Name: coupling carbon capture from a power plant with semi-automated open raceway ponds for microalgae cultivation
Uploaded: 2020-08-14T16:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Coupling Carbon Capture from a Power Plant with Semi-automated Open Raceway Ponds for Microalgae Cultivation at JoVE.com

Diese Arbeit wurde durch das Regional Algal Feedstock Testbed Projekt, U.S. Department of Energy DE-EE0006269 unterstützt. Wir danken auch Esteban Jimenez, Jessica Peebles, Francisco Acedo, Jose Cisneros, RAFT Team, Mark Mansfield, UA Power Plant Staff und TEP Power Plant Staff für all ihre Hilfe.

1. Wachstumssystem: Einstellungen für offene Laufstege im Freien
<ol><li>Richten Sie die offenen Laufsteiche in der Nähe der Rauchgasquelle (mit 8–10% CO2) ein. Stellen Sie sicher, dass Wasser und Strom am Standort des Teichreaktors verfügbar sind und dass der Reaktor nicht den größten Teil des Tages im Schatten liegt (Abbildung 1).</li>
	<li>Fangen Sie das Rauchgas während des Nachverbrennungsprozesses mit einem 0,95 cm langen Kraftstoffschlauch auf, einige Meter bevor ...

In dieser Studie zeigen wir, dass eine synergistische Kopplung von Rauchgas-Kohlenstoffabscheidung und Mikroalgenkultivierung in einem heißen, semi-ariden Klima möglich ist. Das experimentelle Protokoll für das halbautomatische Laufbahn-Teichsystem integriert modernste Technologie, um relevante Parameter in Echtzeit zu überwachen, die mit dem Algenwachstum korrelieren, wenn Rauchgas als Kohlenstoffquelle verwendet wird. Das vorgeschlagene Protokoll soll die Unsicherheit in der Algenzucht verringern, was einer der Hau...

