Mikroalg Yetiştiriciliği için Yarı Otomatik Açık Yuvarlanma Yolu Göletleri ile Bir Enerji Santralinden Karbon Yakalama Birleştirme

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.

Amerika Birleşik Devletleri'nde, toplam karbondioksit (CO₂) emisyonlarının% 35'i, doğal gaz elektrik üretimini temsil eden elektrik enerjisi endüstrisinden gelmektedir. Mikroalgler, CO_2'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.

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, CO_2'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 nedeniyle_{mikroalglerin} 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.

1. Büyüme sistemi: açık açık yarış pisti gölet ayarları

1. Açık yuvarlanma yolu havuzlarını baca gazı kaynağına yakın bir yere kurun (%8-10 CO_{2 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, OD_{750nm ≥ 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 (OD_750nm) 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 OD_750nm > 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.

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, endüstriyel bir enerji üretim istasyonundan elde edildi. Bu protokol, alg biyokütle verimliliğini değerlendirmek için çeşitli teknolojiler kullanır: (1) gerçek zamanlı optik yoğunluk sensörü kullanarak alg büyümesi (Şekil 5); (2) pH fonksiyonu olarak kültüre baca gazı açma-kapama darbesi enjeksiyonlarına göre alg büyümesi (Şekil 6 ve Şekil 7); ve (3) alg büyümesinin sıcaklık, çözünmüş oksijen ve elektroiletkenlik gibi çevresel parametrelerle korelasyonları (Şekil 8 ve Şekil 9).

Alg büyümesini ve fizyolojik dinamikleri izleyen gerçek zamanlı bir optik yoğunluk sensörünü test ediyoruz. Bu sensör, laboratuvar korelasyonu yoluyla, karşılık gelen külsüz kuru ağırlık biyokütlesini (g / L) oluşturmamızı sağladı. Şekil 5 , sensör ve laboratuvar ölçümleri arasındaki karşılaştırmayı göstermektedir. Her iki okuma da zamanın bir fonksiyonu olarak artan benzer eğilimler göstermektedir. Bununla birlikte, yerinde sensör okumaları gündüz / gece alg büyüme döngüsünü izleyebilir. Söz konusu döngü, optik yoğunluk değerlerinin gündüz arttığını, ancak solunum sırasında geceleri azaldığını ve biyokütle verimliliğinde bir değişiklik olduğunu göstermektedir. Gerçek zamanlı optik yoğunluk sensörünün entegrasyonu, genel alg üretim sistemi hakkında etkili yönetim kararları almayı mümkün kılar.

Tucson, AZ'de özellikle sıcak bir sonbahar mevsiminde ölçülen 24 saatlik bir baca gazı enjeksiyon döngüsü ile Şekil 6'da temsil edilen yarı otomatik bir açma-kapama baca gazı darbe enjeksiyon sistemi kullanıyoruz. Şekil 6'da gösterildiği gibi, baca gazı yaklaşık olarak sabah 8'den akşam 6'ya kadar (günlük dönem) enjekte edildi, ancak akşam 6 ile sabah 8 arasında (gece dönemi) enjekte edilmedi. Bu gündüz / gece döngüsü, günlük güneş ışığına maruz kalmayı ve gece boyunca ışık eksikliğini ve sonuç olarak, sırasıyla fotosentez veya fotorespirasyonun aktivasyonunu yansıtır. Şekil 7 , bu alg partisi sırasında enjekte edilen kümülatif baca gazını (L) göstermektedir. Bu durumda,_0.29 g alg biyokütlesi yetiştirmek için 538 L CO 2'ye karşılık gelen 6.564 L baca gazı kullanılmıştır. Grafik, alg büyüme hızı arttıkça, daha fazla baca gazına (CO₂) ihtiyaç duyulduğunu göstermektedir (Şekil 6). Deneysel sonuçlar, açma-kapama baca gazı darbe enjeksiyon sisteminin, mikroalg yetiştiriciliği yoluyla karbon yakalama ve kullanımını kolaylaştırmada etkili olduğunu doğrulamıştır.

Diğer fizikokimyasal parametreleri, alg büyümesi ve üretkenliği ile aralarında bir korelasyon kurmak için ölçüyor ve izliyoruz (Şekil 8 ve Şekil 9). Ölçülen çevresel parametreler çözünmüş oksijen, elektroiletkenlik (EC) ve hem hava hem de havuz sıcaklıklarıydı. Beklendiği gibi, EC hariç tüm parametreler, güneş radyasyonu ile yüksek oranda ilişkili olan benzer eğilimler gösterdi. Sonuçlar, bu çevresel değişkenlerin alg büyümesi üzerinde en önemli etkiye sahip olduğunu ve alg biyokütle modellemesi için kullanıldığını göstermektedir³⁵. AK, parti prosesi sırasında önemli ölçüde değişmedi. Bu nedenle, alg büyümesi ile ilgili herhangi bir bilgi sağlamamıştır. Chlorella sorokiniana'nın tuzlu olmayan su kullanılarak yetiştirilmesi için EC ölçümleri ihmal edilebilir.

