Summary
천연 가스 발전소 연도 가스의 이산화탄소를 활용하여 열린 경마장 연못에서 미세 조류를 재배하는 프로토콜이 설명되어 있습니다. 연도 가스 주입은 pH 센서로 제어되며, 미세조류 성장은 광학 밀도의 실시간 측정으로 모니터링됩니다.
Abstract
미국에서는 총 이산화탄소 (CO2) 배출량의 35 %가 전력 산업에서 발생하며 그 중 30 %는 천연 가스 전기 생산을 나타냅니다. 미세조류는 식물보다CO2를 10 내지 15배 빠르게 바이오픽싱하고 조류 바이오매스를 바이오연료와 같은 관심있는 제품으로 전환시킬 수 있다. 따라서이 연구는 뜨거운 반 건조한 기후에서 미국 남서부에 위치한 천연 가스 발전소와의 미세 조류 재배의 잠재적 인 시너지 효과를 보여주는 프로토콜을 제시합니다. 최첨단 기술은 녹색 조류 종 클로렐라 소로키니아나를 통해 탄소 포집 및 활용을 향상시키는 데 사용되며, 이는 바이오 연료로 추가 처리 될 수 있습니다. 우리는 반자동 개방형 경마장 연못과 관련된 프로토콜을 설명하고 애리조나 주 투손에있는 Tucson Electric Power 발전소에서 테스트 할 때의 성능 결과에 대해 논의합니다. 연도 가스는 pH를 조절하기 위한 주요 탄소원으로 사용되었고, 클로렐라 소로키니아나는 재배되었다. 조류를 성장시키기 위해 최적화된 배지를 사용하였다. 시간의 함수로서 시스템에 첨가된CO2의 양을 면밀히 모니터링하였다. 또한 조류 성장 속도, 바이오 매스 생산성 및 탄소 고정에 영향을 미치는 다른 물리 화학적 요인을 모니터링하여 광학 밀도, 용존 산소 (DO), 전기 전도도 (EC) 및 공기 및 연못 온도를 모니터링했습니다. 결과는 최대 0.385 g/L 무회분 건조 중량의 미세조류 수율이 달성가능하며, 지질 함량은 24%임을 나타냅니다. CO2 배출국과 조류 농가 간의 시너지 효과를 활용하면 조류 바이오 연료 및 바이오 제품의 지속 가능한 생산을 지원하면서 탄소 포획을 증가시키는 데 필요한 자원을 제공 할 수 있습니다.
Introduction
지구 온난화는 오늘날 세계가 직면하고있는 가장 중요한 환경 문제 중 하나입니다1. 연구에 따르면 주요 원인은 인간 활동 2,3,4,5,6,7로 인해 대기 중 온실 가스 (GHG) 배출량의 증가, 주로CO2입니다. 미국에서CO2 배출량의 가장 큰 밀도는 주로 에너지 부문, 특히 전력 발전소 3,7,8,9의 화석 연료 연소에서 비롯됩니다. 따라서 탄소 포집 및 활용 (CCU) 기술은 온실 가스 배출량 2,7,10을 줄이기위한 주요 전략 중 하나로 부상했습니다. 여기에는 햇빛을 활용하여 광합성을 통해CO2와 물을 영양소가있는 상태에서 바이오 매스로 변환하는 생물학적 시스템이 포함됩니다. 미세조류의 사용은 빠른 성장 속도, 높은CO2 고정능력 및 높은 생산 능력으로 인해 제안되었다. 추가적으로, 미세조류는 바이오매스가 화석 연료 7,9,10,11,12를 대체할 수 있는 바이오 연료와 같은 관심 있는 제품으로 전환될 수 있기 때문에 광범위한 바이오에너지 잠재력을 갖는다.
미세조류는 개방된 경마장 연못 및 폐쇄된 광생물반응기(13,14,15,16,17,18,19)를 포함하는 다양한 재배 시스템 또는 반응기에서 성장하고 생물학적 전환을 달성할 수 있다. 연구자들은 실내 또는 실외 조건 하에서 두 재배 시스템 모두에서 생물 공정의 성공을 결정하는 장점과 한계를 연구했습니다 5,6,16,20,21,22,23,24,25 . 개방 경마장 연못은 연도 가스가 스택에서 직접 분배 될 수있는 상황에서 탄소 포집 및 활용을위한 가장 일반적인 재배 시스템입니다. 이러한 유형의 재배 시스템은 상대적으로 저렴하고 확장이 쉽고 에너지 비용이 저렴하며 혼합에 대한 에너지 요구 사항이 낮습니다. 또한 이러한 시스템을 발전소와 쉽게 공동 배치하여 CCU 프로세스를 보다 효율적으로 만들 수 있습니다. 그러나,CO2 가스/액체 질량 전달의 한계와 같이 고려될 필요가 있는 몇 가지 결점이 있다. 한계가 있지만, 개방 경마장 연못은 옥외 미세조류 바이오 연료 생산 5,9,11,16,20에 가장 적합한 시스템으로 제안되었습니다.
