Summary
تم وصف بروتوكول لاستخدام ثاني أكسيد الكربون في غاز مداخن محطة توليد الطاقة بالغاز الطبيعي لزراعة الطحالب الدقيقة في أحواض السباق المفتوحة. يتم التحكم في حقن غاز المداخن باستخدام مستشعر الأس الهيدروجيني ، ويتم مراقبة نمو الطحالب الدقيقة من خلال قياسات الكثافة البصرية في الوقت الفعلي.
Abstract
في الولايات المتحدة ، يأتي 35٪ من إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2) من صناعة الطاقة الكهربائية ، والتي يمثل 30٪ منها توليد الكهرباء بالغاز الطبيعي. يمكن للطحالب الدقيقة إصلاح ثاني أكسيد الكربون2 10 إلى 15 مرة أسرع من النباتات وتحويل الكتلة الحيوية للطحالب إلى منتجات ذات أهمية ، مثل الوقود الحيوي. وبالتالي ، تقدم هذه الدراسة بروتوكولا يوضح أوجه التآزر المحتملة لزراعة الطحالب الدقيقة مع محطة لتوليد الطاقة بالغاز الطبيعي تقع في جنوب غرب الولايات المتحدة في مناخ حار شبه جاف. وتستخدم أحدث التكنولوجيات لتعزيز احتجاز الكربون واستخدامه عن طريق أنواع الطحالب الخضراء شلوريلا سوروكينيانا، والتي يمكن معالجتها بشكل أكبر إلى وقود حيوي. نحن نصف بروتوكولا يتضمن بركة سباق مفتوحة شبه آلية ونناقش نتائج أدائها عندما تم اختبارها في محطة توكسون للطاقة الكهربائية ، في توكسون ، أريزونا. تم استخدام غاز المداخن كمصدر رئيسي للكربون للتحكم في درجة الحموضة ، وتم زراعة شلوريلا سوروكينيانا . تم استخدام وسط محسن لزراعة الطحالب. وجرى رصد كمية ثاني أكسيد الكربون2 المضافة إلى النظام كدالة للوقت عن كثب. بالإضافة إلى ذلك ، تم رصد العوامل الفيزيائية والكيميائية الأخرى التي تؤثر على معدل نمو الطحالب ، وإنتاجية الكتلة الحيوية ، وتثبيت الكربون ، بما في ذلك الكثافة البصرية ، والأكسجين المذاب (DO) ، والموصلية الكهربائية (EC) ، ودرجات حرارة الهواء والبركة. تشير النتائج إلى أنه يمكن تحقيق محصول من الطحالب الدقيقة يصل إلى 0.385 جم / لتر من الوزن الجاف الخالي من الرماد ، مع محتوى دهني بنسبة 24٪. ويمكن أن توفر الاستفادة من فرص التآزر بين الجهات المسببة لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون2 ومزارعي الطحالب الموارد اللازمة لزيادة احتجاز الكربون مع دعم الإنتاج المستدام للوقود الحيوي للطحالب والمنتجات الحيوية.
Introduction
الاحترار العالمي هو واحد من أهم القضايا البيئية التي يواجهها العالم اليوم1. تشير الدراسات إلى أن السبب الرئيسي هو الزيادة في انبعاثات غازات الدفيئة (GHG) ، وخاصة ثاني أكسيد الكربون 2 ، في الغلاف الجوي بسبب الأنشطة البشرية2،3،4،5،6،7. في الولايات المتحدة ، تنشأ أكبر كثافة لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون2 بشكل رئيسي من احتراق الوقود الأحفوري في قطاع الطاقة ، وتحديدا محطات توليد الطاقة الكهربائية3،7،8،9. وهكذا ، برزت تقنيات احتجاز الكربون واستخدامه (CCU) كواحدة من الاستراتيجيات الرئيسية للحد من انبعاثات غازات الدفيئة2،7،10. وتشمل هذه الأنظمة البيولوجية التي تستخدم أشعة الشمس لتحويل ثاني أكسيد الكربون2 والماء عن طريق التمثيل الضوئي ، في وجود العناصر الغذائية ، إلى كتلة حيوية. تم اقتراح استخدام الطحالب الدقيقة بسبب معدل النمو السريع ، والقدرة العالية على تثبيت ثاني أكسيد الكربون2 ، والقدرة الإنتاجية العالية. بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع الطحالب الدقيقة بإمكانات طاقة حيوية واسعة لأن الكتلة الحيوية يمكن تحويلها إلى منتجات ذات أهمية ، مثل الوقود الحيوي الذي يمكن أن يحل محل الوقود الأحفوري7،9،10،11،12.
يمكن أن تنمو الطحالب الدقيقة وتحقق التحويل البيولوجي في مجموعة متنوعة من أنظمة الزراعة أو المفاعلات ، بما في ذلك أحواض المجاري المفتوحة والمفاعلات الحيوية الضوئية المغلقة13،14،15،16،17،18،19. درس الباحثون المزايا والقيود التي تحدد نجاح العملية الحيوية في كل من أنظمة الزراعة ، في ظل ظروف داخلية أو خارجية 5,6,16,20,21,22,23,24,25 . أحواض المجاري المفتوحة هي أنظمة الزراعة الأكثر شيوعا لالتقاط الكربون واستخدامه في الحالات التي يمكن فيها توزيع غاز المداخن مباشرة من المكدس. هذا النوع من أنظمة الزراعة غير مكلف نسبيا ، ويسهل توسيع نطاقه ، وله تكاليف طاقة منخفضة ، ولديه متطلبات طاقة منخفضة للخلط. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن بسهولة وضع هذه الأنظمة في موقع مشترك مع محطة توليد الطاقة لجعل عملية CCU أكثر كفاءة. ومع ذلك ، هناك بعض العيوب التي يجب مراعاتها ، مثل الحد من نقل كتلة الغاز / السائل CO2. على الرغم من وجود قيود ، فقد تم اقتراح أحواض السباق المفتوحة باعتبارها النظام الأنسب لإنتاج الوقود الحيوي للطحالب الدقيقة في الهواء الطلق5،9،11،16،20.
في هذه المقالة ، نفصل طريقة لزراعة الطحالب الدقيقة في أحواض السباق المفتوحة التي تجمع بين التقاط الكربون من غاز المداخن في محطة توليد الطاقة بالغاز الطبيعي. تتكون الطريقة من نظام شبه آلي يتحكم في حقن غاز المداخن بناء على درجة الحموضة في الثقافة. يراقب النظام ويسجل حالة زراعة شلوريلا سوروكينيانا في الوقت الفعلي باستخدام الكثافة البصرية والأكسجين المذاب (DO) والموصلية الكهربائية (EC) وأجهزة استشعار درجة حرارة الهواء والبركة. يتم جمع بيانات الكتلة الحيوية للطحالب وحقن غاز المداخن بواسطة مسجل بيانات كل 10 دقائق في منشأة توكسون للطاقة الكهربائية. يتم إجراء صيانة سلالة الطحالب ، وتوسيع نطاقها ، وقياسات مراقبة الجودة ، وتوصيف الكتلة الحيوية (على سبيل المثال ، العلاقة بين الكثافة البصرية ، g / L ، ومحتوى الدهون) في بيئة مختبرية في جامعة أريزونا. حدد بروتوكول سابق طريقة لتحسين إعدادات غاز المداخن لتعزيز نمو الطحالب الدقيقة في المفاعلات الحيوية الضوئية عبر محاكاة الكمبيوتر26. البروتوكول المعروض هنا فريد من نوعه من حيث أنه يستخدم برك الممرات المفتوحة وهو مصمم ليتم تنفيذه في الموقع في محطة لتوليد الطاقة بالغاز الطبيعي من أجل الاستفادة المباشرة من غاز المداخن المنتج. بالإضافة إلى ذلك ، تعد قياسات الكثافة البصرية في الوقت الفعلي جزءا من البروتوكول. تم تحسين النظام كما هو موضح لمناخ شبه جاف حار (Köppen BSh) ، والذي يظهر هطول أمطار منخفض ، وتقلبا كبيرا في هطول الأمطار من سنة إلى أخرى ، ورطوبة نسبية منخفضة ، ومعدلات تبخر عالية ، وسماء صافية ، وإشعاع شمسي مكثف27.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. نظام النمو: إعدادات بركة مضمار السباق المفتوحة في الهواء الطلق
- قم بإعداد أحواض السباق المفتوحة بالقرب من مصدر غاز المداخن (التي تحتوي على 8-10٪ من ثاني أكسيد الكربون2). التأكد من توفر المياه والكهرباء في موقع مفاعل البركة وأن المفاعل ليس في الظل معظم اليوم (الشكل 1).
