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摘要

描述了一种利用天然气发电厂烟气中的二氧化碳在开放式水道池中培养微藻的协议。烟气注入由pH传感器控制，微藻生长通过实时测量光密度来监测。

摘要

在美国，二氧化碳（CO2）排放总量的35%来自电力行业，其中30%代表天然气发电。微藻可以比植物快10到15倍地生物固定CO2 ，并将藻类生物质转化为感兴趣的产品，如生物燃料。因此，这项研究提出了一种方案，证明了微藻种植与位于美国西南部的天然气发电厂在炎热的半干旱气候下的潜在协同作用。最先进的技术用于通过绿藻种类 小球藻sorokiniana来增强碳捕获和利用，该物种可以进一步加工成生物燃料。我们描述了一个涉及半自动开放式管道池的协议，并讨论了在亚利桑那州图森的图森发电厂进行测试时的性能结果。以烟气为主要碳源控制pH值，培养小 球藻 。使用优化的培养基来培养藻类。作为时间的函数，添加到系统中的 CO2 量受到密切监控。此外，还监测了影响藻类生长速率、生物量生产率和固碳的其他物理化学因素，包括光密度、溶解氧（DO）、电导性（EC）以及空气和池塘温度。结果表明，微藻产量可达0.385 g/L，无灰干重，脂质含量为24%。利用CO2 排放者和藻类养殖者之间的协同机会，可以提供增加碳捕获所需的资源，同时支持藻类生物燃料和生物制品的可持续生产。

引言

全球变暖是当今世界面临的最重要的环境问题之一1.研究表明，主要原因是由于人类活动导致大气中温室气体（GHG）排放量的增加，主要是CO2，2，3，4，5，6，7。在美国，二氧化碳排放密度最大的主要来自能源部门的化石燃料燃烧，特别是发电厂3，7，8，9。因此，碳捕集和利用（CCU）技术已成为减少温室气体排放的主要战略之一2，7，10。这些包括利用阳光在营养物质存在下通过光合作用将CO2和水转化为生物质的生物系统。由于生长速度快，CO2固定能力高，生产能力高，提出了使用微藻的方法。此外，微藻具有广泛的生物能源潜力，因为生物质可以转化为感兴趣的产品，例如可以取代化石燃料的生物燃料7，9，10，11，12。

微藻可以在各种养殖系统或反应器中生长并实现生物转化，包括开放式水道池塘和封闭式光生物反应器13、14、15、16、17、18、19。研究人员研究了在室内或室外条件下决定两种栽培系统中生物过程成功与否的优点和局限性5，6，16，20，21，22，23，24，25.开放式水道池塘是烟气直接从烟囱中分配的情况下，最常见的碳捕获和利用养殖系统。这种类型的栽培系统相对便宜，易于放大，能源成本低，混合能源要求低。此外，这些系统可以很容易地与发电厂位于同一地点，以使CCU过程更加高效。但是，需要考虑一些缺点，例如CO2气体/液体传质的限制。虽然存在局限性，但开放式水道池塘已被提议为最适合室外微藻生物燃料生产的系统5，9，11，16，20。

在本文中，我们详细介绍了在开放式水道池塘中培养微藻的方法，该方法结合了从天然气发电厂烟气中捕获的碳。该方法由一个半自动化系统组成，该系统根据培养pH值控制烟气注入;该系统使用光密度、溶解氧 （DO）、电导率 （EC） 以及空气和池塘温度传感器实时监测和记录 小球藻 培养状态。在图森电力设施中，数据记录仪每10分钟收集一次藻类生物质和烟气注入数据。藻类菌株维持、放大、质量控制测量和生物质表征（例如，光密度、g/L 和脂质含量之间的相关性）在亚利桑那大学的实验室环境中进行。先前的协议概述了一种优化烟气设置的方法，以通过计算机模拟26促进光生物反应器中的微藻生长。这里介绍的协议是独一无二的，因为它利用了开放式水道池塘，并且设计用于在天然气发电厂现场实施，以便直接利用产生的烟气。此外，实时光密度测量是协议的一部分。所描述的系统针对炎热的半干旱气候（柯本BSh）进行了优化，该气候的降水量低，降水逐年变化很大，相对湿度低，蒸发率高，天空晴朗，太阳辐射强烈27.

