Фотобиореактор своими руками

Обновлено: 05.07.2024

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гладышев, Павел Александрович

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Зеленые растения как основное звено замкнутой экологической системы жизнеобеспечения

1.2. Влияние экологических и технологических факторов на ростовые и газообменные показатели процесса культивирования хлореллы в условиях замкнутой системы жизнеобеспечения

1.2.1. Питательные среды

1.2.2. Световой фактор

1.2.3. Температурный режим

1.2.4. Перемешивание культуральной жидкости

1.2.5. Зависимость фотосинтеза от концентрации углекислого газа

1.2.6. Зависимость фотосинтеза от концентрации кислорода

1.2.7. Сопутствующая микрофлора

1.3. Обзор конструкций фотобиореакторов для культивирования хлореллы и других фотосинтезирующих микроорганизмов.

1.4. Постановка задачи исследования

Глава 2. Выбор аппаратурного оформления процесса культивирования хлореллы

Глава 3. Конструктивные особенности систем перемешивания полостных фотобиореакторов

3.1. Выбор типа перемешивающего устройства

3.2. Конструкция корпуса реактора

Глава 4. Разработка осветительной системы полостных фотобиореакторов

4.1. Выбор искусственных источников света

4.2. Разработка охлаждающего устройства

4.3. Методика проведения фотометрических исследований

4.4. Расчет мощности осветительной системы при масштабировании фотобиореакторов

Глава 5. Гидродинамические и массообменные исследования полостных фотобиореакторов

5.1. Экспериментальная установка

5.2. Измерение мощности, потребляемой системой перемешивания

5.2.1. Гладкостенный полостной реактор

5.2.2. Полостной реактор с внутренним оребрением корпуса

5.3. Массообменные исследования полостных фотобиореакторов

Глава 6. Технологические исследования полостного фотобиореактора

6.1. Подготовка посевного материала

6.2. Описание экспериментальной установки

6.3. Накопительное культивирование хлореллы

6.4. Влияние оребрения корпуса фотобиореактора на скорость утилизации СО

6.5. Рекомендации по использованию полостных фотобиореакторов в замкнутых экологических системах жизнеобеспечения 125 Основные результаты и выводы 127 Список литературы 128 Приложения

В - ширина отражательной перегородки, м;

С - текущее значение концентрации газа, растворенного в жидкости, кг/м3 ; Ср - равновесная концентрация газа, растворенного в жидкости, кг/м3; с- удельная теплоемкость, Дж/кг-град;

D - диаметр установочной окружности для источников света, м ; Dp- внутренний диаметр реактора, м ; dn - диаметр полости, м; dut - диаметр мешалки, м; dm > dsx ~ наружный и внутренний диаметры водяного холодильника, м; Nocb~ мощность, расходуемая на освещение, Вт; Е - освещенность, лк;

F - площадь поверхности теплопередачи, м;

Fx - расход хладагента, кг/с;

Fn - площадь поверхности газовой полости, м2;

G - продуктивность реактора, г/л-сутки;

НР- высота реактора, м;

J - количество отражательных перегородок;

KLa - объемный коэффициент массопередачи, 1/с;

KL - поверхностный коэффициент массопередачи, м/с ;

KN- критерий мощности;

КТ- коэффициент теплового действия источника света; к - номинальный коэффициент заполнения реактора; кИ - коэффициент заполнения реактора; - расстояние между поверхностями светоподвода и светопоглощения, м ; М- удельная скорость абсорбции кислорода, кг 02/м3-ч; N- мощность, расходуемая на перемешивание, Вт; Ny- удельная мощность, расходуемая на перемешивание, Вт/м; Nocb~ мощность, расходуемая на освещение, Вт; п - скорость вращения мешалки, об/с; q- удельный тепловой поток, Вт/м ;

R - фактор оребрения; г - шаг установки источников света, м;

Up - рабочее напряжение, В;

V- полный объем реактора, м ;

VP - рабочий объем реактора, м3;

W-электрическая мощность, Вт;

IVуд- удельные энергозатраты, кВт-ч/кг;

Х- концентрация сухой биомассы микроводорослей, г СБ /л ; s - скорость диссипации энергии в единице массы, Вт/кг; rj - коэффициент полезного действия; л - коэффициент скорости роста, ч"7; р - плотность культуральной жидкости, кг/м\ т - время, с; со - угловая скорость, с'1;

Аппаратурно-технологическое оформление процесса культивирования спирулины 2000 год, кандидат технических наук Глущук, Леонид Павлович

Культивирование фототрофов в аппаратах с гибкими перемешивающими устройствами 2006 год, кандидат технических наук Петров, Игорь Алексеевич

