[논문 리뷰] Mixing strategies combined with shape design to enhance productivity of a raceway pond

Olivier Bernard, Liu‐Di Lu외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 21.

Algal biology and biofuel production참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 레이스웨이 연안의 하구 지형 설계와 혼합 전략을 최적화하여 미세조류 생산성을 극대화하는 것을 제안한다. 패들휠 기반 혼합 시스템을 갖춘 연계된 유동-생물학 모델을 사용하여, 저도적 지형과 순환 치환 기반 혼합 패턴이 빛 노출과 생물량 수확량을 크게 향상시키며, 부피가 최적화될 경우 생산성에 최대 12.3% 향상이 가능하다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

This paper focuses on mixing strategies and designing shape of the bottom topographies to enhance the growth of the microalgae in raceway ponds. A physical-biological coupled model is used to describe the growth of the algae. A simple model of a mixing device such as a paddle wheel is also considered. The complete process model was then included in an optimization problem associated with the maximization of the biomass production. The results show that non-trivial topographies can be coupled with some specific mixing strategies to improve the microalgal productivity.

연구 동기 및 목표

• 오픈 레이스웨이 연안에서 하구 지형과 혼합 전략이 공동으로 미세조류 생산성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 기존 패들휠 혼합 방식이 최적의 빛과 영양소 분포를 보장하지 못할 수 있는 한계를 해결하기 위해.
• 유동, 빛 감쇠, 조류 광합성 동역학을 통합한 계산 프레임워크를 개발하여 생산성 최적화를 위해.
• 비표준 지형과 고급 혼합 패턴이 생물량 수확량에서 표준 설계를 능가할 수 있는지 확인하기 위해.
• 연안 길이와 부피가 최적의 혼합 및 지형 구성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 깊이에 따라 변하는 유속과 하구 지형을 고려한 정 steady-state 얕은 수면 방정식을 사용하여 유동을 모델링한다.
• 알갱이의 운동과 빛 노출을 계산하기 위해 라그랑주 경로 모델을 적용한다. 이는 속도와 깊이 변화에 기반한다.
• 사진계의 동역학과 빛에 의한 손상/수리 사이클을 시뮬레이션하기 위해 한 모델(Han model)을 적용한다.
• 수직 방향으로의 빛 강도를 근사하기 위해 푸리에 기반의 수직 이산화를 구현한다.
• 유속과 지형에 대한 제약 조건 하에 평균 특이 생장률(생물량 생산성)을 극대화하는 최적화 문제를 수립한다.
• 순환 혼합 전략을 표현하기 위해 순열 행렬을 사용하고, 지형과 혼합 패턴을 동시에 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비표준 하구 지형과 고급 혼합 전략을 조합하면 레이스웨이 연안의 미세조류 생산성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 혼합 전략의 선택(예: 순환 치환 패턴)이 빛 노출과 생장 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 연안 길이와 부피는 최적의 지형과 혼합 구성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 지형과 혼합을 동시에 최적화하는 것과 고정 부피 또는 표준 혼합 방식에 비해 어떤 차이가 있는가?
• RQ5 점성 흐름 가정이 생산성 향상에 얼마나 제한을 둘 수 있으며, 난류 상태와의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 부피가 최적화될 경우, 비표준 하구 지형과 순환 치환 기반 혼합 전략을 조합하면 미세조류 생산성이 최대 12.3% 향상된다.
• 100m 길이의 레이스웨이에서, 부피 조절이 가능한 경우 최적의 혼합 전략이 기준 대비 4.3% 향상되었으며, 이는 깊이 위치를 비균일한 패턴으로 순환시키는 순열 행렬 P_max를 사용한 결과였다.
• 최적의 지형과 혼합 전략은 연안 길이에 따라 크게 달라졌으며, 짧은 연안(1m)에서는 빛 플래시 빈도가 증가하여 더 높은 생장률을 보였다.
• 목적 함수(평균 생장률)는 연안 길이가 감소할수록 단조적으로 증가했으며, 이는 고주기 빛 플럭투에이션이 생산성을 향상시킨다는 것을 시사한다.
• 조금이라도 최적의 지형과 혼합 전략을 적용하더라도, 점성 흐름과 한 모델 파rameter 하에서는 생산성 향상이 제한적(13% 미만)이었으며, 이는 더 높은 향상을 위해서는 난류 상태 또는 다른 조류 파라미터가 필요할 수 있음을 시사한다.
• L=100m일 때 최적의 부피 계수(a₀*)는 0.3102로 도출되었으며, 이는 부피 조절이 고급 혼합 패턴과 조합될 경우 생산성 극대화에 핵심적인 역할을 한다는 것을 의미한다.