Acoplamiento de la captura de carbono de una planta de energía con estanques de canales abiertos semiautomatizados para el cultivo de microalgas

Este sistema de cultivo semiautomático controlado por un sensor de pH puede capturar directamente los gases de combustión de los planes de energía para el cultivo de microalgas y puede monitorear el crecimiento de las microalgas con mediciones en tiempo real. El sistema de reactor permite la captura directa y el uso del carbono de los gases de combustión industriales para cultivar microalgas en sistemas de canalización de estanques abiertos semiautomatizados en el sitio. El sistema se puede utilizar para cultivar especies de algas alternativas y para capturar carbono de cualquier planta de energía.

Para configurar un estanque de canalización abierto, conecte una manguera de combustible de 0,95 centímetros para capturar los gases de combustión durante el proceso de postcombustión, unos metros antes de que los gases de combustión ingresen a la chimenea para descargarlos a la atmósfera. Coloque una trampa de agua de 20 litros y un condensador de aproximadamente 12 metros entre la chimenea y el compresor para eliminar el agua de los gases de combustión. Para monitorear el crecimiento de algas, conecte un sensor de densidad óptica en tiempo real que mida la absorbancia a 650 y 750 nanómetros, un sensor de oxígeno disuelto, termopares de aire y estanque, un sensor de pH y un sensor de electroconductividad a un registrador de datos.

Para configurar un sistema de control de pH, conecte un compresor y un sistema de válvula de control al programa de registro de datos para administrar la inyección de gases de combustión y use un tubo para dirigir los gases de combustión desde la válvula de control a través de un difusor de piedra hasta el fondo del estanque de la canalización, luego configure el sistema para inyectar gases de combustión cuando el valor de pH sea superior a 8.05 y para detener la inyección de gases de combustión cuando el pH es menos de ocho. Para configurar un sistema de cultivo de algas, configure la sala de cultivo a 25 grados centígrados en un ciclo de 12 horas de luz y 12 horas de oscuridad, y use sales de agua desionizadas y macro y micronutrientes para preparar el medio de cultivo BG-11. Utilice un asa estéril para seleccionar una sola colonia de algas de la placa de cultivo e inocule las algas en un tubo de 50 mililitros que contenga medio de crecimiento estéril en un gabinete de bioseguridad limpio.

Cultive el pequeño cultivo líquido en una mesa agitadora a 120 revoluciones por minuto durante una semana. Al final de la incubación, transfiera todo el volumen de cultivo de algas a 500 mililitros de cultivo líquido en un matraz de un litro y cierre el matraz con un tapón de goma provisto de un tubo de acero inoxidable para proporcionar aireación. Filtre el aire con filtros de esterilización de aire de 0,20 micras y deje que el cultivo crezca durante una o dos semanas más, utilizando un espectrofotómetro para controlar la densidad celular diariamente.

Al final del período de cultivo, agregue 500 mililitros del cultivo de algas líquidas a ocho litros de medio de cultivo no estéril en una garrafa de 10 litros e inyecte una mezcla de 5% de dióxido de carbono y 95% de aire en la garrafa. Monitoree la placa madre y los cultivos líquidos bajo un microscopio óptico con aumentos de 10 y 40X una vez a la semana para asegurar el crecimiento de la cepa de interés. Para inocular un estanque abierto al aire libre con algas, primero, limpie a fondo el reactor durante la noche con lejía al 30%.

Enjuague el reactor a la mañana siguiente hasta que se haya eliminado toda la lejía y calibre todos los sensores de acuerdo con sus procedimientos de calibración correspondientes. Llene el estanque de la pista de rodadura hasta un 80% con agua para diluir el medio concentrado e inocular el estanque con la garrafa de 10 litros de cultivo de algas. Lleve el estanque a su volumen final, luego sombree parcialmente el estanque de la pista de rodadura con paletas de madera durante unos tres días como estrategia de adaptación para evitar la fotoinhibición y permitir que las microalgas se aclimaten al sistema de cultivo.

Para realizar un experimento de crecimiento por lotes, inspeccione y registre cualquier variación diaria, incluida la evaporación del agua, la funcionalidad del motor y el sensor de la rueda de paletas, o cualquier otra cosa fuera de lo común. Drene e inspeccione el compresor y la trampa de agua diariamente para permitir la eliminación del exceso de agua y minimizar la corrosión de los gases de combustión. Configure el registrador de datos para escanear cada medición del sensor cada 10 segundos y para almacenar el sensor promedio y los datos de temperatura del aire y del reactor cada 10 minutos.

Asegúrese de que el nivel del agua permanezca constante en el volumen final del reactor para evitar afectar la medición de la densidad óptica. Después de reponer el agua en el reactor, recoja una muestra de biomasa de algas con una botella de 250 mililitros. Mida la densidad óptica en el espectrofotómetro.

Comprobar la calidad del cultivo de algas tres veces por semana mediante microscopía óptica. Cuando un cultivo está cerca de alcanzar la fase estacionaria, se cosecha el 75% del volumen total de cultivo de algas y se utilizan de dos a cinco litros de la suspensión de cultivo para realizar análisis de productividad de biomasa en el laboratorio, luego se procesa y se convierte el resto de las algas en los productos de algas deseados. Aquí se puede observar una comparación entre el sensor y las mediciones de laboratorio.

Ambas crías muestran tendencias similares, con los datos aumentando en función del tiempo. Los valores de densidad óptica aumentan durante el día, pero disminuyen durante la noche durante la respiración, lo que indica un cambio en la productividad de la biomasa, por lo que la integración de un sensor de densidad óptica en tiempo real permite tomar decisiones de gestión efectivas sobre el sistema general de producción de algas. En este análisis, los gases de combustión se inyectaron aproximadamente a partir de las 8:00 a.m.

hasta las 6:00 p.m., pero no se inyectó entre las 6:00 p.m. y las 8:00 a.m.

Este ciclo día/noche refleja la exposición a la luz solar del día y la falta de luz durante la noche y, en consecuencia, la activación de la fotosíntesis o la fotorrespiración, respectivamente. Como se ilustra en esta figura, a medida que aumenta la tasa de crecimiento de algas, se requieren más gases de combustión, lo que confirma que el sistema de inyección de pulsos de gases de combustión encendido/apagado es eficaz para facilitar la captura y utilización de carbono a través del cultivo de microalgas. También se pueden utilizar otros parámetros físico-químicos para establecer una correlación entre los parámetros y el crecimiento y la productividad de las algas.

Es importante asegurarse de que el sistema de pH esté configurado correctamente y que todos los sensores estén calibrados antes de inocular los estanques de canalización con microalgas. Otros métodos que se pueden realizar con el estanque de canalización mientras se produce biomasa de microalgas incluyen la extracción de lípidos, carbohidratos o pigmentos, mediciones de peso seco sin cenizas y monitoreo de calidad de PCR.