Waiting
Login-Verarbeitung ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

צימוד לכידת פחמן מתחנת כוח עם בריכות מסלול מרוץ פתוחות אוטומטיות למחצה לגידול מיקרו-אצות

Published: August 14, 2020 doi: 10.3791/61498
Automatic Translation
1, 2, 3, 1,2
1Department of Chemical and Environmental Engineering, University of Arizona, 2Department of Biosystems Engineering, University of Arizona, 3Department of Biomedical Engineering, University of Arizona

Summary

פרוטוקול מתואר לשימוש בפחמן דו-חמצני בגז טבעי של גז טבעי כדי לטפח מיקרו-אצות בבריכות פתוחות של מסלולי מרוצים. הזרקת גז Flue נשלטת באמצעות חיישן pH, וצמיחת מיקרו-אצות מנוטרת באמצעות מדידות בזמן אמת של צפיפות אופטית.

Abstract

בארצות הברית, 35% מכלל פליטות הפחמן הדו-חמצני (CO2) מגיעות מתעשיית החשמל, ש-30% מהן מייצגות ייצור חשמל בגז טבעי. Microalgae יכול biofix CO2 10 עד 15 פעמים מהר יותר מאשר צמחים ולהמיר ביומסה של אצות למוצרים מעניינים, כגון דלקים ביולוגיים. לפיכך, מחקר זה מציג פרוטוקול המדגים את הסינרגיות הפוטנציאליות של גידול מיקרו-אצות עם תחנת כוח בגז טבעי הממוקמת בדרום מערב ארצות הברית באקלים חם וצחיח למחצה. טכנולוגיות חדישות משמשות להגברת לכידת הפחמן וניצולו באמצעות מין האצות הירוק Chlorella sorokiniana, אשר ניתן לעבד אותו עוד יותר לדלק ביולוגי. אנו מתארים פרוטוקול הכולל בריכת מסלול מרוצים פתוחה חצי אוטומטית ודנים בתוצאות הביצועים שלה כאשר היא נוסתה בתחנת הכוח החשמלית טוסון, בטוסון, אריזונה. גז פלואו שימש כמקור הפחמן העיקרי לשליטה ב-pH, וכלורלה סורוקיניאנה טופחה. מדיום אופטימלי שימש לגידול האצות. כמות ה- CO2 שנוספה למערכת כפונקציה של זמן הייתה במעקב צמוד. בנוסף, גורמים פיזיקוכימיים אחרים המשפיעים על קצב גדילת האצות, תפוקת הביומסה וקיבוע הפחמן היו מנוטרים, כולל צפיפות אופטית, חמצן מומס (DO), מוליכות חשמלית (EC) וטמפרטורות אוויר ובריכות. התוצאות מצביעות על כך שניתן להשיג תפוקת מיקרו-אצות של עד 0.385 גרם/ליטר במשקל יבש ללא אפר, עם תכולת שומנים של 24%. מינוף הזדמנויות סינרגטיות בין פולטי CO2 לחקלאים אצות יכול לספק את המשאבים הדרושים להגברת לכידת הפחמן תוך תמיכה בייצור בר-קיימא של דלקים ביולוגיים של אצות ומוצרים ביולוגיים.

Introduction

ההתחממות הגלובלית היא אחת הסוגיות הסביבתיות החשובות ביותר שהעולם מתמודד איתן כיום1. מחקרים מצביעים על כך שהגורם העיקרי הוא העלייה בפליטת גזי החממה, בעיקר CO2, באטמוספרה עקב פעילות אנושית 2,3,4,5,6,7. בארה"ב, הצפיפות הגדולה ביותר של פליטות CO2 מקורה בעיקר בשריפת דלקי מאובנים במגזר האנרגיה, במיוחד תחנות ייצור חשמל 3,7,8,9. לפיכך, טכנולוגיות לכידה וניצול פחמן (CCU) התגלו כאחת האסטרטגיות העיקריות להפחתת פליטות גזי חממה 2,7,10. אלה כוללים מערכות ביולוגיות המשתמשות באור השמש כדי להמיר CO2 ומים באמצעות פוטוסינתזה, בנוכחות חומרי מזון, לביומסה. השימוש במיקרו-אצות הוצע בשל קצב הצמיחה המהיר, יכולת קיבוע CO2 גבוהה וכושר ייצור גבוה. בנוסף, למיקרו-אצות יש פוטנציאל ביו-אנרגיה רחב מכיוון שניתן להמיר את הביומסה למוצרים בעלי עניין, כגון דלקים ביולוגיים שיכולים להחליף דלקי מאובנים 7,9,10,11,12.

מיקרו-אצות יכולות לגדול ולהשיג המרה ביולוגית במגוון מערכות גידול או כורים, כולל בריכות מסלול מרוצים פתוחות ופוטו-ביוריאקטורים סגורים 13,14,15,16,17,18,19. חוקרים חקרו את היתרונות והמגבלות הקובעים את הצלחתו של המעבד הביולוגי בשתי מערכות הטיפוח, בתנאים פנימיים או חיצוניים 5,6,16,20,21,22,23,24,25 . בריכות מרוצים פתוחות הן מערכות הטיפוח הנפוצות ביותר ללכידת פחמן ולניצולו במצבים שבהם ניתן להפיץ גז פלואור ישירות מהערימה. סוג זה של מערכת טיפוח הוא זול יחסית, קל להגדיל אותו, יש לו עלויות אנרגיה נמוכות, ויש לו דרישות אנרגיה נמוכות לערבוב. בנוסף, ניתן למקם בקלות מערכות אלה בשיתוף פעולה עם תחנת הכוח כדי להפוך את תהליך ה- CCU ליעיל יותר. עם זאת, ישנם כמה חסרונות שיש לקחת בחשבון, כגון המגבלה בהעברת מסת גז /נוזל CO2. למרות שישנן מגבלות, בריכות מסלול מרוצים פתוחות הוצעו כמערכת המתאימה ביותר לייצור דלק ביולוגי מיקרואלגלי חיצוני 5,9,11,16,20.

במאמר זה נפרט שיטה לגידול מיקרו-אצות בבריכות מרוצים פתוחות המשלבת לכידת פחמן מגז הפלואו של תחנת כוח בגז טבעי. השיטה מורכבת ממערכת חצי אוטומטית השולטת בהזרקת גז חליל על בסיס pH התרבית; המערכת מנטרת ומתעדת את מצב תרבית כלורלה סורוקיניאנה בזמן אמת באמצעות צפיפות אופטית, חמצן מומס (DO), מוליכות חשמלית (EC) וחיישני טמפרטורת אוויר ובריכה. ביומסה של אצות ונתוני הזרקת גז פלואור נאספים על ידי אוגר נתונים כל 10 דקות במתקן החשמל של טוסון. תחזוקת זני אצות, הרחבה, מדידות בקרת איכות ואפיון ביומסה (למשל, מתאם בין צפיפות אופטית, g/L ותכולת שומנים) מבוצעים במעבדה באוניברסיטת אריזונה. פרוטוקול קודם התווה שיטה לאופטימיזציה של הגדרות גזי פלואור כדי לקדם צמיחת מיקרו-אצות בפוטו-ביוריאקטורים באמצעות סימולציה ממוחשבת26. הפרוטוקול המוצג כאן הוא ייחודי בכך שהוא משתמש בבריכות מסלול מרוצים פתוחות ומתוכנן להיות מיושם באתר בתחנת כוח בגז טבעי על מנת לעשות שימוש ישיר בגז הפלואור המופק. בנוסף, מדידות צפיפות אופטית בזמן אמת הן חלק מהפרוטוקול. המערכת כמתואר מותאמת לאקלים חם למחצה (Köppen BSh), המציג משקעים נמוכים, שונות משמעותית במשקעים משנה לשנה, לחות יחסית נמוכה, שיעורי אידוי גבוהים, שמיים בהירים וקרינת שמש אינטנסיבית27.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. מערכת צמיחה: הגדרות בריכת מרוצים פתוחה חיצונית