Die globale Erwärmung ist eines der wichtigsten Umweltprobleme, mit denen die Welt heute konfrontiert ist1. Studien deuten darauf hin, dass die Hauptursache der Anstieg der Treibhausgasemissionen (THG), hauptsächlich CO 2, in der Atmosphäre aufgrund menschlicher Aktivitätenist 2,3,4,5,6,7. In den USA stammt die größte Dichte an CO2 -Emissionen hauptsächlich aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe im Energiesektor, insbesondere aus Stromerzeugungsanlagen 3,7,8,9. So haben sich Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (CCU) zu einer der wichtigsten Strategien zur Reduzierung der Treibhausgasemissionenentwickelt 2,7,10. Dazu gehören biologische Systeme, die Sonnenlicht nutzen, um CO2 und Wasser durch Photosynthese in Gegenwart von Nährstoffen in Biomasse umzuwandeln. Die Verwendung von Mikroalgen wurde aufgrund der schnellen Wachstumsrate, der hohen CO 2-Fixierungsfähigkeit und der hohen Produktionskapazität vorgeschlagen. Darüber hinaus haben Mikroalgen ein breites Bioenergiepotenzial, da die Biomasse in interessante Produkte umgewandelt werden kann, z. B. Biokraftstoffe, die fossile Brennstoffe ersetzen können 7,9,10,11,12.
Mikroalgen können in einer Vielzahl von Kultivierungssystemen oder Reaktoren, einschließlich offener Laufstege und geschlossener Photobioreaktoren 13,14,15,16,17,18,19, wachsen und eine biologische Umwandlung erreichen. Forscher haben die Vorteile und Einschränkungen untersucht, die den Erfolg des Bioprozesses in beiden Anbausystemen bestimmen, entweder unter Innen- oder Außenbedingungen 5,6,16,20,21,22,23,24,25 . Offene Laufsteiche sind die gebräuchlichsten Anbausysteme für die Kohlenstoffabscheidung und -nutzung in Situationen, in denen Rauchgas direkt aus dem Schornstein verteilt werden kann. Diese Art von Anbausystem ist relativ kostengünstig, leicht zu skalieren, hat niedrige Energiekosten und einen geringen Energiebedarf für das Mischen. Darüber hinaus können diese Systeme leicht mit dem Kraftwerk zusammengelegt werden, um den CCU-Prozess effizienter zu gestalten. Es gibt jedoch einige Nachteile, die berücksichtigt werden müssen, wie z.B. die Begrenzung des CO2 Gas/Flüssig-Stofftransfers. Obwohl es Einschränkungen gibt, wurden offene Laufsteiche als das am besten geeignete System für die Produktion von Mikroalgen-Biokraftstoffen im Freienvorgeschlagen 5,9,11,16,20.
In diesem Artikel beschreiben wir eine Methode zur Mikroalgenkultivierung in offenen Laufsteichen, die die Kohlenstoffabscheidung aus dem Rauchgas eines Erdgaskraftwerks kombiniert. Die Methode besteht aus einem halbautomatischen System, das die Rauchgasinjektion basierend auf dem pH-Wert der Kultur steuert; Das System überwacht und erfasst den Kulturstatus von Chlorella sorokiniana in Echtzeit mit optischen Dichte-, gelöstem Sauerstoff (DO), Elektroleitfähigkeit (EC) sowie Luft- und Teichtemperatursensoren. Algenbiomasse- und Rauchgasinjektionsdaten werden alle 10 Minuten von einem Datenlogger in der Tucson Electric Power Facility gesammelt. Algenstammerhaltung, Scale-up, Qualitätskontrollmessungen und Biomassecharakterisierung (z. B. Korrelation zwischen optischer Dichte, g / L und Lipidgehalt) werden in einem Labor an der University of Arizona durchgeführt. Ein früheres Protokoll skizzierte eine Methode zur Optimierung der Rauchgaseinstellungen zur Förderung des Mikroalgenwachstums in Photobioreaktoren durch Computersimulation26. Das hier vorgestellte Protokoll ist insofern einzigartig, als es offene Laufsteiche nutzt und so konzipiert ist, dass es vor Ort in einem Erdgaskraftwerk implementiert werden kann, um das erzeugte Rauchgas direkt zu nutzen. Darüber hinaus sind optische Dichtemessungen in Echtzeit Teil des Protokolls. Das beschriebene System ist für ein heißes semiarides Klima (Köppen BSh) optimiert, das geringe Niederschläge, signifikante Variabilität der Niederschläge von Jahr zu Jahr, niedrige relative Luftfeuchtigkeit, hohe Verdunstungsraten, klaren Himmel und intensive Sonneneinstrahlungaufweist 27.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1767px;" width="1766">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Adjustable speed motor (paddle wheel system)</td>
			<td style="width:204px;">Leeson</td>
			<td style="width:161px;">174307</td>
			<td style="width:1116px;">Lesson 174307.00, type: SCR Voltage; Amps:10</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Aluminum weight boats</td>
			<td style="width:204px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:161px;">08-732-102</td>
			<td>Fisherbrand Aluminum Weighing Dishes</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Ammonium Iron (III) (NH&#8324;)&#8325;[Fe(C&#8326;H&#8324;O&#8327;)&#8322;]</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>1185 - 57 - 5</td>
			<td>Medium preparation. Ammonium iron(III) citrate</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Ammonium Phosphate</td>
			<td style="width:204px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td>7722-76-1</td>
			<td>This chemical is used for the optimized medium</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Ampicillin sodium salt</td>
			<td style="width:204px;">Sigma Aldrich</td>
			<td>A9518-5G</td>
			<td>This chemical is used for avoiding algae contamination</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Autoclave</td>
			<td>Amerex Instrument Inc</td>
			<td></td>
			<td>Hirayama HA300MII</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Bacto agar</td>
			<td style="width:204px;">Fisher Scientific</td>
			<td>BP1423500</td>
			<td>Fisher BioReagents Granulated Agar</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Bleach</td>
			<td style="width:204px;">Clorox</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td>Germicidal Bleach, concentrated clorox</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Boric Acid (H3BO3)</td>
			<td style="width:204px;">Fisher Scientific</td>
			<td>10043-35-3</td>
			<td>Trace Elelements: Boric acid</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:285px;">Calcium chloride dihydrate (CaCl2*2H2O)</td>
			<td style="width:204px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td>10035-04-8</td>
			<td>Medium preparation. Calcium chloride dihydrate</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:285px;">Carboys (20 L)</td>
