JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Açık yuvarlanma yolu havuzlarında mikroalg yetiştirmek için doğal gaz santrali baca gazındaki karbondioksiti kullanmak için bir protokol tanımlanmıştır. Baca gazı enjeksiyonu bir pH sensörü ile kontrol edilir ve mikroalg büyümesi gerçek zamanlı optik yoğunluk ölçümleri ile izlenir.

Özet

Amerika Birleşik Devletleri'nde, toplam karbondioksit (CO2) emisyonlarının% 35'i, doğal gaz elektrik üretimini temsil eden elektrik enerjisi endüstrisinden gelmektedir. Mikroalgler, CO2'yi bitkilerden 10 ila 15 kat daha hızlı biyo-düzeltebilir ve alg biyokütlesini biyoyakıtlar gibi ilgi çekici ürünlere dönüştürebilir. Bu nedenle, bu çalışma, güneybatı Amerika Birleşik Devletleri'nde sıcak yarı kurak bir iklimde bulunan bir doğal gaz santrali ile mikroalg yetiştiriciliğinin potansiyel sinerjilerini gösteren bir protokol sunmaktadır. En son teknolojiler, biyoyakıta daha fazla işlenebilen yeşil alg türü Chlorella sorokiniana aracılığıyla karbon yakalama ve kullanımını geliştirmek için kullanılır. Yarı otomatik bir açık yuvarlanma yolu göletini içeren bir protokol açıklıyoruz ve Tucson, Arizona'daki Tucson Elektrik Santrali'nde test edildiğinde performansının sonuçlarını tartışıyoruz. Baca gazı, pH'ı kontrol etmek için ana karbon kaynağı olarak kullanıldı ve Chlorella sorokiniana yetiştirildi. Algleri büyütmek için optimize edilmiş bir ortam kullanıldı. Zamanın bir fonksiyonu olarak sisteme eklenen CO2 miktarı yakından izlendi. Ek olarak, alg büyüme hızını, biyokütle verimliliğini ve karbon fiksasyonunu etkileyen diğer fizikokimyasal faktörler, optik yoğunluk, çözünmüş oksijen (DO), elektroiletkenlik (EC) ve hava ve havuz sıcaklıkları dahil olmak üzere izlendi. Sonuçlar, 0.385 g / L külsüz kuru ağırlığa kadar bir mikroalg veriminin,% 24'lük bir lipit içeriği ile elde edilebileceğini göstermektedir. CO2 yayıcıları ve alg çiftçileri arasındaki sinerjik fırsatlardan yararlanmak, alg biyoyakıtlarının ve biyoürünlerinin sürdürülebilir üretimini desteklerken karbon yakalamayı artırmak için gereken kaynakları sağlayabilir.

Giriş

Küresel ısınma bugün dünyanın karşı karşıya olduğu en önemli çevre sorunlarından biridir1. Çalışmalar, ana nedenin, insan faaliyetleri nedeniyle atmosferdeki sera gazı (GHG) emisyonlarının, özellikle CO 2'nin,2,3,4,5,6,7 artışını göstermektedir. ABD'de, CO2 emisyonlarının en büyük yoğunluğu, esas olarak enerji sektöründeki fosil yakıt yanmasından, özellikle de elektrik enerjisi üretim tesislerinden 3,7,8,9'dan kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, karbon yakalama ve kullanma (CCU) teknolojileri, sera gazı emisyonlarını azaltmak için ana stratejilerden biri olarak ortaya çıkmıştır 2,7,10. Bunlar, CO2'yi ve suyu fotosentez yoluyla, besinlerin varlığında biyokütleye dönüştürmek için güneş ışığını kullanan biyolojik sistemleri içerir. Hızlı büyüme oranı, yüksek CO 2 fiksasyon kabiliyeti ve yüksek üretim kapasitesi nedeniylemikroalglerin kullanımı önerilmiştir. Ek olarak, mikroalgler geniş biyoenerji potansiyeline sahiptir, çünkü biyokütle fosil yakıtların yerini alabilecek biyoyakıtlar gibi ilgi çekici ürünlere dönüştürülebilir 7,9,10,11,12.

