Summary
Røykgass fra kraftverk er en billig CO 2 kilde for algevekst. Vi har bygget prototypen "røykgass til algedyrkings" systemer og beskrev hvordan å skalere opp alge dyrking prosessen. Vi har vist at bruken av en masse-overførings bio-reaksjonsmodell for å simulere og å utforme en optimal drift av røkgass for vekst av Chlorella sp. i alge foto-bioreaktorer.
Abstract
Røykgass fra kraftverk kan fremme algedyrking og redusere klimagassutslippene en. Mikroalger ikke bare fange solenergi mer effektivt enn planter tre, men også syntetisere avanserte biodrivstoff 2-4. Vanligvis er atmosfærisk CO 2 ikke en tilstrekkelig kilde for understøttelse av maksimal vekst av alger 5. På den annen side, de høye konsentrasjoner av CO2 i industrielle avgasser ha negative effekter på alge fysiologi. Følgelig er begge dyrkningsbetingelser (for eksempel næringsmidler og lys), og kontroll av røykgassen strømme inn i foto-bioreaktorer er viktig å utvikle en effektiv "avgass for alger" system. Forskere har foreslått ulike photobioreactor konfigurasjoner 4,6 og dyrkingsstrategier 7,8 med røykgass. Her presenterer vi en protokoll som viser hvordan du bruker modeller for å forutsi microalgal vekst i respons til røykgass innstillinger. Vi perfOrm både eksperimentelle illustrasjon og modellsimuleringer som avgjør de gunstige forhold for algevekst med røykgass. Vi utvikle en Monod-baserte modellen sammen med masseoverføring og lysintensitet ligninger for å simulere microalgal vekst i et homogent foto-bioreaktor. Modellen simulering sammenalgevekst og røykgass forbruk under forskjellige røykgass innstillinger. Modellen illustrerer: 1) hvordan algevekst påvirkes av ulike volumetriske masseoverførings koeffisienter av CO 2, 2) hvordan vi kan finne optimal CO 2-konsentrasjon for algevekst via dynamisk optimalisering tilnærming (DOA), 3) hvordan vi kan utforme en rektangulær på-av avgass puls for å fremme algebiomasseveksten og for å redusere bruken av røykgass. På den eksperimentelle side presenterer vi en protokoll for dyrking av Chlorella under røkgass (generert av naturgass forbrenning). De eksperimentelle resultatene kvalitativt validere modell spådommer om at den høye frekvensen røykgass pulses kan forbedre algedyrking.
Protocol
En. Alge Dyrking og oppskalering
- Forbered kulturmediet ved hjelp av avionisert vann som inneholder 0,55 g / L -1 urea, 0,1185 g / L -1 KH 2 PO 4, 0.102 g / L -1 MgSo4 · 7H 2 O, 0,015 g / L -1 FeSO 4 · 7H 2 O og 22,5 mL micro (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 ). Juster medium pH til 7-8. Steril kultur medium via 0,22 mikrometer sprøyte filter.
- Vaksinere Chlorella sp. fra en enkelt koloni på en frisk agarplate inn i en riste flask inneholdende 50 ml medium med en steril løkke inokulering. Kultur alger under 150 rpm og 30 ° C i seks dager (kontinuerlig lys tilstand, foton flux = 40-50 pmol m-2 sek-1). Overvåk celle tetthet av et spektrofotometer (OD 730).
- Overføring 50 ml algekultur (middels logaritmisk vekstfase, OD 730> 1) inn i en 2-L glasskolbe (med ~ 1 l sterilisert kulturmedium). Pumpe filtrert luft (eller CO2) i kulturen i løpet av inkubasjon (etter 5 dager).
- Transfer 1 L algekultur inn i en 20-L glass carboy inneholder 15 L ikke-sterilisert kultur medium (på dette stadiet, risiko for mikrobiell forurensning er liten), deretter kultur alger etter samme tilstand som nevnt i punkt 1.3.