- التقط غاز المداخن أثناء عملية ما بعد الاحتراق باستخدام خرطوم وقود 0.95 سم ، قبل أمتار قليلة من دخول غاز المداخن إلى المكدس ليتم تفريغه في الغلاف الجوي (الشكل 2).
- قم بإزالة الماء من غاز المداخن باستخدام مصيدة ماء سعة 20 لترا ومكثفا (طول الملف ~ 12 مترا) بين المكدس والضاغط (الشكل 2).
ملاحظة: يحتوي غاز المداخن عادة على حوالي 9-13.8٪ من الماء28. بالإضافة إلى ذلك ، يقوم المكثف وخط الأنابيب بتبريد غاز المداخن16. - قم بتوصيل المستشعرات التالية بمسجل بيانات لمراقبة نمو الطحالب: (1) مستشعر الكثافة البصرية في الوقت الحقيقي29 ، الذي يقيس الامتصاص عند طولين موجيين - 650 و 750 نانومتر - ويمكنه اكتشاف الحد الأقصى لتركيز خلايا الطحالب البالغ 1.05 جم / لتر ؛ (2) جهاز استشعار DO ؛ (3) المزدوجات الحرارية للهواء والبركة ؛ (4) جهاز استشعار درجة الحموضة ؛ و (5) مستشعر EC.
ملاحظة: بالإضافة إلى ذلك، يتم توصيل مستشعرات الأس الهيدروجيني وEC بجهاز إرسال. يظهر تكوين وحدة مسجل البيانات في الشكل 3. - تأكد من معايرة جميع مكونات نظام نمو الطحالب وعملها بشكل صحيح قبل التلقيح.
2. نظام التحكم في درجة الحموضة
- إدارة حقن غاز المداخن باستخدام ضاغط ونظام صمام تحكم وبرنامج مسجل البيانات ، كما هو موضح في الشكل 2 والشكل 3 (المادة التكميلية A).
- استخدم أنبوبا لتوجيه غاز المداخن من صمام التحكم إلى قاع بركة مجرى السباق من خلال ناشر حجري.
- حقن غاز المداخن في نظام النمو على أساس درجة الحموضة. عندما تكون قيمة الرقم الهيدروجيني أكبر من 8.05 ، سيقوم النظام بحقن غاز المداخن ، بينما عندما يكون الرقم الهيدروجيني أقل من 8.00 ، سيوقف النظام حقن غاز المداخن في فترات عدم النمو. يتم قياس معدل التدفق باللترات القياسية في الدقيقة (SLPM).
ملاحظة: في صمام التحكم، يقتصر ضغط غاز المداخن الداخلة على 50 رطل لكل بوصة مربعة كحد أقصى.
3. اختيار الطحالب وصيانة الإجهاد (الضوء ودرجة الحرارة)
ملاحظة: تم عزل الطحالب الخضراء شلوريلا سوروكينيانا DOE 1412 من قبل يورغن بول (كلية بروكلين)30،31 واختارها التحالف الوطني للوقود الحيوي المتقدم والمنتجات الحيوية (NAABB)؛ استند اختياره إلى دراسات توصيف السلالة السابقة التي أجراها Huesemann et al.32,33 . وقد أفادت أبحاثهم المتعلقة بفحص الطحالب وإنتاجية الكتلة الحيوية والزراعة التي تحاكي المناخ (مثل درجة الحرارة والضوء) في المنطقة الجنوبية الغربية عند استخدام أحواض السباق المفتوحة في الهواء الطلق بالطريقة المستخدمة في هذا المشروع.
- حافظ على المستنبتات في درجة حرارة الغرفة (25 درجة مئوية) باستخدام دورة ضوئية/داكنة مدتها 12 ساعة/12 ساعة.
- حافظ على شدة الضوء عند 200 ميكرومتر / م2 / ثانية لصيانة المستنبتات المزروعة على الألواح وفي الثقافات السائلة الصغيرة (50 مل إلى 500 مل).
- حافظ على شدة الضوء للتوسع المزروع في الثقافات السائلة من 50 مل إلى 500 مل عند 400 ميكرومتر / م 2 / ثانية ، والثقافات السائلة من 5 لتر إلى 20 لتر عند 600-800 ميكرومتر / م2 / ثانية.
4. توسيع نطاق ومراقبة الجودة
- تحضير وسط ثقافة BG11 باستخدام الماء منزوع الأيونات والأملاح التالية ، للمغذيات الكبيرة ، في g / L: 1.5 NaNO3 ، 0.04 K 2 HPO 4 ، 0.075 MgSO 4 * H 2 O ، 0.036 CaCl 2 * H 2 O ، 0.006 (NH 4) 5Fe (C6H 4 O 7) 2 ، 0.006 Na 2 EDTA * 2H 2O ، 0.02 Na2CO3 ؛ أضف 1 مل / لتر من محلول العناصر النزرة ، والذي يحتوي على المغذيات الدقيقة التالية في g / L: 2.86 H 3 BO 3 ، 1.81 MnCl 2 * 4H 2 O ، 0.22 ZnSO 4 * 7H 2 O ، 0.39 Na 2 MoO 4 * 2H 2 O ، 0.079 CuSO4 * 5H 2 O ، 0.0494 Co (NO 3) 2 * 6H 2O.
ملاحظة: لتلقيح الألواح و/أو تخزينها على المدى الطويل، يضاف 7.5 جم/لتر من باكتو أجار؛ للتلقيح الثقافي ، ليست هناك حاجة إلى إضافة أجار. تعقيم وسط الاستزراع في الأوتوكلاف لمدة 21 دقيقة عند 121 درجة مئوية. - صب وسط BG11 مع الأجار في أطباق بتري في غطاء محرك أقراص صفحي معقم أو خزانة السلامة الأحيائية. بمجرد أن تصبح الألواح صلبة وباردة ، ماصة 500 ميكرولتر من مزرعة مخزون الطحالب المجمدة المعاد تعليقها وإضافة الأمبيسلين (100 ميكروغرام / مل) ؛ احتضن ألواح الطحالب في طاولة اهتزاز (120 دورة في الدقيقة) لمدة 1 إلى 2 أسابيع.
- استخدم حلقة معقمة لاختيار مستعمرة طحالب واحدة من صفيحة استزراع وتلقيحها في أنبوب سعة 50 مل يحتوي على وسط نمو معقم في خزانة نظيفة للسلامة الأحيائية. تنمو الثقافة السائلة الصغيرة على طاولة الاهتزاز (120 دورة في الدقيقة) لمدة أسبوع واحد.