  1. הקימו את בריכות המרוצים הפתוחות קרוב למקור הגז (המכילות 8-10% CO2). ודא שמים וחשמל זמינים במיקום הכור בבריכה ושהכור אינו בצל רוב שעות היום (איור 1).
  2. לכידת גז פלואור במהלך התהליך שלאחר הבעירה באמצעות צינור דלק בקוטר 0.95 ס"מ, כמה מטרים לפני שגז הפלואור נכנס לערימה כדי להשתחרר לאטמוספרה (איור 2).
  3. מוציאים מים מגז הפלואור באמצעות מלכודת מים של 20 ליטר ומעבה (אורך סליל של כ-12 מ') בין הערימה למדחס (איור 2).
    הערה: גז Flue מכיל בדרך כלל כ-9\u201213.8% מים28. בנוסף, המעבה והצינור מקררים את גז הפלואור16.
  4. חבר את החיישנים הבאים למאגר נתונים כדי לעקוב אחר גדילת אצות: (1) חיישן צפיפות אופטית בזמן אמת29, המודד ספיגה בשני אורכי גל – 650 ו-750 ננומטר – ויכול לזהות ריכוז מקסימלי של תאי אצות של 1.05 גרם לליטר; (2) חיישן DO; (3) תרמו-צינורות אוויר ובריכה; (4) חיישן pH; ו-(5) חיישן EC.
    הערה: בנוסף, חיישני ה- pH וה- EC מחוברים למשדר. תצורת יחידת אוגר הנתונים מוצגת באיור 3.
  5. יש לוודא כי כל מרכיבי מערכת גידול האצות מכוילים ועובדים כראוי לפני החיסון.

2. מערכת בקרת pH

  1. נהל את הזרקת הגז באמצעות מדחס, מערכת שסתומי בקרה ותוכנית אוגר הנתונים, כפי שמוצג באיור 2 ובאיור 3 (חומר משלים A).
  2. השתמשו בצינור כדי לכוון את גז הפלואור משסתום הבקרה לתחתית בריכת המרוצים דרך מפזר אבן.
  3. הזריקו את גז ה-flue לתוך מערכת הגדילה על בסיס pH. כאשר ערך ה-pH גדול מ-8.05, המערכת תזריק גז פלואור, בעוד שכאשר ה-pH נמוך מ-8.00, המערכת תעצור את הזרקת גז הפלואו בתקופות שבהן אין צמיחה. קצב הזרימה נמדד בליטרים סטנדרטיים לדקה (SLPM).
    הערה: בשסתום הבקרה, לחץ גז הכניסה מוגבל למקסימום של 50 psi.

3. בחירת אצות ותחזוקת זן (אור וטמפרטורה)

הערה: האצות הירוקות Chlorella sorokiniana DOE 1412 בודדה על ידי יורגן פול (ברוקלין קולג')30,31 ונבחרה על ידי הברית הלאומית לדלקים ביולוגיים מתקדמים וביו-תוצרים (NAABB); בחירתו התבססה על מחקרי אפיון הזן הקודמים שבוצעו על ידי Huesemann et al.32,33 . המחקר שלהם בנוגע לסינון אצות, פרודוקטיביות ביומסה וחקלאות מדומה אקלים (למשל, טמפרטורה ואור) באזור הדרום-מערבי בעת שימוש בבריכות מרוצים פתוחות חיצוניות, עדכן את השיטה המשמשת בפרויקט זה.

  1. שמרו על תרביות בטמפרטורת החדר (25 מעלות צלזיוס) באמצעות מחזור אור/חושך של 12 שעות/12 שעות.
  2. יש לשמור על עוצמת האור של 200 מיקרומטר/מ"ר לשנייה לצורך תחזוקת תרביות הגדלות על צלחות ובתרביות נוזליות קטנות (50 מ"ל עד 500 מ"ל).
  3. שמור על עוצמת האור לצורך הגדלה של תרביות נוזליות 50 מ"ל עד 500 מ"ל ב-400 מיקרומטר/מ"ק2/ש', ותרביות נוזליות 5 ליטר עד 20 ליטר ב-600\u2012800 μM/m2/s.

4. הרחבה ובקרת איכות

  1. הכן את מדיום תרבית BG11 באמצעות מים שעברו דה-יוניזציה והמלחים הבאים, עבור אבות-נוטריאנטים, ב- g/L: 1.5 NaNO3, 0.04 K2HPO4, 0.075 MgSO4*H2O, 0.036 CaCl2*H2O, 0.006 (NH4)5Fe(C6H4O7)2, 0.006 Na2EDTA*2H 2O, 0.02 Na2CO3; הוסף 1 mL/L של תמיסת אלמנט קורט, המכילה את המיקרונוטריאנטים הבאים ב- 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.
    הערה: לחיסון צלחות ו/או לאחסון לטווח ארוך, הוסיפו 7.5 גרם לליטר של Bacto agar; לחיסון תרבותי, אין צורך בתוספת של אגר. לעקר את מדיום התרבית באוטוקלב למשך 21 דקות בטמפרטורה של 121 מעלות צלזיוס.
  2. יוצקים את המדיום BG11 עם אגר לתוך צלחות פטרי במכסה מנוע זרימה למינרי סטרילי או בארון בטיחות ביולוגית. ברגע שהצלחות מוצקות וקרירות, פיפטה 500 מיקרוגרם מתרבית מלאי אצות קפואה שתלויה מחדש ומוסיפה אמפיצילין (100 מיקרוגרם/מ"ל); דגירה של לוחות האצות בשולחן שייקר (120 סל"ד) למשך שבוע עד שבועיים.
  3. השתמשו בלולאה סטרילית כדי לבחור מושבת אצות אחת מתוך צלחת תרבית ולחסן אותה בצינור 50 מ"ל המכיל מדיום גדילה סטרילי בארון בטיחות ביולוגית נקי. הגדילו את תרבית הנוזלים הקטנה על שולחן שייקר (120 סל"ד) למשך שבוע אחד.
  4. העבר 50 מ"ל של תרבית אצות (שלב גדילה ליניארי, OD750nm ≥ 1) לתוך בקבוקון 1 ליטר עם תווך נוזלי של 500 מ"ל. התאם כל בקבוקון עם פקק גומי וצינורות נירוסטה כדי לספק אוורור. סנן את האוויר באמצעות מסנני עיקור אוויר של 0.2 מיקרומטר. תנו לתרבות לגדול במשך שבוע-שבועיים. עקוב אחר צפיפות התא באמצעות ספקטרופוטומטר (OD750nm).
  5. ממקמים את תרבית הנוזלים של 500 מ"ל לתוך קארבוי של 10 ליטר המכיל 8 ליטר של מדיום תרבית לא סטרילית ומזריקים תערובת של 5% CO2 ו-95% אוויר. לאחר מכן, טפחו אצות באותם תנאים כמו בשלב 4.4.
  6. עקוב אחר לוחות מלאי ותרביות נוזליות (בשלבים 4.2\u20124.5) פעם בשבוע. קח aliquot ולצפות בו תחת המיקרוסקופ ב 10x ו 40x הגדלה כדי להבטיח את הצמיחה של הזן הרצוי. שמר על תרבויות עד שהן נפגעו או שימשו לניסויים. להשליך תרביות מזוהמות.

