Name: 将发电厂的碳捕获与半自动开放式管道池相结合，用于微藻养殖 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-08-14T16:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 17 s
Description: 了解利用发电厂烟气进行微藻养殖的半自动开放式跑道池系统。该方法通过pH传感器控制烟气注入，实时监测光密度，实现工业碳捕获与可持续生物质生产。

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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。

1. 培养系统：室外开放式跑道池设置
<ol>
	<li>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）。</li>
	<li>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）。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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 所示。</li>
	<li>在接种前，确保藻类培养系统的所有组件均已校准并正常运行。</li>
</ol>
2. pH 控制系统
<ol>
	<li>使用压缩机、控制阀系统和数据记录程序来管理烟气注入，如图2和图3（补充材料A）所示。</li>
	<li>使用管道将烟气从控制阀经由石质扩散器导入跑道池底部。</li>
	<li>根据pH值向培养系统中注入烟气。当pH值大于8.05时，系统开始注入烟气；而在无生长阶段，当pH值小于8.00时，系统停止烟气注入。流量以标准升每分钟（SLPM）计量。 
	注意：控制阀的入口烟气压力最高不得超过50 psi。</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>在室温（25 °C）下培养，采用12小时光照/12小时黑暗的光周期。</li>
	<li>保持光照强度为 200 µM/m2用于平板培养物维持的 /s&#160;以及在小体积液体培养物（50 mL 至 500 mL）中。</li>
	<li>在50 mL至500 mL液体培养物的放大培养中，保持光照强度为400 µM/m2/秒，液体培养物为5升至20升，光照强度为600‒800 µM/㎡2/ s.</li>
</ol>
4. 放大生产与质量控制
<ol>
	<li>使用去离子水和以下盐类配制 BG11 培养基（单位：g/L），用于提供大量营养素：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；每升培养基中加入 1 mL 微量元素溶液，该溶液包含以下微量元素（单位：g/L）：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。 
	注意：用于平板接种和/或长期保存时，需添加 7.5 g/L 的 Bacto 琼脂；用于液体培养接种时，则无需添加琼脂。将培养基置于高压灭菌器中，在 121 °C 下灭菌 21 分钟。</li>
	<li>在无菌超净工作台或生物安全柜中，将含琼脂的 BG11 培养基倒入培养皿中。待平板凝固并冷却后，用移液器吸取 500 µL 重悬的冷冻藻类储备培养物，并加入氨苄青霉素（终浓度 100 µg/mL）；将藻类培养平板置于摇床（120 rpm）中培养 1 至 2 周。</li>
	<li>在洁净的生物安全柜中，使用无菌接种环从培养平板上挑选单个藻类菌落，接种至含有无菌生长培养基的 50 mL 离心管中。将小规模液体培养物置于摇床（120 rpm）中培养一周。</li>