Энергосберегающие режимы освещения при культивировании светозависимых микроорганизмов 2012 год, кандидат технических наук Мальцевская, Надежда Владиславовна

Новые конструкции аппаратов для осуществления процессов с принудительным газоснабжением 2000 год, кандидат технических наук Милованов, Алексей Игоревич

Управляемое культивирование пурпурных бактерий в изучении метаболизма водорода и азотфиксации 1997 год, доктор биологических наук Цыганков, Анатолий Анатольевич

Разработка и исследование замкнутых искусственных экологических систем ассоциируется с решением проблемы обеспечения надежных условий жизнедеятельности экипажей подводных, космических и подземных гермообъектов, исследователей пустынных и высокогорных районов, Арктики и Антарктиды, деятельность которых связана с длительным существованием вне пределов земной биосферы.

Проблема создания в гермообъекте необходимых для жизни условий чрезвычайно сложна. При этом уделяется внимание как биологическим, так и инженерным вопросам. Самым важным соображением при этом является продолжительность экспедиции, для которой предназначен гермообъект. К физиологическим факторам, служащим отправной точкой для выявления основных характеристик искусственной экологической системы относятся интенсивность обмена веществ экипажа, в частности скорости потребления кислорода и выделения углекислого газа, количество необходимой воды, а также температура и влажность окружающей среды, и допустимый уровень ее загрязнения. С этими параметрами связаны и такие, как численность экипажа, возможность перезарядки системы во время экспедиции, число планируемых выходов членов экипажа из гермообъекта и количество необходимых запасов.

Искусственные экосистемы полузамкнутого типа, разработанные для жизнеобеспечения человека и действующие на гермообъектах в настоящее время, можно рассматривать как группу связанных между собой подсистем: кондиционирования воздуха, обеспечения водой, обработки продуктов жизнедеятельности, терморегуляции.

В подсистему кондиционирования воздуха входят запасы дыхательных смесей, вентиляционное оборудование, устройства для очистки и обработки газовых смесей (удаления запахов, углекислого газа, твердых частиц и других загрязнений, а также поддержания необходимых значений влажности, температуры и давления). Подсистемы обеспечения водой и обработки продуктов жизнедеятельности экипажа снабжают его питьевой водой и водой для личной гигиены, а также обрабатывают и при необходимости хранят в виде отходов продукты жизнедеятельности. Подсистема терморегуляции поддерживает в пространстве гермообъекта оптимальную температуру.

Полузамкнутая искусственная экосистема не удовлетворяет требованиям продолжительных экспедиций. Одним из вариантов решения этой проблемы является копирование замкнутой экологической системы жизнеобеспечения (ЗЭСЖО), частью которой является на Земле человек.

Для длительной автономной работы человека вне пределов земной биосферы, потребуется система, в основе работы которой лежит непрерывный материальный и энергетический обмен между животным и растительным миром и круговорот воды. Основным звеном такой системы является блок фотосинтеза, в котором выделяемый человеком углекислый газ преобразуется в кислород и углерод, являющийся составной частью питания растений. Следует заметить, что в состоянии непрерывного внутреннего обмена в ЗЭСЖО может находиться только вещество, в то время как энергия для такой системы должна поступать от внешнего источника. Такой источник энергии может быть искусственным или естественным, например, Солнце, при работе гермообъекта в пределах Солнечной системы.

Принципиальная возможность реализации ЗЭСЖО была показана в длительных модельных экспериментах на Земле и в космосе. В ходе экспериментов с одноклеточными водорослями и высшими растениями на борту российских биоспутников и орбитальных станций выявлено, что функциональные возможности фотоавтотрофного звена ЗЭСЖО не зависят от гравитационного фактора, т.е. низшие и высшие фототрофные организмы способны в невесомости обеспечить продукционный процесс, сопоставимый с таковым на Земле.

Продвижение замкнутых экосистем в гермообъекты, в частности на борт космических летательных аппаратов тормозится, на наш взгляд, отсутствием эффективного аппаратурно-технологического оформления процессов культивирования микроводорослей. Предлагаемые в данной работе конструкции фотобиореакторов (ФБР), характеризующихся высокой производительностью, умеренными энергозатратами, компактностью и универсальностью позволяют прогнозировать их устойчивую работу и достижение высоких показателей в ЗЭСЖО наземных, подводных и космических гермообъектов.

Все исследования реакторов, представленных в работе, проводились в условиях гравитации, поэтому о перспективах их использования в условиях невесомости сообщается в отдельных главах в виде примечаний.