5. הכנה בינונית מרוכזת לגידול בריכה פתוחה

  1. כדי להכין תמיסת יסודות קורט יש למלא באופן חלקי בקבוקון נפחי בנפח 1 ליטר במים מזוקקים (DW). הכנס מוט ערבוב מגנטי והוסף את הכימיקלים המוצגים בטבלה 1 ברצף. יש לוודא שכל מרכיב מתמוסס לפני הוספת המרכיב הבא. הסר את המגנט ומלא את הבקבוקון עד לסימן עוצמת הקול 1 L.
  2. מלאו חלקית בקבוק זכוכית בנפח 1 ליטר ב-DW והכניסו את מוט ההתעוררות המגנטי. מניחים את המיכל על החלק העליון של צלחת מערבל מגנטי ומוסיפים את הכימיקלים לנפח הסופי של הכור, מוסיפים אותם ברצף, ומבטיחים שכל אחד מהם מתמוסס במלואו. טבלה 2 מפרטת את הכימיקלים להכנת 1 ליטר של בינוני, לכן הכפל את כל הערכים בנפח הסופי של הכור. מלאו את בקבוק הזכוכית ל-1 ליטר.

6. חיסון בריכת מרוצים פתוחה חיצונית

  1. נקו היטב את הכור באמצעות אקונומיקה של 30% לפני כל חיסון ואחרי הקטיף. מומלץ להשאיר את האקונומיקה למשך הלילה. יש לשטוף היטב את הכור כדי להסיר את כל האקונומיקה.
  2. כייל את כל החיישנים לפני חיסון האצות על פי הליך הכיול המתאים להם.
  3. דיללו את המדיה המרוכזת (בשלב 5) באמצעות מקור המים על ידי מילוי בריכת מסלול המרוצים עד 80%.
  4. לחסן את הכור באמצעות קרון 10 ליטר מלא באצות (שלב גדילה ליניארי OD750nm > 2) ולהביא אותו לנפח הסופי שלו.
  5. התאקלמו במיקרו-אצות על ידי הצללה חלקית של בריכת מסלול המרוצים עם משטחי עץ למשך כ-3 ימים (איור 4), לאחר שהשלב האקספוננציאלי חלף, כאסטרטגיית הסתגלות למניעת פוטו-אינהיביציה.
    הערה: תקופה זו תספק גם זמן למיקרו-אצות להסתגל ללחץ הנגרם על ידי הזרקה ישירה של גז פלואור.

7. ניסוי גדילת אצווה בתחנת הייצור

  1. בדקו ותעדו כל וריאציה יומיומית, כולל אידוי מים, מנוע גלגל ההנעה, פונקציונליות החיישנים וכל דבר יוצא דופן.
  2. לנקז ולבדוק את מדחס ומלכודת המים מדי יום כדי להסיר כל עודפי מים כדי למזער קורוזיה מכיוון שגז פלואור הוא מאוד קורוזיבי34.
  3. הגדר את אוגר הנתונים לסרוק כל מדידת חיישן כל 10 שניות ולאחסן את הנתונים הממוצעים כל 10 דקות. אלה כוללים DO, pH, EC, צפיפות אופטית בזמן אמת, כמו גם טמפרטורת אוויר וכור.

8. דגימה וניטור בדידים

  1. וודאו שמפלס המים נשאר קבוע בנפח הסופי של הכור, אחרת מדידת הצפיפות האופטית תושפע.
  2. לאחר חידוש המים בכור, קח דגימה של 5 מ"ל למדידות מסת תאים לפי צפיפות אופטית (540, 680 ו- 750 ננומטר) באמצעות ספקטרופוטומטר אולטרה סגול הנראה לעין. חזור על התהליך מדי יום.
  3. קח דגימה של 500 מ"ל שלוש פעמים בשבוע לתצפיות מיקרוסקופ וריכוז ביומסה בהתבסס על משקל יבש ללא אפר (AFDW).
    1. בצע תצפיות מיקרוסקופ עם עדשות אובייקטיביות פי 10 ו-40x. בנוסף, הגדלות מיקרוסקופ אלה משמשות כחלק מבקרת האיכות של האצות המתוארת בשלב 4.6.
    2. השתמש ב- 400 מ"ל של הדגימה בשלב 8.3 עבור AFDW
      1. הגדר כל מסנן מיקרופייבר זכוכית בגודל נקבובית של 0.7 מיקרומטר במגש רדיד אלומיניום וטפל מראש בכל מגש / מסנן רדיד אלומיניום באמצעות תנור למשך 4 שעות ב- 540 מעלות צלזיוס.
      2. תייג כל מגש רדיד אלומיניום באמצעות עיפרון מס' 2, תעד את משקלו (A) והנח אותו במנגנון מסנן הוואקום.
      3. ערבבו את דגימת האצות במרץ לפני שאתם מודדים נפח שיש לסנן. סנן מספיק דגימת אצות כדי לתת הפרש משקל לפני/אחרי אפר של בין 8 ל-16 מ"ג. בחר הפרש משקל לשימוש במהלך הניסוי ושמור על ערך זה קבוע.
      4. הניחו כל מסנן המכיל את דגימת האצות במגש נייר הכסף שלו בתנור בטמפרטורה של 105 מעלות צלזיוס למשך 12 שעות לפחות.
      5. מוציאים את מגש נייר הכסף/מסנן מהתנור המתייבש ומניחים אותו במייבש זכוכית כדי למנוע ספיגת מים. תעד כל מגש נייר כסף/משקל מסנן (B).
      6. הניחו את מגש/מסנן נייר הכסף בכבשן העמום של 540 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות.
      7. כבו את תנור הדלעת, קררו מגשי/מסנני נייר כסף, הכניסו אותם למייבש הייבוש ותעדו כל מגש נייר כסף/משקל מסנן (C).
      8. חשב את AFDW באמצעות ניתוח גרבימטרי:
        % AFDW = C – A x 100 / B
  4. יש להחזיק 2 ליטר של אצות לפני הקטיף לניתוח מיצוי שומנים בסיוע מיקרוגל (MAE) באמצעות ממסים.
    1. צנטריפוגה דגימת האצות בעוצמה צנטריפוגלית יחסית (RFC) של 4,400 x g במשך 15 דקות. קחו את גלולת האצות ויבשו אותה בתנור בטמפרטורה של 80 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות לפחות.
    2. טוחנים את דגימת האצות ושוקלים את אבקת האצות (הביומסה המומלצת נעה בין 0.3 גרם ל-0.5 גרם).
    3. מוסיפים את אבקת האצות (ביומסה של אצות יבשות) לתוך מערכת התגובה המואצת במיקרוגל (MARS) כלי Xpress, מוסיפים 10 מ"ל של כלורופורם:מתנול (2:1, v/v) תמיסת ממס מתחת למכסה המנוע, סוגרים את כלי הדם ומניחים לעמוד למשך הלילה.
    4. הכניסו את כלי השיט למכונת MARS באמצעות חיישן הממס למשך 60 דקות בעוצמה של 70 מעלות צלזיוס ו-800 ואט.
    5. הוציאו כלי שיט מהמאדים ותנו להם להתקרר מתחת למכסה המנוע.
    6. השתמשו במשפך ובצמר זכוכית כדי להפריד בין החלק הנוזלי המכיל כלורופורם, מתנול וליפידים על ידי העברת כל דגימת נוזל למבחנת זכוכית שקועה מראש ולשמור על המוצקים (ביומסה נקייה מליפידים) לצורך ניתוחים אחרים.
    7. קחו את המבחנות המכילות את השומנים למאייד החנקן, הסירו אותם לאחר שהנוזל התאדה, ואז השאירו את הצינורות למשך הלילה מתחת למכסה המנוע כדי להבטיח יובש מוחלט.
    8. חישוב תכולת השומנים (wt. %) באמצעות ניתוח גרבימטרי:
      תכולת השומנים (wt. %) = ביומסה יבשה של שומנים x 100/ מסת אצות יבשה