	<li>将 50 mL 藻类培养物（处于线性生长期，OD750nm ≥ 1）转移至装有 500 mL 液体培养基的 1 L 三角瓶中。每个三角瓶配以橡胶塞和不锈钢通气管以提供通气，空气需通过 0.2 µm 空气除菌滤器过滤。继续培养 1 至 2 周，使用分光光度计监测细胞密度（OD750nm）。</li>
	<li>将 500 mL 液体培养物&#160;转移至含有 8 L 非无菌培养基的 10 L 搪瓷罐中，并通入含 5% CO2 和 95% 空气的混合气体。随后在与步骤 4.4 相同的条件下继续培养藻类。</li>
	<li>每周监测一次储备平板及液体培养物（步骤 4.2–4.5）。取适量培养物在显微镜下以 10× 和 40× 放大倍数观察，确保目标藻株正常生长。持续保存培养物直至其被污染或用于实验，及时丢弃受污染的培养物。</li>
</ol>
5. 开放池培养用浓缩培养基的制备
<ol>
	<li>准备微量元素溶液时，先用蒸馏水（DW）将1 L容量瓶部分装满。放入磁力搅拌子，并加入下表所示的化学试剂。 表1 依次加入。确保每种成分完全溶解后，再添加下一种组分。移除磁子&#160;加水至1 L刻度线处。</li>
	<li>用去离子水（DW）部分填充一个1 L的玻璃瓶，并放入磁力搅拌子。将容器置于磁力搅拌器上，按顺序依次加入反应器终体积所需的化学试剂，确保每种试剂完全溶解。 表2 列出配制1 L培养基所需的化学品，因此将所有数值乘以反应器的最终体积。将玻璃瓶加水至1 L。</li>
</ol>
6. 户外开放式跑道池接种
<ol>
	<li>每次接种前和收获后，使用30%漂白剂彻底清洁反应器。建议将漂白剂保留过夜。用清水充分冲洗反应器，以去除所有漂白剂残留。</li>
	<li>在藻类接种前，根据各传感器相应的校准程序进行校准。</li>
	<li>使用水源将浓缩培养基（步骤5中）稀释，加水至跑道式培养池体积的80%。</li>
	<li>使用一个装有藻类（线性生长期，OD）的10 L试剂瓶接种反应器750 nm &#62; 2）并将其带到其&#160;最终体积</li>
	<li>使用木制托盘对跑道池进行部分遮荫，使微藻适应环境约3天（图4），一旦指数生长期结束，作为一种避免光抑制的适应策略。 
	注意：&#160;这一阶段还将为微藻提供时间&#160;适应直接注入烟气所造成的胁迫。</li>
</ol>
7. 发电站的批量培养实验
<ol>
	<li>检查并记录每日变化情况，包括水分蒸发、桨轮电机、传感器功能以及任何异常现象。</li>
	<li>每天排放并检查压缩机和水捕集器，以去除多余&#160;水分，尽量减少腐蚀，因为烟道气具有强腐蚀性34。</li>
	<li>设置数据记录仪每 10 秒扫描一次各传感器测量值&#160;，并每 10 分钟存储一次平均数据。这些数据包括溶解氧（DO）、pH、电导率（EC）、实时光密度，以及空气和反应器温度。</li>
</ol>
8. 离散采样与监测
<ol>
	<li>确保水位始终保持在反应器的最终体积，否则光密度测量结果将受到影响。</li>
	<li>在反应器中补充水后，取5 mL样品，使用紫外-可见分光光度计在540、680和750 nm波长下测定光密度，以评估细胞生物量。每日重复该操作。</li>
	<li>每周取样三次，每次500 mL，用于显微镜观察及基于无灰干重（AFDW）的生物量浓度测定。
	<ol>
		<li>使用10倍和40倍物镜进行显微镜观察。此外，这些显微镜放大倍数也被用于&#160;作为第4.6步所述藻类质量控制的一部分。</li>
		<li>在步骤8.3中使用400 mL的样品进行AFDW测定
		<ol>
			<li>将每个孔径为0.7 µm的玻璃微纤维滤膜置于铝箔托盘中，并将每个铝箔托盘/滤膜组合在540 °C下于马弗炉中预处理4小时。</li>