Mikroalgler, açık yuvarlanma yolu havuzları ve kapalı fotobiyoreaktörler 13,14,15,16,17,18,19 dahil olmak üzere çeşitli yetiştirme sistemlerinde veya reaktörlerde büyüyebilir ve biyolojik dönüşüm sağlayabilir. Araştırmacılar, iç veya dış mekan koşulları altında her iki yetiştirme sisteminde biyoprosesin başarısını belirleyen avantajları ve sınırlamaları incelemişlerdir 5,6,16,20,21,22,23,24,25 . Açık yuvarlanma yolu havuzları, baca gazının doğrudan yığından dağıtılabildiği durumlarda karbon yakalama ve kullanım için en yaygın yetiştirme sistemleridir. Bu tür bir yetiştirme sistemi nispeten ucuzdur, ölçeklendirilmesi kolaydır, düşük enerji maliyetlerine sahiptir ve karıştırma için düşük enerji gereksinimlerine sahiptir. Ek olarak, bu sistemler CCU prosesini daha verimli hale getirmek için enerji santrali ile kolayca birlikte yerleştirilebilir. Bununla birlikte, CO2 gaz / sıvı kütle transferindeki sınırlama gibi dikkate alınması gereken bazı dezavantajlar vardır. Sınırlamalar olmasına rağmen, açık yuvarlanma yolu havuzları dış mekan mikroalgal biyoyakıt üretimi için en uygun sistem olarak önerilmiştir 5,9,11,16,20.

Bu makalede, bir doğal gaz santralinin baca gazından karbon yakalamayı birleştiren açık yuvarlanma yolu havuzlarında mikroalg yetiştiriciliği için bir yöntemi detaylandırıyoruz. Yöntem, kültür pH'ına dayalı baca gazı enjeksiyonunu kontrol eden yarı otomatik bir sistemden oluşur; Sistem, optik yoğunluk, çözünmüş oksijen (DO), elektroiletkenlik (EC) ve hava ve havuz sıcaklık sensörlerini kullanarak Chlorella sorokiniana kültür durumunu gerçek zamanlı olarak izler ve kaydeder. Alg biyokütlesi ve baca gazı enjeksiyon verileri, Tucson Elektrik Enerjisi tesisinde her 10 dakikada bir veri kaydedici tarafından toplanır. Yosun suşu bakımı, ölçek büyütme, kalite kontrol ölçümleri ve biyokütle karakterizasyonu (örneğin, optik yoğunluk, g / L ve lipit içeriği arasındaki korelasyon) Arizona Üniversitesi'ndeki bir laboratuvar ortamında gerçekleştirilir. Önceki bir protokol, bilgisayar simülasyonu26 aracılığıyla fotobiyoreaktörlerde mikroalg büyümesini teşvik etmek için baca gazı ayarlarını optimize etmek için bir yöntem özetledi. Burada sunulan protokol, açık yuvarlanma yolu havuzlarını kullanması ve üretilen baca gazının doğrudan kullanılması için bir doğal gaz santralinde yerinde uygulanmak üzere tasarlanması bakımından benzersizdir. Ek olarak, gerçek zamanlı optik yoğunluk ölçümleri protokolün bir parçasıdır. Tarif edildiği gibi sistem, düşük yağış, yıldan yıla yağışlarda önemli değişkenlik, düşük bağıl nem, yüksek buharlaşma oranları, berrak gökyüzü ve yoğun güneş radyasyonu sergileyen sıcak yarı kurak bir iklim (Köppen BSh) için optimize edilmiştir27.

