Optimizing Light Distributions in a Membrane Photobioreactor via Optical Fibers To Enhance CO₂ Photobiochemical Conversion by a Scenedesmus obliquus Biofilm

Abstract

Aiming at elevating Scenedesmus obliquus biofilm growth from the perspectives of CO 2 transfer enhancement and light delivery optimization, a membrane-based photobioreactor with built-in optical fibers (OF-GP-BPBR) was proposed in this work. In particular, the S. obliquus biofilm attached to the membrane featured by gas permeability could directly assimilate the CO 2 molecules diffused across the membrane. The emergent light of the external light-emitting diode light sources was guided, diluted, and redistributed within the biofilm providing light energy for S. obliquus cell photoautotrophic proliferation. Responses of S. obliquus biofilm growth to various optical fiber quantities, CO 2 concentrations, and initial nitrate concentrations were measured. The maximum areal S. obliquus biofilm biomass density was achieved to be 37.32 g m −2 under an initial nitrate concentration of 1.18 mM, a CO 2 concentration of 10%, and an optical fiber quantity of 13. This work demonstrates a prospective approach to promote biofilm-based microalgae biomass accumulation by introducing light-guiding materials into photobioreactors.

Recent Developments on the Performance of Algal Bioreactors for CO2 Removal: Focusing on the Light Intensity and Photoperiods

“…In another study [ 12 ], a membrane-based photobioreactor was developed using optical fibers. A film of Scenedesmus obliquus (i.e.…”

Produtividade da biomassa algal em sistemas de tratamentos de águas residuárias para reúso agrícola

“…Estudos científicos já mostraram que polissacarídeos (carboidratos) de microalgas promovem a absorção de nutrientes, o crescimento das plantas e a tolerância ao estresse (SUN et al, 2020). A biomassa de algas possui vantagens consideráveis sobre matérias-primas tradicionais, como: Alta produtividade -geralmente de 10 a 100 vezes maior do que as culturas agrícolas tradicionais; Captura de carbono altamente eficiente; Elevado teor de lipídeos ou Desafios globais, soluções locais: Avanços em Ciências Agrárias e Ambientais | 143 amido, que podem ser utilizados para produção de biodiesel ou etanol, respectivamente; Cultivo em água do mar, água salobra ou mesmo em águas residuais e produção sobre terras não agricultáveis.…”

“…O reflexo da crescente da atenção direcionada às microalgas é o surgimento de um novo nicho tecnológico que possui, como uma das maiores potencialidades a ser explorada, a possibilidade de integração entre sistemas de cultivo para produção de biomassa e o tratamento de emissões diversas, com a principal vantagem de aumentar a produtividade dos sistemas, aliada ao aspecto ambiental da redução de poluentes na atmosfera, como o dióxido de carbono (CO 2 ) e os óxidos de nitrogênio (NO X ) (SUN et al, 2020).…”

“…Alguns desses fatores são mais importantes na adesão inicial, como o substrato e a presença de um filme de bactérias, outros são mais importantes na manutenção e aumento da espessura do biofilme, como o pH, a turbulência e o formato da célula de microalgas (WANG et al, 2018). Estudos mostram que a diferentes espécies de microalgas são capazes de acumular maiores teores de carboidratos, proteínas, lipídeos e pigmentos, além de aumentar a taxa de consumo de nitrogênio e CO2 (HUANG et al, 2016;PENG et al, 2020, SUN et al, 2020 quando cultivadas em sistemas com a formação de biofilmes, a exemplo do uso de sistemas compactos de reator UASB + Lagoas de estabilização. Aprimorar esse método e associá-lo a obtenção de produtos da biomassa de microalga úmida pode ser um caminho que viabilize a produção de bioprodutos.…”

Produção de biomassa microalgal em escala: desafios e oportunidades

“…Estudos mostram que a diferentes espécies de microalgas são capazes de acumular maiores teores de carboidratos, proteínas, lipídeos e pigmentos, além de aumentar a taxa de consumo de nitrogênio e CO2 (HUANG et al, 2017;PENG et al, 2020, SUN et al, 2020 quando cultivadas em sistemas com a formação de biofilmes. Aprimorar esse método e associá-lo a obtenção de produtos da biomassa de microalga úmida pode ser um caminho que viabilize a produção de biodiesel de microalgas.…”