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

Published: October 1, 2013 doi: 10.3791/50718

Summary

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.

Abstract

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.

Protocol

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:

Equações 1 e 2

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.

Equação 3

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:

Equação 4

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. 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 " Seta "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).

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Representative Results

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 concentração de CO 2 a partir de combustão do carvão é de 10-15%, enquanto o gás de combustão da usina oxi-combustão tem CO 2> 15%). A transferência de massa e os parâmetros de crescimento das algas são baseados na Tabela 1. O modelo de simulação testa três métodos para evitar a inibição do crescimento por gás de combustão: 1. Manter baixa taxa de fluxo para a cultura para reduzir a condição de transferência de massa. 2. On-off pulsos de gases de combustão para a cultura. 3. Controlar a entrada de CO 2 composições no nível ideal.

(Figura 3a), o que indica que a taxa de transferência de massa óptima (K La = 0,17-0,18 h -1) é capaz de reduzir a inibição do gás de combustão para o crescimento de algas. Se K La é inferior ou superior ao valor óptimo, o crescimento de algas, será reduzida. A equação 4 indica a diminuição do fluxo de gás de arejamento e através da cultura pode reduzir o coeficiente de transferência de massa. Tabela 2 mostra como a taxa de fluxo (isto é, a velocidade superficial) afecta o crescimento das algas. Geralmente, a baixa taxa de fluxo reduz K La e impede CO 2 para a inibição do crescimento de algas como a mesma tendência mostrada na Figura 3. Reduzindo ainda mais a taxa de fluxo através do bioreactor irá fazer com que o coeficiente de transferência de massa muito pequena o suficiente para fornecer CO 2 para o crescimento das algas (Figura 3b).

Em segundo lugar, nós introduzimos um flue-ga on-offs modo de pulso para superar a inibição do crescimento, se a transferência de massa de gases de combustão K La é alta no fotobiorreator (ie K La = 17 h -1). Na simulação, assumimos as culturas de algas são pulsadas com duas diferentes concentrações de CO 2 (15% de gases de combustão-on e 0,04% com o CO 2 atmosférico para gases de combustão-off). Para optimizar o modo de pulsação do gás de combustão, diferentes frequências on-off são testados (Figura 4). A simulação mostra que os pulsos de gases de combustão de alta freqüência (controle on-off de gases de combustão) é capaz de promover o crescimento de algas. Tabela 2 também indica que o modo de controle on-off usa menos gás de combustão em comparação com alimentação contínua de gases de combustão para o biorreator.

Em terceiro lugar, o cálculo de CO 2 perfis de concentração para o crescimento de algas máxima. Utilizando os parâmetros do modelo na Tabela 1, a abordagem de optimização dinâmico mostra as duas concentrações óptimas de CO na fase gasosa deve ser aumentado de forma contínua durante o crescimento de algas. Simulação do modelo revela também que ambas as CO 2 impulsos liga-desliga (Método 2) e o controlo de entrada óptima de CO 2 (método 3) são igualmente bons para promover o crescimento de algas, com gases de combustão (Figura 5).

Figura 1
Figura 1. Diagrama do sistema de controlo de gás de ligar-desligar em escala laboratorial. As taxas de fluxo de gás de combustão gerados pela combustão natural são controlados pelo sistema de controlo de fluxo de massa antes da introdução no sistema de algas. clique aqui para ampliar .

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Figura 2. Fluxograma de procedimentos de otimização dinâmica. Clique aqui para ver a imagem ampliada .

Figura 3
Figura 3. Concentração de biomassa final no dia 12, como uma função de K La sob tratamento contínuo de gás de combustão (CO2, 15% v / v) (a), e a comparação do crescimento da biomassa com diferentes K La: 0,017 h -1 (linha azul) , 0,17 h-1 (linha amarela) e 17 h -1 (linha preta) em tratamento de gases de combustão contínua (CO 2, 15% v / v) ( Clique aqui para ver a imagem ampliada .

Figura 4
Figura 4. Efeito da freqüência gas-on/gas-off na produção de biomassa em 12 dias. O modelo assume as microalgas são expostos ao CO 2 (15% v / v) de pulsos em diferentes freqüências testadas. Clique aqui para ver a imagem ampliada .

Figura 5
Figura 5. Comparação do crescimento da biomassa under ideal CO 2 perfil (linha amarela), a freqüência on-off de 10 seg gás-on / 5 min de gás-off (linha vermelha), controle on-off com uma frequência de 10 seg gás-on / 7 min gas- off (linha verde), controle on-off com uma frequência de 1 min gas-on/29 min gás-off (linha preta), eo tratamento contínuo com gás de combustão contendo 15% (v / v) de CO 2 condições (azul linha). Clique aqui para ver a imagem ampliada .

Figura 6
Figura 6. Os resultados experimentais do nosso trabalho anterior 13 para mostrar efeito de pulsos de gases de combustão para o crescimento Chlorella. . (Tratamento de gases de combustão) Gas-on; gás-off (tratamento de ar) A: 10 seg gás-on / 7 min gás-off; B: 30 min gas-on/30 mingás-off; C: 5 hr gás-on / 7 hr gás-off; D: cultivo em agitação frascos. A preparação da cultura foi detalhado na parte de protocolo, e os experimentos foram conduzidos sob a temperatura ambiente. Clique aqui para ver a imagem ampliada .