Protokol

1. Büyüme sistemi: açık açık yarış pisti gölet ayarları

  1. Açık yuvarlanma yolu havuzlarını baca gazı kaynağına yakın bir yere kurun (%8-10 CO2 içerir). Gölet reaktörünün bulunduğu yerde su ve elektriğin mevcut olduğundan ve reaktörün günün çoğunda gölgede olmadığından emin olun (Şekil 1).
  2. Yanma sonrası işlem sırasında, baca gazı atmosfere boşaltılmak üzere yığına girmeden birkaç metre önce, 0,95 cm'lik bir yakıt hortumu kullanarak baca gazını yakalayın (Şekil 2).
  3. Baca gazından 20 L'lik bir su tutucu ve yığın ile kompresör arasında bir kondenser (bobin uzunluğu ~ 12 m) kullanarak suyu çıkarın (Şekil 2).
    NOT: Baca gazı tipik olarak yaklaşık% 9\u201213.8 su içerir28. Ek olarak, kondenser ve boru hattı baca gazını soğutur16.
  4. Alg büyümesini izlemek için aşağıdaki sensörleri bir dataloggera bağlayın: (1) iki dalga boyunda (650 ve 750 nm) absorbansı ölçen ve maksimum 1,05 g / L'lik bir alg hücresi konsantrasyonunu tespit edebilen gerçek zamanlı bir optik yoğunluk sensörü29; (2) bir DO sensörü; (3) hava ve gölet termokuplları; (4) bir pH sensörü; ve (5) bir EC sensörü.
    NOT: Ek olarak, pH ve EC sensörleri bir transmittere bağlanır. Veri kaydedici ünitesi yapılandırması Şekil 3'te gösterilmiştir.
  5. Alg büyüme sisteminin tüm bileşenlerinin aşılamadan önce kalibre edildiğinden ve düzgün çalıştığından emin olun.

2. pH kontrol sistemi

  1. Baca gazı enjeksiyonunu, Şekil 2 ve Şekil 3'te (Ek malzeme A) gösterildiği gibi bir kompresör, bir kontrol valfi sistemi ve datalogger programı kullanarak yönetin.
  2. Baca gazını kontrol valfinden yuvarlanma yolu havuzunun dibine bir taş difüzör aracılığıyla yönlendirmek için bir tüp kullanın.
  3. Baca gazını pH'a dayalı büyüme sistemine enjekte edin. pH değeri 8.05'ten büyük olduğunda, sistem baca gazı enjekte ederken, pH 8.00'den düşük olduğunda, sistem baca gazı enjeksiyonunu büyümediği dönemlerde durduracaktır. Akış hızı dakikada standart litre (SLPM) cinsinden ölçülür.
    NOT: Kontrol valfinde, giriş bacası gazı basıncı maksimum 50 psi ile sınırlıdır.

3. Yosun seçimi ve gerinim bakımı (ışık ve sıcaklık)

NOT: Yeşil algler Chlorella sorokiniana DOE 1412, Juergen Polle (Brooklyn Koleji)30,31 tarafından izole edilmiş ve Ulusal İleri Biyoyakıtlar ve Biyoürünler İttifakı (NAABB) tarafından seçilmiştir; seçimi, Huesemann ve ark.32,33 tarafından yapılan önceki gerinim karakterizasyon çalışmalarına dayanmaktadır. Açık hava açık yuvarlanma yolu havuzlarını kullanırken Güneybatı bölgesinde alg taraması, biyokütle verimliliği ve iklim simülasyonlu kültürleme (örneğin, sıcaklık ve ışık) ile ilgili araştırmaları, bu projede kullanılan yöntemi bilgilendirdi.

  1. 12 saat/12 saat açık/karanlık döngüsü kullanarak kültürleri oda sıcaklığında (25 °C) tutun.
  2. Plakalarda ve küçük sıvı kültürlerde (50 mL ila 500 mL) yetiştirilen kültür bakımı için ışık yoğunluğunu 200 μM/m2/s'de tutun.
  3. 400 μM/m2/s'de 50 mL ila 500 mL ve sıvı kültürlerde 600\u2012800 μM/m2/s'de 50 L ila 20 L sıvı kültürlerinde yetiştirilen ölçek büyütme için ışık yoğunluğunu koruyun.

