Спосіб промислового вирощування мікроводоростей шляхом утилізації діоксиду вуглецю

Реферат: Спосіб промислового вирощування мікроводоростей шляхом утилізації діоксиду вуглецю включає відбір біомаси та подачі живильного середовища. Проводять відбір димових газів з енергетичних установок, їх фільтрацію та нагнітання у культиватор, в якому підтримується раціональний газово-мінеральний склад поживного середовища та відповідні інсоляційнотемпературні режими, які забезпечуються системами тепломасообміну та контрольновимірювальним модулем. UA 115229 U (12) UA 115229 U UA 115229 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі біотехнології, зокрема до біофотосинтезуючих пристроїв культивування мікроводоростей на основі поглинання діоксиду вуглецю із атмосфери та димових газів для отримання ліпідів, початкового продукту при виробництві біопалива, який може використовуватись в галузі енергетики. Відомий спосіб отримання біомаси фотоавтотрофних мікроорганізмів (АС СРСР Ν 1621823, МПК А01G 33/00, 1991), що передбачає приготування живильного середовища з використанням стічних вод тваринницьких комплексів, внесення до неї інокуляту мікроводоростей, культивування їх в накопичувальному режимі при перемішуванні і освітленні до максимального приросту біомаси. На першій стадії культивування здійснюють до досягнення рН до рівня 9,4-9,6 в суспензійній культурі і подальшого культивування протягом 12-24 год., після чого відстоюють суспензійну культуру для формування колоїдального осаду, видаляють утворений осад і проводять другу стадію культивування. Недоліки даного способу полягають у низькій швидкості вирощуваних культур мікроорганізмів, низькому виході біомаси та у відсутності стабільності складу одержуваної біомаси через нестабільне живильне середовище та високі температури культивування біомаси, що потребуватимуть значних енергозатрат. Найближчим аналогом до запропонованого способу є спосіб отримання біомаси фотоавтотрофних мікроорганізмів (АС СРСР Ν 1669979, С12M 3/02, 1991), що передбачає подачу живильного середовища в замкнутий циркуляційний контур установки, що містить фотореактори, введення в живильне середовище інокуляту і вуглекислого газу, вирощування мікроорганізмів у процесі циркуляції в замкнутому контурі при висвітленні фотореакторів і відведення вирощеної біомаси з контуру. Вирощування здійснюють в періодичному режимі на мінеральному живильному середовищі з використанням як джерела вуглецевого живлення вуглекислого газу. Регулювання освітленості фотореакторів не передбачено. Недоліком цього способу є те, що єдиним компонентом газової фази, що вводять в суспензію зростаючої культури, є вуглекислий газ, а не продукти згорання вуглеводнів та атмосферне повітря. У результаті процесу зростання, що відбувається при русі суспензії по довжині фотореактора, в газовій фазі накопичується кисень, при зниженні концентрації вуглекислого газу. Інгібуючий вплив кисню починає проявлятися при концентраціях кисню вище 20-25 % і призводить до припинення росту культур фотоавтотрофів при концентраціях в газовій фазі вище 35-45 %. У результаті час перебування в фотобіореакторі обмежено цим фактором, а враховуючи обмеження на допустиму швидкість руху суспензії в трубах фотобіореактора, це обмежує корисний об'єм установки для культивування. Перевищення допустимого обсягу призводить до неможливості здійснення безперервного процесу культивування фотоавтотрофів. В основу корисної моделі поставлено задачу інтенсифікації процесу вирощування мікроводоростей для отримання ліпідів у промислових масштабах за рахунок нагнітання діоксиду вуглецю із димових газів, отриманих внаслідок роботи енергетичних установок в культиватор, та контролю температурних-інсоляційних режимів роботи і складу поживного середовища культиватора. Поставлена задача вирішується тим, що проводять відбір димових газів з енергетичних установок та нагнітання їх у культиватор, де відбувається поглинання діоксиду вуглецю мікроводорослями, в якому підтримують раціональний газово-мінеральний склад поживного середовища та відповідних інсоляційно-температурних режимах, які забезпечуються системами тепломасообміну датчиками та контрольно-вимірювальним модулем. Задню частину культиватора виконано у формі теплообмінника із чорним забарвленням, що підвищує поглинання сонячного випромінювання культиватором і дозволяє нагрівати його під дією сонячного випромінювання до 25 °C, його горизонтальне спрямування та наявність патрубка з клапаном дозволяють одразу виводити продукований мікроорганізмами кисень та унеможливлюють потрапляння в конструкцію сторонніх мікроорганізмів. Фотобіореактор, завдяки якому проводять спосіб промислового вирощування мікроводоростей шляхом утилізації діоксиду вуглецю, зображений на кресленні. Фотобіореактор складається: із патрубка подачі холодної води (1), електромагнітних клапанів (2, 6, 13, 24, 26, 37), теплоізольованих ємкостей для підігріву води (3, 38), теплообмінників (4, 10, 34, 36), плоского скляного культиватора 5, ємкості для живильного середовища 7, циркуляційного насоса 12, аераційної трубки 22, ємкості для збору вирощеної культури 23, повітряного насосу 27, фільтру грубих часток 28, мокрих фільтрів на основі перенасиченого розчину Na2CO3 (29, 30) та дистильованої води 31, камери для вихлопних газів 35, трубопроводу 19, датчиків температури (11, 21, 33) датчиків рівня (8, 9, 32) датчика 1 UA 115229 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 освітленості 17, датчика рН 15, датчика концентрації солей 16, датчика концентрації мікроорганізмів 20 світодіодних