- نقل 50 مل من زراعة الطحالب (مرحلة النمو الخطي ، OD750nm ≥ 1) إلى قارورة سعة 1 لتر مع وسط سائل 500 مل. قم بتركيب كل قارورة مع سدادة مطاطية وأنابيب من الفولاذ المقاوم للصدأ لتوفير التهوية. تصفية الهواء باستخدام مرشحات تعقيم الهواء 0.2 ميكرومتر. دع الثقافة تنمو لمدة أسبوع إلى أسبوعين. مراقبة كثافة الخلايا باستخدام مقياس الطيف الضوئي (OD750nm).
- ضع المستنبتة السائلة سعة 500 مل في كاربوي سعة 10 لترات تحتوي على 8 لتر من وسط الاستزراع غير المعقم وحقن خليط من 5٪ CO2 و 95٪ من الهواء. ثم ، قم بزراعة الطحالب تحت نفس الظروف كما في الخطوة 4.4.
- راقب لوحة المخزون والثقافات السائلة (في الخطوات 4.2-5) مرة واحدة في الأسبوع. خذ أليكوت وراقبه تحت المجهر عند تكبير 10x و 40x لضمان نمو السلالة المطلوبة. الاحتفاظ بالثقافات حتى يتم اختراقها أو استخدامها في التجارب. تخلص من الثقافات الملوثة.
5. إعداد متوسط مركز لزراعة الأحواض المفتوحة
- لإعداد محلول العناصر النزرة ، املأ جزئيا قارورة حجمية سعة 1 لتر بالماء المقطر (DW). أدخل قضيب تحريك مغناطيسي وأضف المواد الكيميائية الموضحة في الجدول 1 بالتتابع. تأكد من أن كل مكون يذوب قبل إضافة المكون التالي. قم بإزالة المغناطيس واملأ القارورة بعلامة الحجم 1 لتر.
- املأ جزئيا زجاجة زجاجية سعة 1 لتر ب DW وأدخل شريط التحريك المغناطيسي. ضع الحاوية في الجزء العلوي من صفيحة التحريك المغناطيسي وأضف المواد الكيميائية للحجم النهائي للمفاعل ، وأضفها بالتتابع ، مما يضمن ذوبان كل منها بالكامل. يسرد الجدول 2 المواد الكيميائية اللازمة لإعداد 1 لتر من الوسط ، لذا اضرب جميع القيم في الحجم النهائي للمفاعل. املأ الزجاجة الزجاجية إلى 1 لتر.
6. في الهواء الطلق مفتوحة بركة سباق التلقيح
- نظف المفاعل جيدا باستخدام 30٪ من المبيض قبل كل تطعيم وبعد الحصاد. يوصى بترك المبيض طوال الليل. شطف المفاعل جيدا لإزالة جميع المبيضات.
- معايرة جميع أجهزة الاستشعار قبل تلقيح الطحالب وفقا لإجراء المعايرة المقابلة لها.
- قم بتخفيف الوسائط المركزة (في الخطوة 5) باستخدام مصدر المياه عن طريق ملء بركة مجرى السباق بنسبة تصل إلى 80٪.
- قم بتلقيح المفاعل باستخدام كاربوي سعة 10 لتر مملوء بالطحالب (مرحلة النمو الخطي OD750nm > 2) وإحضاره إلى حجمه النهائي.
- تأقلم الطحالب الدقيقة عن طريق التظليل الجزئي لبركة مجرى السباق بالمنصات الخشبية لمدة 3 أيام تقريبا (الشكل 4) ، بمجرد مرور المرحلة الأسية ، كاستراتيجية تكيف لتجنب التثبيط الضوئي.
ملاحظة: ستوفر هذه الفترة أيضا الوقت للطحالب الدقيقة للتكيف مع الإجهاد الناجم عن الحقن المباشر لغاز المداخن.
7. تجربة نمو الدفعات في محطة التوليد
- افحص وسجل أي اختلافات يومية بما في ذلك تبخر الماء ومحرك عجلة التجديف ووظائف المستشعر وأي شيء خارج عن المألوف.
- قم بتصريف وفحص الضاغط ومصيدة المياه كل يوم لإزالة أي مياه زائدة لتقليل التآكل لأن غاز المداخن شديد التآكل34.
- قم بتكوين مسجل البيانات لمسح كل قياس مستشعر كل 10 ثوان ولتخزين متوسط البيانات كل 10 دقائق. وتشمل هذه DO، درجة الحموضة، EC، الكثافة البصرية في الوقت الحقيقي وكذلك الهواء ودرجة حرارة المفاعل.
8. أخذ العينات ورصدها بشكل منفصل
- تأكد من بقاء مستوى الماء ثابتا عند الحجم النهائي للمفاعل وإلا سيتأثر قياس الكثافة البصرية.
- بعد تجديد المياه في المفاعل ، خذ عينة 5 مل لقياس كتلة الخلية بواسطة الكثافة البصرية (540 و 680 و 750 نانومتر) باستخدام مقياس الطيف الضوئي المرئي بالأشعة فوق البنفسجية. كرر العملية يوميا.
- خذ عينة سعة 500 مل ثلاث مرات في الأسبوع لملاحظات المجهر وتركيز الكتلة الحيوية بناء على الوزن الجاف الخالي من الرماد (AFDW).
- قم بإجراء عمليات رصد المجهر باستخدام عدسات موضوعية 10x و 40x. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام هذه التكبيرات المجهرية كجزء من مراقبة جودة الطحالب الموضحة في الخطوة 4.6.
- استخدم 400 مل من العينة في الخطوة 8.3 ل AFDW
- اضبط كل فلتر من الألياف الزجاجية الدقيقة بحجم 0.7 ميكرومتر بحجم المسام في صينية رقائق الألومنيوم وقم بمعالجة كل صينية / فلتر رقائق الألومنيوم مسبقا باستخدام فرن لمدة 4 ساعات عند 540 درجة مئوية.
- قم بتسمية كل صينية من رقائق الألومنيوم باستخدام قلم رصاص # 2 ، وسجل وزنها (A) ، وضعها في جهاز مرشح التفريغ.
- حرك عينة الطحالب بقوة قبل قياس الحجم المراد تصفيته. قم بتصفية عينة كافية من الطحالب لإعطاء فرق وزن الرماد قبل / بعد ما بين 8 و 16 ملغ. اختر فرق الوزن لاستخدامه طوال فترة التجربة وحافظ على هذه القيمة ثابتة.
- ضع كل مرشح يحتوي على عينة الطحالب في صينية رقائق معدنية في الفرن على حرارة 105 درجة مئوية لمدة 12 ساعة على الأقل.
- قم بإزالة صينية / فلتر الرقائق من فرن التجفيف وضعه في مجفف زجاجي لمنع امتصاص الماء. سجل وزن كل صينية/فلتر رقائق معدنية (B).
- ضع صينية/فلتر الرقائق في فرن كتم الصوت الذي تبلغ درجة حرارته 540 درجة مئوية لمدة 4 ساعات.
- قم بإيقاف تشغيل فرن الكمامة ، وقم بتبريد صواني / فلاتر رقائق معدنية ، وضعها في المجفف ، وسجل كل صينية / فلتر رقائق معدنية (C).
- حساب AFDW باستخدام التحليل الوزني:
٪ AFDW = C - A × 100 / B
- احتفظ ب 2 لتر من الطحالب قبل الحصاد لتحليل استخراج الدهون بمساعدة الميكروويف (MAE) باستخدام المذيبات.