4. Ölçeği büyütme ve kalite kontrol

  1. BG11 kültür ortamını deiyonize su ve makro besinler için aşağıdaki tuzları kullanarak g / L cinsinden hazırlayın: 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 O7)2, 0.006 Na 2 EDTA * 2H 2O, 0.02 Na2CO3; g/L'de aşağıdaki mikro besinleri içeren 1 mL/L eser element çözeltisi ekleyin: 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.
    NOT: Plaka aşılama ve/veya uzun süreli depolama için, 7,5 g/L Bacto agar ekleyin; kültür aşılaması için agar ilavesine gerek yoktur. Otoklavdaki kültür ortamını 121 °C'de 21 dakika sterilize edin.
  2. BG11 ortamını agar ile steril laminer akış başlığı veya biyogüvenlik kabini içinde Petri kaplarına dökün. Plakalar sağlam ve serin olduğunda, yeniden askıya alınmış dondurulmuş alg stok kültüründen 500 μL pipet ve Ampisilin (100 μg / mL) ekleyin; alg plakalarını 1 ila 2 hafta boyunca bir çalkalayıcı tablada (120 rpm) inkübe edin.
  3. Bir kültür plakasından tek bir alg kolonisi seçmek için steril bir döngü kullanın ve temiz bir biyogüvenlik kabininde steril büyüme ortamı içeren 50 mL'lik bir tüpte aşılayın. Küçük sıvı kültürünü bir çalkalayıcı tablada (120 rpm) bir hafta boyunca büyütün.
  4. 50 mL alg kültürünü (doğrusal büyüme fazı, OD750nm ≥ 1) 500 mL sıvı ortama sahip 1 L'lik bir şişeye aktarın. Havalandırma sağlamak için her şişeyi kauçuk bir tıpa ve paslanmaz çelik boru ile takın. 0,2 μm hava sterilizasyon filtreleri kullanarak havayı filtreleyin. Kültürün bir ila iki hafta boyunca büyümesine izin verin. Bir spektrofotometre (OD750nm) kullanarak hücre yoğunluğunu izleyin.
  5. 500 mL sıvı kültürü, 8 L steril olmayan kültür ortamı içeren 10 L'lik bir damacana yerleştirin ve% 5 CO 2 ve%95'lik bir hava karışımı enjekte edin. Daha sonra, adım 4.4'te olduğu gibi aynı koşullar altında algleri yetiştirin.
  6. Stok plakasını ve sıvı kültürleri (4.2\u20124.5 adımlarında) haftada bir kez izleyin. Bir aliquot alın ve istenen suşun büyümesini sağlamak için mikroskop altında 10x ve 40x büyütmede gözlemleyin. Kültürleri tehlikeye atılana veya deneyler için kullanılana kadar korudu. Kirlenmiş kültürleri atın.

5. Açık havuz yetiştiriciliği için konsantre orta hazırlık

  1. İz element çözeltisi hazırlamak için 1 L'lik hacimsel bir şişeyi damıtılmış suyla (DW) kısmen doldurun. Manyetik bir karıştırma çubuğu yerleştirin ve Tablo 1'de gösterilen kimyasalları sırayla ekleyin. Her bileşenin bir sonraki bileşenin eklenmesinden önce çözündüğünden emin olun. Mıknatısı çıkarın ve şişeyi 1 L hacim işaretine doldurun.
  2. 1 L'lik bir cam şişeyi DW ile kısmen doldurun ve manyetik karıştırma çubuğunu takın. Kabı manyetik bir karıştırıcı plakanın üstüne yerleştirin ve reaktörün son hacmi için kimyasalları ekleyin, sırayla ekleyerek her birinin tamamen çözünmesini sağlayın. Tablo 2 , 1 L ortam hazırlamak için kimyasalları listeler, bu nedenle tüm değerleri reaktörün son hacmi ile çarpın. Cam şişeyi 1 L'ye kadar doldurun.

6. Açık açık yuvarlanma yolu gölet aşılama

  1. Her aşılamadan önce ve hasattan sonra% 30 ağartıcı kullanarak reaktörü iyice temizleyin. Ağartıcının gece boyunca bırakılması önerilir. Tüm ağartıcıyı çıkarmak için reaktörü iyice durulayın.
  2. Yosun aşılamadan önce tüm sensörleri ilgili kalibrasyon prosedürlerine göre kalibre edin.
  3. Yuvarlanma yolu havuzunu %80'e kadar doldurarak su kaynağını kullanarak konsantre ortamı (adım 5'te) seyreltin.
  4. Reaktörü alglerle dolu 10 L'lik bir damacana (doğrusal büyüme fazı OD750nm > 2) kullanarak aşılayın ve son hacmine getirin.
  5. Yuvarlanma yolu göletini ~ 3 gün boyunca ahşap paletlerle kısmen gölgelendirerek mikroalgleri iklimlendirin (Şekil 4), üstel faz geçtikten sonra, fotoinhibisyonu önlemek için bir adaptasyon stratejisi olarak.
    NOT: Bu süre aynı zamanda mikroalglerin baca gazının doğrudan enjeksiyonunun neden olduğu strese uyum sağlaması için zaman sağlayacaktır.

