Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии и оборудование производства и переработки микроводорослей. Учебное пособие.pdf
и
ч
г
А
Л
О
И
д
р
1
т
У
л
о
д
х
м
П
Р
т
б
о
о
ю
н
Б
й
л
и
и
И
К
т
о
ы
е
М
нистерство науки
Федеральное г
«Тамбовский
Д. С. Двор
ТЕХНО
ПРОИЗВ
19.03.02 «Про
а
также магистран
Е. И.
М
Утверж
в качест
по нап
и высшего образ
осударственное бю
у
реждение высшего
осударственный те
ецкий, М. С. Те
кулинин, О. О.
ОГИИ И ОБ
ДСТВА И
КРОВОДО
ено Учёным сове
ве учебного посо
авлениям подгот
9.03.01 «Биотехн
дукты питания из
ов по направлени
чебное электрон
вания Российско
жетное образовате
образования
нический универс
нов, И. В. Марк
Голубятников
ОРУДОВАН
ЕРЕРАБОТ
ОСЛЕЙ
ом университета
ия для студентов
вки бакалавров:
логия» и
растительного с
19.04.01 «Биот
ое издание
Федерации
ьное
тет»
н,
Е
И
рья»,
хнология»
Тамбов
Издате
ьский центр ФГ
2019
ОУ ВО «ТГТУ»
1
УДК 661.935, 519.633.2
ББК 51.001.57
Т38
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Техника и
технологии производства нанопродуктов» ФГБОУ ВО «ТГТУ»
Е. Н. Туголуков
Доктор технических наук, профессор,
главный научный сотрудник ФГБНУ ВНИИТиН
С. А. Нагорнов
Т38 Технологии и оборудование производства и переработки
микроводорослей [Электронный ресурс] : учебное пособие /
Д. С. Дворецкий, М. С. Темнов, И. В. Маркин, Е. И. Акулинин,
О. О. Голубятников. – Тамбов : Издательский центр ФГБОУ ВО
«ТГТУ», 2019. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Системные
требования : ПК не ниже класса Pentium II ; CD-ROMдисковод ;
27,5 Mb
экрана.
BN 978-5-8265-2095-6
IS
Рассмотрены технологии и оборудование производства и переработки микроводорослей. Приведены характеристика отделов микроводорослей, способы использования микроводорослей и технологии их
производства. Описано оборудование для культивирования, сбора и
переработки микроводорослей.
Предназначено для студентов по направлениям подготовки бакалавров: 19.03.01 «Биотехнология» и 19.03.02 «Продукты питания из
растительного сырья», а также магистрантов по направлению 19.04.01
«Биотехнология».
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
ISBN 978-5-8265-2095-6
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
; RAM ; Windows 95/98/XP ; мышь. – Загл. с
УДК 661.935, 519.633.2
ББК 51.001.57
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2019
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………. 5
1. МИКРОВОДОРОСЛИ, ИХ РАЗНООБРАЗИЕ
И ХАРАКТЕРИСТИКИ …………………………………………… 7
1.1. Отдел Cyanoprokaryota – Цианопрокариоты,
или Сине-зелёные водоросли ……………………………….. 7
1.2. Отдел Prochlorophyta – Прокариотические
зелёные водоросли, или Прохлорофитовые водоросли …... 9
1.3. Отдел Glaucophyta – Глаукофитовые водоросли ………….. 10
1.4. Отдел Rhodophyta – Красные водоросли …………………... 11
1.5. Отдел Cryptophyta – Криптофитовые водоросли ………….. 13
1.6. Отдел Динофитовые водоросли …………………………….. 14
1.7. Отдел Гаптофитовые водоросли ……………………………. 15
1.8. Отдел Рафидофитовые водоросли ………………………….. 16
1.9. Отдел Жёлто-зёленые водоросли …………………………… 17
1.10. Отдел Золотистые водоросли ……………………………….. 18
11. Отдел Диаматовые водоросли ………………………………. 20
1.