			<li>使用2号铅笔标记每个铝箔托盘，记录其重量（A），并将其放入真空过滤装置中。</li>
			<li>在量取待过滤的藻类样品前，需充分剧烈搅拌。过滤的藻类样品量应使过滤前后灰重差值在8至16 mg之间。选择一个差值并在整个实验过程中保持一致，确保该数值恒定。    </li>
			<li>将含有藻类样品的每个滤膜连同其铝箔托盘一起放入105 °C的烘箱中，至少烘干12 h。</li>
			<li>从干燥烘箱中取出铝箔托盘/滤膜，放入玻璃干燥器中以防止吸水。记录每个铝箔托盘/滤膜的重量（B）。</li>
			<li>将铝箔托盘/滤膜放入540 °C的马弗炉中灼烧4小时。</li>
			<li>关闭马弗炉，冷却铝箔托盘/滤膜，将其放入干燥器中，并记录每个铝箔托盘/滤膜的重量（C）。</li>
			<li>使用重量分析法计算AFDW： 
			% AFDW = C – A ×&#160;100 / B</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在使用溶剂进行微波辅助萃取（MAE）脂质提取分析前，保留2 L藻类样品用于收获。
	<ol>
		<li>将藻类样品在相对离心力（RFC）4,400 x 下离心&#160;g 15分钟。取藻类沉淀，于80 °C烘箱中干燥至少24小时。</li>
		<li>研磨藻类样品并称取藻粉重量（推荐生物量范围为0.3 g至0.5 g）。</li>
		<li>将藻类粉末（干燥藻类生物量）加入微波加速反应系统（MARS）Xpress 消解罐中，在通风橱内加入 10 mL 氯仿:甲醇（2:1，v/v）溶剂溶液，盖紧消解罐，静置过夜。</li>
		<li>将容器放入MARS仪器中，使用溶剂传感器，在70 °C和800 W功率下处理60分钟。</li>
		<li>将容器从MARS中取出，在通风橱下冷却。</li>
		<li>使用漏斗和玻璃棉分离含有氯仿、甲醇和脂质的液体部分，将每份液体样品转移至预先称重的玻璃试管中，并保留固体部分（去脂生物量）用于其他分析。</li>
		<li>将含有脂质的试管转移至氮吹仪，待液体完全蒸发后取出，随后将试管置于通风橱内过夜，以确保完全干燥。</li>
		<li>使用重量分析法计算脂质含量（wt. %）： 
		脂质含量（重量百分比）= 脂质的干重生物质 ×&#160;100/ 干藻质量</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
9. 藻类采收与轮作
<ol>
	<li>当藻类培养接近稳定期时，收获总培养体积的75%。取2‒5 L培养物用于实验室内的生物量生产力分析。将剩余的藻类进行加工并转化为所需的藻类产品。</li>
	<li>利用剩余25%的藻类作为接种物重新培养开放式跑道池。加水至反应器总体积的80%，加入浓缩培养基，必要时再加水至反应器的最终体积。</li>
	<li>根据季节的温度和光照强度条件，培养适宜的藻株。</li>
</ol>
10. 数据管理
<ol>
	<li>在数据记录仪中记录数据，并按照步骤 7.3 进行收集以供分析。</li>
	<li>考虑将原始数据和分析后的数据保存至区域藻类原料试验平台（Regional Algal Feedstock Testbed, RAFT）共享驱动器中。RAFT 项目合作者会贡献&#160;其数据，用于模拟和建模藻类生产力，并验证室外培养效果。</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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&#160;，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,</sup...