			<td style="width:204px;">Nalgene - Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>2250-0050PK</td>
			<td>Polypropylene Carboy w/Handles</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Centrifuge</td>
			<td style="width:204px;">Beckman Coulter, Inc</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td>J2-21</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Chloroform</td>
			<td style="width:204px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td>67-66-3</td>
			<td>This chemical is used for lipid extraction</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Citraplex 20% Iron</td>
			<td style="width:204px;">Loveland Products</td>
			<td>SDS No. 1000595582 -17-LPI</td>
			<td>https://www.fbn.com/direct/product/Citraplex-20-Iron#product_info</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:285px;">Cobalt (II) nitrate hexahydrate (Co(NO3)2*6H2O)</td>
			<td style="width:204px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:161px;">10026-22-9</td>
			<td>Trace Elements: Cobalt (II) nitrate hexahydrate</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Compressor</td>
			<td style="width:204px;">Makita</td>
			<td>MAC700</td>
			<td>This equipment is used for the injection CO2 system</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Control Valve</td>
			<td style="width:204px;">Sierra Instruments</td>
			<td style="width:161px;">SmartTrak 100</td>
			<td>This item needs to be customized for your application. In our case, it was used a 5% CO2 and 95% air mixture.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:285px;">Copper (II) Sulfate Pentahydrate (CuSO4*5H2O)</td>
			<td style="width:204px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:161px;">7758-99-8</td>
			<td>Trace Elements: Copper (II) Sulfate Pentahydrate</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Data Logger: Campbell unit CR3000</td>
			<td style="width:204px;">Scientific Campbell</td>
			<td style="width:161px;">CR3000</td>
			<td>This equipment is used for controlling all the system, motoring and recording data</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Dissolvde Oxygen Solution</td>
			<td style="width:204px;">Campbell Scientific</td>
			<td style="width:161px;">14055</td>
			<td>Dissolved oxygen electrolyte solution DO6002 - Lot No. 211085</td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:285px;">Dissolved Oxygen probe</td>
			<td style="width:204px;">Sensorex</td>
			<td>&#65279;</td>
			<td>DO6400/T Dissolved Oxygen Sensor with Digital Communication</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">Electroconductivity calibration solution</td>
			<td style="width:204px;">Ricca Chemical Company</td>
			<td style="width:161px;">2245 - 32 ( R2245000-1A )</td>
			<td>Conductivity Standard, 5000 uS/cm at 25C (2620 ppm TDS as NaCl)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Electroconductivity probe sensor</td>
			<td style="width:204px;">Hanna Instruments</td>
			<td>HI3003/D</td>
			<td>Flow-thru Conductivity Probe - NTC Sensor, DIN Connector, 3m Cable</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:285px;">Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate (Na2EDTA*2H2O)</td>
			<td style="width:204px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td>6381-92-6</td>
			<td>Medium Preparation: Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Filters</td>
			<td style="width:204px;">Fisher Scientific</td>
			<td>09-874-48</td>
			<td>Whatman Binder-Free Glass Microfiber Filters</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Flasks</td>
			<td style="width:204px;">Fisher scientific</td>
			<td>09-552-40</td>
			<td>Pyrex Fernbach Flasks</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Furnace</td>
			<td style="width:204px;">Hogentogler</td>
			<td style="width:161px;">Model: F6020C-80</td>
			<td>Thermo Sicentific Thermolyne F6020C - 80 Muffle Furnace</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Glass dessicator</td>
			<td style="width:204px;">VWR International LLC</td>
			<td style="width:161px;">75871-430</td>
			<td>Type 150, 140 mm of diameter</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Glass funnel</td>
			<td style="width:204px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:161px;">FB6005865</td>
			<td>Fisherbrand Reusable Glass Long-Stem Funnels</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Laminar flow hood</td>
			<td>Fisher Hamilton Safeair</td>
			<td></td>
			<td>Fisher Hamilton Stainless Safeair hume hood</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:285px;">Magnesium sulfate heptahydrate (MgSO4*7H2O)</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>10034 - 99 - 8</td>
			<td>Medium Preparation: Magnesium sulfate heptahydrate</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Methanol</td>
			<td style="width:204px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td>67-56-1</td>
			<td>Lipid extraction solvent</td>
		</tr>
		<tr height="28">
			<td height="28" style="height:28px;width:285px;">Micro bubble Diffuser</td>
			<td style="width:204px;">Pentair Aquatic Eco-Systems</td>
			<td>1PMBD075</td>
			<td>This equipment is used for the injection CO2 system</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Microalgae: Chlorella Sorokiniana</td>
			<td style="width:204px;">NAABB</td>
			<td style="width:161px;">DOE 1412</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Microoscope</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Carl Zeiss 4291097</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Microwave assistant extraction</td>
			<td style="width:204px;">MARS, CEM Corportation</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td>CEM Mars 5 Xtraction 230/60 Microwave Accelerated Reaction System. Model: 907601</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">MnCl2*4H2O</td>
			<td style="width:204px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td>13446-34-9</td>
			<td>Manganese(II) chloride tetrahydrate</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Mortars</td>
			<td style="width:204px;">Fisher Scientific</td>
			<td>FB961B</td>
			<td>Fisherbrand porcelein mortars</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Nitrogen evaporator</td>
