Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Groeisysteem: outdoor open raceway vijver instellingen
- Richt de open raceway-vijvers dicht bij de rookgasbron in (met 8-10% CO2). Zorg ervoor dat water en elektriciteit beschikbaar zijn op de locatie van de vijverreactor en dat de reactor het grootste deel van de dag niet in de schaduw staat (figuur 1).
- Vang rookgas af tijdens het naverbrandingsproces met behulp van een brandstofslang van 0,95 cm, enkele meters voordat het rookgas de schoorsteen binnenkomt om in de atmosfeer te worden geloosd (figuur 2).
- Verwijder water uit het rookgas met behulp van een watervanger van 20 liter en een condensor (spoellengte ~ 12 m) tussen de schoorsteen en de compressor (figuur 2).
OPMERKING: Rookgas bevat meestal ongeveer 9 \ u201213,8% water28. Daarnaast koelen de condensor en pijpleiding het rookgas16. - Sluit de volgende sensoren aan op een datalogger om de algengroei te monitoren: (1) een real-time optische dichtheidssensor29, die de absorptie meet op twee golflengten - 650 en 750 nm - en een maximale algencelconcentratie van 1,05 g / L kan detecteren; (2) een DO-sensor; (3) lucht- en vijverthermokoppels; (4) een pH-sensor; en (5) een EC-sensor.
OPMERKING: Bovendien zijn de pH- en EC-sensoren aangesloten op een zender. De configuratie van de dataloggereenheid is weergegeven in figuur 3. - Zorg ervoor dat alle componenten van het algengroeisysteem zijn gekalibreerd en goed werken voordat ze worden ingeënt.
2. pH-besturingssysteem
- Beheer de rookgasinjectie met behulp van een compressor, een regelklepsysteem en het dataloggerprogramma, zoals weergegeven in figuur 2 en figuur 3 (Aanvullend materiaal A).
- Gebruik een buis om het rookgas van de regelklep naar de bodem van de racewayvijver te leiden via een stenen diffuser.
- Injecteer het rookgas in het groeisysteem op basis van de pH. Wanneer de pH-waarde hoger is dan 8,05, zal het systeem rookgas injecteren, terwijl wanneer de pH lager is dan 8,00, het systeem de rookgasinjectie stopt in perioden van geen groei. Het debiet wordt gemeten in standaard liters per minuut (SLPM).
OPMERKING: In de regelklep is de rookgasdruk van de inlaat beperkt tot maximaal 50 psi.
3. Algenselectie en stamonderhoud (licht en temperatuur)
OPMERKING: De groene alg Chlorella sorokiniana DOE 1412 werd geïsoleerd door Juergen Polle (Brooklyn College)30,31 en geselecteerd door de National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproducts (NAABB); de selectie was gebaseerd op de eerdere stamkarakteriseringsstudies uitgevoerd door Huesemann et al.32,33 . Hun onderzoek met betrekking tot algenscreening, biomassaproductiviteit en klimaatgesimuleerde kweek (bijv. Temperatuur en licht) in de zuidwestelijke regio bij gebruik van open raceway-vijvers in de buitenlucht, vormde de basis voor de methode die in dit project werd gebruikt.
- Houd de culturen op kamertemperatuur (25 °C) met behulp van een licht/donkercyclus van 12 h/12 uur.
- Houd de lichtintensiteit op 200 μM/m2/s voor kweekonderhoud dat op platen en in kleine vloeistofculturen (50 ml tot 500 ml) wordt gekweekt.
- Houd de lichtintensiteit voor schaalvergroting in vloeibare culturen 50 ml tot 500 ml bij 400 μM / m2 / s en vloeibare culturen 5 l tot 20 l bij 600 \ u2012800 μM / m2 / s.
4. Opschalen en kwaliteitscontrole
- Bereid het BG11-kweekmedium met gedeïoniseerd water en de volgende zouten, voor macronutriënten, in g/L: 1,5 NaNO3, 0,04 K2HPO4, 0,075 MgSO4*H2O, 0,036 CaCl2*H2O, 0,006 (NH4)5Fe(C6H4O7)2, 0,006 Na2EDTA*2H2O, 0,02 Na2CO3; voeg 1 ml/l sporenelementoplossing toe, die de volgende micronutriënten in g/l bevat: 2,86 H3BO3, 1,81 MnCl2*4H2O, 0,22 ZnSO4*7H2O, 0,39 Na2MoO4*2H2O, 0,079 CuSO4*5H2O, 0,0494 Co(NO3)2*6H2O.
OPMERKING: Voeg voor plaatinenting en/of langdurige opslag 7,5 g/l Bacto agar toe; voor cultuurinenting is geen toevoeging van agar nodig. Steriliseer kweekmedium in de autoclaaf gedurende 21 minuten bij 121 °C. - Giet het BG11 medium met agar in petrischaaltjes in een steriele laminaire stromingskap of bioveiligheidskast. Zodra de platen stevig en koel zijn, pipetteer 500 μL uit een opnieuw gesuspendeerde bevroren algenbestandscultuur en voeg ampicilline (100 μg / ml) toe; incubeer de algenplaten in een schudtafel (120 rpm) gedurende 1 tot 2 weken.
- Gebruik een steriele lus om een enkele algenkolonie uit een kweekplaat te selecteren en en ent deze in een buis van 50 ml met steriel groeimedium in een schone bioveiligheidskast. Kweek de kleine vloeibare cultuur op een schudtafel (120 rpm) gedurende een week.