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。

<table><tbody><tr><td>可调速电机（桨轮系统）</td><td>Leeson</td><td>174307</td><td>Lesson 174307.00，类型：SCR电压；电流：10安培</td></tr><tr><td>铝制称量舟</td><td>Fisher Scientific</td><td>08-732-102</td><td>Fisherbrand 铝制称量皿</td></tr><tr><td>柠檬酸铁铵（NH?）?[Fe(C?H?O?)?]</td><td>Fisher Scientific</td><td>1185 - 57 - 5</td><td>培养基制备。柠檬酸铁(III)铵</td></tr><tr><td>磷酸铵</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>7722-76-1</td><td>该化学品用于优化培养基</td></tr><tr><td>氨苄青霉素钠盐</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A9518-5G</td><td>该化学品用于防止藻类污染</td></tr><tr><td>高压灭菌器</td><td>Amerex Instrument Inc</td><td></td><td>Hirayama HA300MII</td></tr><tr><td>细菌琼脂（Bacto agar）</td><td>Fisher Scientific</td><td>BP1423500</td><td>Fisher BioReagents 颗粒状琼脂</td></tr><tr><td>漂白剂</td><td>Clorox</td><td></td><td>杀菌漂白剂，浓缩型Clorox</td></tr><tr><td>硼酸（H3BO3）</td><td>Fisher Scientific</td><td>10043-35-3</td><td>微量元素：硼酸</td></tr><tr><td>二水氯化钙（CaCl2*2H2O）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>10035-04-8</td><td>培养基制备。二水氯化钙</td></tr><tr><td>大容量塑料瓶（20 L）</td><td>Nalgene - Thermo Fisher Scientific</td><td>2250-0050PK</td><td>带把手聚丙烯大瓶</td></tr><tr><td>离心机</td><td>Beckman Coulter, Inc</td><td></td><td>J2-21</td></tr><tr><td>氯仿</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>67-66-3</td><td>该化学品用于脂质提取</td></tr><tr><td>Citraplex 20% 铁</td><td>Loveland Products</td><td>SDS No. 1000595582 -17-LPI</td><td>https://www.fbn.com/direct/product/Citraplex-20-Iron#product_info</td></tr><tr><td>六水合硝酸钴(II)（Co(NO3)2*6H2O）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>10026-22-9</td><td>微量元素：六水合硝酸钴(II)</td></tr><tr><td>压缩机</td><td>Makita</td><td>MAC700</td><td>该设备用于二氧化碳注入系统</td></tr><tr><td>控制阀</td><td>Sierra Instruments</td><td>SmartTrak 100</td><td>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。</td></tr><tr><td>五水合硫酸铜(II)（CuSO4*5H2O）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>7758-99-8</td><td>微量元素：五水合硫酸铜(II)</td></tr><tr><td>数据记录仪：Campbell CR3000单元</td><td>Scientific Campbell</td><td>CR3000</td><td>该设备用于控制系统，监测并记录数据</td></tr><tr><td>溶解氧溶液</td><td>Campbell Scientific</td><td>14055</td><td>溶解氧电解液 DO6002 - 批号 211085</td></tr><tr><td>溶解氧探头</td><td>Sensorex</td><td>?</td><td>DO6400/T 数字通信溶解氧传感器</td></tr><tr><td>电导率校准溶液</td><td>Ricca Chemical Company</td><td>2245 - 32 ( R2245000-1A )</td><td>电导率标准液，25°C时5000 μS/cm（相当于2620 ppm TDS，以NaCl计）</td></tr><tr><td>电导率探头传感器</td><td>Hanna Instruments</td><td>HI3003/D</td><td>流通式电导率探头 - NTC传感器，DIN接口，3米电缆</td></tr><tr><td>二水合乙二胺四乙酸二钠盐（Na2EDTA*2H2O）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>6381-92-6</td><td>培养基制备：二水合乙二胺四乙酸二钠盐</td></tr><tr><td>滤膜</td><td>Fisher Scientific</td><td>09-874-48</td><td>Whatman 无粘合剂玻璃微纤维滤膜</td></tr><tr><td>锥形瓶</td><td>Fisher scientific</td><td>09-552-40</td><td>Pyrex Fernbach 锥形瓶</td></tr><tr><td>高温炉</td><td>Hogentogler</td><td>Model: F6020C-80</td><td>Thermo Scientific Thermolyne F6020C-80 马弗炉</td></tr><tr><td>玻璃干燥器</td><td>VWR International LLC</td><td>75871-430</td><td>型号150，直径140 mm</td></tr><tr><td>玻璃漏斗</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB6005865</td><td>Fisherbrand 可重复使用长颈玻璃漏斗</td></tr><tr><td>层流罩</td><td>Fisher Hamilton Safeair</td><td></td><td>Fisher Hamilton 不锈钢 Safeair 通风柜</td></tr><tr><td>七水合硫酸镁（MgSO4*7H2O）</td><td>Fisher Scientific</td><td>10034 - 99 - 8</td><td>培养基制备：七水合硫酸镁</td></tr><tr><td>甲醇</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>67-56-1</td><td>脂质提取溶剂</td></tr><tr><td>微孔曝气器</td><td>Pentair Aquatic