			<td style="width:204px;">Organomation</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td>N-EVAP 112 Nitrogen Evaporatpr (OA-SYS Heating System)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Oven</td>
			<td style="width:204px;">VWR International LLC</td>
			<td style="width:161px;">89511-410</td>
			<td>Forced Air Oven</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Paddle Wheel</td>
			<td style="width:204px;"></td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td>8-blade horizontal axis propeller. This usually comes as part of the paddlewheel reactor.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Paddle wheel motor</td>
			<td>Leeson</td>
			<td>M1135042.00</td>
			<td>Leeson, Model: CM34025Nz10C; 1/4 HP; Volts 90; FR 34; 62 RPM.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Pestles</td>
			<td style="width:204px;">Fisher Scientific</td>
			<td>FB961M</td>
			<td>Fisherbrand porcelein pestles</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">pH and EC Transmitter</td>
			<td style="width:204px;">Hanna Instruments</td>
			<td>HI98143</td>
			<td>Hanna Instruments HI98143-04 pH and EC Transmitter with Galvanic isolated 0-4V.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">pH calibration solutions</td>
			<td style="width:204px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:161px;">13-643-003</td>
			<td>Thermo Scientific Orion pH Buffer Bottles</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">pH probe sensor</td>
			<td style="width:204px;">Hanna Instruments</td>
			<td>HI1006-2005</td>
			<td>Hanna Instruments HI1006-2005 Teflon pH Electrode with matching pin 5m.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Pippete tips</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>1111-2821</td>
			<td>1000 ul TipOne graduated blue tip in racks</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Pippetter</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>13-690-032</td>
			<td>Eppendorf Reserch plus Variable Adjustable Volume Pipettes: Single-channel</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Plastic cuvettes</td>
			<td style="width:204px;">Fisher scientific</td>
			<td>14377017</td>
			<td>BrandTech BRAND Plastic Cuvettes</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Plates</td>
			<td style="width:204px;">Fisher scientific</td>
			<td style="width:161px;">08-757-100D</td>
			<td>Corning Falcon Bacteriological Petri Dishes with Lid</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Potash</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>This chemical is used for the optimazed medium preparation. It was bought in a fertilizer local company</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Potassium phosphate dibasic (K2HPO4)</td>
			<td style="width:204px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td>7758 -11 - 4</td>
			<td>Medium Preparation: Potassium phosphate dibasic</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Pyrex reusable Media Storage Bottles</td>
			<td style="width:204px;">Fisher scientific</td>
			<td>06-414-2A</td>
			<td>1 L and 2 L bottels - PYREX GL45 Screw Caps with Plug Seals</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Raceway Pond</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Similar equipment can be bought at https://microbioengineering.com/products</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Real Time Optical Density Sensor</td>
			<td>University of Arizona</td>
			<td></td>
			<td>This equipment was design and build by a member of the group</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">RS232 Cable</td>
			<td style="width:204px;">Sabrent</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td>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)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Shaker Table</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Algae agitation 150 rpm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Sodium Carbonate (Na2CO3)</td>
			<td style="width:204px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:161px;">497-19-8</td>
			<td>Sodium carbonate</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:285px;">Sodium molybdate dihydrate (Na2MoO4*2H2O)</td>
			<td style="width:204px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:161px;">10102-40-6</td>
			<td>Medium Preparation: Sodium molybdate dihydrate</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Sodium nitrate (NaNO3)</td>
			<td style="width:204px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td>7631-99-4</td>
			<td>Medium Preparation: Sodium nitrate</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:285px;">Spectophotometer</td>
			<td style="width:204px;">Fisher Scientific Company</td>
			<td style="width:161px;">14-385-400</td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Test tubes</td>
			<td style="width:204px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:161px;">14-961-27</td>
			<td>Fisherbrand Disposable Borosilicate Glass Tubes with Plain End (10 ml)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Thermocouples type K</td>
			<td style="width:204px;">Omega</td>
			<td>KMQXL-125G-6</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Urea</td>
			<td style="width:204px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:161px;">2067-80-3</td>
			<td>Urea</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Vacuum filtration system</td>
			<td style="width:204px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:161px;">XX1514700</td>
			<td>MilliporeSigma Glass Vacuum Filter Holder, 47 mm. The system includes: Ground glass flask attachment, coarse-frit glass filter support, and flask</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Vacuum pump</td>
			<td style="width:204px;">Grainger</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td>Marathon Electric AC Motor Thermally protected G588DX - MOD 5KH36KNA510X. HP 1/4. RPM 1725/1425</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">Zinc sulfate heptahydrate (ZnSO4*7H2O)</td>
			<td style="width:204px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:161px;">7446-20-0</td>
			<td>Zinc sulfate heptahydrate</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

