This study focused on the optimization of the illumination method for efficient use of light energies in a photobioreactor. In order to investigate the effect of radiator position, a model simulation study was carried out using Synechococcus sp. PCC 6301 and an internally radiating photobioreactor as a model system. The efficiency of light transfer in a photobioreactor was analyzed by estimating the average light intensity in a photobioreactor. The simulation result, indicate that there exists an optimal position of internal radiators, and that the optimal position varies with radiator number and cell concentration. When light radiators are placed at the optimal position, the average light intensity is about 30% higher than that obtained by placing radiators at the circumstance or center of a photobioreactor. The method presented in this work may be useful for improving light transfer efficiency in a photobioreactor.
This review summarizes the recent advances in high-density algal cultures in the field of algal biotechnology. Photobioreactor engineering for economical and effective utilization of algae and its products has made impressive and promising progress. Bioprocess engineers have expedited the design and the operation of algal cultivation systems. Many of them in use today are open systems due to cost considerations, and closed photobioreactors have recently attracted a considerable attention for the production of valuable biochemicals or for special applications. For high-density cultures, the optimization of environmental factors in the photobioreactors have been explored, including light delivery, CO$_2$and O$_2$gas transfer, medium supply, mixing and temperature. It is expected that further advanced photobioreactor engineering will enable the commercialization of noble algal products within the next decade.
This study investigated a lab-scale inducing method for efficient astaxanthin accumulation. As a model system. Haematococcus pluvialis was cultivated in 2 liter bubble-column photobioreactors. The astaxanthin - inducing results using high light irradiation were compared with that of the control experiment under standard irradiation (40 ${\mu}E/m^2/s$). After the late linear growth phase (> 20 days). high light energy (230 ${\mu}E/m^2/s$) was supplied to the culture broth for astaxanthin induction. As a result. the dr γ cell weight and the astaxanthin productivity were increased up to 68% and 215%, respectively. higher than those of the control experiment. This result indicates that bubble-column type photobioreactor is a good candidate for mass cultivation of H. pluvialis and high light irradiation is an efficient induction method for astaxanthin accumulation in lab-scale bubble-column photobioreactors.
Sung, Young Joon;Kwak, Ho Seok;Choi, Hong Il;Kim, Jaoon Young Hwan;Sim, Sang Jun
Korean Chemical Engineering Research
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v.55
no.1
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pp.80-85
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2017
Recently, microalgae which can produce high-value products have attracted increasing attention for biological conversion of $CO_2$. However, low photosynthetic efficiency and productivity have limited the practical use of microalgae. Thus, we developed microdroplet photobioreactor for the analysis of photoautotrophic growth of model alga, Chlamydomonas reinhardtii. $CO_2$ transfer rate was increased by integrating micropillar arrays and adjusting height of microchamber. These results were identified by change of cell growth rate and fluorescence intensity. Lastly, the photoautotrophic growth kinetics of C. reinhardtii in microdroplet photobioreactor were investigated under different $CO_2$ concentrations and light intensities for 96 hours. As a result, microdroplet photobioreactor was efficient platform for isolation and rapid evaluation of microalgal strains which have enhanced productivity of high-value products and growth performance.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.13
no.9
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pp.4341-4348
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2012
This paper presents a web-based real-time monitoring system for a photobioreactor using an WiFi wireless network. An WiFi interface can support high speed data transfer, up to 11Mbps and it can be compatible with commercial wireless LAN environment. Thus, the proposed cell culture based on WiFi network can be easily applied to the reconfigurable system and real-time monitoring system. In this paper, we integrate the commercial WiFi module to the various bio-sensors and sensor control board to configure the wireless network. After we evaluate application S/W for monitoring the environment within incubator, we verify the proposed sensor networks for a cell culture system and its monitoring system. This result can be applicable for various bio-applications that require the network configuration and real-time monitoring system.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.25
no.3
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pp.237-243
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2016
Recently, technologies that produce biofuels from microalgae are being studied worldwide. It is necessary to significantly reduce the production costs of biofuels from microalgae for economic reasons. In this study, the growth curve of the microalgae was obtained using the batch-culture method, and the specific growth rate was predicted using the regression method. Based on the culture conditions of the estimated specific growth rate, the turbidity of the microalgae in the flat panel photobioreactor (PBR) was measured. Furthermore, an on-off control scheme was applied to the flat panel PBR in order to culture the microalgae continuously on the basis of turbidity. The parameters of the on-off control system were displayed by LabView. The on-off scheme of peristaltic pump was controlled based on the turbidity in the PBR. In addition, the turbidity values of growth curves were compared and analyzed in the continuous culture process using the on-off controller.
The study of growth characteristics for Spirulina platensis were carried out in 400 mL cylindrical photobioreactor and the effects of carbon dioxide concentration and flow rate during the growth of Spirulina platensis were investigated. The results showed that relatively low carbon dioxide concentration and high flow rate forced the growth of Spirulina platensis in experiment conditions. The pH analysis showed that different carbon dioxide concentration might form particular aqueous carbonate system in culture medium and affect the growth of Spirulina platensis. In addition, the possibility of limiting light radiation by cell density was investigated by the analysis of specific growth rate. The result intimated that the cause of decrease of specific growth rate at exponential phase was due to the limitation of light radiation by Spirulina platensis cell density in cylindrical photobioreactor.
In this study, algae cultivation using the photobioreactor has been applied to remove the nitrogen and phosphorus compounds in the wastewater of the livestock industry. The optimal ratio of nitrate and ortho-phosphate concentration was found for the enhancement of removal efficiency. To achieve the high density culture of algae, the photobioreactor consisted of optical fibers wes developed to get the sufficient light intensity. The light could be illuminated uniformly from light source to the entire reactor by the optical fibers. The structured kinetic model was proposed to describe the growth rate, consumption rate of nitrates and ortho-phosphates in algae culture. The self-organizing fuzzy logic controller incorporated with genetic algorithm was constructed to control the semi-continuous wastewater treatment system. The proposed fuzzy logic controller was applied to maintain the nitrated concentration at the given set-point with the control of wastewater feeding rate. The experimental results showed that the self-organizing fuzzy logic controller could keep the nitrate concentration and enhance algae growth.
Carbon dioxide is estimated to be responsible for 60% of the global warming effect, and this percentage is tending upward. Studies on removal and fixation of $CO_2$ in the flue gas are recognized as one of the important roles of the future biotechnology. Photobiological systems have considerably higher photosynthetic efficiency than conventional biomass system. The experiment for the photosynthetic fixation of $CO_2$ and the biomass production was performed with various initial cell concentration in a tubular photobioreactor and a bubble column $CO_2$ contactor with a gas sparger of $CO_2$ -enriched air(0.03~20%). Synechocystis PCC 6803 could grow at 10~20% $CO_2$ content under pH control. The highest specific growth rate, 0.0258 $h^{-1}$ , was obtained at 5% $CO_2$-air mixture. The maximum cell production rate, 0.2784 g/L.day, was obtained when the initial cell concentration was 0.45 g/L at 5% $CO_2$ -air mixture. The maximum cell concentration was 2.03 g/L in the tubular photobioreactor when the light intensity was $45.5{\mu}$$E/m^2$ . s. This system showed 0.482 g $CO_2$ /L . day of the $CO_2$ fixation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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