- Breng 50 ml algenkweek (lineaire groeifase, OD750 nm ≥ 1) over in een kolf van 1 l met een vloeibaar medium van 500 ml. Monteer elke kolf met een rubberen stop en roestvrijstalen buizen om beluchting te bieden. Filter de lucht met luchtsterilisatiefilters van 0,2 μm. Laat de cultuur één tot twee weken groeien. Controleer de celdichtheid met behulp van een spectrofotometer (OD750nm).
- Plaats de vloeibare cultuur van 500 ml in een carboy van 10 l met 8 l niet-steriel kweekmedium en injecteer een mengsel van 5% CO2 en 95% lucht. Kweek vervolgens algen onder dezelfde omstandigheden als in stap 4.4.
- Controleer de voorraadplaat en vloeistofculturen (in stap 4.2\u20124.5) eenmaal per week. Neem een aliquot en observeer deze onder de microscoop bij 10x en 40x vergroting om de groei van de gewenste soort te garanderen. Bewaarde culturen totdat ze zijn aangetast of gebruikt voor experimenten. Gooi besmette culturen weg.
5. Geconcentreerde mediumvoorbereiding voor open vijverteelt
- Voor het bereiden van sporenelementen vult de oplossing een maatkolf van 1 L gedeeltelijk met gedestilleerd water (DW). Plaats een magneetroerbalk en voeg achtereenvolgens de in tabel 1 vermelde chemicaliën toe. Zorg ervoor dat elk ingrediënt oplost voordat het volgende bestanddeel wordt toegevoegd. Verwijder de magneet en vul de kolf tot de volumemarkering van 1 liter.
- Vul een glazen fles van 1 L gedeeltelijk met DW en plaats de magneetroerstaaf. Plaats de container op de bovenkant van een magneetroerderplaat en voeg de chemicaliën toe voor het uiteindelijke volume van de reactor, voeg ze sequentieel toe, zodat elk volledig oplost. Tabel 2 geeft een overzicht van de chemicaliën die 1 L medium moeten bereiden, dus vermenigvuldig alle waarden met het uiteindelijke volume van de reactor. Vul de glazen fles tot 1 L.
6. Outdoor open raceway vijver inenting
- Reinig de reactor grondig met 30% bleekmiddel voor elke inenting en na het oogsten. Het wordt aanbevolen om het bleekmiddel een nacht te laten staan. Spoel de reactor goed af om alle bleekmiddel te verwijderen.
- Kalibreer alle sensoren vóór algeninenting volgens de bijbehorende kalibratieprocedure.
- Verdun de geconcentreerde media (in stap 5) met behulp van de waterbron door de racewayvijver tot 80% te vullen.
- Ent de reactor met behulp van een 10 L carboy gevuld met algen (lineaire groeifase OD750nm > 2) en breng het naar zijn uiteindelijke volume.
- Acclimatier microalgen door de racewayvijver gedeeltelijk te schaduwen met houten pallets gedurende ~ 3 dagen (figuur 4), zodra de exponentiële fase voorbij is, als een aanpassingsstrategie om foto-inductie te voorkomen.
OPMERKING: Deze periode biedt ook tijd voor de microalgen om zich aan te passen aan de stress die wordt veroorzaakt door de directe injectie van rookgas.
7. Batchgroeiexperiment bij de opwekkingscentrale
- Inspecteer en registreer alle dagelijkse variaties, waaronder waterverdamping, radermotor, sensorfunctionaliteit en alles wat ongewoon is.
- Laat de compressor en watervanger elke dag leeglopen en inspecteren om overtollig water te verwijderen om corrosie te minimaliseren, aangezien rookgas zeer corrosief is34.
- Configureer de datalogger om elke sensormeting om de 10 s te scannen en de gemiddelde gegevens elke 10 minuten op te slaan. Deze omvatten DO, pH, EC, real-time optische dichtheid en lucht- en reactortemperatuur.
8. Discrete bemonstering en monitoring
- Zorg ervoor dat het waterniveau constant blijft bij het uiteindelijke volume van de reactor, anders wordt de optische dichtheidsmeting beïnvloed.
- Na het aanvullen van water in de reactor, neemt u een monster van 5 ml voor celmassametingen op optische dichtheid (540, 680 en 750 nm) met behulp van een ultraviolet-zichtbare spectrofotometer. Herhaal het proces dagelijks.
- Neem drie keer per week een monster van 500 ml voor microscoopwaarnemingen en biomassaconcentratie op basis van asvrij drooggewicht (AFDW).
- Voer microscoopwaarnemingen uit met 10x en 40x objectieflenzen. Bovendien worden deze microscoopvergrotingen gebruikt als onderdeel van de kwaliteitscontrole van algen zoals beschreven in stap 4.6.
- Gebruik 400 ml van het monster in stap 8.3 voor AFDW
- Plaats elk glazen microvezelfilter van 0,7 μm poriegrootte in een aluminiumfolielade en behandel elke aluminiumfolielade / filter voor met behulp van een oven gedurende 4 uur bij 540 ° C.
- Label elke aluminiumfolielade met een # 2 potlood, noteer het gewicht (A) en plaats het in het vacuümfilterapparaat.
- Roer het algenmonster krachtig voordat u een te filteren volume meet. Filter voldoende algenmonster om een pre/post as gewichtsverschil van tussen de 8 en 16 mg te geven. Kies een gewichtsverschil dat u in de loop van het experiment wilt gebruiken en houd deze waarde constant.