- Plasser 15 L frisk algekultur (OD 730 = 2) og 85 L ikke-sterilisert medium til en flat plate photobioreactor (utstyrt med lysdioder, datamaskin kontrolleren, gassblanding, analysatorer for celle optisk tetthet, pH, oppløst oksygengen, temperatur og oppløst CO 2). Pump avgass / luftblandingen inn i bioreaktoren.
- Grundig rens den photobioreactor bruker 70% etanol etter biomasse innhøstingen (OD 730> 20).
2. Laboratory demonstrasjon av røykgass Treatment Bruke Små fotobioreaktorer
- Vaksinere algekulturer i glassflasker (200 ml / min medium / flaske, innledende OD 730 ~ 0,3).
- Brenne naturgass og pumpe forbrenningsgassen (250 cm ~ 3 min -1) gjennom en trakt, et kondensatorrør, og en 0,5 L vaskeflaske (inneholdende vann / kalkstein slurry).
- Den massestrøm kontrollere styre røykgasstrøm til alge-kultur (figur 1). Røykgass pulser inkluderer to moduser: røykgass-on og røykgass-off (pumpe luft i stedet).
Tre. Kinetic Model Development
Den kinetiske modellen antar: (1) kulturene er homogene systemets. (2) CO 2-konsentrasjon og lysintensitet i kulturer er begrensende faktorer for algevekst. (3) CO 2 partialtrykket og væskefase likevekt med H 2 CO 3, HCO 3 - og CO 3 2 - er forenklet med Henrys lov). Modellen ligningene er:
X er biomasse (kg · m -3). S er den oppløste CO 2 (mol · m -3). P er 2-CO-partialtrykk i gassfasen (Pa). p i er partialtrykket av I th giftige forbindelse i den gass (slik som NO og SO x x). P max.i er partialtrykket av giftig gass for å ha full hemning av veksten av biomasse. η i er den empiriske koeffisient. K s er Michaelis-Menten konstantav CO 2 (mol · m -3). K I er inhiberingskonstanten for CO 2 (mol · m -3). K er den Michaelis-Menten konstant av lysintensitet (mikromol · m -2 · sek -1). H er Henrys konstant for CO 2 (Pa · m 3 · mol -1). K La er masseoverføringshastighet på CO 2 (hr-1). Jeg er den gjennomsnittlige lysintensiteten, mikromol · m -2 · sek -1, som kan beregnes som følger (Eq. (3)) 9.
Definisjonen av modellparametere er i tabell 1. Startbetingelsene anta at biomasse og oppløst CO 2-konsentrasjoner er 100 mg / L og 13 mikromol / L, henholdsvis. Den volumetriske masseoverføringsfaktor kan estimeres ved empirisk korrelasjonsjon til bioreaktor parametere 10:
P g / V er strømforbruket i oksygenert system i bioreaktoren (W / m 3). u gs er den overfladiske hastighet av gass-strømmen gjennom bioreaktoren (m / sek). α, β, og γ er konstanter knyttet til blandeforhold.
- Konstruer en Simulink filen for modellen simulering (Skjermbildene er gitt i underlagsmaterialet jeg).
- Velg File / New / Model på MATLAB grensesnitt for å lage en Simulink modell, og åpne "Library Browser" (skjermbilde 1).
- Velg 'Subsystem' blokk i biblioteket leseren for å skape delsystemene Ligning 1 og 2. Dra ett delsystem blokk til Simulink modellen fil, endre navn til «Equation 1 ', og deretter gjenta de samme trinnene for Formel 2.
- Koble de to delsystemer til å representere modell likninger (1 og 2). Koble utgangen fra en undersystemet til inngangen på det andre undersystemet av pilen om nødvendig. For eksempel er det oppløste CO2-konsentrasjon på output i Formel 2-delsystem, og også med inngangen til ligning 1 undersystem.
