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
2020年8月14日
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水道池中培养微藻的协议。烟气注入由pH传感器控制，微藻生长通过实时测量光密度来监测。
这种由 pH 传感器控制的半自动水道培养系统可以直接从微藻培养的电源计划中捕获烟气，并可以通过实时测量来监测微藻的生长。该反应器系统允许直接从工业烟气中捕获和使用碳，以在现场半自动露天池塘水道系统中培养微藻。该系统可用于培养替代藻类物种，并从任何发电厂捕获碳。
要设置一个开放式管道池，请连接一根 0.95 厘米的燃料软管，以便在燃烧后过程中捕获烟气，在烟气进入烟囱排放到大气中前几米。在烟囱和压缩机之间放置一个 20 升的集水器和一个大约 12 米的冷凝器，以去除烟气中的水。要监测藻类生长，请将测量 650 和 750 纳米吸光度的实时光密度传感器、溶解氧传感器、空气和池塘热电偶、pH 传感器和电导传感器连接到数据记录器。
要设置 pH 控制系统，请将压缩机和控制阀系统连接到数据记录器程序以管理烟气注入，并使用一根管子将烟气从控制阀通过石质扩散器引导到滚道池底部，然后将系统设置为在 pH 值大于 8.05 时注入烟气，并在 pH 值小于 8。要建立藻类培养系统，请将培养室设置为 25 摄氏度，以 12 小时光照、12 小时黑暗循环，并使用去离子水盐和常量和微量营养素制备 BG-11 培养基。使用无菌定量环从培养板中选择一个藻类菌落，并将藻类接种在干净的生物安全柜中含有无菌生长培养基的 50 毫升试管中。
在摇床台上以每分钟 120 转的速度培养小液体培养物一周。在孵育结束时，将全部体积的藻类培养物转移到 1 升培养瓶中的 500 毫升液体培养物中，然后用装有不锈钢管的橡胶塞关闭培养瓶以提供通气。用 0.20 微米空气消毒过滤器过滤空气，并使用分光光度计每天监测细胞密度，让培养物再生长一到两周。
在培养期结束时，将 500 毫升液态藻类培养物添加到 10 升细口大瓶中的 8 升非无菌培养基中，并将 5% 二氧化碳和 95% 空气的混合物注入细口大瓶中。每周一次，在光学显微镜下以 10 倍和 40 倍的放大倍率监测储备板和液体培养物，以确保目标菌株的生长。要用藻类接种室外开放式水道池，首先，用 30% 漂白剂彻底清洁反应器过夜。
第二天早上冲洗反应器，直到去除所有漂白剂，并根据相应的校准程序校准所有传感器。用水填充滚道池至 80% 以稀释浓缩培养基，并用 10 升藻类培养大瓶接种池塘。使池塘达到最终体积，然后用木托盘部分遮蔽水道池塘约三天，作为一种适应策略，以避免光抑制，使微藻适应养殖系统。
要进行批量生长实验，请检查并记录任何日常变化，包括水分蒸发、桨轮电机和传感器功能，或任何其他异常情况。每天排空并检查压缩机和集水器，以去除多余的水并最大限度地减少烟气腐蚀。将数据记录器配置为每 10 秒扫描一次每个传感器测量值，并每 10 分钟存储一次平均传感器以及空气和反应器温度数据。
确保水位在反应器的最终体积上保持恒定，以避免影响光密度测量。在反应器中补充水后，使用 250 毫升瓶收集藻类生物质样品。在分光光度计中测量光密度。
通过光学显微镜每周检查藻类培养物的质量 3 次。当培养物接近固定期时，收获藻类培养物总体积的 75%，并使用 2 到 5 升培养悬浮液在实验室中进行生物质生产力分析，然后将其余藻类加工并转化为所需的藻类产品。在这里，可以观察到传感器和实验室测量之间的比较。
两种育种都显示出相似的趋势，数据随时间增加。光密度值在白天增加，但在晚上呼吸时减少，表明生物质生产力发生变化，因此实时光密度传感器的集成可以对整个藻类生产系统做出有效的管理决策。在该分析中，烟气从上午 8：00 左右开始注入。
到下午 6：00，但在下午 6：00 至上午 8：00 之间未注射。
这种昼夜循环反映了白天阳光照射和夜间光线不足，因此分别反映了光合作用或光呼吸作用的激活。如图所示，随着藻类生长速率的增加，需要更多的烟气，这证实了开/关烟气脉冲注入系统可以有效地通过微藻培养促进碳捕获和利用。其他物理化学参数也可用于建立参数与藻类生长和生产力之间的相关性。
在用微藻接种水道池之前，确保 pH 系统设置正确并且所有传感器都经过校准非常重要。在生产微藻生物质时可以使用滚道池进行的其他方法包括脂质、碳水化合物或色素提取、无灰分干重测量和 PCR 质量监测。
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概述
本协议描述了一种使用从天然气电厂烟气中捕获的二氧化碳培育微藻的半自动系统。该系统利用pH传感器进行烟气注入控制，并通过实时光密度测量监控微藻生长。
关键研究组成部分
科学领域
- 微藻培育
- 碳捕获技术
- 环境生物技术
背景
- 微藻可以利用工业排放的二氧化碳进行培育。
- 电厂的烟气是藻类生长的潜在碳源。
- 对藻类生长进行实时监控对于优化培育至关重要。
- 开放式赛道池是大规模微藻生产的成本效益方法。
研究目的
- 开发一个捕获烟气用于微藻培育的系统。
- 实时监控微藻的生长。
- 探索使用各种藻类物种进行碳捕获的潜力。
使用的方法
- 安装燃料软管以在烟气释放到大气之前捕获烟气。
- 使用水陷阱和冷凝器从烟气中去除水分。
- 将多个传感器（光密度、溶解氧、温度、pH、电导率）连接到数据记录器。
- 通过特定波长的光密度测量实时监控藻类生长。
主要结果
- 该系统有效地捕获烟气中的碳用于微藻生长。
- 实时监控允许对培育条件进行精确控制。
- 展示了培育各种藻类物种的潜力。
- 系统显示出减少工业碳排放的前景。
结论
- 开发的系统是利用烟气进行微藻培育的可行方法。
- 实时监控提高了藻类生长的效率。
- 这种方法有助于碳捕获和可持续生物燃料生产。
常见问题
Executive Industry Relevance
This protocol enables direct utilization of industrial flue gas as a carbon source for microalgae cultivation, offering a pathway to reduce emissions from power generation while producing renewable biomass. By integrating real-time monitoring with pH-controlled gas delivery, the system supports scalable, reproducible algal production in open raceway ponds. The approach aligns with carbon capture and utilization (CCU) strategies relevant to sustainable bioproduct development in energy-intensive industries.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables functional validation of algal strains under industrially relevant CO2 conditions to assess carbon fixation capacity.
