Optimaliseer Rookgas instellingen ter bevordering van microalgen groei in fotobioreactoren via Computersimulaties
1 oktober 2013
Rookgas van energiecentrales is een goedkope CO 2 bron voor algengroei. We hebben prototype "rookgas teelt van algen" gebouwd systemen en beschreef hoe de opschaling van de algen teeltproces. We hebben het gebruik van een massa-overdracht bio-reactie model te simuleren en het ontwerp van de optimale werking van rookgas voor de groei van Chlorella sp aangetoond. in algen foto-bioreactoren.
Het algemene doel van het volgende protocol is om aan te tonen dat on-off gascontrole de groei van microalgen op flugas kan verbeteren via computationele simulaties, en om procedures voor het cultiveren en opschalen van algen te demonstreren. Dit wordt bereikt door eerst een kinetiekmodel te gebruiken om de groeicondities van microalgen te simuleren onder verschillende massaoverdrachtsnelheden op on-off gascontrolemodi en kooldioxideconcentratieprofielen die hier als modelvergelijkingen worden getoond. Vervolgens worden de procedures om algen te kweken en de lgal-cultivatie op te schalen gedemonstreerd.
Vervolgens worden de algen onder flugas gekweekt in een kleine fotobioreactor. Het flugas wordt gegenereerd door natuurlijke verbranding en de stromingssnelheden worden geregeld door een massastroomregelsysteem voordat het in het lgal-systeem wordt geïntroduceerd. Resultaten uit de modelsimulaties laten zien dat on-off gascontrole de substraatremming kan verminderen en de microalgengroei met flugas kan bevorderen.
Gas on-off gascontrole bleek ook het gebruik van flugas te verminderen en de energie-efficiëntie te verbeteren. Voor het bioproces demonstreeren we dat modelgestuurde algencultivatie met flugas algenprocessen nuttig kan zijn in de bio-energie en bioremediatievelden, zoals reductie van CO2-emissies uit industriële flugas, gas, biobrandstof of biochemische productie en verwijdering van giftige metaalionen. Over het algemeen zullen bioprocesingenieurs die nieuw zijn in modelsimulaties worstelen omdat ze veel voorwaarden moeten testen door tijdrovende experimenten.
Bijvoorbeeld, veel factoren kunnen de algengroei beïnvloeden en het is moeilijk om alle voorwaarden te onderzoeken. Met de computersimulatie kunnen we microalgencultures begrijpen en analyseren onder CO2-licht en mengomstandigheden, zodat we een optimale behandeling van flugas kunnen ontwerpen. Het demonstreren van de procedure zal door Leon Hu Amelia Chen, Yyou, ARU var, DNE, en Larry Page van het Tang-laboratorium worden gedaan.
Om deze procedure te beginnen, bereid het kweekmedium voor. Volg het recept in het bijbehorende manuscript, pas de pH van het medium aan op zeven tot acht. Steriliseer het kweekmedium met behulp van de autoclaaf.
Vervolgens inoculeert u chlorella spirulina van een enkele kolonie op een verse agarplaat in een schudfles met 50 milliliter medium met een steriele inoculatieslinger. Kweek algen bij 150 RPM en 30 graden Celsius gedurende zes dagen. Controleer de celdichtheid met behulp van een spectrofotometer wanneer de cellen in het midden zijn. Log groeifase met OD 730 groter dan één.
Breng 50 milliliter van de algencultuur over in een tweedeliter glasfles met ongeveer een liter gesteriliseerd medium. Bebroed gedurende vijf dagen en pomp flugas van natuurlijke gasverbranding in de cultuur tijdens de bebroeding. Na vijf dagen brengt u de eenliter algencultuur over in een 20 liter glazen carboy met 15 liter niet-gesteriliseerde cultuur.
Kweek algen onder dezelfde omstandigheden als eerder aangegeven gedurende zes dagen. Zes dagen later plaatst u 15 liter verse algencultuur en 85 liter niet-gesteriliseerde medium in een platte plaat fotobioreactor. In de geavanceerde kool- en energieonderzoeksfaciliteit van de universiteit is de fotobioreactor uitgerust met een verwarmings- en koelsysteem.
Lichtemitterende diodes, een computercontroller, een gasmengsel en analyzers voor cel optische dichtheid, pH, opgeloste zuurstoftemperatuur en opgelost kooldioxide. Pomp het fluegas-luchtmengsel in de bioreactor, oogst de biomassa bij OD 730 groter dan 20. Na het centrifugeren van de culturen verzamelt u de algenbiomassa en giet u deze in een bak voor verdere droging.
Na de oogst demonteren en droogt u de fotobioreactor grondig schoon met 70% ethanol. Begin deze demonstratie door algenculturen te inoculeren bij een initiële OD 730 van ongeveer 0,3 in glazen flessen met 200 milliliter medium per fles, brandt natuurlijk gas en pompt het fluegas door een trechter, een condenserbuis en een 0,5 liter wasfles met een waterkalkslurry. De stroming van het fluegas in de algencultuur wordt geregeld door de massaflowregelaars.
Fluegaspulsen omvatten twee modi, flugas aan en flugas uit, de laatste modus pompt lucht in plaats daarvan. Eerdere studies hebben aangegeven dat continue blootstelling aan flugas nadelig is voor de groei van chlorella terwijl de kooldioxideblootstelling afneemt. Tijd verlicht deze remming.
Een kinetisch model werd ontwikkeld om drie methoden te testen om groeiremming door gas te voorkomen. Eén, een lage stromingssnelheid in de cultuur om de massaoverdrachtsconditie te verminderen. Twee on-off pulsen van flugas in de cultuur.
Drie, het regelen van de instroom kooldioxidesamenstellingen op het optimale niveau. De aannames, vergelijkingen en parameters die in dit model betrokken zijn, worden hier niet gepresenteerd, maar worden besproken in de bijbehorende protocoltekst. Om te beginnen, bouwt u een Simulink-bestand voor de modelsimulatie.
Kies bestand nieuw model op de MATLAB-interface om een Simulink-model te maken en open de bibliotheekbrowser. Kies de subsystemenblokken in de bibliotheekbrowser om de subsystemen voor vergelijking één en twee te maken. Sleep één subsystemenblok naar het Simulink-modelbestand.
Verander de naam in vergelijking één en herhaal vervolgens dezelfde stappen voor vergelijking twee. Maak geschikte blokken en parameters in elk subsysteem. Dubbelklik op het vergelijking éénblok.
Kies geschikte blokken uit de bibliotheekbrowser en verbind ze met pijlen die de berekeningsvolgorde aangeven. Dubbelklik op de blokken om de parameters in te stellen en herhaal deze stappen voor het andere subsysteem. Koppel de twee subsystemen om de modelvergelijkingen één en twee te vertegenwoordigen.
Verbind de uitvoer van één subsysteem met de invoer van het andere subsysteem met een pijl indien nodig. Bijvoorbeeld, de opgeloste kooldioxideconcentratie is de uitvoer in het vergelijking twee subsysteem en ook de invoer van het vergelijking één subsysteem. Gebruik de pulsgeneratorblok als invoer voor vergelijking twee om de on-off kooldioxidepulsen te simuleren.
Gebruik een constante blok als de oppervlaktelichtinvoerwaarde. Dubbelklik op de blokken om de parameters zoals de periode
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie demonstreert het gebruik van rookgas uit elektriciteitscentrales als een kosteneffectieve bron van CO2 voor algengroei. Het beschrijft de ontwikkeling van een prototype-systeem voor algenkweek en de toepassing van een massatransport-bioreactiemodel om de groeicondities van Chlorella sp. in fotobioreactoren te optimaliseren.
Belangrijke componenten van de studie
Wetenschapsgebied
- Algenkweek
- Bioreactorontwerp
- Koolstofdioxidebenutting
Achtergrond
- Rookgas is een bijproduct van verbrandingsprocessen.
- Microalgen kunnen CO2 gebruiken voor groei, waardoor ze een potentiële oplossing vormen voor koolstofopvang.
- Het optimaliseren van de groeiomstandigheden kan de productie van algale biomassa verbeteren.
- Massaoverdrachtmodellen kunnen helpen bij het begrijpen en verbeteren van algale cultivatiesystemen.
Doel van de studie
- Om de effectiviteit van rookgas bij het bevorderen van de groei van microalgen aan te tonen.
- Om een schaalbaar kweeksystem voor algen te ontwikkelen.
- Om computationele simulaties te gebruiken voor het optimaliseren van de groeiomstandigheden.
Gebruikte methoden
- Ontwikkeling van een kinetisch model voor het simuleren van algengroei.
- Regeling van rookgasstroomsnelheden met behulp van een massastroomregelsysteem.
- Implementatie van kleine fotobioreactoren voor de kweek van algen.
- Analyse van substraatinhibitie en groeibevordering via simulaties.
Belangrijkste Resultaten
- Simulaties geven aan dat controle over de afgasstroom de groei van microalgen kan bevorderen.
- Gecontroleerde debieten van rookgassen verminderen substraatinhibitie.
- Prototypesystemen tonen succesvol algengroei aan met behulp van rookgassen.
- Resultaten ondersteunen de haalbaarheid van het opschalen van algenkweekprocessen.
Conclusies
- Rookgas is een levensvatbare CO2-bron voor de kweek van algen.
- Het optimaliseren van de gasstroom en de concentratie kan de groeisnelheid aanzienlijk verbeteren.
- Deze aanpak kan bijdragen aan duurzame koolstofvastlegging en biomassaproductie.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Dynamische controle van de toevoer van rookgas in fotobioreactoren maakt voorspellende optimalisatie van de groei van microalgen mogelijk, wat een directe impact heeft op bio-gebaseerde productiepijplijnen en koolstofbenuttingstrategieën. Modelgestuurde simulatie van gasoverdracht en pulsregimes ondersteunt mechanische risicoreductie en operationele schaalbaarheid voor de ontwikkeling van bioprocessen. Deze mogelijkheden zijn cruciaal voor het bevorderen van de generatie van duurzame grondstoffen en het integreren van koolstofvastlegging in biomanufacturing-portfolio's.
Strategische Toepassingen in Biopharma R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Het modelleren van gastransferkinetiek verduidelijkt de relatie tussen de toevoer van CO2 en biologische groeidrempels.
- Simulatiegestuurde optimalisatie vermindert de experimentele last en versnelt het toetsen van hypothesen voor procesparameters.
- Dynamische optimalisatiebenaderingen ondersteunen mechanische risicoanalyse van substraatinhibitie-effecten.
Screening & assayontwikkeling
- Gevalideerde simulatie-outputs informeren het ontwerp van schaalbare, reproduceerbare cultivatie-assays voor microalgen.
- Kwantitatieve modellering maakt standaardisatie van gasstroom en lichtomstandigheden over verschillende screeningsplatformen mogelijk.
- Het testen van pulsregimes ondersteunt een robuuste evaluatie van procesvariabelen voor downstream productie van biobrandstoffen of biochemische stoffen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- De afstemming tussen model en experiment waarborgt translationele continuïteit van simulatie naar cultivatie op pilotschaal.
- Dynamische controlestrategieën faciliteren de risico-gecorrigeerde voortgang van bioprocessen richting industriële toepassing.
- Integratie van massaoverdracht- en lichtintensiteitsmodellen ondersteunt het voorspellend vertrouwen in scale-up scenario's.
Integratie van Pipeline & Workflow
Deze simulatiegestuurde aanpak past op het snijvlak van procesontwikkeling en vroege biomanufacturing en slaat een brug tussen discovery biology en schaalbare productie.
- Discovery Biology: Maakt hypothesegestuurd testen van de effecten van CO2-toevoer op de groei van microalgen mogelijk.
- Screening: Levert kwantitatieve output voor het vergelijken van gaspulsregimes en massaoverdrachtssnelheden.
- Analytics: Levert modelgebaseerde voorspellingen van de biomassaopbrengst onder verschillende operationele instellingen.
- Translationeel Onderzoek: Ondersteunt de continuïteit van laboratoriumsimulatie naar validatie op pilotschaal.
- Enterprise Hergebruik: Vestigt een herbruikbaar modelleringskader voor het optimaliseren van gas-vloeistofbioprocessen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen in de selectie van procesparameters en biologische resultaten.
- Operationele waarde: Verbetert de standaardisatie, reproduceerbaarheid en schaalbaarheid van cultivatieprotocollen.
- Strategische waarde: Verbetert de go/no-go-besluitvorming en de kapitaalallocatie voor bioprocesontwikkeling.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van duurzame productieplatforms mogelijk.
Overwegingen bij implementatie
- Vereist expertise in kinetische modellering, massaoverdracht en de bediening van fotobioreactoren.
- Vraagt om toegang tot computationele instrumenten (bijv. MATLAB/Simulink) en analytische instrumentatie voor validatie.
- Standaardisatie van gasstroom- en lichtparameters tussen teams is essentieel voor reproduceerbaarheid.
- Aanpassing aan verschillende microalgenstammen of reactorgeometrieën kan een herkalibratie van het model vereisen.
- Modelaannames beperken directe extrapolatie naar niet-homogene systemen of systemen op industriële schaal.
Veelgestelde vragen over biofarmaceutica
Chapters in this video
0:05
Title
2:27
AlgalCultivation and Scale-up
4:53
Laboratory Demonstration of Flue Gas Treatment Using Small Photo-bioreactors
5:37
Kinetic Model Development
8:44
Results: Model Simulation Predicts Microalgal Growth in Response to Flue Gas Settings
13:49
Conclusion