- Bruk Pulse Generator 'blokk som innganger for' Equation 2 "for å simulere de on-off CO 2 pulser, bruke 'Konstant' blokk som overflaten lys inngangsverdien. Dobbelt klikk blokkene for å endre parametrene for eksempel for tid og amplitude.
- Velg 'Mux' blokk i biblioteket leseren. Koble alle utganger til 'Mux' og deretter koble den til 'Til Workspace' blokk som lagrer de simulerte resultatene.
- Definer 'Simulation stopp tid "på den øverste verktøylinjen, klikker du på knappen"
"For å starte simuleringen, og resultatene vil bli (skjermbilde 4) vist i MATLAB arbeidsområdet.
"For å starte simuleringen, og resultatene vil bli (skjermbilde 4) vist i MATLAB arbeidsområdet. For å finne endringer av inntaks tilsig CO 2-profil (P opt) som maksimerer biomasseproduksjon 11, MATLAB 'fmincon' funksjon og CVP (kontroll vektor parametrisering) 12 brukes. Figur 2 illustrerer optimalisering algoritmen (se MATLAB programmeringskoder i støtte Materiale II).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Vår tidligere eksperimentell analyse indikerer at kontinuerlig røykgass eksponering påvirker negativt Chlorella vekst, samtidig redusere CO 2 eksponeringstiden er i stand til å lindre dette hemming 13. For bedre å forstå den røykgass tilsig og algevekst forhold, utvikler en empirisk modell for å simulere biomasseveksten i nærvær av røykgass. Vi antar at røykgassen inneholder 15% CO 2 (merk: Den typiske CO 2-konsentrasjon fra forbrenning av kull er 10-15%, mens røykgassen fra oxy-combustion kraftverk har CO 2> 15%). Den masseoverføring og algevekstparametre er basert på tabell 1. Modellen simulering tester tre metoder for å unngå veksthemming av røykgass: 1. Hold lav strømningshastighet inn i kulturen for å redusere masseovergangstilstand. 2. På-av pulser av røkgass i kulturen. Tre. Styr tilsig CO 2 komposisjoner på optimalt nivå.
(figur 3a), noe som indikerer at optimal masse overføringshastighet (K La = 0,17-0,18 t -1) er i stand til å redusere avgass inhibisjon til algevekst. Hvis K La er lavere eller høyere enn den optimale verdi, vil algevekst blir redusert. Ligning 4 antyder at reduksjon av lufting og gasstrømmen gjennom kulturen kan redusere masseoverføringsfaktor. Tabell 2 viser hvordan strømningshastigheten (dvs. overflatehastighet) påvirker algevekst. Vanligvis reduserer lav strømningshastighet K La og hindrer CO 2 hemming til algevekst i den samme trend vist i figur 3.. Ytterligere reduksjon av strømningshastigheten gjennom bioreaktoren vil føre til at masseoverføringsfaktor for liten til å gi nok CO 2 for algevekst (figur 3b).
Dernest, introduserer vi en on-off flue-gas pulsmodus for å overvinne veksthemming dersom røykgass massetransport K La er høy i photobioreactor (dvs. K La = 17 t -1). I simuleringen antar vi algekulturer er pulserende med to ulike CO 2-konsentrasjoner (15% for røykgass-on og 0,04% med atmosfærisk CO 2 for røykgass-off). For å optimalisere eksospulsmodus, forskjellige på-av frekvenser er testet (Figur 4). Simuleringen viser at høyfrekvens røykgass pulser (på-av-styring av forbrenningsgassene) er i stand til å fremme algevekst. Tabell 2 viser også at på-av styremodus bruker mindre avgass sammenligne med kontinuerlig tilførsel av røkgass i bioreaktoren.
For det tredje, beregner vi CO 2 konsentrasjon profiler for maksimal algevekst. Ved hjelp av modellparametere i tabell 1, viser dynamisk optimalisering tilnærming de optimale CO2-konsentrasjoner i gassfase bør være kontinuerlig økt i algevekst. Model simulering viser også at både de på-av CO to pulser (Metode 2) og kontroll av optimal CO 2 inngang (fremgangsmåte 3) er like gode for å fremme algevekst med røkgass (Fig. 5).
