천연 가스 발전소 연도 가스의 이산화탄소를 활용하여 열린 경마장 연못에서 미세 조류를 재배하는 프로토콜이 설명되어 있습니다. 연도 가스 주입은 pH 센서로 제어되며, 미세조류 성장은 광학 밀도의 실시간 측정으로 모니터링됩니다.
이 콘텐츠를 보려면 JoVE 구독이 필요합니다. 로그인하거나 오늘 무료 평가판을 시작하세요.
천연 가스 발전소 연도 가스의 이산화탄소를 활용하여 열린 경마장 연못에서 미세 조류를 재배하는 프로토콜이 설명되어 있습니다. 연도 가스 주입은 pH 센서로 제어되며, 미세조류 성장은 광학 밀도의 실시간 측정으로 모니터링됩니다.
미국에서는 총 이산화탄소 (CO2) 배출량의 35 %가 전력 산업에서 발생하며 그 중 30 %는 천연 가스 전기 생산을 나타냅니다. 미세조류는 식물보다CO2를 10 내지 15배 빠르게 바이오픽싱하고 조류 바이오매스를 바이오연료와 같은 관심있는 제품으로 전환시킬 수 있다. 따라서이 연구는 뜨거운 반 건조한 기후에서 미국 남서부에 위치한 천연 가스 발전소와의 미세 조류 재배의 잠재적 인 시너지 효과를 보여주는 프로토콜을 제시합니다. 최첨단 기술은 녹색 조류 종 클로렐라 소로키니아나를 통해 탄소 포집 및 활용을 향상시키는 데 사용되며, 이는 바이오 연료로 추가 처리 될 수 있습니다. 우리는 반자동 개방형 경마장 연못과 관련된 프로토콜을 설명하고 애리조나 주 투손에있는 Tucson Electric Power 발전소에서 테스트 할 때의 성능 결과에 대해 논의합니다. 연도 가스는 pH를 조절하기 위한 주요 탄소원으로 사용되었고, 클로렐라 소로키니아나는 재배되었다. 조류를 성장시키기 위해 최적화된 배지를 사용하였다. 시간의 함수로서 시스템에 첨가된CO2의 양을 면밀히 모니터링하였다. 또한 조류 성장 속도, 바이오 매스 생산성 및 탄소 고정에 영향을 미치는 다른 물리 화학적 요인을 모니터링하여 광학 밀도, 용존 산소 (DO), 전기 전도도 (EC) 및 공기 및 연못 온도를 모니터링했습니다. 결과는 최대 0.385 g/L 무회분 건조 중량의 미세조류 수율이 달성가능하며, 지질 함량은 24%임을 나타냅니다. CO2 배출국과 조류 농가 간의 시너지 효과를 활용하면 조류 바이오 연료 및 바이오 제품의 지속 가능한 생산을 지원하면서 탄소 포획을 증가시키는 데 필요한 자원을 제공 할 수 있습니다.
지구 온난화는 오늘날 세계가 직면하고있는 가장 중요한 환경 문제 중 하나입니다1. 연구에 따르면 주요 원인은 인간 활동 2,3,4,5,6,7로 인해 대기 중 온실 가스 (GHG) 배출량의 증가, 주로CO2입니다. 미국에서CO2 배출량의 가장 큰 밀도는 주로 에너지 부문, 특히 전력 발전소 3,7,8,9의 화석 연료 연소에서 비롯됩니다. 따라서 탄소 포집 및 활용 (CCU) 기술은 온실 가스 배출량 2,7,10을 줄이기위한 주요 전략 중 하나로 부상했습니다. 여기에는 햇빛을 활용하여 광합성을 통해CO2와 물을 영양소가있는 상태에서 바이오 매스로 변환하는 생물학적 시스템이 포함됩니다. 미세조류의 사용은 빠른 성장 속도, 높은CO2 고정능력 및 높은 생산 능력으로 인해 제안되었다. 추가적으로, 미세조류는 바이오매스가 화석 연료 7,9,10,11,12를 대체할 수 있는 바이오 연료와 같은 관심 있는 제품으로 전환될 수 있기 때문에 광범위한 바이오에너지 잠재력을 갖는다.
