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Environment

Optimizar la combustión Gas Ciudad para promover el crecimiento de microalgas en fotobiorreactores a través de Simulaciones computacionales

Published: October 1, 2013 doi: 10.3791/50718

Summary

Los gases de combustión de las centrales eléctricas es una fuente de CO2 baratas para el crecimiento de algas. Hemos construido "de gases de combustión a la de algas de cultivo" prototipo de los sistemas y se describe la manera de ampliar el proceso de cultivo de algas. Hemos demostrado el uso de un modelo de bio-reacción de transferencia de masa para simular y diseñar la operación óptima de los gases de combustión para el crecimiento de Chlorella sp. en algas fotobiorreactores.

Abstract

Los gases de combustión de las centrales puede promover el cultivo de algas y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero 1. Las microalgas no sólo capta la energía solar más eficiente que las plantas 3, sino también sintetizar biocombustibles avanzados 2-4. En general, el CO2 atmosférico no es una fuente suficiente para apoyar el crecimiento de algas máxima 5. Por otra parte, las altas concentraciones de CO 2 en los gases de escape industriales tienen efectos adversos sobre la fisiología de algas. Por consiguiente, ambas condiciones de cultivo (tales como nutrientes y luz) y el control del flujo de gas de combustión en los fotobiorreactores son importantes para desarrollar un "gas de combustión para las algas" eficiente sistema. Los investigadores han propuesto diferentes configuraciones de fotobiorreactores 4,6 y estrategias de cultivo 7,8 con salida de humos. A continuación, presentamos un protocolo que se muestra cómo utilizar los modelos para predecir el crecimiento de microalgas en respuesta a los ajustes de combustión de gas. Nos PERForm ambos ilustrativos y modelos experimentales simulaciones para determinar las condiciones favorables para el crecimiento de las algas con los gases de combustión. Desarrollamos un modelo basado en Monod junto con la transferencia de masa y las ecuaciones de intensidad de luz para simular el crecimiento de microalgas en un homogénea foto-biorreactor. La simulación del modelo se comparan los consumos de gas de algas de crecimiento y de combustión bajo diferentes configuraciones de los gases de combustión. El modelo muestra: 1) cómo el crecimiento de las algas está influenciada por diferentes coeficientes de transferencia de masa volumétrica de CO 2, 2) cómo podemos encontrar una óptima concentración de CO 2 para el crecimiento de algas a través del enfoque de optimización dinámica (DOA), 3) cómo podemos diseñar un rectangular on-off de impulsos de gas de combustión para promover el crecimiento de la biomasa de algas y para reducir el uso de gas de combustión. En el lado experimental, se presenta un protocolo para el cultivo de Chlorella bajo el gas de combustión (generado por la combustión de gas natural). Los resultados experimentales cualitativamente validan las predicciones del modelo de que los gases de combustión de alta frecuencia de la PULSES pueden mejorar significativamente el cultivo de algas.

Protocol

1. El cultivo de algas y scale-up

  1. Preparar el medio de cultivo utilizando agua desionizada que contiene 0,55 g / L -1 de urea, 0,1185 g / L -1 KH 2 PO 4, 0,102 g / L -1 MgSO4 · 7 H2O, 0,015 g / L -1 FeSO4 · 7H 2 O y 22,5 mu l microelementos (18,5 g / L -1 H 3 BO 3, 21,0 g / L -1 CuSO 4 · 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 de NH 4 VO 3 ). Ajustar el pH del medio a 7-8. Esterilizar medio de cultivo a través de 0,22 micras filtro de jeringa.
  2. Inocular Chlorella sp. a partir de una sola colonia en una placa de agar fresco en un fla shakeSK que contiene 50 ml de medio con un asa de inoculación estéril. Algas Cultura por debajo de 150 rpm y 30 º C durante seis días (condiciones de luz continua, flujo de fotones = 40-50 mol m -2 s -1). Monitor de densidad celular por un espectrofotómetro (OD 730).
  3. Transferir 50 ml de cultivo de algas (fase de crecimiento medio de registro, OD 730> 1) en un matraz de vidrio de 2-L (con ~ 1 L de medio de cultivo esterilizado). Bomba de aire filtrado (o CO 2) en el cultivo durante la incubación (durante 5 días).
  4. Transferencia de 1 L de cultivo de algas en una bombona de vidrio de 20 l que contiene 15 L de medio no esterilizada de cultivo (en esta etapa, el riesgo de contaminación microbiana es pequeño), a continuación, el cultivo de algas bajo la misma condición como se indica en el paso 1.3.
  5. Coloque 15 L de cultivo fresco de algas (OD 730 = 2) y 85 L medio no esterilizados en un fotobiorreactor placa plana (equipada con diodos emisores de luz, control de computadora, mezcla de gases, analizadores de densidad óptica de células, pH, oxígeno disueltogen, la temperatura y el CO2 disuelto). Bombear la mezcla de gas de combustión / aire en el biorreactor.
  6. Completamente seco-limpio del fotobiorreactor utilizando etanol al 70% después de la cosecha de la biomasa (OD 730> 20).

