En protokoll er beskrevet for å utnytte karbondioksidet i naturgasskraftverkets røykgass for å dyrke mikroalger i åpne racerbanedammer. Røykgassinjeksjon styres med en pH-sensor, og mikroalgevekst overvåkes med sanntidsmålinger av optisk tetthet.
I USA kommer 35% av de totale karbondioksidutslippene (CO2) fra den elektriske kraftindustrien, hvorav 30% representerer naturgass elektrisitetsproduksjon. Mikroalger kan biofix CO2 10 til 15 ganger raskere enn planter og konvertere algebiomasse til produkter av interesse, for eksempel biodrivstoff. Dermed presenterer denne studien en protokoll som demonstrerer de potensielle synergiene av mikroalgedyrking med et naturgasskraftverk som ligger i det sørvestlige USA i et varmt halvtørrt klima. Toppmoderne teknologier brukes til å forbedre karbonfangst og -utnyttelse via den grønne algearten Chlorella sorokiniana, som kan behandles videre til biodrivstoff. Vi beskriver en protokoll som involverer en halvautomatisk åpen racerbanedamme og diskuterer resultatene av ytelsen da den ble testet ved Tucson Electric Power-anlegget i Tucson, Arizona. Røykgass ble brukt som hovedkarbonkilde for å kontrollere pH, og Chlorella sorokiniana ble dyrket. Et optimalisert medium ble brukt til å dyrke alger. Mengden CO2 som ble lagt til systemet som en funksjon av tid ble nøye overvåket. I tillegg ble andre fysisk-kjemiske faktorer som påvirker algevekstraten, biomasseproduktiviteten og karbonfikseringen overvåket, inkludert optisk tetthet, oppløst oksygen (DO), elektroledningsevne (EC) og luft- og damtemperaturer. Resultatene indikerer at et mikroalgeutbytte på opptil 0,385 g / l askefri tørrvekt er oppnåelig, med et lipidinnhold på 24%. Ved å utnytte synergistiske muligheter mellom CO 2-emittere og algebønder kan de ressursene som kreves for å øke karbonfangsten samtidig som de støtter bærekraftig produksjon av algebiodrivstoff og bioprodukter.
Global oppvarming er et av de viktigste miljøspørsmålene verden står overfor i dag1. Studier tyder på at hovedårsaken er økningen i klimagassutslipp, hovedsakelig CO2, i atmosfæren på grunn av menneskelig aktivitet 2,3,4,5,6,7. I USA stammer den største tettheten av CO2-utslipp hovedsakelig fra forbrenning av fossilt brensel i energisektoren, spesielt elektriske kraftproduksjonsanleggpå 3,7,8,9. Dermed har teknologier for karbonfangst og -utnyttelse (CCU) dukket opp som en av de viktigste strategiene for å redusere klimagassutslippenemed 2,7,10. Disse inkluderer biologiske systemer som bruker sollys for å konvertere CO2 og vann via fotosyntese, i nærvær av næringsstoffer, til biomasse. Bruk av mikroalger er foreslått på grunn av den raske vekstraten, høy CO 2-fikseringsevne og høy produksjonskapasitet. I tillegg har mikroalger et bredt bioenergipotensial fordi biomassen kan omdannes til produkter av interesse, for eksempel biodrivstoff som kan erstatte fossilt brensel 7,9,10,11,12.
Mikroalger kan vokse og oppnå biologisk konvertering i en rekke dyrkingssystemer eller reaktorer, inkludert åpne racerbanedammer og lukkede fotobioreaktorer 13,14,15,16,17,18,19. Forskere har studert fordelene og begrensningene som bestemmer bioprosessens suksess i begge dyrkingssystemene, under enten innendørs eller utendørs forhold 5,6,16,20,21,22,23,24,25 . Åpne racerbanedammer er de vanligste dyrkingssystemene for karbonfangst og -utnyttelse i situasjoner der røykgass kan distribueres direkte fra stabelen. Denne typen dyrkingssystem er relativt billig, er lett å skalere opp, har lave energikostnader og har lave energibehov for blanding. I tillegg kan disse systemene enkelt samlokaliseres med kraftverket for å gjøre CCU-prosessen mer effektiv. Det er imidlertid noen ulemper som må vurderes, for eksempel begrensningen i CO2 gass/ væskemasseoverføring. Selv om det er begrensninger, har åpne racerbanedammer blitt foreslått som det mest passende systemet for utendørs mikroalgal biodrivstoffproduksjon 5,9,11,16,20.
I denne artikkelen beskriver vi en metode for mikroalgedyrking i åpne racerbanedammer som kombinerer karbonfangst fra røykgassen til et naturgasskraftverk. Metoden består av et halvautomatisk system som styrer røykgassinjeksjon basert på kulturen pH; systemet overvåker og registrerer Chlorella sorokiniana kulturstatus i sanntid ved hjelp av optisk tetthet, oppløst oksygen (DO), elektroledningsevne (EC) og luft- og damtemperatursensorer. Algebiomasse- og røykgassinjeksjonsdata samles inn av en datalogger hvert tiende minutt på Tucson Electric Power-anlegget. Vedlikehold av algerstamme, oppskalering, kvalitetskontrollmålinger og biomassekarakterisering (f.eks. korrelasjon mellom optisk tetthet, g/L og lipidinnhold) utføres i et laboratorium ved University of Arizona. En tidligere protokoll skisserte en metode for optimalisering av røykgassinnstillinger for å fremme mikroalgevekst i fotobioreaktorer via datasimulering26. Protokollen som presenteres her er unik ved at den benytter åpne racerbanedammer og er designet for å implementeres på stedet ved et naturgasskraftverk for å gjøre direkte bruk av røykgassen som produseres. I tillegg er målinger av optisk tetthet i sanntid en del av protokollen. Systemet som beskrevet er optimalisert for et varmt semiaridklima (Köppen BSh), som viser lav nedbør, betydelig variasjon i nedbør fra år til år, lav relativ luftfuktighet, høye fordampningshastigheter, klar himmel og intens solstråling27.
I denne studien viser vi at synergistisk kobling av røykgass karbonfangst og mikroalgedyrking er mulig i et varmt halvtørrt klima. Den eksperimentelle protokollen for det halvautomatiske raceway damsystemet integrerer toppmoderne teknologi for å overvåke relevante parametere i sanntid som korrelerer med algevekst ved bruk av røykgass som karbonkilde. Den foreslåtte protokollen er ment å redusere usikkerheten i algedyrking, som er en av de viktigste ulempene ved racerbanedammer 20,21,36.<sup…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet gjennom Regional Algal Feedstock Testbed-prosjektet, U.S. Department of Energy DE-EE0006269. Vi takker også Esteban Jimenez, Jessica Peebles, Francisco Acedo, Jose Cisneros, RAFT Team, Mansfield, UA kraftverksansatte og ansatte ved TEP-kraftverket for all hjelp.
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 |