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कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से photobioreactors में सूक्ष्म शैवाल विकास को बढ़ावा देने के लिए ग्रिप गैस सेटिंग्स का अनुकूलन

Published: October 1, 2013 doi: 10.3791/50718
Automatic Translation
1, 1,2, 2, 3, 1
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

Summary

बिजली संयंत्रों से ग्रिप गैस algal विकास के लिए एक सस्ते सीओ 2 स्रोत है. हम सिस्टम "खेती algal को ग्रिप गैस" प्रोटोटाइप बनाया और शैवाल की खेती की प्रक्रिया के लिए पैमाने पर करने के लिए कैसे का वर्णन किया है. हम Chlorella सपा के विकास के लिए ग्रिप गैस का इष्टतम संचालन अनुकरण करने के लिए और डिजाइन करने के लिए एक बड़े पैमाने पर स्थानांतरण जैव प्रतिक्रिया मॉडल के उपयोग का प्रदर्शन किया है. काई फोटो बायोरिएक्टर में.

Abstract

बिजली संयंत्रों से ग्रिप गैस शैवाल की खेती को बढ़ावा देने और ग्रीन हाउस गैस उत्सर्जन में 1 कम कर सकते हैं. सूक्ष्म शैवाल और अधिक कुशलता से पौधों 3 से सौर ऊर्जा पर कब्जा, लेकिन यह भी उन्नत जैव ईंधन 2-4 synthesize न केवल. आम तौर पर, वायुमंडलीय सीओ 2 अधिक से अधिक algal विकास 5 के समर्थन के लिए एक पर्याप्त स्रोत नहीं है. दूसरी ओर, औद्योगिक निकास गैसों में सीओ 2 की उच्च सांद्रता काई के शरीर क्रिया विज्ञान पर प्रतिकूल प्रभाव पड़ता है. नतीजतन, (जैसे पोषक तत्वों और प्रकाश के रूप में) दोनों की खेती की स्थिति और फोटो बायोरिएक्टर में ग्रिप गैस के प्रवाह के नियंत्रण प्रणाली "शैवाल को ग्रिप गैस" एक कुशल विकसित करने के लिए महत्वपूर्ण हैं. शोधकर्ताओं ने अलग photobioreactor विन्यास 4,6 और खेती रणनीतियों ग्रिप गैस के साथ 7,8 का प्रस्ताव किया है. यहाँ, हम गैस सेटिंग्स ग्रिप के जवाब में microalgal वृद्धि की भविष्यवाणी के लिए मॉडल का उपयोग करने के लिए दर्शाता है कि एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं. हम perfORM दोनों प्रयोगात्मक चित्रण और मॉडल सिमुलेशन ग्रिप गैस के साथ algal विकास के लिए अनुकूल परिस्थितियों का निर्धारण करने के लिए. हम एक समरूप तस्वीर bioreactor में microalgal विकास अनुकरण करने के लिए बड़े पैमाने पर स्थानांतरण और प्रकाश की तीव्रता समीकरणों के साथ मिलकर एक मोनोड आधारित मॉडल का विकास. सिमुलेशन मॉडल अलग ग्रिप गैस सेटिंग के तहत algal विकास और ग्रिप गैस की खपत तुलना. मॉडल दिखाता है: 1) कैसे algal विकास सीओ 2 के विभिन्न बड़ा जन हस्तांतरण गुणांक से प्रभावित है, 2) हम कैसे गतिशील अनुकूलन दृष्टिकोण (DOA) के माध्यम से काई के विकास के लिए इष्टतम सीओ 2 एकाग्रता पा सकते हैं, 3) कैसे हम एक डिजाइन कर सकते हैं algal बायोमास विकास को बढ़ावा देने और ग्रिप गैस के उपयोग को कम करने के लिए पर बंद ग्रिप गैस पल्स आयताकार. प्रयोगात्मक तरफ, हम (प्राकृतिक गैस दहन से उत्पन्न) ग्रिप गैस तहत Chlorella बढ़ के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं. प्रयोगात्मक परिणामों गुणात्मक मॉडल भविष्यवाणियों को मान्य कि उच्च आवृत्ति ग्रिप गैस पुlses काफी शैवाल की खेती में सुधार कर सकते हैं.