coupling carbon capture from a power plant with semi-automated open raceway ponds for microalgae cultivation

In den Vereinigten Staaten stammen 35% der gesamten Kohlendioxidemissionen (CO2) aus der Elektrizitätswirtschaft, von denen 30% die Stromerzeugung aus Erdgas ausmachen. Mikroalgen können CO2 10 bis 15 Mal schneller biofixieren als Pflanzen und Algenbiomasse in interessante Produkte wie Biokraftstoffe umwandeln. Daher stellt diese Studie ein Protokoll vor, das die potenziellen Synergien der Mikroalgenkultivierung mit einem Erdgaskraftwerk im Südwesten der Vereinigten Staaten in einem heißen, semi-ariden Klima aufzeigt. Modernste Technologien werden eingesetzt, um die Kohlenstoffabscheidung und -verwertung über die Grünalgenart Chlorella sorokiniana zu verbessern, die zu Biokraftstoff weiterverarbeitet werden kann. Wir beschreiben ein Protokoll mit einem halbautomatischen offenen Laufsteich und diskutieren die Ergebnisse seiner Leistung, als es im Tucson Electric Power Plant in Tucson, Arizona, getestet wurde. Rauchgas wurde als Hauptkohlenstoffquelle zur Kontrolle des pH-Wertes verwendet, und Chlorella sorokiniana wurde kultiviert. Ein optimiertes Medium wurde verwendet, um die Algen zu züchten. Die Menge an CO2, die dem System als Funktion der Zeit hinzugefügt wurde, wurde genau überwacht. Darüber hinaus wurden andere physikalisch-chemische Faktoren überwacht, die die Algenwachstumsrate, die Biomasseproduktivität und die Kohlenstofffixierung beeinflussen, einschließlich optischer Dichte, gelöster Sauerstoff (DO), Elektroleitfähigkeit (EC) sowie Luft- und Teichtemperaturen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Mikroalgenausbeute von bis zu 0,385 g/L aschefreiem Trockengewicht mit einem Lipidgehalt von 24% erreichbar ist. Durch die Nutzung synergetischer Möglichkeiten zwischen CO2 -Emittenten und Algenzüchtern können die Ressourcen bereitgestellt werden, die erforderlich sind, um die Kohlenstoffabscheidung zu erhöhen und gleichzeitig die nachhaltige Produktion von Algenbiokraftstoffen und Bioprodukten zu unterstützen.

