Articolo metodologico

Ottimizzare le impostazioni dei gas di scarico per promuovere la crescita di microalghe in fotobioreattori tramite simulazioni al computer

DOI:

10.3791/50718

⸱

1 ottobre 2013

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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

In questo articolo

Sommario

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Gas di combustione delle centrali elettriche è una conveniente fonte di CO 2 per la crescita delle alghe. Abbiamo costruito "dei fumi delle alghe coltivazione" prototipo dei sistemi e descritto come scalare il processo di coltivazione algale. Abbiamo dimostrato l'utilizzo di un modello bio-reazione di trasferimento di massa per simulare e progettare il funzionamento ottimale del gas di combustione per la crescita di Chlorella sp. in alghe foto-bioreattori.

Abstract

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Gas di combustione delle centrali elettriche in grado di promuovere la coltivazione delle alghe e ridurre le emissioni di gas serra 1. Le microalghe non solo di catturare l'energia solare più efficiente di piante 3, ma anche sintetizzare biocarburanti avanzati 2-4. In generale, CO 2 atmosferica non è una fonte sufficiente per sostenere la massima crescita delle alghe 5. D'altra parte, le alte concentrazioni di CO 2 nel gas di scarico industriali hanno effetti negativi sulla fisiologia delle alghe. Di conseguenza, entrambe le condizioni di coltivazione (come nutrienti e luce) e il controllo del flusso del gas effluente nei fotobioreattori sono importanti per sviluppare un efficiente "fumi per le alghe" sistema. I ricercatori hanno proposto diverse configurazioni fotobioreattori 4,6 e strategie di coltivazione 7,8 con il gas di scarico. Qui vi presentiamo un protocollo che illustra come utilizzare i modelli per prevedere la crescita di microalghe in risposta al camino impostazioni del gas. Noi Perfsia sperimentali illustrazioni e le simulazioni del modello ORM per determinare le condizioni favorevoli per la crescita delle alghe con gas di scarico. Sviluppiamo un modello basato-Monod accoppiata con trasferimento di massa e le equazioni di intensità della luce per simulare la crescita di microalghe in un omogeneo foto-bioreattore. Il modello di simulazione a confronto algali consumi di gas di crescita e di scarico sotto diverse impostazioni dei fumi. Il modello illustra: 1) come la crescita delle alghe è influenzata da diversi coefficienti di trasferimento di massa volumetriche di CO 2, 2) come possiamo trovare ottimale concentrazione di CO 2 per la crescita delle alghe attraverso l'approccio di ottimizzazione dinamica (DOA), 3) come possiamo progettare un rettangolare on-off impulsi fumi per promuovere la crescita della biomassa algale e di ridurre l'utilizzo di gas di scarico. Sul lato sperimentale, presentiamo un protocollo per la coltivazione Chlorella sotto fumi (generata dalla combustione del gas naturale). I risultati sperimentali convalidano qualitativamente le previsioni del modello che i gas di scarico ad alta frequenza puLSES possono migliorare significativamente la coltivazione delle alghe.

Protocollo

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1. Alghe Coltivazione e scale-up

  1. Preparare il terreno di coltura con acqua deionizzata contenente 0,55 g / L -1 urea, 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 e 22,5 microelementi microlitri (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 ). Regolare il pH medio di 7-8. Sterilizzare mezzo di coltura con 0,22 micron filtro a siringa.
  2. Seminare Chlorella sp. da una singola colonia su una piastra di agar fresco in una scossa flask contenente 50 mL di terreno con un'ansa da inoculo sterile. Cultura alghe sotto 150 rpm e 30 ° C per sei giorni (condizioni di luce continua, flusso di fotoni = 40-50 mmol m -2 s -1). Controllo densità cellulare da uno spettrofotometro (OD 730).
  3. Trasferire 50 mL coltura algale (fase di crescita medio-log, OD 730> 1) in un pallone di vetro 2-L (con ~ 1 L mezzo di coltura sterilizzato). Pompa aria filtrata (o CO 2) nella coltura durante l'incubazione (per 5 giorni).
  4. Trasferire 1 L algale cultura in una damigiana di vetro 20-L contenente 15 L mezzo non sterilizzato cultura (in questa fase, il rischio di contaminazione microbica è piccola), poi algacoltura sotto stesse condizioni come indicato al punto 1.3.
  5. Mettere 15 L di coltura fresco algale (OD 730 = 2) e 85 L mezzo non sterilizzato in una photobioreactor lastra piana (dotato di diodi emettitori di luce, regolatore del calcolatore, miscela di gas, analizzatori per cellulare densità ottica, pH, ossigeno discioltogen, temperatura e sciolto CO 2). Pompare la miscela aria / gas di scarico nel bioreattore.
  6. Accuratamente lavare a secco fotobioreattore utilizzando etanolo al 70% dopo la raccolta della biomassa (OD 730> 20).