9. קצירת אצות וסיבוב יבולים

  1. קוצרים 75% מכלל נפח תרביות האצות כאשר התרבות קרובה להגעה לשלב הנייח. קח 2\u20125 L של תרבית כדי לבצע ניתוחי פרודוקטיביות ביומסה במעבדה. לעבד ולהמיר את שאר האצות למוצרי האצות הרצויים.
  2. לגדל מחדש את בריכת מסלול המרוצים הפתוח על ידי שימוש ב-25% האצות שנותרו כאנוקולום. מוסיפים מים עד 80% מנפח הכור הכולל, מוסיפים את המדיה המרוכזת ואז מסיימים את המילוי עד לנפח הסופי של הכור במידת הצורך.
  3. טפחו את זן האצות המתאים בהתאם לעונה, בהתבסס על תנאי הטמפרטורה ועוצמת האור.

10. ניהול נתונים

  1. רשום נתונים באוגר הנתונים ואסוף לניתוח כמו בשלב 7.3.
  2. שקול לשמור נתונים גולמיים ומנותחים בכונן השיתוף האזורי של מיטת ההזנה של אצות (RAFT). משתפי פעולה בפרויקט RAFT תורמים את הנתונים שלהם כדי לדמות ולמדל פרודוקטיביות של אצות ולאמת טיפוח חיצוני.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

תוצאות ניסיוניות קודמות מהמעבדה שלנו מצביעות על כך שגידול מיקרו-אצות באמצעות בריכת מסלול מרוצים פתוחה אוטומטית למחצה יכול להיות משולב עם תהליכי לכידת פחמן. כדי להבין טוב יותר את הסינרגיה בין שני התהליכים האלה (איור 2), פיתחנו פרוטוקול והתאמנו אותו לטיפוח מין האצות הירוקות Chlorella sorokiniana בתנאים חיצוניים באקלים חם למחצה. גז טבעי גז פלואור הושג מתחנת ייצור חשמל תעשייתית. פרוטוקול זה משתמש בטכנולוגיות שונות כדי להעריך את הפרודוקטיביות של ביומסה של אצות: (1) גדילת אצות באמצעות חיישן צפיפות אופטית בזמן אמת (איור 5); (2) גדילת אצות ביחס להזרקת דופק של גז פלואו און-אוף לתרבית כפונקציה של pH (איור 6 ואיור 7); ו-(3) מתאמי גדילה של אצות עם פרמטרים סביבתיים כגון טמפרטורה, חמצן מומס ואלקטרו-מוליכות חשמלית (איור 8 ואיור 9).

אנו בודקים חיישן צפיפות אופטית בזמן אמת המנטר את צמיחת האצות ואת הדינמיקה הפיזיולוגית. חיישן זה איפשר לנו לבסס, באמצעות מתאם מעבדה, את הביומסה המקבילה של משקל יבש ללא אפר (g/L). איור 5 מראה השוואה בין החיישן למדידות המעבדה. שתי הקריאות מראות מגמות דומות, הגדלות כפונקציה של זמן. עם זאת, קריאות החיישנים באתרן יכולות לעקוב אחר מחזור הצמיחה של אצות יום/לילה. המחזור האמור מראה כי ערכי הצפיפות האופטית עולים במהלך היום אך יורדים בלילה במהלך הנשימה, מה שמעיד על שינוי בפריון הביומסה. השילוב של חיישן הצפיפות האופטית בזמן אמת מאפשר לקבל החלטות ניהול יעילות לגבי מערכת ייצור האצות הכוללת.

אנו פורסים מערכת הזרקת דופק גז חצי-אוטומטית, המיוצגת באיור 6 על-ידי מחזור הזרקת גזי שפעת של 24 שעות שנמדד במהלך עונת סתיו חמה במיוחד בטוסון, אריזונה. כפי שניתן לראות באיור 6, גז פלואור הוזרק בין השעות 08:00 ל-18:00 (תקופה יומית), אך לא הוזרק בין השעות 18:00 ל-08:00 (התקופה הלילית). מחזור יום/לילה זה משקף את החשיפה היומית לאור השמש ואת היעדר האור במהלך הלילה, וכתוצאה מכך, את הפעלת הפוטוסינתזה או הפוטורספירציה, בהתאמה. איור 7 מציג את גז הפלואור המצטבר שהוזרק (L) במהלך אצווה זו של אצות. במקרה זה, 6,564 ליטר של גז פלואור, המקביל ל-538 L CO2, שימשו לגידול 0.29 גרם של ביומסה של אצות. הגרף מראה שככל שקצב גדילת האצות עלה, נדרש יותר גז פלואור (CO2) (איור 6). תוצאות הניסוי אישרו כי מערכת הזרקת פעימות גזי הפלואור און-אוף יעילה בהקלה על לכידת פחמן וניצולו באמצעות גידול מיקרו-אצות.