이 기사에서는 천연 가스 발전소의 연도 가스에서 탄소 포획을 결합한 열린 경마장 연못에서 미세조류 재배 방법을 자세히 설명합니다. 이 방법은 배양 pH에 기초하여 연도 가스 주입을 제어하는 반자동 시스템으로 구성된다; 이 시스템은 광학 밀도, 용존 산소(DO), 전기전도도(EC), 공기 및 연못 온도 센서를 사용하여 클로렐라 소로키니아나 배양 상태를 실시간으로 모니터링하고 기록합니다. 조류 바이오매스와 연도 가스 주입 데이터는 Tucson Electric Power 시설에서 10분마다 데이터 로거에 의해 수집됩니다. 조류 균주 유지 보수, 스케일 업, 품질 관리 측정 및 바이오 매스 특성화 (예 : 광학 밀도, g / L 및 지질 함량 간의 상관 관계)는 애리조나 대학의 실험실 환경에서 수행됩니다. 이전의 프로토콜은 컴퓨터 시뮬레이션(26)을 통해 광생물반응기에서 미세조류 성장을 촉진하기 위해 연도 가스 설정을 최적화하는 방법을 개략적으로 설명했다. 여기에 제시된 프로토콜은 개방 된 경마장 연못을 활용하고 생산 된 연도 가스를 직접 사용하기 위해 천연 가스 발전소에서 현장에서 구현되도록 설계되었다는 점에서 독특합니다. 또한 실시간 광학 밀도 측정은 프로토콜의 일부입니다. 설명된 바와 같은 시스템은 낮은 강수량, 해마다 강수량의 상당한 변동성, 낮은 상대 습도, 높은 증발 속도, 맑은 하늘 및 강렬한 태양 복사(27)를 나타내는 뜨거운 반건조 기후(Köppen BSh)에 최적화되어 있다.
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Protocol
1. 성장 체계: 옥외 열린 경마장 연못 조정
- 연도 가스 공급원 (8-10 %CO2 포함)에 가까운 열린 경마장 연못을 설치하십시오. 연못 원자로 위치에서 물과 전기를 사용할 수 있고 원자로가 하루 종일 그늘에 있지 않은지 확인하십시오 (그림 1).
- 연도 가스가 스택으로 유입되어 대기로 배출되기 몇 미터 전에 0.95cm 연료 호스를 사용하여 연소 후 공정 중에 연도 가스를 포집합니다(그림 2).
- 스택과 압축기 사이에 20L 워터 트랩과 응축기(코일 길이 ~ 12m)를 사용하여 연도 가스에서 물을 제거합니다(그림 2).
참고: 연도 가스에는 일반적으로 약 9\u201213.8%의 물(28)이 포함되어 있습니다. 또한, 응축기 및 파이프라인은 연도 가스(16)를 냉각시킨다. - 다음 센서를 데이터로거에 연결하여 조류 성장을 모니터링합니다: (1) 650 및 750nm의 두 파장에서 흡광도를 측정하고 1.05g/L의 최대 조류 세포 농도를 감지할 수 있는 실시간 광학 밀도 센서(29); (2) DO 센서; (3) 공기 및 연못 열전대; (4) pH 센서; 및 (5) EC 센서.
참고: 또한 pH 및 EC 센서는 송신기에 연결됩니다. 데이터 로거 장치 구성은 그림 3에 나와 있습니다. - 조류 성장 시스템의 모든 구성 요소가 예방 접종 전에 교정되고 제대로 작동하는지 확인하십시오.
2. pH 제어 시스템
- 도 2 및 도 3 (보충 재료 A)에 도시된 바와 같이 압축기, 제어 밸브 시스템 및 데이터 로거 프로그램을 사용하여 연도 가스 주입을 관리한다.
- 튜브를 사용하여 연도 가스를 제어 밸브에서 돌 디퓨저를 통해 경마장 연못의 바닥으로 향하게하십시오.
- 연도 가스를 pH를 기준으로 성장 시스템에 주입하십시오. pH 값이 8.05보다 크면 시스템은 연도 가스를 주입하는 반면, pH가 8.00 미만인 경우 시스템은 성장이없는 기간 동안 연도 가스 주입을 중단합니다. 유량은 분당 표준 리터 (SLPM)로 측정됩니다.
참고: 제어 밸브에서 입구 연도 가스 압력은 최대 50psi로 제한됩니다.
3. 조류 선택 및 변형 유지 보수 (빛과 온도)
참고: 녹조류 클로렐라 소로키니아나 DOE 1412는 Juergen Polle (Brooklyn College)30,31에 의해 분리되었고 NAABB(National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproducts)에 의해 선택되었다. 그것의 선택은 Huesemann et al.32,33에 의해 수행된 이전의 균주 특성화 연구에 기초하였다. 야외 오픈 레이스웨이 연못을 사용할 때 남서부 지역의 조류 스크리닝, 바이오 매스 생산성 및 기후 시뮬레이션 배양 (예 : 온도 및 빛)에 관한 연구는이 프로젝트에 사용 된 방법을 알렸다.
- 배양물을 12 h/12 h 빛/어두운 사이클을 사용하여 실온 (25°C)에서 유지한다.
