Спосіб виробництва біомаси гідробіонтів

1. Спосіб виробництва біомаси гідробіонтів шляхом культивування методом квазібезперервної непропорційної проточної культури, який включає підготовку поживного середовища і його протоку через культиватор, внесення біомаси, забезпечення заданими температурою й освітленістю, збір урожаю, який відрізняється тим, що для культиватора попередньо визначають робочий діапазон щільності культури (Вmах  Вmіn), а в процесі культивування вимірюють щільність культури, питому швидкість зростання й розраховують зміну щільності культури по формулі: 2 3 зазначити, що параметр щоденної заміни середовища був обраний довільно, неформалізованим способом. Основним недоліком відомого способу є низька ефективність внаслідок неоптимальних умов зростання й біосинтезу, що відбивається на кількості зібраної біомаси. Крім того, недоліком також є відсутність можливості керування процесом культивування з метою одержання заданої кількості біомаси з заданим хімічним складом. В основу корисної модулі - спосіб виробництва біомаси гідробіонтів, поставлено задачу підвищення продуктивності широкого спектра культивованих гідробіонтів шляхом забезпечення оптимальних умов зростання. Поставлена задача вирішується тим, що в способі виробництва біомаси гідробіонтів попередньо розраховують величини максимальної щільності Вmах і мінімальної щільності Bmjn культури (робочий діапазон). У процесі культивування вимірюють щільність культури, продуктивність або питому швидкість зростання й розраховують зміну щільності культури по формулі:   1  t    0  exp     ommok t  t н        Потім порівнюють отриману величину з робочим діапазоном (Вmах  Вmіn) і підтримують поточну щільність культури в заданому діапазоні, змінюючи питому швидкість протоки. Спосіб пояснюється кресленнями. На Фіг. 1 Накопичувальна крива зростання з робочим діапазоном для культивування спіруліни; Фіг. 2 - Проточне культивування, де питома швидкість зростання меньше питомої швидкості протоки; Фіг. 3 Проточне культивування, де питома швидкість зростання більше питомої швидкості протоки. Фіг. 4 - Накопичувальна крива зростання з вказівкою робочого діапазона для культивування коловерток. При культивуванні гідробіонтів у промислових масштабах важливою є підтримка щільності культури в робочому діапазоні. На прикладі мікроводоростей доведено, що найбільш оптимальною є робоча щільність, що максимально близька до робочої щільності в точці переходу у фазу вповільнення зростання [Gevorgiz R.G., Borovkov А.В., Shiryaev A.V. Optimization model of the regime for cultivation of microalgae in chemostat of Dunaliella salina Teod. // International Journal on algae. - 2007. - Vol. 9, iss. 3. -P. 294-302)]. Це пов'язане з тим, що, з одного боку, продуктивність максимальна, а з іншого - витрата поживних середовищ мінімальна, що позначається на собівартості продукції. Необхідно безупинно контролювати співвідношення біомаси, що відбирається (врожай) і біомаси, яка залишається в культиваторі. Є два крайні випадки: 1) біомаса відбирається більше, чим приростає в культиваторі, тоді щільність у культиваторі буде зменшуватися до повного вимивання разом із протокою (див. Фіг. 2). Продуктивність буде зменшуватися, оскільки щільність вийде за межі робочого діапазону «униз»; 2) біомаса відбирається менше, чим приростає в культиваторі, тоді щільність у культиваторі буде збільшуватися, при цьому продуктивність буде падати, оскільки щільність 63692 4 вийде за межі робочого діапазону «нагору» (див. Фіг. 3). Введемо в розгляд наступні величини, справедливі для безперервного процесу культивування: W - об'єм культиватора, л; В - поточна концентрація клітин (біомаса) у культиваторі, г/л; m0 - маса водоростей у культиваторі, г. Нескінченно мала маса гідробіонтів dm буде дорівнювати добутку величини нескінченно малої щільності помноженої на об'єм, тобто . . W dmо = W dВ, [г] = [л гл]. (1) Далі введемо: Mвідтік - маса гідробіонтів, що виноситься протокою з культиватора, г; V відтік - об'єм середовища, що виноситься протокою з культиватора, л; К - коефіцієнт непропорційності; аналогічно (1) можна записати з урахуванням коефіцієнта непропорційності . . K.dm відтік = B dV відтік, [г] = [гл л]; (2) Масу гідробіонтів, яка приросла за час dt, г, позначимо через dmnpupіcm, . . . . . dmnpupіcm =  B Wdt,[г] = [1/діб л г/л діб], або 1 dmприріст  WB dt , (3) де  - питома швидкість зростання гідробіон-1 тів, 1/діб . Звідси можна записати формулу для продуктивності по біомасі Р:  1 dmприріст   W dt . (4) З (4) випливає формула для продуктивності системи культивування П: П dm приріст dt  г   г       W,   л    л  діб   діб  . (5) З іншого боку, розділивши співвідношення (2) на dt, одержимо вираз для продуктивності: dmвідтік 1 dmвідтік 1       відтік , dt  dt  т.ч. для непропорційно проточної культури справедлива рівність .  відтік . . B =K P W. (6) Слід зазначити, що якщо К=1, то з (6) виходить широко використовувана формула для стаціонарного динамічного процесу пропорційно-проточної культури  відтік B =Р W. або В  =Р, де (  - питома швидкість протоки середовища через культиватор. Приведемо основні співвідношення для квазібезперервного непропорційно проточного культивування й позначимо: dVприток - об'єм середовища, що додається в культиватор, л; . . 5 63692 dVприріст - об'єм, займаний прирослою за термін dt масою гідробіонтів, л. Для нескінченно малих об'ємів і мас справедлива рівність dVприток = dVвідтік + dVприріст, і dmприріст = dm0 + dmвідтік. Закон збереження об'єму й маси: dVприток  dVвідтік  dVприріст   dmприріст  dm0  dmвідтік (7) звідси  d приток  dVприріст dt dt  dVвідтік      W  dt  W  dB  B  dVвідтік , (8) де  приток- питома швидкість припливу поживного середовища. Перетворення виразу (8) дає балансове рівняння для динаміки щільності квазібезперервної непропорційної проточної культури в диференціальній формі: dB  1       відтік    dt    . (9) Легко помітити, що вираз (9) при К=1 перетворюється в балансове рівняння для динаміки щільності безперервної пропорційно проточної культури (Тренкеншу Р.П. Простейшие модели. 2. Квазинепрерывная культура // Экология моря. 2005. - Вып. 67. - С. 98-110) Задаючи початкові умови й вирішуючи рівняння (9), можна одержати закон зміни щільності культури для різних фаз зростання. Наприклад, для експонентної фази  = const, отже, рішення (9) можна записати в наступному вигляді: 1   ( t )  B0  exp     відтік t  t н     . (10) Питома швидкість зростання μ, що входить у формулу (10), є функцією багатьох факторів, у тому числі й неконтрольованих на виробництві: опромінення культиваторів (у хмарні дні), температурний режим навколишнього середовища, інтенсивність перемішування суспензії та ін. Якщо К=1, то залежність (10) перетворюється в загальноприйнятий вираз експонентного зростання (Тренкеншу Р.П. Простейшие модели. 2. Квазинепрерывная культура // Экология моря. 2005. - Вып. 67. - С. 98 - ПО). Якщо також питома  швидкість протоки дорівнює нулю, тобто відтік =0, то вираз (10) перетворюється в загальноприйнятий вираз експонентного зростання для накопичувальної культури: ( t )  B0  exp( t  t н ) . (11) Аналогічні вираз можна записати для будьякої фази зростання. Таким чином, задаючи умови культивування з використанням математичних розрахунків, можна оптимізувати умови культивування й, здійснюючи контроль над процесом вирощування, досягти підвищення врожаю біомаси. 