Методическая статья

Оптимизация дымовых Настройки Газовые поощрять микроводорослей рост в фотобиореакторы через компьютерных вычислений

DOI:

10.3791/50718

⸱

1 октября 2013 г.

 ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

Дымовых газов от электростанций является дешевым CO 2 источником для роста водорослей. Мы построили прототип "дымовой газ для водорослевых выращивания» систем и описаны как расширить водорослевую процесс совершенствования. Мы продемонстрировали использование массообмена био-реакции модели для имитации и разрабатывать оптимальную работу дымовых газов для роста хлореллы зр. в водорослевых фото-биореакторов.

Аннотация

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

Дымовых газов от электростанций может способствовать водорослей культивирования и сократить выбросы парниковых газов 1. Микроводорослей не только захватить солнечную энергию более эффективно, чем растения 3, но и синтезировать передовых видов биотоплива 2-4. Как правило, атмосферное CO 2 не является достаточным источником для поддержки максимального рост водорослей 5. С другой стороны, высокая концентрация СО 2 в промышленных выхлопных газов оказать неблагоприятное воздействие на водорослей физиологии. Следовательно, оба условия культивирования (например, питательных веществ и света) и управление потоком дымовых газов в фото-биореакторов важны для разработки эффективного "дымового газа для водорослей» систему. Исследователи предложили различные конфигурации фотобиореакторе 4,6 и культивирования стратегии 7,8 с дымовых газов. Здесь мы приводим протокол, который демонстрирует, как использовать модели для прогнозирования микроводорослей рост в ответ на дымовых настройки газов. Мы перфорацияORM обе экспериментальные иллюстрации и модельные эксперименты, чтобы определить благоприятные условия для роста водорослей с дымовых газов. Мы разрабатываем Моно-ориентированная модель в сочетании с массообмена и легких уравнений интенсивности для имитации микроводорослей рост однородной фото-биореактора. Имитационная модель сравнивает рост водорослей и дымовых Расход газа при разных настройках дымовых газов. Эта модель иллюстрирует: 1) как водорослей рост под влиянием различных объемных коэффициентов массопереноса СО 2, 2), как мы можем найти оптимальную концентрацию СО 2 для роста водорослей с помощью динамического подхода оптимизации (DOA); 3) как мы можем конструировать прямоугольные включения-выключения импульса дымовых газов в целях содействия росту водорослей биомассы и уменьшить использование дымовых газов. На экспериментальной стороны, мы приводим протокол для выращивания хлореллы в дымовых газах (порожденных сжигания природного газа). Экспериментальные результаты качественно проверить предсказания модели, что высокая частота дымовых газов пуLSES может значительно улучшить водорослей культивирования.

Протокол

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

1. Водорослей Выращивание и Шкала деятельности

  1. Подготовьте культуральной среды с использованием деионизированной воды, содержащей 0,55 г / л -1 мочевину, 0,1185 г / л -1 KH 2 PO 4, 0,102 г / л -1 MgSO 4 · 7H 2 O, 0,015 г / л -1 FeSO 4 · 7H 2 O и 22,5 мкл микроэлементы (18,5 г / л -1 Н 3 ВО 3, 21,0 г / л -1 CuSO 4 · 5H 2 O, 73,2 г / л -1 MnCl 2 · 4H 2 O, 13,7 г / л -1 CoSO 4 · 7H 2 O, 59,5 г / л -1 ZnSO 4 · 5H 2 O, 3,8 г / л -1 (NH 4) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O, 0,31 г / л -1 NH 4 VO 3 ). Отрегулируйте рН среды до 7-8. Стерилизовать культуральной среды через 0,22 шприцевой фильтр мкм.
  2. Привить хлореллы зр. от одной колонии на свежем агаром в коктейль FLASK, содержащую 50 мл среды с стерильной микробиологической петли. Культура водоросли под 150 оборотов в минуту и 30 ° C в течение шести дней (постоянное свечение состояние, поток фотонов = 40-50 мкмоль м -2 с -1). Монитор плотности клеток с помощью спектрофотометра (OD 730).
  3. Передача 50 мл водорослей культура (фаза роста среднего журнал, OD 730> 1) в стеклянную колбу объемом 2 л (с ~ 1 л стерилизованной питательной среды). Насос фильтрации воздуха (или СО 2) в культуру во время инкубации (в течение 5 дней).
  4. Передача 1 л водорослей культуры в 20-литровом стеклянном бутыли, содержащей 15 L, не стерилизованное культуральной среды (на данном этапе, риск микробного заражения мала), то культура водорослей под же состоянии, как указано в пункте 1.3.
  5. Наведите 15 л свежего культуры водорослей (OD 730 = 2) и 85 л без стерилизации среды в плоской пластинчатой ​​фотобиореакторе (оснащенного светоизлучающих диодов, компьютерной контроллера, газовой смеси, анализаторы для оптической плотности клеток, рН, растворенный оксиGen, температуры и растворенного CO 2). Дымовых газов / воздушной смеси Насос в биореактор.
  6. Тщательно сухой чистой фотобиореактор помощью 70% этанола после сбора урожая биомассы (OD 730> 20).

