Summary
从电厂烟道气是一种廉价的CO 2源藻类生长。我们已经建立原型“烟气海藻栽培”系统并描述如何扩大藻类培养过程。我们已经证明了使用一个传质生物反应模型来模拟，并设计烟道气的最佳操作小球藻的生长。藻光生物反应器。
Abstract
从电厂烟气能促进藻类栽培和减少温室气体排放1。微藻不仅比3的植物更有效地捕获太阳能，而且合成先进的生物燃料2-4。一般情况下，大气中的CO 2是不是有足够的来源，支持最大藻类生长5。另一方面，在高浓度的CO 2的工业废气对藻类的生理不良影响。因此，无论培养条件（如营养物和光），并在烟道气流进入光生物反应器的控制是重要的，以开发一种有效的“烟道气藻类”系统。研究者提出了不同的光生物反应器配置4,6和培养战略7,8烟气。在这里，我们提出了一个协议，它演示了如何使用模型来预测响应微藻生长烟气设置。我们PERFORM两个实验说明和模型模拟，以确定烟气藻类生长的有利条件。我们开发了一个莫诺基于模型加上传质和光强度的公式来模拟在均匀光生物反应器的微藻生长。该模型模拟比较藻类生长和烟气消费在不同烟气设置。该模型说明：1）如何藻类的生长是由CO 2的不同体积传质系数的影响; 2）我们如何可以通过动态优化方法（DOA）找到最优的CO 2浓度为藻类生长; 3）我们如何设计一个矩形的通断烟气脉冲，以促进藻类生物量增长，以减少烟道气的使用量。在实验方面，我们提出了一个协议，用于不断增长的小球藻烟道气（天然气燃烧产生的）下。实验结果定性地验证了模型预测的高频烟气普LSES可以显著提高藻类栽培。
Protocol
1。海藻栽培和规模化发展
- 使用去离子水含有0.55克/ L -1尿素，0.1185克/ L -1 KH 2 PO 4，0.102克/ L -1的用MgSO 4·7H 2 O 0.015克/升-1的FeSO 4·7H制备的培养基2 O和22.5微升微量元素（18.5克/升-1 H 3 BO 3，21.0克/升-1的CuSO 4·5H 2 O 73.2克/升-1的MnCl 2·4H 2 O，13.7克/升-1 COSO 4·7H 2 O 59.5克/升-1硫酸锌4·5H 2 O，3.8克/升-1（NH 4）6莫7 O 24·4H 2 O 0.31克/升-1 NH 4 VO 3 ）。调节介质pH值至7-8。通过0.22微米注射器过滤灭菌的培养基。
- 接种小球藻 。从新鲜琼脂平板成一摇FLA单个菌落含有SK 50毫升培养基，用无菌接种环。在150转，30℃六天文化藻（连续光条件下，光子通量= 40-50微摩尔米-2秒-1）。用分光光度计（OD 730）监测细胞密度。
- 转移50毫升藻培养物（中间数生长期，OD 730> 1）到一个2升玻璃烧瓶（带有〜1升消毒培养液）。孵化（5天）在泵过滤空气（或CO 2）进入文化。
- 转让1升藻培养到含有15升非灭菌的培养基（在这一阶段，微生物污染的危险性小），然后培养藻类相同的条件下，如步骤1.3中所述的可20-L玻璃大玻璃瓶。
- 放置15升新鲜藻类培养物（OD 730 = 2）和85升非无菌培养基为平板光生物反应器（配有发光二极管，计算机控制器，气体混合物分析仪对细胞的光密度，pH值，溶解的氧根，温度和溶解的CO 2）。泵的烟气/空气混合物进入生物反应器。
- 彻底干燥清洁，用70％乙醇的生物质收获后（外径730> 20）的光生物反应器。
2。烟气处理的使用小光生物反应器示范实验室
- 接种在玻璃瓶中的藻类培养物（200毫升/分钟介质/瓶，初始OD 730〜0.3）。
- 烧天然气和通过漏斗，冷凝管以及0.5升洗涤瓶（含有水/石灰石浆）泵烟气（约250 立方厘米每分钟）。
- 质量流量控制器控制所述烟道气流进入藻类培养物（ 图1）。 烟道气体脉冲包括两种模式：烟气通和烟气销（空气泵代替）。
3。动力学模型开发
该动力学模型假设：（1）文化是均相体系秒。 （2）CO 2浓度和光照强度的文化是限制因素藻类生长。 （3） 二氧化碳分压和液相平衡与H 2 CO 3，HCO 3 -和CO 3 2 -简化与亨利定律）。该模型方程为：
