本文描述了一种利用天然气发电厂烟气中的二氧化碳在开放式跑道池中培养微藻的方案。通过pH传感器控制烟气注入，利用光密度的实时测量监测微藻生长。
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本文内容
摘要
摘要
在美国，35% 的二氧化碳（CO2）总排放量来自电力行业，其中 30% 来自天然气发电。微藻固定 CO2 的速度比植物快 10 到 15 倍，并可将藻类生物质转化为生物燃料等有价值的产品。因此，本研究提出了一项实验方案，展示了在美国西南部炎热半干旱气候条件下，微藻培养与天然气发电厂之间潜在的协同效应。本研究采用先进技术，利用绿藻物种Chlorella sorokiniana增强碳捕获与利用，并可进一步将其加工为生物燃料。我们描述了一种采用半自动化开放式跑道池的实验方案，并讨论了该系统在亚利桑那州图森市图森电力公司发电厂实地测试时的运行结果。实验中以烟道气作为主要碳源用于调控 pH 值，并培养Chlorella sorokiniana。采用优化培养基进行藻类培养，并对系统随时间添加的 CO2 量进行严密监测。此外，还监测了影响藻类生长速率、生物量生产力和碳固定效率的其他理化因素，包括光密度、溶解氧（DO）、电导率（EC）以及空气和池水温度。结果表明，微藻的产量可达最高 0.385 g/L 无灰干重，脂质含量为 24%。充分利用 CO2 排放源与藻类养殖之间的协同潜力，可为提升碳捕获能力提供资源支持，同时推动藻类生物燃料和生物产品的可持续生产。
引言
全球变暖是当今世界面临的最重要的环境问题之一1。研究表明，其主要原因是由于人类活动导致大气中温室气体（GHG）排放量增加，尤其是CO2的增加2,3,4,5,6,7。在美国，CO2排放最密集的来源主要是能源部门中化石燃料的燃烧，特别是发电厂3,7,8,9。因此，碳捕集与利用（CCU）技术已成为减少温室气体排放的主要策略之一2,7,10。这些技术包括利用阳光、在营养物质存在下通过光合作用将CO2....
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方案
1. 培养系统：室外开放式跑道池设置
- 在靠近烟气源（含 8–10% CO2）的位置设置开放式跑道池。确保池反应器所在位置有供水和供电条件，并且在一天的大部分时间不受遮阴（图 1）。
- 在烟气进入烟囱排入大气前几米处，使用直径 0.95 cm 的燃油软管采集燃烧后过程中的烟气（图 2）。
- 在烟囱与压缩机之间，使用 20 L 水汽捕集器和冷凝器（盘管长度约 12 m）去除烟气中的水分（图 2）。
注：烟气通常含有约 9–13.8% 的水28。此外，冷凝器和管道可使烟气降温16。 - 将以下传感器连接至数据记录仪以监测藻类生长：（1）实时光学密度传感器29，可在两个波长（650 和 750 nm）下测量吸光度，最大可检测藻细胞浓度为 1.05 g/L；（2）溶解氧（DO）传感器；（3）空气和池体热电偶；（4）pH 传感器；以及（5）电导率（EC）传感器。
注：此外，pH 和 EC 传感器还连接至变送器。数据记录仪单元的配置如 图 3 ....
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结果
我们实验室先前的实验结果表明，利用半自动开放式跑道池培养微藻可与碳捕获过程相结合。为了更好地理解这两个过程之间的协同作用（图2），我们制定了一项实验方案，并针对在炎热半干旱气候条件下户外培养绿色藻类物种 Chlorella sorokiniana 进行了优化。实验所用的天然气烟道气取自工业发电站。本方案采用多种技术评估藻类生物量的生产效率：（1）利用实时光学密度传感器监测藻类生长情况（图5）；（2）通过向培养体系中按pH函数进行烟道气开关脉冲式注入，研究烟道气对藻类生长的影响（图6 和 图7）；（3）分析藻类生长与环境参数（如温度、溶解氧和电导率）之间的相关性（图8 和 图9）。
我们测试了一种可实时监测藻类生.......