2. Лаборатория Демонстрация дымовых газов Лечение с помощью небольших фотобиореакторы

  1. Привить водорослевые культуры в стеклянных бутылках (200 мл / мин средняя / бутылка, начальная OD 730 ~ 0,3).
  2. Сжигания природного газа и насос дымовых газов (~ 250 см 3 мин -1) через воронку, трубу конденсатора, а также 0,5 л стиральной бутылки (содержащего вода / известняковой суспензии).
  3. Контроллеры массового расхода контролировать поток дымовых газов в культуры водорослей (рис. 1). Дымовые импульсы газа включают в себя два режима: дымовых газов-на и дымовых газов-офф (насос воздух вместо).

3. Кинетическая модель развития

Кинетическая модель предполагает: (1) Культуры однородная системас. (2) концентрация СО 2 и интенсивность света в культурах являются ограничивающими факторами для роста водорослей. (3) CO 2 парциальное давление и его жидкая фаза равновесия с H 2 CO 3, НСО 3 - и CO 3 2 - упрощается с Законом Генри). Уравнения модели являются:

figure-protocol-1

X является биомасса (кг · м -3). S является растворенный CO 2 (моль · м -3). Р парциальное давление CO 2 в газовой фазе (PA). р я это парциальное давление я й токсичные соединения в газе (например, отсутствие х и SO х). P max.i является парциальное давление токсичного газа иметь полный ингибирование роста биомассы. η я это эмпирический коэффициент. К ы является константа Михаэлиса-МентенСО 2 (моль · м -3). K Мне это константа ингибирования СО 2 (моль · м -3). К константа Михаэлиса-Ментен интенсивности света (мкмоль · м -2 · с -1). Н константу Генри для СО 2 (Па · м 3 · моль -1). К La является скорость переноса массы СО 2 (ч -1). I представляет собой среднее интенсивность света, мкмоль · м -2 · с -1, которое может быть рассчитано следующим образом (формула (3)) 9.

figure-protocol-2

Определение параметров модели в таблице 1. Начальные условия предположить, что концентрации биомассы и растворяют CO 2 на 100 мг / л и 13 мкмоль / л, соответственно. Объемный коэффициент массообмена можно оценить по эмпирической корреляцииТион в биореакторе параметры 10:

figure-protocol-3

P г / V является потребляемая мощность аэрированной системы в биореакторе (Вт / м 3). U GS является поверхностная скорость потока газа через биореактор (м / сек). α, β, γ и постоянные, связанные с смешивания условия.

