Summary
Gas di combustione delle centrali elettriche è una conveniente fonte di CO 2 per la crescita delle alghe. Abbiamo costruito "dei fumi delle alghe coltivazione" prototipo dei sistemi e descritto come scalare il processo di coltivazione algale. Abbiamo dimostrato l'utilizzo di un modello bio-reazione di trasferimento di massa per simulare e progettare il funzionamento ottimale del gas di combustione per la crescita di Chlorella sp. in alghe foto-bioreattori.
Abstract
Gas di combustione delle centrali elettriche in grado di promuovere la coltivazione delle alghe e ridurre le emissioni di gas serra 1. Le microalghe non solo di catturare l'energia solare più efficiente di piante 3, ma anche sintetizzare biocarburanti avanzati 2-4. In generale, CO 2 atmosferica non è una fonte sufficiente per sostenere la massima crescita delle alghe 5. D'altra parte, le alte concentrazioni di CO 2 nel gas di scarico industriali hanno effetti negativi sulla fisiologia delle alghe. Di conseguenza, entrambe le condizioni di coltivazione (come nutrienti e luce) e il controllo del flusso del gas effluente nei fotobioreattori sono importanti per sviluppare un efficiente "fumi per le alghe" sistema. I ricercatori hanno proposto diverse configurazioni fotobioreattori 4,6 e strategie di coltivazione 7,8 con il gas di scarico. Qui vi presentiamo un protocollo che illustra come utilizzare i modelli per prevedere la crescita di microalghe in risposta al camino impostazioni del gas. Noi Perfsia sperimentali illustrazioni e le simulazioni del modello ORM per determinare le condizioni favorevoli per la crescita delle alghe con gas di scarico. Sviluppiamo un modello basato-Monod accoppiata con trasferimento di massa e le equazioni di intensità della luce per simulare la crescita di microalghe in un omogeneo foto-bioreattore. Il modello di simulazione a confronto algali consumi di gas di crescita e di scarico sotto diverse impostazioni dei fumi. Il modello illustra: 1) come la crescita delle alghe è influenzata da diversi coefficienti di trasferimento di massa volumetriche di CO 2, 2) come possiamo trovare ottimale concentrazione di CO 2 per la crescita delle alghe attraverso l'approccio di ottimizzazione dinamica (DOA), 3) come possiamo progettare un rettangolare on-off impulsi fumi per promuovere la crescita della biomassa algale e di ridurre l'utilizzo di gas di scarico. Sul lato sperimentale, presentiamo un protocollo per la coltivazione Chlorella sotto fumi (generata dalla combustione del gas naturale). I risultati sperimentali convalidano qualitativamente le previsioni del modello che i gas di scarico ad alta frequenza puLSES possono migliorare significativamente la coltivazione delle alghe.
Protocol
1. Alghe Coltivazione e scale-up
- Preparare il terreno di coltura con acqua deionizzata contenente 0,55 g / L -1 urea, 0,1185 g / L -1 KH 2 PO 4, 0,102 g / L -1 MgSO 4 · 7H 2 O, 0,015 g / L -1 FeSO 4 · 7H 2 O e 22,5 microelementi microlitri (18,5 g / L -1 H 3 BO 3, 21.0 g / L -1 CuSO 4 · 5H 2 O, 73,2 g / L -1 MnCl 2 · 4H 2 O, 13,7 g / L -1 CoSO 4 · 7H 2 O, 59,5 g / L -1 ZnSO 4 · 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 ). Regolare il pH medio di 7-8. Sterilizzare mezzo di coltura con 0,22 micron filtro a siringa.
- Seminare Chlorella sp. da una singola colonia su una piastra di agar fresco in una scossa flask contenente 50 mL di terreno con un'ansa da inoculo sterile. Cultura alghe sotto 150 rpm e 30 ° C per sei giorni (condizioni di luce continua, flusso di fotoni = 40-50 mmol m -2 s -1). Controllo densità cellulare da uno spettrofotometro (OD 730).
- Trasferire 50 mL coltura algale (fase di crescita medio-log, OD 730> 1) in un pallone di vetro 2-L (con ~ 1 L mezzo di coltura sterilizzato). Pompa aria filtrata (o CO 2) nella coltura durante l'incubazione (per 5 giorni).
