発電所からの炭素回収と微細藻類栽培用の半自動オープンレースウェイ池の結合

地球温暖化は、現在、世界が直面している最も重要な環境問題の一つです¹。研究によると、主な原因は、^{人間活動による}大気中の温室効果ガス(GHG)排出量、主に_CO2の増加である2,3,4,5,6,7。米国では、_CO2排出量の最大の密度は、主にエネルギー部門、特に発電プラント³、⁷、⁸、⁹における化石燃料の燃焼に由来する。したがって、炭素回収利用(CCU)技術は、GHG排出量^2,7,10を削減するための主要な戦略の¹つとして浮上しています。これらには、日光を利用して、栄養素の存在下で光合成を介して_CO2と水をバイオマスに変換する生物学的システムが含まれる。微細藻類の使用は、速い増殖速度、高い_CO2固定能力、および高い生産能力のために提案されている。さらに、微細藻類は、バイオマスを化石燃料⁷、⁹、^10、11、¹²を置き換えることができるバイオ燃料などの関心のある製品に変換することができるため、幅広いバイオエネルギーの可能性を秘めている。

微細藻類は、開放軌道池および閉鎖型フォトバイオリアク^ター13、14、¹⁵、^16、17、¹⁸、¹⁹を含む様々な栽培システムまたは反応器において増殖および生物学的変換を達成することができる。研究者らは、屋内または屋外の条件下で、両方の栽培システムにおけるバイオプロセスの成功を決定する利点と限界を研究しました^{5,6,16,20,21,22,23,24,25}.オープンレースウェイ池は、煙道ガスをスタックから直接分配できる状況での炭素回収と利用のための最も一般的な栽培システムです。このタイプの栽培システムは、比較的安価であり、スケールアップが容易であり、エネルギーコストが低く、混合のためのエネルギー要件が低い。さらに、これらのシステムは発電所と簡単に共存できるため、CCUプロセスをより効率的に行うことができます。しかし、_CO2気体/液体物質移動の制限など、考慮する必要があるいくつかの欠点があります。制限はあるものの、屋外の微細藻類バイオ燃料生産に最も適したシステムとして、開放的な軌道池が提案されている5,9,11,16,20。

この記事では、天然ガス発電所の煙道ガスからの炭素回収を組み合わせた、オープンな軌道上の池での微細藻類栽培方法を詳述します。この方法は、培養pHに基づいて煙道ガス注入を制御する半自動化システムからなる。このシステムは、光学密度、溶存酸素(DO)、電気伝導度(EC)、空気および池の温度センサーを使用して、 クロレラ・ソロキニアナ の培養状態をリアルタイムで監視および記録します。藻類バイオマスと排煙注入データは、ツーソン電力施設で10分ごとにデータロガーによって収集されます。藻類株の維持、スケールアップ、品質管理測定、バイオマス特性評価(光学密度、g/L、脂質含有量の相関など)は、アリゾナ大学の研究室で行われます。以前のプロトコルは、コンピュータシミュレーション²⁶を介してフォトバイオリアクターにおける微細藻類の成長を促進するために煙道ガス設定を最適化する方法を概説した。ここで提示されたプロトコルは、オープンな軌道池を利用し、生産された煙道ガスを直接利用するために天然ガス発電所で現場で実装されるように設計されています。さらに、リアルタイムの光学密度測定もプロトコルの一部です。記載されているように、このシステムは暑い半乾燥気候(ケッペンBSh)に最適化されており、降水量が少なく、降水量が年々大きく変動し、相対湿度が低く、蒸発率が高く、晴天し、強い日射量^が強い27。