Frühere experimentelle Ergebnisse aus unserem Labor deuten darauf hin, dass die Kultivierung von Mikroalgen mit einem halbautomatischen offenen Laufsteich mit Kohlenstoffabscheidungsprozessen gekoppelt werden kann. Um die Synergie zwischen diesen beiden Prozessen besser zu verstehen (Abbildung 2), haben wir ein Protokoll entwickelt und es auf die Kultivierung der Grünalgenart Chlorella sorokiniana unter Außenbedingungen in einem heißen semiariden Klima zugeschnitten. Erdgas-Rauc...

Watch this Scientific Journal Video about Coupling Carbon Capture from a Power Plant with Semi-automated Open Raceway Ponds for Microalgae Cultivation at JoVE.com

Coupling Carbon Capture from a Power Plant with Semi-automated Open Raceway Ponds for Microalgae Cultivation

Es wird ein Protokoll beschrieben, um das Kohlendioxid im Rauchgas von Erdgaskraftwerken zu nutzen, um Mikroalgen in offenen Laufsteichen zu kultivieren. Die Rauchgasinjektion wird mit einem pH-Sensor gesteuert, und das Wachstum von Mikroalgen wird mit Echtzeitmessungen der optischen Dichte überwacht.

Kopplung der Kohlenstoffabscheidung aus einem Kraftwerk mit halbautomatischen offenen Laufsteichen für die Mikroalgenzucht

In the United States, 35% of the total carbon dioxide (CO2) emissions come from the electrical power industry, of which 30% represent natural gas ...

