Koppeling van koolstofafvang uit een energiecentrale met semi-geautomatiseerde open racewayvijvers voor de teelt van microalgen
August 14th, 2020
Er wordt een protocol beschreven om de koolstofdioxide in het rookgas van aardgascentrales te gebruiken om microalgen te cultiveren in open raceway-vijvers. Rookgasinjectie wordt geregeld met een pH-sensor en de groei van microalgen wordt gemonitord met realtime metingen van de optische dichtheid.
Dit semi-automatische raceway-cultuursysteem, gecontroleerd door een pH-sensor, kan direct rookgas van energiecentrales voor microalgencultivatie vastleggen en kan de groei van microalgen met realtime metingen bewaken. Het reactorsysteem maakt de directe vastlegging en het gebruik van koolstof uit industrieel rookgas mogelijk om microalgen te laten groeien in ter plaatse semi-geautomatiseerde open vijverracewaysystemen. Het systeem kan worden gebruikt om alternatieve algensoorten te cultiveren en om koolstof uit elke elektriciteitscentrale te vangen.
Om een open raceway vijver op te zetten, bevestigt u een brandstofslang van 0,95 centimeter om het rookgas tijdens het naverbrandingsproces op te vangen, een paar meter voordat het rookgas de schoorsteen binnenkomt om in de atmosfeer te worden afgevoerd. Plaats een 20 liter waterval en een ongeveer 12 meter lange condensor tussen de schoorsteen en de compressor om water uit het rookgas te verwijderen. Om de algengroei te bewaken, sluit u een real-time optische dichtheidssensor aan die de absorptie bij 650 en 750 nanometer meet, een opgeloste zuurstofsensor, lucht- en vijverthermokoppels, een pH-sensor en een elektroconductiviteitssensor aan op een datalogger.
Om een pH-controlesysteem in te stellen, verbindt u een compressor en regelklepsysteem met het dataloggerprogramma om de rookgasinjectie te beheren en gebruikt u een buis om het rookgas van de regelklep door een steendiffusor naar de bodem van de raceway-vijver te leiden, stel het systeem dan in om rookgas te injecteren wanneer de pH-waarde groter was dan 8,05 en om de rookgasinjectie te stoppen wanneer de pH minder dan acht is. Om een algencultuursysteem op te zetten, stelt u de kweekruimte in op 25 graden Celsius in een cyclus van 12 uur licht, 12 uur donker en gebruikt u gedeïoniseerd water, zouten en macro- en micronutriënten om BG-11-kweekmedium te bereiden. Gebruik een steriele lus om een enkele algenkolonie van de kweekplaat te selecteren en inoculeer de algen in een buis van 50 milliliter die steriele groeimedium bevat in een schone bioveiligheidscabinet.
Laat de kleine vloeibare cultuur een week lang groeien op een schudtafel bij 120 omwentelingen per minuut. Aan het einde van de incubatie, brengt u het hele volume van de algencultuur over in 500 milliliter vloeibare cultuur in een fles van een liter en sluit u de fles af met een rubberen stop die is voorzien van roestvrijstalen buis om beluchting te bieden. Filter de lucht met 0,20 micron luchtsterilisatiefilters en laat de cultuur nog een tot twee weken groeien met behulp van een spectrofotometer om de celdichtheid dagelijks te controleren.
Aan het einde van de kweekperiode, voegt u 500 milliliter van de vloeibare algencultuur toe aan acht liter niet-steriele kweekmedium in een carboy van 10 liter en injecteert u een mengsel van 5% koolstofdioxide en 95% lucht in de carboy. Bewaak de stamplaat en vloeibare culturen onder een lichtmicroscoop bij 10 en 40X vergroting eenmaal per week om de groei van de belangrijke stam te garanderen. Om een open raceway vijver buiten met algen te inoculeren, reinig eerst de reactor gedurende de nacht grondig met 30% bleekmiddel.