אנו מודדים ומנטרים פרמטרים פיזיקוכימיים אחרים כדי ליצור מתאם בינם לבין גדילת אצות ופרודוקטיביות (איור 8 ואיור 9). הפרמטרים הסביבתיים שנמדדו היו חמצן מומס, מוליכות חשמלית (EC) וטמפרטורות אוויר ובריכה. כצפוי, כל הפרמטרים, למעט EC, הציגו מגמות דומות שהיו מתואמות מאוד עם קרינת השמש. התוצאות מצביעות על כך שלמשתנים סביבתיים אלה הייתה ההשפעה המשמעותית ביותר על צמיחת אצות והם משמשים למידול ביומסה של אצות35. ה- EC לא השתנה באופן משמעותי במהלך תהליך האצווה. לפיכך, הוא לא סיפק כל מידע רלוונטי לגבי גידול אצות. לטיפוח כלורלה סורוקיניאנה באמצעות מים שאינם מלוחים, ניתן להשמיט מדידות EC.

Figure 1
איור 1: מיקום אתר פיילוט ב-Tucson Electric Power לצימוד לכידת פחמן מתחנת כוח וכורים אוטומטיים למחצה של בריכה פתוחה לגידול מיקרו-אצות. שני המקומות מיוצגים על ידי: 1) אתר האצות U3 (יחידה 3) ו-2) אתר האצות U4 (יחידה 4) קרדיט תמונה: חוסה מנואל סיסנרוס ואסקז. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 2
איור 2: תרשים זרימת תהליכים לצימוד לכידת פחמן ובריכות מסלול מרוצים פתוחות אוטומטיות למחצה לגידול מיקרו-אצות באקלים חם למחצה. (ב) מתקן ניסוי אמיתי; (C) תהליך: צימוד לכידת פחמן וטיפוח מיקרו-אצות שונה מ-Van Den Hende28. אגדות: T = טמפרטורה; DO = חמצן מומס; OD = צפיפות אופטית; EC = מוליכות חשמלית; אוגר נתונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 3
איור 3: ייצוג סכמטי של הגדרת חיישנים. (A) ייצוג של חיישני הבריכות הפתוחות החיצוניות הכוללות שהוקמו, שבהן CV1 ו-CV2 הם שסתומי הבקרה, DL הוא אוגר הנתונים, ו-T1 ו-T2 הם המשדרים. (ב) ייצוג של שסתום בקרה. (ג) ייצוג החיבור של החיישנים לאוגר הנתונים; עיגול כחול כהה: צפיפות אופטית בזמן אמת, משולש כתום: pH ו- EC, משולש שחור: thermocouples, משולש אדום: חמצן מומס, כחול בהיר: שסתום בקרה. (D) משדר pH ו- EC. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 4
איור 4: אצות בתהליך ההתאקלמות. אסטרטגיית התאקלמות מיקרו-אצות באמצעות משטחי עץ בשלב האקספוננציאלי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 5
איור 5: ייצוג של ניטור גדילת אצות. (A) גרף לריכוז ביומסה של AFDW (g/L) לעומת זמן המדידות במעבדה; (B) גרף למתאם בין חיישן צפיפות אופטית לבין מדידות מעבדה ב-650 ננומטר; ו-(C) גרף עבור חיישן צפיפות אופטית בזמן אמת לעומת זמן עבור קבוצת ניסוי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 6
איור 6: גרף להזרקת דופק גז לסירוגין כשילוב של pH. אוגר הנתונים הוקם כדי להתחיל בהזרקת גז flue (שסתום מבוקר על) ב- pH = 8.05 ולסיים את הזרקת הגז flue (שסתום מבוקר כבוי) ב- pH = 8.00. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 7
איור 7: גרף לצמיחת אצות (g/L), כמות גז הפלואו שהוזרקה וכמות ה-CO2 שהוזרקה כפונקציה של זמן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 8
איור 8: ייצוג של ניטור טמפרטורה. אגדות: קו צהוב מוצק = טמפרטורת כור בריכת מסלול מרוצים; קו אפור מוצק = טמפרטורת אוויר; וקו כחול מקווקו = טמפרטורת תחנת AZMET (הרשת המטאורולוגית של אריזונה). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 9
איור 9: ניטור של פרמטרים של גדילת אצות. אגדות: קו מוצק כתום = קרינת שמש; קו מוצק אפור = אלקטרו-מוליכות (EC); וקו מוצק צהוב = חמצן מומס (DO). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

רכיבים ריכוז בתמיסה (g/L)
H3BO3 0.00286
MnCl2·4H2O 0.00181
ZnSO4·7H2O 0.0001373
Na2MoO4·2H2O 0.00039
Cuso4·5H2O 0.000079
Co(NO3)2·6H2O 0.00005518
NiCl2·6 H2O 0.0001

טבלה 1: מתכון לפתרון יסודות קורט.

רכיבים שם נפוץ ריכוז בתמיסה (g/L)
(NH2) 2 CO אוריאה 0.1
MgSO4·7H2O מגנזיום סולפט 0.012
NH4H2PO4 אמוניום פוספט 0.035
KCl אשלג 0.175
FeCl3 ברזל ציטראט (ציטרפלקס) 0.005423
תמיסת מתכת עקבות נפח של 1000x מיקרו (מ"ל) 1

טבלה 2: מתכון מדיה ממוטב עבור 1 L.

קבצי קידוד משלימים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

במחקר זה אנו מדגימים כי צימוד סינרגטי של לכידת פחמן בגז פלואור וטיפוח מיקרו-אצות אפשרי באקלים צחיח למחצה חם. הפרוטוקול הניסיוני של מערכת בריכת מסלולי המרוצים האוטומטית למחצה משלב טכנולוגיה חדישה לניטור פרמטרים רלוונטיים בזמן אמת המתאמים לצמיחת אצות בעת שימוש בגז פלואור כמקור פחמן. הפרוטוקול המוצע נועד להפחית את אי הוודאות בגידול אצות, שהוא אחד החסרונות העיקריים של בריכות מסלול המרוצים 20,21,36. מניסיוננו, השלבים הקריטיים ביותר של הפרוטוקול כוללים את מערכת בקרת ה-pH ושיטה יעילה לחסן את המערכת (איור 2). מערכת בקרת ה-pH מספקת גז/CO2 ומייצגת אסטרטגיה למיטוב היעילות בלכידה וניצול של CO2 (איור 3)37. מערכת מבוקרת זו הוכחה כיעילה יותר ממערכת הזרקה רציפה לתהליך גידול המיקרו-אצות מכיוון שהיא מפחיתה את הגז תוך אספקת מספיק גז פלואור כדי להשיג את קצב גדילת האצות המרבי20,37. כאשר הזרקת גז הפלואור מבוססת על pH, גורם מפתח לגידול אצות הוא בחירת ערך pH הולם למיני המיקרו-אצות לפני חיסון בריכת מסלול המרוצים38,39. Qiu et al.40 מצאו כי ערך pH של 8 הוא הטוב ביותר עבור מיני המים המתוקים Chlorella sorokiniania כאשר שוקלים צמיחת תאים וייצור שומנים40. יתר על כן, Molina Grima et al.41 ממליצים על pH מתחת ל-8 כדי להפחית את אובדן החנקן ולהשיג ספיגת חנקן טובה יותר על ידי המיקרו-אצות/ביומסה41. עם זאת, Yuvraj et al.42 מציעים כי pH אינה שיטה מתאימה להערכת תכולת ה-CO2 במים בגלל ההשפעה של הפריית חנקן על החומציות של המדיום42. התוצאות שלנו מראות שניתן להשתמש ב-pH ביעילות כדי לנהל הזרקת CO2 עבור המערכת המוצגת כאן (איור 6); ניהול הזרקת גזי הפלואור שלנו, ששמר על התרבית ב-pH 8, הביא לתפוקת ביומסה גבוהה ולשכפול (איור 7).