Şekil 1: Santralden karbon yakalama ve mikroalg yetiştiriciliği için yarı otomatik açık havuz reaktörlerini bağlamak için Tucson Electric Power'daki pilot saha konumu. İki konum şu şekilde temsil edilir: 1) Yosun Sitesi U3 (ünite 3) ve 2) Yosun Sitesi U4 (ünite 4) fotoğraf kredisi: Jose Manuel Cisneros Vazquez. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: Sıcak yarı kurak bir iklimde mikroalg yetiştiriciliği için karbon yakalama ve yarı otomatik açık yuvarlanma yolu havuzlarının birleştirilmesi için proses akış şeması. (A) Açık Yuvarlanma Yolu Paddlewheel tasarımı; (B) Gerçek deney tesisi; (C) İşlem: Van Den Hende^28'den modifiye edilmiş karbon yakalama ve mikroalg yetiştiriciliğinin bağlanması. Göstergeler: T = Sıcaklık; DO = Çözünmüş oksijen; OD = Optik yoğunluk; EC = Elektrik iletkenliği; Veri Kaydedici. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Sensör kurulumunun şematik gösterimi . (A) CV1 ve CV2'nin kontrol valfleri, DL'nin datalogger ve T1 ve T2'nin vericiler olduğu genel dış mekan açık havuz sensörlerinin gösterimi. (B) Bir kontrol vanasının gösterimi. (C) Sensörlerin dataloggera bağlantısının gösterimi; koyu mavi daire: gerçek zamanlı optik yoğunluk, turuncu üçgen: pH ve EC, siyah üçgen: termokupllar, kırmızı üçgen: çözünmüş oksijen, açık mavi: kontrol vanası. (D) pH ve EC transmitteri. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: Alışma işlemi altındaki algler. Üstel fazda ahşap paletler kullanarak mikroalg iklimlendirme stratejisi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: Alg büyüme izlemenin temsili. (A) AFDW biyokütle konsantrasyonu (g/L) ile laboratuvar ölçümlerinin süresi arasındaki grafik; (B) Optik yoğunluk sensörü ile laboratuvar ölçümleri arasındaki korelasyon için 650 nm'de grafik; ve (C) gerçek zamanlı optik yoğunluk sensörü için grafik ve deneysel bir parti için zaman. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 6: pH fuksiyonu olarak açma/kapama baca gazı darbe enjeksiyonu için grafik. Datalogger, pH = 8.05'te baca gazı enjeksiyonunu (kontrollü valf açık) başlatmak ve pH = 8.00'de baca gazı enjeksiyonunu (kontrollü valf kapalı) sonlandırmak için kuruldu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 7: Alg büyümesi (g / L), enjekte edilen baca gazı miktarı ve zamanın bir fonksiyonu olarak enjekte edilen CO₂ miktarı grafiği. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 8: Sıcaklık izlemenin gösterimi. Göstergeler: katı sarı çizgi = yuvarlanma yolu gölet reaktörü sıcaklığı; düz gri çizgi = hava sıcaklığı; ve kesikli mavi çizgi = AZMET İstasyonu sıcaklığı (Arizona Meteoroloji Ağı). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 9: Alg büyüme parametrelerinin izlenmesi. Efsaneler: turuncu katı çizgi = güneş radyasyonu; gri katı çizgi = elektroiletken (EC); ve sarı katı çizgi = çözünmüş oksijen (DO). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tablo 1: İz elementler çözeltisi tarifi.

Tablo 2: 1 L için optimize edilmiş ortam tarifi.

Ek Kodlama Dosyaları. Bu dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.