Разработка фотобиореакторов для автотрофного и гетеротрофного культивирования микроводорослей в составе замкнутых экологических систем жизнеобеспечения.

Для достижения этой цели проведены исследования, включающие решение следующих задач научного и прикладного характера:

- анализ конструкций фотобиореакторов с точки зрения возможности их использования в искусственных экосистемах;

- разработка компактных фотобиореакторов с высокими значениями массо-обменных характеристик, работающих на высоких концентрациях биомассы;

- изучение влияния режимов светоподвода и перемешивания суспензии в на ростовые характеристики биомассы и скорость утилизации СО2;

- разработка методики оценки и оптимизации энергозатрат в процессах культивирования микроводорослей.

- предложена конструкция полостного фотобиореактора с механическим перемешиванием для аппаратурно-технологического оформления водорослевого звена замкнутой экологической системы жизнеобеспечения;

- предложена конструктивная модернизация гладкостенного полостного фотобиореактора с целью улучшения его массообменных и эксплуатационных характеристик;

- установлена зависимость гидродинамических и массообменных характеристик модернизированного полостного реактора от величин его конструктивных параметров;

- исследовано влияние конструктивных параметров модернизированного фотобиореактора на скорость утилизации СО2;

- предложен параметр масштабирования полостного фотобиореактора, основанный на постоянстве освещенности поверхности газовой полости;

- разработана методика оценки затрат мощности на освещение газовой полости фотобиореактора.

- разработаны и изготовлены лабораторные модели фотобиореакторов с механическим перемешиванием, предназначенные для культивирования микроводорослей с различными типами питания и уровнями клеточной организации;

- по результатам экспериментальных исследований для полостных фотобиореакторов установлены основные рекомендуемые технические характеристики: оптимальный коэффициент заполнения, рациональные энергозатраты на перемешивание и освещение;

- разработано техническое решение, в т.ч. оптимальное внутреннее оребрение реактора, обеспечивающее значительное снижение циклических нагрузок на корпус реактора и опорную конструкцию установки;

- разработан и апробирован макет теплообменного устройства, обеспечивающий поддержание оптимального температурного режима работы осветительного блока, а также постоянство его оптических характеристик;

- для облучения поверхности светопоглощения полостных фотобиореакторов рекомендовано использование натриевых ламп высокого давления, обеспечивающих оптимальный спектральный состав света;

- предложенная энергосберегающая конструкция модернизированного фотобиореактора рекомендована для замкнуты экологических систем жизнеобеспечения, работающих в условиях невесомости.

Положения, выносимые на защиту

1.Для аппаратурного оформления фототрофного звена замкнутой искусственной экосистемы рекомендуются реакторы с жидкостным потоком, формирующимся под действием центробежных сил - полостные реакторы с механическим перемешиванием, в которых реализован принцип совмещения зон сорбции и светоподвода.

2. Система искусственного освещения полостного фотобиореактора с принудительным водяным охлаждением, обеспечивает сохранение фотометрических показателей источника света в течение длительных периодов культивирования хлореллы.

3 Модульный принцип компоновки лампового блока позволяет оценить его мощность при масштабировании полостного фотобиореактора.

4.Фактором, ограничивающим объемный ряд полостных фотобиореакторов, является совокупность конструктивных параметров холодильника осветительного блока.

5. Модернизация корпуса полостного ФБР обуславливает значительное увеличение интенсивности массообмена в системе газ-жидкость при минимальных дополнительных затратах мощности.

6. Суточная газообменная производительность реактора рабочим объемом 140 л соответствует потребностям одного человека.

Основные публикации по работе выполнены в соавторстве с В.А. Жаворон-ковым и Д.А. Казениным. При этом соискателем проведены все экспериментальные исследования и расчеты. В.А. Жаворонков предложил классификацию ФБР, разработку фотобиореакторов на основе совмещения зон сорбции и светоподвода, использование демпферных мешалок для создания потока кольцевидного сечения в ФБР, а также принимал участие в проектировании образцов лабораторных реакторов, представленных в работе. Д.А. Казенин предложил подход к массообменным исследованиям полостных ФБР, принимал участие в обсуждении результатов экспериментов, их математического описания, а также в редактировании публикаций и текста работы.

Соискателем показана необходимость интенсификации массообмена в глад-костенном полостном ФБР при его использовании в замкнутых системах жизнеобеспечения, для чего предложена конструктивная модернизация корпуса реактора; разработаны методики фотометрических исследований и оценки мощности осветительной системы; установлены рекомендуемые значения основных технических характеристик и предложен параметр масштабирования полостных фотобиореакторов; разработаны и смонтированы все представленные в работе экспериментальные установки, предложено математическое описание и проведена статистическая обработка экспериментальных данных; полученные результаты, оформленные в виде статей и тезисов, апробированы на 5 конференциях.

