Summary
天然ガス発電所の煙道ガス中の二酸化炭素を利用して、オープンな軌道上の池で微細藻類を栽培するためのプロトコルが記載されている。煙道ガス注入はpHセンサーで制御され、微細藻類の成長は光学密度のリアルタイム測定で監視されます。
Abstract
米国では、総二酸化炭素(CO2)排出量の35%が電力業界から発生し、そのうち30%が天然ガス発電を表しています。微細藻類は、植物よりも10〜15倍速くCO2をバイオフィックスし、藻類バイオマスをバイオ燃料などの目的の製品に変換することができます。したがって、この研究は、高温の半乾燥気候の米国南西部に位置する天然ガス発電所との微細藻類栽培の潜在的な相乗効果を実証するプロトコルを提示する。最先端の技術は、バイオ燃料にさらに加工することができる緑の藻類種クロレラソロキニアナを介して炭素の回収と利用を強化するために使用されます。半自動化されたオープンレースウェイ池を含むプロトコルを説明し、アリゾナ州ツーソンのツーソン発電所でテストされたときのその性能の結果について議論します。pHを制御するための主な炭素源として排煙を使用し、クロレラソロキニアナを栽培しました。最適化された培地を使用して藻類を増殖させた。時間の関数としてシステムに添加されたCO2の量は、綿密に監視された。さらに、藻類の成長速度、バイオマス生産性、炭素固定に影響を与える他の物理化学的要因(光学濃度、溶存酸素(DO)、電気伝導率(EC)、空気および池の温度など)がモニターされました。この結果は、脂質含有量が24%で、最大0.385g/Lの灰を含まない乾燥重量の微細藻類収量が達成可能であることを示している。CO2排出者と藻類農家との間の相乗的な機会を活用することで、藻類バイオ燃料およびバイオ製品の持続可能な生産を支援しながら、炭素回収を増加させるために必要な資源を提供することができる。
Introduction
地球温暖化は、現在、世界が直面している最も重要な環境問題の一つです1。研究によると、主な原因は、人間活動による大気中の温室効果ガス(GHG)排出量、主にCO2の増加である2,3,4,5,6,7。米国では、CO2排出量の最大の密度は、主にエネルギー部門、特に発電プラント3、7、8、9における化石燃料の燃焼に由来する。したがって、炭素回収利用(CCU)技術は、GHG排出量2,7,10を削減するための主要な戦略の1つとして浮上しています。これらには、日光を利用して、栄養素の存在下で光合成を介してCO2と水をバイオマスに変換する生物学的システムが含まれる。微細藻類の使用は、速い増殖速度、高いCO2固定能力、および高い生産能力のために提案されている。さらに、微細藻類は、バイオマスを化石燃料7、9、10、11、12を置き換えることができるバイオ燃料などの関心のある製品に変換することができるため、幅広いバイオエネルギーの可能性を秘めている。
微細藻類は、開放軌道池および閉鎖型フォトバイオリアクター13、14、15、16、17、18、19を含む様々な栽培システムまたは反応器において増殖および生物学的変換を達成することができる。研究者らは、屋内または屋外の条件下で、両方の栽培システムにおけるバイオプロセスの成功を決定する利点と限界を研究しました5,6,16,20,21,22,23,24,25.オープンレースウェイ池は、煙道ガスをスタックから直接分配できる状況での炭素回収と利用のための最も一般的な栽培システムです。このタイプの栽培システムは、比較的安価であり、スケールアップが容易であり、エネルギーコストが低く、混合のためのエネルギー要件が低い。さらに、これらのシステムは発電所と簡単に共存できるため、CCUプロセスをより効率的に行うことができます。しかし、CO2気体/液体物質移動の制限など、考慮する必要があるいくつかの欠点があります。制限はあるものの、屋外の微細藻類バイオ燃料生産に最も適したシステムとして、開放的な軌道池が提案されている5,9,11,16,20。