Spoel de reactor de volgende ochtend totdat al het bleekmiddel is verwijderd en kalibreer alle sensoren volgens hun bijbehorende kalibratieprocedures. Vul de raceway vijver tot 80% met water om het geconcentreerde medium te verdunnen en inoculeer de vijver met de carboy van 10 liter met algencultuur. Breng de vijver naar zijn eindvolume en schaduw de raceway vijver gedurende ongeveer drie dagen gedeeltelijk met houten pallets als aanpassingsstrategie om foto-inhibitie te voorkomen om de microalgen te laten acclimatiseren aan het kweeksysteem.
Voer een batchgroei-experiment uit door eventuele dagelijkse variaties te inspecteren en te registreren, inclusief waterverdamping, de functionaliteit van de roeiwielomotor en de sensoren, of iets anders dat ongewoon is. Laat de compressor en waterval dagelijks leeglopen en inspecteer ze om de verwijdering van overtollig water mogelijk te maken en om rookgascorrosie te minimaliseren. Configureer de datalogger om elke sensormeting elke 10 seconden te scannen en om de gemiddelde sensor- en lucht- en reactortemperatuurgegevens elke 10 minuten op te slaan.
Zorg ervoor dat het waterniveau constant blijft op het eindvolume van de reactor om de optische dichtheidsmeting niet te beïnvloeden. Nadat het water in de reactor is aangevuld, verzamelt u een algenbiomassamonster met behulp van een fles van 250 milliliter. Meet de optische dichtheid in de spectrofotometer.
Controleer drie keer per week de kwaliteit van de algencultuur door middel van lichtmicroscopie. Wanneer een cultuur dicht bij het bereiken van de stationaire fase is, oogst u 75% van het totale algencultuurvolume en gebruikt u twee tot vijf liter van de kweeksuspensie om biomassaproductiviteitsanalyse in het laboratorium uit te voeren, en verwerk en converteer vervolgens de rest van de algen in de gewenste algenproducten. Hier kan een vergelijking tussen de sensor- en laboratoriummetingen worden waargenomen.
Beide kweekmethoden vertonen vergelijkbare trends met gegevens die toenemen als functie van de tijd. De optische dichtheidswaarden nemen overdag toe, maar nemen 's nachts af tijdens de ademhaling, wat wijst op een verandering in biomassaproductiviteit, dus de integratie van een real-time optische dichtheidssensor maakt het mogelijk om effectieve beheerbeslissingen te nemen over het algehele algenproductiesysteem. In deze analyse werd rookgas geïnjecteerd vanaf ongeveer 8:00 uur
tot 18:00 uur, maar werd niet geïnjecteerd tussen 18:00 uur en 8:00 uur.
Deze dag/nachtcyclus weerspiegelt de blootstelling aan daglichtzonlicht en het gebrek aan licht 's nachts, en bijgevolg de activering van fotosynthese of fotorespiratie. Zoals geïllustreerd in deze figuur, naarmate de groeisnelheid van de algen toeneemt, is meer rookgas vereist, wat bevestigt dat het aan/uit-rookgaspulsinjectiesysteem effectief is bij het faciliteren van koolstofopname en -gebruik door micro
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Dit protocol beschrijft een semi-automatisch systeem voor het kweken van microalgen met behulp van kooldioxide dat is gevangen uit rookgas in aardgascentrales. Het systeem maakt gebruik van een pH-sensor voor het regelen van de rookgasinjectie en bewaakt de groei van microalgen door middel van real-time metingen van optische dichtheid.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Kweken van microalgen
- Koolstofopvangtechnologie
- Omgevingsbiotechnologie
Achtergrond
- Microalgen kunnen worden gekweekt met kooldioxide uit industriële emissies.
- Rookgas van energiecentrales is een potentiële koolstofbron voor algengroei.
- Real-time monitoring van algengroei is cruciaal voor het optimaliseren van de teelt.
- Open bassins zijn een kosteneffectieve methode voor grootschalige microalgenproductie.
Doel van het onderzoek
- Om een systeem te ontwikkelen dat rookgas voor microalgencultivatie vangt.
- Om de groei van microalgen real-time te bewaken.
- Om het potentieel van het gebruik van verschillende algensoorten voor koolstofopvang te verkennen.
Gebruikte methoden
- Installatie van een brandstofslang om rookgas te vangen voordat het in de atmosfeer wordt vrijgelaten.
- Gebruik van een waterval en condensor om vocht uit het rookgas te verwijderen.
- Verbinding van meerdere sensoren (optische dichtheid, opgelost zuurstof, temperatuur, pH, elektrogeleiding) met een datalogger.
- Real-time monitoring van algengroei door middel van optische dichtheidsmetingen bij specifieke golflengtes.
Belangrijkste resultaten
- Het systeem vangt effectief koolstof uit rookgas voor microalgengroei.
- Real-time monitoring maakt nauwkeurige controle van de teeltcondities mogelijk.
- Mogelijkheid om verschillende algensoorten te kweken is aangetoond.
- Het systeem toont belofte voor het verminderen van industriële koolstofemissies.
Conclusies
- Het ontwikkelde systeem is een haalbare methode voor het gebruik van rookgas in microalgencultivatie.
- Real-time monitoring verbetert de efficiëntie van algengroei.
- Deze aanpak draagt bij aan koolstofopvang en duurzame biobrandstofproductie.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
This protocol enables direct utilization of industrial flue gas as a carbon source for microalgae cultivation, offering a pathway to reduce emissions from power generation while producing renewable biomass. By integrating real-time monitoring with pH-controlled gas delivery, the system supports scalable, reproducible algal production in open raceway ponds. The approach aligns with carbon capture and utilization (CCU) strategies relevant to sustainable bioproduct development in energy-intensive industries.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables functional validation of algal strains under industrially relevant CO2 conditions to assess carbon fixation capacity.
- Operational Value: Provides a controlled environment for screening strain performance under fluctuating pH and gas input dynamics.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, real-time biomass data via optical density and dissolved oxygen sensors for assay standardization.
- Operational Value: Supports development of reproducible growth curves under semi-automated, sensor-guided conditions.
- Scientific Value: Facilitates correlation of environmental parameters (EC, temperature) with algal productivity for predictive modeling.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Produces algal biomass with measurable lipid content (24%) suitable for downstream conversion to biofuels or bioproducts.
- Operational Value: Enables seamless transition from laboratory inoculum to outdoor cultivation with minimal adaptation loss.
- Scientific Value: Supports evaluation of strain robustness under semi-arid, high-temperature conditions relevant to field deployment.
Pipeline & Workflow Integration
The system bridges early-stage algal strain evaluation with scalable biomass production, supporting continuity from discovery to preprocessing for biofuel conversion.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing on CO2 utilization efficiency and growth kinetics under industrial flue gas exposure.
- Screening: Delivers standardized, reproducible biomass output through automated environmental control and real-time feedback.
- Analytics: Provides multi-parameter time-series data (OD, DO, pH, EC, temperature) for process optimization and strain comparison.
- Translational Research: Yields harvestable biomass with defined composition for lipid extraction and energy product synthesis.
- Enterprise Reuse: Designed for adaptation across power plant sites and algal species, promoting platform-level scalability.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in algal strain performance under real-world emission profiles.
- Operational Value: Ensures reproducibility via sensor-driven pH control and continuous environmental monitoring.
- Strategic Value: Reduces reliance on external CO2 sources, lowering operational costs and carbon footprint.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted investment in algal bioproducts by validating carbon utilization efficiency.
Implementation Considerations
- Requires expertise in algal cultivation, sensor integration, and flue gas handling systems.
- Needs corrosion-resistant infrastructure (e.g., stainless steel tubing, condensers) to manage flue gas moisture and impurities.
- Demands standardized calibration protocols for OD, DO, pH, EC, and temperature sensors across shifts and sites.
- Requires adaptation protocols for algal acclimation to outdoor light, temperature, and evaporation variability.
- Limited by diurnal light cycles and ambient temperature fluctuations affecting consistent gas uptake and growth rates.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:42
Outdoor Open Raceway Pond Setup
1:32
pH Control System Setup
2:05
Algae Strain Maintenance
3:44
Outdoor Open Raceway Pond Inoculation
4:37
Batch Growth Experiment
5:17
Discrete Sampling and Monitoring and Algal Harvesting and Crop Rotation
6:06
Results: Representative Algae Growth Monitoring
7:36
Conclusion