- 플레이트 및 작은 액체 배양물(50 mL ~ 500 mL)에서 성장한 배양 유지를 위해 광도를 200 μM/m2/s로 유지하십시오.
- 액체 배양물 50 mL 내지 500 mL에서 400 μM/m2/s, 액체 배양물 5 L 내지 20 L에서 600\u2012800 μM/m2/s로 스케일업을 위해 광도를 유지하십시오.
4. 스케일 업 및 품질 관리
- 다량 영양소에 대해 탈이온수와 다음 염을 사용하여 BG11 배양액을 g/L로 준비한다: 1.5 NaNO3, 0.04 K2HPO4, 0.075 MgSO4*H2O, 0.036CaCl2*H2O, 0.006 (NH4)5Fe(C6H4O7)2, 0.006Na2EDTA*2H2O, 0.02Na2CO3; g/L에 다음과 같은 미량 영양소가 들어있는 미량 원소 용액 1mL/L를 첨가하십시오: 2.86H3BO3, 1.81MnCl2*4H2O, 0.22 ZnSO4*7H2O, 0.39Na2MoO 4*2H2O, 0.079 CuSO 4*5H2O, 0.0494Co(NO3)2*6H2O.
참고 : 플레이트 접종 및 / 또는 장기간 보관의 경우 Bacto 한천 7.5g / L를 추가하십시오. 문화 접종을 위해 한천을 첨가 할 필요가 없습니다. 배양액을 오토클레이브에서 121°C에서 21분 동안 멸균한다. - 한천이 있는 BG11 배지를 멸균 층류 후드 또는 생물안전 캐비닛의 페트리 접시에 붓습니다. 일단 플레이트가 단단하고 시원해지면, 재현탁된 냉동 조류 스톡 배양물로부터 피펫 500 μL를 첨가하고 암피실린(100 μg/mL); 조류 플레이트를 진탕기 테이블(120 rpm)에서 1 내지 2주 동안 인큐베이션한다.
- 멸균 루프를 사용하여 배양 플레이트에서 단일 조류 콜로니를 선택하고 깨끗한 생물 안전 캐비닛의 멸균 성장 배지가 들어있는 50 mL 튜브에 접종하십시오. 작은 액체 배양물을 일주일 동안 진탕기 테이블 (120 rpm) 상에서 성장시킨다.
- 조류 배양액 50 mL(선형 성장 단계, OD750nm ≥ 1)를 500 mL 액체 배지로 1 L 플라스크에 옮긴다. 각 플라스크에 고무 마개와 스테인리스 스틸 튜브를 장착하여 폭기를 제공합니다. 0.2 μm 공기 살균 필터를 사용하여 공기를 여과하십시오. 문화가 일주일에서 두 주 동안 성장하게하십시오. 분광광도계(OD750nm)를 사용하여 셀 밀도를 모니터링합니다.
- 액체 배양액 500 mL를 8 L의 비멸균 배지를 함유하는 10 L 카보리에 넣고 5%CO2 및 95% 공기의 혼합물을 주입한다. 이어서, 단계 4.4에서와 동일한 조건하에서 조류를 재배한다.
- 일주일에 한 번 스톡 플레이트 및 액체 배양물(단계 4.2\u20124.5)을 모니터링합니다. 분취량을 취하여 원하는 균주의 성장을 보장하기 위해 10x 및 40x 배율로 현미경으로 관찰하십시오. 문화가 손상되거나 실험에 사용될 때까지 보관하십시오. 오염된 문화는 버리십시오.
5. 열린 연못 재배를위한 집중 된 중간 준비
- 미량 원소 용액을 제조하기 위해 부분적으로 1 L 용적 플라스크를 증류수 (DW)로 채운다. 마그네틱 교반 바를 삽입하고 표 1 에 나타낸 화학물질을 순차적으로 첨가한다. 다음 성분을 첨가하기 전에 각 성분이 용해되는지 확인하십시오. 자석을 제거하고 플라스크를 1 L 부피 마크로 채운다.
- 1L 유리 병을 DW로 부분적으로 채우고 마그네틱 교반 막대를 삽입하십시오. 용기를 자기 교반기 플레이트 상단에 놓고 반응기의 최종 부피에 대한 화학 물질을 추가하고 순차적으로 추가하여 각각이 완전히 용해되도록하십시오. 표 2는 1 L의 배지를 준비하기 위한 화학물질을 열거하므로, 모든 값에 반응기의 최종 부피를 곱한다. 유리 병을 1L로 채 웁니다.
6. 옥외 열린 경마장 연못 접종
- 각 접종 전과 수확 후 30% 표백제를 사용하여 반응기를 철저히 청소한다. 표백제를 밤새 두는 것이 좋습니다. 반응기를 잘 헹구어 모든 표백제를 제거하십시오.
- 조류 접종 전 모든 센서를 해당 교정 절차에 따라 교정하십시오.
- 농축된 배지를 희석하고(단계 5에서) 수원을 사용하여 경마장 연못을 최대 80%까지 채운다.