  1. Построить Simulink файл для имитационной модели (Снимки экрана приведены в вспомогательные материалы I).
    1. Выберите File / New / Модель на интерфейсе MATLAB для создания модели Simulink, и откройте "Библиотека Браузер" (снимок экрана 1).
    2. Выберите блок 'подсистемы' в библиотеке браузере для создания подсистем для уравнения 1 и 2. Перетащите один подсистемы блок в файле модели Simulink, изменить свое название на "формуле 1", а затем повторите те же шаги для уравнения 2.
      3. Создать соответствующие блоки и параметры в каждой подсистемы (снимок экрана 3). Дважды щелкните блокировать 'Уравнение 1', выбрать соответствующие блоки из библиотеки браузере и соединить их со стрелками, которые обозначают последовательность расчета, дважды щелкните блоки, чтобы настроить параметры, и повторите эти действия для другой подсистемы.
      Примечание: 1) Последовательность должна начинаться с входных блоков и заключить с выходных блоков; 2) оператор блоки для сложения, вычитания, умножения, деления и интеграции можно все найти в библиотеке браузере, и мы предлагаем пользователям исследовать файлы справки о Simulink, чтобы понять, как их использовать; 3) Оптимизация решатель можно установить с помощью параметров пути симуляция / Configuration на панели инструментов.
    3. Свяжите две подсистемы для представления модельных уравнений (1 и 2). Подключение вывод одной подсистемы к входу другой подсистемы стрелкой если это необходимо. Например, растворенный концентрация СО 2 является Output в уравнении 2 подсистемы, а также входной подсистемы Уравнение 1.
    4. Используйте 'генератор импульсов "блок, как входы для' уравнении 2 'для имитации СО 2 импульсы включения-выключения; использовать' Constant 'блок в качестве значения входного поверхность света. Дважды щелкните блоки, чтобы изменить такие параметры, как период времени и амплитуде.
    5. Выберите блок "MUX" в библиотеке браузере. Соедините все выходы к 'Mux ", а затем подключить его к' к Рабочему пространству 'блока, в котором хранятся результаты моделирования.
    6. Определите 'Simulation остановить время »на верхней панели инструментов, нажмите кнопку" figure-protocol-4 "Запускается симуляция, и результаты будут (снимок экрана 4) показано в рабочем пространстве MATLAB.
  2. Применить динамичный подход оптимизации к профилю оптимальных CO 2 условия.

Чтобы найти изменения притока входе СО 2 профиля (P ОПТ), которые максимизируют производство биомассы 11, функцию MATLAB 'fmincon "и CVP (векторное управление параметризации) 12 используются. Рисунок 2 иллюстрирует алгоритм оптимизации (см. коды MATLAB программирования в Поддержка Материал II).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Наш предыдущий экспериментальный анализ показывает, что воздействие непрерывного дымовых газов отрицательно влияет на рост хлореллы, при снижении CO время 2 экспозиции способен решить эту ингибирование 13. Чтобы лучше понять приток дымовых газов и водорослей отношения роста, мы разрабатываем эмпирическую модель для имитации роста биомассы в присутствии дымовых газов. Мы предполагаем, что дымовой газ содержит 15% CO 2 (примечание: Типичная концентрация СО 2 от сжигания...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

В этом исследовании мы демонстрируем экспериментальный протокол для расширения водорослей культивации в фотобиореакторов. Мы также рассмотрим несколько методов для дымовых входов газа в целях содействия росту водорослей. Использование массоперенос и модель био-реакции, мы демонстрируем, что коэффициент массообмена СО 2 К Ла (определяется биореактора смешивания состояния и CO 2 поверхностной скорости) сильно влияет рост водорослей. Имитационная модель показывает непрерывные дымовых импульс...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Эти авторы не имеют ничего раскрывать.

Благодарности

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

Это исследование поддерживается в NSF программе (исследование Опыт для студентов) в Университете Вашингтона в Сент-Луисе.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
СпектрофотометрThermal Scientific, Техас США
Газоанализатор CO2LI-COR, Biosciences, Небраска США
Контроллеры массового расходаOMEGA Engineering INC, КоннектикутСША FMA5416
Карта сбора данныхMeasurement Computing Corporation, Массачусетс СШАUSB-1208FS
ФильтрыAerocolloid LLC, Миннесота США
MATLAB/SimulinkMathworks, Массачусетс СШАR2010a
Стеклянные бутылкиFisher США

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

CO2Chlorella

Похожие статьи