この記事では、天然ガス発電所の煙道ガスからの炭素回収を組み合わせた、オープンな軌道上の池での微細藻類栽培方法を詳述します。この方法は、培養pHに基づいて煙道ガス注入を制御する半自動化システムからなる。このシステムは、光学密度、溶存酸素(DO)、電気伝導度(EC)、空気および池の温度センサーを使用して、 クロレラ・ソロキニアナ の培養状態をリアルタイムで監視および記録します。藻類バイオマスと排煙注入データは、ツーソン電力施設で10分ごとにデータロガーによって収集されます。藻類株の維持、スケールアップ、品質管理測定、バイオマス特性評価(光学密度、g/L、脂質含有量の相関など)は、アリゾナ大学の研究室で行われます。以前のプロトコルは、コンピュータシミュレーション26を介してフォトバイオリアクターにおける微細藻類の成長を促進するために煙道ガス設定を最適化する方法を概説した。ここで提示されたプロトコルは、オープンな軌道池を利用し、生産された煙道ガスを直接利用するために天然ガス発電所で現場で実装されるように設計されています。さらに、リアルタイムの光学密度測定もプロトコルの一部です。記載されているように、このシステムは暑い半乾燥気候(ケッペンBSh)に最適化されており、降水量が少なく、降水量が年々大きく変動し、相対湿度が低く、蒸発率が高く、晴天し、強い日射量が強い27。
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Protocol
1.成長システム:屋外オープンレースウェイ池の設定
- 煙道ガス源(8~10%CO2を含む)の近くにオープンな軌道池を設置する。池の原子炉の場所で水と電気が利用可能であり、原子炉が一日の大半を日陰にないことを確認します(図1)。
- 燃焼後プロセスでは、煙道ガスが煙突に入って大気中に排出される数メートル前に、0.95cmの燃料ホースを使用して煙道ガスを捕捉します(図2)。
- スタックとコンプレッサーの間に20 Lのウォータートラップとコンデンサー(コイル長~12 m)を使用して、煙道ガスから水を除去します(図2)。
注:煙道ガスは、通常、約9〜1213.8%の水28を含む。また、凝縮器及びパイプラインは排煙16を冷却する。 - 藻類の成長を監視するために、以下のセンサをデータロガーに接続する:(1)2つの波長(650および750nm)での吸光度を測定し、1.05g / Lの最大藻類細胞濃度を検出できるリアルタイム光学濃度センサ29;(2) DOセンサ;(3)空気および池の熱電対;(4)pHセンサ;(5)ECセンサ。
メモ:さらに、pHセンサーとECセンサーは送信機に接続されています。データロガーユニットの構成を 図3に示す。 - 藻類の成長システムのすべてのコンポーネントが較正され、接種前に適切に動作していることを確認してください。
2. pH制御システム
- 図2および図3(補足資料A)に示すように、コンプレッサ、制御バルブシステム、およびデータロガープログラムを使用して、煙道ガス噴射を管理します。
- チューブを使用して、制御バルブから石のディフューザーを介して軌道池の底に煙道ガスを導きます。
- pHに基づいて煙道ガスを成長システムに注入する。pH値が8.05より大きい場合、システムは煙道ガスを注入し、pHが8.00未満の場合、システムは成長のない期間に煙道ガス注入を停止します。流量は、標準リットル/分(SLPM)で測定されます。
メモ:制御バルブでは、入口煙道ガス圧力は最大50psiに制限されています。
3. 藻類の選択とひずみ維持(光と温度)
注:緑藻類クロレラ・ソロキニアナDOE 1412は、Juergen Polle(ブルックリン大学)30,31によって単離され、National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproducts(NAABB)によって選択されました。その選択は、Huesemann et al.32,33によって行われた以前の株特性評価研究に基づいていた。屋外のオープンレースウェイ池を使用する場合の南西部地域の藻類スクリーニング、バイオマス生産性、気候シミュレーション培養(温度や光など)に関する研究は、このプロジェクトで使用される方法に情報を提供しました。
- 培養物を室温(25°C)で12時間/12時間の明暗サイクルを用いて維持する。
- プレート上および小型液体培養(50 mL ~ 500 mL)で増殖させた培養維持のために、光強度を200 μM/m2/sに保ちます。
- 液体培養物50 mL~500 mLでは400 μM/m 2/sでスケールアップ増殖し、液体培養では5 L~20 Lで600 μM/m2/sで光強度を維持します。