- Operational Value: Provides a controlled environment for screening strain performance under fluctuating pH and gas input dynamics.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, real-time biomass data via optical density and dissolved oxygen sensors for assay standardization.
- Operational Value: Supports development of reproducible growth curves under semi-automated, sensor-guided conditions.
- Scientific Value: Facilitates correlation of environmental parameters (EC, temperature) with algal productivity for predictive modeling.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Produces algal biomass with measurable lipid content (24%) suitable for downstream conversion to biofuels or bioproducts.
- Operational Value: Enables seamless transition from laboratory inoculum to outdoor cultivation with minimal adaptation loss.
- Scientific Value: Supports evaluation of strain robustness under semi-arid, high-temperature conditions relevant to field deployment.
Pipeline & Workflow Integration
The system bridges early-stage algal strain evaluation with scalable biomass production, supporting continuity from discovery to preprocessing for biofuel conversion.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing on CO2 utilization efficiency and growth kinetics under industrial flue gas exposure.
- Screening: Delivers standardized, reproducible biomass output through automated environmental control and real-time feedback.
- Analytics: Provides multi-parameter time-series data (OD, DO, pH, EC, temperature) for process optimization and strain comparison.
- Translational Research: Yields harvestable biomass with defined composition for lipid extraction and energy product synthesis.
- Enterprise Reuse: Designed for adaptation across power plant sites and algal species, promoting platform-level scalability.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in algal strain performance under real-world emission profiles.
- Operational Value: Ensures reproducibility via sensor-driven pH control and continuous environmental monitoring.
- Strategic Value: Reduces reliance on external CO2 sources, lowering operational costs and carbon footprint.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted investment in algal bioproducts by validating carbon utilization efficiency.
Implementation Considerations
- Requires expertise in algal cultivation, sensor integration, and flue gas handling systems.
- Needs corrosion-resistant infrastructure (e.g., stainless steel tubing, condensers) to manage flue gas moisture and impurities.
- Demands standardized calibration protocols for OD, DO, pH, EC, and temperature sensors across shifts and sites.
- Requires adaptation protocols for algal acclimation to outdoor light, temperature, and evaporation variability.
- Limited by diurnal light cycles and ambient temperature fluctuations affecting consistent gas uptake and growth rates.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:42
Outdoor Open Raceway Pond Setup
1:32
pH Control System Setup
2:05
Algae Strain Maintenance
3:44
Outdoor Open Raceway Pond Inoculation
4:37
Batch Growth Experiment
5:17
Discrete Sampling and Monitoring and Algal Harvesting and Crop Rotation
6:06
Results: Representative Algae Growth Monitoring
7:36
Conclusion