미세조류는 개방된 경마장 연못 및 폐쇄된 광생물반응기(13,14,15,16,17,18,19)를 포함하는 다양한 재배 시스템 또는 반응기에서 성장하고 생물학적 전환을 달성할 수 있다. 연구자들은 실내 또는 실외 조건 하에서 두 재배 시스템 모두에서 생물 공정의 성공을 결정하는 장점과 한계를 연구했습니다 5,6,16,20,21,22,23,24,25 . 개방 경마장 연못은 연도 가스가 스택에서 직접 분배 될 수있는 상황에서 탄소 포집 및 활용을위한 가장 일반적인 재배 시스템입니다. 이러한 유형의 재배 시스템은 상대적으로 저렴하고 확장이 쉽고 에너지 비용이 저렴하며 혼합에 대한 에너지 요구 사항이 낮습니다. 또한 이러한 시스템을 발전소와 쉽게 공동 배치하여 CCU 프로세스를 보다 효율적으로 만들 수 있습니다. 그러나,CO2 가스/액체 질량 전달의 한계와 같이 고려될 필요가 있는 몇 가지 결점이 있다. 한계가 있지만, 개방 경마장 연못은 옥외 미세조류 바이오 연료 생산 5,9,11,16,20에 가장 적합한 시스템으로 제안되었습니다.
이 기사에서는 천연 가스 발전소의 연도 가스에서 탄소 포획을 결합한 열린 경마장 연못에서 미세조류 재배 방법을 자세히 설명합니다. 이 방법은 배양 pH에 기초하여 연도 가스 주입을 제어하는 반자동 시스템으로 구성된다; 이 시스템은 광학 밀도, 용존 산소(DO), 전기전도도(EC), 공기 및 연못 온도 센서를 사용하여 클로렐라 소로키니아나 배양 상태를 실시간으로 모니터링하고 기록합니다. 조류 바이오매스와 연도 가스 주입 데이터는 Tucson Electric Power 시설에서 10분마다 데이터 로거에 의해 수집됩니다. 조류 균주 유지 보수, 스케일 업, 품질 관리 측정 및 바이오 매스 특성화 (예 : 광학 밀도, g / L 및 지질 함량 간의 상관 관계)는 애리조나 대학의 실험실 환경에서 수행됩니다. 이전의 프로토콜은 컴퓨터 시뮬레이션(26)을 통해 광생물반응기에서 미세조류 성장을 촉진하기 위해 연도 가스 설정을 최적화하는 방법을 개략적으로 설명했다. 여기에 제시된 프로토콜은 개방 된 경마장 연못을 활용하고 생산 된 연도 가스를 직접 사용하기 위해 천연 가스 발전소에서 현장에서 구현되도록 설계되었다는 점에서 독특합니다. 또한 실시간 광학 밀도 측정은 프로토콜의 일부입니다. 설명된 바와 같은 시스템은 낮은 강수량, 해마다 강수량의 상당한 변동성, 낮은 상대 습도, 높은 증발 속도, 맑은 하늘 및 강렬한 태양 복사(27)를 나타내는 뜨거운 반건조 기후(Köppen BSh)에 최적화되어 있다.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
1. 성장 체계: 옥외 열린 경마장 연못 조정
2. pH 제어 시스템
3. 조류 선택 및 변형 유지 보수 (빛과 온도)
참고: 녹조류 클로렐라 소로키니아나 DOE 1412는 Juergen Polle (Brooklyn College)30,31에 의해 분리되었고 NAABB(National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproducts)에 의해 선택되었다. 그것의 선택은 Huesemann et al.32,33에 의해 수행된 이전의 균주 특성화 연구에 기초하였다. 야외 오픈 레이스웨이 연못을 사용할 때 남서부 지역의 조류 스크리닝, 바이오 매스 생산성 및 기후 시뮬레이션 배양 (예 : 온도 및 빛)에 관한 연구는이 프로젝트에 사용 된 방법을 알렸다.