4. スケールアップと品質管理
- BG11培養液をイオン交換水と以下の塩類を用いて、主要栄養素としてg/Lで調製する:1.5 NaNO3、0.04 K 2 HPO 4、0.075 MgSO 4*H2 O、0.036 CaCl 2*H2O、0.006 (NH 4)5Fe(C6H 4O7)2、0.006 Na 2 EDTA*2H 2 O、 02Na2CO3;2.86 H3 BO 3、1.81 MnCl 2*4H 2O、0.22 ZnSO 4*7H 2 O、0.39 Na 2 MoO 4*2H2 O、0.079CuSO 4*5H 2 O、0.0494 Co(NO3)2*6H2Oの微量栄養素を含む微量元素溶液を1mL/L加える。
注:プレート接種および/または長期保存のために、7.5g / Lのバクト寒天を加える。培養接種のために、寒天の添加は必要ない。オートクレーブ内の培養液を121°Cで21分間滅菌する。 - BG11培地を寒天とともに滅菌層流フードまたはバイオセーフティキャビネット内のペトリ皿に注ぎます。プレートが固く冷たくなったら、再懸濁した凍結藻類ストック培養物から500μLのピペットをピペットし、アンピシリン(100μg/mL)を加える。藻類プレートをシェーカーテーブル(120rpm)で1〜2週間インキュベートする。
- 滅菌ループを使用して、培養プレートから単一の藻類コロニーを選択し、クリーンなバイオセーフティキャビネット内の滅菌増殖培地を含む50mLチューブに接種します。小さな液体培養物をシェーカーテーブル(120rpm)上で1週間成長させる。
- 50 mLの藻類培養物(線状成長期、OD750nm ≥1)を500 mL液体培地を含む1 Lフラスコに移す。各フラスコにゴム栓とステンレスチューブをはめ込み、通気を提供します。0.2μmの空気滅菌フィルターを使用して空気をろ過します。文化を1〜2週間成長させましょう。分光光度計(OD750nm)を用いて細胞密度をモニターする。
- 500 mL の液体培養物を、8 L の非滅菌培養液を含む 10 L のカーボーイに入れ、5%CO2 と 95% の空気の混合物を注入します。次いで、ステップ4.4と同じ条件で藻類を培養する。
- ストックプレートおよび液体培養物(ステップ4.2〜20124.5)を週に1回監視する。アリコートを取り、顕微鏡下で10倍および40倍の倍率で観察し、所望の株の成長を確実にする。文化が侵害されるか、実験に使用されるまで保持しました。汚染された培養物は廃棄する。
5. 開放池耕作のための濃縮培地調製
- 微量元素溶液を調製し、1Lメスフラスコに蒸留水(DW)を部分的に充填した。マグネチックスターラーバーを挿入し、 表1 に示す薬品を順次加える。次の成分を添加する前に、各成分が溶解することを確認してください。磁石を取り外し、フラスコを1Lの体積マークまで満たします。
- 1Lのガラス瓶にDWを部分的に充填し、マグネチックスターバーを挿入します。容器をマグネチックスターラープレートの上に置き、反応器の最終容量の化学物質を加え、それらを順番に添加して、それぞれが完全に溶解するようにします。 表 2 に、1 L の培地を準備するための化学物質がリストされているので、すべての値に反応器の最終容積を掛けます。ガラス瓶を1Lに充填する。
6. 屋外オープンレースウェイ池接種
- 各接種前および収穫後に30%の漂白剤を使用して反応器を徹底的に洗浄する。漂白剤は一晩放置することをお勧めします。反応器をよくすすぎ、すべての漂白剤を取り除きます。
- 藻類接種前に、対応する校正手順に従ってすべてのセンサーを校正します。
- 軌道池を最大80%まで充填することによって、水源を使用して濃縮培地を希釈する(ステップ5で)。
- 藻類で満たされた10Lカーボーイ(線状成長期OD750nm > 2)を用いて反応器に接種し、それを最終体積にする。
- 微細藻類を木製パレットで部分的に遮光して~3日間(図4)順応させ、指数関数的な段階が経過したら、光阻害を回避する適応戦略として。
注:この期間はまた、微細藻類が煙道ガスの直接注入によって引き起こされるストレスに適応する時間を提供する。
7. 発電ステーションでのバッチ成長実験
- 水の蒸発、パドルホイールモーター、センサー機能など、日常的な変動を検査して記録します。
- コンプレッサーとウォータートラップを毎日排水して検査し、煙道ガスは非常に腐食性が高いため、腐食を最小限に抑えるために余分な水を除去します34。
- 各センサー測定値を10秒ごとにスキャンし、10分ごとに平均データを保存するようにデータロガーを構成します。これらには、DO、pH、EC、リアルタイム光学密度、空気および反応器温度が含まれます。
8. 離散サンプリングとモニタリング
- 原子炉の最終体積で水位が一定であることを確認してください、さもなければ光学濃度測定は影響を受けるでしょう。
- 反応器内の水を補充した後、紫外可視分光光度計を用いて光学密度(540、680、および750nm)による細胞塊測定のために5mLのサンプルを採取する。このプロセスを毎日繰り返します。
- 500mLのサンプルを週に3回採取し、顕微鏡観察と無灰乾燥重量(AFDW)に基づくバイオマス濃度を測定します。
- 10倍および40倍の対物レンズで顕微鏡観察を行います。さらに、これらの顕微鏡倍率は、ステップ4.6で説明した藻類品質管理の一部として使用されます。
- AFDWにはステップ8.3で400mLのサンプルを使用する
- 孔径0.7μmのガラスマイクロファイバーフィルターをアルミ箔トレイにセットし、540°Cで4時間の炉でアルミ箔トレイ/フィルターを前処理します。
- 各アルミ箔トレイに#2鉛筆でラベルを付け、その重量(A)を記録し、真空フィルター装置に入れます。
- ろ過する体積を測定する前に、藻類サンプルを激しく攪拌する。十分な藻類サンプルをろ過して、8〜16mgの灰の前/後重量差を与える。実験の過程で使用する重量差を選択し、この値を一定に保ちます。
- 藻類サンプルを含む各フィルターをその箔トレイに入れ、105°Cのオーブンに少なくとも12時間置く。
- ホイルトレイ/フィルターを乾燥炉から取り出し、ガラス製デシケーターに入れて水分の取り込みを防ぎます。各ホイルトレイ/フィルター重量(B)を記録します。
- ホイルトレイ/フィルターを540°Cのマッフル炉に4時間置きます。
- マッフル炉の電源を切り、ホイルトレイ/フィルターを冷却し、デシケーターに入れ、各ホイルトレイ/フィルター重量(C)を記録します。
- 重量分析を使用してAFDWを計算する:
% AFDW= C – A x 100 / B
- 溶媒を用いたマイクロ波支援抽出(MAE)脂質抽出分析のために収穫する前に、2 Lの藻類を保持する。
- 藻類サンプルを相対遠心力(RFC)で4,400 x g で15分間遠心分離します。藻類ペレットを取り、80°Cのオーブンを用いて少なくとも24時間乾燥させる。
- 藻類サンプルを粉砕し、藻類粉末を計量する(推奨バイオマスの範囲は0.3g〜0.5g)。
- 藻類粉末(乾燥藻類バイオマス)をマイクロ波加速反応系(MARS)Xpress容器に加え、フードの下にクロロホルム:メタノール(2:1、v/v)溶媒溶液10mLを加え、容器を閉じ、一晩放置する。
- 溶媒センサーを使用して容器をMARSマシンに70°C、800Wの電力で60分間置きます。
- MARSから容器を取り出し、ボンネットの下で冷やします。
- 漏斗とグラスウールを使用して、各液体サンプルを予め秤量したガラス試験管に移すことによってクロロホルム、メタノール、および脂質を含む液体部分を分離し、他の分析のために固体(脂質を含まないバイオマス)を保つ。
- 脂質を含む試験管を窒素蒸発器に持って行き、液体が蒸発したらそれらを取り出し、その後、完全な乾燥を確実にするためにチューブをボンネットの下に一晩放置する。
- 重量分析を使用して脂質含有量(重量%)を計算する:
脂質含量(質量%)=脂質の乾燥バイオマス×100/乾燥藻類質量
9. 藻類の収穫と輪作
- 培養物が定常期に達するのに近づいたときに全藻類培養体積の75%を収穫する。実験室でバイオマス生産性分析を行うために2〜20125Lの培養物を取る。残りの藻類を処理し、所望の藻類製品に変換する。
- 残りの25%の藻類を接種源として使用して、開いた軌道池を再成長させる。反応器の全容積の80%まで水を加え、濃縮媒体を加えてから、必要に応じて反応器の最終容積まで充填を終える。
- 温度と光強度条件に基づいて、季節に応じて適切な藻類株を栽培する。
10. データ管理