Figur 1. Diagram av gassen på-av styresystemet i laboratorieskala. Strømningshastighetene for avgass generert av naturlig forbrenning kontrolleres av massestrømningsstyresystemet før innført i alge system. for å vise større bilde .
d/50718/50718fig2.jpg "alt =" Figur 2 "width =" 500px "fo: content-width =" 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/50718/50718fig2highres.jpg "/>
Figur 2. Flytskjema av dynamiske optimalisering prosedyrer. Klikk her for å se større bilde .
Figur 3. Endelig biomassekonsentrasjonen ved dag 12 som en funksjon av K La under kontinuerlig behandling av forbrenningsgass (CO2, 15% v / v) (a), og sammenligning av biomasseveksten med forskjellige K La: 0.017 t -1 (blå linje) , 0,17 t -1 (gul linje), og 17 hr -1 (sort linje) under kontinuerlig røykgassrensing (CO 2, 15% v / v) (
Figur 4. Effekt av gas-on/gas-off frekvens på biomasseproduksjon i 12 dager. Modellen forutsetter at mikroalger er utsatt for CO 2 (15% v / v) pulser på forskjellige testet frekvenser. Klikk her for å se større bilde .
Figur 5. Sammenligning av biomassevekst under optimal CO 2 profil (gul linje), en on-off-frekvensen til 10 sek gass-on / 5 min gass-off (rød linje), på-av-styring med en frekvens på 10 sek gass-on / 7 min gass av (grønn linje), på-av-styring med en frekvens på 1 min gas-on/29 min gass-off (sort linje), og kontinuerlig behandling med røkgass inneholdende 15% (v / v) CO to tilstander (blå linje). Klikk her for å se større bilde .
Figur 6. Eksperimentelle resultater fra vår forrige papiret 13 for å vise effekten av røykgass pulser på Chlorella vekst. . Gass-on (røykgassrensing), gass-off (luftbehandling) A: 10 sek gass-on / 7 min gass-off, B: 30 min gas-on/30 mingass-off, C: 5 timers gass-on / 7 hr gass-off; D: dyrking i risting kolber. Fremstillingen kulturen ble beskrevet i protokoll delen, og forsøkene ble utført under romtemperatur. for å vise større bilde .
| Parametere | Beskrivelser | Verdier | Enheter | Referanser / Merknader |
| μ max | maksimal spesifikk vekstrate | 0.070 | hr -1 | 14 |
| k d | dødelighet | 0.028 | hr -1 | 15 |
| K s | Michaelis-Menten konstant av CO 2 | 0,00021 | mol · m -3 | 14 |
| K Jeg | inhibisjonskonstant av CO 2 | 10 en | mol · m -3 | 16 |
| K | Michaelis-Menten konstant av lysintensitet | 14 b | μ mol · m -2 · sek -1 | 9 |
| K La | masse overføringshastighet på CO 2 | 17 | hr -1 | 17 |
| H | Henrys konstant av CO 2 | 3202 c | Pa · m 3 · mol -1 | 18 |
| Y S / X | avkastning koeffisient | 100 d | (Mol CO 2) / (kg biomasse) | 19 |
| A | Konstant | 14.7 | m 3 · kg-1 | 9 |
| I 0 | overflate lysintensitet | 45 e | μ mol fotoner · m -2 · sek -1 | målt |
| Atmosfærisk CO 2 | atmosfærisk CO 2-konsentrasjon | 0,04% | volumfraksjon | |
| CO 2 i røykgassen | CO 2-konsentrasjonen i avgassen | 15% | volumfraksjon | antatt |
| X (0) | innledende biomasse konsentrasjon | 0,1 | kg · m - 3 | antatt |
| S (0) | innledende oppløst CO 2-konsentrasjon | 0.013 | mol · m - 3 | antatt |
Tabell 1. Parametere brukt imodellen.
K I = 10 mm, og den testen varierer i denne studien er 0,5-10 mol · m -3;
b K = 1011 lux, som er ~ 14 mikromol · m -2 · sek -1 20;
c H = 31,6 atm · M -1;
d 4,4 kg CO 2 er nødvendig for produksjon av 1 kg (tørrvekt) av biomasse;
e Den målte lysintensiteten er 40-50 μ mol · m -2 · sek -1;
| Overflatehastighet / m / s | Initial biomasse / mg / L | γ = 0.2 | γ = 0.5 | γ = 0,8 | Total røkgass som brukes i 12 dager (m 3 / m 2) | |||
| K La / m / s | Endelig biomasse / mg / L | K La / m / s | Endelig biomasse / mg / L | K La / m /s | Endelig biomasse / 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 |
| 10s/5min frekvens | 100 | 17 | 313 | 17 | 313 | 17 | 313 | 3,3 x 10 4 |
Tabell 2. Biomasse vekst med 15% (v / v) røkgass ved dag 12 under forskjellige overfladiske gass-strømningshastigheter. I denne modellen, antar vi at K La = 17 (u gs) γ
*: Forutsatt at CO 2 er kontinuerlig pumpes inn bioreaktor ved konstant strømningshastighet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denne studien, demonstrerer vi forsøksprotokoll for å skalere opp alge cultivations i fotobioreaktorer. Vi undersøker også flere metoder for røykgass innganger for å fremme algevekst. Ved hjelp av en massetransport og bio-reaksjon modell, viser vi at CO 2 masseoverføringsfaktor K La (bestemt av bioreaktor blande tilstand og CO 2 overflatehastighet) sterkt påvirker algevekst. Modellen simuleringen indikerer kontinuerlig on-off røykgass pulser med kort puls bredde og høyt på-off frekvenser kan forbedre chlorella vekst (dvs. høy frekvens på-av røykgass pulser kan støtte biomassevekst nesten like godt som optimal CO 2 tilstander, Figur 5.). I mellomtiden kan på-av-modus i betydelig grad redusere den totale mengden av eksosgass som må pumpes gjennom bioreaktoren (tabell 2), noe som sparer energi for transport av mengden av røkgass for alge-kuasjon. The on-off gass pulsmodus kan brukes i foto-bioreaktorer eller alge dammer, med tanke på at den modusen for konstant røykgass pulser er mye enklere å betjene enn dynamisk kontroll av tilsig CO 2 konsentrasjonen. På den annen side har vi utført algekultur eksperimenter ved hjelp av røkgasser. Røykgass pulseres inn i fotobioreaktorer på et bestemt av / på-frekvens, noe som klart reduserer den hemmende effekten av avgassene og forbedrer biomasseproduksjonen sammenlignet med kulturer ved hjelp av atmosfærisk CO 2 (figur 6) 13. De eksperimentelle resultater er kvalitativt bekreftet vår modell, og bekreftet at den på-styring av røkgassene er effektiv for å øke Chlorella vekst.
Endelig er denne modellen studien gjenstand for flere begrensninger. Først gjør modellen ikke direkte vurdere effektene av giftige forbindelser som SO x og NO x i avgassen. Second, the kjemiske reaksjoner og likevekter i kulturmediet (inkluderer CO 2, H +, OH -, NH 3, osv.) er forenklet. For det tredje tillater modellen tar ikke hensyn til CO to fluiddynamikk, hvor selve gassmasseoverføring er ikke umiddelbar eller homogen i kulturmedium. Men de forenklede modellen tilnærminger har fortsatt praktiske programmer for å gi retningslinjer for å optimalisere algevekst.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Disse forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Denne studien er støttet av en NSF program (Forskning Erfaringer for Undergraduates) på i St. Louis Washington University.