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讨论
本研究证明，在炎热的半干旱气候条件下，烟气碳捕集与微藻培养的协同耦合是可行的。该半自动化跑道池系统的实验方案集成了先进的技术，可实时监测以烟气作为碳源时与微藻生长相关的关键参数。该方案旨在降低微藻培养过程中的不确定性，而不确定性正是跑道池系统的主要缺陷之一20,21,36。根据我们的经验，该方案最关键的步骤包括pH控制系统以及有效的系统接种方法（图2）。pH控制系统用于输送烟气/CO2 ，是一种优化CO2捕集与利用效率的策略（图3）37。与连续注入系统相比，该受控系统在微藻培养过程中已被证实效率更高，因其可在提供足量烟气以实现最大微藻生长速率的同时，减少气体逸出20,
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由美国能源部区域藻类原料试验平台项目（DE-EE0006269）资助。我们还感谢Esteban Jimenez、Jessica Peebles、Francisco Acedo、Jose Cisneros、RAFT团队、Mark Mansfield、亚利桑那大学电厂工作人员以及TEP电厂工作人员提供的所有帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 可调速电机（桨轮系统） | Leeson | 174307 | Lesson 174307.00，类型：SCR电压；电流：10安培 |
| 铝制称量舟 | Fisher Scientific | 08-732-102 | Fisherbrand 铝制称量皿 |
| 柠檬酸铁铵（NH?）?[Fe(C?H?O?)?] | Fisher Scientific | 1185 - 57 - 5 | 培养基制备。柠檬酸铁(III)铵 |
| 磷酸铵 | Sigma-Aldrich | 7722-76-1 | 该化学品用于优化培养基 |
| 氨苄青霉素钠盐 | Sigma Aldrich | A9518-5G | 该化学品用于防止藻类污染 |
| 高压灭菌器 | Amerex Instrument Inc | Hirayama HA300MII | |
| 细菌琼脂（Bacto agar） | Fisher Scientific | BP1423500 | Fisher BioReagents 颗粒状琼脂 |
| 漂白剂 | Clorox | 杀菌漂白剂，浓缩型Clorox | |
| 硼酸（H3BO3） | Fisher Scientific | 10043-35-3 | 微量元素：硼酸 |
| 二水氯化钙（CaCl2*2H2O） | Sigma-Aldrich | 10035-04-8 | 培养基制备。二水氯化钙 |
| 大容量塑料瓶（20 L） | Nalgene - Thermo Fisher Scientific | 2250-0050PK | 带把手聚丙烯大瓶 |
| 离心机 | Beckman Coulter, Inc | J2-21 | |
| 氯仿 | Sigma-Aldrich | 67-66-3 | 该化学品用于脂质提取 |
| Citraplex 20% 铁 | Loveland Products | SDS No. 1000595582 -17-LPI | https://www.fbn.com/direct/product/Citraplex-20-Iron#product_info |
| 六水合硝酸钴(II)（Co(NO3)2*6H2O） | Sigma-Aldrich | 10026-22-9 | 微量元素：六水合硝酸钴(II) |
| 压缩机 | Makita | MAC700 | 该设备用于二氧化碳注入系统 |
| 控制阀 | Sierra Instruments | SmartTrak 100 | 该设备需根据应用定制。在本实验中，使用的是5% CO2与95%空气的混合气体。 |
| 五水合硫酸铜(II)（CuSO4*5H2O） | Sigma-Aldrich | 7758-99-8 | 微量元素：五水合硫酸铜(II) |
| 数据记录仪：Campbell CR3000单元 | Scientific Campbell | CR3000 | 该设备用于控制系统，监测并记录数据 |
| 溶解氧溶液 | Campbell Scientific | 14055 | 溶解氧电解液 DO6002 - 批号 211085 |
| 溶解氧探头 | Sensorex | ? | DO6400/T 数字通信溶解氧传感器 |
| 电导率校准溶液 | Ricca Chemical Company | 2245 - 32 ( R2245000-1A ) | 电导率标准液，25°C时5000 μS/cm（相当于2620 ppm TDS，以NaCl计） |
| 电导率探头传感器 | Hanna Instruments | HI3003/D | 流通式电导率探头 - NTC传感器，DIN接口，3米电缆 |
| 二水合乙二胺四乙酸二钠盐（Na2EDTA*2H2O） | Sigma-Aldrich | 6381-92-6 | 培养基制备：二水合乙二胺四乙酸二钠盐 |
| 滤膜 | Fisher Scientific | 09-874-48 | Whatman 无粘合剂玻璃微纤维滤膜 |
| 锥形瓶 | Fisher scientific | 09-552-40 | Pyrex Fernbach 锥形瓶 |
| 高温炉 | Hogentogler | Model: F6020C-80 | Thermo Scientific Thermolyne F6020C-80 马弗炉 |
| 玻璃干燥器 | VWR International LLC | 75871-430 | 型号150，直径140 mm |
| 玻璃漏斗 | Fisher Scientific | FB6005865 | Fisherbrand 可重复使用长颈玻璃漏斗 |
| 层流罩 | Fisher Hamilton Safeair | Fisher Hamilton 不锈钢 Safeair 通风柜 | |
| 七水合硫酸镁（MgSO4*7H2O） | Fisher Scientific | 10034 - 99 - 8 | 培养基制备：七水合硫酸镁 |
| 甲醇 | Sigma-Aldrich | 67-56-1 | 脂质提取溶剂 |
| 微孔曝气器 | Pentair Aquatic Eco-Systems | 1PMBD075 | 该设备用于二氧化碳注入系统 |
| 微藻：小球藻 Sorokiniana | NAABB | DOE 1412 | |
| 显微镜 | Carl Zeiss 4291097 | ||
| 微波辅助提取仪 | MARS, CEM Corporation | CEM Mars 5 Xtraction 230/60 微波加速反应系统，型号：907601 | |
| MnCl2*4H2O | Sigma-Aldrich | 13446-34-9 | 四水合氯化锰(II) |
| 研钵 | Fisher Scientific | FB961B | Fisherbrand 瓷质研钵 |
| 氮吹仪 | Organomation | N-EVAP 112 氮吹仪（OA-SYS 加热系统） | |
| 烘箱 | VWR International LLC | 89511-410 | 鼓风干燥箱 |
| 桨轮 | 8叶片水平轴螺旋桨。通常作为桨轮反应器的一部分提供。 | ||
| 桨轮电机 | Leeson | M1135042.00 | Leeson，型号：CM34025Nz10C；1/4马力；电压90伏；FR 34；62转/分钟 |
| 研杵 | Fisher Scientific | FB961M | Fisherbrand 瓷质研杵 |
| pH与电导率变送器 | Hanna Instruments | HI98143 | Hanna Instruments HI98143-04 pH与电导率变送器，带伽伐尼隔离0-4V输出 |
| pH校准溶液 | Fisher Scientific | 13-643-003 | Thermo Scientific Orion pH缓冲液瓶装 |
| pH探头传感器 | Hanna Instruments | HI1006-2005 | Hanna Instruments HI1006-2005 聚四氟乙烯pH电极，带匹配销，5米线缆 |
| 移液器吸头 | Fisher Scientific | 1111-2821 | 1000 μl TipOne 蓝色刻度吸头，置于支架中 |
| 移液器 | Fisher Scientific | 13-690-032 | Eppendorf Research plus 可调体积单通道移液器 |
| 塑料比色皿 | Fisher scientific | 14377017 | BrandTech BRAND 塑料比色皿 |
| 培养皿 | Fisher scientific | 08-757-100D | Corning Falcon 带盖细菌培养皿 |
| 钾碱 | 该化学品用于优化培养基制备，购自本地肥料公司 | ||
| 磷酸氢二钾（K2HPO4） | Sigma-Aldrich | 7758 -11 - 4 | 培养基制备：磷酸氢二钾 |
| Pyrex 可重复使用培养基储存瓶 | Fisher scientific | 06-414-2A | 1 L 和 2 L 瓶 - PYREX GL45 螺口盖带密封塞 |
| 跑道池 | 类似设备可从 https://microbioengineering.com/products 购买 | ||
| 实时光密度传感器 | University of Arizona | 该设备由课题组成员设计并制造 | |
| RS232 电缆 | Sabrent | Sabrent USB 2.0 至串行（9针）DB-9 RS-232 转换电缆，Prolific芯片组，带螺母，[兼容Windows 10/8.1/8/7/VISTA/XP，Mac OS X 10.6及以上] 2.5英尺（CB-DB9P） | |
| 摇床 | 藻类搅拌，150 rpm | ||
| 碳酸钠（Na2CO3） | Sigma-Aldrich | 497-19-8 | 碳酸钠 |
| 二水合钼酸钠（Na2MoO4*2H2O） | Sigma-Aldrich | 10102-40-6 | 培养基制备：二水合钼酸钠 |
| 硝酸钠（NaNO3） | Sigma-Aldrich | 7631-99-4 | 培养基制备：硝酸钠 |
| 分光光度计 | Fisher Scientific Company | 14-385-400 | Thermo Fisher Scientific - 10S UV-Vis GENESYS 分光光度计，圆柱形长光程比色皿架；内置参比检测器，氙闪光灯；双硅光电二极管；240V，50至60Hz自动选择 |
| 试管 | Fisher Scientific | 14-961-27 | Fisherbrand 一次性硼硅酸盐玻璃试管，平口（10 ml） |
| K型热电偶 | Omega | KMQXL-125G-6 | |
| 尿素 | Sigma-Aldrich | 2067-80-3 | 尿素 |
| 真空过滤系统 | Fisher Scientific | XX1514700 | MilliporeSigma 玻璃真空过滤器支架，47 mm。系统包括：磨口烧瓶连接件、粗孔玻璃滤板支撑和烧瓶 |
| 真空泵 | Grainger | Marathon Electric 交流电机，带热保护 G588DX - 型号 5KH36KNA510X。功率1/4马力。转速1725/1425 | |
| 七水合硫酸锌（ZnSO4*7H2O） | Sigma-Aldrich | 7446-20-0 | 七水合硫酸锌 |
参考文献
- 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).
- L....
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