Modeling large-scale Microalgae Growth in Open Raceway Ponds under Saudi Arabia Climate Conditions. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis Hussain AlSubaie(final copy)(updated) (2).pdf Restricted to Repository staff only until 26 January 2026. Download (4MB)

Arabic Abstract

بسبب التطبيقات المختلفة لاستخدام الطحالب الدقيقة, استكشاف نمو الطحالب مطلوب في انحاء العالم. واحدة من استخدامات الطحالب الدقيقة هيا استخدامها كمصدر غذائي للأسماك والربيان (الشرم). بما ان المملكة العربية السعودية مهتمة في في تربية الاحياء المائية والطحالب مصدر غذاء لهاذه المخلوقات الأحيائية فإن اختبار إمكانية مقدرة الطحالب الدقيقة لنمو في المملكة العربية السعودية مهم. لذألك فهم نمو الطحالب الدقيقة في البركة المستخدمة في تنمية الطحالب مهم. واحدة من الطرق المستخدمة لمعرفة إمكانية نمو الطحالب الدقيقة في البركة المفتوحة تحت تأثير معاملات الجو في المملكة العربية السعودية هي بواسطة استخدام النموذج المحاكي لنمو مع الوقت. هذه الاطروحة تعرض نموذج رياضي لمعدل نمو الطحالب " من نوع اسبورلينا ماكسما" بي واسطة استخدام متغيرات احيائية, كيميائية, وفيزيائية التي تؤثر على نمو الطحالب. العمل الحالي سوف يقوم بحساب تغير الحرارة للبركة مع الوقت بواسطة تطبيق الجزء الحراري لنموذج. الحرارة الموجدة لي البركة المستخدمة لزراعة الطحالب بواسطة تطبيق الجزء الحراري من النموذج تستخدم في النموذج الأحيائي لإجاد معدل نمو الطحالب في بركة الزراعة. البيانات الحقيقية لطقس (سرعة الرياح, حرارة الهواء, نسبة الرطوبة, والاشعاع الحراري الشمسي) تستخدم لبناء النموذج واستخراج النتائج. بيانات الطقس المختارة في هذه الدراسة هي لجدة في المملكة العربية السعودية. تأثير كل واحد من معاملات الطقس على التغير في درجة حرارة بركة الزراعة وعلى انتاج الطحالب تم دراستها في هذه الرسالة. النموذج الرياضي الحراري والأحيائي تم التحقق من صحته بواسطة مقارنة نتائج النموذج مع نتائج تجريبية موجودة في المراجع او مأخوذة من منشأة موجودة في جدة, المملكة العربية السعودية. كانت مقارنة الترابط بين نتائج النموذج والنتائج التجريبية جيدة. أيضا, أوضاع الجو كان لها أثر عالي على انتاج الطحالب الدقيقة. أيضا, التغير في تركيز الحصاد او دورة الحصاد ليس يؤثر فقط على إنتاجية الطحالب بل تأثر على تكلفة الإنتاج لطحالب. النموذج استنتج اعلي, متوسط, واقل معدل انتاج لطحالب ممكن وكانت كتالي 43.24, 22.52, و5.32 غرام/متر مربع/يوم. خلال سنة كاملة. النموذج الرياضي المطور الأحيائي لي حساب معدل نمو الطحالب ممكن استخدامه في مناطق مختلفة في المملكة العربية السعودية لمعرفة أفضل مكان ممكن لزراعة الطحالب ومعرفة سعر الإنتاجية لطحالب خلال السنة لمعرفة أفضل فصل من السنة لإنتاج الطحالب وأفضل موقع لإنتاج الطحالب.

English Abstract

The growth of microalgae is widely explored around the world due to its various applications. One of the exciting applications of microalgae is aquafeed for fish and shrimp. Saudi Arabia relies on exports for aquafeed. Exploring the potential of microalgae cultivation for its potential use in Saudi Arabia is essential. Therefore, understanding the microalgae growth rate in an Open Raceway Pond (ORP) is essential. One of the best ways to understand the dynamic growth rate of microalgae under real weather conditions that influence the growth rate of microalgae in ORP is to build a time-dynamic growth model. This thesis presents a mathematical model for microalgae “Arthrospira maxima” growth using biological, chemical, and physical variables that affect algae growth. The current work will explore the temperature profile for ORP over time by applying energy balance to the ORP system using the thermal part of the model. The temperature profile from a thermal ORP model is then incorporated into the biological model to find the time-resolved growth rate of microalgae in an ORP. The actual weather conditions (wind speed, air temperature, relative humidity, and global horizontal irradiance) are used to build the model and generate the results. The weather data was selected for a specified location in Jeddah, Saudi Arabia. The impact of each weather condition on the ORP temperature profile and biomass productivity is studied in this work. The thermal and biological mathematical model was validated by comparing its results with experimental results from the literature and actual data from a large-scale cultivation facility in Saudi Arabia. The comparison of model prediction with actual data shows a good correlation. Moreover, weather conditions significantly affect the productivity of the microalgae. Furthermore, the harvesting sequence also greatly impacts productivity—frequent harvesting results in more biomass but at the expense of more energy. The model predicted the maximum, average, and minimum productivity of algae as 43.24, 22.51, and 5.32g/m2 /day throughout the year. The developed mathematical growth model for algae can be used with different locations in Saudi Arabia to get a complete idea of the optimum location for algae cultivation and associated production costs throughout the year to find the best production season and location. Keywords: Microalgae growth, Biological model, Open Raceway Pond, Aquafeed

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Farooq, Wasif
Committee Members:	Farooq, Wasif and Zahid, Umer and Abdur Razzak, Shaikh
Depositing User:	HUSSAIN AL-SUBAIE (g202101010)
Date Deposited:	09 Feb 2025 06:29
Last Modified:	09 Feb 2025 06:29
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143273