$CO_2$fixation by microalgae has emerged as a promising option for $CO_2$mitigation. In-tensive research work has been carried out to develop a feasible system for removing $CO_2$from industrial exhaust gases. However, there are still several challenging points to overcome in order to make the process more practical. In this paper, recent research activities on three key technologies of biological $CO_2$fixation, an identification of a suitable algal strain, development of high efficient photobioreactor and utilization of algal cells produced, are described. Finally the barriers, progress, and prospects of commercially developing a biological $CO_2$fixation process are summarized.
To obtain informations for construction of a mass culture system, factors affecting on the specific growth rate of marine Chlorella sp. purchased from the Chungmu Laboratory of the South Sea Fisheries Institute, the National Fisheries Research and Development Agency were investigated using a vertical tubular photobioreactor (VT-PBR) system. Optimal temperature, illumination intensity, air- and $CO_{2-}$ flow rate for Chlorella sp. were $20^{\circ}C$, 6,000 lux, 0,56 vvm and 0.028 vvm, respectively.
Kim, So Hee;Lee, Ui Hun;Lee, Sang Baek;Jeong, Gwi-Taek;Kim, Sung-Koo
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.31
no.3
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pp.456-463
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2021
In this study, the culture conditions for Porphyridium cruentum were optimized to obtain the maximum biomass and lipid productions. The eicosapentaenoic acid content was increased by pH optimization. P. cruentum was cultured with modified F/2 medium in 14-L photobioreactors using a two-phase culture system, in which the green (520 nm) and red (625 nm) light-emitting diodes (LEDs) were used during the first and second phases for biomass production and lipid production, respectively. Various parameters, including aeration rate, light intensity, photoperiod, and pH were optimized. The maximum biomass concentration of 0.91 g dcw/l was obtained with an aeration rate of 0.75 vvm, a light intensity of 300 μmol m-2s-1, and a photoperiod of 24:0 h. The maximum lipid production of 51.8% (w/w) was obtained with a light intensity of 400 μmol m-2s-1 and a photoperiod of 18:6 h. Additionally, the eicosapentaenoic acid and unsaturated fatty acid contents reached 30.6% to 56.2% at pH 6.0.
Optimal culture conditions of Spirulina platensis NIES 39 have been established using different types of light sources. Several types of photobioreactors were designed and the increase of biomass, the amount of $CO_2$, fixation and the production of chlorophyll content were studied. The result revealed that the input conditions of a 10 min period per 4 h at the condition of 5% $CO_2$ and 0.1 vvm, were excellent in the growth. The growth showing the maximum biomass accumulation is limited to 1.411 g/L when using the fluorescent bulb and the low powered surface mount device (SMD) type LEDs which were equipped-inside in the photobioreactor. However, the biomass exceeded up to 1.758 g/L level when a high powered red LED (color temperature : 12000 K) photobioreactor system was used. The $CO_2$ fixation speed and rate were increased. Although the total production of chlorophyll content undergoes a proportional increase in the biomass, the net content per dry cell weight (DCW) showed the higher production with a blue LED (color temperature : 7500 K) light than that of any other wavelengths. The carbon dioxide loss was marked as 0.15% of the inlet gas (5% $CO_2/Air$, v/v) at the maximum biomass culture condition.
Removal rates of hydrogen sulfide were investigated to known effects of several light sources with external and internal irradiation on the desulfurization using C. thiosulfatophilum. In the case of internal illumination system, optical-fiber photobioreactor was applied to increase the light availability. Furthermore, sunlight was used as the main light energy in the daytime and metal-halide lamp was applied as an additional light energy at night. Light energy of 99% was saved by the application of the LED's array in comparison with the incandescent light source. $H_2S$ removal rates at 5,000 lux in a 4-L photobioreactor were shown as 0.040, 0.138, 0.136, and 0.134 (${\mu}mol$$H_2S/min$)/(mg protein/L), respectively, in the following order of light sources, when several light sources such as fluorescent, energy-saving, incandescent, halogen lamp, and filtered light at 460 nm were applied. Removal rate per unit cell concentration with the internal light diffused optical-fibers increased about 1 six times as much as that with the external light sources. Removal rate per unit cell concentration, using sunlight in the daytime and a metal-halide lamp at night, was 0.41 less than 0.869 (${\mu}mol$$H_2S/min$)/(mg protein/L) using a 400 W metal-halide lamp day and night, since the automatic sunlight collection system can transmit the light intensity as only 10% of that with a metal-halide lamp.