Parâmetros Descrições Valores Unidades Referências / Notas
μ max taxa de crescimento específica máxima 0.070 h'1 14
k d taxa de mortalidade 0,028 h'1 15
K s Constante de Michaelis-Menten de CO 2 0.00021 mol · m -3 14
K I constante de inibição de CO 2 10 a mol · m -3 16
K Constante de Michaelis-Menten de intensidade de luz 14-B μ mol · m -2 · s -1 9
K La taxa de transferência de massa de CO 2 17 h'1 17
H constante de CO 2 do henry 3202 c Pa · m 3 · mol -1 18
Y S / X coeficiente de rendimento 100 d (CO 2 mol) / (kg de biomassa) 19
A Constante 14,7 m 3 · kg-1 9
I 0 intensidade de luz de superfície 45 e μ mol fótons · m -2 · s -1 medido
Atmosférica de CO 2 atmosférica de CO 2 concentração 0,04% fração de volume
CO2 no gás de combustão Concentração de CO2 no gás de combustão 15% fração de volume suposto
X (0) concentração de biomassa inicial 0,1 kg · m - 3 suposto
S (0) concentração inicial de CO 2 dissolvido 0,013 mol · m - 3 suposto

Tabela 1. Parâmetros utilizados naso modelo.

K I = 10 mM, e o intervalo de teste neste estudo é 0,5-10 mol · m -3;
b K = 1011 lux, que é de aproximadamente 14 mol · m -2 · s -1 20;
c H = 31,6 atm · M-1;
d 4,4 kg CO 2 é necessário para a produção de 1 kg (peso seco) de biomassa;
e A intensidade da luz é medido 40-50 μ mol · m -2 · s -1;

Velocidade superficial / m / s Biomassa inicial / mg / L γ = 0,2 γ = 0,5 γ = 0,8 Gás de combustão total usado em 12 dias (m 3 / m 2)
K La / m / s Biomassa final / mg / L K La / m / s Biomassa final / mg / L K La / m /s Biomassa final / mg / L
0.001 * 100 4.3 128 0,54 149 0.068 115 1,0 x 10 3
0,01 * 100 6.8 127 1.7 132 0,43 160 1,0 x 10 4
0,1 * 100 11 126 5.4 127 2,7 129 1,0 x 10 5
1 * 100 17 126 17 126 17 126 1,0 x 10 6
10 * 100 27 126 54 126 107 125 1,0 x 10 7
Freqüência 10s/5min 100 17 313 17 313 17 313 3,3 x 10 4

O crescimento da biomassa Tabela 2. Com 15% (v / v) de gás de combustão no dia 12, sob diferentes velocidades de fluxo de gás superficial. Neste modelo, assumimos que K La = 17 (u gs) γ

*: Supondo que o CO 2 é continuamente bombeada para dentro bioreactor a uma taxa de fluxo constante.

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Discussion

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 indica pulsos de gás contínuas on-off de combustão com largura de pulso curto e altas freqüências on-off pode melhorar o crescimento Chlorella (ou seja, de alta freqüência on-off pulsos de combustão a gás pode suportar o crescimento da biomassa quase tão bem como ideal de CO 2 condições, a figura 5.). Enquanto isso, modo on-off pode reduzir significativamente a quantidade total de gases de combustão, que tem que ser bombeado através do bioreactor (Tabela 2), o que poupa a energia para o transporte da quantidade de gás de combustão para cultiv algasção. O modo de pulsação de gás on-off pode ser usado em foto-biorreatores ou lagoas de algas, considerando-se que o modo de impulsos constante de gás de combustão é muito mais fáceis de operar do que o controlo dinâmico do fluxo de CO 2 de concentração. Por outro lado, temos realizado os experimentos de cultura de algas que utilizam gases de combustão. O gás de combustão são pulsadas para as fotobioreactores a uma específica de ligar / desligar de frequência, o que minimiza claramente o efeito inibitório do gás de combustão e aumenta a produção de biomassa em comparação com culturas utilizando CO2 atmosférico (Figura 6) 13. Os resultados experimentais têm verificado qualitativamente o nosso modelo e confirmou que o controle on-off do gás de combustão é eficaz para aumentar o crescimento da Chlorella.

Finalmente, este estudo do modelo está sujeito a várias limitações. Primeiro, o modelo não considera diretamente os efeitos de compostos tóxicos, como o SO x e NO x nos gases de combustão. Em segundo lugar, the reacções químicas e equilíbrios no meio de cultura (incluem CO 2, H +, OH -, NH 3, etc) são simplificados. Em terceiro lugar, o modelo não leva em conta CO 2 dinâmica de fluidos, onde a efetiva transferência de massa gasosa não é instantânea ou homogênea em meio de cultura. No entanto, as abordagens modelo simplificado ainda tem aplicações práticas para fornecer diretrizes para otimizar o crescimento de algas.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Este estudo é apoiado por um programa de NSF (Investigação Experiências para alunos de graduação) na Universidade de Washington em St. Louis.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Spectrophotometer Thermal Scientific, Texas USA
CO2 gas analyzer LI-COR, Biosciences, Nebraska USA
Mass flow controllers OMEGA Engineering INC, Connecticut USA FMA5416
Data acquisition card Measurement Computing Corporation, Massachusetts USA USB-1208FS
Filters Aerocolloid LLC, Minnesota USA
MATLAB/Simulink Mathworks, Massachusetts USA R2010a
Glass bottles Fisher USA

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