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 belirsizliği azaltmayı amaçlamaktadır^20,21,36. Deneyimlerimize göre, protokolün en kritik adımları pH kontrol sistemini ve sistemi aşılamak için etkili bir yöntemi içerir (Şekil 2). pH kontrol sistemi baca gazı/CO₂ sağlar ve CO₂ yakalama ve kullanımında verimliliği optimize etmeye yönelik bir stratejiyi temsil eder (Şekil 3)³⁷. Bu kontrollü sistemin, mikroalg yetiştirme prosesi için sürekli bir enjeksiyon sisteminden daha verimli olduğu kanıtlanmıştır, çünkü maksimum alg büyüme hızı ^20,37'ye ulaşmak için yeterli baca gazı sağlarken gazsızlaşmayı azaltır. Baca gazı enjeksiyonu pH'a dayandığında, alg yetiştiriciliği için önemli bir faktör, yuvarlanma yolu göleti ^38,39'u aşılamadan önce mikroalg türleri için yeterli bir pH değeri seçmektir. Qiu ve ^ark.40, hücre büyümesi ve lipit üretimi⁴⁰ göz önüne alındığında, tatlı su türleri Chlorella sorokiniania için 8'lik bir pH değerinin en iyisi olduğunu bulmuşlardır. Dahası, Molina Grima ve ^ark.41, azot kaybını azaltmak ve mikroalgler / biyokütle⁴¹ tarafından daha iyi azot alımı elde etmek için 8'in altında bir pH önermektedir. Bununla birlikte, Yuvraj ve ark.42, azot gübrelemesinin ortamın asitliği üzerindeki etkisi nedeniyle pH'ın sudaki CO₂ içeriğini değerlendirmek için uygun bir yöntem olmadığını öne sürmektedir ⁴². Sonuçlarımız, pH'ın burada sunulan sistem için CO₂ enjeksiyonunu yönetmek için etkili bir şekilde kullanılabileceğini göstermektedir (Şekil 6); kültürü pH 8'de tutan baca gazı enjeksiyon yönetimimiz, yüksek biyokütle verimi ve tekrarlanabilirlik ile sonuçlandı (Şekil 7).

Aşılamadan sonra, algler fotoinhibisyondan kaçınmak ve yuvarlanma yolu ortamının yüksek sıcaklığına uyum sağlamak için sisteme alışmalıdır. Bu sıcak yarı kurak iklimde, yüksek güneş radyasyonu nedeniyle alg fotoinhibisyonu gözlemledik 39,43,44 (Şekil 9). Bu etki sadece geciktirmekle kalmaz, aynı zamanda üstel faz^{32,35,45,46,47} sırasında mikroalg aşılamasını da inhibe edebilir. Alımülasyonun mikroalgler üzerindeki etkisini azaltmak için, yuvarlanma yolu göletinin ahşap paletlerle kısmen gölgelendirilmesinden oluşan başarılı ve uygulanabilir bir strateji tasarladık. Bu strateji, mikroalglerin tekrar tekrar ancak kısa süreliğine güneş koşullarına maruz kalmasına izin verir. Diğer bir stres faktörü ise baca gazının yüksek sıcaklığı ve ortam havasının ^33,48'dir (Şekil 8). Baca gazı sıcaklığı yanma sonrası aşamada oldukça yüksektir 10,48,49. Baca gazını, sevk edilen boru hattından yuvarlanma yolu havuzuna doğrudan enjekte ederek kullanmak, ortamın sıcaklığının daha da artmasına katkıda bulunabilir. Bu nedenle, kompresörün önüne yerleştirilen bir kondenserin ardından bir su tutucu sadece ısı transferini değil, aynı zamanda kompresöre ulaşan su miktarını da azaltacaktır (Şekil 2). Her iki cihazın da kompresör arıza oranını azaltmak için gerekli olduğunu gördük. Ek olarak, kompresörün yaşam döngüsü ve bakımı tahmin edilirken nem, baca gazı sıcaklığı ve baca gazının aşındırıcı yapısı da dikkate alınmalıdır. Ayrıca, yüksek sıcaklıklar daha yüksek buharlaşma oranlarına neden olur.

Bu protokol bazı sınırlamalara tabidir. Şekil 6'ya göre, kontrol valfi, fotosentez zirvedeyken yeterli baca gazı enjekte edemedi. Bu etki, reaktör tasarımı ^5,16,50,51 nedeniyle gazdan sıvı faza düşük kütle transferine bağlanabilir. Mendoza ve ark.36,52 ve de Godos ve ark.16, yuvarlanma yolu havuzlarının zayıf bir gaz / sıvı kütle transferine sahip olduğunu ve bunun da en ciddi tasarım kısıtlamalarından birini temsil ettiğini belirtmiştir^16,36,52. Sığ kanal tasarımları, gaz ve kültür ortamı arasındaki kısa arayüz alanı nedeniyle CO 2 kütle transferini sınırlar ve bu da CO 2 gaz_çıkarmada bir artışa neden olur (Şekil 2). Bu nedenle, karterler, karıştırma kolonları, geçirgen silikon ve sparging-difüzyon sistemleri ^36,52,53 dahil olmak üzere gaz / sıvı temas süresini artırmak için cihazlar ve yeni konfigürasyonlar önerilmiştir. Tüm bu sistemler CO₂ kütle transferini geliştirmek amacıyla kullanılmıştır; Bununla birlikte, bu sistemlerden bazıları besin dağılımını iyileştirir, pH'ı kontrol eder ve fazla O₂ 5,24,36,52'yi giderir. Son olarak, kesintiler bir enerji santralinden gerçek baca gazı yakalarken ve kullanırken ortaya çıkabilecek diğer sınırlamalardır. Bu kesintiler her zaman planlanmaz. Bu nedenle, CO_2'nin geçici alternatif kaynakları, örneğin CO₂ ana hattının birden fazla güç ünitesine taşınması veya bağlanması gibi düşünülmelidir (Şekil 1).

