本研究では、セントルイスのワシントン大学でNSFのプログラム（学部生のための研究体験）によってサポートされています。

1。藻類培養およびスケールアップ<ol><li> 0.55グラム/ Lを含有する脱イオン水を用いて培地を調製-1尿素、0.1185グラム/ L -1 KH 2 PO 4、0.102グラム/ L -1 の MgSO 4·7H 2 O、0.015グラム/ L -1のFeSO 4·7H 2 Oおよび22.5μlの微量元素（18.5グラム/ L -1のH 3 BO 3、21.0グラム/ L -1のCuSO 4·5H 2 Oを、73.2グラム/ L -1のMnCl 2·4H 2 O、13.7グラム/ L -1のCoSO 4·7H 2 O、59.5グラム/ L -1のZnSO 4·5H 2 O、3.8グラム/ L -1（NH 4）6 Moを7 O 24·4H 2 O、0.31グラム/ L -1 NH 4 VO 3 ）。 7-8に培地のpHを調整します。 0.22μmのシリンジフィルターを介して培地を滅菌する。 </li><li> クロレラ属に接種。新鮮な寒天プレート上の単一コロニーからの手ぶれFLAへ無菌接種ループを有する50mLの培地を含むskは。 6日間、150 rpmで30℃で培養藻類（連続光条件、光子束= 40から50マイクロモルのM -2秒-1）。分光光度計（OD 730）によって細胞密度をモニターする。 </li><li>転写50mLの藻類（1〜L滅菌培地を含む）2リットルのガラスフラスコに培養物（&gt; 1中間対数増殖期、OD 730）。ポンプ（5日間）インキュベーション中の文化の中に空気（またはCO 2）を濾過した。 </li><li>段階1.3で述べたと同様の条件で、次に（この段階では、微生物汚染の危険性が小さい）非滅菌培地、培養藻類を15 Lを含む20-Lガラス製カーボイに移す1 L藻類培養物。 </li><li>平坦な発光ダイオードを備えたプレートフォトバイオリアクター（コンピュータ制御装置、ガス混合物は、細胞の光学密度分析器、pH、溶存酸素中に15 Lの新鮮な藻類培養物（OD 730 = 2）、85 Lの非滅菌媒体を配置世代、温度、溶存CO 2）。バイオリアクターに、煙道ガス/空気混合物をポンプ。 </li><li> （OD 730&gt; 20）バイオマス収穫後、70％エタノールを使用して徹底的にドライクリーニングのフォトバイオリアクター。 </li></ol> 2。小型フォトバイオリアクターを使用した排煙処理の実験室で実証<ol><li>ガラスボトル（200ミリリットル/分中/ボトル、初期OD 730〜0.3）での藻類の培養液に接種する。 </li><li>天然ガスを燃焼し、ロート、冷却管、及び（水/石灰石スラリを含む）、0.5L洗浄瓶を通して煙道ガス（〜250cm 3の分-1）をポンプ。 </li><li>マスフローコントローラは、藻類の培養への煙道ガス流（ 図1）を制御する。 排ガスオンや排ガスオフ（代わりに空気をポンプ）：排ガスパルスは2つのモードがあります。 </li></ol> 3。動力学モデルの開発動力学モデルを前提としています（1）文化が均一系であるS。 （2）培養中のCO 2濃度および光強度は藻類の成長のための制限要因である。 （3）CO 2分圧およびH 2 CO 3との液相平衡を、HCO 3 - 、およびCO 3 2 -は 、ヘンリーの法則に簡略化される）。モデル方程式は、次のとおりです。 <img alt="式（1）及び（2）" fo:content-width="4in" src="/files/ftp_upload/50718/50718eq1and2.jpg" width="500px" /> Xは、バイオマス（キロ·メートル-3）である。 Sは、溶解したCO 2（モル·M -3）である。 Pは、気相（Pa）の中のCO 2分圧である。 P 私は （そのようなNO XおよびSO Xなどの）ガス中の有害化合物を番目の分圧である。のP max.iは、バイオマスの成長に完全な阻害を持っている有毒ガスの分圧である。 η 私は経験的な係数である。 K Sはミカエリス·メンテン定数であるCO 2の量（モル·M -3）。 K Iは、CO 2（モル·mで-3）の阻害定数である。 Kは、光強度のミカエリス·メンテン定数（μモル·メートル-2·秒-1）である。 Hはヘンリー定数のCO 2（PA·M 3·モル-1）のためである。 K Laは CO 2の物質移動速度（時間-1）である。私は平均光強度であり、μモル·メートル-2·秒-1、次のように計算することができます（式（3））9。 <img alt="式3" fo:content-width="4in" src="/files/ftp_upload/50718/50718eq3.jpg" width="500px" />モデルパラメータの定義は、表1にある。初期条件は、バイオマスを想定し、CO 2の濃度に溶解し、それぞれを100mg / Lおよび13モル/ Lである。物質移動容量係数は、経験的相関によって推定することができるバイオリアクターへのTiONは10パラメータ： <img alt="式4" fo:content-width="4in" src="/files/ftp_upload/50718/50718eq4.jpg" width="500px" /> P gは / Vは、バイオリアクター内の曝気システムの消費電力（W / m 3）である。 uは、バイオリアクター（10m /秒）を通るガス流の表面速度でgsを 。 α、β、γは、混合条件に関連する定数である。 <ol><li>モデルシミュレーション（スクリーンショットは、支持材料、私に与えられている）のためのSimulinkのファイルを作成します。 <ol><li> Simulinkモデルを作成するためのMATLABインターフェイスでファイル/新規作成/モデルを選択し、[開く]「ライブラリブラウザー」（スクリーンショット1）。 </li><li>式1および2のためのサブシステムを作成するために、ライブラリ·ブラウザの「サブシステム」のブロックを選択してください。 、Simulinkモデルファイルに1 Subsystemブロックをドラッグして、「式1」に社名を変更してから、式（2）に同じ手順を繰り返します。 </li><l私は&gt;各サブシステム内の適切なブロックおよびパラメータを作成します（スクリーンショット3）。ダブルダブルのパラメータを設定するためのブロックをクリックして、他のサブシステムのためにこれらのステップを繰り返して、ライブラリブラウザから適切なブロックを選択し、計算順序を表す矢印、それらを接続し、「式1」のブロックをクリックします。 注：1）シーケンスが入力ブロックで開始し、出力ブロックを締結すべきである、2）、加算、減算、乗算、除算、および統合のためのオペレータ·ブロックは、すべてのライブラリのブラウザで見つけることができ、我々は、ユーザーがヘルプファイルのを探る示唆Simulinkは、それらを使用する方法を理解するために、3）最適化ソルバーは、ツールバー上の経路シミュレーション/設定パラメータを使用して設定することができます。 </li><li>モデル方程式（1および2）を表現するために2サブシステムをリンクします。必要に応じて矢印で他のサブシステムの入力に1サブシステムの出力を接続します。例えば、溶存CO 2濃度はoです式2サブシステム内utputなど、また式（1）サブシステムの入力。 </li><li>面発光入力値として&#39;定数&#39;ブロックを使用し、オン·オフのCO 2パルスをシミュレートするために、「式2」の入力としてブロック「ジェネレータパルス」を使用してください。重な周期時間と振幅などのパラメータを変更するには、ブロックをクリックします。 </li><li>ライブラリ·ブラウザの「マルチプレクサ」のブロックを選択してください。 「マルチプレクサ」に、すべての出力を接続して、シミュレートされた結果を格納するブロック「ワークスペースへ」に接続します。 </li><li> 「上部のツールバーにある「シミュレーション停止時間 &#39;を定義、ボタンをクリックしてください<img src="/files/ftp_upload/50718/playarrow.jpg" alt="矢印" width="10px" fo:content-width="0.1in" fo:src="/files/ftp_upload/50718/playarrow.jpg" /> 「シミュレーションを開始するには、その結果が（スクリーンショット4）MATLABワークスペースに表示されます。 </li></ol></li><li>最適なCO 2の条件をプロファイルする動的最適化手法を適用します。 </李&gt; </ol> 12が使用されているバイオマス生産11を最大入口流入CO 2のプロファイル（のP OPT）、MATLABの「fminconを&#39;機能とCVP（制御ベクトルパラメータ）の変更を検索します。 図2は、最適化アルゴリズムは、（支援するMATLABプログラミングのコードを参照してください。説明材料II）。

