Methodenartikel

Optimaliseer Rookgas instellingen ter bevordering van microalgen groei in fotobioreactoren via Computersimulaties

14.2K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/50718

⸱

1 oktober 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

In dit artikel

Samenvatting

Rookgas van energiecentrales is een goedkope CO 2 bron voor algengroei. We hebben prototype "rookgas teelt van algen" gebouwd systemen en beschreef hoe de opschaling van de algen teeltproces. We hebben het gebruik van een massa-overdracht bio-reactie model te simuleren en het ontwerp van de optimale werking van rookgas voor de groei van Chlorella sp aangetoond. in algen foto-bioreactoren.

Samenvatting

Rookgas van energiecentrales kunnen algen teelt te bevorderen en de uitstoot van broeikasgassen te verminderen 1. Microalgen niet alleen zonne-energie efficiënter dan planten 3 vast te leggen, maar ook synthetiseren geavanceerde biobrandstoffen 2-4. In het algemeen, de atmosferische CO 2 is geen voldoende bron voor de ondersteuning van maximaal algengroei 5. Anderzijds, de hoge concentraties van CO2 in industriële uitlaatgassen negatieve effecten op algen fysiologie. Bijgevolg beide teeltomstandigheden (zoals nutriënten en licht) en de controle van de rookgasstroom in de foto-bioreactoren zijn belangrijk om een ​​doeltreffende "rookgas voor algen ontwikkelen" systeem. Onderzoekers hebben verschillende photobioreactor configuraties 4,6 en teeltstrategieën 7,8 met rookgas voorgesteld. Hier presenteren we een protocol dat laat zien hoe modellen te gebruiken om de groei van microalgen in reactie voorspellen gasinstellingen rookkanaal. We perform zowel experimentele illustratie en modelsimulaties aan de gunstige voorwaarden voor de groei van algen met rookgas. Wij ontwikkelen een Monod-gebaseerd model gekoppeld aan massa-overdracht en lichtintensiteit vergelijkingen te simuleren de microalgen groei in een homogene foto-bioreactor. Het model simulatie vergelijkt algengroei en rookgas consumpties onder verschillende rookgasreiniging instellingen. Het model illustreert: 1) hoe de algengroei wordt beïnvloed door verschillende volumetrische massa-overdracht coëfficiënten van CO 2, 2) hoe kunnen we optimaal CO 2-concentratie voor algengroei vinden via de dynamische optimalisatie aanpak (DOA), 3) hoe kunnen we het ontwerp van een rechthoekig aan-uit rookgas-impuls om algengroei biomassa te bevorderen en om het gebruik van rookgassen. Op de experimentele kant, presenteren we een protocol voor het kweken van Chlorella onder het rookgas (opgewekt door verbranding van aardgas). De experimentele resultaten kwalitatief valideren van het model voorspellingen die de hoge frequentie rookgas puGrote ondernemingen kunnen een aanzienlijke verbetering van de algenteelt.

Protocol

1. Algal Teelt en Scale-up

  1. Bereid het kweekmedium met behulp van gedemineraliseerd water met 0,55 g / L -1 ureum, 0,1185 g / L -1 KH 2 PO 4, 0.102 g / L -1 MgSO4 · 7H 2 O, 0,015 g / L -1 FeSO 4 · 7H 2 O en 22,5 pl micro (18.5 g / L -1 H 3 BO 3, 21,0 g / L -1 CUSO4 · 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 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 ). Pas medium pH op 7-8. Steriliseren kweekmedium via 0,22 pm spuitfilter.
  2. Inoculeren Chlorella sp. van een enkele kolonie op een frisse agar plaat in een shake flask met 50 ml medium met een steriele entnaald. Cultuur algenvorming onder 150 rpm en 30 ° C gedurende zes dagen (continu licht staat, fotonflux = 40-50 umol m -2 s -1). Monitor celdichtheid door een spectrofotometer (OD 730).
  3. Breng 50 ml algencultuur (midden-log groeifase, OD 730> 1) in een 2-L glazen kolf (met ~ 1 L gesteriliseerd kweekmedium). Pomp gefilterde lucht (of CO2) in de cultuur tijdens de incubatie (5 dagen).
  4. Breng 1 L algenkweek in een 20-L glas mandfles met 15 L niet-gesteriliseerde voedingsbodem (in dit stadium, het risico van microbiële besmetting is klein), dan is cultuur algen onder dezelfde omstandigheden als vermeld in stap 1.3.
  5. Plaats 15 liter vers algencultuur (OD 730 = 2) en 85 L niet-gesteriliseerd medium in een vlakke plaat photobioreactor (voorzien van light-emitting diodes, computer besturing, gasmengsel, analysers voor mobiele optische dichtheid, pH, opgeloste zuurstofgen, temperatuur en opgeloste CO 2). Pomp de rookgas / lucht mengsel in de bioreactor.
  6. Grondig stomen de photobioreactor gebruik 70% ethanol na biomassaoogst (OD 730> 20).