Park, Gi Chan;Kim, Hun;Shin, Seong Seon;Shin, Hyun Keel;Kim, Jongtye;Jeong, Sanghwa;Park, Jong Rak
Korean Journal of Optics and Photonics
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v.23
no.2
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pp.55-63
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2012
We present results of optical design and fabrication of a light guiding plate (LGP) to be used as an illumination system for photobioreactors. Modeling of a light-emitting diode (LED) light source, a reflection film, and LGP patterns was performed. Especially, the LGP patterns were modeled as Lambertian scatterers. The modeling parameters (reflectance, scatterer width) were determined through matching simulations with the experimentally measured illuminance distribution for a test LGP. An LGP for an LED light source was designed with the extracted model parameters, and fabricated using a computerized numerical control machine. Optical characteristics including average illuminance and uniformity of illuminance distribution were measured for the fabricated LGP.
In this paper, we report the results of a study on the design and fabrication of a light-guiding plate (LGP) using a hybrid light-emitting diode (LED) and sunlight source that can be applied to a photobioreactor. LGP patterns for the LED source were designed and engraved on an LGP, together with previously reported patterns for a sunlight source. A control system for the hybrid LGP was designed to maintain the output photon flux density (PFD) from the LGP at a constant value. When the target value of the output PFD was set to $70{\mu}E/(m^2{\cdot}s)$, the error range of the output PFD was found to be within ${\pm}2%$.
The effects of culture depth (2-10 cm) and cell density on the growth rate and biomass productivity of Chlorella sp. XQ-200419 were investigated through the use of a self-designed open circular pond photobioreactor-imitation system. With increases in culture depths from 2 to 10 cm, the growth rate decreased significantly from 1.08 /d to 0.39 /d. However, the biomass productivity only increased slightly from 8.41 to 11.22 $g/m^2/d$. The biomass productivity (11.08 $g/m^2/d$) achieved in 4 cm culture with an initial $OD_{540}$ of 0.95 was similar to that achieved in 10 cm culture with an initial $OD_{540}$ of 0.5. In addition, the duration of maximal areal productivity at a 4 cm depth was prolonged from 1 to 4 days, a finding that was also similar to that of the culture at a 10 cm depth. In both cases, the initial areal biomass densities were identical. Based on these results and previous studies, it can be concluded that the influence of culture depth and cell density on areal biomass productivity is actually due to different areal biomass densities. Under suitable conditions, there are a range of optimal biomass densities, and areal biomass productivity reaches its maximum when the biomass density is within these optimal ranges. Otherwise, biomass productivity will decrease. Therefore, a key factor for high biomass productivity is to maintain an optimal biomass density.
This study attempted to improve the growth of the freshwater microalgae, Parachlorella kessleri, through the sequential optimization of culture conditions. This attempt aimed to enhance the microalgae's ability to fixate atmospheric CO2. Culture temperature and light intensity appropriate for microalgal growth were scanned using a high-throughput photobioreactor system. The supplied air flow rate varied from 0.05 to 0.3 vvm, and its effect on the growth rate of P. kessleri was determined. Next, sodium phosphate buffer was added to the culture medium (BG11) to enhance CO2 fixation by increasing the availability of CO2(HCO3-) in the culture medium. The results indicated that optimal culture temperature and light intensity were 20℃-25℃ and 300 μE/m2/s, respectively. Growth rates of P. kessleri under various air flow rates highly depended on the increase of the culture's flow rate and pH which determines CO2 availability. Adding sodium phosphate buffer to BG11 to maintain a constant neutral pH (7.0) improved microalgal growth compared to control conditions (BG11 without sodium phosphate). These results indicate that the CO2 fixation rate in the air could be enhanced via the sequential optimization of microalgal culture conditions.
Purpose: Building owners or residents have concerns to strive for energy-saving and environmental conservation by utilizing with eco-friendlier energy resources for their physical environment. In this paper, an algae façade system is proposed as an energy-friendly building component to improve energy productivity and indoor environmental quality, and this study aims at verifying alternative technologies for implementing building elevations that contain various colors equipped with algae façade systems and suggesting design guidelines to enhance both building performance and design values. Method: The color of algae is basically ranged about the saturation green, and it is hardly converted to other variations. Such a problem can be resolved through the artificial lights like LED (Light Emitting Diode) lamps to mix the color from the algae and buildings could possibly change the elevation in many ways under the influence of daylight. Result: As a result, the suggested system may increase the aesthetic aspect of the building in response to environmental changes. The system cannot possibly be applied for only new construction, but also it can be utilized with the existing buildings as well. The proposed system is expected to be applied not only a new construction and any existing buildings as well, and it will cover from the environmentally friendly energy generation in the industry to a new application system for increasing energy efficiency and the beauty of building envelopes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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