1.12. Отдел Бурые водоросли ……………………………………... 21
1.13. Отдел Chlorophyta – Зелёные водоросли …………………… 23
1.14. Отдел Хлорарахниофиты водоросли ……………………….. 24
1.15. Отдел Эвгленовые водоросли ………………………………. 25
2. СПОСОБЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ
И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПРОИЗВОДСТВА ……………………….. 28
2.1. Технология производства биодизельного топлива ………… 29
2.2. Технология производства биоэтанола ………………………. 33
2.3. Технология производства биогаза …………………………... 37
2.4. Технология производства бионефти пиролизом …………… 39
2.5. Технология производства метанола ………………………… 41
2.6. Технология производства водорода ………………………… 42
2.7. Технология очистки ст
2.8. Технология производства хлорофилла, каротиноидов
и водного экстракта из биомассы микроводорослей ……… 47
очных вод …………………………… 43
3
3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ
И СБОРА МИКРОВОДОРОСЛЕЙ ……………………………….. 50
3.1. Фотобиореакторы для культивирования микроводорослей 50
4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ 63
4.1. Дезинтеграторы клеток микроводорослей …………………. 63
4.2. Экстракторы …………………………………………………... 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………... 79
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………….. 80
ПРИЛОЖЕНИЯ ………………………………………………………... 88
Приложение А. Листинг программы для подсчёта
клеток микроводорослей в суспензии ………….. 88
Приложение Б. Эскизные схемы производств
с применением биомассы микроводорослей ……
92
4
ВВЕДЕНИЕ
Микроводоросли – это фотосинтетические организмы, которые обитают повсеместно и являются перспективным возобновляемым растительным сырьём для производства пищевых
продуктов питания, биологически активных веществ (жирные
кислоты омега-3, каротин, хлорофилл, «фактор роста»), кормов
для животных, источников энергии, органических удобрений,
биоразлагаемых пластмасс и др.
Биомасса микроводорослей в ближайшем будущем станет
наиболее перспективным растительным сырьём, так как клетки
микроводор
− имеют высокий коэффициент преобразования энергии
солнца в энергию химических связей (приблизительно 3…8%
против 0,5% для наземных растений), что позволяет получать высокие урожаи биомассы;
− могут культивироваться на сточных, загрязнённых, со-
лёных и других водах;
− могут выращиваться на пахотно-непригодных, пустын-
ных и засоле
щевых культур;
− могут культивироваться круглогодично без использова-
ния пестицидов.
Существует большое количество потенциальных способов
для преобразования биомассы микроводорослей. Они могут
быть разделены на следующие три основных способа:
1) получение экстрактов из клеток или суспензии микроводорослей (липиды, углеводы, пигменты, фармацевтические препараты и др.), которые мо
разованию;
2) переработка целых клеток микроводорослей для получения биогаза, биометанола, биоводорода и др.;
ослей по сравнению с наземными растениями:
нных землях, не подходящих для выращивания пи-
гут подвергаться дальнейшему преоб-
5
3) использование клеток микроводорослей в качестве продуцентов, например этанола, антибиотических веществ и др.
Однако, применение микроводорослей имеет ряд ограничений, связанных со сложностями процессов концентрирования,
сушкой биомассы, сложностью извлечения эндометаболитов из
клеток, что приводит к задержке использования биомассы в промышленном производстве.
6
1. МИКРОВОДОРОСЛИ,
ИХ РАЗНООБРАЗИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
1.1. Отдел Cyanoprokaryota – Цианопрокариоты,
Представители Cyanoprokaryota – прокариотические микроорганизмы, получающие энергию за счёт процесса фотосинтеза.
Строение этих организмов сходно со строением бактерий,
потому их называют Цианопрокариотами или Цианобактериями.
Этот отдел включает приблизительно 2 тысячи видов (рис. 1).
Микроорганизмы этого отдела чаще всего окрашены в синезелёный цвет, реже – оливково-зелёный, жёлто-зелёный, розовый или фиолетовый цвета, который об
хлорофилла а, фикоцианина и аллофикоцианина, фикоэритрина
и оранжево-жёлтых пигментов – каротиноидов (каротина, миксоксантофилла и ряда других).
Представители этого отдела имеют микроскопические размеры и только некоторые колониальные могут достигать нескольких сантиметров. Цианопрокариоты не имеют морфологи-
или Сине-зелёные водоросли
условлен комбинацией
Рис. 1. Сине-зелёные водоросли Анабена (Anabaena)
7
чески оформленных хлоропластов и ядер, их протопласт разделён на окрашенный периферический слой – хроматоплазму и
бесцветную внутреннюю часть – центроплазму. В центроплазме
в виде гранул, палочек, сети или нитей локализована ДНК. Совокупность этих элементов представляет собой эквивалент ядра
эукариот.
В периферической части клеток находятся тилакоиды.
С тилакоидами связаны фотосинтетические пигменты. Добавочные пигменты Сине-зелёных водорослей (фикоцианин, аллофикоцианин и фикоэритрин) в форме особых гранул – фикобилисом – локализованы на поверхности тилакоидов.
В цитоплазме, не занятой тилакоидами и нуклеоплазмой
(центром клетки, содержащим ДНК), находятся запасные питательные вещества: гликогеноподобный полисахарид, зёрна волютина (полифосфатные грану
лы), цианофициновые (структурированные) гранулы, липидные включения и некоторые другие. Рибосомы расположены как в центральной, так и в периферической частях клетки.
Клеточные оболочки Сине-зелёных водорослей состоят из
пектиновых веществ (полисахаридов), муреина (пептидогликана), образующего в оболочке клеток особый пептидогликановый
слой, что усиливает сходство цианобактерий с грамотрицательными бакт
ериями и принципиально отличает их от эукариотических организмов. Клеточная стенка Цианопрокариот многослойная, важен для поддержания формы клетки и прочности
оболочки муреиновый слой. Последний слой оболочки имеет
структуру плазмалеммы – мембраны, окружающей протопласт.
Отличительной особенностью Сине-зелёных водорослей является отсутствие вакуолей, наполненных клеточным соком. Однако
у некоторых из них пост
оянно или на определённой стадии развития образуются так называемые газовые вакуоли (псевдовакуоли) [1 – 4].
Cyanoprokaryota размножаются вегетативно, реже бесполым
путём.
8
1.2. Отдел Prochlorophyta –
Прокариотические зелёные водоросли,
или Прохлорофитовые водоросли
Представители этого отдела (рис. 2) имеют симбиотические
отношения с асцидиями и обитают на поверхности и внутри колоний асцидий, в их клоаке или в материале туники. Животные
от присутствия клеток водорослей принимают зелёный цвет, вне
асцидий представители этого отдела не обитают. Клетки этих
организмов окрашены в ярко-зелёный цвет за счёт хлорофилла а, пигмен
та, аналогичного хлорофиллу с, и каротиноидов.
Фикобилиновые пигменты отсутствуют. Размножаются эти водоросли делением клетки надвое. Клетки имеют форму шара,
после деления полушаровидные (6…30 мкм). Клеточная стенка
многослойная, содержит муреин. Ядро отсутствует, ДНК находится в нуклеоплазматическом районе (нуклеоиде). Молекулярно-биологические данные позволяют сделать вывод о том, что
эти микроор
ганизмы находятся в родстве с некоторыми Циано-
прокариотами [5 – 7].
Рис. 2. Водоросли отдела Prochlorophyta
9
1.3. Отдел Glaucophyta – Глаукофитовые водоросли
Этот отдел микроводорослей описывался как Цианопрокариоты, ведущие эндосимбиотический образ жизни и получившие название цианеллы. Хлоропласты Глаукофитовых содержат
хлорофилл а и фикобилиновые пигменты (как у Сине-зелёных
водорослей), хлорофилл b отсутствует.
Фикобилиновые пигменты находятся в фикобилисомах,
расположенных внутри хлоропластов на тилакоидах, не сгруппированных между собой. В клетках Глау
кофитовых водорослей хлоропласты располагаются либо упорядоченно в виде двух
групп, либо беспорядочно, случайно. Включения запасных питательных веществ, представленные у Сине-зелёных различными метаболическими гранулами, не наблюдаются. Сходство
хлоропластов Глаукофитовых со свободно живущими Цианопрокариотами проявляется в наличии тонкой оболочки, содержащей муреин. Структура жгутиков у монадных предста
вителей
имеет общие черты со жгутиками зелёных водорослей.
С позиций ультраструктурной организации клетки хорошо
изучен глаукоцистис (Glaucocystis nostochinearum) (рис. 3).
10
Рис. 3. Представители отдела Glaucophyta