Фотобиореактор представляет собой систему обеспечения производства фотосинтезирующих микроорганизмов , взвешенных в воде, таких как фотосинтезирующих бактерий, цианобактерий, эукариотических микроводорослей , изолированных многоклеточных растений клетки , маленькие растения , такие как макроводорослей гаметофита и мох protonemata . Это производство происходит путем культивирования, чаще всего клонального, в водной среде при освещении. Усиление промышленных объемов, которые могут достигать сотен кубических метров, осуществляется последовательными стадиями, когда объем одной стадии используется для инокуляции следующего объема. Для сбора микробной популяции и обеспечения производства биомассы объем каждого этапа можно частично обновлять каждый день (непрерывное культивирование) или полностью изменять (периодическое культивирование). Этим этапам соответствуют фотобиореакторы увеличивающегося объема и разной природы.

Резюме

Функции

Клональные фотосинтетические культуры требуют непрерывного выполнения четырех условий в условиях асептики.

Во-первых, стены для содержания культур должны быть и оставаться прозрачными для обеспечения оптимального светопропускания. Такие материалы, как стекло и жестких пластики (например , метил - метакрилат (PMMA), поликарбонат ) пригодны, а также гибкий пластиковые пленки (например , полиэтилен , полиуретан , и винилхлорид - ПВХ ). Очистка внутренней стенки должна эффективно работать в процессе выращивания, чтобы предотвратить образование биопленки, которая снизит интенсивность света в объеме реактора. Поскольку культура водорослей является абсорбирующей средой, которая ослабляет свет, свет уменьшается с увеличением толщины культуры в соответствии с законом Бера-Ламберта . Необходимо найти компромисс между плотностью культуры и ее толщиной.
Во-вторых, для того, чтобы позволить всем клеткам получить доступ к свету, необходимо эффективное перемешивание культуры. Типичный способ обеспечить такое перемешивание - это циркуляция культуры с помощью насоса для создания компонентов поперечной скорости, в частности, за счет турбулентности. Геометрические и рабочие условия этого насосного устройства должны быть совместимы с хрупкостью ячеек, что требует низких скоростей. Поскольку скорости, необходимые для перемешивания, намного выше, чем скорости, вызванные обновлением культуральной среды, последняя возвращается в цикл. Простой способ уменьшить пагубное влияние перекачки на целостность клетки - уменьшить частоту прохождения через контур.
В-третьих, необходимо обеспечить клетки углекислым газом, а фотосинтетический кислород необходимо удалить, чтобы избежать ингибирования фотосинтетической реакции. Эти процессы массопереноса, подачи диоксида углерода и удаления кислорода происходят на границе раздела газ-жидкость, которая должна быть как можно более обширной. В закрытых системах удаление кислорода является основным сдерживающим фактором для культуры. Тесный контакт создается между газом и жидкостью за счет образования пузырьков или водопада в башне дегазации, расположенной на трассе петли. Культура должна часто проходить через башню дегазации, что требует высоких скоростей потока для длинных петель и создает условия, которые нарушают целостность клеток.
В-четвертых, для поддержания температуры культивирования в оптимальном диапазоне в солнечных фотобиореакторах необходимо реализовать режим охлаждения, такой как терморегулируемая циркуляция или испарение жидкости. Это связано с тем, что плотный урожай поглощает инфракрасное излучение , что может привести к смертельным температурам, если не удалить избыток тепла.

Типология

Фотобиореакторы очень разнообразны по своей природе: от открытых водоемов до закрытых систем. Они различаются по многим аспектам, связанным, в частности, с их геометрией и условиями культивирования, режимом удержания, освещением, смешиванием, терморегулированием, переносом газа и рабочими условиями. Различные соображения позволяют классифицировать эти системы, в частности более или менее тщательный контроль условий культивирования и толщины культурального слоя. Мы можем различать дециметровую (бассейны, колонны и резервуары) и сантиметровую (наклонные плоскости, трубы, пластины) толщины. В таблице 1 собраны некоторые характеристики, упомянутые в литературе, для различных видов и фотобиореакторов.

Таблица 1: Концентрации и поверхностная продуктивность различных фотобиореакторов, классифицированных в зависимости от толщины культурального слоя (Ø = диаметр).

