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。
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。
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和水转化为生物质的生物系统。微藻被提出作为潜在解决方案,因其具有生长速度快、CO2固定能力强以及高产率等优势。此外,微藻具有广泛的生物能源潜力,因为其生物质可转化为诸如可替代化石燃料的生物燃料等有价值的产品7,9,10,11,12。
微藻可在多种培养系统或反应器中生长并实现生物转化,包括开放式跑道池和封闭式光生物反应器13,14,15,16,17,18,19。研究人员已对在室内或室外条件下,两种培养系统中决定生物过程成败的优势与局限性进行了研究5,6,16,20,21,22,23,24,25。在可直接从烟道排放废气的场景中,开放式跑道池是碳捕集与利用最常用的培养系统。此类培养系统成本相对较低,易于放大,能耗成本低,混合所需能量也较少。此外,这些系统可方便地与发电厂共址,从而提高碳捕集与利用过程的效率。然而,也存在一些需要考虑的缺点,例如气液相之间CO2传质效率受限。尽管存在局限性,开放式跑道池仍被认为是最适合室外微藻生物燃料生产的系统5,9,11,16,20。
本文详细介绍了一种在开放跑道池中培养微藻的方法,该方法结合了从天然气发电厂烟气中捕获二氧化碳的技术。该方法采用半自动化系统,根据培养液的pH值控制烟气的注入;系统利用光密度、溶解氧(DO)、电导率(EC)以及空气和池水温度传感器,实时监测并记录Chlorella sorokiniana的培养状态。在图森电力公司(Tucson Electric Power)设施中,数据记录仪每10分钟采集一次藻类生物量和烟气注入数据。藻种的保藏、扩培、质量控制检测以及生物量表征(例如光密度、g/L与脂质含量之间的相关性)均在亚利桑那大学的实验室环境中进行。此前已有方案通过计算机模拟优化烟气参数,以促进光生物反应器中微藻的生长26。本文所述方案的独特之处在于采用开放式跑道池,并专为在天然气发电厂现场实施而设计,以便直接利用发电过程中产生的烟气。此外,该方案包含实时光密度测量。所述系统针对炎热半干旱气候(柯本气候分类BSh)进行了优化,该气候特征为降水稀少、年际降水变率大、相对湿度低、蒸发速率高、天空晴朗且太阳辐射强烈27。
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1. 培养系统:室外开放式跑道池设置
2. pH 控制系统
3. 藻类选择与菌株保藏(光照与温度)
注意:绿藻Chlorella sorokiniana DOE 1412 由 Juergen Polle(Brooklyn College)分离获得30,31,并由美国先进生物燃料与生物产品联盟(National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproducts, NAABB)选定;其筛选依据来自 Huesemann 等人此前开展的藻株特性研究32,33。Huesemann 等人关于藻类筛选、生物量生产率以及在美国西南地区利用室外开放式跑道池在模拟气候条件(如温度和光照)下培养的研究结果,为本项目所采用的方法提供了依据。
4. 放大生产与质量控制
5. 开放池培养用浓缩培养基的制备
6. 户外开放式跑道池接种
7. 发电站的批量培养实验
8. 离散采样与监测
9. 藻类采收与轮作
10. 数据管理
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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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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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作者无任何利益冲突需要披露。
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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| 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 |
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