<ol>
	<li>Granite, E. J., O'Brien, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+novel+methods+for+carbon+dioxide+separation+from+flue+and+fuel+gases.">Review of novel methods for carbon dioxide separation from flue and fuel gases.</a> Fuel Process. Technol. 86, 1423-1434 (2005).</li><li>Chisti, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biodiesel+from+microalgae.">Biodiesel from microalgae.</a> Biotechnol. Adv. 25, 294-306 (2007).</li><li>Li, Y., Horsman, M., Wu, N., Lan, C. Q., Dubois-Calero, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biofuels+from+microalgae.">Biofuels from microalgae.</a> Biotechnol. Prog. 24, 815-820 (2008).</li><li>Schenk, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Second+generation+biofuels:+high-efficiency+microalgae+for+biodiesel+production.">Second generation biofuels: high-efficiency microalgae for biodiesel production.</a> BioEnergy Research. 1, 20-43 (2008).</li><li>Kumar, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+CO2+fixation+and+biofuel+production+via+microalgae:+recent+developments+and+future+directions.">Enhanced CO2 fixation and biofuel production via microalgae: recent developments and future directions.</a> Trends Biotechnol. 28, 371-380 (2010).</li><li>Kumar, K., Dasgupta, C. N., Nayak, B., Lindblad, P., Das, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+suitable+photobioreactors+for+CO2+sequestration+addressing+global+warming+using+green+algae+and+cyanobacteria.">Development of suitable photobioreactors for CO2 sequestration addressing global warming using green algae and cyanobacteria.</a> Bioresour. Technol. 102, 4945-4953 (2011).</li><li>Lee, J. -. N., Lee, J. -. S., Shin, C. -. S., Park, S. -. C., Kim, S. -. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methods+to+enhance+tolerances+of+Chlorella+KR-1+to+toxic+compounds+in+flue+gas.">Methods to enhance tolerances of Chlorella KR-1 to toxic compounds in flue gas.</a> Appl. Biochem. Biotechnol. 84-86, 329-342 (2000).</li><li>Zeiler, K. G., Heacox, D. A., Toon, S. T., Kadam, K. L., Brown, L. 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R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimum+charging+profile+for+lithium-ion+batteries+to+maximize+energy+storage+and+utilization.">Optimum charging profile for lithium-ion batteries to maximize energy storage and utilization.</a> ECS Trans. 25, 139-146 (2010).</li><li>Kameswaran, S., Biegler, L. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+dynamic+optimization+strategies:+Recent+advances+and+challenges.">Simultaneous dynamic optimization strategies: Recent advances and challenges.</a> Comput. Chem. Eng. 30, 1560-1575 .</li><li>He, L., Subramanian, V. R., Tang, Y. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+analysis+and+model-based+optimization+of+microalgae+growth+in+photo-bioreactors+using+flue+gas.">Experimental analysis and model-based optimization of microalgae growth in photo-bioreactors using flue gas.</a> Biomass Bioenergy. 41, 131-138 (2012).</li><li>Novak, J. T., Brune, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inorganic+carbon+limited+growth+kinetics+of+some+freshwater+algae.">Inorganic carbon limited growth kinetics of some freshwater algae.</a> Water Res. 19 (85), 215-225 (1985).</li><li>Landry, M. R., Haas, L. W., Fagerness, V. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+of+microbial+plankton+communities+experiments+in+Kaneohe+Bay,+Hawaii.">Dynamics of microbial plankton communities experiments in Kaneohe Bay, Hawaii.</a> Mar. Ecol. 16, 127-133 (1984).</li><li>Silva, H. J., Pirt, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+dioxide+inhibition+of+photosynthetic+growth+of+Chlorella.">Carbon dioxide inhibition of photosynthetic growth of Chlorella.</a> J. Gen. Microbiol. 130, 2833-2838 (1984).</li><li>Powell, E. E., Mapiour, M. L., Evitts, R. W., Hill, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Growth+kinetics+of+Chlorella+vulgaris+and+its+use+as+a+cathodic+half+cell.">Growth kinetics of Chlorella vulgaris and its use as a cathodic half cell.</a> Bioresour. Technol. 100, 269-274 (2009).</li><li>Sawyer, C. N., McCarty, P. L., Parkin, G. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Chemistry for environmental engineering and science. , 144 (2003).</li><li>Doucha, J., Straka, F., L&#237;vansk&#253;, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Utilization+of+flue+gas+for+cultivation+of+microalgae+Chlorella+sp.+in+an+outdoor+open+thin-layer+photobioreactor.">Utilization of flue gas for cultivation of microalgae Chlorella sp. in an outdoor open thin-layer photobioreactor.</a> J. Appl. Phycol. 17, 403-412 (2005).</li><li>Thimijan, R. W., Heins, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photometric,+radiometric,+and+quantum+light+units+of+measure:+a+review+of+procedures+for+interconversion.">Photometric, radiometric, and quantum light units of measure: a review of procedures for interconversion.</a> Hortscience. 18, 818-822 (1983).</li></ol>

これらの著者は、開示することは何もありません。

本研究では、フォトバイオリアクターで藻類の栽​​培を拡大するための実験プロトコルを示しています。我々はまた、藻類の成長を促進するための排煙入力するためのいくつかの方法を検討する。物質移動およびバイオ反応モデルを用いて、CO 2物質移動係数（バイオリアクター混合条件及びCO 2空塔速度によって決定される）K Laが強く藻類の成長に影響を与えるこ?...

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="636">
	<tbody>
		<tr height="21"> 
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">Spectrophotometer</td>
			<td style="width:212px;">Thermal Scientific, Texas USA</td>
			<td style="width:212px;"> </td>
		</tr>
		<tr height="39">
			<td height="39" style="height:39px;width:212px;">CO2 gas analyzer</td>
			<td style="width:212px;">LI-COR, Biosciences, Nebraska USA</td>
			<td style="width:212px;"> </td>
		</tr>
		<tr height="39">
			<td height="39" style="height:39px;width:212px;">Mass flow controllers</td>
			<td style="width:212px;">OMEGA Engineering INC, Connecticut USA</td>
			<td style="width:212px;">FMA5416</td>
		</tr>
		<tr height="58">
			<td height="58" style="height:58px;width:212px;">Data acquisition card</td>
			<td style="width:212px;">Measurement Computing Corporation, Massachusetts USA</td>
			<td style="width:212px;">USB-1208FS</td>
		</tr>
		<tr height="39">
			<td height="39" style="height:39px;width:212px;">Filters</td>
			<td style="width:212px;">Aerocolloid LLC, Minnesota USA</td>
			<td style="width:212px;"> </td>
		</tr>
		<tr height="39">
			<td height="39" style="height:39px;width:212px;">MATLAB/Simulink</td>
			<td style="width:212px;">Mathworks, Massachusetts USA</td>
			<td style="width:212px;">R2010a</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">Glass bottles</td>
			<td style="width:212px;">Fisher USA</td>
			<td style="width:212px;"> </td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

optimize flue gas settings to promote microalgae growth in photobioreactors via computer simulations

発電所からの煙道ガスは、藻類の培養を促進し、温室効果ガスの排出量を低減することができる1。微細藻類は、より効率的に植物3よりも太陽エネルギーを取り込むだけでなく、高度なバイオ燃料2-4を合成するだけでなく。一般的には、大気中のCO 2は、最大の藻類の成長5をサポートするための十分なソースではありません。一方、工業排気ガス中のCO 2の高濃度の藻類生理学に悪影響を与える。従って、（例えば、栄養素および光など）の両方の培養条件および光バイオリアクターへの煙道ガス流の制御は、システムを「藻類する煙道ガス「効率を開発することが重要である。研究者は、煙道ガスと異なるフォトバイオリアクタ構成4,6と7,8培養戦略を提案している。ここでは、排ガスの設定に応じて、微細藻類の成長を予測するためにモデルを使用する方法を示したプロトコルを提示する。私たちは、PERF煙道ガスとの藻類の成長のための有利な条件を決定するために、両方の実験的例証とモデルシミュレーションをORM。我々は、均一な光バイオリアクターでの微細藻類の成長をシミュレートするために、物質移動および光強度の方程式と相まってモノーベースのモデルを開発する。モデルシミュレーションは、さまざまな排煙設定で藻類の成長と煙道ガス消費量を比較します。モデルは示しています。1）どのように藻 ​​類の成長をCO 2の異なる物質移動容量係数に影響されます。2）どのように我々は、動的な最適化アプローチ（DOA）を介して藻類の成長のための最適なCO 2濃度を見つけることができます。3）どのようにして設計することができます藻類バイオマスの成長を促進し、煙道ガスの使用量を減らすためにオンオフ排ガスパルス矩形。実験面では、（天然ガスの燃焼によって生成される）、煙道ガスの下でクロレラを成長させるためのプロトコルを提示する。実験結果は、定性的にモデル予測を検証し、その高周波排ガスのPU小売り供給が大幅に藻類の栽培を向上させることができます。

我々の以前の実験的分析は、この阻害が13を軽減することができるCO 2露光時間を減少させながら、連続される煙道ガス暴露悪影響、 クロレラの成長に影響を与えることを示している。良好な煙道ガスの流入、藻類の成長の関係を理解するために、我々は、煙道ガスの存在下でのバイオマス成長をシミュレートするための経験的モデルを開発する。私たちは、煙道ガス15...

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Optimize Flue Gas Settings to Promote Microalgae Growth in Photobioreactors via Computer Simulations

発電所からの煙道ガスは、藻類の成長のための安価なCO 2源である。私たちは、システム「栽培藻類する煙道ガス」のプロトタイプを構築し、藻類培養工程をスケールアップする方法を説明してきました。我々は、Chlorella種の成長のための煙道ガスの最適な動作をシミュレートし、設計するために、物質移動のバイオ反応モデルの使用を実証した。藻類のフォトバイオリアクター中。

計算機シミュレーションを通してフォトバイオリアクターで藻類の成長を促進するために排煙設定を最適化

Flue gas from power plants can promote algal cultivation and reduce greenhouse gas emissions1. Microalgae not only capture solar energy more efficiently ...

optimize-flue-gas-settings-to-promote-microalgae-growth

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Environment

14.2K ビュー.  Washington University in St. Louis, St. Louis. 発電所からの煙道ガスは、藻類の成長のための安価なCO 2源である。私たちは、システム「栽培藻類する煙道ガス」のプロトタイプを構築し、藻類培養工程をスケールアップする方法を説明してきました。我々は、Chlorella種の成長のための煙道ガスの最適な動作をシミュレートし、設計するために、物質移動のバイオ反応モデルの使用を実?...