מאמר שיטה

לייעל ארובות הגדרות גז לקידום Microalgae צמיחה בphotobioreactors באמצעות הדמיות מחשב

DOI:

10.3791/50718

⸱

1 באוקטובר 2013

 ,  ,  ,  , 
1Department of Energy, Environmental and Chemical Engineering, Washington University in St. Louis, St. Louis, 2School of Pharmaceutical Sciences, Wuhan University of China, 3Department of Earth and Planetary Sciences, Washington University in St. Louis

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

גז פליטה מתחנות כוח הוא CO 2 מקור זול לצמיחת אצות. בנינו "גז פליטה לאצות טיפוח" אב טיפוס של מערכות ותיארו כיצד בהיקף של עד תהליך טיפוח האצות. אנחנו הדגמנו את השימוש במודל ביו תגובת העברה המוני כדי לדמות ולעצב את הפעולה האופטימלית של גז פליטה לצמיחה של sp כלורלה. בצילום bioreactors אצות.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

גז פליטה מתחנות כוח יכול לקדם את טיפוח אצות והפחתת פליטות גזי חממת 1. Microalgae ללכוד לא רק את אנרגית שמש בצורה יעילה יותר מאשר צמחים 3, אלא גם לסנתז דלק ביולוגי מתקדם 2-4. באופן כללי, CO 2 באטמוספרה הוא לא מקור מספיק לתמיכה בצמיחת אצות מקסימלי 5. מצד השני, יש להם את הריכוז הגבוה של CO2 בגזי פליטה תעשייתיים השפעות שליליות על פיזיולוגיה של אצות. כתוצאה מכך, שני תנאי הגידול (כגון חומרים מזינים וקל) והשליטה על זרימת גז הפליטה לצילום bioreactors חשובים לפתח "גז פליטה אצות" יעיל במערכת. חוקרים הציעו תצורות שונות photobioreactor 4,6 ואסטרטגיות טיפוח 7,8 עם גז פליטה. כאן, אנו מציגים פרוטוקול שמדגים כיצד להשתמש במודלים לחיזוי צמיחת microalgal בתגובה לארובות הגדרות גז. אנו ביצועיםשני סימולציות ORM ניסיוניות איור ומודל על מנת לקבוע את התנאים נוחים לצמיחת אצות עם גז פליטה. אנו מפתחים מודל מבוסס מונה יחד עם העברה המונית ומשוואות עוצמת אור כדי לדמות את צמיחת microalgal בצילום bioreactor הומוגנית. הסימולציה המודל משווה consumptions גז צמיחה ופליטת אצות תחת הגדרות פליטה גז שונות. המודל ממחיש: 1) כיצד צמיחת אצות מושפעת ממקדמי העברת מסת נפחית שונים של CO 2, 2) איך אנחנו יכולים למצוא את ה-CO 2 ריכוז אופטימלי לצמיחת אצות באמצעות הגישה הדינמית אופטימיזציה (DOA): 3) איך אנחנו יכולים לעצב מלבני ב-off דופק גז פליטה כדי לקדם את הצמיחה ביומסה של אצות ולצמצם את השימוש בגז פליטה. בצד הניסיוני, אנו מציגים פרוטוקול לגידול כלורלה תחת גז הפליטה (שנוצר על ידי שריפת גז טבעי). תוצאות הניסוי איכותיים לאמת את תחזיות מודל שגז pu הפליטה בתדירות הגבוההlses יכול לשפר משמעותי את הגידול אץ.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. טיפוח אצות וScale-up