2. Demostración del Laboratorio de Tratamiento de gases Usando fotobioreactores Pequeños

  1. Inocular cultivos de algas en botellas de vidrio (200 ml / min medio / botella, OD inicial 730 ~ 0,3).
  2. Queman gas natural y bombear el gas de combustión (~ 250 cm 3 min -1) a través de un embudo, un tubo condensador, y una botella de lavado 0.5 L (que contiene suspensión de agua / piedra caliza).
  3. Los controladores de flujo másico controlan el flujo de gas de combustión en el cultivo de algas (Figura 1). Pulsos de gas de salida incluyen dos modos: con gas de combustión y los gases de combustión off (bomba de aire en su lugar).

3. Desarrollo del Modelo Cinético

El modelo cinético asume: (1) las culturas son sistema homogéneos. (2) la concentración de CO 2 y la intensidad de la luz en los cultivos son los factores limitantes para el crecimiento de algas. (3) CO 2 presión parcial y su equilibrio de fases líquido con H 2 CO 3, HCO 3 - y CO 3 2 - se simplifica con la Ley de Henry). Las ecuaciones del modelo son:

Las ecuaciones 1 y 2

X es la biomasa (kg · m-3). S es el CO2 disuelto (mol · m-3). P es la presión parcial de CO 2 en la fase de gas (Pa). p i es la presión parcial del i th compuesto tóxico en el gas (como NO x y SO x). P max.i es la presión parcial del gas tóxico para tener la inhibición total en el crecimiento de la biomasa. η i es el coeficiente empírico. K s es la constante de Michaelis-Mentende CO 2 (mol · m-3). K I es la constante de inhibición de CO 2 (mol · m-3). K es la constante de Michaelis-Menten de la intensidad de la luz (mol · m -2 · s -1). H es la constante de Henry para el CO 2 (Pa · m 3 mol -1). La K es la tasa de transferencia de masa de CO 2 (-1 hora). I es el promedio de intensidad de luz, mol m -2 s -1, que se puede calcular de la siguiente manera (Ec. (3)) 9.

Ecuación 3

La definición de los parámetros del modelo se encuentra en la Tabla 1. Las condiciones iniciales suponen que la biomasa y CO 2 disuelto concentraciones son 100 mg / L y 13 mmol / L, respectivamente. El coeficiente de transferencia de masa volumétrica puede ser estimado por correlación empíricación de biorreactor parámetros 10:

Ecuación 4

P g / V es el consumo de energía del sistema de gasificado, en el biorreactor (W / m 3). U GS es la velocidad superficial del flujo de gas a través del biorreactor (m / seg). α, β, y γ son constantes relacionadas con las condiciones de mezcla.

  1. Construir un archivo de Simulink para la simulación del modelo (Las capturas de pantalla se dan en el material de apoyo I).
    1. Seleccione Archivo / Nuevo / modelo en la interfaz de MATLAB para crear un modelo de Simulink, y abrir "Browser Library" (captura de pantalla 1).
    2. Elija bloque 'subsistema' en el navegador de la biblioteca para crear los subsistemas de la ecuación 1 y 2. Arrastre una cuadra del subsistema en el fichero de modelo de Simulink, cambiará su nombre a 'la ecuación 1', y repita los mismos pasos para la Ecuación 2.
    3. Nota: 1) La secuencia debe empezar con los bloques de entrada y concluir con los bloques de salida, 2) Los bloques de operador para la suma, resta, multiplicación, división y la integración puede ser todo lo que se encuentra en el navegador de la biblioteca, y sugerimos a los usuarios explorar los archivos de ayuda de el Simulink para entender cómo usarlos; 3) El solucionador de optimización se puede establecer a través de los parámetros vía Simulación / Configuración en la barra de herramientas.
    4. Vincular los dos subsistemas de representar ecuaciones del modelo (1 y 2). Conectar la salida de un subsistema a la entrada del otro subsistema por la flecha si es necesario. Por ejemplo, la concentración disuelta de CO 2 es la Output en la Ecuación 2 subsistema, y ​​también la entrada del subsistema de la Ecuación 1.
    5. Use 'generador de pulso' de bloques como los insumos para la 'ecuación 2' para simular las CO 2 pulsos de encendido y apagado, el uso de bloque 'constante' como valor de entrada de luz superficial. Haga doble clic en los bloques para cambiar los parámetros, tales como el período de tiempo y amplitud.
    6. Elija bloque 'Mux' en el navegador de la biblioteca. Conecte todas las salidas a "Mux" y luego conectarlo a 'Para Workspace' bloque que almacena los resultados simulados.
    7. Definir el "tiempo de parada Simulación" en la barra de herramientas superior, haga clic en el botón " Flecha "Para iniciar la simulación, y los resultados se muestran en el espacio de trabajo de MATLAB (captura de pantalla 4).
  2. Aplicar el enfoque de optimización dinámica al perfil óptimo CO 2 condiciones.

    Para encontrar los cambios de flujo de entrada 2 perfil CO (P OPT) que maximizan la producción de biomasa 11, la función de MATLAB 'fmincon' y CVP (control vectorial parametrización) 12 se utilizan. Figura 2 ilustra el algoritmo de optimización (ver los códigos de programación de MATLAB en el apoyo Material II).

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Representative Results

Nuestro análisis experimental previa indica que la exposición a los gases de combustión continua afecta negativamente al crecimiento de Chlorella, mientras que la disminución de CO 2 Tiempo de exposición es capaz de aliviar esta inhibición 13. Para comprender mejor el flujo de entrada de gas de combustión y la relación crecimiento de las algas, desarrollamos un modelo empírico para simular el crecimiento de la biomasa en la presencia de gases de combustión. Suponemos que el gas de combustión contiene 15% de CO 2 (nota: La típica concentración de CO 2 procedentes de la combustión del carbón es del 10-15%, mientras que los gases de combustión de la central eléctrica de oxicombustión tiene CO 2> 15%). La transferencia de masa y los parámetros de crecimiento de algas se basan en la Tabla 1. El modelo de simulación de pruebas de tres métodos para evitar la inhibición del crecimiento por los gases de combustión: 1. Mantenga bajo caudal en la cultura para reducir la condición de transferencia de masa. 2. On-off pulsos de gas de combustión en la cultura. 3. Controlar las 2 composiciones CO flujo de entrada en el nivel óptimo.

(Figura 3a), lo que indica que la tasa de transferencia de masa óptima (K = 0,17-0,18 La h-1) es capaz de reducir la inhibición de gases de combustión para el crecimiento de algas. Si K La es menor o mayor que el valor óptimo, se reducirá el crecimiento de las algas. Ecuación 4 sugiere que la disminución del flujo de gas a través de la aireación y el cultivo puede reducir el coeficiente de transferencia de masa. Tabla 2 muestra cómo la velocidad de flujo (es decir, velocidad superficial) afecta el crecimiento de las algas. En general, la tasa de flujo baja reduce K La y evita CO 2 inhibición al crecimiento de algas como la misma tendencia se muestra en la Figura 3. Una mayor reducción de la tasa de flujo a través del biorreactor hará que el coeficiente de transferencia de masa demasiado pequeña para proporcionar suficiente CO 2 para el crecimiento de las algas (Figura 3b).

En segundo lugar, presentamos un on-off de combustión-gas modo de pulso para superar la inhibición del crecimiento si la transferencia de masa de gas de combustión K La está alto en el fotobiorreactor (ie K La = 17 h -1). En la simulación, asumimos los cultivos de algas se pulsan con dos diferentes concentraciones de CO 2 (15% de los gases de combustión de mano y el 0,04% con el CO 2 atmosférico de los gases de combustión-off). Para optimizar el modo de pulso de gases de combustión, diferentes frecuencias de encendido y apagado son probados (Figura 4). La simulación muestra que los impulsos de gas de combustión de alta frecuencia (de control de encendido y apagado de los gases de combustión) son capaces de promover el crecimiento de algas. Tabla 2 también indica que el modo de control de encendido-apagado utiliza menos gas de combustión en comparación con la alimentación continua de gas de combustión en el biorreactor.

En tercer lugar, se calcula CO 2 perfiles de concentración para el crecimiento de algas máxima. El uso de los parámetros del modelo en la Tabla 1, el enfoque de optimización dinámica muestra las óptimas concentraciones de CO 2 en la fase de gas se debe aumentar de forma continua durante el crecimiento de algas. Modelo de simulación también muestra que tanto las de CO 2 pulsos de encendido y apagado (método 2) y el control de entrada de 2 óptima CO (método 3) son igualmente buenos para promover el crecimiento de las algas con los gases de combustión (Figura 5).

Figura 1
Figura 1. Esquema del sistema de control de gas de encendido y apagado a escala de laboratorio. Los caudales de los gases de combustión generados por la combustión natural, son controlados por el sistema de control de flujo de masa antes de introducirse en el sistema de las algas. Haz clic aquí para ver la imagen más grande .

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Figura 2. Diagrama de flujo de los procedimientos de optimización dinámica. Haz clic aquí para ver la imagen más grande .

Figura 3
Figura 3. Concentración de biomasa final en el día 12 como una función de K La bajo tratamiento de gas de combustión continua (CO 2, 15% v / v) (a), y la comparación de crecimiento de la biomasa con diferentes K La: 0,017 h-1 (línea azul) , 0,17 h-1 (línea amarilla), y 17 h-1 (línea de color negro) en el tratamiento de gases de combustión continua (CO 2, 15% v / v) ( Haga clic aquí para ver la imagen más grande .

Figura 4
Figura 4. Efecto de la frecuencia gas-on/gas-off en la producción de biomasa en 12 días. El modelo asume que las microalgas están expuestos a CO 2 (15% v / v) pulsos a diferentes bandas de frecuencia probadas. Haga clic aquí para ver la imagen más grande .

La figura 5
Figura 5. Comparación de u crecimiento de la biomasander óptima CO 2 perfil (línea amarilla), la frecuencia de encendido y apagado de 10 segundos gas-on / 5 min de gas-off (línea roja), el control de encendido y apagado a una frecuencia de 10 seg gas-on / 7 min de gas- off (línea verde), el control de encendido y apagado a una frecuencia de 1 min gas-on/29 min gas-off (línea de color negro), y el tratamiento continuo con el gas de combustión que contiene 15% (v / v) de CO 2 condiciones (azul line). Haga clic aquí para ver la imagen más grande .

La figura 6
Figura 6. Los resultados experimentales de nuestro trabajo anterior 13 para demostrar el efecto de los impulsos de gas de combustión en el crecimiento de Chlorella. . (Tratamiento de gases de combustión) Gas-encendido; gas-off (tratamiento de aire) A: 10 seg gas-on / 7 min gas-off; B: 30 min gas-on/30 mingas-off; C: 5 hr de gas de encendido / 7 hr gas-off; D: el cultivo en agitación frascos. La preparación de cultivo se detalla en la parte del protocolo, y los experimentos se llevaron a cabo bajo la temperatura ambiente. Haga clic aquí para ver la imagen más grande .

Parámetros Descripciones Valores Unidades Referencias / Notas
μ max máxima tasa de crecimiento específica 0.070 h -1 14
k d tasa de mortalidad 0.028 h -1 15
K s Michaelis-Menten constante de CO 2 0.00021 mol · m-3 14
K I constante de inhibición de CO 2 10 un mol · m-3 16
K Michaelis-Menten constante de intensidad de la luz 14 b μ mol m -2 s -1 9
K La velocidad de transferencia de masa de CO 2 17 h -1 17
H constante de Henry de CO 2 3202 c Pa · m 3 mol -1 18
Y S / X coeficiente de rendimiento 100 d (Moles de CO 2) / (kg de biomasa) 19
La Constante 14.7 m 3 · kg-1 9
Me 0 intensidad de luz de la superficie 45 e μ mol fotones m -2 s -1 medido
Atmosférica de CO 2 concentración atmosférica de CO 2 0,04% fracción de volumen
CO2 en los gases de combustión Concentración de CO 2 en el gas de combustión 15% fracción de volumen asumido
X (0) concentración inicial de biomasa 0.1 kg · m - 3 asumido
S (0) disuelto concentración inicial de CO 2 0.013 mol · m - 3 asumido

Tabla 1. Parámetros utilizados enel modelo.

K I = 10 mm, y el rango de prueba en este estudio es 0.5-10 mol · m -3;
b K = 1.011 lux, que es ~ 14 mol m -2 s -1 20;
c H = 31,6 atm · M -1;
d 4,4 kg se necesita CO2 para la producción de 1 kg (peso seco) de biomasa;
e La intensidad de luz medida es de 40-50 μ mol m -2 s -1;

Velocidad superficial / m / s Biomasa inicial / mg / L γ = 0,2 γ = 0,5 γ = 0,8 Gases de combustión total utilizado en 12 días (m 3 / m 2)
K La / m / s Biomasa final / mg / L K La / m / s Biomasa final / mg / L K La / m /s Biomasa 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
Frecuencia 10s/5min 100 17 313 17 313 17 313 3.3 x 10 4

Tabla 2. Crecimiento de la biomasa con 15% (v / v) de gas de combustión en el día 12 con diferentes velocidades de flujo de gas superficial. En este modelo, se supone que K La = 17 (u gs) γ

*: Suponiendo que el CO 2 se bombea continuamente en biorreactor a la tasa de flujo constante.

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Discussion

En este estudio, se demuestra el protocolo experimental para la ampliación de cultivos de algas en fotobiorreactores. También examinamos varios métodos para las entradas de gases de combustión para promover el crecimiento de algas. El uso de un modelo de transferencia de masa y bio-reacción, se demuestra que el coeficiente de transferencia de masa de CO 2 K La (determinado por la condición biorreactor mezcla y CO 2 velocidad superficial) influye fuertemente en el crecimiento de algas. El modelo de simulación indica impulsos de gas continuos de encendido y apagado de combustión con ancho de pulso corto y altas frecuencias de encendido y apagado puede mejorar el crecimiento de Chlorella (es decir, de alta frecuencia de encendido-apagado pulsos de gases de combustión pueden apoyar el crecimiento de la biomasa casi tan bien como CO 2 óptima condiciones, la figura 5.). Mientras tanto, el modo de encendido y apagado puede reducir significativamente la cantidad total de gas de combustión que tiene que ser bombeado a través del biorreactor (Tabla 2), lo que ahorra la energía para el transporte de la cantidad de gases de combustión para motocultiva de algasción. El modo de pulso de gas de encendido y apagado se puede utilizar en fotobiorreactores o estanques de algas, teniendo en cuenta que el modo de constantes impulsos de gas de combustión es mucho más fácil de operar que un control dinámico del flujo de entrada concentración de CO 2. Por otra parte, hemos realizado los experimentos de cultivo de algas utilizando gases de combustión. El gas de combustión se pulsan en los fotobiorreactores a una específica de la frecuencia / apagado, lo que minimiza claramente el efecto inhibidor de los gases de combustión y mejora la producción de biomasa en comparación con los cultivos usando atmosférica de CO 2 (Figura 6) 13. Los resultados experimentales han verificado cualitativamente nuestro modelo y confirmado que el control de encendido-apagado del gas de combustión es eficaz para aumentar el crecimiento de Chlorella.

Por último, este modelo de estudio está sujeto a varias limitaciones. En primer lugar, el modelo no tiene en cuenta directamente los efectos de compuestos tóxicos como el SO x y NO x en el gas de combustión. En segundo lugar, the las reacciones químicas y equilibrios en el medio de cultivo (incluyen CO 2, H +, OH -, NH 3, etc) se han simplificado. En tercer lugar, el modelo no tiene en cuenta la dinámica de fluidos de CO 2, en los que la transferencia de masa gaseosa real no es instantánea u homogéneo en medio de cultivo. Sin embargo, los enfoques modelo simplificado todavía tienen aplicaciones prácticas para proporcionar pautas para optimizar el crecimiento de algas.

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Disclosures

Estos autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este estudio se apoya en un programa de la NSF (Investigue Experiencias para estudiantes universitarios) en la Universidad de Washington en 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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He, L., Chen, A. B., Yu, Y., Kucera, More

He, L., Chen, A. B., Yu, Y., Kucera, L., Tang, Y. Optimize Flue Gas Settings to Promote Microalgae Growth in Photobioreactors via Computer Simulations. J. Vis. Exp. (80), e50718, doi:10.3791/50718 (2013).

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