- データロガーにデータを記録し、ステップ7.3のように分析のために収集します。
- 生データと分析データを地域藻類原料テストベッド(RAFT)共有ドライブに保存することを検討してください。RAFTプロジェクトの共同研究者は、藻類の生産性をシミュレートおよびモデル化し、屋外栽培を検証するためにデータを提供します。
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Representative Results
私たちの研究室からの以前の実験結果は、半自動化されたオープンレースウェイ池を使用した微細藻類培養が炭素回収プロセスと組み合わせることができることを示しています。これら2つのプロセスの相乗効果をよりよく理解するために(図2)、我々はプロトコルを開発し、暑い半乾燥気候の屋外条件下で緑藻類種 クロレラ・ソロキニアナ を栽培するためにそれを調整しました。天然ガス排煙は、産業用発電所から入手した。このプロトコルは、藻類バイオマスの生産性を評価するために様々な技術を使用しています:(1)リアルタイムの光学密度センサーを使用した藻類の成長(図5)。(2)pHの関数としての培養物への排煙オンオフパルス注入に対する藻類増殖(図6 および 図7);(3)藻類の成長は、温度、溶存酸素、電気伝導度などの環境パラメータと相関しています(図8 および 図9)。
藻類の成長と生理学的ダイナミクスを監視するリアルタイムの光学密度センサーをテストします。このセンサーにより、ラボ相関を介して、対応する灰のない乾燥重量バイオマス(g / L)を確立することができました。 図5は 、センサと実験室測定との比較を示す。どちらの測定値も同様の傾向を示しており、時間の関数として増加しています。しかし、in-situセンサーの読み取り値は、昼夜の藻類の成長サイクルを追跡することができます。前記サイクルは、光学密度値が昼間は増加するが、呼吸中に夜間に減少することを示し、バイオマス生産性の変化を示す。リアルタイム光学密度センサの統合により、藻類生産システム全体について効果的な管理上の決定を下すことができます。
当社は、アリゾナ州ツーソンの特に暖かい秋の季節に測定された24時間の煙道ガス注入サイクルによって 図6 で表される半自動オンオフ煙道ガスパルス注入システムを展開しています。図6に示すように、排煙は午前8時から午後6時(日周期間)まで注入されたが、午後 6時から午前8時(夜行性期間)の間は注入されなかった。この昼/夜のサイクルは、毎日の日光曝露と夜間の光の欠如を反映し、その結果、それぞれ光合成または光呼吸の活性化を反映します。 図7は 、この藻類バッチ中に注入された累積煙道ガス(L)を示す。この場合、538LCO2に相当する6,564Lの煙道ガスを用いて、0.29gの藻類バイオマスを成長させた。このグラフは、藻類の成長速度が増加するにつれて、より多くの排煙(CO2)が必要であったことを示している(図6)。実験結果から、オンオフ排煙パルス噴射装置は、微細藻類の培養による炭素回収・利用の促進に有効であることが確認されています。
我々は、他の物理化学的パラメータを測定および監視して、それらと藻類の成長および生産性との間の相関関係を確立する(図8 および 図9)。測定された環境パラメータは、溶存酸素、電気伝導度(EC)、および空気と池の両方の温度でした。予想通り、ECを除くすべてのパラメータは、日射量と高度に相関する同様の傾向を示した。結果は、これらの環境変数が藻類の成長に最も有意な影響を及ぼし、藻類バイオマスモデリングに使用されることを示している35。EC はバッチ処理中に大きく変化しませんでした。したがって、藻類の成長に関する関連情報は提供されませんでした。非生理食塩水を用いた クロレラ・ソロキニアナ の栽培については、EC測定は省略することができる。
図1:発電所からの炭素回収と微細藻類栽培用の半自動化されたオープンポンドリアクターを結合するためのツーソン電力のパイロットサイトの位置。 2つの場所は、1)藻類サイトU3(ユニット3)と2)藻類サイトU4(ユニット4)写真クレジット:ホセマヌエルシスネロスバスケスによって表されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図 2:高温半乾燥気候での微細藻類栽培のための炭素回収と半自動化されたオープンレースウェイ池を結合するためのプロセスフローチャート 。(B) 実物実験施設(C)プロセス:Van Den Hende28から改変された炭素回収と微細藻類培養を結合する。凡例: T = 温度;DO = 溶存酸素;OD = 光学密度;EC = 電気伝導率;データロガー。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:センサ設定 の概略図。 (A)CV1とCV2が制御弁、DLがデータロガー、T1とT2が送信機である屋外オープンポンドセンサ全体の設定の表現。(B)制御弁の表現。(C)センサーのデータロガーへの接続の表現。濃い青色の円:リアルタイム光学濃度、オレンジ色の三角形:pHおよびEC、黒い三角形:熱電対、赤色の三角形:溶存酸素、水色:制御弁。(d)pHおよびEC伝達物質。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:馴化過程下の藻類。 指数関数的な段階で木製パレットを使用した微細藻類の馴化戦略。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:藻類増殖モニタリングの表現。(A)AFDWバイオマス濃度(g / L)対実験室測定時間のグラフ。(B)650nmにおける光学濃度センサと実験室測定との間の相関関係のためのグラフ;(C)リアルタイム光学密度センサ対実験バッチの時間についてのグラフ。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図6:オン/オフ煙道ガスパルス注入のpHのファクションとしてのグラフ。データロガーは、pH = 8.05で排煙注入(制御バルブオン)を開始し、pH = 8.00で排煙注入(制御バルブオフ)を終了するように設定されました。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図 7: 藻類の成長 (g/L)、注入された煙道ガスの量、および時間の関数としてのCO2 注入量のグラフ。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図8:温度監視の表現 凡例: 黄色の実線 = 軌道池の反応器温度;灰色の実線 = 気温;破線の青い線 = AZMETステーションの温度(アリゾナ気象ネットワーク)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図9:藻類増殖パラメータのモニタリング。 凡例: オレンジ色の実線 = 日射量;灰色の実線 = 導電性 (EC);黄色の実線=溶存酸素(DO)である。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
| コンポーネント | 溶液中の濃度(g/L) |
| H 3BO3 | 0.00286 |
| MnCl 2·4H2O | 0.00181 |
| ZnSO4·7H2O | 0.0001373 |
| Na2MoO4·2H2O | 0.00039 |
| CuSO4·5H2O | 0.000079 |
| Co(NO3)2·6H 2 O | 0.00005518 |
| ニッケル2·6H2O | 0.0001 |
表1:微量元素溶液のレシピ。
| コンポーネント | 俗称 | 溶液中の濃度(g/L) |
| (NH2)2共 | 尿素 | 0.1 |
| MgSO4·7H2O | 硫酸マグネシウム | 0.012 |
| NH 4 H2PO4 | リン酸アンモニウム | 0.035 |
| ティッカー | 加里 | 0.175 |
| フェクル3 | クエン酸第二鉄(シトラプレックス) | 0.005423 |
| 微量金属ソリューション | 1000xマイクロス(ml)の容量 | 1 |
表 2: 1 L 用に最適化されたメディア レシピ。
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Discussion