  1. הכן את מדיום התרבות באמצעות מים deionized מכיל 0.55 גר '/ L -1 אוריאה, .1185 גר' / L -1 KH 2 PO 4, 0.102 גר '/ L -1 MgSO 4 · 7H 2 O, -1 7H 4 FeSO · 0.015 g / L 2 O ו22.5 מייקרו אלמנטי μl (18.5 גר '/ L -1 H 3 BO 3, 21.0 גר' / L -1 CuSO 4 · 5H 2 O, 73.2 גר '/ L -1 MnCl 2 · 4H 2 O, 13.7 גר' / L -1 4 COSO · 7H 2 O, 59.5 גר '/ L -1 4 ZnSO · 5H 2 O, 3.8 גר' / L -1 (NH 4) 6 מו 7 O 24 · 4H 2 O, 0.31 גר '/ L -1 NH 4 VO 3 ). להתאים את pH הבינוני עד 7-8. לעקר מדיום תרבות באמצעות 0.22 מסנן מזרק מיקרומטר.
  2. לחסן sp כלורלה. ממושבה אחת על צלחת אגר טרי לתוך FLA ייקsk מכיל 50 בינוני מ"ל עם inoculating לולאת סטרילי. אצות תרבות תחת 150 סל"ד ו30 מעלות צלזיוס במשך שישה ימים (תנאי אור רציפים, שטף פוטון = מ '40-50 μmol -2 שניות -1). לפקח על צפיפות תאים על ידי ספקטרופוטומטר (OD 730).
  3. העברת 50 תרבות מ"ל אצות (שלב צמיחה בינוני יומן, OD 730> 1) לתוך בקבוק 2-L זכוכית (עם ~ מדיום תרבות 1 L מעוקר). משאבת אוויר מסוננת (או CO 2) בתרבות במהלך הדגירה (במשך 5 ימים).
  4. העברת התרבות של אצות 1 ליטר לבקבוק זכוכית 20-L מכיל 15 L בינוני שאינו מעוקרת תרבות (בשלב זה, הסיכון של זיהום חיידקים הוא קטן), ואז אצות תרבות תחת אותו מצב כאמור בשלב 1.3.
  5. הנח 15 תרבות L טרי אצות (OD 730 = 2) ו85 L בינוני שאינו מעוקר לphotobioreactor צלחת שטוחה (מצוידים בדיודות פולטות אור, בקר מחשב, תערובת גז, מנתחי עבור צפיפות אופטית תא, pH, מומס Oxygen, טמפרטורה ומומס CO 2). לשאוב את הגז / אוויר תערובת הפליטה לתוך bioreactor.
  6. יסודיות יבשה נקי photobioreactor באמצעות אתנול 70% לאחר הקציר ביומסה (OD 730> 20).

2. הפגנת מעבדה של ארובות גז טיפול באמצעות photobioreactors הקטן

  1. לחסן תרבויות אצות בבקבוקי זכוכית (200 בינוניים / בקבוק מיליליטר / דקה, OD הראשוני 730 ~ 0.3).
  2. לשרוף גז טבעי ולשאוב את גז הפליטה (~ 250 סנטימטר 3 דקות -1) דרך משפך, צינור הקבל, ובקבוק 0.5 L כביסה (המכיל תרחיף מים / גיר).
  3. הזרימה ההמונית הבקרים לשלוט על זרימת גז הפליטה לתוך התרבות של אצות (איור 1). פולסים גז פליטה כוללים שני מצבים: גז בארובה וגז פעמי ארובה (משאבת אוויר במקום).

3. פיתוח דגם קינטי

המודל מניח הקינטית: (1) התרבויות הן מערכת הומוגניתs. (2) CO 2 וריכוז עוצמת אור בתרבויות הם הגורמים המגבילים לצמיחת אצות. (3) CO 2 לחץ חלקי ושיווי משקל השלב הנוזלי שלה עם H 2 CO 3, 3 HCO -, ו-CO 3 2 - הוא פשוטים עם החוק של הנרי). משוואות המודל הן:

figure-protocol-1

X הוא ביומסה (קילוגרם · -3 מ '). S הוא CO 2 (mol · -3 מ ') המומס. P הוא הלחץ החלקי של CO 2 בשלב הגז (אבא). i p היא הלחץ החלקי של i ה תרכובת רעילה בגז (כגון NO x ולכן x). max.i P הוא הלחץ החלקי של גז רעיל שיש עיכוב מלא על גידול ביומסה. η i היא המקדם האמפירי. K ים הוא קבוע מיכאליס-מנטןשל CO 2 (mol · מ '-3). K אני הוא קבוע העיכוב של CO 2 (mol · -3 מ '). K הוא קבוע מיכאליס-מנטן של עוצמת אור (μmol · שניות מ -2 · -1). H הוא קבוע של הנרי לCO 2 (Pa · מ '3 · mol -1). K לה הוא קצב העברת מסה של CO 2 (-1 hr). אני הוא עוצמת אור, μmol הממוצע · שניות מ -2 · -1, אשר יכולה להיות מחושבים באופן הבא (Eq. (3)) 9.

figure-protocol-2

ההגדרה של פרמטרים במודל היא בטבלה 1. התנאים הראשוניים להניח כי 2 ריכוזים ביומסה וCO המומסים הם 100 מ"ג / ליטר ו13 μmol / L, בהתאמה. מקדם העברת מסת הנפחית יכול להיות מוערך על ידי את מתאם אמפיריtion לbioreactor פרמטרי 10:

figure-protocol-3

g P / V הוא את צריכת החשמל של מערכת סודה בbioreactor (W / m 3). u GS הוא המהירות השטחית של זרימת הגז דרך bioreactor (מ '/ השני). α, β, γ והם קבועים הקשורים לערבוב תנאים.