לאחר החיסון, האצות חייבות להתאקלם למערכת כדי למנוע פוטו-אינהיביציה ולהתאים את עצמן לטמפרטורה הגבוהה של מדיית מסלול המרוצים. באקלים חם וצחיח למחצה זה, ראינו פוטו-היניביציה של אצות עקב קרינת שמש גבוהה 39,43,44 (איור 9). השפעה זו יכולה לא רק לעכב אלא גם לעכב חיסון מיקרו-אצות במהלך השלב האקספוננציאלי 32,35,45,46,47. כדי להפחית את ההשפעה של התאקלמות על המיקרו-אצות, תכננו אסטרטגיה מוצלחת וישימה המורכבת מהצללה חלקית של בריכת מסלול המרוצים עם משטחי עץ. אסטרטגיה זו מאפשרת למיקרו-אצות להיחשף שוב ושוב אך לפרקי זמן קצרים לתנאי השמש. גורם עקה נוסף הוא הטמפרטורה הגבוהה של גז הפלואור ושל אוויר הסביבה33,48 (איור 8). טמפרטורת גז הפלואור גבוהה למדי בשלב שלאחר הבעירה 10,48,49. שימוש בגז הפלואור על ידי הזרקה ישירה שלו מהצינור המשוגר לתוך בריכת מסלול המרוצים יכול לתרום לעלייה נוספת בטמפרטורת המדיום. לפיכך, מעבה ואחריו מלכודת מים הממוקמת לפני המדחס לא רק יפחיתו את העברת החום אלא גם את כמות המים המגיעה למדחס (איור 2). מצאנו ששני המכשירים היו נחוצים כדי להפחית את שיעור הכשל במדחס. בנוסף, יש לקחת בחשבון את הלחות, את טמפרטורת גז ה-flue ואת האופי הקורוזיבי של גז הפלואור כאשר מעריכים את מחזור החיים והתחזוקה של המדחס. יתר על כן, טמפרטורות גבוהות גורמות לשיעורי אידוי גבוהים יותר.

פרוטוקול זה כפוף למגבלות מסוימות. על פי איור 6, שסתום הבקרה לא היה מסוגל להזריק מספיק גז פלואור כאשר הפוטוסינתזה הייתה בשיאה. ניתן לייחס השפעה זו להעברת מסה נמוכה מהפאזה הגזית לנוזלית בשל תכנון הכור 5,16,50,51. Mendoza et al.36,52 ו- de Godos et al.16 הצהירו כי לבריכות מסלולי מרוצים יש העברת מסה גרועה של גז/נוזל, המייצגת את אחד מאילוצי התכנון החמורים ביותר 16,36,52. תכנון התעלה הרדודה שלהם מגביל את העברת המסה של CO2 בשל שטח הממשק הקצר בין הגז לתווך התרבית, מה שגורם לעלייה בכיבוי גזים של CO2 (איור 2). לפיכך, הוצעו התקנים ותצורות חדשניות כדי להאריך את זמן המגע בין גז לנוזל, כולל סככות, עמודי ערבוב, סיליקון חדיר ומערכות ספרינג-דיפוזיה 36,52,53. כל המערכות הללו שימשו בניסיון לשפר את העברת המסה של CO2; עם זאת, חלק ממערכות אלה גם משפרות את התפלגות החומרים המזינים, שולטות ב-pH ומסירות עודף O2 5,24,36,52. לבסוף, הפסקות חשמל הן מגבלות אחרות שיכולות להתעורר בעת לכידה וניצול של גז פלואור אמיתי מתחנת כוח. הפסקות החשמל הללו לא תמיד מתוזמנות. לפיכך, יש לשקול מקורות חלופיים זמניים של CO2, לדוגמה, העברה או חיבור של הקו הראשי של CO2 ליחידות הספק מרובות (איור 1).

היכולת לייצר מיקרו-אצות באמצעות פרוטוקול זה נתמכת על ידי התוצאות שלנו על פרודוקטיביות אצות (איור 5), תגובות אצות לפרמטרים שנבחרו (איור 6, איור 8, איור 9), וטיפוח מוצלח של מיני האצות הרצויים כאשר הם מטופחים על ידי הזרקת גז פלואור ישירה. כורים פתוחים זולים יותר לתפעול, ולכן פרוטוקול זה מתבסס על החוזקות שלהם כדי להאיץ את הפריסה בקנה מידה מסחרי של צורה זו של לכידת פחמן וניצול 16,20,54,55,56. אזור חם וצחיח למחצה זה חווה קרינת שמש גבוהה ותנודות טמפרטורה משמעותיות לאורך כל השנה (איור 8 ואיור 9)57; לפיכך, זהו מיקום מעולה לבדיקת פרוטוקול מסוג זה. חיישן הצפיפות האופטית סיפק קריאות OD עקביות למערכת הפתוחה החיצונית שלנו (איור 5); סוג זה של איסוף נתונים יהיה לא מעשי באמצעות חיישנים אחרים. כמו כן, החיישנים הגיבו היטב לשינויי הטמפרטורה המשמעותיים מהיום ללילה (איור 8), מה שאפשר לנו לקבל החלטות על פרודוקטיביות אצות בזמן29. יתר על כן, למדיום הממוטב המוצע יש יתרון קריטי בכך שהוא מבוסס על דשן מסחרי ומקורות מזינים זמינים58 (טבלה 1 ו-2); מדיום זה יכול להיות מיוצר בקלות בתוך הבית או יכול להיות מקור על פי בקשה של חברות דשן נוזלי חקלאי58. לבסוף, הפרוטוקול החצי אוטומטי נבדק בתחנת כוח נוספת בגז טבעי. התוצאות של אותו מחקר אישור אינן מוצגות במאמר זה. באותו מחקר אישור, הפרוטוקול היה מוצלח למרות תנאי מזג האוויר הקיצוניים בטוסון והטמפרטורות החמות במיוחד בתחנת הייצור בשל מיקומו של הכור בתוך מערך תחנת הכוח. לפיכך, שכפול פרוטוקולים נבדק עבור הסביבה של טוסון כאשר גז טבעי משמש כדלק לייצור חשמל.

