB pour créer un modèle Simulink, et ouverte "Library Browser" (capture d'écran 1).
   2. Choisissez bloc «sous-système» dans le navigateur de la bibliothèque pour créer des sous-systèmes pour l'équation 1 et 2. Faites glisser un bloc de sous-système dans le fichier de modèle Simulink, changer son nom pour "l'équation 1 ', puis répéter les mêmes étapes pour l'équation 2.
   3. Créer des blocs et des paramètres appropriés à chaque sous-système (capture d'écran 3). Double-cliquez sur le bloc 'équation 1', choisir des blocs appropriés à partir du navigateur de la bibliothèque et les relier avec des flèches qui désignent la séquence de calcul, double-cliquez sur les blocs pour définir les paramètres, et répéter ces étapes pour l'autre sous-système.
      Remarque: 1) La séquence doit commencer par blocs d'entrée et de conclure avec des blocs de sortie; 2) Les blocs de l'opérateur pour l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et l'intégration peut être tout trouvé dans le navigateur de la bibliothèque, et nous suggérons aux utilisateurs d'explorer les fichiers d'aide de Simulink pour comprendre comment les utiliser; 3) Le solveur d'optimisation peut être réglé par les paramètres voie Simulation / configuration sur la barre d'outils.
   4. Relier les deux sous-systèmes pour représenter des équations du modèle (1 et 2). Connecter la sortie de l'un sous-système à l'entrée de l'autre sous-système par la flèche si nécessaire. Par exemple, la concentration en CO ₂ dissous est l'output dans l'équation 2 sous-système, et également l'entrée du sous-système de l'équation 1.
   5. Utilisez "Générateur d'impulsions" bloc que les entrées pour 'équation 2' pour simuler les on-off CO ₂ impulsions; utiliser le bloc "Constante" que la valeur d'entrée de lumière de surface. Double cliquez sur les blocs de modifier les paramètres tels que le temps de période et d'amplitude.
   6. Choisissez bloc «Mux 'dans le navigateur de la bibliothèque. Connectez toutes les sorties de «multiplexeur» et connectez-le à «Pour l'espace de travail« bloc qui stocke les résultats simulés.
   7. Définir le «temps d'arrêt de Simulation» sur la barre d'outils, cliquez sur le bouton " "Pour commencer la simulation, et les résultats seront affichés dans l'espace de travail MATLAB (capture d'écran 4).
2. Adopter une approche dynamique de l'optimisation de profil CO ₂ conditions optimales.

Pour trouver les changements de l'entrée afflux CO ₂ profil (P _opt) qui maximisent la production de biomasse ^11, la fonction MATLAB »de fmincon 'et CVP (vecteur de commande paramétrage) ¹² sont utilisés. Figure 2 illustre l'algorithme d'optimisation (voir les codes de programmation MATLAB dans le soutien Matériel II).

Résultats

Notre analyse expérimentale précédente indique que l'exposition des gaz de combustion en continu affecte négativement la croissance de Chlorella, tout en diminuant le temps de CO ₂ de l'exposition est en mesure d'atténuer cette inhibition ^13. Pour mieux comprendre l'entrée de gaz de carneau et de la relation de la croissance d'algues, on développe un modèle empirique pour simuler la croissance de la biomasse en présence de gaz de combustion. Nous supposons que les gaz d...

Discussion

Dans cette étude, nous démontrons le protocole expérimental pour étendre les cultures d'algues en photobioréacteurs. Nous examinons également plusieurs méthodes pour les entrées de gaz de combustion pour favoriser la croissance des algues. L'utilisation d'un transfert de masse et le modèle bio-réaction, nous démontrons que le coefficient de transfert de masse de CO ₂ K _La (déterminé par l'état de mélange bioréacteur et CO ₂ vitesse superficielle) influence fortement la cro...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Spectrophotomètre	Thermal Scientific, Texas USA
Analyseur de gaz CO2	LI-COR, Biosciences, Nebraska USA
Régulateurs de débit massique	OMEGA Engineering INC, Connecticut USA	FMA5416
Carte d’acquisition de données	Measurement Computing Corporation, Massachusetts USA	USB-1208FS
Filtres	Aerocolloid LLC, Minnesota USA
MATLAB/Simulink	Mathworks, Massachusetts USA	R2010a
Bouteilles en verre	Fisher USA