2. Laboratorium Demonstratie van rookgasreiniging met behulp van kleine fotobioreactoren

  1. Inoculeren algenculturen in glazen flessen (200 ml / min medium / fles, eerste OD 730 ~ 0.3).
  2. Verbranden van aardgas en pomp het rookgas (~ 250 cm 3 min -1) door een trechter, een condensor buis, en een 0,5 L wassen fles (water-/ kalksteen suspensie).
  3. De mass flow controllers controle van de rookgas stroom in algencultuur (figuur 1). Rookgas pulsen omvatten twee modi: rookgas-on en rookgas-off (pomp lucht in plaats).

3. Kinetic Model Development

De kinetische model gaat: (1) het kweken homogeen systeems. (2) CO 2-concentratie en de lichtsterkte in de culturen zijn de beperkende factoren voor algengroei. (3) CO 2 partiële druk en de vloeibare fase evenwicht met H 2 CO 3, HCO 3 - en CO 3 2 - is vereenvoudigd met de wet van Henry). Het model vergelijkingen zijn:

figure-protocol-1

X is de biomassa (kg · m -3). S is de opgeloste CO 2 (mol · m -3). P CO 2 partiële druk in de gasfase (Pa). pi de partiële druk van i e toxische verbinding in het gas (bijvoorbeeld NOx en SOx). P max.i is de partiële druk van giftig gas volledige remming van groei biomassa. η i is de coëfficiënt. K s is de constante Michaelis-Mentenvan CO 2 (mol · m -3). K I is de remming constante van CO 2 (mol · m -3). K is de constante Michaelis-Menten van lichtintensiteit (umol · m -2 · sec -1). H is constant de Henry's voor CO 2 (Pa · m 3 · mol -1). K La is de massa-overdrachtssnelheid van CO 2 (h-1). I de gemiddelde lichtintensiteit, umol · m -2 · s -1, die als volgt kunnen worden berekend (Vgl. (3)) 9.

figure-protocol-2

De definitie van modelparameters in Tabel 1. De beginvoorwaarden veronderstellen dat biomassa en opgelost CO2 concentratie 100 mg / L en 13 umol / L respectievelijk. De volumetrische massatransfercoëfficiënt kan worden geschat door empirische correlatietie naar bioreactor parameters 10:

figure-protocol-3

Pg / V het stroomverbruik van het systeem in de beluchte bioreactor (W / m 3). U gs is de oppervlaktesnelheid van de gasstroom door de bioreactor (m / sec). α, β en γ constanten over mengomstandigheden.

  1. De bouw van een Simulink-bestand voor het model simulatie (Screen shots worden gegeven in het dragermateriaal I).
    1. Kies Bestand / Nieuw / Model op de MATLAB-interface om een ​​Simulink-model te maken, en open "Library Browser" (screenshot 1).
    2. Kies 'subsysteem' blok in de bibliotheek browser om de subsystemen voor vergelijking 1 en 2 maken. Sleep een subsysteem blok naar de Simulink model bestand, de naam te veranderen naar 'Vergelijking 1', en herhaal dezelfde stappen voor vergelijking 2.
    3. Maak de juiste blokken en parameters in elk subsysteem (screenshot 3). Dubbelklik op het 'Vergelijking 1 blok, kies de juiste blokken uit de bibliotheek browser en sluit ze met pijlen die de berekening volgorde aan te duiden, dubbelklik op de blokken om het opzetten van de parameters, en herhaal deze stappen voor de andere subsysteem.
      Opmerking: 1) De volgorde moet beginnen met ingang blokken en sluiten met uitgangsblokken; 2) De exploitant blokken voor optellen, aftrekken, vermenigvuldigen, delen en integratie zijn allemaal te vinden in de bibliotheek browser, en we raden gebruikers ontdekken de Help-bestanden van de Simulink om te begrijpen hoe ze te gebruiken, 3) De optimalisatie solver kan worden ingesteld via het pad Simulation / configuratie parameters op de werkbalk.
    4. Verbinden de twee subsystemen modelvergelijkingen (1 en 2) te vertegenwoordigen. Verbind de uitgang van een subsysteem aan de ingang van het andere subsysteem door pijl indien nodig. Bijvoorbeeld, de opgeloste CO2 concentratie de output in de vergelijking 2 subsysteem, en ook de ingang van de vergelijking 1 subsysteem.
    5. Gebruik 'pulsgenerator' blok als de ingangen voor 'Equation 2' te simuleren de aan-uit CO 2 pulsen; gebruiken 'Constant' blok als het oppervlak licht invoerwaarde. Dubbelklik op de blokken om de parameters, zoals de periode tijd en amplitude te veranderen.
    6. Kies 'Mux' blok in de bibliotheek browser. Sluit alle uitgangen aan 'Mux' en vervolgens op 'To Workspace' blok dat de gesimuleerde resultaten worden opgeslagen.
    7. Definieer de 'Simulation stoptijd' op de bovenste werkbalk op de knop " figure-protocol-4 "Om de simulatie te starten, en de resultaten zullen in de MATLAB werkruimte worden getoond (screenshot 4).
  2. Solliciteer dynamische optimalisatie benadering van optimale CO profiel 2 voorwaarden.

Om de veranderingen van de inlaat instroom CO 2-profiel (P opt) dat de productie van biomassa 11, 'fmincon' functie MATLAB en CVP (controle vector parametrering) 12 worden gebruikt maximaliseren. Figuur 2 illustreert de optimalisatie-algoritme (zie MATLAB programmeren codes in de Ondersteunende Materiaal II).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Onze eerdere experimentele analyse blijkt dat continue blootstelling rookgas bezwarend Chlorella groei met minder CO 2 belichtingstijd kunnen deze remming 13 verlichten. Om een ​​beter inzicht rookgas in-en algengroei relatie ontwikkelen wij een empirisch model om de biomassa groei in aanwezigheid van rookgas simuleren. We nemen aan dat het rookgas bevat 15% CO 2 (let op: De typische CO 2-concentratie van de verbranding van steenkool is 10-15%, terwijl het rookgas van...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

In deze studie tonen we aan de experimentele protocol voor het opschalen van algen teelten in fotobioreactoren. We onderzoeken ook verschillende methoden voor rookgas ingangen om algengroei te bevorderen. Met behulp van een massa-overdracht en bio-reactie model, tonen we aan dat de CO 2 massatransfercoëfficiënt K La (bepaald door bioreactor mengen conditie en CO 2 oppervlakkige snelheid) van grote invloed op de algengroei. Het model simulatie geeft continu aan-uit rookgas pulsen met korte...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

Deze auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit onderzoek wordt ondersteund door een NSF-programma (Onderzoek Ervaringen voor studenten) aan de Washington University in St. Louis.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
SpectrophotometerThermal Scientific, Texas USA
CO2 gas analyzerLI-COR, Biosciences, Nebraska USA
Mass flow controllersOMEGA Engineering INC, Connecticut USAFMA5416
Data acquisition cardMeasurement Computing Corporation, Massachusetts USAUSB-1208FS
FiltersAerocolloid LLC, Minnesota USA
MATLAB/SimulinkMathworks, Massachusetts USAR2010a
Glass bottlesFisher USA

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

RookgasbesturingFotobioreactorsimulatieCO2 massaoverdrachtAan uitpulsingDynamische optimalisatieChlorella kweekBiomassaproductieGasstroomvoetModelvalidatie

Gerelateerde artikelen