Otimizar Configurações de gases de combustão para promover o crescimento de microalgas em fotobiorreatores via simulações de computador

Resumo

De gases de combustão das usinas é um barato CO ₂ fonte para o crescimento de algas. Nós construímos "gás de combustão para cultivo de algas" protótipo sistemas e descreveu como para ampliar o processo de cultivo de algas. Demonstrámos a utilização de um modelo bio-reacção de transferência de massa para simular e conceber o funcionamento óptimo do gás de combustão para o crescimento de Chlorella sp. em algas foto-biorreatores.

Resumo

De gases de combustão das usinas pode promover o cultivo de algas e reduzir as emissões de gases de efeito de estufa ^1. As microalgas não só captar a energia solar de forma mais eficiente do que as plantas ^3, mas também sintetizam biocombustíveis avançados ^2-4. Geralmente, CO ₂ atmosférico não é uma fonte suficiente para suportar o crescimento de algas máxima ^5. Por outro lado, as elevadas concentrações de CO ₂ nos gases de escape industriais têm efeitos adversos sobre a fisiologia das algas. Consequentemente, ambas as condições de cultura (tais como nutrientes e luz) e o controlo do fluxo dos gases de combustão para os foto-biorreatores são importantes para o desenvolvimento de um "gás de combustão para as algas" eficiente do sistema. Os pesquisadores propuseram diferentes configurações photobioreactor ^4,6 e estratégias de cultivo ^7,8 com gás de combustão. Aqui, apresentamos um protocolo que demonstra como usar modelos para prever o crescimento de microalgas em resposta a tarrafa configurações de gás. Nós perfORM ambos ilustração e modelo simulações experimentais para determinar as condições favoráveis ​​para o crescimento de algas, com gás de combustão. Desenvolvemos um modelo baseado em Monod, juntamente com a transferência de massa e as equações de intensidade de luz para simular o crescimento de microalgas em uma foto-biorreator homogênea. A simulação do modelo de crescimento e compara combustão algas consumos de gás sob diferentes configurações de combustão a gás. O modelo ilustra: 1) como o crescimento de algas é influenciada por diferentes coeficientes de transferência de massa volumétrica de CO _2, 2) como podemos encontrar ótima concentração de CO ₂ para o crescimento de algas, através da abordagem de otimização dinâmica (DOA), 3) como podemos projetar um rectangular on-off de impulsos de gás de combustão para promover o crescimento da biomassa das algas e para reduzir o uso de gás de combustão. No lado experimental, apresentamos um protocolo para o cultivo de Chlorella sob o gás de combustão (gerada pela combustão do gás natural). Os resultados experimentais qualitativamente validar as previsões do modelo que o gás de combustão de alta freqüência puLSEs pode melhorar significativamente o cultivo de algas.

Protocolo

1. O cultivo de algas e Scale-up

1. Preparar o meio de cultura usando água desionizada contendo 0,55 g / L ^-1 ureia, 0,1185 g / L ^-1 KH ₂ PO _4, 0,102 g / L ^-1 _MgSO4 · 7H ₂ O 0,015 g / L _{de FeSO4} · ^-1 7H ₂ O e 22,5 microelementos ul (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 _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 ). Ajustar pH do meio para 7-8. Esterilizar o meio de cultura através de filtro de seringa de 0,22 um.
2. Inocular Chlorella sp. a partir de uma única colônia em uma placa de ágar fresco em uma agitação flask contendo 50 ml de meio com uma ansa de inoculação estéril. Algas Cultura sob 150 rpm e 30 ° C durante seis dias (condição de luz contínua, de fluxo de fótons = 40-50 mol m ^-2 s ^-1). Monitorar a densidade celular por um espectrofotómetro (OD _730).
3. Transferir 50 ml de cultura de algas (fase de crescimento meio-log, OD _730> 1) em um balão de vidro de 2-L (com ~ 1 L esterilizado meio de cultura). Bomba de ar filtrado (ou CO ₂₎ para a cultura durante a incubação (durante 5 dias).
4. Transferência de 1 L de cultura de algas num garrafão de 20 L contendo 15 L de vidro médio não-esterilizado a cultura (nesta fase, o risco de contaminação microbiana é pequeno), então a cultura de algas sob a mesma condição como indicado no passo 1.3.
5. Coloque 15 L de cultura fresco algal (OD ₇₃₀ = 2) e 85 L meio não esterilizado em uma placa plana photobioreactor (equipado com diodos emissores de luz, controlador do computador, mistura de gás, analisadores de densidade óptica celular, pH, dissolvido oxigen, temperatura e dissolveu-se CO _2). Bomba de gás de mistura ar / combustão no bioreactor.
6. Completamente seco limpa o photobioreactor utilizando etanol 70% após a colheita da biomassa (OD _730> 20).