7. Üretim istasyonunda toplu büyüme deneyi

  1. Su buharlaşması, kürek çarkı motoru, sensör işlevselliği ve sıra dışı herhangi bir şey dahil olmak üzere günlük değişimleri kontrol edin ve kaydedin.
  2. Baca gazı yüksek derecede aşındırıcı olduğundan korozyonu en aza indirmek amacıyla fazla suyu gidermek için kompresörü ve su tutucuyu her gün boşaltın ve kontrol edin34.
  3. Veri kaydediciyi, her sensör ölçümünü her 10 saniyede bir tarayacak ve ortalama verileri her 10 dakikada bir depolayacak şekilde yapılandırın. Bunlar arasında DO, pH, EC, gerçek zamanlı optik yoğunluğun yanı sıra hava ve reaktör sıcaklığı bulunur.

8. Ayrık örnekleme ve izleme

  1. Su seviyesinin reaktörün son hacminde sabit kaldığından emin olun, aksi takdirde optik yoğunluk ölçümü etkilenecektir.
  2. Reaktördeki suyu doldurduktan sonra, ultraviyole görünür spektrofotometre kullanarak optik yoğunluğa (540, 680 ve 750 nm) göre hücre kütlesi ölçümleri için 5 mL'lik bir numune alın. İşlemi günlük olarak tekrarlayın.
  3. Mikroskop gözlemleri ve külsüz kuru ağırlığa (AFDW) dayalı biyokütle konsantrasyonu için haftada üç kez 500 mL'lik bir numune alın.
    1. 10x ve 40x objektif lenslerle mikroskop gözlemleri yapın. Ek olarak, bu mikroskop büyütmeleri, adım 4.6'da açıklanan alg kalite kontrolünün bir parçası olarak kullanılır.
    2. AFDW için adım 8.3'te numunenin 400 mL'sini kullanın
      1. Her 0,7 μm gözenek boyutundaki cam mikrofiber filtreyi bir alüminyum folyo tepsisine yerleştirin ve her alüminyum folyo tepsisini / filtresini 540 ° C'de 4 saat boyunca bir fırın kullanarak ön işlemden geçirin.
      2. Her alüminyum folyo tepsisini #2 kalem kullanarak etiketleyin, ağırlığını (A) kaydedin ve vakum filtresi aparatına yerleştirin.
      3. Filtrelenecek bir hacmi ölçmeden önce alg numunesini kuvvetlice karıştırın. 8 ila 16 mg arasında bir kül öncesi / sonrası ağırlık farkı vermek için yeterli alg örneğini filtreleyin. Deney boyunca kullanmak üzere bir ağırlık farkı seçin ve bu değeri sabit tutun.
      4. Yosun örneğini içeren her filtreyi folyo tepsisine 105 °C'de fırında en az 12 saat boyunca yerleştirin.
      5. Folyo tepsisini/filtreyi kurutma fırınından çıkarın ve su alımını önlemek için bir cam kurutucuya yerleştirin. Her folyo tepsisini/filtre ağırlığını (B) kaydedin.
      6. Folyo tepsisini/filtreyi 540 °C kalıp fırınına 4 saat boyunca yerleştirin.
      7. Kalıp fırınını kapatın, folyo tepsilerini/filtreleri soğutun, kurutucuya yerleştirin ve her folyo tepsisini/filtre ağırlığını (C) kaydedin.
      8. Gravimetrik analizi kullanarak AFDW'yi hesaplayın:
        % AFDW= C – A x 100 / B
  4. Solventler kullanarak mikrodalga destekli ekstraksiyon (MAE) lipit ekstraksiyon analizi için hasattan önce 2 L alg tutun.
    1. Alg numunesini 15 dakika boyunca 4.400 x g'lık bir nispi santrifüj kuvvetinde (RFC) santrifüj yapın. Yosun peletini alın ve en az 24 saat boyunca 80 ° C'de bir fırın kullanarak kurutun.
    2. Yosun numunesini öğütün ve alg tozunu tartın (önerilen biyokütle 0,3 g ila 0,5 g arasında değişir).
    3. Yosun tozunu (kuru alg biyokütlesi) mikrodalga hızlandırılmış reaksiyon sistemi (MARS) Xpress kaplarına ekleyin, kaputun altına 10 mL kloroform: metanol (2: 1, v / v) çözücü çözeltisi ekleyin, damarları kapatın ve gece boyunca bekletin.
    4. Solvent sensörünü kullanarak 70 °C ve 800 W güçte 60 dakika boyunca kapları MARS makinesine yerleştirin.
    5. Gemileri MARS'tan çıkarın ve kaputun altında soğumalarını sağlayın.
    6. Her sıvı numuneyi önceden tartılmış bir cam test tüpüne aktararak kloroform, metanol ve lipitler içeren sıvı kısmı ayırmak için bir huni ve cam yünü kullanın ve katıları (biyokütleyi lipitlerden arındırın) diğer analizler için saklayın.
    7. Lipitleri içeren test tüplerini azot evaporatörüne götürün, sıvı buharlaştırıldıktan sonra çıkarın ve ardından tam kuruluk sağlamak için tüpleri gece boyunca kaputun altında bırakın.
    8. Gravimetrik analiz kullanarak lipit içeriğini (ağırlıkça% %) hesaplayın:
      Lipid içeriği (ağırlıkça %) = Lipitlerin kuru biyokütlesi x 100/ Kuru Alg kütlesi