Производственная система	Длина оптического пути (см)	Виды микроводорослей	Максимальные концентрации (гл -1 )	Производительность поверхности (гм -2 сут -1 )
Наклонная плоскость	1	Chlorella sp.	2	25 (п)
Пластина	1.2	Arthrospira platensis	4–6	24 (г)
Трубчатый	2,5 (Ø)	Spirulina platensis	4	27 (п)
Трубчатый	4,8 (Ø)	Хлорелла обыкновенная	4	52 (п)
Трубчатый	6.0 (Ø)	Порфиридий круентум	1	25 (п)
Трубчатый	12,3 (Ø)	Spirulina maxima	1	25 (п)
Бассейн	15	Arthrospira platensis , Dunaliella salina , Odontella aurita	0,4	12 - 13 (п)
Трубчатый	50 (Ø)	Haematococcus pluvialis	0,4	13 (п)
Пузырьковая колонка	50 (Ø)	Т. Изо , Павлова лютера , Chaetoceros calcitrans , Tetraselmis suecica	0,1	3 (г)

(p) площадь следа; (г) развитая территория

Из-за их подверженности загрязнению чистые культуры одного вида вряд ли возможны в фотобиореакторах, представляющих интерфейс с окружающей средой (бассейны, резервуары, наклонные плоскости), за исключением нескольких видов экстремофилов, среди которых Arthrospira sp., Chlorella sp. , Dunaliella salina , Odontella aurita , Scenedesmus sp. и Nannochloropsis oculata . Другие виды требуют мер предосторожности, направленных на их развитие путем усиления асептики и массового заражения. Несмотря на это, культуры часто бывают недолговечными (партиями) из-за заражения от быстрорастущих конкурентов и хищников.

Самый простой и наиболее широко используемый фотобиореактор в инкубаториях аквакультуры - это прозрачная вертикальная трубка, в основании которой нагнетается воздух и которая принимает свет с боков. Объем этих пузырьковых колонок варьируется от 100 до 1000 литров. Дно плоское, наклонное или коническое, открывается или закрывается водонепроницаемой крышкой. Их различают по природе пластика, из которого состоят их прозрачные стенки (полиэтилен, полиметилметакрилат, армированный полиэстер или поликарбонат), толщине этих стенок (жесткая оболочка или пленка) и способу обновления объема культуры (непрерывный). или партия).

Люминесцентные трубки часто располагаются вокруг этих объемов в соответствии с соотношением мощность / объем порядка 1 ватт на литр культуры. Естественный свет также используется, когда позволяет географическая широта. Относительно большая толщина культуры не позволяет достичь очень высоких концентраций. Эти системы широко используются в инкубаториях морской аквакультуры для выращивания микроводорослей в качестве корма для личинок моллюсков и креветок и живой добычи личинок малоротых рыб. Для этого приложения биомасса микроводорослей распределяется в виде неочищенной культуры. Что касается всех культур микроорганизмов, мы будем стремиться к максимальному увеличению концентрации микроводорослей при сборе урожая, чтобы уменьшить работу разделения твердой и жидкой фаз (за исключением аквакультуры, где биомасса не собирается). Поиск самых высоких концентраций способствует уменьшению толщины культуры микроводорослей. На практике длина оптического пути редко бывает меньше сантиметра.

Биология водорослей

Эти фотосинтезирующие организмы, используемые в фотобиореакторе, имеют особенность использования CO _2, присутствующего в воздухе, для производства O ₂ и размножения (принцип альгокультуры ).

Интерес этих крупномасштабных культур основан на самой полезности получения значительной биомассы водорослей. Действительно, водоросли (в частности) обладают высокой репродуктивной способностью (создание высокой биомассы ). Они производят большое количество липидов, которые могут быть использованы, в частности, для производства биотоплива (биотопливо, биогаз ).

Кроме того, способность этих водорослей очищать от загрязнений также может использоваться для очистки сточных вод и атмосферы.

Эти особые свойства водорослей используются в нескольких приложениях для производства энергии (биотопливо, тепло и электричество).

Совместимость с хрупкостью клеток

Трубчатые фотобиореакторы предназначены для большого развития из-за тщательного контроля условий культивирования, которые они позволяют, и производительности, которая в результате них возникает. Те, что расположены в вертикальных барьерах из горизонтально текущих трубчатых пучков, демонстрируют высокую фотосинтетическую эффективность, связанную с их способностью использовать рассеянный свет. Культура циркулирует там по петле, чтобы попеременно проходить через прозрачную трубку, где она улавливает свет, и в башню дегазации, где она обязательно должна терять кислород, чтобы избежать ингибирования фотосинтеза. Длина некоторых из этих установок составляет 500 км стеклянных труб, например, у компании Roquette Frères в Клётце (Германия).