- Plaats elk filter met het algenmonster gedurende ten minste 12 uur in de foliebak in de oven bij 105 °C.
- Haal de foliebak/het filter uit de droogoven en plaats deze in een glazen exsiccator om wateropname te voorkomen. Noteer het gewicht van elke folielade/filter (B).
- Plaats de foliebak/het filter gedurende 4 uur in de 540 °C muffle oven.
- Schakel de moffeloven uit, koel foliebakken/filters af, plaats ze in de exsiccator en noteer elk foliebakje/filtergewicht (C).
- Bereken AFDW met gravimetrische analyse:
% AFDW= C – A x 100 / B
- Houd 2 L algen vast voordat u ze oogst voor microgolfondersteunde extractie (MAE) lipide-extractieanalyse met behulp van oplosmiddelen.
- Centrifugeer het algenmonster met een relatieve centrifugale kracht (RFC) van 4.400 x g gedurende 15 minuten. Neem de algenkorrel en droog deze in een oven op 80 °C gedurende ten minste 24 uur.
- Maal het algenmonster en weeg het algenpoeder (de aanbevolen biomassa varieert van 0,3 g tot 0,5 g).
- Voeg het algenpoeder (droge algenbiomassa) toe aan het microgolf versnelde reactiesysteem (MARS) Xpress-vaten, voeg 10 ml chloroform:methanol (2:1, v/v) oplosmiddeloplossing onder de motorkap toe, sluit de vaten en laat een nacht staan.
- Plaats de vaten gedurende 60 minuten in de MARS-machine met behulp van de oplosmiddelsensor bij 70 °C en 800 W vermogen.
- Haal vaten uit de MARS en laat ze afkoelen onder de motorkap.
- Gebruik een trechter en glaswol om het vloeibare deel dat chloroform, methanol en lipiden bevat te scheiden door elk vloeibaar monster over te brengen naar een voorgewogen glazen reageerbuis en houd de vaste stoffen (biomassa vrij van lipiden) voor andere analyses.
- Breng de reageerbuizen met de lipiden naar de stikstofverdamper, verwijder ze zodra de vloeistof is verdampt en laat de buizen vervolgens een nacht onder de motorkap om volledige droogheid te garanderen.
- Bereken het lipidengehalte (wt. %) met behulp van gravimetrische analyse:
Lipidengehalte (wt. %) = Droge biomassa van lipiden x 100/ Droge algenmassa
9. Algenoogst en vruchtwisseling
- Oogst 75% van het totale algenkweekvolume wanneer de kweek de stationaire fase nadert. Neem 2\u20125 L cultuur om biomassaproductiviteitsanalyses in het laboratorium uit te voeren. Verwerk en zet de rest van de algen om in de gewenste algenproducten.
- Kweek de open raceway-vijver opnieuw door de 25% overgebleven algen als entmateriaal te gebruiken. Voeg water toe tot 80% van het totale reactorvolume, voeg de geconcentreerde media toe en vul indien nodig af tot het uiteindelijke volume van de reactor.
- Kweek de juiste algenstam volgens het seizoen, op basis van temperatuur en lichtintensiteit.
10. Gegevensbeheer
- Leg gegevens vast in de datalogger en verzamel ze voor analyse zoals in stap 7.3.
- Overweeg om ruwe en geanalyseerde gegevens op te slaan in de Regional Algal Feedstock Testbed (RAFT) share drive. Raft-projectmedewerkers dragen hun gegevens bij om algenproductiviteit te simuleren en te modelleren en buitenteelt te valideren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Eerdere experimentele resultaten van ons laboratorium geven aan dat microalgenteelt met behulp van een semi-geautomatiseerde open raceway-vijver kan worden gekoppeld aan koolstofafvangprocessen. Om de synergie tussen deze twee processen beter te begrijpen (figuur 2), hebben we een protocol ontwikkeld en op maat gemaakt voor het kweken van de groene algensoort Chlorella sorokiniana onder buitenomstandigheden in een warm semi-aride klimaat. Aardgas rookgas werd verkregen uit een industriële elektriciteitscentrale. Dit protocol maakt gebruik van verschillende technologieën om de productiviteit van algenbiomassa te beoordelen: (1) algengroei met behulp van een realtime optische dichtheidssensor (figuur 5); (2) algengroei met betrekking tot aan-uit-pulsinjecties van rookgas in de cultuur als functie van de pH (figuur 6 en figuur 7); en (3) correlaties van algengroei met omgevingsparameters zoals temperatuur, opgeloste zuurstof en elektrogeleiding (figuur 8 en figuur 9).
We testen een real-time optische dichtheidssensor die algengroei en fysiologische dynamiek monitort. Met deze sensor konden we via laboratoriumcorrelatie de bijbehorende asvrije drooggewichtbiomassa (g/L) vaststellen. Figuur 5 toont een vergelijking tussen de sensor en laboratoriummetingen. Beide metingen laten vergelijkbare trends zien, die toenemen als functie van de tijd. De in-situ sensormetingen kunnen echter de algengroeicyclus van dag en nacht volgen. Deze cyclus laat zien dat de optische dichtheidswaarden overdag toenemen, maar 's nachts afnemen tijdens de ademhaling, wat wijst op een verandering in de biomassaproductiviteit. De integratie van de real-time optische dichtheidssensor maakt het mogelijk om effectieve managementbeslissingen te nemen over het algehele algenproductiesysteem.