- 조류로 채워진 10 L 카보이 (선형 성장 단계 OD750nm > 2)를 사용하여 반응기를 접종하고 이를 최종 부피로 가져온다.
- 미세조류는 ~3일 동안 나무 팔레트로 경마장 연못을 부분적으로 음영 처리하여(그림 4), 지수 단계가 지나면 광억제를 피하기 위한 적응 전략으로 적응시킨다.
참고 :이 기간은 또한 미세 조류가 연도 가스의 직접 주입으로 인한 스트레스에 적응할 수있는 시간을 제공 할 것입니다.
7. 생성 스테이션에서의 배치 성장 실험
- 물 증발, 패들휠 모터, 센서 기능 및 평범하지 않은 모든 것을 포함한 일상적인 변화를 검사하고 기록합니다.
- 압축기와 워터 트랩을 매일 배수하고 검사하여 연도 가스가 부식성이 높기 때문에 부식을 최소화하기 위해 과도한 물을 제거합니다34.
- 10초마다 각 센서 측정값을 스캔하고 10분마다 평균 데이터를 저장하도록 데이터 로거를 구성합니다. 여기에는 DO, pH, EC, 실시간 광학 밀도뿐만 아니라 공기 및 반응기 온도가 포함됩니다.
8. 개별 샘플링 및 모니터링
- 수위가 반응기의 최종 부피에서 일정하게 유지되는지 확인하십시오 그렇지 않으면 광학 밀도 측정이 영향을받습니다.
- 반응기에서 물을 보충한 후, 자외선 가시 분광 광도계를 사용하여 광학 밀도(540, 680 및 750 nm)로 세포 질량 측정을 위해 5 mL 샘플을 취한다. 이 과정을 매일 반복하십시오.
- 현미경 관찰을 위해 일주일에 세 번 500mL 샘플을 채취하고 무회분 건조 중량(AFDW)을 기준으로 바이오매스 농도를 측정합니다.
- 10x 및 40x 대물 렌즈로 현미경 관찰을 수행합니다. 추가적으로, 이들 현미경 배율은 단계 4.6에서 설명된 조류 품질 관리의 일부로서 사용된다.
- AFDW를 위해 단계 8.3에서 샘플 400 mL를 사용하십시오.
- 각 0.7 μm 기공 크기 유리 마이크로 파이버 필터를 알루미늄 호일 트레이에 설정하고 540 °C에서 4 시간 동안 퍼니스를 사용하여 각 알루미늄 호일 트레이 / 필터를 전처리하십시오.
- #2 연필을 사용하여 각 알루미늄 호일 트레이에 라벨을 붙이고 무게 (A)를 기록한 다음 진공 필터 장치에 놓습니다.
- 여과할 부피를 측정하기 전에 조류 샘플을 격렬하게 저어준다. 충분한 조류 샘플을 필터링하여 8 ~ 16mg의 전후 회분 중량 차이를 제공합니다. 실험 과정 전반에 걸쳐 사용할 가중치 차이를 선택하고 이 값을 일정하게 유지합니다.
- 조류 샘플을 포함하는 각 필터를 그의 호일 트레이에 넣고 적어도 12시간 동안 105°C의 오븐에 놓는다.
- 건조 오븐에서 호일 트레이 / 필터를 제거하고 유리 데시케이터에 넣어 물 섭취를 방지하십시오. 각 호일 트레이/필터 무게(B)를 기록합니다.
- 호일 트레이/필터를 540°C 머플 퍼니스에 4시간 동안 놓습니다.
- 머플 퍼니스를 끄고 호일 트레이/필터를 식히고 데시케이터에 넣고 각 호일 트레이/필터 무게(C)를 기록합니다.
- 중량 분석을 사용하여 AFDW를 계산합니다.
% AFDW = C - A x 100 / B
- 용매를 이용한 마이크로파 보조 추출(MAE) 지질 추출 분석을 위해 수확하기 전에 조류 2L를 잡으십시오.
- 조류 샘플을 4,400 x g 의 상대 원심력(RFC)에서 15분 동안 원심분리한다. 조류 펠렛을 취하여 적어도 24시간 동안 80°C의 오븐을 사용하여 건조시킨다.
- 조류 샘플을 갈아서 조류 분말을 칭량하십시오 (권장 바이오 매스 범위는 0.3g에서 0.5g까지).
- 미세조류 분말(건조 조류 바이오매스)을 마이크로파 가속 반응 시스템(MARS) 프레스 용기에 넣고 후드 아래에 클로로포름:메탄올(2:1, v/v) 용매 용액 10mL를 넣고 용기를 닫고 밤새 방치합니다.
- 용기를 용매 센서를 사용하여 70°C 및 800W의 전력에서 60분 동안 MARS 기계에 넣습니다.
- MARS에서 선박을 꺼내 후드 아래에서 식히십시오.
- 깔때기와 유리 울을 사용하여 각 액체 샘플을 미리 칭량된 유리 시험관으로 옮겨 클로로포름, 메탄올 및 지질을 포함하는 액체 부분을 분리하고 다른 분석을 위해 고형물(바이오매스에 지질이 없음)을 유지합니다.