Новая концепция трубчатого фотобиореактора отличается от предыдущей тем, что культура циркулирует в трубке одновременно с газом, обогащенным CO _2, обеспечивая удаление избыточного кислорода. Это делает эффективность дегазации независимой от размера фотобиореактора и дает технологии большой потенциал для снижения капитальных и эксплуатационных затрат за счет увеличения размера без снижения производительности. Другое практическое следствие этого выбора заключается в том, что скорость циркуляции намного ниже ( 0,3 м / с ), чем в фотобиореакторах с башней дегазации. Это значительно снижает расход энергии ( 3 ), механические нагрузки, прикладываемые к циркулирующим микроводорослям, и позволяет эффективно выполнять другие важные функции, такие как поточная очистка внутренней поверхности реактора. В 5000 L фотобиореакторов согласно этой концепции были в использовании в Байарг (Франция) Общество Microphyt с конца 2009 года они доказали быть пригодны для промышленной культуры несколько особо деликатных видов микроводорослей. Возможность массового производства деликатных видов открывает поле для промышленной эксплуатации фотосинтезирующих микроорганизмов, из которых биоразнообразие является одним из наиболее важных.

Приложения

В градостроительстве

Установка этих конструкций позволит удовлетворить потребности здания в энергии. Действительно, используя свойства водорослей, можно:

Производят тепло и электричество из биомассы.
Переработайте и очистите сточные воды для подкормки культур.
Получите нейтральный выход CO _{2 за} счет рециркуляции CO ₂ (как от сжигания биомассы, так и атмосферы).

В течение сезона температура не постоянная. Чтобы преодолеть это природное явление, устройство могло бы зимой улавливать энергию солнца за счет парникового эффекта, а летом охлаждать фасад с помощью воды и вентиляционных потоков. Это стало возможным благодаря наличию внутри фотобиореактора теплообменника. Использование биофасадов позволит снизить потребление тепловой энергии на 50% для здания как такового и на 80% для водорослей по сравнению с традиционным выращиванием в прудах.

Важно отметить, что поскольку Январь 2014 , отзывов о ходе реализации различных проектов нет. Однако в Гамбурге есть здание с такими биофасадами: BIQ.

Производство биодизеля

Водоросли можно использовать для производства биодизеля и биоэтанола . Особенно интересен тот факт, что биомасса водорослей в 30 раз более продуктивна, чем другие биомассы.

МИКРОВОДОРОСЛЬ / ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ / ОСВЕЩЕНИЕ / ПИТАТЕЛЬНАЯ СРЕДА / ПРИРОСТ БИОМАССЫ / ТЕМПЕРАТУРА / УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ / УСЛОВИЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ / ФОТОБИОРЕАКТОР / CARBON DIOXIDE / CONDITIONS OF CULTIVATION / CULTURE MEDIUM / GROWTH OF BIOMASS / LIGHTING / MICROALGAE / OPTICAL DENSITY / PHOTOBIOREACTOR / TEMPERATURE

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Нагорнов Станислав Александрович, Мещерякова Юлия Владимировна

Представлено накопительное и непрерывное культивирование микроводоросли Chlorella vulgaris в трубчатом фотобиореакторе . Проведена оценка прироста биомассы по показаниям оптической плотности и определен коэффициент светопоглощения. Экспериментально подобраны оптимальные условия культивирования микроводоросли Chlorella vulgaris в целях использования ее в синтезе биодизельного топлива.

Research into Conditions of Chlorella Vulgaris Microalgae Cultivation in a Tubular Photobioreactor

We conducted cumulative and continuous cultivation of Chlorella vulgaris microalgae in a tubular photobioreactor . The estimation of biomass growth by optical density readings is produced and the coefficient of absorption is determined. The optimal conditions of Chlorella vulgaris microalgae cultivation for the synthesis of biodiesel have been selected experimentally.

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРОВОДОРОСЛИ ХЛОРЕЛЛА В ТРУБЧАТОМ ФОТОБИОРЕАКТОРЕ

С. А. Нагорнов, Ю. В. Мещерякова

Ключевые слова: микроводоросль; оптическая плотность; освещение; питательная среда; прирост биомассы; температура; углекислый газ; условия культивирования; фотобиореактор.

Аннотация: Представлено накопительное и непрерывное культивирование микроводоросли Chlorella vulgaris в трубчатом фотобиореакторе. Проведена оценка прироста биомассы по показаниям оптической плотности и определен коэффициент светопоглощения. Экспериментально подобраны оптимальные условия культивирования микроводоросли Chlorella vulgaris в целях использования ее в синтезе биодизельного топлива.