Eco-Systems</td><td>1PMBD075</td><td>该设备用于二氧化碳注入系统</td></tr><tr><td>微藻：小球藻 Sorokiniana</td><td>NAABB</td><td>DOE 1412</td><td></td></tr><tr><td>显微镜</td><td></td><td></td><td>Carl Zeiss 4291097</td></tr><tr><td>微波辅助提取仪</td><td>MARS, CEM Corporation</td><td></td><td>CEM Mars 5 Xtraction 230/60 微波加速反应系统，型号：907601</td></tr><tr><td>MnCl2*4H2O</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>13446-34-9</td><td>四水合氯化锰(II)</td></tr><tr><td>研钵</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB961B</td><td>Fisherbrand 瓷质研钵</td></tr><tr><td>氮吹仪</td><td>Organomation</td><td></td><td>N-EVAP 112 氮吹仪（OA-SYS 加热系统）</td></tr><tr><td>烘箱</td><td>VWR International LLC</td><td>89511-410</td><td>鼓风干燥箱</td></tr><tr><td>桨轮</td><td></td><td></td><td>8叶片水平轴螺旋桨。通常作为桨轮反应器的一部分提供。</td></tr><tr><td>桨轮电机</td><td>Leeson</td><td>M1135042.00</td><td>Leeson，型号：CM34025Nz10C；1/4马力；电压90伏；FR 34；62转/分钟</td></tr><tr><td>研杵</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB961M</td><td>Fisherbrand 瓷质研杵</td></tr><tr><td>pH与电导率变送器</td><td>Hanna Instruments</td><td>HI98143</td><td>Hanna Instruments HI98143-04 pH与电导率变送器，带伽伐尼隔离0-4V输出</td></tr><tr><td>pH校准溶液</td><td>Fisher Scientific</td><td>13-643-003</td><td>Thermo Scientific Orion pH缓冲液瓶装</td></tr><tr><td>pH探头传感器</td><td>Hanna Instruments</td><td>HI1006-2005</td><td>Hanna Instruments HI1006-2005 聚四氟乙烯pH电极，带匹配销，5米线缆</td></tr><tr><td>移液器吸头</td><td>Fisher Scientific</td><td>1111-2821</td><td>1000 μl TipOne 蓝色刻度吸头，置于支架中</td></tr><tr><td>移液器</td><td>Fisher Scientific</td><td>13-690-032</td><td>Eppendorf Research plus 可调体积单通道移液器</td></tr><tr><td>塑料比色皿</td><td>Fisher scientific</td><td>14377017</td><td>BrandTech BRAND 塑料比色皿</td></tr><tr><td>培养皿</td><td>Fisher scientific</td><td>08-757-100D</td><td>Corning Falcon 带盖细菌培养皿</td></tr><tr><td>钾碱</td><td></td><td></td><td>该化学品用于优化培养基制备，购自本地肥料公司</td></tr><tr><td>磷酸氢二钾（K2HPO4）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>7758 -11 - 4</td><td>培养基制备：磷酸氢二钾</td></tr><tr><td>Pyrex 可重复使用培养基储存瓶</td><td>Fisher scientific</td><td>06-414-2A</td><td>1 L 和 2 L 瓶 - PYREX GL45 螺口盖带密封塞</td></tr><tr><td>跑道池</td><td></td><td></td><td>类似设备可从 https://microbioengineering.com/products 购买</td></tr><tr><td>实时光密度传感器</td><td>University of Arizona</td><td></td><td>该设备由课题组成员设计并制造</td></tr><tr><td>RS232 电缆</td><td>Sabrent</td><td></td><td>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）</td></tr><tr><td>摇床</td><td></td><td></td><td>藻类搅拌，150 rpm</td></tr><tr><td>碳酸钠（Na2CO3）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>497-19-8</td><td>碳酸钠</td></tr><tr><td>二水合钼酸钠（Na2MoO4*2H2O）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>10102-40-6</td><td>培养基制备：二水合钼酸钠</td></tr><tr><td>硝酸钠（NaNO3）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>7631-99-4</td><td>培养基制备：硝酸钠</td></tr><tr><td>分光光度计</td><td>Fisher Scientific Company</td><td>14-385-400</td><td>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</td></tr><tr><td>试管</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-961-27</td><td>Fisherbrand 一次性硼硅酸盐玻璃试管，平口（10 ml）</td></tr><tr><td>K型热电偶</td><td>Omega</td><td>KMQXL-125G-6</td><td></td></tr><tr><td>尿素</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>2067-80-3</td><td>尿素</td></tr><tr><td>真空过滤系统</td><td>Fisher Scientific</td><td>XX1514700</td><td>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</td></tr><tr><td>真空泵</td><td>Grainger</td><td></td><td>Marathon Electric 交流电机，带热保护 G588DX - 型号 5KH36KNA510X。功率1/4马力。转速1725/1425</td></tr><tr><td>七水合硫酸锌（ZnSO4*7H2O）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>7446-20-0</td><td>七水合硫酸锌</td></tr></tbody></table>