2. Laboratorio Dimostrazione della Flue Gas Treatment Utilizzo Piccoli Fotobioreattori

  1. Seminare colture algali in bottiglie di vetro (200 ml / min a medio / bottiglia, OD iniziale 730 ~ 0,3).
  2. Bruciare gas naturale e pompare il gas di combustione (~ 250 cm 3 min -1) attraverso un imbuto, un tubo del refrigerante, e una bottiglia di lavaggio 0,5 L (contenente acqua / calcare slurry).
  3. I controllori di flusso di massa controllano il flusso del gas effluente in coltura algale (Figura 1). Impulsi di gas di combustione includono due modalità: gas-on di scarico e fumi-off (pompare aria invece).

3. Modello di Sviluppo Kinetic

Il modello cinetico assume: (1) le colture sono sistema omogeneos. (2) concentrazione di CO 2 e l'intensità della luce nelle culture sono i fattori limitanti per la crescita delle alghe. (3) CO 2 pressione parziale e il suo equilibrio fase liquida con H 2 CO 3, HCO 3 - e CO 3 2 - è semplificata con la legge di Henry). Le equazioni del modello sono:

figure-protocol-1

X è la biomassa (kg · m -3). S è la disciolto CO 2 (mol · m -3). P è la pressione parziale di CO 2 nella fase gassosa (Pa). p i è la pressione parziale esimo composto tossico nel gas (come NO x e SO x). P max.i è la pressione parziale del gas tossico avere inibizione globale sulla crescita della biomassa. η i è il coefficiente empirico. K s è la costante di Michaelis-Mentendi CO 2 (mol · m -3). K I è la costante di inibizione di CO 2 (mol · m -3). K è la costante di Michaelis-Menten dell'intensità luminosa (mol · m -2 · sec -1). H è la costante di Henry per la CO 2 (Pa · m 3 · mol -1). La K è la velocità di trasferimento di massa di CO 2 (ore -1). I è la media intensità della luce, mol · m -2 · sec -1, che può essere calcolato come segue (Eq. (3)) 9.

figure-protocol-2

La definizione di parametri del modello è in Tabella 1. Le condizioni iniziali presuppongono che biomassa e CO 2 disciolto concentrazioni sono 100 mg / L e 13 mmol / L, rispettivamente. Il coefficiente di trasferimento di massa volumetrica può essere stimata correlazione empiricazione di bioreattore parametri 10:

figure-protocol-3

P g / V è il consumo di energia del sistema areato nel bioreattore (W / m 3). u gs è la velocità superficiale del flusso di gas attraverso il bioreattore (m / sec). α, β, e γ sono costanti legati alle condizioni di miscelazione.

  1. Costruire un file di Simulink per la simulazione del modello (le schermate sono indicate nel materiale di supporto I).
    1. Scegliete File / Nuovo / Modello sull'interfaccia MATLAB per creare un modello Simulink, e aperto "Biblioteca Browser" (schermata 1).
    2. Scegli blocco 'sottosistema' nel browser libreria per creare le sottosistemi per l'equazione 1 e 2. Trascinare un blocco sottosistema il file del modello Simulink, cambiare il suo nome in 'equazione 1', e quindi ripetere la stessa procedura per Equazione 2.
    3. Crea blocchi e parametri appropriati a ciascun sottosistema (screen shot 3). Fare doppio clic blocco del 'equazione 1', scegliere i blocchi appropriati dal browser biblioteca e collegarli con le frecce che indicano la sequenza di calcolo, fare doppio clic sui blocchi per impostare i parametri, e ripetere la procedura per l'altro sottosistema.
      Nota: 1) La sequenza deve iniziare con blocchi di ingresso e concludere con blocchi di uscita, 2) I blocchi operatore di addizione, sottrazione, moltiplicazione, divisione e integrazione può essere tutti trovati nel browser biblioteca, e suggeriamo agli utenti di esplorare i file di aiuto di la Simulink per capire come usarli, 3) Il solutore di ottimizzazione può essere impostato tramite i parametri percorso di simulazione / configurazione sulla barra degli strumenti.
    4. Collegare i due sottosistemi per rappresentare le equazioni del modello (1 e 2). Collegare l'uscita di un sottosistema all'ingresso di un altro sottosistema dalla freccia se necessario. Ad esempio, la concentrazione di CO 2 disciolta è l'Oscita nella equazione 2 sottosistema, e anche l'ingresso della Equazione 1 sottosistema.
    5. Utilizzare 'Pulse Generator' isolato come gli ingressi per 'Equazione 2' di simulare le CO 2 impulsi on-off; utilizzare blocco 'Constant' come valore di input luce superficie. Fare doppio clic i blocchi di modificare i parametri come il periodo di tempo e l'ampiezza.
    6. Scegli blocco 'Mux' nel browser biblioteca. Collegare tutte le uscite a 'Mux' e poi collegarlo al 'To Workspace' blocco che memorizza i risultati simulati.
    7. Definire il 'tempo di arresto di simulazione' nella barra degli strumenti superiore, fare clic sul pulsante " figure-protocol-4 "Per avviare la simulazione, ed i risultati verranno visualizzati nel workspace di MATLAB (schermata 4).
  2. Applicare approccio di ottimizzazione dinamica al profilo di CO 2 ottimali condizioni.

Per trovare le variazioni di afflusso di entrata CO 2 profilo (P opt) che massimizzano la produzione di biomassa 11, funzione MATLAB 'fmincon' e CVP (controllo vettoriale di parametrizzazione) 12 sono utilizzati. Figura 2 illustra l'algoritmo di ottimizzazione (vedi codici di programmazione MATLAB nel supporto Materiale II).

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Risultati

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La nostra precedente analisi sperimentali indicano che l'esposizione dei fumi continua influenza negativamente la crescita Clorella, riducendo il tempo di CO 2, l'esposizione è in grado di alleviare questa inibizione 13. Per comprendere meglio il flusso dei fumi e rapporto crescita delle alghe, sviluppiamo un modello empirico per simulare la crescita della biomassa in presenza di fumi. Partiamo dal presupposto che il gas di scarico contiene il 15% di CO 2 (nota: Il tipic...

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Discussione

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In questo studio, abbiamo dimostrato il protocollo sperimentale per il salto di colture algali in fotobioreattori. Abbiamo anche esaminare diversi metodi per gli ingressi dei gas di scarico per promuovere la crescita delle alghe. Utilizzando un trasferimento di massa e il modello bio-reazione, dimostriamo che il coefficiente di CO 2 di trasferimento di massa K La (determinata dal bioreattore mescolando condizioni e CO 2 velocità superficiale) influenza fortemente la crescita delle alghe. ...

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Dichiarazioni

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Questi autori hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Questo studio è supportato da un programma NSF (ricerca esperienze per gli studenti universitari), alla Washington University di St. Louis.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
SpettrofotometroThermal Scientific, Texas USA
Analizzatore di gas CO2LI-COR, Biosciences, Nebraska USA
Regolatori di flusso di massaOMEGA Engineering INC, Connecticut USAFMA5416
Scheda di acquisizione datiMeasurement Computing Corporation, Massachusetts USAUSB-1208FS
FiltriAerocolloid LLC, Minnesota USA
MATLAB/SimulinkMathworks, Massachusetts USAR2010a
Bottiglie di vetroFisher USA

Riferimenti

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