4. 스케일 업 및 품질 관리
5. 열린 연못 재배를위한 집중 된 중간 준비
6. 옥외 열린 경마장 연못 접종
7. 생성 스테이션에서의 배치 성장 실험
8. 개별 샘플링 및 모니터링
9. 조류 수확 및 작물 회전
10. 데이터 관리
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
우리 실험실의 이전 실험 결과는 반자동 개방 경마장 연못을 사용하는 미세 조류 재배가 탄소 포집 과정과 결합 될 수 있음을 나타냅니다. 이 두 공정 사이의 시너지 효과를 더 잘 이해하기 위해 (그림 2), 우리는 프로토콜을 개발하고 뜨거운 반 건조 기후의 옥외 조건에서 녹색 조류 종 클로렐라 소로키 니아나를 재배하기 위해 조정했습니다. 천연가스 연도가스는 산업 발전 스테이션으로부터 얻어졌다. 이 프로토콜은 조류 바이오매스 생산성을 평가하기 위해 다양한 기술을 사용합니다: (1) 실시간 광학 밀도 센서를 이용한 조류 성장(그림 5); (2) pH의 함수로서 배양물 내로의 연도 가스 온오프 펄스 주입에 대하여 조류 성장(도 6 및 도 7); (3) 조류 성장 온도, 용존 산소 및 전기 전도도와 같은 환경 ...
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
이 연구에서, 우리는 더운 반 건조 기후에서 연도 가스 탄소 포집과 미세 조류 재배가 시너지 효과를 발휘하여 가능하다는 것을 입증합니다. 반자동 경마장 연못 시스템을 위한 실험 프로토콜은 최첨단 기술을 통합하여 연도 가스를 탄소원으로 사용할 때 조류 성장과 관련된 관련 파라미터를 실시간으로 모니터링합니다. 제안 된 프로토콜은 경주로 연못 20,21,36의 주요 단점 중 하나 인 조류 재배의 불확실성을 줄이기위한 것입니다. 우리의 경험에 비추어 볼 때, 프로토콜의 가장 중요한 단계는 pH 제어 시스템과 시스템을 접종하는 효과적인 방법입니다 (그림 2). pH 제어 시스템은 연도 가스/CO2를 제공하며CO2 포집 및 활용에서 효율성을 최적화하기 위한 전략을 나타냅니다(
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
저자는 공개 할 것이 없습니다.
이 작업은 지역 조류 공급 원료 테스트베드 프로젝트, 미국 에너지부 DE-EE0006269를 통해 지원되었습니다. 또한 Esteban Jimenez, Jessica Peebles, Francisco Acedo, Jose Cisneros, RAFT Team, Mark Mansfield, UA 발전소 직원 및 TEP 발전소 직원에게 모든 도움을 주신 것에 감사드립니다.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 가변 속도 모터 (패들 휠 시스템) | Leeson | 174307 | Lesson 174307.00, 유형 : SCR Voltage; 암페어 : 10 |
| 알루미늄 웨이트 보트 | Fisher Scientific | 08-732-102 | Fisherbrand 알루미늄 계량 접시 |
| 암모늄 철 (III) (NH?)? [Fe(C?H? O?)?] | Fisher Scientific | 1185 - 57 - 5 | 배지 제제. 암모늄 철 (III) 구연산 |
| 암모늄 인산 | 시그마 - 알드리치 | 7722-76-1 | 이 화학 물질은 최적화 된 매체 |
| 암피실린 나트륨 염 | 시그마 알드리치 | A9518-5G | 이 화학 물질은 조류 오염을 방지하는 데 사용됩니다 |
| 오토 클레이브 | Amerex Instrument Inc | Hirayama | |
| HA300MII Bacto 한천 | Fisher Scientific | BP1423500 | Fisher BioReagents 과립 한천 |
| 표백제 | Clorox | 살균 표백제, 농축 clorox | |
| 붕산 (H3BO3) | Fisher Scientific | 10043-35-3 | Trace Elelements : 붕산 |
| 염화칼슘 이수화물 (CaCl2 * 2H2O) | Sigma-Aldrich | 10035-04-8 | 배지 준비. Calcium chloride dihydrate |
| Carboys (20 L) | Nalgene - Thermo Fisher Scientific | 2250-0050PK | 폴리프로필렌 Carboy w/Handles |
| 원심분리기 | Beckman Coulter, Inc | J2-21 | |
| 클로로포름 | Sigma-Aldrich | 67-66-3 | 이 화학물질은 지질 추출에 사용됩니다 |
| Citraplex 20% Iron | Loveland Products | SDS No. 1000595582 -17-LPI | https://www.fbn.com/direct/product/Citraplex-20-Iron#product_info |
| 코발트 (II) 질산 육수화물 (Co (NO3) 2 * 6H2O) | Sigma-Aldrich | 10026-22-9 | 미량 원소 : 코발트 (II) 질산 육수화물 |
| 압축기 | Makita | MAC700 | 이 장비는 분사 CO2 시스템 |
| 제어 밸브 | Sierra Instruments | SmartTrak 100 | 에 사용됩니다.이 항목은 응용 프로그램에 맞게 사용자 정의해야 합니다. 우리의 경우 5% CO2와 95% 공기 혼합물을 사용했습니다. |
| 구리 (II) 황산염 수화물 (CuSO4 * 5H2O) | 시그마 - 알드리치 | 7758-99-8 | 미량 원소 : 구리 (II) 황산염 수화물 |
| 데이터 로거 : 캠벨 유닛 CR3000 | Scientific Campbell | CR3000 | 이 장비는 모든 시스템을 제어하고 모터를 구동하고 데이터를 기록하는 데 사용됩니다 |
| Dissolvde Oxygen Solution | Campbell Scientific | 14055 | 용존 산소 전해질 용액 DO6002 - Lot No. |
| 211085 용존 산소 프로브 | Sensorex | ? | DO6400/T 디지털 통신 기능이 있는 용존 산소 센서 |
| 전기 전도도 교정 용액 | Ricca Chemical Company | 2245 - 32 ( R2245000-1A ) | 전도도 표준, 25C에서 5000 uS/cm (NaCl로 2620 ppm TDS) |
| 전기 전도도 프로브 센서 | Hanna Instruments | HI3003/D | 플로우 스루 전도도 프로브 - NTC 센서, DIN 커넥터, 3m 케이블 |
| 에틸렌디아민테트라아세트산 이나트륨 염 이수화물(Na2EDTA*2H2O) | Sigma-Aldrich | 6381-92-6 | 매체 준비: 에틸렌디아민테트라아세트산 디소듐 염 이수화물 |
| 필터 | Fisher Scientific | 09-874-48 | Whatman 바인더 프리 유리 극세사 필터 |
| 플라스크 | Fisher Scientific | 09-552-40 | Pyrex Fernbach 플라스크 |
| 용광로 | Hogentogler | 모델: F6020C-80 | Thermo Sicentific Thermolyne F6020C - 80 머플로 |
| 유리 건조제 | VWR International LLC | 75871-430 | 유형 150, 직경 140mm |
| 유리 깔때기 | Fisher Scientific | FB6005865 | Fisherbrand 재사용 가능한 유리 긴 줄기 깔때기 |
| 층류 후드 | Fisher Hamilton Safeair | Fisher Hamilton 스테인리스 Safeair 흄 후드 | |
| 산 마그네슘 헵타하이드레이트 (MgSO4*7H2O) | Fisher Scientific | 10034 - 99 - 8 | 배지 제제: 마그네슘 황산염 헵타 하이드레이트 |
| 메탄올 | 시그마 알드리치 | 67-56-1 | 지질 추출 용매 |
| 마이크로 버블 디퓨저 | Pentair 수생 생태계 | 1PMBD075 | 이 장비는 주입 CO2 시스템에 사용됩니다 |
| Microalgae : Chlorella Sorokiniana | NAABB | DOE 1412 | |
| Microoscope | Carl Zeiss 4291097 | ||
| Microwave assistant 추출 | 화성, CEM Corportation, | CEM 화성 5 Xtraction 230/60 마이크로파 가속 반응 시스템. 모델: 907601 | |
| MnCl2*4H2O | Sigma-Aldrich | 13446-34-9 | 염화 망간(II) 사수화물 |
| 모르타르 | Fisher Scientific | FB961B | Fisherbrand 도자기 모르타르 |
| 질소 증발기 | 유기 N-EVAP | 112 질소 증발기(OA-SYS 난방 시스템) | |
| 오븐 | VWR International LLC | 89511-410 | 강제 공기 오븐 |
| 패들 휠 | 8날 수평 축 프로펠러. 이것은 일반적으로 외륜 반응기의 일부로 제공됩니다. | ||
| 패들 휠 모터 | Leeson | M1135042.00 | Leeson, 모델: CM34025Nz10C; 1/4 HP; 볼트 90; 신 34; 62 분당 회전수. |
| Pestles | Fisher Scientific | FB961M | Fisherbrand 도자기 유봉 |
| pH 및 EC 송신기 | Hanna Instruments | HI98143 | Hanna Instruments HI98143-04 pH 및 EC 송신기(갈바닉 절연 0-4V 포함). |
| pH 보정 솔루션 | : Fisher Scientific | 13-643-003 | Thermo Scientific Orion pH 버퍼 병, |
| pH 프로브 센서 | , Hanna Instruments | HI1006-2005 | Hanna Instruments HI1006-2005 테프론 pH 전극(일치하는 핀 포함), 5m. |
| 피펫 팁 | Fisher Scientific | 1111-2821 | 1000 ul TipOne 랙 내 파란색 눈금 팁 |
| Pippetter | Fisher Scientific | 13-690-032 | Eppendorf Reserch plus 가변 조절 가능 볼륨 피펫: 단일 채널 |
| 플라스틱 큐벳 | Fisher scientific | 14377017 | BrandTech 브랜드 플라스틱 큐벳 |
| 플레이트 | Fisher scientific | 08-757-100D | Corning Falcon 뚜껑이 있는 세균 페트리 접시 |
| 칼륨 | 이 화학 물질은 최적화된 배지 준비에 사용됩니다. 그것은 비료 지역 회사에서 구입했습니다 | ||
| 인산 칼륨 이염기성 (K2HPO4) | Sigma-Aldrich | 7758 -11 - 4 | 매체 준비 : 인산 칼륨 이염기 |
| Pyrex 재사용 가능한 미디어 저장 병 | Fisher scientific | 06-414-2A | 1 L 및 2 L bottels - PYREX GL45 스크류 캡 (플러그 씰 포함 |
| Raceway Pond | 유사한 장비는 다음에서 구입할 수 있습니다. https://microbioengineering.com/products | ||
| 실시간 광학 밀도 센서 | 애리조나 | 이 장비는 | |
| RS232 케이블 | 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 | 조류 교반 150rpm | ||
| 탄산나트륨(Na2CO3) | 시그마-알드리치 | 497-19-8 | 탄산나트륨 |
| 몰리브덴산나트륨 이수화물(Na2MoO4*2H2O) | 시그마-알드리치 | 10102-40-6 | 매체 준비: 몰리브덴산나트륨 |
| 질산나트륨(NaNO3) | 시그마-알드리치 | 7631-99-4 | 매체 준비: 질산나트륨 |
| 분광 광도계 | Fisher Scientific Company | 14-385-400 | Thermo Fisher Scientific - 10S UV-Vis GENESTYS 분광광도계 원통형 장경로 셀 홀더; 내부 기준 감지기, 제논 플래시 램프; 이중 실리콘 포토다이오드; 240V, 50 to 60Hz 자동 선택. |
| 시험관 | Fisher Scientific | 14-961-27 | Fisherbrand 일회용 붕규산 유리관(일반 끝단 포함)(10ml) |
| 열전대 K 형 | 오메가 | KMQXL-125G-6 | |
| 요소 | Sigma-Aldrich | 2067-80-3 | 요소 |
| 진공 여과 시스템 | Fisher Scientific | XX1514700 | MilliporeSigma 유리 진공 필터 홀더, 47mm. 이 시스템에는 접지 유리 플라스크 부착물, 거친 유리 필터 지지대 및 플라스크 |
| 진공 펌프 | Grainger | Marathon 전기 AC 모터 열 보호 G588DX - MOD 5KH36KNA510X가 포함됩니다. 체력 1/4. RPM 1725/1425 | |
| 황산 아연 헵타 하이드레이트 (ZnSO4 * 7H2O) | 시그마 - 알드리치 | 7446-20-0 | 황산 아연 헵타 하이드레이트 |
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.