- 지질이 들어있는 시험관을 질소 증발기로 가져 가서 액체가 증발되면 제거한 다음 튜브를 후드 아래에 밤새 두어 완전히 건조되도록하십시오.
- 중량 분석을 사용하여 지질 함량 (중량 %)을 계산하십시오.
지질 함량 (중량%) = 지질의 건조 바이오매스 x 100/건조 조류 질량
9. 조류 수확 및 작물 회전
- 전체 조류 배양 부피의 75%를 수확하여 배양물이 정지기에 근접할 때 수확한다. 실험실에서 바이오 매스 생산성 분석을 수행하기 위해 2 \ u20125 L의 배양물을 섭취하십시오. 나머지 조류를 가공하고 원하는 조류 생성물로 변환하십시오.
- 접종물로 남아있는 25 % 조류를 사용하여 열린 경마장 연못을 다시 성장시킵니다. 전체 원자로 부피의 80%까지 물을 첨가하고, 농축된 매체를 추가한 다음, 필요한 경우 반응기의 최종 부피까지 채우기를 마칩니다.
- 온도 및 광도 조건에 따라 계절에 따라 적절한 조류 균주를 배양하십시오.
10. 데이터 관리
- 데이터 로거에 데이터를 기록하고 7.3단계와 같이 분석을 위해 수집합니다.
- 원시 및 분석 된 데이터를 Regional Algal Feedstock Testbed (RAFT) 공유 드라이브에 저장하는 것을 고려하십시오. RAFT 프로젝트 공동 작업자는 데이터를 제공하여 조류 생산성을 시뮬레이션 및 모델링하고 야외 재배를 검증합니다.
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Representative Results
우리 실험실의 이전 실험 결과는 반자동 개방 경마장 연못을 사용하는 미세 조류 재배가 탄소 포집 과정과 결합 될 수 있음을 나타냅니다. 이 두 공정 사이의 시너지 효과를 더 잘 이해하기 위해 (그림 2), 우리는 프로토콜을 개발하고 뜨거운 반 건조 기후의 옥외 조건에서 녹색 조류 종 클로렐라 소로키 니아나를 재배하기 위해 조정했습니다. 천연가스 연도가스는 산업 발전 스테이션으로부터 얻어졌다. 이 프로토콜은 조류 바이오매스 생산성을 평가하기 위해 다양한 기술을 사용합니다: (1) 실시간 광학 밀도 센서를 이용한 조류 성장(그림 5); (2) pH의 함수로서 배양물 내로의 연도 가스 온오프 펄스 주입에 대하여 조류 성장(도 6 및 도 7); (3) 조류 성장 온도, 용존 산소 및 전기 전도도와 같은 환경 매개 변수와의 상관 관계 (그림 8 및 그림 9).
우리는 조류의 성장과 생리적 역학을 모니터링하는 실시간 광학 밀도 센서를 테스트합니다. 이 센서를 통해 실험실 상관 관계를 통해 해당 회분 없는 건조 중량 바이오매스(g/L)를 설정할 수 있었습니다. 도 5는 센서와 실험실 측정 간의 비교를 나타낸다. 두 판독값 모두 비슷한 경향을 보여 주며 시간의 함수로 증가합니다. 그러나, 현장 센서 판독값은 낮/밤 조류 성장 주기를 추적할 수 있다. 상기 주기는 광학 밀도 값이 낮에는 증가하지만 호흡 중에는 밤에는 감소한다는 것을 보여주며, 이는 바이오매스 생산성의 변화를 나타낸다. 실시간 광학 밀도 센서의 통합으로 전체 조류 생산 시스템에 대한 효과적인 관리 결정을 내릴 수 있습니다.
우리는 반자동 온오프 연도 가스 펄스 주입 시스템을 배치하는데, 이는 AZ 투손에서 특히 따뜻한 가을 시즌 동안 측정된 24시간 연도 가스 주입 주기로 그림 6 에 나와 있습니다. 도 6에 도시된 바와 같이, 연도 가스는 대략 오전 8 내지 6 pm (일주일 주기)에서 주입되었으나 오후 6 시부 터 오전 8 시까 지 (야행성 기간) 주입되지 않았다. 이 낮 / 밤주기는 매일 햇빛 노출과 야간 동안의 빛의 부족, 그리고 결과적으로 광합성 또는 광호흡의 활성화를 각각 반영합니다. 도 7은 이러한 조류 배치 동안 주입된 누적 연도 가스(L)를 제시한다. 이 경우, 538 LCO2에 상응하는 6,564 L의 연도 가스가 0.29 g의 조류 바이오매스를 성장시키기 위해 사용되었다. 그래프는 조류 성장률이 증가함에 따라 더 많은 연도 가스(CO2)가 필요했음을 보여준다(그림 6). 실험 결과는 온오프 연도 가스 펄스 주입 시스템이 미세조류 재배를 통한 탄소 포집 및 활용을 촉진하는데 효과적임을 확인하였다.
