Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии и оборудование производства и переработки микроводорослей. Учебное пособие.pdf
выглядят c высоты птичьего полета как гоночные дорожки.
По дорожке движется каток с лопастями, который перемешивает и движет культуру водорослей. Такие пруды успешно используют для массового культивирования микроводорослей уже
с 1950-х годов. Американские компании Earthrise и Cyanotech
в Калифорнии и на Гавайских островах выращивают Синезелёные водоросли в таких прудах площадью до 50
0 000 м2 и
используют водоросли в качестве пищевых добавок и в фармацевтической промышленности.
Другой вид искусственных прудов для выращивания водорослей – это каскадные пруды [58]. Такие пруды строятся под
небольшим наклоном (3…5%) в виде ступенек и используются
в водоочистительных предприятиях для удаления из сточных
вод тяжёлых металлов и снабжения воды кислородом. Выращивание водорослей в пру
дах неэффективно и лимитируется многими факторами: колебания температуры и загрязнение посторонними организмами, а также потери воды во время испарения [59]. К тому же в прудах очень сложно поддерживать высокую концентрацию водорослей.
Открытые установки в виде круглых бассейнов диаметром
до 25 м, глубиной 0,2 м эксплуатируются в Японии (рис. 17).
Рис. 17. Схема открытой установки
для культивирования микроводорослей:
1– резервуар; 2 – водорослевая суспензия; 3 – сегнерово колесо;
4 – насос; 5 – впуск смеси воздуха с углекислым газом;
6 – выгрузка суспензии
51
Взвесь водорослей циркулирует в бассейне с помощью насоса. Лопатки сегнерова колеса имеют отверстия, и воздух с углекислотой барботируется через эти отверстия. Лопатки приводятся во вращение реактивным движением и перемешивают
взвешенные водоросли. Четыре установки обычно соединяют
в батарею. После выгрузки взвесь водорослей центрифугируют
и сушат в распылительной сушилке при температ
уре 100 °С.
На таких установках в Японии культивируют зелёную микроводоросль Chlorella для производства концентрата, применяемого для замены рыбной и соевой муки в животноводстве.
В Тржебоне (Чехия) действует установка каскадного типа
(рис. 18) для культивирования зелёной водоросли Scenedesmus.
Установка состоит из панелей переменной площади, собранных из пластиковых желобов. Сечение же
лобов влияет на
оседание водорослей на дне желоба. Панели защищены прозрачным покрытием, позволяющим сохранять тепло при уменьшении освещённости. Панели можно ориентировать на солнце.
Стационарные панели установлены на крышах зданий, сооружений [60].
Проблемы культивирования микроводорослей в прудах
привели к развитию новой технологии выращивания, основанной на использовании фотобиореакторов [61].
Рис. 18. Схема открытой установки каскадного типа:
1 – насос; 2, 4 – резервуары со взвесью водорослей; 3 – желоба;
5 – баллон с углекислотой
52
Фотобиореакторы – это оборудование для оптимального
культивирования и функционирования микроводорослей. Продуктивность фотобиореакторов по выращиванию водорослей
в 5 раз превышает продуктивность прудов [62]. Фотобиореакторы могут использовать только одну пятую или даже одну десятую земли, необходимой для открытых прудов, для продукции
одинакового количества биомассы микроводорослей. Для того
чтобы использовать фотобиореакторы в промышленных масштабах, нео
бходимо, чтобы они обеспечивали наиболее эффективное использование солнечной энергии и позволяли контролировать чистоту культуры микроводорослей и необходимые
условия культивирования.
Материалы для конструирования фотобиореакторов должны быть химически инертными, не вступать в реакцию с водой,
компонентами питательных сред, экзометаболитами водорослей, а также не должны быть токсичными для клеток микроводорослей. Недопу
стимыми материалами являются различные
сплавы, содержащие медь и свинец, чёрная и красная резина,
сплавы алюминия, чугун, пластики, содержащие токсичные
для клеток водорослей наполнители. Для того чтобы в огромном
разнообразии новых синтетических материалов, производимых
промышленностью, определить подходящие для изготовления
реакторов, необходимо провести эксперимент в лаборатории:
сравнить динамику роста культуры и физиологическое состояние кл
еток в контроле и в присутствии тестируемого материа-
ла [63].
Система освещения является одной из основных систем,
определяющих рентабельность культивирования микроводорослей. В настоящее время все производства в мире, выпускающие
товарную продукцию из водорослей, основаны на естественном
освещении. Большие надежды связывают с использованием светодиодов – источников света с уз
кими диапазонами спектра из-
лучения. Специфические наборы различных светодиодов, соз-
53
дающие излучение со спектром, точно соответствующим спектру поглощения набора фотосинтетических пигментов культивируемых водорослей, позволили бы максимально экономно
расходовать электрическую энергию для решения задач промышленного культивирования. Основное требование к системе
освещения – минимизация потерь света. Потери света минимальны при использовании погруженных в реактор искусственных источников света, например ламп дневного света, помещённых в сте
клянные трубки. Но при этом возникают другие
проблемы: избыточный нагрев культуры, адгезия клеток водорослей к нагретым и хорошо освещённым поверхностям трубок,
что приводит к затенению остальной культуры. Поэтому погруженные источники света в фотобиореакторах необходимо сочетать с интенсивным перемешиванием [63].
Фотобиореактор должен быть простым, недорогим, позво-
ляющим достигат
ь высокой концентрации клеток, энергетически эффективным, который также можно легко увеличить до
промышленного образца. Наиболее распространённый тип недорогого фотобиореактора – это трубчатый фотобиореактор,
сделанный из прозрачного пластика или полиэтилена. Трубы
обычно тонкие, до 30 см диаметром, что позволяет свету легко
проникать вглубь клеточной суспензии. Для более эффективного освещения ку
льтуру водорослей нужно при этом перемешивать. Перемешивание достигается барботированием фотобиореакторов с помощью смеси воздуха и СО
или механическим
2
путём. Для того чтобы использовать такие фотобиореакторы
на открытом воздухе, необходимо иметь систему охлаждения
в течение теплого времени. В настоящее время получили распространение микрофлуидные биореакторы [64]. Эти фотобиореакторы размером со слайд от микроскопа позволяют исследовать кинетику продуцирования масла или крахмала водорослями в зависимости от разных условий среды. Ми
ниатюрные раз-
меры таких фотобиореакторов позволяют одновременно прово-
54
дить несколько экспериментов в разных условиях опыта. Лабораторные исследования по фотобиореакторам демонстрируют
возможность выработки биотоплива из микроводорослей на
практике.
Закрытые фотобиореакторы лишены недостатков открытых
систем культивирования. Возникают проблемы с налипшей
биомассой на стенках сосудов и длительное пребывание микроводорослей в неосвещённой зоне реактора. Для обеспечения оптимальных условий культивирования необходимо обеспеч
ить
условия, при которых одинаковая освещённость будет обеспеченна во всём объёме фотобиореактора [65]. В случае гетеротрофных организмов обеспечен одинаковый доступ светового
фактора на протяжении всего периода культивации микроводорослей. В популяции автотрофных клеток исключение составляет световой фактор, который в силу оптических свойств культуры как сильно поглощающей свет среды достат
очно быстро становится ограничивающим. Постоянный прирост числа клеток и
биомассы в единицу времени обеспечивает быстрый выход на
линейную стадию роста, несмотря на продолжающееся суммарное увеличение числа клеток. При этом плотность культуры
различна в реакторах с разной толщиной слоя суспензии. Однако поверхностная концентрация клеток в момент этого перехода
остаётс
я величиной постоянной [66].