X是生物量（千克·米-3）。 S是溶解的CO 2（摩尔·米-3）。 P是在气相中进行（Pa）的CO 2的分压。 P I是第 i 个有毒化合物的气体（如NO x和 SO x）的中的分压。 P max.i是有毒的气体的分压来对生物生长充分抑制。 ηi是经验系数。 K表s是米氏常数CO 2（摩尔·米-3）。 K I是CO 2的抑制常数（摩尔·米-3）。 K为光强度的米氏常数（微摩尔·米-2·秒-1）。 H为亨利常数的CO 2（帕·米3·摩尔-1）。 ķLa为CO 2（小时-1）的传质速率。 I是平均光强，微摩尔·米-2·秒-1，它可以如下9来计算（（3）公式）。
模型参数的定义是在表1中 。初始条件假定生物质和溶解的CO 2的浓度是100 mg / L和13μmol/ L的分别。的体积传质系数可以通过经验关系来估计tion到生物反应器参数10：
全干/ V是加气系统在生物反应器的功耗（瓦/米3）。 üGS是气流的空塔速度通过所述生物反应器（米/秒）。 α，β，γ是与混合条件的常数。
- 构建一个Simulink的文件模型仿真（屏幕截图在辅助材料我给出）。
- 选择文件/新建/模型在MATLAB的接口来创建一个Simulink模型，并打开“库浏览器”（屏幕截图1）。
- 选择库中的浏览器的子系统“块以创建子系统为等式1和2。拖动一个子系统块到Simulink的模型文件，其名称更改为“公式1”，然后重复同样的步骤进行公式2。
- 连接两个子系统来表示模型方程（1和2）。如果需要一个子系统的输出连接到其它子系统的输入箭头。例如，溶解的CO 2浓度为邻安输出的方程2中的子系统，也是式（1）子系统的输入。
- 使用“脉冲发生器”块作为输入，“公式2”，模拟开关CO 2脉冲;使用'恒'块作为表面光输入值。双击块来改变参数，如周期时间和幅度。
- 选择“复用”在库浏览器的块。连接所有的输出为“复用”，然后将其连接到“要工作区”，用来存储模拟结果块。
- 定义顶部工具栏上的“仿真停止时间”，点击按钮“
“开始模拟，其结果将在MATLAB工作区显示出来（屏幕截图4）。
“开始模拟，其结果将在MATLAB工作区显示出来（屏幕截图4）。 找到入口流入的CO 2档（P OPT），最大限度地提高生物量生产11，MATLAB的fmincon'函数和CVP（控制向量参数）12的使用变化。 图2说明了优化算法（见MATLAB编程代码中的支持材料II）。
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Representative Results
我们以前的实验分析表明，连续烟气暴露产生不利影响小球藻生长，同时降低二氧化碳曝光时间能缓解这种抑制作用13。为了更好地理解烟气流入和藻类生长的关系，我们开发的实证模型来模拟生物量生长在烟气的存在。我们假设在烟道气中含有15％的CO 2（注：从煤燃烧的典型的CO 2浓度为10-15％，而从氧燃烧电厂的烟道气具有的CO 2> 15％）。的传质和藻类的生长参数是根据表1中 。该模型模拟测试了三种方法来避免生长抑制烟气：1。保持低流速到文化，以减少传质条件。 2。通 - 断脉冲的烟气进入培养。 3。控制流入二氧化碳成分在最佳水平。
图3a）的影响，这表明，最佳的质量传递速率（K 拉 = 0.17-0.18小时-1）能够降低烟气抑制到藻类的生长。当K L a是比最佳值低或高时，藻类生长将会减少。式（4）表明通气和气体流量的减小通过培养能减少传质系数。 表2示出的流量（ 即 ，空塔速度）如何影响藻类生长。通常，低流速降低ĶLa和防止CO 2抑制到藻类生长， 如图3中所示的相同的趋势。通过生物 反应器进一步降低流速会导致质量传递系数太小，不能提供足够的CO 2用于藻类生长（ 图3b）。
其次，我们介绍了一个开关烟道-GAs脉冲模式，以克服生长抑制，如果烟道气中的传质Ķ 香格里拉是高光生物反应器（ 即 K表LA = 17小时-1）。在仿真中，我们假定藻培养物脉冲与两个不同的CO 2浓度（15％烟道气通和0.04％与大气中的CO 2的烟道气断）。优化烟道气脉冲模式下，不同的开关频率进行了测试（ 图4）。仿真结果表明，高频烟道气脉冲（开-关控制烟道气）能够促进藻类生长。 表2还表明，开-关控制模式使用比较烟道气的连续进料入反应器更少的烟气。
第三，我们计算出最大藻类生长的CO 2浓度分布。在表1中使用的模型参数，动态优化的方法显示了最优的CO 2浓度在气相中应在藻类的生长不断增加。模型模拟还表明，无论在开闭的CO 2脉冲（方法2）和最优的CO 2输入的控制（方法3）具有同等良好的促进与烟道气中的藻类生长 （ 图5）。
图1。图中的气体开关控制系统在实验室规模的。烟气的流速自然燃烧产生的由前引入藻类系统的质量流量控制系统控制。 点击这里查看大图 。
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图2。流程图的动态优化过程。 点击这里查看大图 。
图3。最终菌体浓度为12天以K 镧下连续烟道气处理的函数（CO 2，15％V / V）（a）中，与生物量生长的具有不同钾肥的La的比较：0.017小时-1（蓝线） ，0.17小时-1（黄线），和17小时-1（黑线）下连续烟气处理（CO 2，15％V / V）（
图4。 gas-on/gas-off频率对生物质生产在12天内，该模型假定微藻暴露在CO 2（15％V / V）的脉冲在不同的测试频率。 点击这里查看大图 。
图5。的生物量增长比较üNDER最佳的CO 2档（黄线），10秒的气体上/ 5分钟气体销（红线）的通断频率，通断控制在10秒的频率气体通/ 7分钟气关（绿线），通断控制在1分钟gas-on/29分钟气体断（黑线）的频率，并用含有15％的烟道气（体积/体积）的CO 2条件下（蓝色连续处理线） 点击这里查看大图 。
图6。从我们以前的论文13实验结果表明烟气脉冲对小球藻生长的影响。 。天然气上（烟气处理）;气关型（空气处理）答：10秒气开/ 7分气断，B：30分钟gas-on/30分钟气关型，C：5小时气开/ 7小时气断，D：培养摇瓶。文化制剂详情载于本协议的组成部分，而实验是在室温下进行的。 点击这里查看大图 。
| 参数 | 说明 | 值 | 单位 | 参考文献/笔记 |
| μ 最大 | 最大比生长速率 | 0.070 | 小时-1 | 14 |
| 杀敌 | 死亡率 | 0.028 | 小时-1 | 15 |
| K表s | CO 2的米氏常数 | 0.00021 | 摩尔·米-3 | 14 |
| K I | CO 2的抑制常数 | 10 | 摩尔·米-3 | 16 |
| Ķ | 光照强度米氏常数 | 14 B | μ摩尔·米-2·秒-1 | 9 |
| ķ 香格里拉 | 的CO 2的质量传递速率 | 17 | 小时-1 | 17 |
| ħ | CO 2的亨利常数 | 3202Ç | 帕·米3·摩尔-1 | 18 |
| Y S / X | 产量系数 | 100天 | （摩尔CO 2）/（千克生物量） | 19 |
| 一 | 不变 | 14.7 | M 3·公斤-1 | 9 |
| 我0 | 表面光强 | 45 E | μ摩尔光子·米-2·秒-1 | 测量 |
| 大气中的CO 2 | 大气CO 2浓度 | 0.04％ | 体积分数 | |
| CO 2的烟道气中 | CO 2浓度的烟道气中 | 15％ | 体积分数 | 假定 |
| X（0） | 初始生物量浓度 | 0.1 | 公斤·米- 3 | 假定 |
| S（0） | 最初溶解的CO 2浓度 | 0.013 | 摩尔·米- 3 | 假定 |
表1中所用的参数该模型。
K I = 10毫米，而在本研究中测试的范围是0.5-10摩尔·米-3;
b K = 1011勒克斯，这是〜14微摩尔·米-2·秒-1 20;
ÇH = 31.6个大气压·M-1;
ð4.4公斤的CO 2所需的生产1公斤生物量（干重）;
E中的测量光强度为40-50μ摩尔·米-2·秒-1;
| 表观速度/米/秒 | 初始生物量/ mg / L的 | γ= 0.2 | γ= 0.5 | γ= 0.8 | 在12天内使用总烟道气（米3 /米2） | |||
| ķ 香格里拉 /米/秒 | 最终生物量/ mg / L的 | ķ 香格里拉 /米/秒 | 最终生物量/ mg / L的 | ķ 香格里拉 /米/s | 最终生物量/ mg / L的 | |||
| 0.001 * | 100 | 4.3 | 128 | 0.54 | 149 | 0.068 | 115 | 1.0×10 3 |
| 0.01 * | 100 | 6.8 | 127 | 1.7 | 132 | 0.43 | 160 | 1.0×10 4个 |
| 0.1 * | 100 | 11 | 126 | 5.4 | 127 | 2.7 | 129 | 1.0×10 5个 |
| 1 * | 100 | 17 | 126 | 17 | 126 | 17 | 126 | 1.0×10 6个 |
| 10 * | 100 | 27 | 126 | 54 | 126 | 107 | 125 | 1.0×10 7个 |
| 10s/5min频率 | 100 | 17 | 313 | 17 | 313 | 17 | 313 | 3.3×10 4个 |
表2。生物质生长，用15％（V / V）的烟道12天根据不同表观气体流速的气体。在这个模型中，我们假设当k LA = 17（U GS）γ
*：假设CO 2是在恒定的流速连续地泵入反应器。
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Discussion
在这项研究中，我们证明了实验方案来扩大栽培藻类光生物反应器中。我们还考察了几种烟气投入，以促进藻类生长。利用传质和生物反应模型，我们表明，CO 2传质系数K 香格里拉 （由生物反应器混合条件和CO 2表观速度决定）强烈地影响着藻类生长。该模型模拟结果表明连续的通断烟气脉冲短脉冲宽度和高开关频率可以提高小球藻生长（ 即高频开关烟道气体脉冲可以支持生物量增长差不多，也是最佳的CO 2的条件下， 图5）。同时，在关断模式可以显著减少烟道气的有通过生物 反应器中（表2），从而节省了能量输送烟道气的量为藻类送土被泵送的总量通报BULLETIN。开闭气体脉冲模式可以在光生物反应器中的藻类或池塘中使用，考虑到的恒定烟气脉冲模式更容易比流入CO 2浓度的动态控制来操作。另一方面，我们已进行使用烟道气的藻类培养实验。烟道气在一个特定的通/断频率，这显然减少了烟道气的抑制效果，并提高生物量生产使用大气中的CO 2（ 图6）13进行比较，以培养物脉冲输送到光生物反应器。实验结果定性地验证了我们的模型，并确认该开-关控制烟气的是有效地提高绿藻生长。
最后，该模型研究是受一些限制。首先，该模型没有考虑直接从有毒的化合物，如SO x和 NO x的烟道气中的影响。二，日ë化学反应和平衡点在培养基中（包括CO 2，H +，OH - ，NH 3 等 ）被简化。三，模型没有考虑到的CO 2流体动力学，其中实际气体传质是不是在培养液中瞬时或均匀。但是，简化模型的方法仍然有提供优化藻类生长指引的实际应用。
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Disclosures
这些作者都没有透露。
Acknowledgments
这项研究是由美国国家科学基金会的程序（研究经验的本科生）在华盛顿大学圣路易斯分校的支持。
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 |
References
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