השלבים הבאים מומלצים כדי להמשיך לפתח פרוטוקול זה ולשפר ולשפר את האוטומציה של התהליכים המעורבים. ההמלצה הראשונה היא להפוך את הזרקת הגז flue לתהליך בקצב משתנה לחלוטין, ובכך לשפר את ניהול ה- CO2 וה- pH; התוכנית הנוכחית פותחת במלואה את שסתום ההזרקה כאשר ה- pH עולה מעל 8 וסוגר אותו כאשר ה- pH מגיע שוב ל-8. שיפור אופן הזרקת CO2 הוא גם הכרחי. המטרה היא להקטין את גודל בועות ה-CO2 , כלומר ליצור מיקרו-פוביות כדי לשפר את דיפוזיית ה-CO2 במדיום מבלי להזדקק להזרקת גז פלואו בלחץ גבוה יותר. שימוש במזרקים משופרים, ובכך הפחתת עלויות האנרגיה התפעולית, נחשב הכרחי ביישום מסחרי של הפרוטוקול. מומלץ גם לכלול כלי חיזוי המבוססים על תחזית מזג האוויר ועל מצב המיקרו-אצות הנוכחי לשליטה בגז הדשן והדשן, בעיקר N, כדי לשפר את יעילות השימוש ב-N. השימוש במודלים דינמיים חישוביים של נוזלים נחשב לכלי חיוני בפיתוח הפרוטוקול המוצע עוד יותר; מידול יכול לעזור למטב את התכנון, התצורה והתפעול של כל החומרה הכרוכה בניטור ובניהול של המיקרו-אצות. תחום נוסף שניתן יהיה לחקור בעתיד הוא יישום של דנ"א סביבתי (eDNA) וטכניקות PCR בזמן אמת כדי לעקוב אחר הבריאות וההרכב של יבול המיקרו-אצות. ניתן לנתח דגימות מים, והתוצאות יציינו אם המיקרו-אצות האובייקטיביות הן המינים השולטים בתווך או אם הוא מתחרה או הוחלף על ידי אורגניזם אחר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה באמצעות פרויקט הבדיקה האזורי של אצות, משרד האנרגיה האמריקאי DE-EE0006269. אנו מודים גם לאסטבן חימנז, ג'סיקה פיבלס, פרנסיסקו אצ'דו, חוזה סיסנרוס, צוות RAFT, מארק מנספילד, צוות תחנת הכוח UA וצוות תחנת הכוח TEP על כל עזרתם.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. The Intergovernmental Panel on Climate Change. , Available from: https://www.ipcc.ch/ (2018).
  2. 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).
  3. Litynski, J., Klara, S., McIlvried, H., Srivastava, R. The United States Department of Energy's Regional Carbon Sequestration Partnerships program: A collaborative approach to carbon management. Environ International. 32 (1), 128-144 (2006).
  4. Cuellar-Bermudez, S., Garcia-Perez, J., Rittmann, B., Parra-Saldivar, R. Photosynthetic Bioenergy Utilizing CO2: an Approach on Flue Gases Utilization for Third Generation Biofuels. Journal of Clean Production. 98, 53-65 (2014).
  5. Cheah, W., Show, P., Chang, J., Ling, T., Juan, J. Biosequestration of Atmospheric CO2 and Flue Gas-Containing CO2 by Microalgae. Bioresource Technology. 184, 190-201 (2014).
  6. Kao, C., et al. Utilization of Carbon Dioxide in Industrial Flue Gases for the Cultivation of Microalga Chlorella sp. Bioresource Technology. 166, 485-493 (2014).
  7. White, C., Strazisar, B., Granite, E., Hoffman, S., Pennline, H. Separation and Capture of CO2 from Large Stationary Sources and Sequestration in Geological Formations. Journal of the Air and Waste Management Association. 53 (10), 1172-1182 (2003).
  8. Benemann, J. CO2 Mitigation with Microalgae Systems. Pergamon Energy Conversion Management Journal. 38, 475-479 (1997).
  9. U.S.Department of Energy. The Capture , Utilization and Disposal of Carbon Dioxide from Fossil Fuel-Fired Power Plants. Energy. 2, (1993).
  10. Granite, E., O'Brien, T. Review of Novel Methods for Carbon Dioxide Separation from Flue and Fuel Gases. Fuel Processesing Technology. 86 (14-15), 1423-1434 (2005).
  11. Benemann, J. Utilization of Carbon Dioxide from Fossil Fuel-Burning Power Plants with Biological Systems. Energy Conversion and Management. 34 (9-11), 999-1004 (1993).
  12. Joshi, C., Nookaraju, A. New Avenues of Bioenergy Production from Plants: Green Alternatives to Petroleum. Journal of Petroleum & Environmental Biotechnology. 03 (07), 3 (2012).
  13. Chisti, Y. Constraints to commercialization of algal fuels. Journal of Biotechnology. 22, 166-186 (2013).
  14. Han, S., Jin, W., Tu, R., Wu, W. Biofuel production from microalgae as feedstock: current status and potential. Critical Reviews in Biotechnology. 35 (2), 255-268 (2015).
  15. Lam, M., Lee, K. Potential of using organic fertilizer to cultivate Chlorella vulgaris for biodiesel production. Applied Energy. 94, 303-308 (2012).
  16. de Godos, I., et al. Evaluation of carbon dioxide mass transfer in raceway reactors for microalgae culture using flue gases. Bioresource Technology. 153, 307-314 (2014).
  17. Posten, C., Schaub, G. Microalgae and terrestrial biomass as source for fuels a process view. Journal of Biotechnology. 142 (1), 64-69 (2009).
  18. Demirbas, M. Biofuels from algae for sustainable development. Applied Energy. 88 (10), 3473-3480 (2011).
  19. Shelef, G., Sukenik, A., Green, M. Microalgae Harvesting and Processing A Literature Review. , (1984).
  20. Pawlowski, A., Mendoza, J., Guzmán, J., Berenguel, J., Acién, F., Dormido, S. Effective utilization of flue gases in raceway reactor with event-based pH control for microalgae culture. Bioresource Technology. 170, 1-9 (2014).
  21. Zhu, B., Sun, F., Yang, M., Lu, L., Yang, G., Pan, K. Large-scale biodiesel production using flue gas from coal-fired power plants with Nannochloropsis microalgal biomass in open raceway ponds. Bioresource Technology. 174, 53-59 (2014).
  22. Kaštánek, F., et al. In-field experimental verification of cultivation of microalgae Chlorella sp. using the flue gas from a cogeneration unit as a source of carbon dioxide. Waste Management & Research. 28 (11), 961-966 (2010).
  23. Yadav, G., Karemore, A., Dash, S., Sen, R. Performance evaluation of a green process for microalgal CO2 sequestration in closed photobioreactor using flue gas generated in-situ. Bioresource Technology. 191, 399-406 (2015).
  24. Zhao, B., Su, Y., Zhang, Y., Cui, G. Carbon dioxide fixation and biomass production from combustion flue gas using energy microalgae. Energy. 89, 347-357 (2015).
  25. He, L., Chen, A., Yu, Y., Kucera, L., Tang, Y. Optimize Flue Gas Settings to Promote Microalgae Growth in Photobioreactors via Computer Simulations. Journal of Visualized Experiments. (80), e50718 (2013).
  26. He, L., Subramanian, V., Tang, Y. Experimental analysis and model-based optimization of microalgae growth in photo-bioreactors using flue gas. Biomass and Bioenergy. 41, 131-138 (2012).
  27. Pidwirny, M. Fundamentals of Physical Geography, 2nd ed. , (2006).
  28. Van Den Hende, S., Vervaeren, H., Boon, N. Flue gas compounds and microalgae: (Bio-) chemical interactions leading to biotechnological opportunities. Biotechnology Advances. 30 (2012), 1405-1424 (2012).
  29. Jia, F., Kacira, M., Ogden, K. Multi-wavelength based optical density sensor for autonomous monitoring of microalgae. Sensors (Switzerland). 15 (9), 22234-22248 (2015).
  30. Unkefer, C., et al. Review of the algal biology program within the National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproducts. Algal Research. 22, 187-215 (2017).
  31. Neofotis, P., et al. Characterization and classification of highly productive microalgae strains discovered for biofuel and bioproduct generation. Algal Research. 15, 164-178 (2016).
  32. Huesemann, M., Van Wagenen, J., Miller, T., Chavis, A., Hobbs, S., Crowe, B. A screening model to predict microalgae biomass growth in photobioreactors and raceway ponds. Biotechnology Bioengineering. 110 (6), 1583-1594 (2013).
  33. Huesemann, M., et al. Estimating the Maximum Achievable Productivity in Outdoor Ponds: Microalgae Biomass Growth Modeling and Climate Simulated Culturing. Microalgal Production for Biomass and High-Value Products. 28 (2016), 113-137 (2016).
  34. Ramezan, M., Skone, T., Nsakala, N., Lilijedahl, G. Carbon Dioxide Capture from Existing Coal-Fired Power Plants. , 268 (2007).
  35. Huesemann, M., et al. A validated model to predict microalgae growth in outdoor pond cultures subjected to fluctuating light intensities and water temperatures. Algal Research. 13, 195-206 (2016).
  36. Mendoza, J., et al. Fluid-dynamic characterization of real-scale raceway reactors for microalgae production. Biomass and Bioenergy. 54, 267-275 (2013).
  37. Algae Cultivation for Carbon Capture and Utilization Workshop. Algae Cultivation for Carbon Capture and Utilization Workshop. , (2017).
  38. Park, J., Craggs, R., Shilton, A. Wastewater treatment high rate algal ponds for biofuel production. Bioresource Technology. 102 (1), 35-42 (2011).
  39. Mata, T., Martins, A., Caetano, N. Microalgae for biodiesel production and other applications: A review. Renewewable and Sustainable Energy Reviews. 14 (1), 217-232 (2010).
  40. Qiu, R., Gao, S., Lopez, P., Ogden, K. Effects of pH on cell growth, lipid production and CO2 addition of microalgae Chlorella sorokiniana. Algal Research. 28, 192-199 (2017).
  41. Molina Grima, E., Fernández, F., Garcıa Camacho, F., Chisti, Y. Photobioreactors: light regime, mass transfer, and scaleup. Journal of Biotechnology. 70 (1-3), 231-247 (1999).
  42. Padmanabhan, Y. P. Technical insight on the requirements for CO2-saturated growth of microalgae in photobioreactors. 3 Biotech. 7 (2), 1-7 (2017).
  43. Vonshak, A., Torzillo, G. Environmental Stress Physiology. Handbook of Microalgal Culture. 4 (2007), Chapter 4 57-82 (2007).
  44. Morales, M., Sánchez, L., Revah, S. The impact of environmental factors on carbon dioxide fixation by microalgae. Federation of European Microbiological Society Microbiology Letters. 365 (3), 1-11 (2018).
  45. Cuaresma, M., Janssen, M., Vílchez, C., Wijffels, R. Horizontal or vertical photobioreactors? How to improve microalgae photosynthetic efficiency. Bioresource Technology. 102 (8), 5129-5137 (2011).
  46. Richmond, A., Zou, N. Efficient utilisation of high photon irradiance for mass production of photoautotrophic micro-organisms. Journal of Applied Phycology. 11 (1), 123-127 (1999).
  47. Kurpan, D., Silva, A., Araújo, O., Chaloub, R. Impact of temperature and light intensity on triacylglycerol accumulation in marine microalgae. Biomass and Bioenergy. 72, 280-287 (2015).
  48. Maedal, K., Owadai, M., Kimura, N., Karubd, I. CO2 fixation from the flue gas on coal-fired thermal power plant by microalgae To screen microalgac which arc suitable for direct CO2 fixation , microalgae were sampled from. Energy Conversion Managment. 36 (6-9), 717-720 (1995).
  49. Sakai, N., Sakamoto, Y., Kishimoto, N., Chihara, M., Karube, I. Strain from Hot Springs Tolerant to High Temperature and high CO2. Energy Conversion Managment. 36 (6-9), 693-696 (1995).
  50. Lam, M., Lee, K., Mohamed, A. Current status and challenges on microalgae-based carbon capture. International Journal of Greenhouse Gas Control. 10, 456-469 (2012).
  51. Raeesossadati, M., Ahmadzadeh, H., McHenry, M., Moheimani, N. CO2 Bioremediation by Microalgae in Photobioreactors: Impacts of Biomass and CO2 Concentrations, Light, and Temperature. Algal Research. 6, 78-85 (2014).
  52. Mendoza, J., et al. Oxygen transfer and evolution in microalgal culture in open raceways. Bioresource Technology. 137, 188-195 (2013).
  53. Carvalho, A., Malcata, F., Meireles, A. Microalgal Reactors A Review of Enclosed System Designs and Performances. Biotechnology Progress. 22 (6), 1490-1506 (2006).
  54. Pires, J., Alvim-Ferraz, M., Martins, F., Simões, M. Carbon dioxide capture from flue gases using microalgae: Engineering aspects and biorefinery concept. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 16 (5), 3043-3053 (2012).
  55. Lam, M., Lee, K. Microalgae biofuels: A critical review of issues, problems and the way forward. Biotechnology Advances. 30 (3), 673-690 (2012).
  56. Chisti, Y. Biodiesel from microalgae beats bioethanol. Trends in Biotechnology. 26 (3), 126-131 (2008).
  57. K̈oppen, W., Volken, E., Brönnimann, S. The Thermal Zones of the Earth According to the duration of Hot, Moderate and Cold Periods and to the Impact of Heat on the Organic. Meteorologische Zeitschrift. 20 (3), 351-360 (2011).
  58. Lammers, P., et al. Review of the Cultivation Program within the National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproducts. Algal Research. 22, 166-186 (2017).

Tags

מדעי הסביבה גיליון 162 איכות הסביבה גידול מיקרו-אצות חיצוניות בריכות מסלולי מרוצים לכידת פחמן ניצול פחמן גז פלואור תעשייתי כלורלה סורוקיניאנה
צימוד לכידת פחמן מתחנת כוח עם בריכות מסלול מרוץ פתוחות אוטומטיות למחצה לגידול מיקרו-אצות
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Acedo, M., Gonzalez Cena, J. R.,… More

Acedo, M., Gonzalez Cena, J. R., Kiehlbaugh, K. M., Ogden, K. L. Coupling Carbon Capture from a Power Plant with Semi-automated Open Raceway Ponds for Microalgae Cultivation. J. Vis. Exp. (162), e61498, doi:10.3791/61498 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter