天然ガス発電所の煙道ガス中の二酸化炭素を利用して、オープンな軌道上の池で微細藻類を栽培するためのプロトコルが記載されている。煙道ガス注入はpHセンサーで制御され、微細藻類の成長は光学密度のリアルタイム測定で監視されます。
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この記事について
サマリー
要約
米国では、総二酸化炭素(CO2)排出量の35%が電力業界から発生し、そのうち30%が天然ガス発電を表しています。微細藻類は、植物よりも10〜15倍速くCO2をバイオフィックスし、藻類バイオマスをバイオ燃料などの目的の製品に変換することができます。したがって、この研究は、高温の半乾燥気候の米国南西部に位置する天然ガス発電所との微細藻類栽培の潜在的な相乗効果を実証するプロトコルを提示する。最先端の技術は、バイオ燃料にさらに加工することができる緑の藻類種クロレラソロキニアナを介して炭素の回収と利用を強化するために使用されます。半自動化されたオープンレースウェイ池を含むプロトコルを説明し、アリゾナ州ツーソンのツーソン発電所でテストされたときのその性能の結果について議論します。pHを制御するための主な炭素源として排煙を使用し、クロレラソロキニアナを栽培しました。最適化された培地を使用して藻類を増殖させた。時間の関数としてシステムに添加されたCO2の量は、綿密に監視された。さらに、藻類の成長速度、バイオマス生産性、炭素固定に影響を与える他の物理化学的要因(光学濃度、溶存酸素(DO)、電気伝導率(EC)、空気および池の温度など)がモニターされました。この結果は、脂質含有量が24%で、最大0.385g/Lの灰を含まない乾燥重量の微細藻類収量が達成可能であることを示している。CO2排出者と藻類農家との間の相乗的な機会を活用することで、藻類バイオ燃料およびバイオ製品の持続可能な生産を支援しながら、炭素回収を増加させるために必要な資源を提供することができる。
概要
地球温暖化は、現在、世界が直面している最も重要な環境問題の一つです1。研究によると、主な原因は、人間活動による大気中の温室効果ガス(GHG)排出量、主にCO2の増加である2,3,4,5,6,7。米国では、CO2排出量の最大の密度は、主にエネルギー部門、特に発電プラント3、7、8、9における化石燃料の燃焼に由来する。したがって、炭素回収利用(CCU)技術は、GHG排出量2,7,10を削減するための主要な戦略の1つと....
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プロトコル
1.成長システム:屋外オープンレースウェイ池の設定
- 煙道ガス源(8~10%CO2を含む)の近くにオープンな軌道池を設置する。池の原子炉の場所で水と電気が利用可能であり、原子炉が一日の大半を日陰にないことを確認します(図1)。
- 燃焼後プロセスでは、煙道ガスが煙突に入って大気中に排出される数メートル前に、0.95cmの燃料ホースを使用して煙道ガスを捕捉します(図2)。
- スタックとコンプレッサーの間に20 Lのウォータートラップとコンデンサー(コイル長~12 m)を使用して、煙道ガスから水を除去します(図2)。
注:煙道ガスは、通常、約9〜1213.8%の水28を含む。また、凝縮器及びパイプラインは排煙16を冷却する。 - 藻類の成長を監視するために、以下のセンサをデータロガーに接続する:(1)2つの波長(650および750nm)での吸光度を測定し、1.05g / Lの最大藻類細胞濃度を検出できるリアルタイム光学濃度センサ29;(2) DOセンサ;(3)空気および池の熱電対;(4)pHセンサ;(5)ECセンサ。
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結果
私たちの研究室からの以前の実験結果は、半自動化されたオープンレースウェイ池を使用した微細藻類培養が炭素回収プロセスと組み合わせることができることを示しています。これら2つのプロセスの相乗効果をよりよく理解するために(図2)、我々はプロトコルを開発し、暑い半乾燥気候の屋外条件下で緑藻類種 クロレラ・ソロキニアナ を栽培するためにそれを調整しました。天然ガス排煙は、産業用発電所から入手した。このプロトコルは、藻類バイオマスの生産性を評価するために様々な技術を使用しています:(1)リアルタイムの光学密度センサーを使用した藻類の成長(図5)。(2)pHの関数としての培養物への排煙オンオフパルス注入に対する藻類増殖(図6 および 図7);(3)藻類の成長は、温度、溶存酸素、電気伝導度などの環境パラメータと相関しています(図8 および .......
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ディスカッション
本研究では、高温の半乾燥気候において、排煙の炭素回収と微細藻類の培養を相乗的に結合させることが可能であることを実証する。半自動化された軌道池システムの実験プロトコルは、炭素源として煙道ガスを使用する場合に藻類の成長に相関する関連パラメータをリアルタイムで監視するための最先端の技術を統合しています。提案されたプロトコルは、軌道池20、21、36の主な欠点の1つである藻類栽培における不確実性を軽減することを意図している。私たちの経験では、プロトコルの最も重要なステップには、pH制御システムとシステムに接種する効果的な方法が含まれます(図2)。pH制御システムは、煙道ガス/CO2を供給し、CO2の回収と利用の効率を最適化する戦略を表しています(図3)37
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開示事項
著者らは開示するものは何もありません。
謝辞
この作業は、米国エネルギー省DE-EE0006269の地域藻類原料テストベッドプロジェクトを通じて支援されました。また、エステバン・ヒメネス、ジェシカ・ピーブルズ、フランシスコ・アセド、ホセ・シスネロス、RAFTチーム、マーク・マンスフィールド、UA発電所スタッフ、TEP発電所スタッフの協力にも感謝します。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 調整可能な速度モーター(パドルホイールシステム) | リーソン | 174307 | レッスン174307.00、タイプ:SCR電圧;アンペア:10 |
| アルミ重量ボートフィ | ッシャーサイエンティフィック | 08-732-102 | フィッシャーブランドアルミニウム計量皿アン |
| モニウム鉄(III)(NH?)?[Fe(C?H?おっと?)?] | フィッシャーサイエンティフィック | 1185-57-5 | ミディアム製剤。クエン酸アンモニウム鉄(III) |
| リン酸アンモニウム | Sigma-Aldrich | 7722-76-1 | この化学物質は、最適化された媒体 |
| アンピシリンナトリウム塩 | Sigma Aldrich | A9518-5G | この化学物質は、藻類の汚染を回避するために使用されます |
| オートクレーブ | Amerex Instrument Inc | Hirayama HA300MII | |
| Bacto 寒天 | フィッシャー 科学BP1423500 | フィッシャーバイオ試薬粒状寒天 | |
| 漂白剤クロ | ロックス | 殺菌漂白剤、濃縮クロロックス | |
| ホウ酸(H3BO3) | フィッシャーサイエンティフィック | 10043-35-3 | 量元素:ホウ酸 |
| 塩化カルシウム二水和物(CaCl2 * 2H2O) | シグマアルドリッチ | 10035-04-8 | 中程度の調製。塩化カルシウム二水和物 |
| Carboys (20 L) | Nalgene - Thermo Fisher Scientific | 2250-0050PK | ポリプロピレン カーボーイ ハンドル付き |
| 遠心分離機 | Beckman Coulter, Inc | J2-21 | |
| クロロホルム | Sigma-Aldrich | 67-66-3 | この化学物質は脂質抽出に使用されます |
| Citraplex 20% 鉄 | ラブランド製品 | SDS No. 1000595582 -17-LPI | https://www.fbn.com/direct/product/Citraplex-20-Iron#product_info |
| 硝酸コバルト (II) 硝酸ヘキサハイドレート (Co(NO3)2*6H2O) | Sigma-Aldrich | 10026-22-9 | 微量元素: コバルト (II) 硝酸ヘキサハイドレート |
| コンプレッサー | マキタ | MAC700 | この装置は、注入 CO2 システム |
| コントロール バルブ | シエラ インスツルメンツ | SmartTrak 100 | に使用されますこのアイテムは、アプリケーションに合わせてカスタマイズする必要があります。私たちの場合、5%のCO2と95%の空気混合物を使用しました。 |
| 銅 (II) 硫酸塩五水和物 (CuSO4*5H2O) | Sigma-Aldrich | 7758-99-8 | 微量元素: 銅 (II) 硫酸塩五水和物 |
| データロガー: キャンベルユニット CR3000 | 科学キャンベル | CR3000 | この装置は、すべてのシステムを制御し、モーター駆動とデータを記録するために使用されます |
| 溶解酸素溶液 | キャンベル科学 | 14055 | 溶存酸素電解質溶液 DO6002 - ロット番号。 |
| 211085溶存酸素プローブ | Sensorex | ? | DO6400/T デジタル通信付き溶存酸素センサー |
| 電気伝導性校正液 | Ricca Chemical Company | 2245 - 32 ( R2245000-1A ) | 導電率標準、25C で 5000 uS/cm (NaCl として 2620 ppm TDS) |
| 電気伝導性プローブ センサー | Hanna Instruments | HI3003/D | フロースルー 導電率プローブ - NTC センサー、DIN コネクタ、3m ケーブル |
| エチレンジアミン四酢酸二ナトリウム塩二水和物 (Na2EDTA*2H2O) | Sigma-Aldrich | 6381-92-6 | 媒体の準備:エチレンジアミン四酢酸二ナトリウム塩二水和物 |
| フィルター | フィッシャーサイエンティフィック | 09-874-48 | Whatmanバインダーフリーガラスマイクロファイバーフィルター |
| フラスコフィ | ッシャーサイエンティフィック | 09-552-40 | レックスフェルンバッハフラスコ |
| 炉 | Hogentogler | モデル:F6020C-80 | サーモシセンチフィックサーモリンF6020C-80マッフル炉 |
| ガラスデシケーター | VWR International LLC | 75871-430 | タイプ 150、直径 140 mm |
| ガラス漏斗 | フィッシャー サイエンティフィック | FB6005865 | フィッシャーブランド 再利用可能なガラス ロングステム漏斗 |
| 層流フード | フィッシャー ハミルトン | セーフエア フィッシャー ハミルトン ステンレス セーフエア ヒュームフード | |
| 硫酸塩七水和物 | |||
| メタノール | Sigma-Aldrich | 67-56-1 | 脂質抽出溶媒 |
| マイクロバブルディフューザー | ペンテア 水生生態系 | 1PMBD075 | この装置は、注入CO2システムに使用されます |
| 微細藻類:クロレラ Sorokiniana | NAABB | DOE 1412 | |
| マイクロオスコープ | カールツァイス 4291097 | ||
| マイクロ波アシスタント抽出 | MARS, CEM Corportation | CEM Mars 5 Xtraction 230/60 マイクロ波加速反応システム。モデル: 907601 | |
| MnCl2*4H2O | Sigma-Aldrich | 13446-34-9 | 塩化マンガン(II) 四水和物 |
| 迫撃砲 | フィッシャーサイエンティフィック | FB961B | フィッシャーブランドの磁器迫撃砲 |
| 窒素蒸発器 | オルガノメーション | N-EVAP 112 窒素蒸発器 (OA-SYS 暖房システム) | |
| オーブン | VWR インターナショナル LLC | 89511-410 | 強制空気オーブン |
| パドルホイール | 8ブレード水平軸プロペラ。これは通常、パドルホイールリアクターの一部として提供されます。 | ||
| パドルホイール | モーターLeeson | M1135042.00 | Leeson、モデル:CM34025Nz10C; 1/4 HP;ボルト90;FR 34;62回転。 |
| 乳棒 | フィッシャーサイエンティフィック | FB961M | フィッシャーブランドの磁器乳棒 |
| pH および EC トランスミッタ | ハンナインスツルメンツ | HI98143 | ハンナインスツルメンツ HI98143-04 pH および EC トランスミッター、ガルバニック絶縁 0-4V。 |
| pH校正ソリューション | フィッシャーサイエンティフィック | 13-643-003 | サーモサイエンティフィックオリオン pH緩衝液ボトル |
| pHプローブセンサー | ハンナインスツルメンツ | HI1006-2005 | ハンナインスツルメンツ HI1006-2005 テフロン pH 電極、マッチングピン 5m。 |
| ピペットチップ | フィッシャーサイエンティフィック | 1111-2821 | 1000 ul TipOne ラックの青いチップ |
| ピペットフィ | ッシャーサイエンティフィック | 13-690-032 | エッペンドルフ研究プラス 可変容量 ピペット: シングルチャンネル |
| プラスチックキュベット | フィッシャーサイエンティフィ | 14377017 | BrandTech ブランドプラスチックキュベット |
| プレート | フィッシャーサイエンティフィ | 08-757-100D | Corning Falcon Bacteriological Petri Dishes with Lid |
| Potash | この化学物質は、最適な培地調製に使用されます。それは肥料の地元企業で購入されました | ||
| リン酸二塩基性カリウム (K2HPO4) | シグマ-アルドリッチ | 7758 -11 - 4 | 中 準備: リン酸カリウム二塩基性 |
| Pyrex 再利用可能な 媒体 収納ボトル | フィッシャー科学 | 06-414-2A | 1 L および 2 L bottels - PYREX GL45 プラグシール付きスクリューキャップ |
| レースウェイ池 | 同様の機器はで購入できますhttps://microbioengineering.com/products | ||
| リアルタイム光学密度センサー | アリゾナ | この機器は、 | |
| RS232 ケーブル | Sabrent Sabrent | USB 2.0 からシリアル (9 ピン) DB-9 RS-232 コンバーター ケーブル、多作チップセット、Hexnuts、[Windows 10/8.1/8/7/VISTA/XP、Mac OS X 10.6 以上] 2.5 フィート (CB-DB9P) | |
| シェーカー テーブル | のメンバーによって設計および構築されました。藻類の攪拌 150 rpm | ||
| 炭酸ナトリウム (Na2CO3) | Sigma-Aldrich | 497-19-8 | 炭酸ナトリウム |
| モリブデン酸ナトリウム二水和物 (Na2MoO4*2H2O) | Sigma-Aldrich | 10102-40-6 | 中 調製:モリブデン酸ナトリウム二水和物 |
| 硝酸ナトリウム (NaNO3) | Sigma-Aldrich | 7631-99-4 | 中 調製:硝酸ナトリウム |
| 分光光度計 | フィッシャー・サイエンティフィック会社 | 14-385-400 | Thermo Fisher Scientific - 10S UV-Vis GENESTYS 分光光度計円筒形ロングパスセルホルダー、内部リファレンスデクテクター、キセノンフラッシュランプ、デュアルシリコンフォトダイオード、240V、50〜60Hzが自動的に選択されます。 |
| 試験管フィ | ッシャーサイエンティフィ | 14-961-27 | プレーンエンド付きフィッシャーブランド使い捨てホウケイ酸ガラス管(10 ml) |
| 熱電対タイプK | オメガ | KMQXL-125G-6 | |
| 素 | シグマ-アルドリッチ | 2067-80-3 | 尿素 |
| 真空ろ過システム | フィッシャーサイエンティフィックXX1514700 | MilliporeSigmaガラス製真空フィルターホルダー、47 mm。システムには以下が含まれます:すりガラスフラスコアタッチメント、粗いフリットガラスフィルターサポート、フラスコ | |
| 真空ポンプ | グレインジャー | マラソン電動ACモーター熱保護G588DX-MOD5KH36KNA510X。HPの1/4。RPM 1725/1425 | |
| 亜鉛七水和物(ZnSO4 * 7H2O) | Sigma-Aldrich | 7446-20-0 | 硫酸亜鉛七水和物 |
参考文献
- The Intergovernmental Panel on Climate Change. , Available from: https://www.ipcc.ch/ (2018).
- 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).
- L....
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