- الطرد المركزي لعينة الطحالب عند قوة طرد مركزي نسبية (RFC) تبلغ 4400 × g لمدة 15 دقيقة. خذ حبيبات الطحالب وجففها باستخدام فرن على درجة حرارة 80 درجة مئوية لمدة 24 ساعة على الأقل.
- طحن عينة الطحالب ووزن مسحوق الطحالب (تتراوح الكتلة الحيوية الموصى بها من 0.3 غرام إلى 0.5 غرام).
- أضف مسحوق الطحالب (الكتلة الحيوية للطحالب الجافة) إلى أوعية Xpress لنظام التفاعل المتسارع في الميكروويف (MARS) ، وأضف 10 مل من الكلوروفورم: محلول مذيب الميثانول (2: 1 ، v / v) تحت غطاء المحرك ، وأغلق الأوعية ، واتركه يقف طوال الليل.
- ضع الأوعية في آلة MARS باستخدام مستشعر المذيبات لمدة 60 دقيقة عند 70 درجة مئوية و 800 واط من الطاقة.
- أخرج السفن من MARS واتركها تبرد تحت غطاء المحرك.
- استخدم قمع وصوف زجاجي لفصل الجزء السائل الذي يحتوي على الكلوروفورم والميثانول والدهون عن طريق نقل كل عينة سائلة إلى أنبوب اختبار زجاجي مثقل مسبقا والحفاظ على المواد الصلبة (الكتلة الحيوية خالية من الدهون) لإجراء تحليلات أخرى.
- خذ أنابيب الاختبار التي تحتوي على الدهون إلى مبخر النيتروجين ، وقم بإزالتها بمجرد تبخر السائل ، ثم اترك الأنابيب طوال الليل تحت غطاء المحرك لضمان الجفاف التام.
- حساب محتوى الدهون (بالوزن٪) باستخدام التحليل الوزني:
محتوى الدهون (بالوزن) = الكتلة الحيوية الجافة للدهون × 100 / كتلة الطحالب الجافة
9. حصاد الطحالب وتناوب المحاصيل
- حصاد 75٪ من إجمالي حجم استزراع الطحالب عندما تكون المستزرعة قريبة من الوصول إلى المرحلة الثابتة. خذ 2-L من الثقافة لإجراء تحليلات إنتاجية الكتلة الحيوية في المختبر. معالجة وتحويل بقية الطحالب إلى منتجات الطحالب المطلوبة.
- أعد زراعة بركة مجرى السباق المفتوحة باستخدام 25٪ من الطحالب المتبقية كتلقيح. أضف ما يصل إلى 80٪ من إجمالي حجم المفاعل ، وأضف الوسائط المركزة ، ثم انتهى من ملء الحجم النهائي للمفاعل إذا لزم الأمر.
- زراعة سلالة الطحالب المناسبة وفقا للموسم ، بناء على درجة الحرارة وظروف شدة الضوء.
10. إدارة البيانات
- سجل البيانات في مسجل البيانات وجمعها للتحليل كما في الخطوة 7.3.
- ضع في اعتبارك حفظ البيانات الخام والمحللة في محرك أقراص اختبار الطحالب الإقليمية (RAFT). يساهم المتعاونون في مشروع RAFT ببياناتهم لمحاكاة ونمذجة إنتاجية الطحالب والتحقق من صحة الزراعة في الهواء الطلق.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تشير النتائج التجريبية السابقة من مختبرنا إلى أن زراعة الطحالب الدقيقة باستخدام بركة سباق مفتوحة شبه آلية يمكن أن تقترن بعمليات التقاط الكربون. لفهم التآزر بين هاتين العمليتين بشكل أفضل (الشكل 2) ، قمنا بتطوير بروتوكول وتصميمه لزراعة أنواع الطحالب الخضراء Chlorella sorokiniana تحت ظروف خارجية في مناخ حار شبه جاف. تم الحصول على غاز مداخن الغاز الطبيعي من محطة توليد الطاقة الصناعية. ويستخدم هذا البروتوكول تكنولوجيات مختلفة لتقييم إنتاجية الكتلة الأحيائية للطحالب: (1) نمو الطحالب باستخدام جهاز استشعار للكثافة البصرية في الوقت الحقيقي (الشكل 5)؛ (2) ونمو الطحالب باستخدام جهاز استشعار للكثافة البصرية في الوقت الحقيقي (الشكل 5)؛ و (2) نمو الطحالب باستخدام جهاز استشعار للكثافة البصرية في الوقت الحقيقي (الشكل 5)؛ و (2) نمو الطحالب باستخدام جهاز استشعار للكثافة البصرية في الوقت الحقيقي (الشكل 5)؛ و (2) نمو الطحالب فيما يتعلق بحقن غاز المداخن في المستنبتة كدالة للأس الهيدروجيني (الشكل 6 والشكل 7)؛ و (3) ارتباطات نمو الطحالب مع المعلمات البيئية مثل درجة الحرارة والأكسجين المذاب والموصلية الكهربائية (الشكل 8 والشكل 9).
نحن نختبر مستشعر الكثافة البصرية في الوقت الحقيقي الذي يراقب نمو الطحالب والديناميكيات الفسيولوجية. سمح لنا هذا المستشعر بإنشاء ، من خلال الارتباط المختبري ، الكتلة الحيوية المقابلة للوزن الجاف الخالي من الرماد (g / L). ويبين الشكل 5 مقارنة بين المستشعر والقياسات المختبرية. تظهر كلتا القراءتين اتجاهات متشابهة ، تزداد كدالة للوقت. ومع ذلك ، يمكن لقراءات أجهزة الاستشعار في الموقع تتبع دورة نمو الطحالب ليلا ونهارا. وتبين الدورة المذكورة أن قيم الكثافة البصرية تزداد خلال النهار ولكنها تنخفض في الليل أثناء التنفس، مما يشير إلى حدوث تغير في إنتاجية الكتلة الحيوية. إن دمج مستشعر الكثافة البصرية في الوقت الفعلي يجعل من الممكن اتخاذ قرارات إدارية فعالة حول نظام إنتاج الطحالب بشكل عام.
نقوم بنشر نظام شبه آلي لحقن نبض غاز المداخن ، والذي يمثله الشكل 6 من خلال دورة حقن غاز المداخن لمدة 24 ساعة يتم قياسها خلال موسم الخريف الدافئ بشكل خاص في توكسون ، أريزونا. كما هو موضح في الشكل 6 ، تم حقن غاز المداخن من حوالي الساعة 8 صباحا إلى الساعة 6 مساء (الفترة النهارية) ولكن لم يتم حقنه بين الساعة 6 مساء و 8 صباحا (الفترة الليلية). تعكس دورة النهار / الليل هذه التعرض اليومي لأشعة الشمس ونقص الضوء أثناء الليل ، وبالتالي تنشيط التمثيل الضوئي أو التنفس الضوئي ، على التوالي. ويعرض الشكل 7 غاز المداخن التراكمي الذي تم حقنه (L) خلال هذه الدفعة من الطحالب. في هذه الحالة ، تم استخدام 6,564 لتر من غاز المداخن ، أي ما يعادل 538 لتر CO2 ، لزراعة 0.29 جم من الكتلة الحيوية للطحالب. ويبين الرسم البياني أنه مع زيادة معدل نمو الطحالب، كانت هناك حاجة إلى المزيد من غاز المداخن (CO2) (الشكل 6). وقد أكدت النتائج التجريبية أن نظام حقن نبض غاز المداخن عند إيقاف التشغيل فعال في تسهيل التقاط الكربون واستخدامه من خلال زراعة الطحالب الدقيقة.
نحن نقيس ونراقب المعلمات الفيزيائية والكيميائية الأخرى لإنشاء علاقة بينها وبين نمو الطحالب وإنتاجيتها (الشكل 8 والشكل 9). كانت المعلمات البيئية التي تم قياسها هي الأكسجين المذاب ، والموصلية الكهربائية (EC) ، ودرجات حرارة الهواء والبركة. وكما هو متوقع، أظهرت جميع المعلمات، باستثناء EC، اتجاهات مماثلة ارتبطت ارتباطا وثيقا بالإشعاع الشمسي. وتشير النتائج إلى أن هذه المتغيرات البيئية كان لها أكبر الأثر على نمو الطحالب وتستخدم في نمذجة الكتلة الحيوية للطحالب35. لم تتغير المفوضية الأوروبية بشكل كبير أثناء عملية الدفع. وبالتالي، فإنها لم تقدم أي معلومات ذات صلة فيما يتعلق بنمو الطحالب. لزراعة شلوريلا سوروكينيانا باستخدام المياه غير المالحة ، يمكن حذف قياسات EC.
الشكل 1: موقع تجريبي في توكسون للطاقة الكهربائية لاقتران احتجاز الكربون من محطة توليد الكهرباء والمفاعلات شبه الآلية ذات الأحواض المفتوحة لزراعة الطحالب الدقيقة. يتم تمثيل الموقعين من قبل: 1) موقع الطحالب U3 (الوحدة 3) و 2) موقع الطحالب U4 (الوحدة 4) رصيد الصورة: خوسيه مانويل سيسنيروس فاسكيز. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: مخطط تدفق العملية لاقتران احتجاز الكربون وأحواض المجاري المفتوحة شبه الآلية لزراعة الطحالب الدقيقة في مناخ حار شبه جاف . (ب) مرفق تجريبي حقيقي؛ (ج) العملية: اقتران احتجاز الكربون وزراعة الطحالب الدقيقة المعدلة من Van Den Hende28. الأساطير: T = درجة الحرارة; DO = الأكسجين المذاب; OD = الكثافة البصرية; EC = الموصلية الكهربائية; مسجل البيانات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: التمثيل التخطيطي لإعداد المستشعر . (أ) تمثيل أجهزة الاستشعار الشاملة المفتوحة في الهواء الطلق التي تم إعدادها ، حيث CV1 و CV2 هما صمامات التحكم ، DL هو مسجل البيانات ، و T1 و T2 هما أجهزة الإرسال. (ب) تمثيل صمام التحكم. (ج) تمثيل اتصال أجهزة الاستشعار بمسجل البيانات؛ الدائرة الزرقاء الداكنة: الكثافة البصرية في الوقت الحقيقي ، المثلث البرتقالي: الرقم الهيدروجيني و EC ، المثلث الأسود: المزدوجات الحرارية ، المثلث الأحمر: الأكسجين المذاب ، الأزرق الفاتح: صمام التحكم. (د) جهاز إرسال الأس الهيدروجيني وجهاز إرسال EC. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: الطحالب في إطار عملية التأقلم. استراتيجية التأقلم مع الطحالب الدقيقة باستخدام منصات خشبية خلال المرحلة الأسية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: تمثيل رصد نمو الطحالب. (أ) رسم بياني لتركيز الكتلة الأحيائية للقدرة على توليد الطاقة من الماء المستدامتين (ز/ل) مقابل وقت القياسات المختبرية؛ (ب) رسم بياني للعلاقة بين مستشعر الكثافة البصرية والقياسات المختبرية عند 650 نانومتر؛ و (C) الرسم البياني لمستشعر الكثافة البصرية في الوقت الحقيقي مقابل الوقت لمجموعة تجريبية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: رسم بياني لحقن نبض غاز المداخن عند تشغيل/إيقاف التشغيل كإجراء للأس الهيدروجيني. تم إعداد مسجل البيانات لبدء حقن غاز المداخن (تشغيل الصمام المتحكم فيه) عند درجة الحموضة = 8.05 ولإنهاء حقن غاز المداخن (إيقاف تشغيل الصمام المتحكم فيه) عند درجة الحموضة = 8.00. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: رسم بياني لنمو الطحالب (g / L) ، وكمية غاز المداخن المحقونة ، وكمية CO2 التي تم حقنها كدالة للوقت.
الشكل 8: تمثيل مراقبة درجة الحرارة. الأساطير: خط أصفر صلب = درجة حرارة مفاعل بركة مجرى السباق ؛ خط رمادي صلب = درجة حرارة الهواء ؛ والخط الأزرق المتقطع = درجة حرارة محطة AZMET (شبكة أريزونا للأرصاد الجوية). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 9: رصد بارامترات نمو الطحالب. الأساطير: الخط الصلب البرتقالي = الإشعاع الشمسي. خط رمادي صلب = الموصلية الكهربائية (EC) ؛ والخط الصلب الأصفر = الأكسجين المذاب (DO). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| مكونات | التركيز في المحلول (ز / لتر) |
| H 3BO3 | 0.00286 |
| MnCl 2·4H2O | 0.00181 |
| ZnSO4·7H2O | 0.0001373 |
| Na2MoO4·2H2O | 0.00039 |
| CuSO4·5H2O | 0.000079 |
| Co(NO3)2·6H 2 O | 0.00005518 |
| NiCl2·6 H2O | 0.0001 |
الجدول 1: وصفة حل العناصر النزرة.
| مكونات | الاسم الشائع | التركيز في المحلول (ز / لتر) |
| (NH2) 2 أول أكسيد الكربون | يوريا | 0.1 |
| MgSO4·7H2O | كبريتات المغنيسيوم | 0.012 |
| NH 4 H2PO4 | فوسفات الأمونيوم | 0.035 |
| كيه سي ال | أشنان | 0.175 |
| FeCl3 | سيترات الحديديك (سيترابليكس) | 0.005423 |
| تتبع حل المعادن | حجم 1000x ميكروس (مل) | 1 |
الجدول 2: وصفة الوسائط المحسنة ل 1 لتر.
ملفات الترميز التكميلية. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
في هذه الدراسة ، أثبتنا أن الاقتران التآزري بين احتجاز الكربون في غاز المداخن وزراعة الطحالب الدقيقة أمر ممكن في مناخ حار شبه جاف. يدمج البروتوكول التجريبي لنظام أحواض السباق شبه الآلية أحدث التقنيات لمراقبة المعلمات ذات الصلة في الوقت الفعلي والتي ترتبط بنمو الطحالب عند استخدام غاز المداخن كمصدر للكربون. يهدف البروتوكول المقترح إلى الحد من عدم اليقين في زراعة الطحالب ، والتي تعد واحدة من العيوب الرئيسية لأحواض مجرى السباق20،21،36. في تجربتنا ، تتضمن الخطوات الأكثر أهمية للبروتوكول نظام التحكم في الأس الهيدروجيني وطريقة فعالة لتلقيح النظام (الشكل 2). يوفر نظام التحكم في الأس الهيدروجيني غاز المداخن / ثاني أكسيد الكربون 2 ويمثل استراتيجية لتحسين الكفاءة في التقاط واستخدام ثاني أكسيد الكربون2 (الشكل 3)37. وقد ثبت أن هذا النظام الذي يتم التحكم فيه أكثر كفاءة من نظام الحقن المستمر لعملية زراعة الطحالب الدقيقة لأنه يقلل من خروج الغاز مع توفير ما يكفي من غاز المداخن لتحقيق الحد الأقصى لمعدل نمو الطحالب20,37. عندما يعتمد حقن غاز المداخن على الرقم الهيدروجيني ، فإن العامل الرئيسي لزراعة الطحالب هو اختيار قيمة درجة الحموضة المناسبة لأنواع الطحالب الدقيقة قبل تلقيح بركة مجرى السباق38,39. وجد Qiu et al.40 أن قيمة الرقم الهيدروجيني 8 هي الأفضل لأنواع المياه العذبة Chlorella sorokiniania عند النظر في نمو الخلايا وإنتاج الدهون 40. وعلاوة على ذلك، يوصي مولينا غريما وآخرون.41 بدرجة حموضة أقل من 8 للحد من فقدان النيتروجين وتحقيق امتصاص أفضل للنيتروجين بواسطة الطحالب الدقيقة/الكتلة الحيوية 41. ومع ذلك ، يقترح Yuvraj et al.42 أن الرقم الهيدروجيني ليس طريقة مناسبة لتقييم محتوى CO2 في الماء بسبب تأثير التسميد النيتروجيني على حموضة الوسط 42. تظهر نتائجنا أنه يمكن استخدام الرقم الهيدروجيني بفعالية لإدارة حقن ثاني أكسيد الكربون2 للنظام المعروض هنا (الشكل 6) ؛ أدت إدارتنا لحقن غاز المداخن ، والتي حافظت على الثقافة عند الرقم الهيدروجيني 8 ، إلى غلة عالية للكتلة الحيوية وقابلية للتكرار (الشكل 7).
بعد التلقيح ، يجب أن تتأقلم الطحالب مع النظام لتجنب التثبيط الضوئي والتكيف مع درجة الحرارة العالية لوسائط مجرى السباق. في هذا المناخ الحار شبه الجاف ، لاحظنا تثبيط الطحالب الضوئية بسبب الإشعاع الشمسي العالي39،43،44 (الشكل 9). هذا التأثير لا يمكن أن يؤخر فحسب ، بل يمنع أيضا تلقيح الطحالب الدقيقة خلال المرحلة الأسية32،35،45،46،47. للحد من تأثير التأقلم على الطحالب الدقيقة ، قمنا بتصميم استراتيجية ناجحة ومجدية تتكون من تظليل جزئي لبركة مجرى السباق باستخدام منصات خشبية. تسمح هذه الاستراتيجية للطحالب الدقيقة بالتعرض بشكل متكرر ولكن لفترات قصيرة من الزمن للظروف الشمسية. عامل إجهاد آخر هو ارتفاع درجة حرارة غاز المداخن والهواء المحيط33,48 (الشكل 8). درجة حرارة غاز المداخن مرتفعة جدا في مرحلة ما بعد الاحتراق10،48،49. يمكن أن يساهم استخدام غاز المداخن عن طريق حقنه مباشرة من خط الأنابيب المرسل إلى بركة مجرى السباق في زيادة درجة حرارة الوسط. وبالتالي ، فإن المكثف الذي يتبعه مصيدة ماء تقع قبل الضاغط لن يقلل فقط من انتقال الحرارة ولكن أيضا من كمية الماء التي تصل إلى الضاغط (الشكل 2). وجدنا أن كلا الجهازين كانا ضروريين لتقليل معدل فشل الضاغط. بالإضافة إلى ذلك ، يجب مراعاة الرطوبة ودرجة حرارة غاز المداخن والطبيعة المسببة للتآكل لغاز المداخن عند تقدير دورة حياة الضاغط وصيانته. علاوة على ذلك ، تتسبب درجات الحرارة المرتفعة في ارتفاع معدلات التبخر.
يخضع هذا البروتوكول لبعض القيود. وفقا للشكل 6 ، لم يكن صمام التحكم قادرا على حقن ما يكفي من غاز المداخن عندما كان التمثيل الضوئي في ذروته. يمكن أن يعزى هذا التأثير إلى انخفاض انتقال الكتلة من المرحلة الغازية إلى المرحلة السائلة بسبب تصميم المفاعل 5,16,50,51. ذكر Mendoza et al.36,52 و de Godos et al.16 أن أحواض المجاري لديها نقل كتلة ضعيف للغاز / السائل ، وهو ما يمثل أحد أشد قيود التصميم16,36,52. يحد تصميم القناة الضحلة من نقل كتلة CO 2 بسبب منطقة الواجهة القصيرة بين الغاز ووسط الاستزراع ، مما يسبب زيادة في إزالة غاز CO 2 (الشكل 2). وهكذا ، تم اقتراح أجهزة وتكوينات جديدة لزيادة وقت ملامسة الغاز / السائل ، بما في ذلك المستنقعات ، وأعمدة الخلط ، والسيليكون القابل للنفاذ ، وأنظمة نشر التناثر36،52،53. وقد استخدمت جميع هذه النظم في محاولة لتعزيز النقل الجماعي لثاني أكسيد الكربون2؛ ومع ذلك ، فإن بعض هذه الأنظمة تعمل أيضا على تحسين توزيع العناصر الغذائية ، والتحكم في درجة الحموضة ، وإزالة فائض O2 5,24,36,52. وأخيرا ، فإن الانقطاعات هي قيود أخرى يمكن أن تنشأ عند التقاط واستخدام غاز المداخن الحقيقي من محطة توليد الكهرباء. لا يتم جدولة هذه الانقطاعات دائما. وبالتالي، ينبغي النظر في مصادر بديلة مؤقتة لثاني أكسيد الكربون 2، على سبيل المثال، نقل أو توصيل الخط الرئيسي لثاني أكسيد الكربون2 بوحدات طاقة متعددة (الشكل 1).
يتم دعم القدرة على إنتاج الطحالب الدقيقة باستخدام هذا البروتوكول من خلال نتائجنا حول إنتاجية الطحالب (الشكل 5) ، واستجابات الطحالب للمعلمات المختارة (الشكل 6 ، الشكل 8 ، الشكل 9) ، والزراعة الناجحة لأنواع الطحالب المرغوبة عند رعايتها عن طريق الحقن المباشر لغاز المداخن. المفاعلات المفتوحة أرخص في التشغيل ، وبالتالي ، يعتمد هذا البروتوكول على نقاط قوتها لتسريع النشر على نطاق تجاري لهذا النوع من احتجاز الكربون واستخدامه16،20،54،55،56. وتشهد هذه المنطقة الحارة شبه القاحلة إشعاعات شمسية عالية وتقلبات كبيرة في درجات الحرارة على مدار السنة (الشكل 8 والشكل 9)(57)؛ وبالتالي ، فهو موقع رئيسي لاختبار هذا النوع من البروتوكولات. ووفر مستشعر الكثافة البصرية قراءات متسقة للاستنفاد المساعد لنظامنا المفتوح في الهواء الطلق (الشكل 5)؛ سيكون هذا النوع من جمع البيانات غير عملي باستخدام أجهزة استشعار أخرى. أيضا ، استجابت أجهزة الاستشعار بشكل جيد للتغيرات الكبيرة في درجات الحرارة من النهار إلى الليل (الشكل 8) ، مما مكننا من اتخاذ قرارات إنتاجية الطحالب في الوقت المناسب29. وعلاوة على ذلك، فإن الوسط الأمثل المقترح له ميزة حاسمة تتمثل في استناده إلى الأسمدة التجارية ومصادر المغذيات المتاحة بسهولة58 (الجدولان 1 و 2)؛ يمكن إنتاج هذه الوسيلة بسهولة داخل الشركة أو يمكن الحصول عليها عند الطلب من شركات الأسمدة السائلة الزراعية58. وأخيرا، تم اختبار البروتوكول شبه الآلي في محطة إضافية لتوليد الطاقة بالغاز الطبيعي. لم يتم عرض نتائج دراسة التأكيد هذه في هذه الورقة. في دراسة التأكيد هذه ، كان البروتوكول ناجحا على الرغم من الظروف الجوية القاسية في توكسون ودرجات الحرارة المرتفعة بشكل استثنائي في محطة التوليد بسبب موقع المفاعل داخل تخطيط محطة توليد الطاقة. لذلك ، تم فحص قابلية تكرار البروتوكول لبيئة توكسون عندما يتم استخدام الغاز الطبيعي كوقود لإنتاج الكهرباء.
يوصى بالخطوات التالية لمواصلة تطوير هذا البروتوكول وتحسين وتعزيز أتمتة العمليات المعنية. التوصية الأولى هي جعل حقن غاز المداخن عملية متغيرة تماما ، وبالتالي تحسين إدارة CO2 والرقم الهيدروجيني. يفتح البرنامج الحالي صمام الحقن بالكامل عندما يرتفع الرقم الهيدروجيني فوق 8 ويغلقه عندما يصل الرقم الهيدروجيني إلى 8 مرة أخرى. تحسين طريقة حقن ثاني أكسيد الكربون2 ضروري أيضا. والهدف من ذلك هو تقليل حجم فقاعات ثاني أكسيد الكربون 2 ، أي توليد فقاعات صغيرة لتعزيز انتشار ثاني أكسيد الكربون2 في الوسط دون اللجوء إلى حقن غاز المداخن عند ضغط أعلى. ويعتبر استخدام الحقن المحسنة، وبالتالي خفض تكاليف الطاقة التشغيلية، ضروريا في التطبيق التجاري للبروتوكول. ويوصى أيضا بإدراج أدوات تنبؤية تستند إلى توقعات الطقس والحالة الراهنة للطحالب الدقيقة للتحكم في غاز المداخن والأسمدة، ولا سيما N، لتحسين كفاءة استخدام N. ويعتبر استخدام النمذجة الدينامية للسوائل الحسابية أداة حيوية في مواصلة تطوير البروتوكول المقترح؛ يمكن أن تساعد النمذجة في تحسين تصميم وتكوين وتشغيل جميع الأجهزة المشاركة في مراقبة وإدارة الطحالب الدقيقة. مجال آخر يمكن استكشافه في المستقبل هو تطبيق الحمض النووي البيئي (eDNA) وتقنيات PCR في الوقت الحقيقي لمراقبة صحة وتكوين محصول الطحالب الدقيقة. يمكن تحليل عينات المياه ، وستشير النتائج إلى ما إذا كانت الطحالب الدقيقة الموضوعية هي الأنواع السائدة في الوسط أو ما إذا كانت تتنافس أو تم استبدالها بكائن حي مختلف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
تم دعم هذا العمل من خلال المشروع الإقليمي لاختبار المواد الأولية للطحالب ، وزارة الطاقة الأمريكية DE-EE0006269. كما نشكر إستيبان خيمينيز وجيسيكا بيبلز وفرانسيسكو أسيدو وخوسيه سيسنيروس وفريق RAFT ومارك مانسفيلد وموظفي محطة توليد الطاقة UA وموظفي محطة توليد الطاقة TEP على كل مساعدتهم.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Adjustable speed motor (paddle wheel system) | Leeson | 174307 | Lesson 174307.00, type: SCR Voltage; Amps:10 |
| Aluminum weight boats | Fisher Scientific | 08-732-102 | Fisherbrand Aluminum Weighing Dishes |
| Ammonium Iron (III) (NH?)?[Fe(C?H?O?)?] | Fisher Scientific | 1185 - 57 - 5 | Medium preparation. Ammonium iron(III) citrate |
| Ammonium Phosphate | Sigma-Aldrich | 7722-76-1 | This chemical is used for the optimized medium |
| Ampicillin sodium salt | Sigma Aldrich | A9518-5G | This chemical is used for avoiding algae contamination |
| Autoclave | Amerex Instrument Inc | Hirayama HA300MII | |
| Bacto agar | Fisher Scientific | BP1423500 | Fisher BioReagents Granulated Agar |
| Bleach | Clorox | Germicidal Bleach, concentrated clorox | |
| Boric Acid (H3BO3) | Fisher Scientific | 10043-35-3 | Trace Elelements: Boric acid |
| Calcium chloride dihydrate (CaCl2*2H2O) | Sigma-Aldrich | 10035-04-8 | Medium preparation. Calcium chloride dihydrate |
| Carboys (20 L) | Nalgene - Thermo Fisher Scientific | 2250-0050PK | Polypropylene Carboy w/Handles |
| Centrifuge | Beckman Coulter, Inc | J2-21 | |
| Chloroform | Sigma-Aldrich | 67-66-3 | This chemical is used for lipid extraction |
| Citraplex 20% Iron | Loveland Products | SDS No. 1000595582 -17-LPI | https://www.fbn.com/direct/product/Citraplex-20-Iron#product_info |
| Cobalt (II) nitrate hexahydrate (Co(NO3)2*6H2O) | Sigma-Aldrich | 10026-22-9 | Trace Elements: Cobalt (II) nitrate hexahydrate |
| Compressor | Makita | MAC700 | This equipment is used for the injection CO2 system |
| Control Valve | Sierra Instruments | SmartTrak 100 | This item needs to be customized for your application. In our case, it was used a 5% CO2 and 95% air mixture. |
| Copper (II) Sulfate Pentahydrate (CuSO4*5H2O) | Sigma-Aldrich | 7758-99-8 | Trace Elements: Copper (II) Sulfate Pentahydrate |
| Data Logger: Campbell unit CR3000 | Scientific Campbell | CR3000 | This equipment is used for controlling all the system, motoring and recording data |
| Dissolvde Oxygen Solution | Campbell Scientific | 14055 | Dissolved oxygen electrolyte solution DO6002 - Lot No. 211085 |
| Dissolved Oxygen probe | Sensorex | ? | DO6400/T Dissolved Oxygen Sensor with Digital Communication |
| Electroconductivity calibration solution | Ricca Chemical Company | 2245 - 32 ( R2245000-1A ) | Conductivity Standard, 5000 uS/cm at 25C (2620 ppm TDS as NaCl) |
| Electroconductivity probe sensor | Hanna Instruments | HI3003/D | Flow-thru Conductivity Probe - NTC Sensor, DIN Connector, 3m Cable |
| Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate (Na2EDTA*2H2O) | Sigma-Aldrich | 6381-92-6 | Medium Preparation: Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate |
| Filters | Fisher Scientific | 09-874-48 | Whatman Binder-Free Glass Microfiber Filters |
| Flasks | Fisher scientific | 09-552-40 | Pyrex Fernbach Flasks |
| Furnace | Hogentogler | Model: F6020C-80 | Thermo Sicentific Thermolyne F6020C - 80 Muffle Furnace |
| Glass dessicator | VWR International LLC | 75871-430 | Type 150, 140 mm of diameter |
| Glass funnel | Fisher Scientific | FB6005865 | Fisherbrand Reusable Glass Long-Stem Funnels |
| Laminar flow hood | Fisher Hamilton Safeair | Fisher Hamilton Stainless Safeair hume hood | |
| Magnesium sulfate heptahydrate (MgSO4*7H2O) | Fisher Scientific | 10034 - 99 - 8 | Medium Preparation: Magnesium sulfate heptahydrate |
| Methanol | Sigma-Aldrich | 67-56-1 | Lipid extraction solvent |
| Micro bubble Diffuser | Pentair Aquatic Eco-Systems | 1PMBD075 | This equipment is used for the injection CO2 system |
| Microalgae: Chlorella Sorokiniana | NAABB | DOE 1412 | |
| Microoscope | Carl Zeiss 4291097 | ||
| Microwave assistant extraction | MARS, CEM Corportation | CEM Mars 5 Xtraction 230/60 Microwave Accelerated Reaction System. Model: 907601 | |
| MnCl2*4H2O | Sigma-Aldrich | 13446-34-9 | Manganese(II) chloride tetrahydrate |
| Mortars | Fisher Scientific | FB961B | Fisherbrand porcelein mortars |
| Nitrogen evaporator | Organomation | N-EVAP 112 Nitrogen Evaporatpr (OA-SYS Heating System) | |
| Oven | VWR International LLC | 89511-410 | Forced Air Oven |
| Paddle Wheel | 8-blade horizontal axis propeller. This usually comes as part of the paddlewheel reactor. | ||
| Paddle wheel motor | Leeson | M1135042.00 | Leeson, Model: CM34025Nz10C; 1/4 HP; Volts 90; FR 34; 62 RPM. |
| Pestles | Fisher Scientific | FB961M | Fisherbrand porcelein pestles |
| pH and EC Transmitter | Hanna Instruments | HI98143 | Hanna Instruments HI98143-04 pH and EC Transmitter with Galvanic isolated 0-4V. |
| pH calibration solutions | Fisher Scientific | 13-643-003 | Thermo Scientific Orion pH Buffer Bottles |
| pH probe sensor | Hanna Instruments | HI1006-2005 | Hanna Instruments HI1006-2005 Teflon pH Electrode with matching pin 5m. |
| Pippete tips | Fisher Scientific | 1111-2821 | 1000 ul TipOne graduated blue tip in racks |
| Pippetter | Fisher Scientific | 13-690-032 | Eppendorf Reserch plus Variable Adjustable Volume Pipettes: Single-channel |
| Plastic cuvettes | Fisher scientific | 14377017 | BrandTech BRAND Plastic Cuvettes |
| Plates | Fisher scientific | 08-757-100D | Corning Falcon Bacteriological Petri Dishes with Lid |
| Potash | This chemical is used for the optimazed medium preparation. It was bought in a fertilizer local company | ||
| Potassium phosphate dibasic (K2HPO4) | Sigma-Aldrich | 7758 -11 - 4 | Medium Preparation: Potassium phosphate dibasic |
| Pyrex reusable Media Storage Bottles | Fisher scientific | 06-414-2A | 1 L and 2 L bottels - PYREX GL45 Screw Caps with Plug Seals |
| Raceway Pond | Similar equipment can be bought at https://microbioengineering.com/products | ||
| Real Time Optical Density Sensor | University of Arizona | This equipment was design and build by a member of the group | |
| RS232 Cable | 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 | Algae agitation 150 rpm | ||
| Sodium Carbonate (Na2CO3) | Sigma-Aldrich | 497-19-8 | Sodium carbonate |
| Sodium molybdate dihydrate (Na2MoO4*2H2O) | Sigma-Aldrich | 10102-40-6 | Medium Preparation: Sodium molybdate dihydrate |
| Sodium nitrate (NaNO3) | Sigma-Aldrich | 7631-99-4 | Medium Preparation: Sodium nitrate |
| Spectophotometer | Fisher Scientific Company | 14-385-400 | Thermo Fisher Scientific - 10S UV-Vis GENESTYS Spectrophotometer cylindrical Longpath cell holder; internal reference dectector, Xenon flash lamp; dual silicon photodiode; 240V, 50 to 60Hz selected automatically. |
| Test tubes | Fisher Scientific | 14-961-27 | Fisherbrand Disposable Borosilicate Glass Tubes with Plain End (10 ml) |
| Thermocouples type K | Omega | KMQXL-125G-6 | |
| Urea | Sigma-Aldrich | 2067-80-3 | Urea |
| Vacuum filtration system | Fisher Scientific | XX1514700 | MilliporeSigma Glass Vacuum Filter Holder, 47 mm. The system includes: Ground glass flask attachment, coarse-frit glass filter support, and flask |
| Vacuum pump | Grainger | Marathon Electric AC Motor Thermally protected G588DX - MOD 5KH36KNA510X. HP 1/4. RPM 1725/1425 | |
| Zinc sulfate heptahydrate (ZnSO4*7H2O) | Sigma-Aldrich | 7446-20-0 | Zinc sulfate heptahydrate |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Benemann, J. CO2 Mitigation with Microalgae Systems. Pergamon Energy Conversion Management Journal. 38, 475-479 (1997).
- U.S.Department of Energy. The Capture , Utilization and Disposal of Carbon Dioxide from Fossil Fuel-Fired Power Plants. Energy. 2, (1993).
- 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).
- 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).
- Joshi, C., Nookaraju, A. New Avenues of Bioenergy Production from Plants: Green Alternatives to Petroleum. Journal of Petroleum & Environmental Biotechnology. 03 (07), 3 (2012).
- Chisti, Y. Constraints to commercialization of algal fuels. Journal of Biotechnology. 22, 166-186 (2013).
- 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).
- Lam, M., Lee, K. Potential of using organic fertilizer to cultivate Chlorella vulgaris for biodiesel production. Applied Energy. 94, 303-308 (2012).
- 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).
- Posten, C., Schaub, G. Microalgae and terrestrial biomass as source for fuels a process view. Journal of Biotechnology. 142 (1), 64-69 (2009).
- Demirbas, M. Biofuels from algae for sustainable development. Applied Energy. 88 (10), 3473-3480 (2011).
- Shelef, G., Sukenik, A., Green, M. Microalgae Harvesting and Processing A Literature Review. , (1984).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Pidwirny, M. Fundamentals of Physical Geography, 2nd ed. , (2006).
- 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).
- Jia, F., Kacira, M., Ogden, K. Multi-wavelength based optical density sensor for autonomous monitoring of microalgae. Sensors (Switzerland). 15 (9), 22234-22248 (2015).
- 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).
- Neofotis, P., et al. Characterization and classification of highly productive microalgae strains discovered for biofuel and bioproduct generation. Algal Research. 15, 164-178 (2016).
- 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).
- 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).
- Ramezan, M., Skone, T., Nsakala, N., Lilijedahl, G. Carbon Dioxide Capture from Existing Coal-Fired Power Plants. , 268 (2007).
- 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).
- Mendoza, J., et al. Fluid-dynamic characterization of real-scale raceway reactors for microalgae production. Biomass and Bioenergy. 54, 267-275 (2013).
- Algae Cultivation for Carbon Capture and Utilization Workshop. Algae Cultivation for Carbon Capture and Utilization Workshop. , (2017).
- Park, J., Craggs, R., Shilton, A. Wastewater treatment high rate algal ponds for biofuel production. Bioresource Technology. 102 (1), 35-42 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- Padmanabhan, Y. P. Technical insight on the requirements for CO2-saturated growth of microalgae in photobioreactors. 3 Biotech. 7 (2), 1-7 (2017).
- Vonshak, A., Torzillo, G.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mendoza, J., et al. Oxygen transfer and evolution in microalgal culture in open raceways. Bioresource Technology. 137, 188-195 (2013).
- Carvalho, A., Malcata, F., Meireles, A. Microalgal Reactors A Review of Enclosed System Designs and Performances. Biotechnology Progress. 22 (6), 1490-1506 (2006).
- 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).
- Lam, M., Lee, K. Microalgae biofuels: A critical review of issues, problems and the way forward. Biotechnology Advances. 30 (3), 673-690 (2012).
- Chisti, Y. Biodiesel from microalgae beats bioethanol. Trends in Biotechnology. 26 (3), 126-131 (2008).
- 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).
- Lammers, P., et al. Review of the Cultivation Program within the National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproducts. Algal Research. 22, 166-186 (2017).