Культивирование микроводорослей в современном мире приобретает все больший интерес. В качестве объекта массового культивирования используют зеленые микроводоросли (Chlorella и Scenedesmus), которые стали наиболее популярными в прикладных исследованиях. Так готовую суспензию хлореллы используют в качестве корма животным, источника витаминов и полезных микроэлементов, сырья для получения биотоплива третьего поколения. В настоящее время производится все больше продукции из водорослей. Несмотря на это, вопрос продуктивности биомассы остается актуальным.

Продуктивность хлореллы зависит от следующих факторов: конструкции фотобиореактора, питательной среды, концентрации углекислого газа, рН, температуры, освещенности [1]. Оптимальное сочетание все этих параметров позволит получить максимальный выход биомассы.

Экспериментальное исследование культивирования микроводорослей

Исходный штамм Chlorella vulgaris ИФР № С-111 использовали для посева в чашки Петри со средой Тамийя. Предварительная оценка прироста клеток в суспензии осуществляли методом прямого подсчета клеток в камере Горяева. Число клеток в исходном штамме составило 2-106 кл./мл. Засеянные чашки освещались люминесцентной лампой в течение 5 суток. При достижении концентрации клеток 5-106 кл./мл их постепенно пересевали в фотобиореактор. Посевной материал для фотобиореактора составлял 25 % от общего объема. Фотопериод составлял: 12 ч свет, 12 ч темнота; рН поддерживался на уровне 7.. .8; температура 34.. .36 °С.

Технология получения биодизельного топлива из микроводорослей состоит из следующих этапов: культивирование микроводоросли в фотобиореакторе, отделение биомассы от воды (фильтрование, сепарирование), сушка полученного растительного сырья, экстракция растительного сырья, разрушение клеточной оболочки хлореллы [2].

Культивирование хлореллы осуществляли в циркулирующем трубчатом фотобиореакторе (ФБР) (рис. 1), который изготовлен из прозрачного оргстекла в виде трубы, вмещающей объем суспензии 10 литров. Из емкости Е1 питательная среда Тамийя 1 подается в ФБР для культивирования. Через входной патрубок суспензию микроводоросли 3 с помощью центробежного насоса Н вводят в фото-биореактор ФБР. Через выходной патрубок суспензия микроводоросли 2 отправляется в смеситель газов С, где происходит ее насыщение газовоздушной смесью. Газовоздушная смесь (воздух 6 и углекислый газ 5) подается компрессором К и углекислотным баллоном Б. Насыщенная газовоздушной смесью суспензия 3 микроводорослей отправляется ФБР. Для освещения используются светодиодные ленты. Часть итоговой суспензии микроводорослей 4 отправляется в емкость Е2, а другая часть используется как посевной материал для последующего культивирования. Отработанные газы 7 через штуцер удаляются в верхней части реактора. Для циркуляции и перемешивания служит насос. Перемешивание суспензии осуществляется за счет барботирования газовоздушной смесью. Температура поддерживается терморегулятором. Биомассу в емкости Е2 микроводоросли 8 подвергают физическому воздействию в аппарате вихревого слоя АВС, создающем вращающееся электромагнитное поле с хаотически движущимися ферромагнитными частицами, воздействующими на сырье, в результате чего происходит разрушение клеточных оболочек. Полученную биомассу 9 подвергают экстракции органическим растворителем в трехступенчатом аппарате А с закрученным потоком инертных тел.

В ФБР созданы оптимальные условия культивирования [3]: питательная среда Тамийя, температура поддерживается на уровне 34. 36 °С, освещенность 20. 25 клк, осуществляется подача углекислого газа 2.10 % и перемешивание суспензии. Установлен рН-метр, который управляет ростом микроводорослей. Отклонение значения рН от заданного, вызывает подачу питательной среды. Расход

углекислого газа и воздуха определяли,

выражая из формулы (1):

где Р - давление газов, показания манометров на редукторе и компрессоре, Па; й - внутренний диаметр трубопровода, по которому осуществляется подвод газов к ФБР, м; р - плотность газов, кг/м3; V - расход газов, м3/с,

Плотность газов р определяли по уравнению Менделеева-Клайперона

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для выращивания микроводорослей

Необходимую концентрацию углекислого газа в газовоздушной смеси устанавливали с помощью регулирования давления на выходе из баллона и компрессора. Культивирование осуществляли в двух режимах: накопительном (периодическом) и непрерывном. При накопительном (периодическом) культивировании посевной материал вносится в питательную среду в начале процесса и дальнейшее культивирование идет без отбора биомассы до выхода ее на стационарный уровень. Накопительное культивирование проведено однократно пока культура не достигла максимальной концентрации и не перешла к фазе отмирания.

В течение семи суток осуществляли накопительное культивирование микроводоросли хлорелла в ФБР. Параллельно замеряли оптическую плотность суспензии и определяли концентрацию микроводорослей в суспензии.

Определение концентрации микроводорослей в суспензии производили по показателю оптической плотности на фотоэлектроколориметре КФК-2 по методике [4]. Выбор кювет проводили визуально, соответственно интенсивности окраски раствора. Были выбраны кюветы 0,3075; 0,504; 1,085 и 3,105 см. Для сопоставления результатов измерений все расчеты вели в пересчете на кювету 0,504 см, используя соответствующий коэффициент пропорциональности. Если оптическая плотность культуры превышала 0,6 ед., то измеряли долю пропускания ^50 с последующим пересчетом D750 = -1§Г750. Для слабо поглощающих проб использовали кюветы с большим номинальным значением. Пробы с оптической плотностью выше единицы предварительно разбавляли свежей питательной средой, подбирая коэффициент разбавления таким образом, чтобы показания КФК-2 попадали в диапазон наименьшей погрешности (0,2. 0,6 ед.). Выбор светофильтра также проводили по методике [4], выбран светофильтр X = 490 нм.

На основе полученных экспериментальных данных построен калибровочный график для определения массы сухих микроводорослей (рис. 2), полученной фильтрованием под вакуумом на бумажных фильтрах в колбе Бунзена и воронке Бюхнера. Фильтр высушивали в сушильном шкафу и взвешивали. По разнице масс сухих фильтров до и после фильтрования определяли сухую массу водорослей. В таблице представлена некоторая выборка данных значения оптической плотности суспензии микроводоросли.

График (см. рис. 2) сопоставим со стандартной кривой роста периодической культуры микроорганизмов. Прослеживаются лаг-фаза, фазы экспоненциального роста и отмирания. Происходит непрерывное изменение физиологического состояния клеток, концентрация микроорганизмов нарастает и останавливается. Это происходит либо из-за недостатка питательной среды, либо накопления продуктов жизнедеятельности.

Методом наименьших квадратов определен коэффициент светопо-глощения е, дм3/(моль-см)

В глубине двора в центре Москвы есть неприметная дверь под покосившимся матерчатым навесом. Дверь ведет в подвал под полуразрушенным зданием, где открыта уютная столярная мастерская. Внутри пахнет древесиной, за стеклянными перегородками на чистом полу стоят станки. В углу мастерской обустроена комната для переговоров, где сидит, прильнув к ноутбуку, основатель и руководитель проекта 435nm Александр Шаенко.

Зачем в космосе цветущая вода

Хотя в фотобиореакторе можно выращивать разные водоросли, для проекта 435nm выбрали хлореллу. Все ее знают: это из-за хлореллы цветет вода в озерах. В зеленой жиже трудно распознать спасительное средство, но у хлореллы много преимуществ. Подобно другим растениям, на свету она производит необходимый для дыхания кислород, а после обработки годится в пищу. Всего за полтора-два дня хлорелла вдвое прибавляет в массе, при этом она живучая и неприхотливая.

Конечно, было бы естественнее выращивать на корабле привычную космонавтам еду, например, помидоры. Вот только высшие растения вроде томатного куста непрактичны во время полета: они требуют много места и энергии, а их корни и стебли не участвуют в фотосинтезе и не производят кислород. Впрочем, по словам Шаенко, фотобиореакторы с высшими растениями все же существуют: их проектируют в красноярском Институте биофизики СО РАН совместно с китайским космическим агентством и в московском Институте медико-биологических проблем (ИМБП) в сотрудничестве с NASA.

Предпочтения хлореллы зашифрованы в названии проекта: Шаенко и его команда выяснили, что водоросль лучше всего поглощает световые волны длиной 435 нм. Свет этот синий, и в следующем реакторе не останется красных диодов. Мощность ламп повысят до 200–300 Вт, встроят дополнительные датчики и систему автоматической очистки, чтобы водоросли не скапливались в неудобных местах, а космонавтам не приходилось разбирать установку вручную. С таким прибором якобы можно будет лететь к другим планетам.

Почему фотобиореакторы нужны каждому

Та же идея — простые энтузиасты тянут человечество к другим планетам — лежит и в основе фотобиореактора. Полетят ли водоросли из московского двора к Марсу, неизвестно. Но важно другое — после короткой эйфории 1960-х годов космос давно не будоражил воображение, а светящийся блендер в подвале, как и кабриолет Tesla с манекеном в скафандре, возвращает людям мечту о далеких мирах.

Читайте также: