Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии и оборудование производства и переработки микроводорослей. Учебное пособие.pdf
этих мешков, сжимая содержащую водоросли питательную
среду и двигая водоросли в одном направлении, таким образом,
перемешивая водоросли. Перемешивание водорослей необходимо для того, чтобы каждая клетка водорослей в густой суспензии могла получать свет, необходимый для фотосинтеза.
В фотобиореакторе компании GreenShift водоросли иммобилизованы на плоской вертикальной мембране из полиэстера,
похожей на проволочные плетёны
е пластины для защиты окон
или плоские фильтры от пыли. Волокна этих мембран увеличивают поверхность фотобиореактора и позволяют CO
свободно
2
проходить через несколько пластин, соединённых вместе.
Свет для водорослей поступает по оптическим волокнам и собирается с помощью специальных коллекторов. Этот фотобиоректор использует так называемые иммобилизованные клетки.
Многие водоросли существуют в природе в иммобилизованном
состоянии на частичках почвы или в симбиозе с другими
организмами. Считается, что иммобилизация повышает физиологическ
ие функции водорослей. Эти компании планируют начать промышленное производство биодизельного топлива и
других видов биотоплива из микроводорослей в ближайшем будущем [74].
Самый большой фотобиореактор построен в Германии
в местечке Клотзе. Этот фотобиореактор состоит из 500 км трубок и производит до 100 т биомассы водорослей в год. Фотобиореактор состоит из пласт
иковых трубок, внутри которых
находятся лопасти для перемешивания культуры водорослей.
Хотя фотобиореактор поглощает из-за этого много энергии, его
планируют использовать для демонстрации технологии поглощения СО
.
2
Преимущества данной системы стеклянных трубок общей
длиной 500 км следующие: водоросли получают оптимальное
количество солнечного света, поскольку в трубках – в отличие
от, например, глубоких участков пруда – нет «тёмных зон»;
61
кроме того, культура не загрязняется извне. Когда водоросли
созревают, их отделяют от воды путём центрифугирования и
бережно высушивают. После этого водоросли пригодны
к употреблению в пищу либо дальнейшей переработке.
Контрольные вопросы по разделу
1. Какие условия необходимо соблюдать при культивиро-
вании микроводорослей?
2. Дайте определение установки открытого типа для куль-
тивирования микроводорослей.
3. Опишите любую схему открытой установки для культи-
вирования микроводорослей.
4. Дайте определение фотобиореактора. Каким требовани-
ям он должен соответствовать?
5. Перечислите основные конструкции фотобиореакторов.
Опишите один из них.
62
4. ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ
4.1. Дезинтеграторы клеток микроводорослей
Разрушение клеток является неотъемлемой частью выделения внутриклеточных продуктов из водорослей. Нарушение
клеточной структуры необходимо для извлечения и восстановления целевых продуктов. Дезинтеграцию нельзя рассматривать
как изолированный процесс, так как она влияет на физические
свойства клеточной суспензии, что косвенно влияет на последующие процессы обработки биомассы. Существует несколько
методов разрушения клеток, поскольку биологические продукты
могу
т быть нескольких типов: внеклеточные, внутриклеточные
или периплазматические. Методы дезинтеграции могут быть
механическими и немеханическими (рис. 22). Механические
методы делятся на твёрдые методы сдвига и методы сдвига
жидкости. Немеханические методы можно разделить на физические, химические и ферментативные методы.
Различные клетки имеют разную структуру, поэтому для их
разрушения требуются раз
вует как дополнительный сдерживающий дезинтеграцию фактор.
Высушивание клеточной биомассы повышает эффективность методов дезинтеграции. В некоторых случаях для полного
разрушения клетки необходимо использование нескольких методов. Факторами, влияющими на выбор метода дезинтеграции,
являются форма и размер клетки, способность клетки к разрушению, стабильность продукта, лёгкость извлечения проду
скорость и стоимость метода. Недостатком использования механических методов является выделение большого количества тепла во время процесса, потому во время проведения дезинтеграции необходимы дополнительные системы охлаждения.
личные методы. Клеточная стенка дейст-
кта,
63
Рис. 22. Методы дезинтеграции
Перед проведением дезинтеграции клетки необходимо отделить от культурной жидкости. Количество компонентов питательной среды при этом должно быть уменьшено. В идеале, выбранный метод разрушения клеток должен иметь хорошо понятый механизм, обеспечивать нужную степень разрушения клеточной стенки и обладать возможностью автоматизации.
Так же выбранный метод дезинтеграции должен быть экономичным и эффективным.
Механические физические методы
Принцип осуществления данных методов заключается
в механическом воздействии, в результате которого клетки подвергаются сильному стрессу из-за кавитационных эффектов,
64
создаваемых быстро вращающимися шариками, или ультразвуком. Другими методами разрушения являются кавитация, сдвиг,
столкновение или их комбинация. Некоторые механические методы, такие как френч-пресс и пресс Хьюза, могут применяться
только в лабораторных масштабах из-за количества потребляемых энергии, химических веществ и воды. Для промышленного
использования подходят бисерная мельница и гомогенизатор
высокого давления.
Бисерная мельница
Бисерные мельницы первоначально были использованы при
производстве красителей и приспособлены для дезинтеграции
как в лабораторном масштабе, так и в крупносерийном производстве. Данный метод является высокоэффективным. Бисерная
мельница представляет собой аппарат, состоящий из снабжённой рубашкой измельчающей камеры и вращающегося вала
(рис. 23). Мешалка оснащена валом, сообщающим кинетическую энергию небольшим шарикам, прису
Это заставляет шарики сталкиваться друг с другом. Выбор размера и массы шарика зависит от типа клеток. Увеличение количества шариков приводит к увеличению степени разрушения за
счёт усиления взаимодействия между шариками. Однако увеличенное количество шариков также приводит к повышению расхода энергии. Оптимальное количество шариков в измельчающей кам
ере составляет 80…85% свободного объёма. Скорость
вращения вала должна составлять 1500…2250 оборотов в минуту. Для эффективного измельчения клеток водорослей диаметр
стеклянных шариков должен быть больше 0,5 мм. Регулируемые
характеристики мешалки: скорости, количество шариков, размер шариков, концентрация клеток, расход потока клеток, тип
вала.
тствующим в камере.
65
Рис. 23. Рабочая камера горизонтальной бисерной мельницы:
1 – пигментная паста и мелющие тела;
2 – охлаждение; 3 – водяной замок охлаждения;
4 – ротор с дисками; 5 – щелевой сепаратор
К недостаткам бисерных мельниц можно отнести: повышение температуры в процессе дезинтеграции, плохое масштабирование, высокая вероятность загрязнения.
Роторно-статорный гомогенизатор состоит из быстро
вращающегося манипулятора, содержащегося внутри трубы с
открытыми концами с пазами вблизи рабочего конца. Поворот
манипулятора толкает жидкость из пазов, создавая область низкого давления, из-за чего с
вверх от открытого конца. Конструкция ротора/статора состоит
из двух или более коаксиальных взаимосвязанных рядов зубов.
Внутренний ротор приводится в движение с работающим двигателем на скоростях между 3000 оборотов в минуту для более
крупных, промышленных установок и 27 000 оборотов в минуту –
для небольших лабораторных единиц. Размер двигателя выбирается в з
ависимости от размера оборудования и применения.
Скорость ротора кончика до 50 м/с может быть достигнута.
вежая суспензия проталкивается
66
Обычно зазор между ротором и статором составляет около
300…500 мкм.
Ультразвук
Ультразвуковые разрушение вызывается ультразвуковыми
излучателями, создающими звук высокой частоты с плотностью
волны около 20 кГц/с. Затем преобразователь преобразует ультразвуковые волны в механические колебания через титановый
зонд, погруженный в клеточную суспензию. Данный метод используется как для разрушения клеток водорослей, так и для
клеток бактерий и грибов. Время, необходимое для разрушения
клеток микр
ковая дезинтеграция обычно используется в сочетании с химическим методом.
Ультразвуковой дезинтегратор представляет собой автономный блок, оснащённый акустическим шкафом, который
снижает уровень слышимого шума и ультразвука до безопасного уровня. Прозрачная дверь позволяет наблюдать за образцом
во время обработки.
Генератор представляет собой твердотельный транзисторный у
на выходной частоте 23 кГц высокоэффективному пьезоэлектрическому преобразователю, который преобразует электрическую энергию в механическую. Преобразователь, установленный в верхней части камеры дезинтегратора, передаёт ультразвук высокочастотными колебаниями через зонд из титанового
сплава.
