En protokol er beskrevet for at udnytte kuldioxiden i naturgas kraftværk røggas til at dyrke mikroalger i åbne raceway damme. Røggasinjektion styres med en pH-sensor, og mikroalgevæksten overvåges med realtidsmålinger af optisk densitet.
I USA kommer 35% af de samlede kuldioxidemissioner (CO2) fra elindustrien, hvoraf 30% repræsenterer naturgas elproduktion. Mikroalger kan biofiksere CO2 10 til 15 gange hurtigere end planter og omdanne algebiomasse til produkter af interesse, såsom biobrændstoffer. Denne undersøgelse præsenterer således en protokol, der demonstrerer de potentielle synergier ved dyrkning af mikroalger med et naturgaskraftværk beliggende i det sydvestlige USA i et varmt halvtørt klima. State-of-the-art teknologier bruges til at forbedre kulstofopsamling og -udnyttelse via den grønne algeart Chlorella sorokiniana, som kan videreforarbejdes til biobrændstof. Vi beskriver en protokol, der involverer en halvautomatiseret åben racewaydam og diskuterer resultaterne af dens ydeevne, da den blev testet på Tucson Electric Power Plant i Tucson, Arizona. Røggas blev brugt som den vigtigste kulstofkilde til at kontrollere pH, og Chlorella sorokiniana blev dyrket. Et optimeret medium blev brugt til at dyrke algerne. Mængden af CO2, der blev tilsat systemet som funktion af tiden, blev nøje overvåget. Derudover blev andre fysisk-kemiske faktorer, der påvirker algevæksthastigheden, biomasseproduktiviteten og kulstoffiksering, overvåget, herunder optisk densitet, opløst ilt (DO), elektroledningsevne (EC) og luft- og damtemperaturer. Resultaterne indikerer, at et mikroalgeudbytte på op til 0,385 g / L askefri tørvægt er opnåeligt med et lipidindhold på 24%. Udnyttelse af synergistiske muligheder mellem CO2 – udledere og algebønder kan tilvejebringe de ressourcer, der er nødvendige for at øge kulstofopsamlingen og samtidig støtte den bæredygtige produktion af algebiobrændstoffer og bioprodukter.
Global opvarmning er et af de vigtigste miljøproblemer, som verden står over for i dag1. Undersøgelser tyder på, at den væsentligste årsag er stigningen i drivhusgasemissionerne, hovedsagelig CO2, i atmosfæren på grund af menneskelige aktiviteter 2,3,4,5,6,7. I USA stammer den største tæthed af CO2 –emissioner hovedsageligt fra forbrænding af fossile brændstoffer i energisektoren, specifikt elproduktionsanlæg 3,7,8,9. Således er co2-opsamlings- og udnyttelsesteknologier (CCU) opstået som en af de vigtigste strategier for at reducere drivhusgasemissioner 2,7,10. Disse omfatter biologiske systemer, der udnytter sollys til at omdanne CO2 og vand via fotosyntese, i nærværelse af næringsstoffer, til biomasse. Brugen af mikroalger er blevet foreslået på grund af den hurtige vækstrate, høje CO2 –fikseringsevne og høj produktionskapacitet. Derudover har mikroalger et bredt bioenergipotentiale, fordi biomassen kan omdannes til produkter af interesse, såsom biobrændstoffer, der kan erstatte fossile brændstoffer 7,9,10,11,12.
Mikroalger kan vokse og opnå biologisk omdannelse i en række dyrkningssystemer eller reaktorer, herunder åbne racewaydamme og lukkede fotobioreaktorer 13,14,15,16,17,18,19. Forskere har undersøgt de fordele og begrænsninger, der bestemmer bioprocessens succes i begge dyrkningssystemer, under enten indendørs eller udendørs forhold 5,6,16,20,21,22,23,24,25 . Åbne racewaydamme er de mest almindelige dyrkningssystemer til kulstofopsamling og -udnyttelse i situationer, hvor røggas kan fordeles direkte fra stakken. Denne type dyrkningssystem er relativt billigt, er let at opskalere, har lave energiomkostninger og har lave energikrav til blanding. Derudover kan disse systemer let placeres sammen med kraftværket for at gøre CCU-processen mere effektiv. Der er dog nogle ulemper, der skal overvejes, såsom begrænsningen i CO2 –gas / flydende masseoverførsel. Selvom der er begrænsninger, er åbne racewaydamme blevet foreslået som det mest egnede system til udendørs produktion af mikroalgebiobrændstof 5,9,11,16,20.
I denne artikel beskriver vi en metode til dyrkning af mikroalger i åbne raceway-damme, der kombinerer kulstofopsamling fra røggassen fra et naturgaskraftværk. Metoden består af et halvautomatisk system, der styrer røggasindsprøjtningen baseret på kulturens pH-værdi; systemet overvåger og registrerer Chlorella sorokiniana-kulturstatus i realtid ved hjælp af optisk densitet, opløst ilt (DO), elektroledningsevne (EC) og luft- og damtemperaturfølere. Algebiomasse og røggasindsprøjtningsdata indsamles af en datalogger hvert 10. minut på Tucson Electric Power-anlægget. Algestammevedligeholdelse, opskalering, kvalitetskontrolmålinger og biomassekarakterisering (f.eks. Korrelation mellem optisk densitet, g / L og lipidindhold) udføres i en laboratorieindstilling ved University of Arizona. En tidligere protokol skitserede en metode til optimering af røggasindstillinger for at fremme mikroalgevækst i fotobioreaktorer via computersimulering26. Protokollen, der præsenteres her, er unik, fordi den bruger åbne raceway-damme og er designet til at blive implementeret på stedet på et naturgaskraftværk for at gøre direkte brug af den producerede røggas. Derudover er optiske densitetsmålinger i realtid en del af protokollen. Systemet som beskrevet er optimeret til et varmt halvtørret klima (Köppen BSh), som udviser lav nedbør, betydelig variation i nedbør fra år til år, lav relativ luftfugtighed, høje fordampningshastigheder, klar himmel og intens solstråling27.
I dette studie demonstrerer vi, at synergistisk kobling af røggaskulstofopsamling og dyrkning af mikroalger er mulig i et varmt halvtørt klima. Den eksperimentelle protokol for det halvautomatiske raceway damsystem integrerer state-of-the-art teknologi til at overvåge relevante parametre i realtid, der korrelerer med algevækst, når man bruger røggas som kulstofkilde. Den foreslåede protokol har til formål at mindske usikkerheden ved algedyrkning, hvilket er en af de største ulemper ved væddeløbsbanedamme<sup c…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet gennem Regional Algal Feedstock Testbed-projektet, US Department of Energy DE-EE0006269. Vi takker også Esteban Jimenez, Jessica Peebles, Francisco Acedo, Jose Cisneros, RAFT Team, Mark Mansfield, UA kraftværkspersonale og TEP-kraftværkspersonale for al deres hjælp.
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 |