2. Demonstração Laboratório de Tratamento de Gás de combustão usando pequenos fotobioreatores

1. Inocular culturas de algas em garrafas de vidro (200 ml / min médio / garrafa, OD inicial ₇₃₀ ~ 0,3).
2. Queimar gás natural e bombear o gás de combustão (~ 250 cm ³ min ^-1) através de um funil, um tubo de condensador, e um frasco de 0,5 L de lavagem (contendo lama de água / calcário).
3. Os controladores de fluxo de massa de controlar o fluxo do gás de combustão para a cultura de algas (Figura 1). Pulsos de gases de combustão incluem dois modos: gás-em combustão e combustão de gás-off (bombear ar em seu lugar).

3. Modelo de Desenvolvimento Kinetic

O modelo cinético assume: (1) as culturas são o sistema homogêneos. (2) concentração de CO ₂ e de intensidade de luz nas culturas são fatores limitantes para o crescimento de algas. (3) CO ₂ pressão parcial e o seu equilíbrio de fase líquida com H ₂ CO _3, HCO ₃ ^-, e CO ₃ ^{2 -} é simplificada com a Lei de Henry). As equações do modelo são:

X é a biomassa (kg ^m-3). S é o CO ₂ dissolvido (mol · m ^-3). P é a pressão parcial de _CO2 na fase gasosa (Pa). p _é a pressão parcial do i th composto tóxico nos gases (tais como _NOx e _SOx). P _max.i é a pressão parcial de um gás tóxico para uma inibição completa do crescimento de biomassa. η _i é o coeficiente empírico. K _s é a constante de Michaelis-Mentende CO ₂ (mol · m ^-3). K _I é a constante de inibição de CO ₂ (mol · m ^-3). K é a constante de Michaelis-Menten da intensidade da luz (umol · · m ^-2 s ^-1). H é constante o de Henry para o CO ₂ (Pa · m ³ · mol ^-1). _La K é a taxa de transferência de massa de CO ₂ ^(-1 h). I é a intensidade média da luz, umol · · m ^-2 s ^-1, a qual pode ser calculada como se segue (Equação (3)) ^9.

A definição dos parâmetros do modelo, é apresentada no Quadro 1. As condições iniciais para assumir que a biomassa e CO ₂ dissolvido concentrações são de 100 mg / L e 13 mmol / L, respectivamente. O coeficiente de transferência de massa volumétrica pode ser estimada pela correlação empíricação ao biorreactor parâmetros ^10:

P _g / V é o consumo de energia do sistema arejada no bioreactor (W / m ^_3). u _gs é a velocidade superficial do fluxo de gás através do bioreactor (m / seg). α, β e γ são constantes relacionadas com condições de mistura.

1. Construir um arquivo Simulink para a simulação do modelo (capturas de tela são apresentados no material de apoio I).
   1. Escolha Arquivo / Novo / Modelo na interface MATLAB para criar um modelo Simulink, e aberto "Browser Library" (tela 1).
   2. Escolha bloco 'Subsystem' no navegador da biblioteca para criar os subsistemas para Equação 1 e 2. Arraste um bloco de subsistema para o arquivo de modelo Simulink, mudar seu nome para "Equação 1", e, em seguida, repita os mesmos passos para a Equação 2.
   3. Criar blocos e parâmetros adequados em cada subsistema (tela 3). Clique bloco a "Equação 1", escolha blocos apropriados a partir do navegador da biblioteca e conectá-los com setas que indicam a seqüência de cálculo, clique duas vezes os blocos para configurar os parâmetros, e repita essas etapas para o outro subsistema duplo.
      Nota: 1) A sequência deve começar com blocos de entrada e concluir com blocos de saída, 2) Os blocos de operador para adição, subtração, multiplicação, divisão e integração podem ser todos encontrados no navegador da biblioteca, e sugerimos aos usuários explorar os arquivos de ajuda do o Simulink para entender como usá-los, 3) O solucionador de otimização pode ser definido através de parâmetros via Simulação / Configuração na barra de ferramentas.
   4. Ligar os dois subsistemas para representar equações do modelo (1 e 2). Ligue a saída de um subsistema para a entrada do outro subsistema pela seta, se necessário. Por exemplo, a concentração de CO ₂ dissolvido é ooutput na Equação 2 subsistema, e também a entrada do subsistema Equação 1.
   5. Use 'Pulse Generator' bloco como as entradas para "Equação 2 'para simular os pulsos de CO ₂ on-off, use block' constante ', como o valor de entrada de luz de superfície. Clique duas vezes os blocos para alterar os parâmetros, tais como o período de tempo e amplitude.
   6. Escolha bloco 'Mux "no navegador da biblioteca. Ligue todas as saídas para "Mux" e, em seguida, conectá-lo ao 'Para Workspace' bloco que armazena os resultados simulados.
   7. Defina o "tempo de parada de simulação" na barra de ferramentas superior, clique no botão " "Para iniciar a simulação e os resultados serão mostrados na área de trabalho do MATLAB (tela 4).
2. Aplicar abordagem de otimização dinâmica para o perfil ideal de CO ₂ condições.

Para encontrar as mudanças de entrada de fluxo de CO ₂ perfil (P _opt) que maximizam a produção de biomassa ^11, a função MATLAB 'fmincon' e CVP (controle de vetores parametrização) ¹² são usados. Figura 2 ilustra o algoritmo de otimização (ver códigos de programação MATLAB no Coadjuvante Material III).

Resultados

Nossa análise experimental anterior indica que a exposição de gases de combustão contínua afeta negativamente o crescimento Chlorella, ao diminuir o tempo de exposição CO ₂ é capaz de aliviar esta inibição ^13. Para entender melhor o fluxo dos gases de combustão e relacionamento crescimento de algas, desenvolvemos um modelo empírico para simular o crescimento da biomassa na presença de gases de combustão. Assumimos que o gás de combustão contém 15% de CO ₂ (nota: A típica concent...

Discussão

Neste estudo, demonstramos o protocolo experimental para a ampliação cultivos de algas em fotobiorreatores. Também examinamos vários métodos para entradas de gases de combustão para promover o crescimento de algas. Usando um modelo de transferência de massa e de bio-reacção, que demonstram que o coeficiente de transferência de massa de CO ₂ K _La (determinado por biorreactor mistura condição e CO ₂ velocidade superficial) influencia fortemente o crescimento de algas. A simulação do modelo ...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Espectrofotômetro	Thermal Scientific, Texas EUA
Analisador de gás CO2	LI-COR, Biosciences, Nebraska EUA
Controladores de fluxo de massa	OMEGA Engineering INC, Connecticut EUA	FMA5416
Placa de aquisição de dados	Measurement Computing Corporation, Massachusetts EUA	USB-1208FS
Filtros	Aerocolloid LLC, Minnesota EUA
MATLAB/Simulink	Mathworks, Massachusetts EUA	R2010a
Frascos de vidro	Fisher USA