将发电厂碳捕集与半自动化开放式跑道池耦合用于微藻培养

Coupling Carbon Capture from a Power Plant with Semi-automated Open Raceway Ponds for Microalgae Cultivation

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。

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...

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……

这种由pH传感器控制的半自动跑道式培养系统可直接捕获发电厂的烟道气用于微藻培养，并能通过实时测量监测微藻生长情况。该反应器系统可在现场半自动开放式池塘跑道系统中，直接捕获并利用工业烟道气中的碳来培养微藻。该系统可用于培养其他藻类物种，并从任何发电厂捕获碳。建立开放式跑道池时，在烟道气进入烟囱排入大气前几米处，连接一根0.95厘米的燃料软管，以捕获燃烧后过程中的烟道气。在烟囱和压缩机之间放置一个20升的水封装置和一个约12米长的冷凝器，以去除烟道气中的水分。为监测藻类生长，将实时光学密度传感器（在650和750纳米处测量吸光度）、溶解氧传感器、空气和池体热电偶、pH传感器以及电导率传感器连接至数据记录仪。为建立 pH 控制系统，将压缩机和控制阀系统连接至数据记录仪程序，以调控烟气注入；并通过管道将烟气从控制阀经由石英砂气泡扩散器导入跑道池底部。当 pH 值大于 8.05 时启动烟气注入，当 pH 值低于 8 时停止烟气注入。为建立藻类培养系统，将培养室设置为 25 °C，光照与黑暗各 12 小时的循环条件；使用去离子水、盐类以及大量和微量营养元素配制 BG-11 培养基。在洁净的生物安全柜中，用无菌接种环从培养平板上挑取单个藻类菌落，接种至含有无菌生长培养基的 50 mL 试管中。将小量液体培养物置于摇床中，以每分钟120转的速度振荡培养一周。培养结束后，将藻类培养物的全部体积转移至1升锥形瓶中的500毫升液体培养基中，并用带有不锈钢导管的橡胶塞封闭瓶口，以提供通气。使用0.20微米的空气灭菌滤器过滤通入的空气，并继续培养1至2周，每天使用分光光度计监测细胞密度。培养期结束时，将500毫升液体藻种培养物加入到10升锥形瓶中8升非无菌培养基内，并向锥形瓶中通入含5%二氧化碳和95%空气的混合气体。每周在10倍和40倍光学显微镜下观察保藏平板和液体培养物，以确保目标藻株正常生长。若需将藻种接种至室外开放式跑道池，首先需用30%次氯酸钠溶液对反应器进行彻底清洗，并过夜处理。第二天早晨冲洗反应器，直至所有次氯酸钠完全去除，并根据各传感器相应的校准程序进行校准。用水将跑道池填充至其容量的80%，以稀释浓缩培养基，然后接入10升藻种培养液。将跑道池加水至最终体积，随后使用木制托盘对跑道池进行部分遮荫，持续约三天，作为适应策略，以避免光抑制，使微藻能够适应培养系统。进行批量培养实验时，需检查并记录每日变化情况，包括水分蒸发、桨轮电机和传感器功能，或其他任何异常现象。每天排放并检查压缩机和水阱，以去除多余水分，并尽量减少烟气腐蚀。将数据记录仪设置为每10秒扫描一次各传感器读数，并每10分钟存储一次传感器平均值以及空气和反应器温度数据。确保反应器中的水位始终保持在最终体积，以避免影响光密度测量。在向反应器补充水后，使用250毫升的瓶子收集藻类生物量样品。使用分光光度计测量光密度。每周通过光学显微镜检查藻类培养物的质量三次。当培养物接近达到稳定期时，收获总藻类培养液体积的75%，并取两到五升培养物悬浮液在实验室中进行生物量生产力分析，然后将剩余的藻类加工并转化为所需的藻类产品。此处可观察到传感器测量值与实验室测量值之间的比较。两种培养方式均表现出相似的趋势，数据随时间呈上升态势。光密度值在白天增加，而在夜间由于呼吸作用下降，表明生物量生产力发生变化，因此集成实时光密度传感器使得对整个藻类生产系统进行有效管理决策成为可能。在本分析中，烟道气从上午约8:00开始注入。至下午6:00，但在晚上6:00至次日上午8:00期间未进行注射这种昼夜循环反映了白天对日光的暴露以及夜间光照的缺失，从而分别导致光合作用或光呼吸的激活。如本图所示，随着藻类生长速率的增加，所需的烟气量也随之增多，证实了开/关式脉冲烟气注入系统在通过微藻培养实现碳捕获与利用方面是有效的。其他物理化学参数也可用于建立这些参数与藻类生长及生产力之间的相关性。在将微藻接种到跑道池之前，必须确保pH系统已正确安装，并且所有传感器均已校准。在利用跑道池生产微藻生物质的过程中，还可进行其他操作，包括脂质、碳水化合物或色素提取、无灰干重测定以及PCR质量监测。

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将发电厂的碳捕获与半自动开放式管道池相结合，用于微藻养殖

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