  1. לבנות קובץ Simulink עבור מודל הסימולציה (ניתנים צילומי מסך בחומר שאני תומך).
    1. בחר קובץ / חדש / דגם בממשק MATLAB ליצור מודל Simulink, ו" ספריית דפדפן "פתוח (צילום מסך 1).
    2. בחר בלוק 'המשנה' בדפדפן של הספרייה כדי ליצור את המערכות למשוואה 1 ו -2. גרור בלוק משנה אחד לקובץ מודל Simulink, לשנות את שמה ל 'משוואת 1', ולאחר מכן לחזור על אותן הפעולות למשוואה 2.
    3. יצירה בלוקים מתאימים ופרמטרים בכל משנה (צילום מסך 3). לחץ לחיצה כפולה על הבלוק 'משוואת 1', בחר בלוקים מתאימים מהדפדפן של הספרייה ולחבר אותם עם חצים שיסמנו את רצף החישוב, לחץ פעמיים על בלוקים כדי להגדיר את הפרמטרים, וחזור על שלבים אלה עבור המשנה האחר.
      הערה: 1) הרצף צריך להתחיל עם בלוקים קלט ויסיים בלוקי פלט; 2) יכולים להיות כל נמצאו בלוקים המפעיל לחיבור, חיסור, כפל, חילוק ושילוב בדפדפן של הספרייה, ואנו ממליצים למשתמשים לחקור את קבצי עזרה של Simulink להבין כיצד להשתמש בם: 3) פותר אופטימיזציה ניתן להגדיר באמצעות הפרמטרים סימולציה מסלול / תצורה בסרגל הכלים.
    4. לקשר את שתי מערכות לייצג משוואות מודל (1 ו -2). לחבר את הפלט של משנה אחד לקלט של המשנה האחר על ידי חץ במידת צורך. לדוגמא, הריכוז CO 2 המומס הוא output במשוואה 2 משנה, וגם את הקלט של משנה משוואת 1.
    5. השתמש ב 'Pulse Generator "חסימה כתשומות עבור' משוואה 2 'כדי לדמות את ה-CO 2 פעימות ב-off, להשתמש בבלוק" קבוע "כערך קלט משטח אור. לחץ לחיצה כפולה על בלוקים כדי לשנות את הפרמטרים כמו זמן התקופה ומשרעת.
    6. בחר בלוק 'Mux' בדפדפן של הספרייה. לחבר את כל היציאות 'Mux' וללאחר מכן לחבר אותו ל'לסביבת העבודה של 'הבלוק המאחסן את תוצאות הסימולציה.
    7. הגדר את 'הזמן להפסיק סימולציה "בסרגל הכלים העליונים, לחץ על הכפתור" figure-protocol-4 "כדי להתחיל את הסימולציה, ואת התוצאות תוכלו לראות בסביבת העבודה של MATLAB (צילום מסך 4).
  2. החל גישת אופטימיזציה דינמית לפרופיל CO האופטימלי 2 תנאים.

כדי למצוא את השינויים של פרופיל זרימת כניסת CO 2 (opt P) כי למקסם ייצור ביומסה 11, פונקצית MATLAB 'fmincon' וCVP (parameterization וקטור שליטה) 12 משמשים. איור 2 ממחיש את אלגוריתם אופטימיזציה (ראה קודי תכנות MATLAB בתמיכה חומר השני).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ניתוח ניסיוני הקודם שלנו מצביע על כך שחשיפת גז פליטה מתמשכת משפיעה לרעה על צמיחת כלורלה, תוך הפחתת זמן חשיפה 2 CO הוא מסוגל להקל על עיכוב זה 13. כדי להבין את זרימת גז הפליטה ומערכת יחסים של צמיחת אצות טובה יותר, אנו מפתחים מודל אמפירי כדי לדמות את הצמיחה ביומסה בנוכחות גז פליטה. אנו מניחים כי גז הפליטה מכיל 15% CO 2 (הערה: CO 2 ריכוז הטיפוסי משריפת פחם הוא 10-15% ואילו גז פליטה מתחנת כוח Oxy-בעירה יש CO 2> 15...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

במחקר זה, אנו מדגימים את פרוטוקול הניסוי לדרוג את cultivations אצות בphotobioreactors. אנחנו גם בוחנים כמה שיטות לתשומות גז פליטה כדי לקדם את צמיחת אצות. באמצעות העברה המונית ומודל ביו תגובה, אנו מדגימים כי מקדם CO 2 ההעברה ההמונית K La (נקבעה על ידי מצב bioreactor ערבוב ו-CO 2 מהירות שטחית) משפיע במידה רבה צמיחת אצות. הסימולציה המודל מצביעה על פולסים רציפים ב-off פליטה גז עם רוחב פולס קצר ותדרים ב-off גבוהים יכול לשפר את צמיחת כלורלה (גבוה...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מחברים אלה אין לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מחקר זה נתמך על ידי תכנית ה-NSF (מחקר חוויות לתואר ראשון) באוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
ספקטרופוטומטרThermal Scientific, טקסס ארה"ב
מנתח גז CO2LI-COR, Biosciences, נברסקה ארה"ב
בקרי זרימת מסהOMEGA Engineering INC, קונטיקט ארה"בFMA5416
כרטיס רכישת נתוניםMeasurement Computing Corporation, מסצ'וסטס ארה"בUSB-1208FS
מסנניםAerocolloid LLC, מינסוטה ארה"ב
MATLAB/SimulinkMathworks, מסצ'וסטס ארה"בR2010a
בקבוקי זכוכיתפישר ארה"ב