Protocol

1. शैवाल की खेती और बड़े पैमाने अप

  1. 7 2 हे, 0.015 ग्राम / एल -1 FeSO 4 · 7 · 0.55 छ / एल -1 यूरिया, 0.1185 ग्राम / एल -1 के.एच. 2 पीओ 4, 0.102 ग्राम / एल -1 4 MgSO युक्त विआयनीकृत पानी का उपयोग संस्कृति के माध्यम तैयार 2 हे और 22.5 μl microelements (18.5 ग्राम / एल -1 एच 3 बो 3, 21.0 ग्राम / एल -1 CuSO 4 · 5H 2 हे, 73.2 ग्राम / एल -1 2 MnCl · 4H ओ 2, 13.7 ग्राम / एल -1 COSO 4 · 7 2 हे, 59.5 ग्राम / एल -1 ZnSO 4 · 5H 2 हे, 3.8 ग्राम / एल -1 (एनएच 4) 6 मो 7 हे 24 · 4H 2 हे, 0.31 ग्राम / एल -1 एनएच 4 वीओ 3 ). 7-8 करने के लिए मध्यम पीएच को समायोजित करें. 0.22 सुक्ष्ममापी सिरिंज फिल्टर के माध्यम से संस्कृति के माध्यम जीवाणुरहित.
  2. Chlorella सपा टीका लगाना. एक हिला fla में एक ताजा अगर प्लेट पर एक ही कॉलोनी सेएसके एक बाँझ inoculating पाश के साथ 50 एमएल मध्यम युक्त. छह दिनों के लिए 150 rpm और 30 डिग्री सेल्सियस के तहत संस्कृति शैवाल (निरंतर प्रकाश हालत, फोटॉन प्रवाह = 40-50 μmol एम -2 सेकंड -1). एक स्पेक्ट्रोफोटोमीटर (आयुध डिपो 730) द्वारा सेल घनत्व मॉनिटर.
  3. स्थानांतरण 50 एमएल शैवाल (~ 1 एल निष्फल संस्कृति के माध्यम से) 2 एल कांच फ्लास्क में संस्कृति (1> मध्यम लॉग विकास के चरण, आयुध डिपो 730). पम्प (5 दिनों के लिए) ऊष्मायन के दौरान हवा (या सीओ 2) संस्कृति में फ़िल्टर.
  4. 1.3 चरण में कहा गया है कि एक ही शर्त के तहत तो (इस स्तर पर, माइक्रोबियल संदूषण का जोखिम छोटा है) गैर निष्फल संस्कृति के माध्यम से, संस्कृति शैवाल 15 एल युक्त एक 20 एल गिलास काबोइ में ट्रांसफर 1 एल algal संस्कृति.
  5. प्रकाश उत्सर्जक डायोड, कंप्यूटर नियंत्रक, गैस मिश्रण, सेल ऑप्टिकल घनत्व के लिए analyzers के साथ सुसज्जित एक फ्लैट प्लेट photobioreactor (में 15 एल ताजा काई संस्कृति (आयुध डिपो 730 = 2) और 85 एल गैर निष्फल मध्यम प्लेस, पीएच, ऑक्सी भंगजनरल, तापमान और भंग सीओ 2). बायोरिएक्टर में ग्रिप गैस / हवा मिश्रण पम्प.
  6. (आयुध डिपो 730> 20) बायोमास फसल के बाद 70% इथेनॉल का उपयोग अच्छी तरह से सूखे साफ photobioreactor.

2. लघु photobioreactors का प्रयोग ग्रिप गैस उपचार के प्रयोगशाला प्रदर्शन

  1. कांच की बोतलों में शैवाल संस्कृतियों (200 मिलीग्राम / मिनट मध्यम / बोतल, प्रारंभिक आयुध डिपो 730 ~ 0.3) टीका लगाना.
  2. प्राकृतिक गैस जला और एक चिमनी, एक कंडेनसर ट्यूब, और (पानी / चूना पत्थर घोल युक्त) एक 0.5 एल बोतल धोने के माध्यम से ग्रिप गैस (~ 250 सेमी 3 मिनट -1) पंप.
  3. जन प्रवाह नियंत्रकों algal संस्कृति में ग्रिप गैस प्रवाह (चित्रा 1) नियंत्रित करते हैं. ग्रिप गैस पर और ग्रिप गैस बंद (बजाय हवा पंप): ग्रिप गैस दालों दो मोड में शामिल हैं.