We zetten een semi-geautomatiseerd aan-uit rookgaspulsinjectiesysteem in, dat in figuur 6 wordt weergegeven door een 24-uurs rookgasinjectiecyclus gemeten tijdens een bijzonder warm herfstseizoen in Tucson, AZ. Zoals te zien is in figuur 6, werd rookgas geïnjecteerd van ongeveer 8 uur 's ochtends tot 6 uur 's avonds (dagelijkse periode), maar niet geïnjecteerd tussen 6 uur 's avonds en 8 uur 's ochtends (nachtelijke periode). Deze dag/nachtcyclus weerspiegelt de dagelijkse blootstelling aan zonlicht en het gebrek aan licht tijdens de nacht, en bijgevolg de activering van respectievelijk fotosynthese of fotorespiratie. Figuur 7 toont het cumulatieve rookgas dat tijdens deze algenbatch wordt geïnjecteerd (L). In dit geval werd 6.564 L rookgas, overeenkomend met 538 L CO2, gebruikt om 0,29 g algenbiomassa te kweken. De grafiek laat zien dat naarmate de algengroeisnelheid toenam, er meer rookgas (CO2) nodig was (figuur 6). De experimentele resultaten hebben bevestigd dat het aan-uit rookgaspulsinjectiesysteem effectief is in het vergemakkelijken van koolstofafvang en -gebruik door microalgenteelt.
We meten en monitoren andere fysisch-chemische parameters om een correlatie vast te stellen tussen deze parameters en algengroei en productiviteit (figuur 8 en figuur 9). De gemeten omgevingsparameters waren opgeloste zuurstof, elektrogeleiding (EC) en zowel lucht- als vijvertemperaturen. Zoals verwacht vertoonden alle parameters, behalve EC, vergelijkbare trends die sterk gecorreleerd waren met zonnestraling. De resultaten geven aan dat deze omgevingsvariabelen de grootste impact hadden op de algengroei en worden gebruikt voor algenbiomassamodellering35. De EC veranderde niet significant tijdens het batchproces. Het leverde dus geen relevante informatie op over de groei van algen. Voor de teelt van Chlorella sorokiniana met niet-zout water kunnen EC-metingen achterwege worden gelaten.
Figuur 1: Proeflocatie bij Tucson Electric Power voor het koppelen van koolstofafvang uit energiecentrales en semi-geautomatiseerde open vijverreactoren voor microalgenteelt. De twee locaties worden vertegenwoordigd door: 1) Algae Site U3 (unit 3) en 2) Algae Site U4 (unit 4) foto credit: Jose Manuel Cisneros Vazquez. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Processtroomdiagram voor het koppelen van koolstofafvang en semi-geautomatiseerde open raceway-vijvers voor de teelt van microalgen in een heet semi-aride klimaat. (A) Open Raceway Paddlewheel-ontwerp; b) echte experimentele faciliteit; (C) Proces: koppeling van koolstofafvang en microalgenteelt gemodificeerd van Van Den Hende28. Legenda's: T = Temperatuur; DO = Opgeloste zuurstof; OD = Optische dichtheid; EC = Elektrische geleidbaarheid; Datalogger. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Schematische weergave van de sensoropstelling. (A) Weergave van de totale opstelling van open vijversensoren voor buiten, waarbij CV1 en CV2 de regelkleppen zijn, DL de datalogger en T1 en T2 de transmitters. (B) Afbeelding van een regelklep. (C) Weergave van de verbinding van de sensoren met de datalogger; donkerblauwe cirkel: real time optische dichtheid, oranje driehoek: pH en EC, zwarte driehoek: thermokoppels, rode driehoek: opgeloste zuurstof, lichtblauw: regelklep. (D) pH en EC-zender. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Algen onder het acclimatisatieproces. Microalgen acclimatisatie strategie met behulp van houten pallets tijdens de exponentiële fase. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Weergave van algengroeimonitoring. (A) Grafiek voor afdw-biomassaconcentratie (g/l) versus tijdstip van laboratoriummetingen; B) grafiek voor de correlatie tussen optische dichtheidssensor en laboratoriummetingen bij 650 nm; en (C) grafiek voor real-time optische dichtheidssensor versus tijd voor een experimentele batch. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Grafiek voor aan/uit rookgaspulsinjectie als fuction van de pH. De datalogger is ingesteld om de rookgasinjectie (gecontroleerde klep aan) te starten bij pH = 8,05 en om de rookgasinjectie (gecontroleerde klep uit) te beëindigen bij pH = 8,00. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Grafiek voor algengroei (g/L),, hoeveelheid geïnjecteerd rookgas en hoeveelheid geïnjecteerd CO2 in functie van de tijd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: Weergave van temperatuurbewaking. Legenda's: ononderbroken gele lijn = temperatuur van de racewayvijverreactor; ononderbroken grijze lijn = luchttemperatuur; en onderbroken blauwe lijn = AZMET Station temperatuur (The Arizona Meteorological Network). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: Monitoring van algengroeiparameters. Legenda's: oranje ononderbroken lijn = zonnestraling; grijze ononderbroken lijn = elektrogeleiding (EC); en gele vaste lijn = opgeloste zuurstof (DO). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Onderdelen | Concentratie in oplossing (g/L) |
| H3BO3 | 0.00286 |
| MnCl2·4H2O | 0.00181 |
| ZnSO4·7H2O | 0.0001373 |
| Na2MoO4·2U2O | 0.00039 |
| CuSO4·5H2O | 0.000079 |
| CO(NR3)2·6H2O | 0.00005518 |
| NiCl2·6 H2O | 0.0001 |
Tabel 1: Recept voor trace-elementenoplossing.