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
- Granite, E. J., O'Brien, T. Review of novel methods for carbon dioxide separation from flue and fuel gases. Fuel Process. Technol. 86, 1423-1434 (2005).
- Chisti, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol. Adv. 25, 294-306 (2007).
- Li, Y., Horsman, M., Wu, N., Lan, C. Q., Dubois-Calero, N. Biofuels from microalgae. Biotechnol. Prog. 24, 815-820 (2008).
- Schenk, P., et al. Second generation biofuels: high-efficiency microalgae for biodiesel production. BioEnergy Research. 1, 20-43 (2008).
- Kumar, A., et al. Enhanced CO2 fixation and biofuel production via microalgae: recent developments and future directions. Trends Biotechnol. 28, 371-380 (2010).
- Kumar, K., Dasgupta, C. N., Nayak, B., Lindblad, P., Das, D. Development of suitable photobioreactors for CO2 sequestration addressing global warming using green algae and cyanobacteria. Bioresour. Technol. 102, 4945-4953 (2011).
- Lee, J. -N., Lee, J. -S., Shin, C. -S., Park, S. -C., Kim, S. -W. Methods to enhance tolerances of Chlorella KR-1 to toxic compounds in flue gas. Appl. Biochem. Biotechnol. 84-86, 329-342 (2000).
- Zeiler, K. G., Heacox, D. A., Toon, S. T., Kadam, K. L., Brown, L. M. The use of microalgae for assimilation and utilization of carbon dioxide from fossil fuel-fired power plant flue gas. Energy Conversion and Management. 36 (95), 707-712 (1995).
- Martínez, M. E., Camacho, F., Jiménez, J. M., Espínola, J. B. Influence of light intensity on the kinetic and yield parameters of Chlorella pyrenoidosa mixotrophic growth. Process Biochem. 32 (96), 93-98 (1997).
- Van't Riet, K. Review of measuring methods and results in nonviscous gas-liquid mass transfer in stirred vessels. Ind. Eng. Chem. Process. 18, 357-364 (1979).
- Methekar, R., Ramadesigan, V., Braatz, R. D., Subramanian, V. R. Optimum charging profile for lithium-ion batteries to maximize energy storage and utilization. ECS Trans. 25, 139-146 (2010).
- Kameswaran, S., Biegler, L. T. Simultaneous dynamic optimization strategies: Recent advances and challenges. Comput. Chem. Eng. 30, 1560-1575 Forthcoming.
- He, L., Subramanian, V. R., Tang, Y. J. Experimental analysis and model-based optimization of microalgae growth in photo-bioreactors using flue gas. Biomass Bioenergy. 41, 131-138 (2012).
- Novak, J. T., Brune, D. E. Inorganic carbon limited growth kinetics of some freshwater algae. Water Res. 19 (85), 215-225 (1985).
- Landry, M. R., Haas, L. W., Fagerness, V. L. Dynamics of microbial plankton communities experiments in Kaneohe Bay, Hawaii. Mar. Ecol. 16, 127-133 (1984).
- Silva, H. J., Pirt, S. J. Carbon dioxide inhibition of photosynthetic growth of Chlorella. J. Gen. Microbiol. 130, 2833-2838 (1984).
- Powell, E. E., Mapiour, M. L., Evitts, R. W., Hill, G. A. Growth kinetics of Chlorella vulgaris and its use as a cathodic half cell. Bioresour. Technol. 100, 269-274 (2009).
- Sawyer, C. N., McCarty, P. L., Parkin, G. F. Chemistry for environmental engineering and science. , 5th, McGraw-Hil. 144 (2003).
- Doucha, J., Straka, F., Lívanský, K. Utilization of flue gas for cultivation of microalgae Chlorella sp. in an outdoor open thin-layer photobioreactor. J. Appl. Phycol. 17, 403-412 (2005).
- Thimijan, R. W., Heins, R. D. Photometric, radiometric, and quantum light units of measure: a review of procedures for interconversion. Hortscience. 18, 818-822 (1983).
