Method Article

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

DOI:

10.3791/61498

⸱

August 14th, 2020

 ,  ,  , 
1Department of Chemical and Environmental Engineering, University of Arizona, 2Department of Biosystems Engineering, University of Arizona, 3Department of Biomedical Engineering, University of Arizona

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 חיי.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 ש.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
מנוע מהירות מתכוונן (מערכת גלגל הנעה)Leeson174307שיעור 174307.00, סוג: מתח SCR; אמפר: 10
סירות משקל אלומיניוםפישר סיינטיפיק08-732-102פישרברנד אלומיניום כלי שקילה
אמוניום (III) (NH?)? [Fe(C?H? או?)?]פישר סיינטיפיק1185 - 57 - 5הכנה בינונית. אמוניום ברזל (III) ציטראט
אמוניום פוספטסיגמא-אולדריץ'7722-76-1כימיקל זה משמש למדיום האופטימלי
מלח נתרן אמפיציליןסיגמא אולדריץ'A9518-5Gכימיקל זה משמש למניעת זיהום אצות
AutoclaveAmerex Instrument IncHirayama HA300MII
Bacto agarFisher ScientificBP1423500Fisher BioReagents
אקונומיקהאקונומיקה קוטל חיידקיםקלורוקס
(H3BO3)Fisher Scientific10043-35-3יסודות קורט: חומצה בורית
סידן כלוריד דיהידראט (CaCl2*2H2O)Sigma-Aldrich10035-04-8תכשיר בינוני. סידן כלוריד דיהידראט
Carboys (20 ליטר)Nalgene - Thermo Fisher Scientific2250-0050PKפוליפרופילן Carboy עם ידיות
צנטריפוגהBeckman Coulter, IncJ2-21
ChloroformSigma-Aldrich67-66-3כימיקל זה משמש למיצוי שומנים
Citraplex 20% IronLoveland ProductsSDS מס' 1000595582 -17-LPIhttps://www.fbn.com/direct/product/Citraplex-20-Iron#product_info
קובלט (II) חנקת הקסהידרט (Co(NO3)2*6H2O)Sigma-Aldrich10026-22-9יסודות קורט: קובלט (II) מדחס הקסהידרט חנקתי
MakitaMAC700ציוד זה משמש למערכת הזרקת CO2
שסתום בקרהSierra InstrumentsSmartTrak 100פריט זה צריך להיות מותאם אישית ליישום שלך. במקרה שלנו, נעשה בו שימוש בתערובת של 5% CO2 ו-95% אוויר.
נחושת (II) סולפט פנטהידראט (CuSO4*5H2O)סיגמא-אולדריץ'7758-99-8יסודות קורט: נחושת (II) סולפט פנטהידראט
לוגר נתונים: יחידת קמפבל CR3000Scientific CampbellCR3000ציוד זה משמש לשליטה בכל המערכת, המנוע וההקלטה של הנתונים
תמיסת חמצן מומסCampbell Scientific14055תמיסת אלקטרוליט חמצן מומס DO6002 - פריט מס'. 211085
בדיקת חמצן מומסSensorex?חיישן חמצן מומס DO6400/T עם תקשורת דיגיטלית
פתרון כיול מוליכות אלקטרו-מוליכותRicca Chemical Company2245 - 32 (R2245000-1A)תקן מוליכות, 5000 uS/cm ב-25C (2620 עמודים לדקה TDS כ-NaCl)
חיישן בדיקה מוליכות אלקטרו-מוליכותHanna InstrumentsHI3003/Dבדיקת מוליכות זרימה דרך - חיישן NTC, מחבר DIN, כבל 3 מטר
חומצה אתילנדיאמינטטראצטית מלח דיסודיום דיהידראט (Na2EDTA*2H2O)סיגמא-אולדריץ'6381-92-6הכנה בינונית: חומצה אתילנדיאמינטטראצטית מלח דיסודיום מסנני דיהידראט
פישר סיינטיפיק09-874-48ווטמן מסנני מיקרופייבר זכוכית ללא קלסר
צלוחיות פישרסיינטיפיק09-552-40פיירקס פרנבך צלוחיות
תנורHogentoglerדגם: F6020C-80סינטיפיק תרמולין F6020C - מייבש
זכוכית תנור מופל 80VWR International LLC75871-430סוג 150, 140 מ"מ קוטר
משפך זכוכיתפישר סיינטיפיקFB6005865פישרברנד משפכים ארוכי גזע זכוכית לשימוש חוזר
מכסה מנוע זרימה למינאריפישר המילטון Safeair SafeairMouse נירוסטה Safeair hume hood
מגנזיום סולפט heptahydrate (MgSO4*7H2O)Fisher Scientific10034 - 99 - 8בינוני הכנה: מגנזיום סולפט heptahydrate
מתנולסיגמא-אולדריץ'67-56-1מיצוי שומנים ממס
מפזר מיקרו בועותPentair Aquatic Eco-Systems1PMBD075ציוד זה משמש למערכת הזרקת CO2
מיקרו-אצות: כלורלה סורוקיניאנהNAABBDOE 1412
מיקרוסקופקארל זייס
4291097 עוזר מיקרוגל מיצויMARS, CEM CorportationCEM Mars 5 Xtraction 230/60 מערכת תגובה מואצת במיקרוגל. דגם: 907601
MnCl2*4H2OSigma-Aldrich13446-34-9מרגמות מנגן (II) כלוריד טטרהידראט
פישר סיינטיפיקFB961Bפישרברנד מרגמות חרסינה
מאייד חנקןאורגנומציהN-EVAP 112 אידוי חנקן (מערכת חימום OA-SYS)
תנורVWR International LLC89511-410תנור אוויר מאולץ
ההנעהמדחף ציר אופקי בעל 8 להבים. זה מגיע בדרך כלל כחלק מכור גלגל ההנעה.
מנוע גלגל ההנעהLeesonM1135042.00Leeson, דגם: CM34025Nz10C; 1/4 כ"ס; וולט 90; FR 34; 62 סל"ד.
PestlesFisher ScientificFB961Mעלי חרסינה פישרברנד
משדר pH ו-EC משדרHanna InstrumentsHI98143Hanna Instruments HI98143-04 pH ומשדר EC עם משדר גלווני מבודד 0-4V.
פתרונות כיול pHFisher Scientific13-643-003Thermo Scientific Orion pH Buffer Bottles
חיישן בדיקת pH HannaInstrumentsHI1006-2005Hanna Instruments HI1006-2005 אלקטרודת pH טפלון עם סיכה תואמת 5 מ'.
טיפים לפיפטפישר סיינטיפיק1111-28211000 ul טיפ אחד בוגר קצה כחול במתלים
פיפטרפישר סיינטיפיק13-690-032Eppendorf Reserch בתוספת פיפטות נפח מתכווננות משתנה: קובטות פלסטיק חד ערוציות
פישר 14377017 מדעיBrandTech מותג קובטות פלסטיק
צלחותפישר סיינטיפיק08-757-100Dקורנינג פלקון בקטריולוגי צלחות פטרי עם מכסה
אשלגכימיקל זה משמש להכנה הבינונית האופטימלית. הוא נקנה בחברת דשנים מקומית
אשלגן פוספט דו-בסיסי (K2HPO4)Sigma-Aldrich7758 -11 - 4הכנה בינונית: אשלגן פוספט דו-בסיסי
Pyrex בקבוקי אחסון מדיה לשימוש חוזרפישר סיינטיפיק06-414-2Aבקבוקי 1 ליטר ו-2 ליטר - PYREX GL45 מכסי בורג עם אטמי תקע
בריכתלקנות ציוד דומה בכתובת
https://microbioengineering.com/products חיישן צפיפות אופטית בזמן אמתאוניברסיטת אריזונהציוד זה תוכנן ונבנה על ידי חבר בקבוצה
כבל RS232SabrentSabrent USB 2.0 לכבל ממיר DB-9 RS-232 טורי (9 פינים), ערכת שבבים פורה, Hexnuts, [Windows 10/8.1/8/7/VISTA/XP, Mac OS X 10.6 ומעלה] 2.5 רגל (CB-DB9P)
שולחןשייקרתסיסה של אצות 150 סל"ד
נתרן פחמתי (Na2CO3)סיגמא-אולדריץ'497-19-8נתרן פחמתי
נתרן מוליבדט דיהידראט (Na2MoO4*2H2O)סיגמא-אולדריץ'10102-40-6הכנה בינונית: נתרן מוליבדט דיהידראט
נתרן חנקתי (NaNO3)סיגמא-אולדריץ'7631-99-4הכנה בינונית: נתרן חנקתי
ספקטופוטומטרפישר סיינטיפיק חברה14-385-400Thermo Fisher Scientific - 10S UV-Vis GENESTYS ספקטרופוטומטר מחזיק תא Longpath גלילי; מסיר ייחוס פנימי, מנורת פלאש קסנון; פוטודיודה כפולה מסיליקון; 240V, 50 עד 60Hz נבחר אוטומטית.
מבחנותפישר סיינטיפיק14-961-27פישרברנד צינורות זכוכית בורוסיליקט חד פעמיים עם קצה רגיל (10 מ"ל)
צמדים תרמיים מסוג KאומגהKMQXL-125G-6
אוריאהסיגמא-אולדריץ'2067-80-3
מערכת סינון ואקוםפישר סיינטיפיקXX1514700מחזיק מסנן ואקום מזכוכית MilliporeSigma, 47 מ"מ. המערכת כוללת: חיבור בקבוק זכוכית טחון, תמיכת מסנן זכוכית גסה ובקבוק
משאבת ואקוםGraingerMarathon מוגן תרמית G588DX - MOD 5KH36KNA510X. HP 1/4. סל"ד 1725/1425
אבץ גופרתי הפטהידראט (ZnSO4*7H2O)סיגמא-אולדריץ'7446-20-0אבץ גופרתי הפטהידראט
ברזל אגר מגורענת , חומצה בורית מרוכזת קלורוקס תרמו גלגל מסלול ניתן אוריאה מנוע AC חשמלי

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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. L....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Microalgae CultivationCarbon CaptureFlue GasOpen Raceway PondChlorella SorokinianapH Control SystemOptical Density SensorBiomass ProductivityCarbon FixationBiofuel Production

Related Articles