Зонд представляет собой резонансный элемент, используемый для передачи вибрационной механической энергии от преобразователя к образцу. Основная цель зонд
амплитуду преобразователя до уровня полезного использования.
оводорослей, составляет от 2 до 10 мин. Ультразву-
силитель, который обеспечивает электрическую энергию
а – увеличить
67
В идеальном случае материал, используемый для зондов, должен обладать хорошими акустическими свойствами, высокой
усталостной прочностью, низкими акустическими потерями и
плотностью. Очень важно, чтобы он также был стойким к коррозии и эрозии и относительно инертным по отношению к материалам, обрабатываемым ультразвуком. Материалом, который
обладает всеми этими качествами, является титановый сплав.
тразвуковое разрушение может быть эффективным при
Уль
использовании в лабораторном масштабе. При использовании
в промышленных масштабах – эффективность снижается. Данный метод является периодическим.
Френч-пресс
В френч-прессе, или гомогенизаторе высокого давления,
клеточная суспензия проходит через клапан в цилиндр насоса.
Затем его проталкивают под давлением до 1500 бар через узкий
кольцевой зазор и выпускной клапан, где давление падает до
атмосферного. Разрушение клеток достигается за счёт внезапного падения давления, в результате чего клетки взрываются.
Данный метод является одним из наиболее широко известны
используемых. В целях получения желаемой степени разрушения клеток при работе пресса при более высоких давлениях количество проходов суспензии через него может быть уменьшено. Однако рабочее давление может быть ограничено из-за дезактивации некоторых теплочувствительных белков, что может
увеличить количество требуемых проходов. Следовате
деление целевого вещества зависит от нескольких факторов:
температуры, внутриклеточного расположения ферментов, количества проходов и рабочего давления. Также процесс зависит
от концентрации биомассы.
Френч-пресс представляет собой лабораторный аппарат, тогда как гомогенизатор может применяться в промышленном
х и
льно, вы-
68
Рис. 24. Блок выпускного клапана гомогенизатора
высокого давления
производстве. Гомогенизаторы могут различаться по строению
и разрушать большое количество клеток, допускается 50% заполнения. Выработка тепла высока – 1,5 °C/1000 фунтов на
квадратный дюйм.
Гомогенизатор высокого давления состоит из поршневого
насоса с принудительным вытеснением с одним или несколькими
плунжерами. Клеточная суспензия проходит через обратный клапан в цилиндр насоса, а по такту давления – чер
ез регулируемый
выпускной клапан (рис. 24) с ограниченным отверстием.
Немеханические методы
Термолиз
Термолиз становится всё более распространённым в крупномасштабном производстве. Периплазматические белки высвобождаются при нагревании клеток до 50 °C. Цитоплазматические белки могут выделяться по истечении 10 мин при нагре-
69
вании до 90 °С. Более эффективное разрушение клеток наблю-
дается при более коротких высокотемпературных ударах, чем
при более длинной выдержке при низких температурах. Данный
метод является ненадёжным, так как температура влияет на состояние химических веществ.
Замораживание и оттаивание клеточной суспензии могут
привести к разрыву клеток из-за образования и плавления кристаллов ль
да. Постепенное замораживание, приводящее к образованию крупных кристаллов, может нанести значительный
ущерб клетке. Данный метод может быть использован совместно с измельчением клеток. Но это очень дорого и осуществимо
только в лабораторных масштабах.
Декомпрессия
Во время декомпрессии клеточная суспензия смешивается
с подкритическим газом под давлением в течение определённого времени в зависимости от типа клетки. Недостатками метода
являются: низкая эффективность и высокая зависимость от
сброса давления и времени контакта между клеточной суспензией и газом.
Осмотический шок
Правильное функционирование процессов клетки обычно
требует строго определённых химических условий. Это означает, например, что внутриклеточные и внеклеточные концентрации солей клетки не должны значительно отличаться от оптимальных значений. Клетки обладают способностью активно
контролировать внутренние условия, но внезапные и значительные изменения в окружающей среде могут привести к экстремальному шоку, который приводит к гибели и разру
клеток.
шению
70