- Trasferire 1 L algale cultura in una damigiana di vetro 20-L contenente 15 L mezzo non sterilizzato cultura (in questa fase, il rischio di contaminazione microbica è piccola), poi algacoltura sotto stesse condizioni come indicato al punto 1.3.
- Mettere 15 L di coltura fresco algale (OD 730 = 2) e 85 L mezzo non sterilizzato in una photobioreactor lastra piana (dotato di diodi emettitori di luce, regolatore del calcolatore, miscela di gas, analizzatori per cellulare densità ottica, pH, ossigeno discioltogen, temperatura e sciolto CO 2). Pompare la miscela aria / gas di scarico nel bioreattore.
- Accuratamente lavare a secco fotobioreattore utilizzando etanolo al 70% dopo la raccolta della biomassa (OD 730> 20).
2. Laboratorio Dimostrazione della Flue Gas Treatment Utilizzo Piccoli Fotobioreattori
- Seminare colture algali in bottiglie di vetro (200 ml / min a medio / bottiglia, OD iniziale 730 ~ 0,3).
- Bruciare gas naturale e pompare il gas di combustione (~ 250 cm 3 min -1) attraverso un imbuto, un tubo del refrigerante, e una bottiglia di lavaggio 0,5 L (contenente acqua / calcare slurry).
- I controllori di flusso di massa controllano il flusso del gas effluente in coltura algale (Figura 1). Impulsi di gas di combustione includono due modalità: gas-on di scarico e fumi-off (pompare aria invece).
3. Modello di Sviluppo Kinetic
Il modello cinetico assume: (1) le colture sono sistema omogeneos. (2) concentrazione di CO 2 e l'intensità della luce nelle culture sono i fattori limitanti per la crescita delle alghe. (3) CO 2 pressione parziale e il suo equilibrio fase liquida con H 2 CO 3, HCO 3 - e CO 3 2 - è semplificata con la legge di Henry). Le equazioni del modello sono:
X è la biomassa (kg · m -3). S è la disciolto CO 2 (mol · m -3). P è la pressione parziale di CO 2 nella fase gassosa (Pa). p i è la pressione parziale esimo composto tossico nel gas (come NO x e SO x). P max.i è la pressione parziale del gas tossico avere inibizione globale sulla crescita della biomassa. η i è il coefficiente empirico. K s è la costante di Michaelis-Mentendi CO 2 (mol · m -3). K I è la costante di inibizione di CO 2 (mol · m -3). K è la costante di Michaelis-Menten dell'intensità luminosa (mol · m -2 · sec -1). H è la costante di Henry per la CO 2 (Pa · m 3 · mol -1). La K è la velocità di trasferimento di massa di CO 2 (ore -1). I è la media intensità della luce, mol · m -2 · sec -1, che può essere calcolato come segue (Eq. (3)) 9.
La definizione di parametri del modello è in Tabella 1. Le condizioni iniziali presuppongono che biomassa e CO 2 disciolto concentrazioni sono 100 mg / L e 13 mmol / L, rispettivamente. Il coefficiente di trasferimento di massa volumetrica può essere stimata correlazione empiricazione di bioreattore parametri 10:
P g / V è il consumo di energia del sistema areato nel bioreattore (W / m 3). u gs è la velocità superficiale del flusso di gas attraverso il bioreattore (m / sec). α, β, e γ sono costanti legati alle condizioni di miscelazione.
- Costruire un file di Simulink per la simulazione del modello (le schermate sono indicate nel materiale di supporto I).
- Scegliete File / Nuovo / Modello sull'interfaccia MATLAB per creare un modello Simulink, e aperto "Biblioteca Browser" (schermata 1).
- Scegli blocco 'sottosistema' nel browser libreria per creare le sottosistemi per l'equazione 1 e 2. Trascinare un blocco sottosistema il file del modello Simulink, cambiare il suo nome in 'equazione 1', e quindi ripetere la stessa procedura per Equazione 2.
