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凝聚态物理 > 软凝聚态物理

arXiv:2508.04547 (cond-mat)
[提交于 2025年8月6日 ]

标题: 湿气驱动的二氧化碳直接空气捕集与输送用于培养蓝藻

标题: Moisture-driven CO2 direct air capture and delivery for cultivating cyanobacteria

Authors:Justin Flory, Shuqin Li, Samantha Taylor, Sunil Tiwari, Garrett Cole, Marlene Velazco Medel, Amory Lowe, Jordan Monroe, Sara Sarbaz, Nick Lowery, Joel Eliston, Heidi P. Feigenbaum, Heather Emady, Jason C. Quinn, Matthew Green, John McGowen, Klaus Lackner, Wim Vermaas
摘要: 一种由湿度驱动的空气捕获系统被开发并展示,用于在烧瓶(50 mL)、实验台(12 L)和小型中试(840 L)规模下培养蓝藻和微藻。 发现Purolite A501阴离子交换树脂珠具有生物相容性,并且在直接浸入含有蓝藻或微藻的碱性培养基时能够快速释放捕获的CO2。 烧瓶规模的培养试验表明,A501可以维持蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803菌株的快速生长(190 mg/L/d),该菌株经过工程改造以产生月桂酸。 安装在层流通风橱中的实验台规模系统能够每天向无机碱性培养基中输送2 g CO2,并在存在Synechocystis的情况下输送0.5 g/d,以支持旺盛生长(39 mg/L/d),其生长受限于吸附剂提供的CO2。 安装在亚利桑那州梅萨市4.2 m2户外跑道池中的小型中试系统能够每天向无机碱性培养基中输送100 g CO2。 Synechocystis 6803分泌的胞外多糖和其他产物覆盖了吸附剂珠,使其容量降低至25%,通过洗涤程序可以部分恢复至70%的容量,但CO2输送动力学仍较慢3-4倍。 对四次独立户外培养试验中使用的吸附剂珠进行分析,这些试验经历了四个季节超过300天的户外湿干循环,显示了显著的机械破裂。 红外光谱和热重分析显示,与长期使用相关的NR4+功能基团显著损失,这些基团对于CO2捕获是必要的。 假设通过将CO2输送到介质循环流中以避免生物污染,可以保留无机性能,技术经济和生命周期分析表明,一个每天生产500桶生物燃料的小型首个生物精炼厂是可行的。
摘要: A moisture-driven air capture system was developed and demonstrated for cultivating cyanobacteria and microalgae at the flask (50 mL), bench (12 L) and small pilot (840 L) scale. Purolite A501 anion exchange resin beads were found to be biocompatible and rapidly deliver air-captured CO2 when immersed directly in an alkaline cultivation medium containing cyanobacteria or microalgae. Flask-scale cultivation trials showed A501 could sustain rapid growth (190 mg/L/d) of the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 strain engineered to produce laurate. A bench-scale system installed in a laminar flow hood was able to deliver 2 g CO2/d into abiotic alkaline cultivation medium and 0.5 g/d in the presence of Synechocystis to support vigorous growth (39 mg/L/d) limited by the CO2 delivered by the sorbent. A small pilot-scale system installed in a 4.2 m2 outdoor raceway pond in Mesa, Arizona was able to deliver 100 g CO2/d into abiotic alkaline cultivation medium. Exopolysaccharides and other products excreted by Synechocystis 6803 covered the sorbent beads, reducing their capacity to 25%, which could be partially restored to 70% capacity using a wash protocol, but the CO2 delivery kinetics remained 3-4 fold slower. Analysis of the sorbent beads used as part of four separate outdoor cultivation trials with over 300 days of outdoor wet and dry cycling over four seasons showed significant mechanical fracturing. Infrared spectroscopy and thermogravimetric analysis showed a significant loss of NR4+ functional groups necessary for CO2 capture correlated with extended use. Under the assumption that abiotic performance eventually can be retained by delivering CO2 into the media recycle stream in a way that avoids biofouling, technoeconomic and life cycle analyses show the viability of a small first-of-a-kind biorefinery producing 500 barrels per day of biofuel.
评论: 18页,13个主要图表
主题: 软凝聚态物理 (cond-mat.soft) ; 其他凝聚态物理 (cond-mat.other)
引用方式: arXiv:2508.04547 [cond-mat.soft]
  (或者 arXiv:2508.04547v1 [cond-mat.soft] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.04547
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Justin Flory [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 8 月 6 日 15:34:00 UTC (4,862 KB)
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