研究方案

1.生长系统:室外开放式水道池塘设置

  1. 在靠近烟气源（含有8-10%CO2）的地方设置开放式水道池。确保池塘反应器位置有水和电，并且反应器在一天中的大部分时间里不在阴凉处（图1）。
  2. 在燃烧后过程中，使用0.95厘米的燃油软管捕获烟气，在烟气进入烟囱排放到大气中之前几米处（图2）。
  3. 使用20 L水收集器和烟囱和压缩机之间的冷凝器（盘管长度〜12 m）从烟气中除水（图2）。
    注:烟气通常含有约 9\u201213.8% 的水28。此外，冷凝器和管道冷却烟气16。
  4. 将以下传感器连接到数据记录器以监测藻类生长:（1）实时光密度传感器29，其测量两个波长（650和750nm）的吸光度，并且可以检测最大藻类细胞浓度1.05 g / L;（2）溶解氧传感器;（3）空气和池塘热电偶;（4）pH传感器;（5）EC传感器。
    注:此外，pH 和 EC 传感器连接到变送器。数据记录器单元配置如图 3所示。
  5. 确保藻类生长系统的所有组件在接种前都经过校准并正常工作。

2.pH控制系统

  1. 使用压缩机、控制阀系统和数据记录程序管理烟气喷射，如图 2 和 图3 （补充材料A）所示。
  2. 使用管子通过石材扩散器将烟气从控制阀引导到滚道池的底部。
  3. 根据pH值将烟气注入生长系统。当pH值大于8.05时，系统将注入烟气，而当pH值小于8.00时，系统将在无生长期间停止烟气注入。流量以标准升/分钟（SLPM）为单位进行测量。
    注:在控制阀中，入口烟气压力限制为最大50 psi。

3. 藻类选择和菌株维持（光照和温度）

注:绿藻小球藻DOE 1412由Juergen Polle（布鲁克林学院）30，31分离，并由国家先进生物燃料和生物制品联盟（NAABB）选择;其选择基于Huesemann等人先前进行的菌株表征研究。他们对西南地区使用室外开放式水道池塘时的藻类筛选，生物量生产力和气候模拟培养（例如，温度和光照）的研究为本项目中使用的方法提供了信息。

  1. 使用12小时/ 12小时光/暗循环在室温（25°C）下保持培养物。
  2. 将光强度保持在200μM/ m2 / s，以维持在平板和小液体培养物（50 mL至500 mL）中生长的培养物。
  3. 在 50 mL 至 500 mL 的液体培养物中，以 400 μM/m 2/s 的速度，在 5 L 至20 L 的液体培养物中，在 600\u200μM/m 2/s 下保持轻强度以增大。

4. 放大和质量控制

  1. 使用去离子水和以下盐制备BG11培养基，用于常量营养素，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 * 2 H， 0.02 Na2CO3;加入1 mL/L微量元素溶液，其中含有以下微量营养素: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。
    注意:对于平板接种和/或长期储存，加入7.5克/ L巴斯托琼脂;对于培养接种，不需要添加琼脂。在高压釜中在121°C下灭菌培养基21分钟。
  2. 将BG11培养基与琼脂一起倒入无菌层流罩或生物安全柜中的培养皿中。一旦板变硬并冷却，从重新悬浮的冷冻藻类储备培养物中移液500μL，并加入氨苄西林（100μg/ mL）;将藻类板在摇摇杯（120rpm）中孵育1至2周。
  3. 使用无菌环从培养板中选择单个藻类菌落，并将其接种在含有无菌生长培养基的50mL管中，放在干净的生物安全柜中。在摇床（120rpm）上生长小液体培养物一周。
  4. 将50mL藻类培养物（线性生长阶段，OD750nm ≥1）转移到具有500mL液体培养基的1L烧瓶中。用橡胶塞和不锈钢管安装每个烧瓶以提供曝气。使用0.2μm空气杀菌过滤器过滤空气。让培养物生长一到两周。使用分光光度计（OD750nm）监测细胞密度。
  5. 将500mL液体培养物放入含有8L非无菌培养基的10L卡托中，并注入5%CO2 和95%空气的混合物。然后，在与步骤4.4相同的条件下培养藻类。
  6. 每周监测一次储备板和液体培养物（在步骤 4.2\u20124.5 中）。取等分试样并在显微镜下以10倍和40倍放大倍率观察，以确保所需菌株的生长。保留培养物，直到它们被破坏或用于实验。丢弃受污染的培养物。

5. 开放池塘养殖用浓缩培养基制备

  1. 为了制备微量元素溶液，用蒸馏水（DW）部分填充1L容量瓶。插入磁力搅拌棒，并依次加入 表1 所示的化学品。确保每种成分在添加下一种成分之前溶解。取下磁铁并将烧瓶填充到1 L体积标记。
  2. 用DW部分填充1 L玻璃瓶，然后插入磁力搅拌棒。将容器放在磁力搅拌器板的顶部，并添加反应器最终体积的化学物质，按顺序添加，确保每个化学物质完全溶解。 表2 列出了制备1L培养基的化学品，因此将所有值乘以反应器的最终体积。将玻璃瓶填充至1 L。

6. 室外开放式水道池接种

  1. 在每次接种前和收获后使用30%漂白剂彻底清洁反应器。建议将漂白剂放置过夜。冲洗反应器以除去所有漂白剂。
  2. 在藻类接种之前，根据其相应的校准程序校准所有传感器。
  3. 使用水源稀释浓缩的介质（在步骤5中），将滚道池填充至80%。
  4. 使用充满藻类的10L carboy（线性生长期OD750nm > 2）接种反应器，并使其达到最终体积。
  5. 一旦指数阶段过去，通过用木托盘部分遮蔽水道池塘约3天（图4），作为避免光抑制的适应策略，使微藻适应。
    注:这段时间还将为微藻适应烟气直喷引起的应力提供时间。

7. 发电站批量生长实验

  1. 检查并记录任何日常变化，包括水分蒸发、明轮电机、传感器功能以及任何异常情况。
  2. 每天排空并检查压缩机和疏水阀，以除去任何多余的水，以尽量减少腐蚀，因为烟气具有高度腐蚀性34。
  3. 将数据记录仪配置为每 10 秒扫描一次每个传感器测量值，并每 10 分钟存储一次平均数据。这些包括溶解氧、pH、EC、实时光密度以及空气和反应器温度。

8. 离散采样和监测

  1. 确保水位在反应堆的最终体积处保持恒定，否则光密度测量将受到影响。
  2. 补充反应器中的水后，使用紫外可见分光光度计通过光密度（540，680和750nm）取5mL样品进行细胞质量测量。每天重复该过程。
  3. 每周采集 500 mL 样品三次，用于显微镜观察和基于无灰干重 （AFDW） 的生物质浓度。
    1. 使用10倍和40倍物镜进行显微镜观察。此外，这些显微镜放大倍率被用作步骤4.6中描述的藻类质量控制的一部分。
    2. 在步骤8.3中使用400 mL样品进行AFDW
      1. 将每个0.7μm孔径的玻璃超细纤维过滤器置于铝箔托盘中，并使用熔炉在540°C下预处理每个铝箔托盘/过滤器4小时。
      2. 使用#2铅笔标记每个铝箔托盘，记录其重量（A），并将其放入真空过滤设备中。
      3. 在测量出要过滤的体积之前，用力搅拌藻类样品。过滤足够的藻类样品，得到8至16mg之间的前/后灰分重量差。选择要在整个实验过程中使用的权重差，并保持此值不变。
      4. 将含有藻类样品的每个过滤器置于105°C的烘箱中的铝箔托盘中至少12小时。
      5. 从干燥炉中取出铝箔托盘/过滤器，并将其放入玻璃干燥器中以防止吸水。记录每个铝箔托盘/过滤器重量（B）。
      6. 将铝箔托盘/过滤器置于540°C马弗炉中4小时。
      7. 关闭马弗炉，冷却铝箔托盘/过滤器，将它们放入干燥器中，并记录每个箔托盘/过滤器重量（C）。
      8. 使用重量分析计算 AFDW:
        % AFDW= C – A x 100 / B
  4. 在收获前保持2 L藻类，使用溶剂进行微波辅助提取（MAE）脂质提取分析。
    1. 以4，400×g 的相对离心力（RFC）离心藻类样品15分钟。取藻类沉淀，用烤箱在80°C下干燥至少24小时。
    2. 研磨藻类样品并称量藻类粉末（推荐的生物质范围为0.3g至0.5g）。
    3. 将藻粉（干藻类生物质）加入微波加速反应系统（MARS）Xpress容器中，在罩下加入10mL氯仿:甲醇（2:1，v / v）溶剂溶液，关闭容器，静置过夜。
    4. 使用溶剂传感器将容器放入MARS机器中，在70°C和800 W功率下60分钟。
    5. 将船只带出火星，让它们在引擎盖下冷却。
    6. 使用漏斗和玻璃棉将每个液体样品转移到预先称重的玻璃试管中，分离含有氯仿，甲醇和脂质的液体部分，并保持固体（生物质不含脂质）以进行其他分析。
    7. 将含有脂质的试管取到氮气蒸发器中，一旦液体蒸发，将其取出，然后将试管在引擎盖下过夜，以确保完全干燥。
    8. 使用重量法分析计算脂质含量（重量百分比）:
      脂质含量（重量百分比）=脂质干生物量×100/干藻质量

9. 藻类收获和作物轮作

  1. 当培养接近达到固定阶段时，收获总藻类培养量的75%。取 2\u20125 L 培养物，在实验室中进行生物质生产力分析。处理并将其余的藻类转化为所需的藻类产品。
  2. 通过使用剩余的25%藻类作为接种物来重新生长开放的水道池塘。加入高达反应器总体积80%的水，加入浓缩的介质，然后完成填充，直到反应器的最终体积（如有必要）。
  3. 根据季节，根据温度和光照强度条件培养适当的藻类品系。

10. 数据管理

  1. 在数据记录器中记录数据并收集以进行分析，如步骤7.3所示。
  2. 考虑将原始和分析数据保存在区域藻类原料测试平台 （RAFT） 共享驱动器中。RAFT项目合作者贡献他们的数据来模拟和建模藻类生产力并验证户外栽培。

结果

我们实验室先前的实验结果表明，使用半自动开放式管道池的微藻培养可以与碳捕获过程相结合。为了更好地理解这两个过程之间的协同作用（图2），我们开发了一个方案，并对其进行了定制，以便在炎热的半干旱气候下的户外条件下培养绿藻物种 小球藻 。天然气烟气是从工业发电站获得的。该协议使用各种技术来评估藻类生物质的生产力:（1）藻类生长使用实时?...

讨论

在这项研究中，我们证明了在炎热的半干旱气候下，协同耦合烟气碳捕获和微藻培养是可能的。半自动水道池塘系统的实验方案集成了最先进的技术，以实时监测使用烟气作为碳源时与藻类生长相关的相关参数。拟议的议定书旨在减少藻类养殖的不确定性，这是20，21，36水道池塘的主要缺点之一。根据我们的经验，该协议最关...

披露声明

作者没有什么可透露的。

致谢

这项工作得到了美国能源部DE-EE0006269区域藻类原料试验台项目的支持。我们还感谢Esteban Jimenez，Jessica Peebles，Francisco Acedo，Jose Cisneros，RAFT Team，Mark Mansfield，UA发电厂工作人员和TEP发电厂工作人员的所有帮助。

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
Adjustable speed motor (paddle wheel system)Leeson174307Lesson 174307.00, type: SCR Voltage; Amps:10
Aluminum weight boatsFisher Scientific08-732-102Fisherbrand Aluminum Weighing Dishes
Ammonium Iron (III) (NH?)?[Fe(C?H?O?)?]Fisher Scientific1185 - 57 - 5Medium preparation. Ammonium iron(III) citrate
Ammonium PhosphateSigma-Aldrich7722-76-1This chemical is used for the optimized medium
Ampicillin sodium saltSigma AldrichA9518-5GThis chemical is used for avoiding algae contamination
AutoclaveAmerex Instrument IncHirayama HA300MII
Bacto agarFisher ScientificBP1423500Fisher BioReagents Granulated Agar
BleachCloroxGermicidal Bleach, concentrated clorox
Boric Acid (H3BO3)Fisher Scientific10043-35-3Trace Elelements: Boric acid
Calcium chloride dihydrate (CaCl2*2H2O)Sigma-Aldrich10035-04-8Medium preparation. Calcium chloride dihydrate
Carboys (20 L)Nalgene - Thermo Fisher Scientific2250-0050PKPolypropylene Carboy w/Handles
CentrifugeBeckman Coulter, IncJ2-21
ChloroformSigma-Aldrich67-66-3This chemical is used for lipid extraction
Citraplex 20% IronLoveland ProductsSDS No. 1000595582 -17-LPIhttps://www.fbn.com/direct/product/Citraplex-20-Iron#product_info
Cobalt (II) nitrate hexahydrate (Co(NO3)2*6H2O)Sigma-Aldrich10026-22-9Trace Elements: Cobalt (II) nitrate hexahydrate
CompressorMakitaMAC700This equipment is used for the injection CO2 system
Control ValveSierra InstrumentsSmartTrak 100This 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-Aldrich7758-99-8Trace Elements: Copper (II) Sulfate Pentahydrate
Data Logger: Campbell unit CR3000Scientific CampbellCR3000This equipment is used for controlling all the system, motoring and recording data
Dissolvde Oxygen SolutionCampbell Scientific14055Dissolved oxygen electrolyte solution DO6002 - Lot No. 211085
Dissolved Oxygen probeSensorex?DO6400/T Dissolved Oxygen Sensor with Digital Communication
Electroconductivity calibration solutionRicca Chemical Company2245 - 32 ( R2245000-1A )Conductivity Standard, 5000 uS/cm at 25C (2620 ppm TDS as NaCl)
Electroconductivity probe sensorHanna InstrumentsHI3003/DFlow-thru Conductivity Probe - NTC Sensor, DIN Connector, 3m Cable
Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate (Na2EDTA*2H2O)Sigma-Aldrich6381-92-6Medium Preparation: Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate
FiltersFisher Scientific09-874-48Whatman Binder-Free Glass Microfiber Filters
FlasksFisher scientific09-552-40Pyrex Fernbach Flasks
FurnaceHogentoglerModel: F6020C-80Thermo Sicentific Thermolyne F6020C - 80 Muffle Furnace
Glass dessicatorVWR International LLC75871-430Type 150, 140 mm of diameter
Glass funnelFisher ScientificFB6005865Fisherbrand Reusable Glass Long-Stem Funnels
Laminar flow hoodFisher Hamilton SafeairFisher Hamilton Stainless Safeair hume hood
Magnesium sulfate heptahydrate (MgSO4*7H2O)Fisher Scientific10034 - 99 - 8Medium Preparation: Magnesium sulfate heptahydrate
MethanolSigma-Aldrich67-56-1Lipid extraction solvent
Micro bubble DiffuserPentair Aquatic Eco-Systems1PMBD075This equipment is used for the injection CO2 system
Microalgae: Chlorella SorokinianaNAABBDOE 1412
MicrooscopeCarl Zeiss 4291097
Microwave assistant extractionMARS, CEM CorportationCEM Mars 5 Xtraction 230/60 Microwave Accelerated Reaction System. Model: 907601
MnCl2*4H2OSigma-Aldrich13446-34-9Manganese(II) chloride tetrahydrate
MortarsFisher ScientificFB961BFisherbrand porcelein mortars
Nitrogen evaporatorOrganomationN-EVAP 112 Nitrogen Evaporatpr (OA-SYS Heating System)
OvenVWR International LLC89511-410Forced Air Oven
Paddle Wheel8-blade horizontal axis propeller. This usually comes as part of the paddlewheel reactor.
Paddle wheel motorLeesonM1135042.00Leeson, Model: CM34025Nz10C; 1/4 HP; Volts 90; FR 34; 62 RPM.
PestlesFisher ScientificFB961MFisherbrand porcelein pestles
pH and EC TransmitterHanna InstrumentsHI98143Hanna Instruments HI98143-04 pH and EC Transmitter with Galvanic isolated 0-4V.
pH calibration solutionsFisher Scientific13-643-003Thermo Scientific Orion pH Buffer Bottles
pH probe sensorHanna InstrumentsHI1006-2005Hanna Instruments HI1006-2005 Teflon pH Electrode with matching pin 5m.
Pippete tipsFisher Scientific1111-28211000 ul TipOne graduated blue tip in racks
PippetterFisher Scientific13-690-032Eppendorf Reserch plus Variable Adjustable Volume Pipettes: Single-channel
Plastic cuvettesFisher scientific14377017BrandTech BRAND Plastic Cuvettes
PlatesFisher scientific08-757-100DCorning Falcon Bacteriological Petri Dishes with Lid
PotashThis chemical is used for the optimazed medium preparation. It was bought in a fertilizer local company
Potassium phosphate dibasic (K2HPO4)Sigma-Aldrich7758 -11 - 4Medium Preparation: Potassium phosphate dibasic
Pyrex reusable Media Storage BottlesFisher scientific06-414-2A1 L and 2 L bottels - PYREX GL45 Screw Caps with Plug Seals
Raceway PondSimilar equipment can be bought at https://microbioengineering.com/products
Real Time Optical Density SensorUniversity of ArizonaThis equipment was design and build by a member of the group
RS232 CableSabrentSabrent 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 TableAlgae agitation 150 rpm
Sodium Carbonate (Na2CO3)Sigma-Aldrich497-19-8Sodium carbonate
Sodium molybdate dihydrate (Na2MoO4*2H2O)Sigma-Aldrich10102-40-6Medium Preparation: Sodium molybdate dihydrate
Sodium nitrate (NaNO3)Sigma-Aldrich7631-99-4Medium Preparation: Sodium nitrate
SpectophotometerFisher Scientific Company14-385-400Thermo 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 tubesFisher Scientific14-961-27Fisherbrand Disposable Borosilicate Glass Tubes with Plain End (10 ml)
Thermocouples type KOmegaKMQXL-125G-6
UreaSigma-Aldrich2067-80-3Urea
Vacuum filtration systemFisher ScientificXX1514700MilliporeSigma Glass Vacuum Filter Holder, 47 mm. The system includes: Ground glass flask attachment, coarse-frit glass filter support, and flask
Vacuum pumpGraingerMarathon Electric AC Motor Thermally protected G588DX - MOD 5KH36KNA510X. HP 1/4. RPM 1725/1425
Zinc sulfate heptahydrate (ZnSO4*7H2O)Sigma-Aldrich7446-20-0Zinc sulfate heptahydrate

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