Установки закрытого типа, как правило, трубчатые и ёмкостные, используют для получения микроводорослей заданного
химического состава [67].
На рисунке 19 представлена установка c ёмкостным реактором, которая состоит из ёмкости 1. Ёмкость оснащена источниками дневного света 12 и системой подачи газа и изготовлена
из светопрозрачного материала. Так же ёмкость 1, содержащая
кожух 2, герметично закрыта крышкой 4 и разделена на две секции вертикальной светоотражающей перегородкой 3. Перегородка не касается дна и крышки ёмкости [68].
55
7
Герметичность установки обусловлена следующими целями: снижение потерь газов в атмосферу и исключение применения пеногасителей при интенсивном барботировании газа в реакционном пространстве.
Перегородка предназначена для периодического переключения световых и темновых фаз освещения суспензии микроводорослей при непрерывном культивировании. Крышка ёмкости 4
оборудована газовым клапаном 5 для сброса излишков газовоздушной смеси. Штуцер 6 предназначен для подачи газа по
газопроводу 7 из баллона 8, оснащенного манометром 9.
Для подвода газовоздушной смеси в торцах ёмкости установлены водяные насосы 10 с подводом газов из пространства
под крышкой с помощью циркуляционного штуцера 11. Работа
насосов осуществляет постоянное внесение смеси газов в культуральную жидкость, а также барботажное перемешивание сус-
13
8
9
5
11
10
2
для культивирования микроводорослей
56
12
Рис. 19. Установка ёмкостная
4
1
3
2
пензии и компонентов питательной среды. Источники дневного
света размещены снаружи ёмкости с противоположных сторон
каждой секции. Включение и выключение источников осуществляется с помощью таймера 13. В целях поддержания оптимальных условий культивирования ёмкость оснащена водонагревателем с терморегулятором. К достоинствам данной установки
можно отнести её упрощённую конструкцию, низкое потребление энергии на единицу продукции, полную изоляцию от окружающей среды и возможных загрязнений, что позволяет выращивать в промышленных масштабах даже бактериологически
чистую культуру. Герметичные реакторы можно располагать
как под открытым небом, так и в помещении [63]. Недостатками
установки с ёмкостным реактором являются недостаточный
уровень освещённости в толще жидкости, особенно при повышении концентрации клеток в суспензии; большие габаритные
размеры данной установки при промышленном культивировании микроводорослей.
В работе [69] предложена оригинальная конструкция ёмкостного реактора (рис. 20). Рабочая ёмкость реактора ограничена
двумя боковыми поверхностями, которые выполнены из эластичного прозрачного материала. Длину ёмкости выбирают
исходя из обеспечения заданной производительности. Рабочая
ёмкость 1, 2 помещена в каркас 5. Каркас снабжён опорными
устройствами 3. На концевых участках рабочая ёмкость сн
абже-
на натягивающими элементами 4. При заполнении рабочей
5
2
4
1 3
Рис. 20. Гибкий фотобиореактор
4
57
ёмкости культуральной жидкостью боковые поверхности реактора натягиваются. Долив и слив культуральной жидкости, подвод газа осуществляются посредством коммуникаций, которые
подключаются к концевым участкам ёмкости 4. Для распределения газовоздушной смеси рабочая ёмкость снабжена перфорированным шлангом по всей длине. Следует отметить следующие достоинства данной конструкции: возможность придания реакционному прос
транству различных, что очень важно,
достаточно компактных конфигураций; тонкий слой реакционного пространства подвергается хорошей инсоляции. Однако
в промышленном масштабе производства затруднена эксплуатация данной конструкции, вследствие возникших проблем
с отводом газа и очисткой боковых поверхностей.
На рисунке 21 представлен трубчатый реактор ООО «Фитосила-Биос» [70]. Реактор представляет собой плоскую панель 1, со
стоящую из параллельных каналов, выполненных из све-
топрозрачного химически и биологически инертного материала.
5
6
4
3
58
1
2
7
5
Рис. 21. Трубчатый фотобиореактор
8
4
Нижние и верхние каналы объединяются в ёмкости 2 и 3, которые снабжены портами 4 для приборов КИПиА и штуцерами 5.
Подвод газовоздушной смеси производится через каналы 7, которые установлены внизу каждого чётного канала с одной стороны и каждого нечётного канала с другой стороны. В верхнем
канале установлено устройство мех
анического пеногашения 6.
Постоянный магнит располагается внутри реактора сечением,
равным сечению канала, который приводится в движение внешним магнитным полем и служит для очистки светоприёмных
поверхностей от биоплёнки.
К достоинствам данной конструкции можно отнести улучшенные газообменные характеристики и компактность. Из недостатков следует отметить сложность эксплуатации при реализации культивирования в промышленном масшт
абе. Ещё одним
недостатком трубчатого реактора является то, что при его
эксплуатации необходимо использовать глубокий (до –
100 °С)
холод для предварительного захолаживания исходного сырья.
Это сильно осложняет общее технологическое оформление процесса, делая его громоздким, взрыво- и пожароопасным.
Наиболее известны трубчатые реакторы – разработки компании Valcent Products Inc. США. Технология Vertigro аналогична предыдущей конструкции, но предназначена для размещения на открытых площадках. Конструкция состоит из вертикальных реакторов. Реак
торы сделаны из тонких плёночных материалов, которые позволяют проникать солнечному свету
к клеткам микроводорослей [71].
Реакторы корпорации Green Fuel Technologies и компании
Arizona Public Service представляют собой ряд вертикально или
под углом расположенных прозрачных труб диаметром 10…20 см
для выращивания водорослей. Высота реактора приблизительно
2,5 м и выше. Реакторы ориентируются на солнце. Выхлопные
газы электростанции закачиваются в реактор, создавая циркуляцию воды и водорослей в реакторе. «Созревши
е» водоросли вы-
59
падают в осадок на дно реактора. Поглощение СО2 происходит
во время светового дня. Реакторы фирм BioKing и AEN
Engineering GmbH&Co представляют собой систему прозрачных
горизонтально расположенных пластиковых труб, по которым
принудительно циркулирует культуральная жидкость, содержащая микроводоросли. В жидкость подаётся углекислый газ и
различные добавки, необходимые для роста культуры, и отводится выделяющийся в процессе жизнедеятельности микроводорослей кислород [72].
В работе [73] отражено, что при использовании ёмкостных
реакторов закрытого типа или при использовании открытых
прудов с тёплым климатом ни одна система экономически не
выгодна. Однако культивирование в закрытом реакторе позволяет обеспечить более низкую стоимость липидов. Операционные затраты на выращивание микроводорослей в реакторе открытого типа на 30% больше, чем в реакторе закрытого типа,
что в значительной степени обусловлено затратами на техническое обслуживание и трудовые ресурсы.
Недавно несколько небольших компаний в США
(GreenFuel Technologies, Valcent Products, Solix, GreenShift) стали строить пилотные фотобиореакторы для выращивания микроводорослей. Фотобиореакторы фирмы GreenFuel Technologies
состоят либо из пластиковых трубок, либо из трубчатых полиэтиленовых мешков. Эта компания, основанная в 2001 году, стала
«пионером» использования водорослей в фотобиореакторах для
у
даления СО
из выхлопных газов тепловых электростанций.
2
Компания Valcent разработала фотобиореактор, состоящий
из 3-метровых трубчатых полиэтиленовых мешков. Мешки соединены друг с другом, что позволяет суспензии водорослей
циркулировать, и расположены вертикально один над другим
в теплице. Фотобиореактор компании Solix также состоит из полиэтиленовых трубок. Эти трубы расположены в углублениях
в земле. Тяжёлые ка
тки постоянно движутся по поверхности
60