本研究では、高温の半乾燥気候において、排煙の炭素回収と微細藻類の培養を相乗的に結合させることが可能であることを実証する。半自動化された軌道池システムの実験プロトコルは、炭素源として煙道ガスを使用する場合に藻類の成長に相関する関連パラメータをリアルタイムで監視するための最先端の技術を統合しています。提案されたプロトコルは、軌道池20、21、36の主な欠点の1つである藻類栽培における不確実性を軽減することを意図している。私たちの経験では、プロトコルの最も重要なステップには、pH制御システムとシステムに接種する効果的な方法が含まれます(図2)。pH制御システムは、煙道ガス/CO2を供給し、CO2の回収と利用の効率を最適化する戦略を表しています(図3)37。この制御システムは、最大藻類増殖速度20,37を達成するのに十分な煙道ガスを供給しながら、ガス放出を低減するため、微細藻類培養プロセス用の連続注入システムよりも効率的であることが証明されています。排煙注入がpHに基づいている場合、藻類栽培のための重要な要素は、軌道池38、39に接種する前に微細藻類種のための適切なpH値を選択することである。Qiu et al.40は、細胞増殖と脂質産生を考慮すると、淡水種クロレラソロキニアニアにとってpH値が8であることが最良であることを見出した40。さらに、Molina Grima et al.41は、窒素損失を低減し、微細藻類/バイオマス41によるより良い窒素取り込みを達成するために、pHを8未満にすることを推奨している。しかし、Yuvraj et al.42は、窒素施肥が培地の酸性度に及ぼす影響のために、pHが水中のCO2含有量を評価するための適切な方法ではないことを示唆している42。我々の結果は、pHがここで提示されたシステムのCO2注入を管理するために効果的に使用できることを示している(図6)。培養物をpH 8に維持した当社の排煙注入管理は、高いバイオマス収量と再現性をもたらしました(図7)。
接種後、藻類は光阻害を避け、軌道媒体の高温に適応するために系に順応しなければならない。この暑い半乾燥気候では、高い日射量39、43、44による藻類の光阻害が観察されました(図9)。この効果は、指数関数的段階32、35、45、46、47の間の微細藻類接種を遅らせるだけでなく阻害することもできる。微細藻類への順応の影響を減らすために、私たちは木製パレットで軌道池を部分的に遮光することからなる成功裏に実現可能な戦略を設計しました。この戦略により、微細藻類は太陽条件に短時間繰り返しさらされることができます。もう1つのストレス要因は、排煙と周囲空気33,48の高温です(図8)。煙道ガス温度は、燃焼後段階10,48,49でかなり高い。送出されたパイプラインから軌道池に直接噴射して排煙を利用することで、媒体の温度をさらに上昇させることに貢献できます。したがって、コンデンサに続いてコンプレッサの前にウォータートラップを配置すると、熱伝達が減少するだけでなく、コンプレッサに到達する水の量も減少します(図2)。コンプレッサの故障率を下げるためには、両方の装置が必要であることがわかりました。さらに、コンプレッサのライフサイクルとメンテナンスを見積もる際には、湿度、煙道ガス温度、および煙道ガスの腐食性を考慮する必要があります。さらに、高温はより高い蒸発速度を引き起こす。
このプロトコルにはいくつかの制限があります。図6によると、制御弁は、光合成がピークに達したときに十分な排煙を注入することができなかった。この効果は、反応器設計5、16、50、51に起因する気体から液相への低い物質移動に起因し得る。Mendoza et al.36,52 および de Godos et al.16 は、軌道上の池は気体/液体の物質移動が悪く、これは最も厳しい設計上の制約の 16,36,52 の1 つであると述べている。これらの浅い流路設計は、ガスと培養液との間の短い界面面積のためにCO2物質移動を制限し、CO2オフガス化の増加を引き起こす(図2)。したがって、サンプ、混合カラム、透過性シリコーン、およびスパージ拡散システム36、52、53を含む、気体/液体接触時間を延長するための装置および新規構成が提案されている。これらのシステムはすべて、CO2物質移動を増強する試みに使用されている。しかしながら、これらのシステムのいくつかはまた、栄養素分布を改善し、pHを制御し、そして過剰なO2 5、24、36、52を除去する。最後に、停電は、発電所から実際の煙道ガスを捕捉して利用するときに発生する可能性のある他の制限です。これらの停止は、常にスケジュールされているわけではありません。したがって、CO2の一時的な代替供給源、例えば、CO2本線を複数のパワーユニットに再配置または接続することを考慮する必要があります(図1)。