- Collegare i due sottosistemi per rappresentare le equazioni del modello (1 e 2). Collegare l'uscita di un sottosistema all'ingresso di un altro sottosistema dalla freccia se necessario. Ad esempio, la concentrazione di CO 2 disciolta è l'Oscita nella equazione 2 sottosistema, e anche l'ingresso della Equazione 1 sottosistema.
- Utilizzare 'Pulse Generator' isolato come gli ingressi per 'Equazione 2' di simulare le CO 2 impulsi on-off; utilizzare blocco 'Constant' come valore di input luce superficie. Fare doppio clic i blocchi di modificare i parametri come il periodo di tempo e l'ampiezza.
- Scegli blocco 'Mux' nel browser biblioteca. Collegare tutte le uscite a 'Mux' e poi collegarlo al 'To Workspace' blocco che memorizza i risultati simulati.
- Definire il 'tempo di arresto di simulazione' nella barra degli strumenti superiore, fare clic sul pulsante "
"Per avviare la simulazione, ed i risultati verranno visualizzati nel workspace di MATLAB (schermata 4).
"Per avviare la simulazione, ed i risultati verranno visualizzati nel workspace di MATLAB (schermata 4). Per trovare le variazioni di afflusso di entrata CO 2 profilo (P opt) che massimizzano la produzione di biomassa 11, funzione MATLAB 'fmincon' e CVP (controllo vettoriale di parametrizzazione) 12 sono utilizzati. Figura 2 illustra l'algoritmo di ottimizzazione (vedi codici di programmazione MATLAB nel supporto Materiale II).
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Representative Results
La nostra precedente analisi sperimentali indicano che l'esposizione dei fumi continua influenza negativamente la crescita Clorella, riducendo il tempo di CO 2, l'esposizione è in grado di alleviare questa inibizione 13. Per comprendere meglio il flusso dei fumi e rapporto crescita delle alghe, sviluppiamo un modello empirico per simulare la crescita della biomassa in presenza di fumi. Partiamo dal presupposto che il gas di scarico contiene il 15% di CO 2 (nota: Il tipico concentrazione di CO 2 da combustione del carbone è del 10-15%, mentre il gas di scarico da impianti di potenza ossi-combustione ha CO 2> 15%). Il trasferimento di massa e parametri di crescita delle alghe sono basati su Tabella 1. Il modello di simulazione test tre metodi per evitare l'inibizione della crescita da gas di scarico: 1. Mantenere bassa portata nella cultura per ridurre la condizione di trasferimento di massa. 2. On-off impulsi di gas di scarico nella cultura. 3. Controllare l'afflusso di CO 2 composizioni a livello ottimale.
(Figura 3a), il che indica che ottimale velocità di trasferimento di massa (K = 0,17-0,18 La hr -1) è in grado di ridurre l'inibizione dei fumi crescita delle alghe. Se K La sia inferiore o superiore al valore ottimale, la crescita delle alghe sarà ridotta. Equazione 4 suggerisce la diminuzione del flusso di aerazione e di gas attraverso la cultura può ridurre il coefficiente di trasferimento di massa. Tabella 2 mostra come la portata (cioè, velocità superficiale) influenza la crescita delle alghe. Generalmente, portata bassa riduce K La CO 2 e previene l'inibizione della crescita algale come lo stesso andamento mostrato in Figura 3. Riducendo ulteriormente portata attraverso bioreattore farà sì che il coefficiente di trasferimento di massa troppo piccola per fornire abbastanza CO 2 per la crescita delle alghe (Figura 3b).
In secondo luogo, si introduce un on-off fumi-gas modo di impulso per superare l'inibizione della crescita se il trasferimento di massa dei gas di scarico K La è alto nel fotobioreattore (cioè K La = 17 hr -1). Nella simulazione, si assume le colture algali sono pulsate con due diverse concentrazioni di CO 2 (15% per i fumi-gas-on e il 0,04% di CO 2 atmosferica di fumi-gas-off). Per ottimizzare il modo di impulso dei fumi, diverse frequenze di intercettazione sono testati (Figura 4). La simulazione mostra che gli impulsi dei gas di scarico ad alta frequenza (controllo on-off dei gas di scarico) sono in grado di promuovere la crescita delle alghe. Tabella 2 indica anche che la modalità di controllo on-off consuma meno gas di scarico rispetto al alimentazione continua di gas di scarico nel bioreattore.
In terzo luogo, si calcola profili di concentrazione di CO 2 per la crescita delle alghe massima. Utilizzo di parametri del modello in Tabella 1, l'approccio di ottimizzazione dinamica propone i ottimali concentrazioni di CO 2 in fase gassosa dovrebbe essere aumentato costantemente durante la crescita delle alghe. Simulazione del modello mostra anche che sia le emissioni di CO 2 impulsi on-off (metodo 2) e il controllo del ottimale CO ingresso 2 (metodo 3) sono altrettanto buone di promuovere la crescita delle alghe con gas di scarico (Figura 5).
Figura 1. Schema del sistema di gas on-off su scala di laboratorio. Le portate di gas di scarico generati dalla combustione naturale sono controllati dal sistema di controllo del flusso di massa prima introdotto nel sistema algale. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .
d/50718/50718fig2.jpg "alt =" Figura 2 "width =" 500px "fo: content-width =" 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/50718/50718fig2highres.jpg "/>
Figura 2. Diagramma di flusso delle procedure di ottimizzazione dinamica. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .
Figura 3. Concentrazione della biomassa finale al giorno 12 in funzione di K La sotto trattamento fumi continuo (CO 2, 15% v / v) (a), e il confronto di crescita della biomassa con differente K La: 0.017 hr -1 (linea blu) , 0,17 h -1 (linea gialla), e 17 hr -1 (linea nera) in trattamento gas di scarico continuo (CO 2, il 15% v / v) (
Figura 4. Effetto della frequenza gas-on/gas-off sulla produzione di biomassa in 12 giorni. Il modello assume le microalghe sono esposti alle emissioni di CO 2 (15% v / v) gli impulsi a frequenze diverse testate. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .
Figura 5. Confronto di biomassa crescita under ottimale CO 2 profilo (linea gialla), la frequenza on-off di 10 sec gas-on / 5 min gas-off (linea rossa), controllo on-off ad una frequenza di 10 sec gas-on / 7 min gas- off (linea verde), controllo on-off con una frequenza di 1 min gas-on/29 min gas-off (linea nera), e il trattamento continuo con i gas di scarico che contiene il 15% (v / v) di CO 2 condizioni (blu line). Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .
Figura 6. I risultati sperimentali del nostro precedente documento 13, per mostrare l'effetto degli impulsi dei gas di scarico sulla crescita Chlorella. . (Trattamento dei fumi) Gas-on, gas-off (trattamento dell'aria) A: 10 sec gas-on / 7 min gas-off, B: 30 min min gas-on/30gas-off, C: 5 hr gas-on / 7 hr gas-off; D: coltura in agitazione fiaschi. La preparazione culturale è stato dettagliato nella parte del protocollo, e gli esperimenti sono stati condotti sotto la temperatura ambiente. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .
| Parametri | Descrizioni | Valori | Unità | Referenze / Note |
| μ max | tasso di crescita specifico massimo | 0.070 | hr -1 | 14 |
| k d | tasso di mortalità | 0.028 | hr -1 | 15 |
| K s | Michaelis-Menten costante di CO 2 | 0,00021 | mol · m -3 | 14 |
| K I | costante di inibizione di CO 2 | 10 A | mol · m -3 | 16 |
| K | Michaelis-Menten costante di intensità luminosa | 14 b | μ mol · m -2 · sec -1 | 9 |
| La K | velocità di trasferimento di massa di CO 2 | 17 | hr -1 | 17 |
| H | costante di henry di CO 2 | 3202 c | Pa · m 3 · mol -1 | 18 |
| Y S / X | Coefficiente di rendimento | 100 d | (Mol CO 2) / (biomassa kg) | 19 |
| La | Costante | 14.7 | m 3 · kg-1 | 9 |
| I 0 | intensità luminosa superficie | 45 e | μ fotoni mol · m -2 · sec -1 | misurato |
| Atmosferica di CO 2 | atmosferico concentrazione di CO 2 | 0,04% | frazione di volume | |
| CO 2 nei gas di scarico | Concentrazione di CO 2 nei fumi | 15% | frazione di volume | assunto |
| X (0) | concentrazione iniziale di biomassa | 0.1 | kg · m - 3 | assunto |
| S (0) | CO concentrazione iniziale disciolta 2 | 0.013 | mol · m - 3 | assunto |
Tabella 1. Parametri usatiil modello.
K I = 10 mm, e la gamma di prova in questo studio è 0,5-10 mol · m -3;
b K = 1.011 lux, che è ~ 14 mmol · m -2 · sec -1 20;
c H = 31,6 atm · M -1;
d 4,4 kg di CO 2 è necessaria per la produzione di 1 kg (peso a secco) di biomassa;
e L'intensità della luce misurata è di 40-50 μ mol · m -2 · sec -1;
| Velocità superficiale / m / s | Biomassa iniziale / mg / L | γ = 0.2 | γ = 0.5 | γ = 0.8 | Fumi totale utilizzata in 12 giorni (m 3 / m 2) | |||
| La K / m / s | Biomassa finale / mg / L | La K / m / s | Biomassa finale / mg / L | La K / m /s | Biomassa finale / 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 |
| Frequenza 10s/5min | 100 | 17 | 313 | 17 | 313 | 17 | 313 | 3,3 x 10 4 |
Tabella 2. Crescita della biomassa con il 15% (v / v) dei gas di scarico il giorno 12 sotto differenti velocità del flusso di gas superficiali. In questo modello, assumiamo che K La = 17 (u gs) γ
*: Supponendo che il CO 2 viene continuamente pompata nel bioreattore a portata costante.
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Discussion
In questo studio, abbiamo dimostrato il protocollo sperimentale per il salto di colture algali in fotobioreattori. Abbiamo anche esaminare diversi metodi per gli ingressi dei gas di scarico per promuovere la crescita delle alghe. Utilizzando un trasferimento di massa e il modello bio-reazione, dimostriamo che il coefficiente di CO 2 di trasferimento di massa K La (determinata dal bioreattore mescolando condizioni e CO 2 velocità superficiale) influenza fortemente la crescita delle alghe. Il modello di simulazione indica continui impulsi di gas on-off fumarie con larghezza di impulso corto e alte frequenze on-off in grado di migliorare la crescita clorella (cioè ad alta frequenza on-off impulsi dei fumi in grado di supportare la crescita di biomassa quasi come pure di CO 2 ottimali condizioni, Figura 5.). Nel frattempo, la modalità on-off può ridurre significativamente la quantità totale di gas di combustione che deve essere pompato attraverso il bioreattore (Tabella 2), che consente di risparmiare l'energia per trasportare la quantità di gas di combustione per cultiv algalezione. La modalità pulse gas on-off può essere utilizzato in foto-bioreattori o stagni di alghe, considerando che il modo di costanti impulsi dei gas di scarico è molto più facile da utilizzare rispetto controllo dinamico del flusso concentrazione di CO 2. D'altra parte, abbiamo eseguito esperimenti di coltura delle alghe utilizzando gas di combustione. Fumi vengono pulsate nei fotobioreattori ad una determinata sulla frequenza / off, che minimizza chiaramente l'effetto inibitorio dei fumi e migliora la produzione di biomassa a confronto culture utilizzando CO 2 atmosferica (Figura 6) 13. I risultati sperimentali hanno verificato qualitativamente nostro modello e confermato che il controllo on-off dei fumi è efficace per incrementare la crescita Chlorella.
Infine, questo modello studio è soggetta a molte limitazioni. In primo luogo, il modello non considera direttamente gli effetti di composti tossici come il SO x e NO x nei gas di scarico. In secondo luogo, the reazioni chimiche e equilibri nel terreno di coltura (includono CO 2, H +, OH -, NH 3, ecc) sono semplificate. Terzo, il modello non tiene conto di CO 2 fluidodinamica, dove il trasferimento effettivo massa gassosa non è istantanea o omogenea nel terreno di coltura. Tuttavia, gli approcci modello semplificato hanno ancora applicazioni pratiche per la fornitura di linee guida per ottimizzare la crescita delle alghe.
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Disclosures
Questi autori hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo studio è supportato da un programma NSF (ricerca esperienze per gli studenti universitari), alla Washington University di 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 |
References
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