This semi-automatic raceway cultivation system controlled by a pH sensor can directly capture flue gas from power plans for microalgae cultivation and can monitor microalgae growth with real-time measurements. The reactor system allows the direct capture and usage of carbon from industrial flue gas to grow microalgae in on-site semi-automated open pond raceway systems. The system can be used to cultivate alternative algae species and to capture carbon from any power plant.To set up an open raceway pond, attach a 0.95 centimeter fuel hose to capture the flue gas during the post-combustion process, a few meters before the flue gas enters the stack to be discharged into the atmosphere. Place a 20 liter water trap and an approximately 12 meter condenser between the stack and the compressor to remove water from the flue gas. To monitor algal growth, connect a real-time optical density sensor that measures the absorbance at 650 and 750 nanometers, a dissolved oxygen sensor, air and pond thermocouples, a pH sensor, and an electroconductivity sensor to a data logger.To set up a pH control system, connect a compressor and control valve system to the data logger program to manage the flue gas injection and use a tube to direct the flue gas from the control valve through a stone diffuser to the bottom of the raceway pond, then set the system to inject flue gas when the pH value was greater than 8.05 and to stop the flue gas injection when the pH is less than eight. To set up an algal culture system, set the culture room to 25 degrees Celsius in a 12-hour light, 12-hour dark cycle, and use deionized water salts and macro and micronutrients to prepare BG-11 culture medium. Use a sterile loop to select a single algal colony from the culture plate and inoculate the algae in a 50 milliliter tube containing sterile growth medium in a clean biosafety cabinet.Grow the small liquid culture on a shaker table at 120 revolutions per minute for one week. At the end of the incubation, transfer the entire volume of algal culture into 500 milliliters of liquid culture in a one liter flask and close the flask with a rubber stopper fitted with stainless steel tubing to provide aeration. Filter the air with 0.20 micron air sterilization filters and allow the culture to grow for another one to two weeks using a spectrophotometer to monitor the cell density daily.At the end of the culture period, add 500 milliliters of the liquid algal culture to eight liters of non-sterile culture medium in a 10 liter carboy and inject a mixture of 5%carbon dioxide and 95%air into the carboy. Monitor the stock plate and liquid cultures under a light microscope at the 10 and 40X magnifications once a week to ensure growth of the strain of interest. To inoculate an outdoor open raceway pond with algae, first, thoroughly clean the reactor overnight with 30%bleach.Rinse the reactor the next morning until all of the bleach has been removed and calibrate all of the sensors according to their corresponding calibration procedures. Fill the raceway pond up to 80%with water to dilute the concentrated medium and inoculate the pond with the 10 liter carboy of algae culture. Bring the pond to its final volume, then partially shade the raceway pond with wooden pallets for about three days as an adaptation strategy to avoid photo inhibition to allow the microalgae to acclimate to the culture system.To perform a batch growth experiment, inspect and record any day-to-day variations including water evaporation, paddle wheel motor and sensor functionality, or anything else out of the ordinary. Drain and inspect the compressor and water trap daily to allow the removal of any excess water and to minimize flue gas corrosion. Configure the data logger to scan each sensor measurement every 10 seconds and to store the average sensor and air and reactor temperature data every 10 minutes.Make sure that the water level remains constant at the reactor's final volume to avoid affecting the optical density measurement. After replenishing the water in the reactor, collect an algal biomass sample using a 250 milliliter bottle. Measure the optical density in the spectrophotometer.Check the quality of the algae culture three times a week by light microscopy. When a culture is close to reaching stationary phase, harvest 75%of the total algae culture volume and use two to five liters of the culture suspension to perform biomass productivity analysis in the laboratory, then process and convert the rest of the algae into the desired algal products. Here, a comparison between the sensor and laboratory measurements can be observed.Both breeding show similar trends with the data increasing as a function of time. Optical density values increase during the day, but decrease at night during respiration, indicating a change in biomass productivity, thus the integration of a real-time optical density sensor makes it possible to make effective management decisions about the overall algal production system. In this analysis, flue gas was injected from approximately 8:00 a.m.to 6:00 p.m. but was not injected between 6:00 p.m. and 8:00 a.m.This day/night cycle reflects the daylight sunlight exposure and the lack of light during the night, and consequently, the activation of photosynthesis or photorespiration respectively. As illustrated in this figure, as the algal grow rate increases, more flue gas is required, confirming that the on/off flue gas pulse injection system is effective at facilitating carbon capture and utilization through microalgae cultivation. Other physical chemical parameters can also be used to establish a correlation between the parameters and algal growth and productivity.It is important to make sure that the pH system is properly set up and that all of the sensors are calibrated before inoculating the raceway ponds with microalgae. Other methods that can be performed with the raceway pond while producing microalgae biomass include lipid, carbohydrate, or pigment extraction, ash-free dry weight measurements, and PCR quality monitoring.

