Cultivation of microalgae for the fixation of carbon dioxide from power plant flue gas

Abstract

Microalgae are a diverse group of unicellular, photosynthetic organisms that fix carbon dioxide (CO2) efficiently and hence produce biomass rapidly which are utilized as raw material for e.g. bioenergy production. This master's thesis concerns the potential of cultivating microalgae for fixing CO2 from power plant flue gases, which are among the major sources of CO2 emissions.

The topic is approached from the point of view of microbiology, by analysing the growth characteristics and requirements of microalgae enabling industrial-scale cultivation on the one hand, and imposing challenges on the other. The main benefits of microalgae are related to their high photosynthetic efficiency compared with multicellular plants, the ability to utilize high-concentration CO2 sources, and simple growth requirements. The prominent challenges are related to the provision of light and gas transfer in dense cultivations, as well as maintaining stable growth conditions. On this basis, a review to the possibilities and limitations of algal cultivation and bioenergy production process is provided. The key factor in the successful process development is to enable maximal growth by eliminating the challenges in a sustainable and economically feasible fashion.

Potential limitations specifically related to flue gases are assessed in more detail. According to previous studies algal growth could be reduced due to the presence of potentially toxic compounds in the flue gas, especially nitrogen oxides and sulphur oxides, as well as pH decrease resulting from an oversupply of CO2. In this thesis, growth of four microalgal species was examined in a laboratory-scale batch-mode comparative cultivation experiment with pure CO2 and actual flue gas, in which gas supply was adjusted according to the carbon uptake capacity of the microalgae. The growth was observed with maximal fluorescence and optical density measurements, and the final biomass concentrations were determined.

No significant differences in the growth were observed between the experiments, except for one of the species that had decreased growth during flue gas cultivation. These results suggests that cultivation of microalgae with flue gas as a carbon is feasible -at least when CO2 is provided according to the carbon demand of microalgae -but also that species selection is to be considered as an essential part of the production process optimization. Furthermore, there were indications that microalgae might be able to utilize flue gas nitrogen and sulphur as nutrients. The result encourage conducting further experiments on a larger scale and continuous cultivation mode, as well as for further assessment of economic profitability and ecological sustainability of microalgal cultivation.

Mikrolevät ovat yksisoluisia ja yhteyttäviä organismeja, jotka sitovat tehokkaasti hiilidioksidia. Ne ovat näin ollen nopeakasvuisia eli tuottavat runsaasti biomassaa, jota voidaan hyödyntää esimerkiksi bioenergian raaka-aineena.

Tämä diplomityö tarkastelee mikrolevien viljelyä hiilidioksidin sitomiseksi voimalaitosten savukaasuista, jotka ovat merkittävimpiä hiilidioksidipäästöjen lähteitä. Aihetta tarkastellaan mikrobiologian näkökulmasta analysoimalla mikrolevien kasvuominaisuuksia ja -vaatimuksia, jotka yhtäältä mahdollistavat ja toisaalta rajoittavat teollisen mittakaavan mikroleväviljelyä. Mikrolevien merkittävimpiin hyötyihin lukeutuvat monisoluisiin kasveihin nähden korkea yhteyttämistehokkuus, kyky hyödyntää korkeita hiilidioksidipitoisuuksia, sekä yksinkertaiset kasvuvaatimukset. Keskeisiä haasteita ovat riittävän valonsaannin ja kaasujenvaihdon turvaaminen tiheissä viljelmissä, sekä kasvuolosuhteiden ylläpitäminen vakaina. Naiden tarkastelujen pohjalta luodaan katsaus mikrolevien kasvatuksen ja leväpohjaisen energiantuotantoprosessin mahdollisuuksiin ja rajoituksiin. Avaintekijänä prosessisuunnittelussa on kasvun maksimointi ja kasvuun liittyvien ongelmien minimointi siten, että kokonaisuus on ympäristön kannalta kestävä ja taloudellisesti kannattava.

Myös savukaasujen käyttöön mikrolevien hiilenlähteenä liittyy mahdollisesti rajoitteita. Tutkimuskirjallisuuden mukaan savukaasujen jotkin yhdisteet, erityisesti typen ja rikin oksidit, saattavat olla myrkyllisiä mikroleville. Myös hiilidioksidin ylitarjonta levien hiilensitomiskykyyn nähden voi hidastaa levien kasvua pH:n laskiessa kasvatusliuoksessa. Diplomityön kokeellisessa osassa neljää levälajia kasvatettiin laboratoriomittakaavan panoskasvatuskokeissa, joista ensimmäisessä käytettiin puhdasta hiilidioksidia ja toisessa savukaasua. Kaasusyöttö säädettiin levien hiilentarpeen mukaan, levien kasvua seurattiin fluoresenssi- ja optisen tiheyden mittauksilla, ja lopuksi määritettiin biomassan loppukonsentraatiot.

Testattujen mikrolevien kasvussa ei havaittu merkittäviä eroja kokeiden välillä, lukuun ottamatta yhtä levälajia joka kasvoi hitaammin savukaasukasvatuksen aikana. Tulosten perusteella mikrolevien kasvatus savukaasujen avulla on mahdollista, ainakin kun hiilidioksidin syöttö tapahtuu levien hiilentarpeen mukaan, mutta levälajin valinta on keskeinen osa kasvatusprosessin optimointia. Lisäksi kokeet antoivat joitain viitteitä siitä, että levät saattoivat hyödyntää savukaasujen typpeä ja rikkiä ravinnon lähteinä. Tulosten perusteella voidaan suositella sekä jatkotutkimuskokeita suuremmassa mittakaavassa ja jatkuvakestoisella kasvatuksella, että mikroleväviljelyn ekologisen kestävyyden ja taloudellisen kannattavuuden selvittämistä.