הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

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

5.4K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/61498

⸱

14 באוגוסט 2020

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

במאמר זה

סיכום

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.

תקציר

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.

מבוא

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.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

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.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
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

מקורות

  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

Chlorella sorokinianapH
צימוד לכידת פחמן מתחנת כוח עם בריכות מסלול מרוץ פתוחות אוטומטיות למחצה לגידול מיקרו-אצות
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.