Research

JoVE Journal

Environment

Methods for Performing Crosses in Setaria viridis, a New Model System for the Grasses

Methods for Performing Crosses in Setaria viridis, a New Model System for the Grasses

Verfahren für Kreuze in<em&gt; Setaria viridis</em&gt;, Ein New Model System für die Gräser

Setaria viridis is an emerging model system for C4 grasses. It is closely related to the bioenergy feed stock switchgrass and the grain crop foxtail ...

Forschung

Umwelt

Analysis of Fatty Acid Content and Composition in Microalgae

Die Analyse der Fettsäuregehalt und Zusammensetzung in Mikroalgen

A method to determine the content and composition of total fatty acids present in microalgae is described. Fatty acids are a major constituent of ...

Single-plant, Sterile Microcosms for Nodulation and Growth of the Legume Plant Medicago truncatula with the Rhizobial Symbiont Sinorhizobium meliloti

Single-plant, Sterile Microcosms for Nodulation and Growth of the Legume Plant Medicago truncatula with the Rhizobial Symbiont Sinorhizobium meliloti

Einzel-Anlage, steril Mikrokosmen für Knöllchenbildung und des Wachstums der Pflanze Hülsenfrucht<em&gt; Medicago truncatula</em&gt; Mit dem Rhizobia Symbiont<em&gt; Sinorhizobium meliloti</em

Rhizobial  bacteria form symbiotic, nitrogen-fixing nodules on the roots of compatible host  legume plants.  One  of the most well-developed model systems ...

Experimental Protocol for Manipulating Plant-induced Soil Heterogeneity

Versuchsprotokoll für die Manipulation von Plant-induzierte Bodenheterogenität

Coexistence theory has often treated environmental heterogeneity as being independent of the community composition; however biotic feedbacks such as ...

Modification and Application of a Leaf Blower-vac for Field Sampling of Arthropods

Modifizierung und Anwendung eines Laubbläser-vac für Feld Probenahme von Arthropoden

Rice fields host a large diversity of arthropods, but investigating their population dynamics and interactions is challenging. Here we describe the ...

Measurement of the Rheology of Crude Oil in Equilibrium with CO2 at Reservoir Conditions

Measurement of the Rheology of Crude Oil in Equilibrium with CO2 at Reservoir Conditions

Messung der Rheologie des Rohöls im Gleichgewicht mit CO<sub&gt; 2</sub&gt; Bei Vorratsbedingungen

A rheometer system to measure the rheology of crude oil in equilibrium with carbon dioxide (CO2) at high temperatures and pressures is described. The ...

Continuous Hydrologic and Water Quality Monitoring of Vernal Ponds

Kontinuierliche hydrologischen und Qualitätsüberwachung von Vernal Teichen

Vernal ponds, also referred to as vernal pools, provide critical ecosystem services and habitat for a variety of threatened and endangered species. ...

The Plant Infection Test: Spray and Wound-Mediated Inoculation with the Plant Pathogen Magnaporthe Grisea

The Plant Infection Test: Spray and Wound-Mediated Inoculation with the Plant Pathogen Magnaporthe Grisea

Die Pflanze-Infektion-Test: Spray und Wunde-vermittelten Inokulation mit Pflanzen Pathogen Magnaporthe Grisea

Plants possess a powerful system to defend themselves against potential threats by pathogenic fungi. For agriculturally important plants, however, current ...

Cultivation of Green Microalgae in Bubble Column Photobioreactors and an Assay for Neutral Lipids

Anbau von grünen Mikroalgen in Bubble Spalte Photobioreaktoren und ein Test für neutrale Lipide

There is significant interest in the study of microalgae for engineering applications such as the production of biofuels, high value products, and for the ...

High-throughput Siderophore Screening from Environmental Samples: Plant Tissues, Bulk Soils, and Rhizosphere Soils

Siderophore Hochdurchsatz-Screening von Umweltproben: Pflanzen, Gewebe, lose Böden und Rhizosphäre Böden

Siderophores (low-molecular weight metal chelating compounds) are important in various ecological phenomenon ranging from iron (Fe) biogeochemical cycling ...