このプロトコルで微細藻類を生産する能力は、藻類の生産性(図5)、選択されたパラメータに対する藻類の応答(図6、図8、図9)、および直接煙道ガス注入によって育成された場合の所望の藻類種の培養の成功に関する我々の結果によって支持される。オープンリアクターは運転が安価であるため、このプロトコルは、この形態の炭素回収および利用16,20,54,55,56の商業規模の展開を加速するための強みに基づいています。この暑い半乾燥地域では、一年中高い日射量と著しい温度変動を経験しています(図8と図9)57。したがって、この種のプロトコルをテストするのに最適な場所です。光学密度センサは、屋外オープンシステムに一貫したOD測定値を提供しました(図5)。このタイプのデータ収集は、他のセンサーを使用しても実用的ではありません。また、センサーは昼夜間の大きな温度変化にうまく反応し(図8)、藻類の生産性に関するタイムリーな決定を下すことができました29。さらに、提案された最適化培地は、市販の肥料および容易に入手可能な栄養源58に基づいているという重大な利点を有する(表1および2)。この培地は、社内で容易に製造することも、農業用液体肥料会社からの要求に応じて調達することもできます58。最後に、半自動化プロトコルは、追加の天然ガス発電所でテストされました。その確認研究の結果は、本稿では提示されていない。その確認研究では、ツーソンの極端な気象条件と発電所のレイアウト内の原子炉の位置のために発電ステーションで非常に高温であったにもかかわらず、プロトコルは成功しました。したがって、天然ガスが電気を生産するための燃料として使用される場合のツーソンの環境について、プロトコルの再現性が検討されている。
このプロトコルをさらに開発し、関連するプロセスの自動化を改善および強化するために、次の手順をお勧めします。最初の推奨事項は、煙道ガス注入を完全に可変率のプロセスにし、CO2およびpH管理を改善することです。現在のプログラムは、pHが8を超えると注入バルブを完全に開き、pHが再び8に達すると閉じます。CO2の注入方法を改善することも必要です。その目的は、CO2気泡のサイズを小さくすること、すなわち、より高い圧力で煙道ガスを注入することに頼ることなく、媒体中のCO2拡散を強化するためにマイクロバブルを生成することである。 改良されたインジェクタを使用して、運用エネルギーコストを削減することは、プロトコルの商業的適用において必要であると考えられる。Nの使用効率を向上させるために、排煙と肥料(主にN)を制御するための天気予報と現在の微細藻類の状態に基づく予測ツールを含めることも推奨されます。計算流体動的モデリングの使用は、提案されたプロトコルをさらに発展させる上で不可欠なツールと考えられています。モデリングは、微細藻類の監視と管理に関与するすべてのハードウェアの設計、構成、および操作を最適化するのに役立ちます。将来探求される可能性のあるもう1つの分野は、微細藻類作物の健康と組成を監視するための環境DNA(eDNA)とリアルタイムPCR技術の適用です。水サンプルを分析することができ、その結果は、目的の微細藻類が培地中の優勢な種であるかどうか、または競合しているか、または別の生物によって置き換えられているかどうかを示すであろう。
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Disclosures
著者らは開示するものは何もありません。
Acknowledgments
この作業は、米国エネルギー省DE-EE0006269の地域藻類原料テストベッドプロジェクトを通じて支援されました。また、エステバン・ヒメネス、ジェシカ・ピーブルズ、フランシスコ・アセド、ホセ・シスネロス、RAFTチーム、マーク・マンスフィールド、UA発電所スタッフ、TEP発電所スタッフの協力にも感謝します。
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 |
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