Bu protokol ile mikroalg üretme yeteneği, alg verimliliği (Şekil 5), seçilen parametrelere alg yanıtları (Şekil 6, Şekil 8, Şekil 9) ve doğrudan baca gazı enjeksiyonu ile beslendiğinde istenen alg türlerinin başarılı bir şekilde yetiştirilmesi ile ilgili sonuçlarımızla desteklenmektedir. Açık reaktörlerin işletilmesi daha ucuzdur ve bu nedenle bu protokol, bu karbon yakalama ve kullanım biçiminin ticari ölçekte dağıtımını hızlandırmak için güçlü yönlerine dayanmaktadır 16,20,54,55,56. Bu sıcak yarı kurak bölge, yıl boyunca yüksek güneş radyasyonu ve önemli sıcaklık dalgalanmaları yaşar (Şekil 8 ve Şekil 9)⁵⁷; Bu nedenle, bu tür bir protokolü test etmek için en önemli yerdir. Optik yoğunluk sensörü, dış mekan açık sistemimiz için tutarlı OD okumaları sağladı (Şekil 5); Bu tür veri toplama, diğer sensörleri kullanarak pratik olmayacaktır. Ayrıca, sensörler gündüzden geceye önemli sıcaklık değişimlerine iyi yanıt verdi (Şekil 8), alg verimliliği kararlarını zamanında vermemizi sağladı²⁹. Ayrıca, önerilen optimize edilmiş ortam, ticari gübreye ve hazır bulunan besin kaynaklarına dayanma konusunda kritik bir avantaja sahiptir⁵⁸ (Tablo 1 ve 2); Bu ortam şirket içinde kolayca üretilebilir veya tarımsal sıvı gübre firmalarından talep üzerine tedarik edilebilir⁵⁸. Son olarak, yarı otomatik protokol ek bir doğal gaz santralinde test edildi. Bu doğrulama çalışmasının sonuçları bu makalede sunulmamıştır. Bu doğrulama çalışmasında, protokol, Tucson'daki aşırı hava koşullarına ve reaktörün santral düzenindeki konumu nedeniyle üretim istasyonundaki olağanüstü sıcak sıcaklıklara rağmen başarılı oldu. Bu nedenle, doğal gaz elektrik üretmek için yakıt olarak kullanıldığında Tucson'un çevresi için protokol tekrarlanabilirliği incelenmiştir.

Bu protokolü daha da geliştirmek ve ilgili süreçlerin otomasyonunu iyileştirmek ve geliştirmek için aşağıdaki adımlar önerilir. İlk öneri, baca gazı enjeksiyonunu tamamen değişken oranlı bir süreç haline getirmek, böylece CO₂ ve pH yönetimini iyileştirmektir; Mevcut program, pH 8'in üzerine çıktığında enjeksiyon vanasını tamamen açar ve pH tekrar 8'e ulaştığında kapatır. CO_2'nin enjekte edilme şeklinin iyileştirilmesi de gereklidir. Amaç, CO 2 kabarcıklarının boyutunu azaltmak, yani daha yüksek basınçta baca gazı enjekte etmeye başvurmadan ortamdaki CO₂ difüzyonunu arttırmak için mikro kabarcıklar üretmektir. Geliştirilmiş enjektörlerin kullanılması, böylece operasyonel enerji maliyetlerinin azaltılması, protokolün ticari bir uygulamasında gerekli görülmektedir. N kullanım verimliliğini artırmak için baca gazı ve gübreyi, özellikle N'yi kontrol etmek için hava tahminine ve mevcut mikroalg durumuna dayanan öngörücü araçların dahil edilmesi de önerilir. Hesaplamalı akışkan dinamik modellemenin kullanımı, önerilen protokolün daha da geliştirilmesinde hayati bir araç olarak kabul edilir; modelleme, mikroalglerin izlenmesi ve yönetiminde yer alan tüm donanımların tasarımını, yapılandırmasını ve çalışmasını optimize etmeye yardımcı olabilir. Gelecekte keşfedilebilecek bir diğer alan, mikroalg mahsulünün sağlığını ve bileşimini izlemek için çevresel DNA (eDNA) ve gerçek zamanlı PCR tekniklerinin uygulanmasıdır. Su örnekleri analiz edilebilir ve sonuçlar, nesnel mikroalglerin ortamdaki baskın türler olup olmadığını veya rekabet edip etmediğini veya farklı bir organizma ile değiştirilip değiştirilmediğini gösterir.

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.

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.