Er wordt een protocol beschreven om de koolstofdioxide in het rookgas van aardgascentrales te gebruiken om microalgen te cultiveren in open raceway-vijvers. Rookgasinjectie wordt geregeld met een pH-sensor en de groei van microalgen wordt gemonitord met realtime metingen van de optische dichtheid.
In de Verenigde Staten is 35% van de totale uitstoot van koolstofdioxide (CO2) afkomstig van de elektriciteitsindustrie, waarvan 30% de opwekking van aardgaselektriciteit vertegenwoordigt. Microalgen kunnen CO2 10 tot 15 keer sneller biofixeren dan planten en algenbiomassa omzetten in interessante producten, zoals biobrandstoffen. Deze studie presenteert dus een protocol dat de potentiële synergieën van microalgenteelt aantoont met een aardgascentrale in het zuidwesten van de Verenigde Staten in een heet semi-aride klimaat. State-of-the-art technologieën worden gebruikt om de koolstofafvang en het gebruik via de groene algensoort Chlorella sorokiniana te verbeteren, die verder kan worden verwerkt tot biobrandstof. We beschrijven een protocol met betrekking tot een semi-geautomatiseerde open raceway-vijver en bespreken de resultaten van de prestaties toen het werd getest in de Tucson Electric Power-fabriek in Tucson, Arizona. Rookgas werd gebruikt als de belangrijkste koolstofbron om de pH te regelen en Chlorella sorokiniana werd gekweekt. Een geoptimaliseerd medium werd gebruikt om de algen te laten groeien. De hoeveelheid CO2 die in functie van de tijd aan het systeem werd toegevoegd, werd nauwlettend in de gaten gehouden. Daarnaast werden andere fysisch-chemische factoren die van invloed zijn op de algengroeisnelheid, biomassaproductiviteit en koolstoffixatie gecontroleerd, waaronder optische dichtheid, opgeloste zuurstof (DO), elektrogeleiding (EC) en lucht- en vijvertemperaturen. De resultaten geven aan dat een microalgenopbrengst tot 0,385 g/L asvrij drooggewicht haalbaar is, met een lipidengehalte van 24%. Het benutten van synergetische kansen tussen CO 2-uitstoters en algenboeren kan de middelen leveren die nodig zijn om de koolstofafvang te vergroten en tegelijkertijd de duurzame productie van algenbiobrandstoffen en bioproducten te ondersteunen.
De opwarming van de aarde is een van de belangrijkste milieuproblemen waarmee de wereld vandaag wordt geconfronteerd1. Studies suggereren dat de belangrijkste oorzaak de toename van de uitstoot van broeikasgassen (BKG), voornamelijk CO2, in de atmosfeer is als gevolg van menselijke activiteiten 2,3,4,5,6,7. In de VS is de grootste dichtheid van CO2-uitstoot voornamelijk afkomstig van de verbranding van fossiele brandstoffen in de energiesector, met name elektriciteitscentrales 3,7,8,9. Zo zijn technologieën voor koolstofafvang en -gebruik (CCU) naar voren gekomen als een van de belangrijkste strategieën om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen 2,7,10. Deze omvatten biologische systemen die zonlicht gebruiken om CO2 en water via fotosynthese, in aanwezigheid van voedingsstoffen, om te zetten in biomassa. Het gebruik van microalgen is voorgesteld vanwege de snelle groeisnelheid, het hoge CO 2-fixatievermogen en de hoge productiecapaciteit. Bovendien hebben microalgen een breed bio-energiepotentieel omdat de biomassa kan worden omgezet in interessante producten, zoals biobrandstoffen die fossiele brandstoffen kunnen vervangen 7,9,10,11,12.
Microalgen kunnen groeien en biologische omzetting bereiken in een verscheidenheid aan teeltsystemen of reactoren, waaronder open raceway vijvers en gesloten fotobioreactoren 13,14,15,16,17,18,19. Onderzoekers hebben de voordelen en beperkingen bestudeerd die het succes van het bioproces in beide teeltsystemen bepalen, onder binnen- of buitenomstandigheden 5,6,16,20,21,22,23,24,25 . Open raceway vijvers zijn de meest voorkomende teeltsystemen voor koolstofafvang en -gebruik in situaties waar rookgas rechtstreeks vanuit de schoorsteen kan worden gedistribueerd. Dit type teeltsysteem is relatief goedkoop, is eenvoudig op te schalen, heeft lage energiekosten en heeft een lage energiebehoefte voor het mengen. Bovendien kunnen deze systemen eenvoudig naast de energiecentrale worden geplaatst om het CCU-proces efficiënter te maken. Er zijn echter enkele nadelen waarmee rekening moet worden gehouden, zoals de beperking van de overdracht van CO2-gas / vloeistofmassa. Hoewel er beperkingen zijn, zijn open raceway-vijvers voorgesteld als het meest geschikte systeem voor de productie van microalgenbiobrandstof in de buitenlucht 5,9,11,16,20.
In dit artikel beschrijven we een methode voor de teelt van microalgen in open raceway-vijvers die koolstofafvang uit het rookgas van een aardgascentrale combineert. De methode bestaat uit een semi-geautomatiseerd systeem dat de rookgasinjectie regelt op basis van de pH van de cultuur; het systeem bewaakt en registreert de Chlorella sorokiniana-cultuurstatus in realtime met behulp van optische dichtheid, opgeloste zuurstof (DO), elektrogeleiding (EC) en lucht- en vijvertemperatuursensoren. Algenbiomassa en rookgasinjectiegegevens worden elke 10 minuten verzameld door een datalogger in de Tucson Electric Power-faciliteit. Algenstamonderhoud, opschaling, kwaliteitscontrolemetingen en biomassakarakterisering (bijv. Correlatie tussen optische dichtheid, g / L en lipidegehalte) worden uitgevoerd in een laboratoriumomgeving aan de Universiteit van Arizona. Een eerder protocol schetste een methode voor het optimaliseren van rookgasinstellingen om de groei van microalgen in fotobioreactoren te bevorderen via computersimulatie26. Het hier gepresenteerde protocol is uniek omdat het gebruik maakt van open raceway-vijvers en is ontworpen om ter plaatse te worden geïmplementeerd in een aardgascentrale om direct gebruik te maken van het geproduceerde rookgas. Daarnaast maken real-time optische dichtheidsmetingen deel uit van het protocol. Het systeem zoals beschreven is geoptimaliseerd voor een heet semi-aride klimaat (Köppen BSh), dat lage neerslag, aanzienlijke variabiliteit in neerslag van jaar tot jaar, lage relatieve vochtigheid, hoge verdampingssnelheden, heldere luchten en intense zonnestraling vertoont27.
In deze studie tonen we aan dat het synergetisch koppelen van rookgaskoolstofafvang en microalgenteelt mogelijk is in een heet semi-aride klimaat. Het experimentele protocol voor het semi-geautomatiseerde raceway-vijversysteem integreert state-of-the-art technologie om relevante parameters in realtime te bewaken die correleren met algengroei bij het gebruik van rookgas als koolstofbron. Het voorgestelde protocol is bedoeld om de onzekerheid in de algenteelt te verminderen, wat een van de belangrijkste nadelen is van race…
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door het Regional Algal Feedstock Testbed-project, U.S. Department of Energy DE-EE0006269. We bedanken ook Esteban Jimenez, Jessica Peebles, Francisco Acedo, Jose Cisneros, RAFT Team, Mark Mansfield, UA-personeel van energiecentrales en personeel van TEP-energiecentrales voor al hun hulp.
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 |