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Granite, E. J., O'Brien, T. Review of novel methods for carbon dioxide separation from flue and fuel gases. Fuel Process. Technol. 86, 1423-1434 (2005).
  2. Chisti, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol. Adv. 25, 294-306 (2007).
  3. Li, Y., Horsman, M., Wu, N., Lan, C. Q., Dubois-Calero, N. Biofuels from microalgae. Biotechnol. Prog. 24, 815-820 (2008).
  4. Schenk, P., et al. Second generation biofuels: high-efficiency microalgae for biodiesel production. BioEnergy Research. 1, 20-43 (2008).
  5. Kumar, A., et al. Enhanced CO2 fixation and biofuel production via microalgae: recent developments and future directions. Trends Biotechnol. 28, 371-380 (2010).
  6. Kumar, K., Dasgupta, C. N., Nayak, B., Lindblad, P., Das, D. Development of suitable photobioreactors for CO2 sequestration addressing global warming using green algae and cyanobacteria. Bioresour. Technol. 102, 4945-4953 (2011).
  7. Lee, J. -N., Lee, J. -S., Shin, C. -S., Park, S. -C., Kim, S. -W. Methods to enhance tolerances of Chlorella KR-1 to toxic compounds in flue gas. Appl. Biochem. Biotechnol. 84-86, 329-342 (2000).
  8. Zeiler, K. G., Heacox, D. A., Toon, S. T., Kadam, K. L., Brown, L. M. The use of microalgae for assimilation and utilization of carbon dioxide from fossil fuel-fired power plant flue gas. Energy Conversion and Management. 36 (95), 707-712 (1995).
  9. Martínez, M. E., Camacho, F., Jiménez, J. M., Espínola, J. B. Influence of light intensity on the kinetic and yield parameters of Chlorella pyrenoidosa mixotrophic growth. Process Biochem. 32 (96), 93-98 (1997).
  10. Van't Riet, K. Review of measuring methods and results in nonviscous gas-liquid mass transfer in stirred vessels. Ind. Eng. Chem. Process. 18, 357-364 (1979).
  11. Methekar, R., Ramadesigan, V., Braatz, R. D., Subramanian, V. R. Optimum charging profile for lithium-ion batteries to maximize energy storage and utilization. ECS Trans. 25, 139-146 (2010).
  12. Kameswaran, S., Biegler, L. T. Simultaneous dynamic optimization strategies: Recent advances and challenges. Comput. Chem. Eng. 30, 1560-1575 Forthcoming.
  13. He, L., Subramanian, V. R., Tang, Y. J. Experimental analysis and model-based optimization of microalgae growth in photo-bioreactors using flue gas. Biomass Bioenergy. 41, 131-138 (2012).
  14. Novak, J. T., Brune, D. E. Inorganic carbon limited growth kinetics of some freshwater algae. Water Res. 19 (85), 215-225 (1985).
  15. Landry, M. R., Haas, L. W., Fagerness, V. L. Dynamics of microbial plankton communities experiments in Kaneohe Bay, Hawaii. Mar. Ecol. 16, 127-133 (1984).
  16. Silva, H. J., Pirt, S. J. Carbon dioxide inhibition of photosynthetic growth of Chlorella. J. Gen. Microbiol. 130, 2833-2838 (1984).
  17. Powell, E. E., Mapiour, M. L., Evitts, R. W., Hill, G. A. Growth kinetics of Chlorella vulgaris and its use as a cathodic half cell. Bioresour. Technol. 100, 269-274 (2009).
  18. Sawyer, C. N., McCarty, P. L., Parkin, G. F. Chemistry for environmental engineering and science. , 5th, McGraw-Hil. 144(2003).
  19. Doucha, J., Straka, F., Lívanský, K. Utilization of flue gas for cultivation of microalgae Chlorella sp. in an outdoor open thin-layer photobioreactor. J. Appl. Phycol. 17, 403-412 (2005).
  20. Thimijan, R. W., Heins, R. D. Photometric, radiometric, and quantum light units of measure: a review of procedures for interconversion. Hortscience. 18, 818-822 (1983).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

CO2On OffChlorella

מאמרים קשורים