| Onderdelen | Algemene naam | Concentratie in oplossing (g/L) |
| (NH2) Arabisch cijfer CO | Ureum | 0.1 |
| MgSO4·7H2O | Magnesiumsulfaat | 0.012 |
| NH4H2PO4 | Ammoniumfosfaat | 0.035 |
| Kcl | Potas | 0.175 |
| FeCl3 Zoekertjes | Ijzercitraat (Citraplex). | 0.005423 |
| Trace Metal Oplossing | Inhoud van 1000x Micros (ml) | 1 |
Tabel 2: Geoptimaliseerd mediarecept voor 1 L.
Aanvullende coderingsbestanden. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 raceway-vijvers 20,21,36. In onze ervaring omvatten de meest kritieke stappen van het protocol het pH-controlesysteem en een effectieve methode om het systeem in te enten (figuur 2). Het pH-besturingssysteem levert rookgas/CO2 en vertegenwoordigt een strategie om de efficiëntie in CO2-afvang en -gebruik te optimaliseren (figuur 3)37. Dit gecontroleerde systeem is efficiënter gebleken dan een continu injectiesysteem voor het microalgenteeltproces, omdat het de ontgassing vermindert en voldoende rookgas levert om de maximale algengroeisnelheidvan 20,37 te bereiken. Wanneer de rookgasinjectie is gebaseerd op de pH, is een belangrijke factor voor algenteelt het selecteren van een adequate pH-waarde voor de microalgensoort voordat de raceway-vijverwordt ingeënt 38,39. Qiu et al.40 vonden dat een pH-waarde van 8 het beste is voor de zoetwatersoort Chlorella sorokiniania wanneer rekening wordt gehouden met celgroei en lipideproductie40. Bovendien bevelen Molina Grima et al.41 een pH van minder dan 8 aan om stikstofverlies te verminderen en een betere stikstofopname door de microalgen / biomassa te bereiken41. Yuvraj et al.42 suggereren echter dat pH geen geschikte methode is om het CO2-gehalte in het water te evalueren vanwege het effect van stikstofbemesting op de zuurgraad van het medium42. Onze resultaten tonen aan dat pH effectief kan worden gebruikt om CO2-injectie voor het hier gepresenteerde systeem te beheren (figuur 6); ons rookgasinjectiemanagement, waarbij de cultuur op pH 8 bleef, resulteerde in hoge biomassaopbrengsten en repliceerbaarheid (figuur 7).
Na inenting moeten de algen wennen aan het systeem om foto-inhibitie te voorkomen en zich aan te passen aan de hoge temperatuur van de raceway media. In dit hete semi-aride klimaat hebben we algenfoto-opname waargenomen als gevolg van hoge zonnestraling 39,43,44 (figuur 9). Dit effect kan de inenting van microalgen niet alleen vertragen, maar ook remmen tijdens de exponentiële fase 32,35,45,46,47. Om de impact van acclimatisatie op de microalgen te verminderen, hebben we een succesvolle en haalbare strategie ontworpen die bestaat uit het gedeeltelijk schaduwen van de raceway-vijver met houten pallets. Met deze strategie kan de microalg herhaaldelijk, maar voor korte tijd, worden blootgesteld aan de zonne-omstandigheden. Een andere stressfactor is de hoge temperatuur van het rookgas en de omgevingslucht33,48 (figuur 8). De rookgastemperatuur is vrij hoog in de naverbrandingsfase 10,48,49. Het gebruik van het rookgas door het rechtstreeks vanuit de verzonden pijpleiding in de raceway-vijver te injecteren, kan bijdragen aan het verder verhogen van de temperatuur van het medium. Daarom zal een condensor gevolgd door een watervanger die zich vóór de compressor bevindt, niet alleen de warmteoverdracht verminderen, maar ook de hoeveelheid water die de compressor bereikt (figuur 2). We ontdekten dat beide apparaten nodig waren om het uitvalpercentage van de compressor te verminderen. Bovendien moeten vochtigheid, rookgastemperatuur en de corrosieve aard van het rookgas worden overwogen bij het schatten van de levenscyclus en het onderhoud van de compressor. Bovendien veroorzaken hoge temperaturen hogere verdampingssnelheden.
Dit protocol is onderworpen aan enkele beperkingen. Volgens figuur 6 was de regelklep niet in staat om voldoende rookgas te injecteren wanneer de fotosynthese op zijn hoogtepunt was. Dit effect kan worden toegeschreven aan een lage massaoverdracht van de gasvormige naar de vloeibare fase als gevolg van het reactorontwerp 5,16,50,51. Mendoza et al.36,52 en de Godos et al.16 stelden dat raceway vijvers een slechte gas/ vloeistof massa overdracht hebben, wat een van de ernstigste ontwerpbeperkingen vertegenwoordigt 16,36,52. Hun ondiepe kanaalontwerp beperkt de CO 2-massaoverdracht vanwege het korte interfacegebied tussen het gas en het kweekmedium, wat een toename van CO2-ontgassing veroorzaakt (figuur 2). Zo zijn apparaten en nieuwe configuraties voorgesteld om de contacttijd tussen gas en vloeistof te verlengen, inclusief carters, mengkolommen, doorlatende siliconen en sparging-diffusiesystemen 36,52,53. Al deze systemen zijn gebruikt in een poging om de CO2-massaoverdracht te verbeteren; sommige van deze systemen verbeteren echter ook de verdeling van voedingsstoffen, regelen de pH en verwijderen overtollig O2 5,24,36,52. Ten slotte zijn uitval andere beperkingen die kunnen optreden bij het opvangen en gebruiken van echt rookgas van een energiecentrale. Deze storingen zijn niet altijd gepland. Daarom moet worden gedacht aan tijdelijke alternatieve bronnen van CO2, bijvoorbeeld verplaatsing of aansluiting van de CO2-hoofdleiding op meerdere vermogenseenheden (figuur 1).
Het vermogen om microalgen te produceren met dit protocol wordt ondersteund door onze resultaten op algenproductiviteit (figuur 5), algenresponsen op de geselecteerde parameters (figuur 6, figuur 8, figuur 9) en succesvolle teelt van de gewenste algensoorten wanneer gevoed door directe rookgasinjectie. Open reactoren zijn goedkoper in gebruik en daarom bouwt dit protocol voort op hun sterke punten om de inzet op commerciële schaal van deze vorm van koolstofafvang en -gebruik te versnellen 16,20,54,55,56. Dit hete semi-aride gebied ervaart het hele jaar door hoge zonnestraling en aanzienlijke temperatuurschommelingen (figuur 8 en figuur 9)57; daarom is het een uitstekende locatie om dit soort protocollen te testen. De optische dichtheidssensor leverde consistente OD-metingen voor ons open buitensysteem (figuur 5); dit soort gegevensverzameling zou onpraktisch zijn met behulp van andere sensoren. Ook reageerden de sensoren goed op de aanzienlijke temperatuurschommelingen van dag tot nacht (figuur 8), waardoor we tijdig beslissingen over de productiviteit van algen konden nemen29. Bovendien heeft het voorgestelde geoptimaliseerde medium het kritieke voordeel dat het gebaseerd is op commerciële meststoffen en gemakkelijk beschikbare voedingsbronnen58 (tabel 1 en 2); dit medium kan gemakkelijk in eigen huis worden geproduceerd of kan op verzoek worden ingekocht bij vloeibare landbouwmestbedrijven58. Tot slot werd het semi-geautomatiseerde protocol getest in een extra aardgascentrale. De resultaten van dat bevestigingsonderzoek worden in dit artikel niet gepresenteerd. In die bevestigingsstudie was het protocol succesvol ondanks de extreme weersomstandigheden in Tucson en de uitzonderlijk hete temperaturen in het opwekkingsstation als gevolg van de locatie van de reactor binnen de lay-out van de energiecentrale. Daarom is de reproduceerbaarheid van het protocol onderzocht voor de omgeving van Tucson wanneer aardgas wordt gebruikt als brandstof om elektriciteit te produceren.
De volgende stappen worden aanbevolen om dit protocol verder te ontwikkelen en de automatisering van de betrokken processen te verbeteren en te verbeteren. De eerste aanbeveling is om van de rookgasinjectie een volledig variabel proces te maken, waardoor het CO2 - en pH-beheer wordt verbeterd; het huidige programma opent de injectieklep volledig wanneer de pH boven de 8 stijgt en sluit deze wanneer de pH weer 8 bereikt. Ook het verbeteren van de manier waarop CO2 wordt geïnjecteerd is noodzakelijk. Het doel is om de grootte van de CO2-bellen te verkleinen, d.w.z. om microbubbels te genereren om de CO2-diffusie in het medium te verbeteren zonder toevlucht te nemen tot het injecteren van rookgas bij hogere druk. Het gebruik van verbeterde injectoren, waardoor de operationele energiekosten worden verlaagd, wordt noodzakelijk geacht bij een commerciële toepassing van het protocol. De opname van voorspellende hulpmiddelen op basis van de weersvoorspelling en de huidige microalgenstatus voor het regelen van het rookgas en de meststof, voornamelijk N, om de efficiëntie van het N-gebruik te verbeteren, wordt ook aanbevolen. Het gebruik van computationele vloeistof dynamische modellering wordt beschouwd als een essentieel hulpmiddel bij het verder ontwikkelen van het voorgestelde protocol; modellering kan helpen bij het optimaliseren van het ontwerp, de configuratie en de werking van alle hardware die betrokken is bij de bewaking en het beheer van de microalgen. Een ander gebied dat in de toekomst kan worden onderzocht, is de toepassing van milieu-DNA (eDNA) en real-time PCR-technieken om de gezondheid en samenstelling van het microalgengewas te monitoren. Watermonsters kunnen worden geanalyseerd en de resultaten zouden aangeven of de objectieve microalgen de overheersende soort in het medium zijn of dat het concurreert of is vervangen door een ander organisme.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
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.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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) (NH?)?[Fe(C?H?O?)?] | 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 |
References
- The Intergovernmental Panel on Climate Change. , Available from: https://www.ipcc.ch/ (2018).
- Songolzadeh, M., Soleimani, M., Ravanchi, M., Songolzadeh, R. Carbon Dioxide Separation from Flue Gases: A Technological, Review Emphasizing Reduction in Greenhouse Gas Emissions. The Scientific World Journal. 2014, 1-34 (2014).
- Litynski, J., Klara, S., McIlvried, H., Srivastava, R. The United States Department of Energy's Regional Carbon Sequestration Partnerships program: A collaborative approach to carbon management. Environ International. 32 (1), 128-144 (2006).
- Cuellar-Bermudez, S., Garcia-Perez, J., Rittmann, B., Parra-Saldivar, R. Photosynthetic Bioenergy Utilizing CO2: an Approach on Flue Gases Utilization for Third Generation Biofuels. Journal of Clean Production. 98, 53-65 (2014).
- Cheah, W., Show, P., Chang, J., Ling, T., Juan, J. Biosequestration of Atmospheric CO2 and Flue Gas-Containing CO2 by Microalgae. Bioresource Technology. 184, 190-201 (2014).
- Kao, C., et al. Utilization of Carbon Dioxide in Industrial Flue Gases for the Cultivation of Microalga Chlorella sp. Bioresource Technology. 166, 485-493 (2014).
- White, C., Strazisar, B., Granite, E., Hoffman, S., Pennline, H. Separation and Capture of CO2 from Large Stationary Sources and Sequestration in Geological Formations. Journal of the Air and Waste Management Association. 53 (10), 1172-1182 (2003).
- Benemann, J. CO2 Mitigation with Microalgae Systems. Pergamon Energy Conversion Management Journal. 38, 475-479 (1997).
- U.S.Department of Energy. The Capture , Utilization and Disposal of Carbon Dioxide from Fossil Fuel-Fired Power Plants. Energy. 2, (1993).
- Granite, E., O'Brien, T. Review of Novel Methods for Carbon Dioxide Separation from Flue and Fuel Gases. Fuel Processesing Technology. 86 (14-15), 1423-1434 (2005).
- Benemann, J. Utilization of Carbon Dioxide from Fossil Fuel-Burning Power Plants with Biological Systems. Energy Conversion and Management. 34 (9-11), 999-1004 (1993).
- Joshi, C., Nookaraju, A. New Avenues of Bioenergy Production from Plants: Green Alternatives to Petroleum. Journal of Petroleum & Environmental Biotechnology. 03 (07), 3 (2012).
- Chisti, Y. Constraints to commercialization of algal fuels. Journal of Biotechnology. 22, 166-186 (2013).
- Han, S., Jin, W., Tu, R., Wu, W. Biofuel production from microalgae as feedstock: current status and potential. Critical Reviews in Biotechnology. 35 (2), 255-268 (2015).
- Lam, M., Lee, K. Potential of using organic fertilizer to cultivate Chlorella vulgaris for biodiesel production. Applied Energy. 94, 303-308 (2012).
- de Godos, I., et al. Evaluation of carbon dioxide mass transfer in raceway reactors for microalgae culture using flue gases. Bioresource Technology. 153, 307-314 (2014).
- Posten, C., Schaub, G. Microalgae and terrestrial biomass as source for fuels a process view. Journal of Biotechnology. 142 (1), 64-69 (2009).
- Demirbas, M. Biofuels from algae for sustainable development. Applied Energy. 88 (10), 3473-3480 (2011).
- Shelef, G., Sukenik, A., Green, M. Microalgae Harvesting and Processing A Literature Review. , (1984).
- Pawlowski, A., Mendoza, J., Guzmán, J., Berenguel, J., Acién, F., Dormido, S. Effective utilization of flue gases in raceway reactor with event-based pH control for microalgae culture. Bioresource Technology. 170, 1-9 (2014).
- Zhu, B., Sun, F., Yang, M., Lu, L., Yang, G., Pan, K. Large-scale biodiesel production using flue gas from coal-fired power plants with Nannochloropsis microalgal biomass in open raceway ponds. Bioresource Technology. 174, 53-59 (2014).
- Kaštánek, F., et al. In-field experimental verification of cultivation of microalgae Chlorella sp. using the flue gas from a cogeneration unit as a source of carbon dioxide. Waste Management & Research. 28 (11), 961-966 (2010).
- Yadav, G., Karemore, A., Dash, S., Sen, R. Performance evaluation of a green process for microalgal CO2 sequestration in closed photobioreactor using flue gas generated in-situ. Bioresource Technology. 191, 399-406 (2015).
- Zhao, B., Su, Y., Zhang, Y., Cui, G. Carbon dioxide fixation and biomass production from combustion flue gas using energy microalgae. Energy. 89, 347-357 (2015).
- He, L., Chen, A., Yu, Y., Kucera, L., Tang, Y. Optimize Flue Gas Settings to Promote Microalgae Growth in Photobioreactors via Computer Simulations. Journal of Visualized Experiments. (80), e50718 (2013).
- He, L., Subramanian, V., Tang, Y. Experimental analysis and model-based optimization of microalgae growth in photo-bioreactors using flue gas. Biomass and Bioenergy. 41, 131-138 (2012).
- Pidwirny, M. Fundamentals of Physical Geography, 2nd ed. , (2006).
- Van Den Hende, S., Vervaeren, H., Boon, N. Flue gas compounds and microalgae: (Bio-) chemical interactions leading to biotechnological opportunities. Biotechnology Advances. 30 (2012), 1405-1424 (2012).
- Jia, F., Kacira, M., Ogden, K. Multi-wavelength based optical density sensor for autonomous monitoring of microalgae. Sensors (Switzerland). 15 (9), 22234-22248 (2015).
- Unkefer, C., et al. Review of the algal biology program within the National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproducts. Algal Research. 22, 187-215 (2017).
- Neofotis, P., et al. Characterization and classification of highly productive microalgae strains discovered for biofuel and bioproduct generation. Algal Research. 15, 164-178 (2016).
- Huesemann, M., Van Wagenen, J., Miller, T., Chavis, A., Hobbs, S., Crowe, B. A screening model to predict microalgae biomass growth in photobioreactors and raceway ponds. Biotechnology Bioengineering. 110 (6), 1583-1594 (2013).
- Huesemann, M., et al. Estimating the Maximum Achievable Productivity in Outdoor Ponds: Microalgae Biomass Growth Modeling and Climate Simulated Culturing. Microalgal Production for Biomass and High-Value Products. 28 (2016), 113-137 (2016).
- Ramezan, M., Skone, T., Nsakala, N., Lilijedahl, G. Carbon Dioxide Capture from Existing Coal-Fired Power Plants. , 268 (2007).
- Huesemann, M., et al. A validated model to predict microalgae growth in outdoor pond cultures subjected to fluctuating light intensities and water temperatures. Algal Research. 13, 195-206 (2016).
- Mendoza, J., et al. Fluid-dynamic characterization of real-scale raceway reactors for microalgae production. Biomass and Bioenergy. 54, 267-275 (2013).
- Algae Cultivation for Carbon Capture and Utilization Workshop. Algae Cultivation for Carbon Capture and Utilization Workshop. , (2017).
- Park, J., Craggs, R., Shilton, A. Wastewater treatment high rate algal ponds for biofuel production. Bioresource Technology. 102 (1), 35-42 (2011).
- Mata, T., Martins, A., Caetano, N. Microalgae for biodiesel production and other applications: A review. Renewewable and Sustainable Energy Reviews. 14 (1), 217-232 (2010).
- Qiu, R., Gao, S., Lopez, P., Ogden, K. Effects of pH on cell growth, lipid production and CO2 addition of microalgae Chlorella sorokiniana. Algal Research. 28, 192-199 (2017).
- Molina Grima, E., Fernández, F., Garcıa Camacho, F., Chisti, Y. Photobioreactors: light regime, mass transfer, and scaleup. Journal of Biotechnology. 70 (1-3), 231-247 (1999).
- Padmanabhan, Y. P. Technical insight on the requirements for CO2-saturated growth of microalgae in photobioreactors. 3 Biotech. 7 (2), 1-7 (2017).
- Vonshak, A., Torzillo, G.
- Morales, M., Sánchez, L., Revah, S. The impact of environmental factors on carbon dioxide fixation by microalgae. Federation of European Microbiological Society Microbiology Letters. 365 (3), 1-11 (2018).
- Cuaresma, M., Janssen, M., Vílchez, C., Wijffels, R. Horizontal or vertical photobioreactors? How to improve microalgae photosynthetic efficiency. Bioresource Technology. 102 (8), 5129-5137 (2011).
- Richmond, A., Zou, N. Efficient utilisation of high photon irradiance for mass production of photoautotrophic micro-organisms. Journal of Applied Phycology. 11 (1), 123-127 (1999).
- Kurpan, D., Silva, A., Araújo, O., Chaloub, R. Impact of temperature and light intensity on triacylglycerol accumulation in marine microalgae. Biomass and Bioenergy. 72, 280-287 (2015).
- Maedal, K., Owadai, M., Kimura, N., Karubd, I. CO2 fixation from the flue gas on coal-fired thermal power plant by microalgae To screen microalgac which arc suitable for direct CO2 fixation , microalgae were sampled from. Energy Conversion Managment. 36 (6-9), 717-720 (1995).
- Sakai, N., Sakamoto, Y., Kishimoto, N., Chihara, M., Karube, I. Strain from Hot Springs Tolerant to High Temperature and high CO2. Energy Conversion Managment. 36 (6-9), 693-696 (1995).
- Lam, M., Lee, K., Mohamed, A. Current status and challenges on microalgae-based carbon capture. International Journal of Greenhouse Gas Control. 10, 456-469 (2012).
- Raeesossadati, M., Ahmadzadeh, H., McHenry, M., Moheimani, N. CO2 Bioremediation by Microalgae in Photobioreactors: Impacts of Biomass and CO2 Concentrations, Light, and Temperature. Algal Research. 6, 78-85 (2014).
- Mendoza, J., et al. Oxygen transfer and evolution in microalgal culture in open raceways. Bioresource Technology. 137, 188-195 (2013).
- Carvalho, A., Malcata, F., Meireles, A. Microalgal Reactors A Review of Enclosed System Designs and Performances. Biotechnology Progress. 22 (6), 1490-1506 (2006).
- Pires, J., Alvim-Ferraz, M., Martins, F., Simões, M. Carbon dioxide capture from flue gases using microalgae: Engineering aspects and biorefinery concept. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 16 (5), 3043-3053 (2012).
- Lam, M., Lee, K. Microalgae biofuels: A critical review of issues, problems and the way forward. Biotechnology Advances. 30 (3), 673-690 (2012).
- Chisti, Y. Biodiesel from microalgae beats bioethanol. Trends in Biotechnology. 26 (3), 126-131 (2008).
- K̈oppen, W., Volken, E., Brönnimann, S. The Thermal Zones of the Earth According to the duration of Hot, Moderate and Cold Periods and to the Impact of Heat on the Organic. Meteorologische Zeitschrift. 20 (3), 351-360 (2011).
- Lammers, P., et al. Review of the Cultivation Program within the National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproducts. Algal Research. 22, 166-186 (2017).