우리는 다른 물리 화학적 매개 변수를 측정하고 모니터링하여 조류 성장 및 생산성과 상관 관계를 수립합니다 (그림 8 및 그림 9). 측정된 환경 파라미터는 용존 산소, 전기전도도(EC), 공기 및 연못 온도 둘 다였다. 예상대로 EC를 제외한 모든 매개 변수는 태양 복사와 높은 상관 관계가 있는 유사한 추세를 나타냈습니다. 결과는 이러한 환경 변수가 조류 성장에 가장 큰 영향을 미쳤으며 조류 바이오매스 모델링35에 사용된다는 것을 나타낸다. EC는 배치 공정 동안 크게 변하지 않았다. 따라서, 조류 성장에 관한 어떠한 관련 정보도 제공하지 않았다. 비식염수를 이용한 클로렐라 소로키니아나의 재배를 위해, EC 측정은 생략될 수 있다.
그림 1: 발전소의 탄소 포집과 미세조류 재배를 위한 반자동 개방형 연못 원자로를 결합하기 위한 Tucson Electric Power의 파일럿 현장 위치. 두 위치는 1) 조류 사이트 U3 (유닛 3)과 2) 조류 사이트 U4 (유닛 4) 사진 크레디트 : 호세 마누엘 시네로스 바스케스로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 뜨거운 반건조 기후에서 미세조류 재배를 위한 탄소 포집 및 반자동화 개방형 경마장 연못을 결합하기 위한 공정 흐름도. (A) 개방형 레이스웨이 패들휠 설계; (B) 실제 실험 시설; (C) 공정: Van Den Hende28로부터 개질된 탄소 포집 및 미세조류 재배를 결합시킨다. 범례: T = 온도; DO = 용존 산소; OD = 광학 밀도; EC = 전기 전도도; 데이터 로거. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 센서 설정의 개략적인 표현 . (A) CV1 및 CV2가 제어 밸브, DL이 데이터 로거, T1 및 T2가 송신기인 전체 실외 개방 연못 센서 설정의 표현. (B) 제어 밸브의 표현. (c) 데이터 로거에 대한 센서의 연결의 표현; 진한 파란색 원 : 실시간 광학 밀도, 주황색 삼각형 : pH 및 EC, 검은 삼각형 : 열전대, 빨간색 삼각형 : 용존 산소, 연한 파란색 : 제어 밸브. (d) pH 및 EC 트랜스미터. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 순응 과정 하의 조류. 지수 단계에서 나무 팔레트를 사용하는 미세조류 순응 전략. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 5: 조류 성장 모니터링의 표현. (A) AFDW 바이오매스 농도(g/L) 대 실험실 측정 시간에 대한 그래프; (b) 650 nm에서의 광학 밀도 센서와 실험실 측정 사이의 상관 관계에 대한 그래프; 및 (C) 실시간 광학 밀도 센서에 대한 그래프 대 실험 배치에 대한 시간. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 온/오프 연도 가스 펄스 주입에 대한 그래프(pH의 fuction)입니다. 데이터 로거는 pH = 8.05에서 연도 가스 주입 (제어 밸브 온)을 시작하고 pH = 8.00에서 연도 가스 주입 (제어 밸브 오프)을 종료하도록 설정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: 조류 성장(g/L), 주입된 연도 가스의 양 및 시간 함수로 주입된CO2의 양 에 대한 그래프. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8: 온도 모니터링의 표현. 전설: 실선 노란색 선 = 경마로 연못 반응기 온도; 실선 = 공기 온도; 파선 파란색 선 = AZMET 역 온도 (애리조나 기상 네트워크). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9: 조류 성장 파라미터의 모니터링. 전설: 주황색 실선 = 태양 복사; 회색 실선 = 전기 전도 (EC); 노란색 실선 = 용존 산소 (DO). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 구성 요소 | 용액 내 농도 (g / L) |
| H3 BO3 | 0.00286 |
| MnCl2·4H2O | 0.00181 |
| ZnSO4·7H2O | 0.0001373 |
| Na2MoO4·2H2O | 0.00039 |
| CuSO4·5H2O | 0.000079 |
| Co(NO3)2·6H2O | 0.00005518 |
| NiCl2·6H2O | 0.0001 |
표 1: 미량 원소 솔루션 레시피.
| 구성 요소 | 속칭 | 용액 내 농도 (g / L) |
| (NH2) 2 공동 | 요소 | 0.1 |
| MgSO4·7H2O | 황산마그네슘 | 0.012 |
| NH4H2PO4 | 인산암모늄 | 0.035 |
| 증권 시세 표시기 | 칼륨 | 0.175 |
| FeCl3 | 페릭 시트레이트 (시트라 플렉스) | 0.005423 |
| 미량 금속 솔루션 | 1000x 마이크로의 부피 (ml) | 1 |
표 2: 1L에 최적화된 미디어 레시피.
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Discussion
이 연구에서, 우리는 더운 반 건조 기후에서 연도 가스 탄소 포집과 미세 조류 재배가 시너지 효과를 발휘하여 가능하다는 것을 입증합니다. 반자동 경마장 연못 시스템을 위한 실험 프로토콜은 최첨단 기술을 통합하여 연도 가스를 탄소원으로 사용할 때 조류 성장과 관련된 관련 파라미터를 실시간으로 모니터링합니다. 제안 된 프로토콜은 경주로 연못 20,21,36의 주요 단점 중 하나 인 조류 재배의 불확실성을 줄이기위한 것입니다. 우리의 경험에 비추어 볼 때, 프로토콜의 가장 중요한 단계는 pH 제어 시스템과 시스템을 접종하는 효과적인 방법입니다 (그림 2). pH 제어 시스템은 연도 가스/CO2를 제공하며CO2 포집 및 활용에서 효율성을 최적화하기 위한 전략을 나타냅니다(그림 3)37. 이 제어 시스템은 최대 조류 성장률20,37을 달성하기에 충분한 연도 가스를 전달하면서 가스 배출을 줄이기 때문에 미세조류 재배 공정을위한 연속 주입 시스템보다 더 효율적인 것으로 입증되었습니다. 연도 가스 주입이 pH를 기준으로 할 때, 조류 재배의 핵심 요소는 경마장 연못38,39를 접종하기 전에 미세조류 종에 대한 적절한 pH 값을 선택하는 것입니다. Qiu et al.40은 세포 성장 및 지질 생산 40을 고려할 때 8의 pH 값이 담수 종 클로렐라 소로키니아니아에 가장 적합하다는 것을 발견했다. 또한, Molina Grima et al.41은 질소 손실을 줄이고 미세조류 / 바이오 매스 41에 의한 더 나은 질소 흡수를 달성하기 위해 8 미만의 pH를 권장합니다. 그러나, Yuvraj et al.42는 pH가 배지의 산도 42에 대한 질소 시비의 영향 때문에 물 중의CO2 함량을 평가하는 적절한 방법이 아니라고 제안한다. 우리의 결과는 pH가 여기에 제시된 시스템에 대한CO2 주입을 관리하는데 효과적으로 사용될 수 있음을 보여준다 (그림 6); 배양물을 pH 8로 유지한 연도 가스 주입 관리는 높은 바이오매스 수율과 재현성을 가져왔습니다(그림 7).
접종 후, 조류는 광억제를 피하고 경마장 매체의 고온에 적응하기 위해 시스템에 적응해야합니다. 이 뜨겁고 반 건조한 기후에서, 우리는 높은 태양 복사39,43,44로 인한 조류 광억제를 관찰했습니다 (그림 9). 이러한 효과는 지수단계 32,35,45,46,47 동안 미세조류 접종을 지연시킬뿐만 아니라 억제할 수 있다. 미세조류에 대한 순응의 영향을 줄이기 위해, 우리는 경마장 연못을 나무 팔레트로 부분적으로 음영 처리하는 것으로 구성된 성공적이고 실현 가능한 전략을 설계했습니다. 이 전략은 미세조류가 반복적으로 노출될 수 있게 하지만 단기간 동안 태양 조건에 노출될 수 있게 한다. 또 다른 스트레스 요인은 연도 가스의 고온과 주변 공기33,48입니다(그림 8). 연도 가스 온도는 연소 후 단계10,48,49에서 상당히 높습니다. 파견 된 파이프 라인에서 경주로 연못으로 직접 주입하여 연도 가스를 활용하면 매체의 온도를 더욱 높이는 데 기여할 수 있습니다. 따라서 압축기 앞에 위치한 워터 트랩이 뒤따르는 응축기는 열 전달뿐만 아니라 압축기에 도달하는 물의 양도 감소시킵니다(그림 2). 우리는 두 장치 모두 압축기 고장률을 줄이기 위해 필요하다는 것을 발견했습니다. 또한 습도, 연도 가스 온도 및 연도 가스의 부식성 특성은 압축기의 수명주기 및 유지 보수를 추정 할 때 고려해야합니다. 또한, 고온은 더 높은 증발 속도를 일으킨다.
이 프로토콜에는 몇 가지 제한 사항이 적용됩니다. 도 6에 따르면, 대조군 밸브는 광합성이 절정에 달했을 때 충분한 연도 가스를 주입할 수 없었다. 이 효과는 반응기 설계(5,16,50,51)로 인해 기체에서 액상으로의 낮은 질량 전달에 기인할 수 있다. Mendoza et al.36,52 및 de Godos et al.16은 경마로 연못이 가스 / 액체 질량 이동이 좋지 않아 가장 심각한 설계 제약 조건 중 하나 인 16,36,52를 나타냅니다. 이들의 얕은 채널 설계는 가스와 배양 배지 사이의 짧은 계면 영역으로 인해 CO2 질량 전달을 제한하며, 이는CO2 가스 배출의 증가를 야기한다(그림 2). 따라서, 섬프, 혼합 컬럼, 투과성 실리콘 및 스퍼징-확산 시스템(36,52,53)을 포함하는 가스/액체 접촉 시간을 증가시키기 위한 장치 및 새로운 구성이 제안되었다. 이들 모든 시스템은CO2 질량 전달을 강화시키기 위한 시도에서 사용되어 왔다; 그러나, 이들 시스템 중 일부는 또한 영양소 분포를 개선하고, pH를 조절하며, 과량의O25,24,36,52를 제거한다. 마지막으로, 정전은 발전소에서 실제 연도 가스를 포획하고 사용할 때 발생할 수있는 다른 제한 사항입니다. 이러한 정전이 항상 예정되어 있는 것은 아닙니다. 따라서,CO2의 일시적인 대안적인 소스들, 예를 들어,CO2 본선을 다수의 전력 유닛들에 재배치하거나 연결하는 것이 고려되어야 한다(그림 1).
이 프로토콜로 미세조류를 생산하는 능력은 조류 생산성 (그림 5), 선택된 매개 변수에 대한 조류 반응 (그림 6, 그림 8, 그림 9) 및 직접 연도 가스 주입에 의해 양육 될 때 원하는 조류 종의 성공적인 배양에 대한 우리의 결과에 의해 뒷받침됩니다. 개방형 원자로는 작동하기가 더 저렴하므로 이 프로토콜은 이러한 형태의 탄소 포집 및 활용 16,20,54,55,56의 상업적 규모 배치를 가속화하는 강점을 기반으로 합니다. 이 뜨거운 반 건조 지역은 높은 태양 복사와 일년 내내 상당한 온도 변동을 경험합니다 (그림 8 및 그림 9)57; 따라서 이러한 종류의 프로토콜을 테스트하는 주요 위치입니다. 광학 밀도 센서는 실외 개방 시스템에 일관된 OD 판독값을 제공했습니다(그림 5). 이러한 유형의 데이터 수집은 다른 센서를 사용하면 비실용적입니다. 또한 센서는 낮부터 밤까지 상당한 온도 변화에 잘 반응하여 적시에 조류 생산성 결정을 내릴 수 있습니다29. 더욱이, 제안된 최적화된 배지는 상업적 비료 및 용이하게 이용가능한 영양 공급원(58)에 기초한다는 중요한 이점을 갖는다(표 1 및 2); 이 배지는 사내에서 쉽게 생산될 수 있거나, 농업 액체 비료 회사(58)로부터의 요청에 따라 공급될 수 있다. 마지막으로, 반자동 프로토콜은 추가 천연 가스 발전소에서 테스트되었습니다. 그 확인 연구의 결과는이 논문에 제시되지 않습니다. 그 확인 연구에서, 프로토콜은 투손의 극심한 기상 조건과 발전소 레이아웃 내의 원자로의 위치로 인해 발전 스테이션의 예외적으로 더운 온도에도 불구하고 성공적이었습니다. 따라서 천연 가스가 전기를 생산하는 연료로 사용될 때 Tucson의 환경에 대한 프로토콜 재현성이 조사되었습니다.
다음 단계는 이 프로토콜을 추가로 개발하고 관련된 프로세스의 자동화를 개선하고 향상시키기 위해 권장됩니다. 첫 번째 권장 사항은 연도 가스 주입을 완전히 가변 속도 프로세스로 만들어CO2 및 pH 관리를 향상시키는 것입니다. 현재 프로그램은 pH가 8 이상으로 상승하면 주입 밸브를 완전히 열고 pH가 다시 8에 도달하면 닫습니다. CO2가 주입되는 방식을 개선하는 것도 또한 필요하다. 목표는 CO2 기포의 크기를 감소시키는 것, 즉 더 높은 압력에서 연도 가스를 주입하는 것에 의지하지 않고 매질에서CO2 확산을 향상시키는 마이크로버블을 생성하는 것이다. 향상된 인젝터를 사용하여 운영 에너지 비용을 절감하는 것은 프로토콜의 상업적 적용에 필요한 것으로 간주됩니다. N 사용 효율을 향상시키기 위해 연도 가스 및 비료, 주로 N을 제어하기위한 일기 예보 및 현재 미세조류 상태에 기반한 예측 도구를 포함하는 것도 권장됩니다. 전산 유체 동적 모델링의 사용은 제안 된 프로토콜을 추가로 개발하는 데 중요한 도구로 간주됩니다. 모델링은 미세조류의 모니터링 및 관리에 관련된 모든 하드웨어의 설계, 구성 및 운영을 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 미래에 탐구 될 수있는 또 다른 영역은 미세 조류 작물의 건강과 구성을 모니터링하기위한 환경 DNA (eDNA) 및 실시간 PCR 기술의 적용입니다. 물 샘플을 분석 할 수 있으며, 결과는 객관적인 미세 조류가 배지에서 우세한 종인지 또는 경쟁하고 있는지 또는 다른 유기체로 대체되었는지 여부를 나타냅니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 작업은 지역 조류 공급 원료 테스트베드 프로젝트, 미국 에너지부 DE-EE0006269를 통해 지원되었습니다. 또한 Esteban Jimenez, Jessica Peebles, Francisco Acedo, Jose Cisneros, RAFT Team, Mark Mansfield, UA 발전소 직원 및 TEP 발전소 직원에게 모든 도움을 주신 것에 감사드립니다.
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
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