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Abstract
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Environnement

Kopplung der Kohlenstoffabscheidung aus einem Kraftwerk mit halbautomatischen offenen Laufsteichen für die Mikroalgenzucht

Published: August 14, 2020
doi:
10.3791/61498
, , ,
1Department of Chemical and Environmental Engineering,University of Arizona, 2Department of Biosystems Engineering,University of Arizona, 3Department of Biomedical Engineering,University of Arizona

Summary

Es wird ein Protokoll beschrieben, um das Kohlendioxid im Rauchgas von Erdgaskraftwerken zu nutzen, um Mikroalgen in offenen Laufsteichen zu kultivieren. Die Rauchgasinjektion wird mit einem pH-Sensor gesteuert, und das Wachstum von Mikroalgen wird mit Echtzeitmessungen der optischen Dichte überwacht.

Abstract

In den Vereinigten Staaten stammen 35% der gesamten Kohlendioxidemissionen (CO2) aus der Elektrizitätswirtschaft, von denen 30% die Stromerzeugung aus Erdgas ausmachen. Mikroalgen können CO2 10 bis 15 Mal schneller biofixieren als Pflanzen und Algenbiomasse in interessante Produkte wie Biokraftstoffe umwandeln. Daher stellt diese Studie ein Protokoll vor, das die potenziellen Synergien der Mikroalgenkultivierung mit einem Erdgaskraftwerk im Südwesten der Vereinigten Staaten in einem heißen, semi-ariden Klima aufzeigt. Modernste Technologien werden eingesetzt, um die Kohlenstoffabscheidung und -verwertung über die Grünalgenart Chlorella sorokiniana zu verbessern, die zu Biokraftstoff weiterverarbeitet werden kann. Wir beschreiben ein Protokoll mit einem halbautomatischen offenen Laufsteich und diskutieren die Ergebnisse seiner Leistung, als es im Tucson Electric Power Plant in Tucson, Arizona, getestet wurde. Rauchgas wurde als Hauptkohlenstoffquelle zur Kontrolle des pH-Wertes verwendet, und Chlorella sorokiniana wurde kultiviert. Ein optimiertes Medium wurde verwendet, um die Algen zu züchten. Die Menge an CO2, die dem System als Funktion der Zeit hinzugefügt wurde, wurde genau überwacht. Darüber hinaus wurden andere physikalisch-chemische Faktoren überwacht, die die Algenwachstumsrate, die Biomasseproduktivität und die Kohlenstofffixierung beeinflussen, einschließlich optischer Dichte, gelöster Sauerstoff (DO), Elektroleitfähigkeit (EC) sowie Luft- und Teichtemperaturen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Mikroalgenausbeute von bis zu 0,385 g/L aschefreiem Trockengewicht mit einem Lipidgehalt von 24% erreichbar ist. Durch die Nutzung synergetischer Möglichkeiten zwischen CO2 -Emittenten und Algenzüchtern können die Ressourcen bereitgestellt werden, die erforderlich sind, um die Kohlenstoffabscheidung zu erhöhen und gleichzeitig die nachhaltige Produktion von Algenbiokraftstoffen und Bioprodukten zu unterstützen.

Introduction

Die globale Erwärmung ist eines der wichtigsten Umweltprobleme, mit denen die Welt heute konfrontiert ist1. Studien deuten darauf hin, dass die Hauptursache der Anstieg der Treibhausgasemissionen (THG), hauptsächlich CO 2, in der Atmosphäre aufgrund menschlicher Aktivitätenist 2,3,4,5,6,7. In den USA stammt die größte Dichte an CO2 -Emissionen hauptsächlich aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe im Energiesektor, insbesondere aus Stromerzeugungsanlagen 3,7,8,9. So haben sich Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (CCU) zu einer der wichtigsten Strategien zur Reduzierung der Treibhausgasemissionenentwickelt 2,7,10. Dazu gehören biologische Systeme, die Sonnenlicht nutzen, um CO2 und Wasser durch Photosynthese in Gegenwart von Nährstoffen in Biomasse umzuwandeln. Die Verwendung von Mikroalgen wurde aufgrund der schnellen Wachstumsrate, der hohen CO 2-Fixierungsfähigkeit und der hohen Produktionskapazität vorgeschlagen. Darüber hinaus haben Mikroalgen ein breites Bioenergiepotenzial, da die Biomasse in interessante Produkte umgewandelt werden kann, z. B. Biokraftstoffe, die fossile Brennstoffe ersetzen können 7,9,10,11,12.

Mikroalgen können in einer Vielzahl von Kultivierungssystemen oder Reaktoren, einschließlich offener Laufstege und geschlossener Photobioreaktoren 13,14,15,16,17,18,19, wachsen und eine biologische Umwandlung erreichen. Forscher haben die Vorteile und Einschränkungen untersucht, die den Erfolg des Bioprozesses in beiden Anbausystemen bestimmen, entweder unter Innen- oder Außenbedingungen 5,6,16,20,21,22,23,24,25 . Offene Laufsteiche sind die gebräuchlichsten Anbausysteme für die Kohlenstoffabscheidung und -nutzung in Situationen, in denen Rauchgas direkt aus dem Schornstein verteilt werden kann. Diese Art von Anbausystem ist relativ kostengünstig, leicht zu skalieren, hat niedrige Energiekosten und einen geringen Energiebedarf für das Mischen. Darüber hinaus können diese Systeme leicht mit dem Kraftwerk zusammengelegt werden, um den CCU-Prozess effizienter zu gestalten. Es gibt jedoch einige Nachteile, die berücksichtigt werden müssen, wie z.B. die Begrenzung des CO2 Gas/Flüssig-Stofftransfers. Obwohl es Einschränkungen gibt, wurden offene Laufsteiche als das am besten geeignete System für die Produktion von Mikroalgen-Biokraftstoffen im Freienvorgeschlagen 5,9,11,16,20.

In diesem Artikel beschreiben wir eine Methode zur Mikroalgenkultivierung in offenen Laufsteichen, die die Kohlenstoffabscheidung aus dem Rauchgas eines Erdgaskraftwerks kombiniert. Die Methode besteht aus einem halbautomatischen System, das die Rauchgasinjektion basierend auf dem pH-Wert der Kultur steuert; Das System überwacht und erfasst den Kulturstatus von Chlorella sorokiniana in Echtzeit mit optischen Dichte-, gelöstem Sauerstoff (DO), Elektroleitfähigkeit (EC) sowie Luft- und Teichtemperatursensoren. Algenbiomasse- und Rauchgasinjektionsdaten werden alle 10 Minuten von einem Datenlogger in der Tucson Electric Power Facility gesammelt. Algenstammerhaltung, Scale-up, Qualitätskontrollmessungen und Biomassecharakterisierung (z. B. Korrelation zwischen optischer Dichte, g / L und Lipidgehalt) werden in einem Labor an der University of Arizona durchgeführt. Ein früheres Protokoll skizzierte eine Methode zur Optimierung der Rauchgaseinstellungen zur Förderung des Mikroalgenwachstums in Photobioreaktoren durch Computersimulation26. Das hier vorgestellte Protokoll ist insofern einzigartig, als es offene Laufsteiche nutzt und so konzipiert ist, dass es vor Ort in einem Erdgaskraftwerk implementiert werden kann, um das erzeugte Rauchgas direkt zu nutzen. Darüber hinaus sind optische Dichtemessungen in Echtzeit Teil des Protokolls. Das beschriebene System ist für ein heißes semiarides Klima (Köppen BSh) optimiert, das geringe Niederschläge, signifikante Variabilität der Niederschläge von Jahr zu Jahr, niedrige relative Luftfeuchtigkeit, hohe Verdunstungsraten, klaren Himmel und intensive Sonneneinstrahlungaufweist 27.

Protocol

1. Wachstumssystem: Einstellungen für offene Laufstege im Freien Richten Sie die offenen Laufsteiche in der Nähe der Rauchgasquelle (mit 8–10% CO2) ein. Stellen Sie sicher, dass Wasser und Strom am Standort des Teichreaktors verfügbar sind und dass der Reaktor nicht den größten Teil des Tages im Schatten liegt (Abbildung 1). Fangen Sie das Rauchgas während des Nachverbrennungsprozesses mit einem 0,95 cm langen Kraftstoffschlauch auf, einige Meter bevor …

Representative Results

Frühere experimentelle Ergebnisse aus unserem Labor deuten darauf hin, dass die Kultivierung von Mikroalgen mit einem halbautomatischen offenen Laufsteich mit Kohlenstoffabscheidungsprozessen gekoppelt werden kann. Um die Synergie zwischen diesen beiden Prozessen besser zu verstehen (Abbildung 2), haben wir ein Protokoll entwickelt und es auf die Kultivierung der Grünalgenart Chlorella sorokiniana unter Außenbedingungen in einem heißen semiariden Klima zugeschnitten. Erdgas-Rauc…

Discussion

In dieser Studie zeigen wir, dass eine synergistische Kopplung von Rauchgas-Kohlenstoffabscheidung und Mikroalgenkultivierung in einem heißen, semi-ariden Klima möglich ist. Das experimentelle Protokoll für das halbautomatische Laufbahn-Teichsystem integriert modernste Technologie, um relevante Parameter in Echtzeit zu überwachen, die mit dem Algenwachstum korrelieren, wenn Rauchgas als Kohlenstoffquelle verwendet wird. Das vorgeschlagene Protokoll soll die Unsicherheit in der Algenzucht verringern, was einer der Hau…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde durch das Regional Algal Feedstock Testbed Projekt, U.S. Department of Energy DE-EE0006269 unterstützt. Wir danken auch Esteban Jimenez, Jessica Peebles, Francisco Acedo, Jose Cisneros, RAFT Team, Mark Mansfield, UA Power Plant Staff und TEP Power Plant Staff für all ihre Hilfe.

Materials

Adjustable speed motor (paddle wheel system) Leeson 174307 Lesson 174307.00, type: SCR Voltage; Amps:10
Aluminum weight boats Fisher Scientific 08-732-102 Fisherbrand Aluminum Weighing Dishes
Ammonium Iron (III) (NH₄)₅[Fe(C₆H₄O₇)₂] Fisher Scientific 1185 – 57 – 5 Medium preparation. Ammonium iron(III) citrate
Ammonium Phosphate Sigma-Aldrich 7722-76-1 This chemical is used for the optimized medium
Ampicillin sodium salt Sigma Aldrich A9518-5G This chemical is used for avoiding algae contamination
Autoclave Amerex Instrument Inc Hirayama HA300MII
Bacto agar Fisher Scientific BP1423500 Fisher BioReagents Granulated Agar
Bleach Clorox Germicidal Bleach, concentrated clorox
Boric Acid (H3BO3) Fisher Scientific 10043-35-3 Trace Elelements: Boric acid
Calcium chloride dihydrate (CaCl2*2H2O) Sigma-Aldrich 10035-04-8 Medium preparation. Calcium chloride dihydrate
Carboys (20 L) Nalgene – Thermo Fisher Scientific 2250-0050PK Polypropylene Carboy w/Handles
Centrifuge Beckman Coulter, Inc J2-21
Chloroform Sigma-Aldrich 67-66-3 This chemical is used for lipid extraction
Citraplex 20% Iron Loveland Products SDS No. 1000595582 -17-LPI https://www.fbn.com/direct/product/Citraplex-20-Iron#product_info
Cobalt (II) nitrate hexahydrate (Co(NO3)2*6H2O) Sigma-Aldrich 10026-22-9 Trace Elements: Cobalt (II) nitrate hexahydrate
Compressor Makita MAC700 This equipment is used for the injection CO2 system
Control Valve Sierra Instruments SmartTrak 100 This item needs to be customized for your application. In our case, it was used a 5% CO2 and 95% air mixture.
Copper (II) Sulfate Pentahydrate (CuSO4*5H2O) Sigma-Aldrich 7758-99-8 Trace Elements: Copper (II) Sulfate Pentahydrate
Data Logger: Campbell unit CR3000 Scientific Campbell CR3000 This equipment is used for controlling all the system, motoring and recording data
Dissolvde Oxygen Solution Campbell Scientific 14055 Dissolved oxygen electrolyte solution DO6002 – Lot No. 211085
Dissolved Oxygen probe Sensorex  DO6400/T Dissolved Oxygen Sensor with Digital Communication
Electroconductivity calibration solution Ricca Chemical Company 2245 – 32 ( R2245000-1A ) Conductivity Standard, 5000 uS/cm at 25C (2620 ppm TDS as NaCl)
Electroconductivity probe sensor Hanna Instruments HI3003/D Flow-thru Conductivity Probe – NTC Sensor, DIN Connector, 3m Cable
Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate (Na2EDTA*2H2O) Sigma-Aldrich 6381-92-6 Medium Preparation: Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate
Filters Fisher Scientific 09-874-48 Whatman Binder-Free Glass Microfiber Filters
Flasks Fisher scientific 09-552-40 Pyrex Fernbach Flasks
Furnace Hogentogler Model: F6020C-80 Thermo Sicentific Thermolyne F6020C – 80 Muffle Furnace
Glass dessicator VWR International LLC 75871-430 Type 150, 140 mm of diameter
Glass funnel Fisher Scientific FB6005865 Fisherbrand Reusable Glass Long-Stem Funnels
Laminar flow hood Fisher Hamilton Safeair Fisher Hamilton Stainless Safeair hume hood
Magnesium sulfate heptahydrate (MgSO4*7H2O) Fisher Scientific 10034 – 99 – 8 Medium Preparation: Magnesium sulfate heptahydrate
Methanol Sigma-Aldrich 67-56-1 Lipid extraction solvent
Micro bubble Diffuser Pentair Aquatic Eco-Systems 1PMBD075 This equipment is used for the injection CO2 system
Microalgae: Chlorella Sorokiniana NAABB DOE 1412
Microoscope Carl Zeiss 4291097
Microwave assistant extraction MARS, CEM Corportation CEM Mars 5 Xtraction 230/60 Microwave Accelerated Reaction System. Model: 907601
MnCl2*4H2O Sigma-Aldrich 13446-34-9 Manganese(II) chloride tetrahydrate
Mortars Fisher Scientific FB961B Fisherbrand porcelein mortars
Nitrogen evaporator Organomation N-EVAP 112 Nitrogen Evaporatpr (OA-SYS Heating System)
Oven VWR International LLC 89511-410 Forced Air Oven
Paddle Wheel 8-blade horizontal axis propeller. This usually comes as part of the paddlewheel reactor.
Paddle wheel motor Leeson M1135042.00 Leeson, Model: CM34025Nz10C; 1/4 HP; Volts 90; FR 34; 62 RPM.
Pestles Fisher Scientific FB961M Fisherbrand porcelein pestles
pH and EC Transmitter Hanna Instruments HI98143 Hanna Instruments HI98143-04 pH and EC Transmitter with Galvanic isolated 0-4V.
pH calibration solutions Fisher Scientific 13-643-003 Thermo Scientific Orion pH Buffer Bottles
pH probe sensor Hanna Instruments HI1006-2005 Hanna Instruments HI1006-2005 Teflon pH Electrode with matching pin 5m.
Pippete tips Fisher Scientific 1111-2821 1000 ul TipOne graduated blue tip in racks
Pippetter Fisher Scientific 13-690-032 Eppendorf Reserch plus Variable Adjustable Volume Pipettes: Single-channel
Plastic cuvettes Fisher scientific 14377017 BrandTech BRAND Plastic Cuvettes
Plates Fisher scientific 08-757-100D Corning Falcon Bacteriological Petri Dishes with Lid
Potash This chemical is used for the optimazed medium preparation. It was bought in a fertilizer local company
Potassium phosphate dibasic (K2HPO4) Sigma-Aldrich 7758 -11 – 4 Medium Preparation: Potassium phosphate dibasic
Pyrex reusable Media Storage Bottles Fisher scientific 06-414-2A 1 L and 2 L bottels – PYREX GL45 Screw Caps with Plug Seals
Raceway Pond Similar equipment can be bought at https://microbioengineering.com/products
Real Time Optical Density Sensor University of Arizona This equipment was design and build by a member of the group
RS232 Cable Sabrent Sabrent USB 2.0 to Serial (9-Pin) DB-9 RS-232 Converter Cable, Prolific Chipset, Hexnuts, [Windows 10/8.1/8/7/VISTA/XP, Mac OS X 10.6 and Above] 2.5 Feet (CB-DB9P)
Shaker Table Algae agitation 150 rpm
Sodium Carbonate (Na2CO3) Sigma-Aldrich 497-19-8 Sodium carbonate
Sodium molybdate dihydrate (Na2MoO4*2H2O) Sigma-Aldrich 10102-40-6 Medium Preparation: Sodium molybdate dihydrate
Sodium nitrate (NaNO3) Sigma-Aldrich 7631-99-4 Medium Preparation: Sodium nitrate
Spectophotometer Fisher Scientific Company 14-385-400 Thermo Fisher Scientific – 10S UV-Vis GENESTYS Spectrophotometer cylindrical Longpath cell holder; internal reference dectector, Xenon flash lamp; dual silicon photodiode; 240V, 50 to 60Hz selected automatically.
Test tubes Fisher Scientific 14-961-27 Fisherbrand Disposable Borosilicate Glass Tubes with Plain End (10 ml)
Thermocouples type K Omega KMQXL-125G-6
Urea Sigma-Aldrich 2067-80-3 Urea
Vacuum filtration system Fisher Scientific XX1514700 MilliporeSigma Glass Vacuum Filter Holder, 47 mm. The system includes: Ground glass flask attachment, coarse-frit glass filter support, and flask
Vacuum pump Grainger Marathon Electric AC Motor Thermally protected G588DX – MOD 5KH36KNA510X. HP 1/4. RPM 1725/1425
Zinc sulfate heptahydrate (ZnSO4*7H2O) Sigma-Aldrich 7446-20-0 Zinc sulfate heptahydrate
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Acedo, M., Gonzalez Cena, J. R., Kiehlbaugh, K. M., Ogden, K. L. Coupling Carbon Capture from a Power Plant with Semi-automated Open Raceway Ponds for Microalgae Cultivation. J. Vis. Exp. (162), e61498, doi:10.3791/61498 (2020).
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