9. Alg hasadı ve ürün rotasyonu

  1. Kültür durağan faza ulaşmaya yakın olduğunda toplam alg kültürü hacminin% 75'ini hasat edin. Laboratuvarda biyokütle verimliliği analizleri yapmak için 2\u20125 L kültür alın. Alglerin geri kalanını işleyin ve istenen alg ürünlerine dönüştürün.
  2. İnokulum olarak kalan %25 algi kullanarak açık yuvarlanma yolu göletini yeniden büyütün. Toplam reaktörün hacminin% 80'ine kadar su ekleyin, konsantre ortamı ekleyin ve ardından gerekirse reaktörün son hacmine kadar doldurmayı bitirin.
  3. Sıcaklık ve ışık yoğunluğu koşullarına bağlı olarak mevsime göre uygun alg suşunu yetiştirin.

10. Veri yönetimi

  1. Verileri dataloggera kaydedin ve adım 7.3'te olduğu gibi analiz için toplayın.
  2. Ham ve analiz edilmiş verileri Bölgesel Alg Hammadde Test Yatağı (RAFT) hisse senedi sürücüsüne kaydetmeyi düşünün. RAFT proje ortakları, alg verimliliğini simüle etmek ve modellemek ve dış mekan ekimini doğrulamak için verilerine katkıda bulunur.

Sonuçlar

Laboratuvarımızdan elde edilen önceki deneysel sonuçlar, yarı otomatik bir açık yuvarlanma yolu havuzu kullanılarak mikroalg yetiştiriciliğinin karbon yakalama işlemleriyle birleştirilebileceğini göstermektedir. Bu iki süreç arasındaki sinerjiyi daha iyi anlamak için (Şekil 2), bir protokol geliştirdik ve yeşil alg türleri Chlorella sorokiniana'yı sıcak yarı kurak bir iklimde dış mekan koşullarında yetiştirmek için uyarladık. Doğal gaz baca gazı, en...

Tartışmalar

Bu çalışmada, baca gazı karbon yakalama ve mikroalg yetiştiriciliğinin sinerjik olarak bağlanmasının sıcak yarı kurak bir iklimde mümkün olduğunu gösterdik. Yarı otomatik yuvarlanma yolu gölet sistemi için deneysel protokol, baca gazını karbon kaynağı olarak kullanırken alg büyümesiyle ilişkili ilgili parametreleri gerçek zamanlı olarak izlemek için en son teknolojiyi entegre eder. Önerilen protokol, yuvarlanma yolu havuzlarının ana dezavantajlarından biri olan alg yetiştiriciliğindeki ...

Açıklamalar

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.

Teşekkürler

Bu çalışma, ABD Enerji Bakanlığı DE-EE0006269 Bölgesel Alg Hammadde Test Yatağı projesi ile desteklenmiştir. Ayrıca Esteban Jimenez, Jessica Peebles, Francisco Acedo, Jose Cisneros, RAFT Ekibi, Mark Mansfield, UA enerji santrali personeli ve TEP enerji santrali personeline tüm yardımları için teşekkür ederiz.

Malzemeler

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

Referanslar

  1. . The Intergovernmental Panel on Climate Change Available from: https://www.ipcc.ch/ (2018)
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Benemann, J. CO2 Mitigation with Microalgae Systems. Pergamon Energy Conversion Management Journal. 38, 475-479 (1997).
  9. U.S.Department of Energy. The Capture , Utilization and Disposal of Carbon Dioxide from Fossil Fuel-Fired Power Plants. Energy. 2, (1993).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Joshi, C., Nookaraju, A. New Avenues of Bioenergy Production from Plants: Green Alternatives to Petroleum. Journal of Petroleum & Environmental Biotechnology. 03 (07), 3 (2012).
  13. Chisti, Y. Constraints to commercialization of algal fuels. Journal of Biotechnology. 22, 166-186 (2013).
  14. 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).
  15. Lam, M., Lee, K. Potential of using organic fertilizer to cultivate Chlorella vulgaris for biodiesel production. Applied Energy. 94, 303-308 (2012).
  16. 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).
  17. Posten, C., Schaub, G. Microalgae and terrestrial biomass as source for fuels a process view. Journal of Biotechnology. 142 (1), 64-69 (2009).
  18. Demirbas, M. Biofuels from algae for sustainable development. Applied Energy. 88 (10), 3473-3480 (2011).
  19. Shelef, G., Sukenik, A., Green, M. . Microalgae Harvesting and Processing A Literature Review. , (1984).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Pidwirny, M. . Fundamentals of Physical Geography, 2nd ed. , (2006).
  28. 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).
  29. Jia, F., Kacira, M., Ogden, K. Multi-wavelength based optical density sensor for autonomous monitoring of microalgae. Sensors (Switzerland). 15 (9), 22234-22248 (2015).
  30. 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).
  31. Neofotis, P., et al. Characterization and classification of highly productive microalgae strains discovered for biofuel and bioproduct generation. Algal Research. 15, 164-178 (2016).
  32. 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).
  33. 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).
  34. Ramezan, M., Skone, T., Nsakala, N., Lilijedahl, G. . Carbon Dioxide Capture from Existing Coal-Fired Power Plants. , 268 (2007).
  35. 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).
  36. Mendoza, J., et al. Fluid-dynamic characterization of real-scale raceway reactors for microalgae production. Biomass and Bioenergy. 54, 267-275 (2013).
  37. Algae Cultivation for Carbon Capture and Utilization Workshop. . Algae Cultivation for Carbon Capture and Utilization Workshop. , (2017).
  38. Park, J., Craggs, R., Shilton, A. Wastewater treatment high rate algal ponds for biofuel production. Bioresource Technology. 102 (1), 35-42 (2011).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. Padmanabhan, Y. P. Technical insight on the requirements for CO2-saturated growth of microalgae in photobioreactors. 3 Biotech. 7 (2), 1-7 (2017).
  43. Vonshak, A., Torzillo, G. Environmental Stress Physiology. Handbook of Microalgal Culture. 4 (2007), 57-82 (2007).
  44. 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).
  45. 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).
  46. 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).
  47. 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).
  48. 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).
  49. 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).
  50. 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).
  51. 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).
  52. Mendoza, J., et al. Oxygen transfer and evolution in microalgal culture in open raceways. Bioresource Technology. 137, 188-195 (2013).
  53. Carvalho, A., Malcata, F., Meireles, A. Microalgal Reactors A Review of Enclosed System Designs and Performances. Biotechnology Progress. 22 (6), 1490-1506 (2006).
  54. 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).
  55. Lam, M., Lee, K. Microalgae biofuels: A critical review of issues, problems and the way forward. Biotechnology Advances. 30 (3), 673-690 (2012).
  56. Chisti, Y. Biodiesel from microalgae beats bioethanol. Trends in Biotechnology. 26 (3), 126-131 (2008).
  57. 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).
  58. Lammers, P., et al. Review of the Cultivation Program within the National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproducts. Algal Research. 22, 166-186 (2017).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

evre BilimleriSay 162evred mekan mikroalg yeti tiricili iyuvarlanma yolu havuzlarkarbon yakalamakarbon kullan mend striyel baca gazChlorella sorokiniana

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır