Summary

Otimizar Configurações de gases de combustão para promover o crescimento de microalgas em fotobiorreatores via simulações de computador

Published: October 01, 2013
doi:

Summary

De gases de combustão das usinas é um barato CO 2 fonte para o crescimento de algas. Nós construímos "gás de combustão para cultivo de algas" protótipo sistemas e descreveu como para ampliar o processo de cultivo de algas. Demonstrámos a utilização de um modelo bio-reacção de transferência de massa para simular e conceber o funcionamento óptimo do gás de combustão para o crescimento de Chlorella sp. em algas foto-biorreatores.

Abstract

De gases de combustão das usinas pode promover o cultivo de algas e reduzir as emissões de gases de efeito de estufa 1. As microalgas não só captar a energia solar de forma mais eficiente do que as plantas 3, mas também sintetizam biocombustíveis avançados 2-4. Geralmente, CO 2 atmosférico não é uma fonte suficiente para suportar o crescimento de algas máxima 5. Por outro lado, as elevadas concentrações de CO 2 nos gases de escape industriais têm efeitos adversos sobre a fisiologia das algas. Consequentemente, ambas as condições de cultura (tais como nutrientes e luz) e o controlo do fluxo dos gases de combustão para os foto-biorreatores são importantes para o desenvolvimento de um "gás de combustão para as algas" eficiente do sistema. Os pesquisadores propuseram diferentes configurações photobioreactor 4,6 e estratégias de cultivo 7,8 com gás de combustão. Aqui, apresentamos um protocolo que demonstra como usar modelos para prever o crescimento de microalgas em resposta a tarrafa configurações de gás. Nós perfORM ambos ilustração e modelo simulações experimentais para determinar as condições favoráveis ​​para o crescimento de algas, com gás de combustão. Desenvolvemos um modelo baseado em Monod, juntamente com a transferência de massa e as equações de intensidade de luz para simular o crescimento de microalgas em uma foto-biorreator homogênea. A simulação do modelo de crescimento e compara combustão algas consumos de gás sob diferentes configurações de combustão a gás. O modelo ilustra: 1) como o crescimento de algas é influenciada por diferentes coeficientes de transferência de massa volumétrica de CO 2, 2) como podemos encontrar ótima concentração de CO 2 para o crescimento de algas, através da abordagem de otimização dinâmica (DOA), 3) como podemos projetar um rectangular on-off de impulsos de gás de combustão para promover o crescimento da biomassa das algas e para reduzir o uso de gás de combustão. No lado experimental, apresentamos um protocolo para o cultivo de Chlorella sob o gás de combustão (gerada pela combustão do gás natural). Os resultados experimentais qualitativamente validar as previsões do modelo que o gás de combustão de alta freqüência puLSEs pode melhorar significativamente o cultivo de algas.

Protocol

1. O cultivo de algas e Scale-up Preparar o meio de cultura usando água desionizada contendo 0,55 g / L -1 ureia, 0,1185 g / L -1 KH 2 PO 4, 0,102 g / L -1 MgSO4 · 7H 2 O 0,015 g / L de FeSO4 · -1 7H 2 O e 22,5 microelementos ul (18,5 g / L -1 H 3 BO 3, 21,0 g / L -1 CuSO4 · 5H 2 O, 73,2 g / L -1 MnCl2 · 4H <s…

Representative Results

Nossa análise experimental anterior indica que a exposição de gases de combustão contínua afeta negativamente o crescimento Chlorella, ao diminuir o tempo de exposição CO 2 é capaz de aliviar esta inibição 13. Para entender melhor o fluxo dos gases de combustão e relacionamento crescimento de algas, desenvolvemos um modelo empírico para simular o crescimento da biomassa na presença de gases de combustão. Assumimos que o gás de combustão contém 15% de CO 2 (nota:…

Discussion

Neste estudo, demonstramos o protocolo experimental para a ampliação cultivos de algas em fotobiorreatores. Também examinamos vários métodos para entradas de gases de combustão para promover o crescimento de algas. Usando um modelo de transferência de massa e de bio-reacção, que demonstram que o coeficiente de transferência de massa de CO 2 K La (determinado por biorreactor mistura condição e CO 2 velocidade superficial) influencia fortemente o crescimento de algas. A simulaç…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este estudo é apoiado por um programa de NSF (Investigação Experiências para alunos de graduação) na Universidade de Washington em St. Louis.

Materials

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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Cite This Article
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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