3. काइनेटिक मॉडल विकास

गतिज मॉडल मानता है: (1) संस्कृतियों सजातीय व्यवस्था कर रहे हैंएस. (2) संस्कृतियों में सीओ 2 एकाग्रता और प्रकाश की तीव्रता algal विकास के लिए सीमित कारक हैं. , और सीओ 3 - 2 -) हेनरी की विधि के साथ सरल है एच 2 सीओ 3, HCO 3 (3) सीओ 2 आंशिक दबाव और अपनी तरल चरण संतुलन. मॉडल समीकरणों हैं:

समीकरण 1 और 2

एक्स बायोमास (किलो · एम -3) है. एस भंग सीओ 2 (मोल · एम -3) है. पी गैस चरण (प) में सीओ 2 आंशिक दबाव है. पी मैं मैं (जैसे कोई एक्स और इसलिए एक्स के रूप में) गैस में विषाक्त यौगिक वीं के आंशिक दबाव है. पी max.i बायोमास विकास पर पूर्ण निषेध है करने के लिए विषाक्त गैस का आंशिक दबाव है. η मैं अनुभवजन्य गुणांक है. कश्मीर के Michaelis-Menten स्थिर हैसीओ 2 का (मोल · एम -3). कश्मीर मैं सीओ 2 का निषेध स्थिर (मोल · एम -3) है. कश्मीर प्रकाश की तीव्रता का Michaelis-Menten निरंतर (μmol · एम -2 · सेकंड -1) है. एच (एम 3 · मोल -1 · पा) सीओ 2 के लिए हेनरी स्थिर है. कश्मीर ला सीओ 2 (एचआर -1) की बड़े पैमाने पर स्थानांतरण दर है. मैं · रूप में इस प्रकार 9 ((3) Eq.) की गणना की जा सकती है जो एम -2 · सेकंड -1, औसत प्रकाश तीव्रता, μmol है.

3 समीकरण

मॉडल मापदंडों की परिभाषा तालिका 1 में है. प्रारंभिक स्थितियों बायोमास और भंग सीओ 2 सांद्रता क्रमशः 100 मिलीग्राम / एल और 13 μmol / एल, मानते हैं कि. बड़ा बड़े पैमाने पर स्थानांतरण गुणांक अनुभवजन्य correla से अनुमान लगाया जा सकता हैबायोरिएक्टर के लिए tion 10 पैरामीटर्स:

समीकरण 4

पी जी / वी बायोरिएक्टर में वातित प्रणाली की बिजली की खपत (डब्ल्यू / एम 3) है. यू बायोरिएक्टर (एम / सेक) के माध्यम से गैस प्रवाह की सतही वेग है जी एस. α, β, और γ शर्तों मिश्रण से संबंधित स्थिरांक हैं.

  1. मॉडल सिमुलेशन (स्क्रीन शॉट्स समर्थन सामग्री मैं में दिया जाता है) के लिए एक Simulink फ़ाइल का निर्माण.
    1. एक Simulink मॉडल बनाने के लिए MATLAB इंटरफेस पर फ़ाइल / नई / मॉडल चुनें, और खुले "पुस्तकालय ब्राउज़र" (स्क्रीन शॉट 1).
    2. समीकरण 1 और 2 के लिए उप प्रणालियों को बनाने के लिए पुस्तकालय ब्राउज़र में 'सबसिस्टम' ब्लॉक चुनें. , Simulink मॉडल फाइल करने के लिए एक उपतंत्र ब्लॉक खींचें 'समीकरण 1' के लिए इसका नाम बदल सकते हैं, और फिर 2 समीकरण के लिए एक ही चरण दोहराएँ.
      3. नोट: 1) अनुक्रम इनपुट ब्लॉक के साथ शुरू और उत्पादन ब्लॉक के साथ समाप्त करना चाहिए, 2) इसके अलावा, घटाव, गुणन, विभाजन और एकीकरण के लिए ऑपरेटर ब्लॉक सभी पुस्तकालय ब्राउज़र में पाया जा सकता है, और हम उपयोगकर्ताओं की मदद फ़ाइलों का पता लगाने का सुझाव Simulink उन्हें कैसे उपयोग को समझने के लिए, 3) अनुकूलन solver उपकरण पट्टी पर मार्ग सिमुलेशन / विन्यास पैरामीटर के माध्यम से स्थापित किया जा सकता.
    3. मॉडल समीकरण (1 और 2) का प्रतिनिधित्व करने के लिए दो उप लिंक. यदि आवश्यक हो तो तीर से अन्य उपतंत्र का निवेश करने के लिए एक उपतंत्र के उत्पादन में कनेक्ट. उदाहरण के लिए, भंग सीओ 2 एकाग्रता ओ हैutput 2 समीकरण उपतंत्र, और भी समीकरण 1 उपतंत्र के इनपुट में.
    4. पर बंद सीओ 2 दालों अनुकरण करने के लिए 'समीकरण 2' के लिए सामग्री के रूप में ब्लॉक 'जेनरेटर पल्स' का प्रयोग करें, सतह प्रकाश इनपुट मूल्य के रूप में 'निरंतर' ब्लॉक का उपयोग करें. डबल ऐसी अवधि के समय और आयाम के रूप में मानकों को बदलने के लिए ब्लॉक पर क्लिक करें.
    5. पुस्तकालय ब्राउज़र में 'Mux' ब्लॉक चुनें. 'Mux' करने के लिए सभी outputs कनेक्ट और फिर सिम्युलेटेड परिणाम है कि स्टोर ब्लॉक 'कार्यक्षेत्र के लिए' से कनेक्ट.
    6. शीर्ष उपकरण पट्टी पर 'सिमुलेशन स्टॉप समय' को परिभाषित करें, "बटन पर क्लिक करें तीर "अनुकरण शुरू करने के लिए, और परिणाम (स्क्रीन शॉट 4) MATLAB कार्यक्षेत्र में दिखाया जाएगा.
  2. इष्टतम सीओ 2 शर्तों प्रोफ़ाइल करने के लिए गतिशील अनुकूलन दृष्टिकोण को लागू करें.

    बायोमास उत्पादन 11, MATLAB 'fmincon' समारोह और CVP (नियंत्रण वेक्टर parameterization) 12 इस्तेमाल किया जाता है कि अधिकतम इनलेट आमद सीओ 2 प्रोफाइल (पी ऑप्ट) के परिवर्तन को खोजने के लिए. 2 अनुकूलन एल्गोरिथ्म दिखाता आंकड़ा (समर्थन में MATLAB प्रोग्रामिंग कोड देख सामग्री द्वितीय).

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Representative Results

हमारे पिछले प्रयोगात्मक विश्लेषण इस निषेध 13 को कम करने में सक्षम सीओ 2 जोखिम समय है कटौती करते हुए निरंतर ग्रिप गैस जोखिम प्रतिकूल, Chlorella विकास को प्रभावित करता है इंगित करता है. बेहतर ग्रिप गैस प्रवाह और algal विकास संबंधों को समझने की, हम ग्रिप गैस की उपस्थिति में बायोमास विकास अनुकरण करने के लिए एक अनुभवजन्य मॉडल विकसित करना. हम ग्रिप गैस 15% सीओ 2 (: ऑक्सी दहन बिजली संयंत्र से ग्रिप गैस सीओ 2> 15% है, जबकि कोयला दहन से ठेठ सीओ 2 एकाग्रता, 10-15% होता है) शामिल मान रही है. बड़े पैमाने पर स्थानांतरण और algal विकास मापदंडों 1 टेबल पर आधारित हैं. सिमुलेशन मॉडल ग्रिप गैस से विकास निषेध से बचने के लिए तीन तरीकों टेस्ट: 1. बड़े पैमाने पर स्थानांतरण हालत को कम करने के लिए संस्कृति में कम प्रवाह दर रखें. 2. संस्कृति में ग्रिप गैस की पर बंद दालों. 3. इष्टतम स्तर पर आमद सीओ 2 रचनाओं को नियंत्रित करें.

ला = 0.17-0.18 घंटा -1) को ग्रिप गैस अवरोध को कम करने में सक्षम है जो इंगित करता है algal विकास पर बड़े पैमाने पर स्थानांतरण दर के प्रभाव (चित्रा 3 ए), का परीक्षण algal विकास. कश्मीर ला इष्टतम मूल्य से कम या अधिक है, तो काई वृद्धि कम हो जाएगा. समीकरण 4 संस्कृति के माध्यम से वेंटिलेशन और गैस के प्रवाह की कमी से पता चलता है बड़े पैमाने पर स्थानांतरण गुणांक कम कर सकते हैं. तालिका 2 प्रवाह की दर (यानी, सतही वेग) algal विकास को प्रभावित करता है कैसे पता चलता है. आम तौर पर, कम प्रवाह दर कश्मीर ला कम कर देता है और 3 चित्र में दिखाया इसी प्रवृत्ति के रूप में काई के विकास के लिए सीओ 2 निषेध रोकता है. इसके अलावा बायोरिएक्टर के माध्यम से प्रवाह की दर को कम करने के लिए बहुत छोटा बड़े पैमाने पर स्थानांतरण गुणांक algal विकास के लिए पर्याप्त सीओ 2 (चित्रा 3 बी) प्रदान करने के लिए कारण होगा.

दूसरे, हम एक पर बंद ग्रिप-गा परिचयग्रिप गैस बड़े पैमाने पर स्थानांतरण कश्मीर ला photobioreactor (यानी कश्मीर ला = 17 घंटा -1) में उच्च है अगर विकास निषेध काबू पाने के लिए एस पल्स मोड. अनुकरण में, हम काई संस्कृतियों (ग्रिप गैस पर और ग्रिप गैस बंद के लिए वायुमंडलीय सीओ 2 के साथ 0.04% के लिए 15%) दो अलग सीओ 2 सांद्रता के साथ स्पंदित कर रहे हैं. ग्रिप गैस पल्स मोड, अलग पर बंद आवृत्तियों जांच की जाती है (चित्रा 4) के अनुकूलन के लिए. सिमुलेशन उच्च आवृत्ति ग्रिप गैस दालों (ग्रिप गैसों की पर बंद नियंत्रण) काई के विकास को बढ़ावा देने में सक्षम होते हैं कि पता चलता है. 2 टेबल भी पर बंद नियंत्रण मोड बायोरिएक्टर में ग्रिप गैस की निरंतर खिलाने के लिए की तुलना में कम ग्रिप गैस का उपयोग करता है कि इंगित करता है.

तीसरे, हम अधिक से अधिक algal विकास के लिए सीओ 2 एकाग्रता प्रोफाइल की गणना. तालिका 1 में मॉडल मापदंडों का उपयोग कर, गतिशील अनुकूलन दृष्टिकोण गैस चरण में इष्टतम सीओ 2 सांद्रता से पता चलता है लगातार algal विकास के दौरान वृद्धि की जानी चाहिए. सिमुलेशन मॉडल भी दोनों पर बंद सीओ 2 दालों (विधि 2) और इष्टतम सीओ 2 इनपुट का नियंत्रण (विधि 3) ग्रिप गैस के साथ काई के विकास को बढ़ावा देने के लिए भी उतना ही अच्छा कर रहे हैं पता चलता है कि (चित्रा 5).

चित्रा 1
चित्रा 1. प्रयोगशाला पैमाने पर गैस पर बंद नियंत्रण प्रणाली का आरेख. प्राकृतिक दहन से उत्पन्न ग्रिप गैस के प्रवाह की दर से पहले काई प्रणाली में पेश जन प्रवाह नियंत्रण प्रणाली द्वारा नियंत्रित कर रहे हैं. बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें .

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चित्रा 2. गतिशील अनुकूलन प्रक्रियाओं का चार्ट प्रवाह. बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें .

चित्रा 3
चित्रा 3. निरंतर ग्रिप गैस उपचार के तहत कश्मीर ला के एक समारोह के रूप में 12 दिन में अंतिम बायोमास एकाग्रता (सीओ 2, 15% v / v) (क), और विभिन्न कश्मीर ला के साथ बायोमास वृद्धि की तुलना: 0.017 घंटा -1 (ब्लू लाइन) , निरंतर ग्रिप गैस उपचार (सीओ 2, 15% v / v) (तहत 0.17 घंटा -1 (पीली लाइन), और 17 घंटा -1 (काला लाइन) बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें .

चित्रा 4
चित्रा 4. 12 दिनों में बायोमास उत्पादन पर gas-on/gas-off आवृत्ति का प्रभाव. मॉडल microalgae सीओ 2 अलग परीक्षण किया आवृत्तियों पर (15% v / v) दालों के संपर्क में हैं हो जाती है. बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें .

चित्रा 5
चित्रा 5. बायोमास विकास यू की तुलनाnder इष्टतम सीओ 2 प्रोफाइल (पीली लाइन), 10 सेकंड गैस पर / 5 मिनट गैस बंद (लाल रेखा) की पर बंद आवृत्ति, 10 सेकंड की एक आवृत्ति पर पर बंद नियंत्रण गैस पर / 7 मिनट गैस बंद (ग्रीन लाइन), पर बंद 1 मिनट gas-on/29 मिनट गैस बंद (काला लाइन) की एक आवृत्ति पर नियंत्रण है, और 15% से युक्त ग्रिप गैस (v / v) सीओ 2 शर्तों (नीले रंग के साथ निरंतर उपचार लाइन). बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें .

चित्रा 6
चित्रा 6. हमारे पिछले पेपर 13 से प्रायोगिक परिणामों Chlorella विकास पर ग्रिप गैस दालों का प्रभाव दिखाने के लिए. . गैस पर (ग्रिप गैस उपचार); गैस बंद (एयर उपचार) एक: 10 सेकंड गैस पर / 7 मिनट गैस बंद; बी: 30 मिनट gas-on/30 मिनटगैस बंद; सी: 5 घंटा गैस पर / 7 घंटा गैस बंद, डी: बोतल झटकों में खेती. संस्कृति तैयारी प्रोटोकॉल भाग में विस्तृत था, और प्रयोगों कमरे के तापमान के तहत आयोजित की गई. बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें .

पैरामीटर्स विवरण मान इकाइयों संदर्भ / नोट्स
μ अधिकतम अधिकतम विशिष्ट विकास दर 0.070 घंटा -1 14
कश्मीर D मृत्यु - दर 0.028 घंटा -1 15
कश्मीर है सीओ 2 का Michaelis-Menten स्थिर 0.00021 मोल · एम -3 14
कश्मीर मैं सीओ 2 का निषेध स्थिर 10 एक मोल · एम -3 16
कश्मीर प्रकाश की तीव्रता का Michaelis-Menten स्थिर 14 बी μ मोल · एम -2 · सेकंड -1 9
कश्मीर ला सीओ 2 का बड़े पैमाने पर स्थानांतरण दर 17 घंटा -1 17
एच सीओ 2 के हेनरी की निरंतर 3202 ग देहात · एम 3 · मोल -1 18
वाई एस / एक्स उपज गुणांक 100 घ (मोल सीओ 2) / (किलो बायोमास) 19
एक स्थिर 14.7 एम 3 · किलो-1 9
मैं 0 सतह से प्रकाश की तीव्रता 45 ई μ मोल फोटॉनों · एम -2 · सेकंड -1 मापा
वायुमंडलीय सीओ 2 वायुमंडलीय सीओ 2 एकाग्रता 0.04% मात्रा अंश
ग्रिप गैस में सीओ 2 ग्रिप गैस में सीओ 2 एकाग्रता 15% मात्रा अंश कल्पित
एक्स (0) प्रारंभिक बायोमास एकाग्रता 0.1 किलो · एम - 3 कल्पित
एस (0) प्रारंभिक भंग सीओ 2 एकाग्रता 0.013 मोल · एम - 3 कल्पित

तालिका 1. में इस्तेमाल किया मानकोंमॉडल.

कश्मीर मैं 10 मिमी =, और इस अध्ययन में परीक्षण रेंज · एम -3 0.5-10 मोल है;
~ 14 μmol · एम -2 · सेकंड -1 20 है जो बी कश्मीर = 1011 लक्स,;
सी एच = 31.6 एटीएम · एम -1;
सीओ 2 बायोमास की 1 किलो (सूखी वजन) के उत्पादन के लिए आवश्यक है घ 4.4 किलो;
ई मापा प्रकाश तीव्रता 40-50 · एम -2 · सेकंड -1 मोल μ है;

सतही वेग / एम / एस प्रारंभिक बायोमास / मिलीग्राम / एल γ = 0.2 γ = 0.5 γ = 0.8 12 दिनों में इस्तेमाल कुल ग्रिप गैस (एम 3/2 मीटर)
कश्मीर ला / एम / एस अंतिम बायोमास / मिलीग्राम / एल कश्मीर ला / एम / एस अंतिम बायोमास / मिलीग्राम / एल कश्मीर ला / एम /एस अंतिम बायोमास / मिलीग्राम / एल
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 10 x 7
10s/5min आवृत्ति 100 17 313 17 313 17 313 3.3 x 10 4

विभिन्न सतही गैस प्रवाह वेग के तहत 12 दिन में 15% (v / v) ग्रिप गैस के साथ तालिका 2. बायोमास विकास. इस मॉडल में, हम यह मान कश्मीर ला = 17 (यू जी एस) γ कि

*: सीओ 2 लगातार निरंतर प्रवाह दर पर बायोरिएक्टर में पंप है कि मान लिया जाये.

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Discussion

इस अध्ययन में, हम photobioreactors में काई cultivations स्केलिंग के लिए प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल प्रदर्शित करता है. हम भी काई के विकास को बढ़ावा देने के लिए ग्रिप गैस आदानों के लिए कई तरीकों की जांच. एक बड़े पैमाने पर स्थानांतरण और जैव प्रतिक्रिया मॉडल का उपयोग करना, हम सीओ 2 बड़े पैमाने पर स्थानांतरण गुणांक (बायोरिएक्टर मिश्रण हालत और सीओ 2 सतही वेग द्वारा निर्धारित) कश्मीर ला दृढ़ता से काई के विकास को प्रभावित करती है कि प्रदर्शित करता है. सिमुलेशन मॉडल कम पल्स चौड़ाई और उच्च पर बंद आवृत्तियों के साथ निरंतर पर बंद ग्रिप गैस दालों इंगित करता ग्रिप गैस दालों लगभग रूप में अच्छी तरह से इष्टतम के रूप में सीओ 2 की स्थिति, चित्रा बायोमास विकास का समर्थन कर सकते हैं पर बंद Chlorella विकास (यानी उच्च आवृत्ति में सुधार कर सकते हैं 5.). इस बीच, पर बंद मोड में काफी काई cultiv के लिए ग्रिप गैस की मात्रा के परिवहन के लिए ऊर्जा की बचत होती है जो बायोरिएक्टर (तालिका 2), के माध्यम से पंप हो गया है कि ग्रिप गैस की कुल मात्रा को कम कर सकते हैंसमझना. पर बंद गैस पल्स मोड लगातार ग्रिप गैस दालों की विधा आमद सीओ 2 एकाग्रता की गतिशील नियंत्रण से संचालित करने के लिए बहुत आसान है, विचार है कि फोटो बायोरिएक्टर या काई के तालाबों में इस्तेमाल किया जा सकता है. दूसरी ओर, हम ग्रिप गैसों का उपयोग शैवाल संस्कृति प्रयोगों का प्रदर्शन किया है. ग्रिप गैस स्पष्ट रूप से ग्रिप गैस की निरोधात्मक प्रभाव को कम करता है और वायुमंडलीय सीओ 2 (चित्रा 6) 13 का उपयोग संस्कृतियों की तुलना करने के लिए बायोमास उत्पादन जो सुधार / बंद आवृत्ति, पर एक विशिष्ट पर photobioreactors में स्पंदित कर रहे हैं. प्रयोगात्मक परिणामों गुणात्मक हमारे मॉडल सत्यापित और ग्रिप गैस की पर बंद नियंत्रण Chlorella विकास को बढ़ाने के लिए प्रभावी है कि इस बात की पुष्टि की है.

अंत में, इस मॉडल का अध्ययन कई सीमाओं के अधीन है. सबसे पहले, मॉडल सीधे इस तरह ग्रिप गैस में इतनी एक्स और कोई एक्स के रूप में विषाक्त यौगिकों से प्रभाव पर विचार नहीं करता. दूसरा, धसंस्कृति के माध्यम में ई रासायनिक प्रतिक्रियाओं और equilibriums (ओह, सीओ 2, एच + शामिल हैं -, आदि एनएच 3,) सरल कर रहे हैं. तीसरा, मॉडल सीओ खाते में वास्तविक गैसीय बड़े पैमाने पर स्थानांतरण संस्कृति के माध्यम में तात्कालिक या सजातीय नहीं है, जहां 2 द्रव गतिशीलता, नहीं ले करता है. हालांकि, सरल मॉडल दृष्टिकोण अभी भी algal विकास के अनुकूलन के लिए दिशा निर्देश प्रदान करने के लिए व्यावहारिक आवेदन किया है.

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Disclosures

इन लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.

Acknowledgments

इस अध्ययन के सेंट लुइस में वाशिंगटन विश्वविद्यालय में एक NSF कार्यक्रम (स्नातक के लिए अनुभव अनुसंधान) द्वारा समर्थित है.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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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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