стрічок 18 електропідігрівач 14. Перед початком роботи перевіряють встановлені датчики (8, 9, 11, 15, 16, 17, 20, 21, 32, 33); під'єднують всі необхідні комунікації: газові лінії (22, 28, 29, 30, 31); ємності для прийому врожаю 23 і подачі води із живильним середовищем 7 та культиватор 5. Заповнюють розчином (наприклад 10-12 % розчином гіпохлориду) і стерилізують, після чого фотобіореактор промивають кілька раз дистильованою водою і заповнюють специфічним живильним середовищем для вирощування фотосинтезуючого мікроорганізму. Після встановлення робочої температури (у межах 21-27 градусів) в культиватор подають суспензію мікроорганізмів (Хлорели). Камеру для вихлопних газів 35 під'єднують до виходу двигуна внутрішнього згорання, паливного елемента або пальника, який споживає метан та продукує низько потенційне тепло і вуглекислий газ. Фотобіореактор працює наступним чином: контрольно-вимірювальний модуль (КВМ) вмикає систему, і за допомогою повітряного насоса починає нагнітати відпрацьовані гази разом 35 із атмосферним повітрям у фільтр грубих часточок 28, де відбувається його очищення від пилу. Очищена газова суміш проходить через мокрі фільтри (29, 30), в яких відбувається її очищення від мікроорганізмів та сірководню за рахунок хімічної взаємодії із Nа2СО3; в мокрому фільтрі з дистильованою водою 31 відбувається очищення газової суміші від Na2СО3; після очистки газова суміш потрапляє в аераційну трубку 22 (закріплена на основі культиватора) де утворює мікроскопічні бульбашки, яка в свою чергу збагачує мікроорганізми діоксидом вуглецю та перемішує їх (створює аерліфт). Основа культиватора 5 виконана у косій формі, що дає можливість під час подачі газу перемішувати культуру і спрямовувати біомасу у отвір для їх збирання, коли датчик концентрації мікроорганізмів 20 вказує необхідну концентрацію, КВМ відкриває електромагнітний клапан 24 і суспензія мікроорганізмів потрапляє в ємність для прийому культури 23. Мікроорганізми, розміщені в культиваторі 5, отримують необхідне сонячне випромінювання через його прозору фронтальну поверхню, якщо рівень інсоляції недостатній, або робота протікає в темний час доби, КВМ вмикає світодіодні стрічки 18 спираючись на інформацію, отриману від датчика освітленості 17. За допомогою даних із датчиків рН 15 та концентрації солей 16 КВМ коректує живильне середовище вводячи додаткову його порцію у культиватор із ємності 7, відкриваючи електромагнітний клапан 6. Через патрубок, у верхній частині, виводиться із середовища культивування фотосинезуючий кисень. Температура у культиваторі регулюється за рахунок його теплообміну із ємністю для підігріву води 3 через теплообмінники 4 та 10, якщо в культиваторі температура більша за 27 градусів, КВМ вмикає циркуляційний насос 12. У випадку, якщо температура в ємності для підігріву води 3 вища 21 градуса, КВМ виводить частину води через трубопровід 19 у ємність для підігріву води 38 шляхом відкриття електромагнітного клапана 13, та вводить додаткову порцію води із загальної мережі через патрубок 1 у ємність для її підігріву 3 шляхом відкриття електромагнітного клапана 2. Підігріта до 21 градуса вода із ємності для підігріву 3 потрапляє у ємність для підігріву 38, де догрівається до 60 градусів теплообмінником 34 за рахунок низько потенційної теплової енергії вихлопних газів отриманої з теплообмінника 36. Якщо температура у культиваторі 5 нижча 21 градуса то КВМ вмикає електропідігрівач 14 та утримує температуру середовища в заданому рівні. Датчики рівня води 8, 9 та 32 використовуються для того, щоб у культиваторі та ємностях для підігріву води була присутня її необхідна кількість. Запропонований фотобіореактор не потребує гребного колеса для перемішування та газомасообмінника, що підвищує його ефективність, завдяки уникненню використання механічних частин та додаткових резервуарів. Дрібні газові бульбашки, які піднімаючись до поверхні, запобігають обростанню поверхні плівкою фотосинтезуючих мікроорганізмів, тим самим сприяючи ефективному проникненню світла всередину Запропонований спосіб вирощування мікроводоростей, в порівнянні із аналогами, забезпечує зменшення загальної енергоємності процесу за рахунок використання сонячного випромінювання та через відбір надлишкової теплової енергії, отриманої під час роботи енергетичних установок, та покращення його якісних показників за рахунок фільтрації димових газів, відбору із їх складу діоксиду вуглецю та контролю раціонального складу мінерального і газового живильного середовища, температурних та інсоляційних режимів контрольновимірювальною системою. Даний спосіб культивування мікроводоростей дозволяє безперервно генерувати біомасу мікроводоростей, відбирати вуглекислоту із атмосфери та систем, що спалюють метан, а також відбирати низькопотенційну теплову енергію із сонячного випромінювання та вихлопних газів та може бути використаний, для продукування ліпідів і як елемент системи автономного об'єкта господарювання. 2 UA 115229 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Спосіб промислового вирощування мікроводоростей шляхом утилізації діоксиду вуглецю, що включає систему культиватора, відбір біомаси та подачі живильного середовища, який відрізняється тим, що проводять відбір димових газів з енергетичних установок, їх фільтрацію та нагнітання у культиватор, в якому підтримується раціональний газово-мінеральний склад поживного середовища та відповідні інсоляційно-температурні режими, які забезпечуються системами тепломасообміну та контрольно-вимірювальним модулем. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3