Accoppiamento della cattura del carbonio da una centrale elettrica con stagni semi-automatizzati Open Raceway per la coltivazione di microalghe
Summary
Viene descritto un protocollo per utilizzare l’anidride carbonica nei gas di combustione delle centrali elettriche a gas naturale per coltivare microalghe in stagni di pista aperti. L’iniezione di gas di combustione è controllata con un sensore di pH e la crescita delle microalghe viene monitorata con misurazioni in tempo reale della densità ottica.
Abstract
Negli Stati Uniti, il 35% delle emissioni totali di anidride carbonica (CO2) proviene dall’industria elettrica, di cui il 30% rappresenta la produzione di elettricità a gas naturale. Le microalghe possono biofissare coda 10 a 15 volte più velocemente delle piante e convertire la biomassa algale in prodotti di interesse, come i biocarburanti. Pertanto, questo studio presenta un protocollo che dimostra le potenziali sinergie della coltivazione di microalghe con una centrale elettrica a gas naturale situata nel sud-ovest degli Stati Uniti in un clima caldo semi-arido. Tecnologie all’avanguardia sono utilizzate per migliorare la cattura e l’utilizzo del carbonio attraverso la specie algale verde Chlorella sorokiniana, che può essere ulteriormente trasformata in biocarburante. Descriviamo un protocollo che coinvolge un laghetto semi-automatizzato a circuito aperto e discutiamo i risultati delle sue prestazioni quando è stato testato presso la centrale elettrica di Tucson, a Tucson, in Arizona. Il gas di combustione è stato utilizzato come principale fonte di carbonio per controllare il pH e la clorella sorokiniana è stata coltivata . Un mezzo ottimizzato è stato utilizzato per far crescere le alghe. La quantità di CO2 aggiunta al sistema in funzione del tempo è stata attentamente monitorata. Inoltre, sono stati monitorati altri fattori fisico-chimici che influenzano il tasso di crescita delle alghe, la produttività della biomassa e la fissazione del carbonio, tra cui la densità ottica, l’ossigeno disciolto (DO), l’elettroconduttività (EC) e le temperature dell’aria e dello stagno. I risultati indicano che è possibile ottenere una resa di microalghe fino a 0,385 g/L di peso secco senza ceneri, con un contenuto lipidico del 24%. Sfruttare le opportunità sinergiche tra gli emettitori di CO2 e gli agricoltori di alghe può fornire le risorse necessarie per aumentare la cattura del carbonio, sostenendo al contempo la produzione sostenibile di biocarburanti e bioprodotti algali.
Introduction
Il riscaldamento globale è una delle questioni ambientali più importanti che il mondo deve affrontare oggi1. Gli studi suggeriscono che la causa principale è l’aumento delle emissioni di gas serra (GHG), principalmente CO2, nell’atmosfera a causa delle attività umane 2,3,4,5,6,7. Negli Stati Uniti, la più grande densità di emissioni di CO2 proviene principalmente dalla combustione di combustibili fossili nel settore energetico, in particolare dagli impianti di generazione di energia elettrica 3,7,8,9. Pertanto, le tecnologie di cattura e utilizzo del carbonio (CCU) sono emerse come una delle principali strategie per ridurre le emissioni di gas serra 2,7,10. Questi includono sistemi biologici che utilizzano la luce solare per convertire CO2 e acqua tramite fotosintesi, in presenza di sostanze nutritive, in biomassa. L’uso di microalghe è stato proposto a causa del rapido tasso di crescita, dell’elevata capacità di fissazione della CO2 e dell’elevata capacità produttiva. Inoltre, le microalghe hanno un ampio potenziale di bioenergia perché la biomassa può essere convertita in prodotti di interesse, come i biocarburanti che possono sostituire i combustibili fossili 7,9,10,11,12.
Le microalghe possono crescere e ottenere la conversione biologica in una varietà di sistemi di coltivazione o reattori, tra cui stagni di pista aperti e fotobioreattori chiusi 13,14,15,16,17,18,19. I ricercatori hanno studiato i vantaggi e i limiti che determinano il successo del bioprocesso in entrambi i sistemi di coltivazione, in condizioni interne o esterne 5,6,16,20,21,22,23,24,25 . Gli stagni aperti sono i sistemi di coltivazione più comuni per la cattura e l’utilizzo del carbonio in situazioni in cui i gas di combustione possono essere distribuiti direttamente dal camino. Questo tipo di sistema di coltivazione è relativamente economico, è facile da scalare, ha bassi costi energetici e ha bassi requisiti energetici per la miscelazione. Inoltre, questi sistemi possono essere facilmente collocati in co-posizione con la centrale elettrica per rendere più efficiente il processo CCU. Tuttavia, ci sono alcuni inconvenienti che devono essere considerati, come la limitazione nel trasferimento di massa di gas / liquido CO2. Sebbene ci siano dei limiti, gli stagni aperti sono stati proposti come il sistema più adatto per la produzione di biocarburanti microalgali all’aperto 5,9,11,16,20.
In questo articolo, descriviamo in dettaglio un metodo per la coltivazione di microalghe in stagni di pista aperti che combina la cattura del carbonio dai gas di scarico di una centrale elettrica a gas naturale. Il metodo consiste in un sistema semi-automatizzato che controlla l’iniezione di fumi in base al pH di coltura; il sistema monitora e registra lo stato della coltura di Chlorella sorokiniana in tempo reale utilizzando la densità ottica, l’ossigeno disciolto (DO), l’elettroconduttività (EC) e i sensori di temperatura dell’aria e dello stagno. I dati sulla biomassa algale e sull’iniezione di gas di combustione vengono raccolti da un data logger ogni 10 minuti presso l’impianto di Tucson Electric Power. La manutenzione del ceppo di alghe, lo scale-up, le misurazioni del controllo di qualità e la caratterizzazione della biomassa (ad esempio, correlazione tra densità ottica, g / L e contenuto lipidico) vengono eseguite in un ambiente di laboratorio presso l’Università dell’Arizona. Un protocollo precedente ha delineato un metodo per ottimizzare le impostazioni dei gas di combustione per promuovere la crescita delle microalghe nei fotobioreattori tramite simulazione al computer26. Il protocollo qui presentato è unico in quanto utilizza stagni di pista aperti ed è progettato per essere implementato in loco in una centrale elettrica a gas naturale al fine di utilizzare direttamente il gas di scarico prodotto. Inoltre, le misurazioni della densità ottica in tempo reale fanno parte del protocollo. Il sistema come descritto è ottimizzato per un clima semiarido caldo (Köppen BSh), che presenta basse precipitazioni, significativa variabilità delle precipitazioni di anno in anno, bassa umidità relativa, alti tassi di evaporazione, cieli limpidi e intensa radiazione solare27.
Protocol
Representative Results
Discussion
In questo studio, dimostriamo che l’accoppiamento sinergico della cattura del carbonio dei gas di combustione e la coltivazione di microalghe è possibile in un clima caldo semi-arido. Il protocollo sperimentale per il sistema di laghetto semi-automatizzato della pista integra una tecnologia all’avanguardia per monitorare in tempo reale i parametri rilevanti che si correlano alla crescita delle alghe quando si utilizzano i gas di combustione come fonte di carbonio. Il protocollo proposto ha lo scopo di ridurre l’incertez…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato attraverso il progetto Regional Algal Feedstock Testbed, U.S. Department of Energy DE-EE0006269. Ringraziamo anche Esteban Jimenez, Jessica Peebles, Francisco Acedo, Jose Cisneros, RAFT Team, Mark Mansfield, lo staff della centrale elettrica UA e lo staff della centrale elettrica TEP per tutto il loro aiuto.
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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