6 Приклади реалізації способу. Приклад 1. Культивування Spirulina platensis в умовах виробництва фірми Агро-Вікторія (м. Сочі, Росія). Культиватором служив прямокутний басейн 2x2,5 м. Об'єм суспензії в культиваторі становив 500 л при висоті шару 10 см. Цей об'єм підтримували протягом усього експерименту. Для культивування спіруліни використовували поживне середовище Заррука. Розраховували необхідний об'єм інокуляту й поживного середовища, які складали робочий об'єм культиватора. Співвідношення об'ємів повинне бути таким, щоб щільність культури після засівання становила 0,2 г (сухої біомаси) на літр суспензії. Для розрахунку заданої початкової щільності достатньо знайти коефіцієнт розведення  , розділивши величину щільності інокуляту на робочу щільність, потім отриманий коефіцієнт і робочий об'єм підставити у формулу 1  w  W  1  ,   W-w , (12) де W - робочий об'єм у культиваторі,  - коефіцієнт розведення. В експерименті щільність інокуляту становила 0,8 г/л, а робочий об'єм - 500л, тобто w=500(11/(0,8/0,2))=375 л, отже, щоб досягти робочої щільності в 500 л необхідно 500-375=225 л інокуляту й 375 л поживного середовища. Протягом 10 днів щільність культури збільшувалася й досягла щільності 1,2 г/л. На цьому етапі культивування збір урожаю не проводили, тому його можна розглядати як періодичне (накопичувальне) культивування. У даних умовах динаміку щільності культури можна описати виразом (11). Було відзначено, що на 7 день експерименту швидкість зростання знижувалася. Робочий діапазон був обраний у наступних межах: Bmin=0,9 та Вmах =1,1 г/л (див. Фіг. 1) Безперервний (проточний) процес В міру підйому біомаси на поверхню її збирали. Щодня в заданий час робили контроль параметрів культури. Вимірювали температуру, рН, оптичні характеристики й щільність культури.По оптичним характеристикам і результатам мікроскопії визначали альгологічну чистоту культури і якість біомаси. По вимірюванням щільності розраховували об'єм зливу суспензії й доливу поживного середовища. У нашому експерименті питома -1 швидкість протоки становила 0.1 діб. . Для розрахунку об'єму зливу /доливу (w) використовували вираз (12). Якщо величину біомаси, зібраної на двох етапах, розділити на величину об'єму зливу суспензії, то одержана величина буде відмінною від щільності в басейні, тобто питома швидкість протоки по біомасі виявляється більше, ніж швидкість протоки поживного середовища, тобто виконується умова непропорційності двох потоків. Щоб розрахувати величину протоки середовища й коефіцієнт непропорційності, необхідно у формулу (10) підставити значення питомої швидкості зростання , а величину відтік /К підібрати 7 63692 таким чином, щоб величина B(t) була близька до робочої щільності. Розрахуємо величину питомої швидкості зростання з 6 по 7 добу:  1   0 1,0824  0,9059   0,177 діб 1  0 1   0  / 2 0,9059  (1,0824  0,9059 ) / 2 . (12а) Дотримуючи вимоги про рівність одиниці робочої щільності, з формули (10) можна легко знайти величину відтік /К: 1   1  1,024  ехр  (0,177   відтік )(8  7)     1 1 ln  0,177   відтік 1,024  . або  Звідки відтік /К  0,2, тобто при заданому коефіцієнті К (наприклад, з технологічних міркувань) відтік одержимо величину . Наприклад, при відтік К=0,67 =0,134. Підраховували врожай, отриманий при використанні різних методів культивування. Періодичне (накопичувальне) культивування. Оскільки вихідна щільність культури становила 0,2 г/л, наприкінці періодичного культивування – 1,2 г/л, у кожному літрі приросло 1 г біомаси за 10 днів. Отже, урожай склав 1 • 500=500 г. Безперервне пропорційно проточне культивування. Щодобовий урожай розраховували по формулі: Y = В • w, де w - об'єм зливу суспензії. (13) Оскільки робоча щільність культури була постійною й становила 1 г/л (В=1), при питомій швид-1 кості протоки 0,1 діб урожай склав: 500•0,1•1 = 50 г Множимо цю величину на час культивування 10 днів, одержуємо 500 г. Якщо до врожаю віднести й біомасу, яка залишається в культиваторі, то одержимо 500 + 400 = 900 г. Квазібезперервне непропорційно проточне культивування Тут формула (13) не підходить, оскільки не враховує зібраний урожай з поверхні суспензії. Для розрахунку щодобового врожаю використовується наступний вираз: Ydt = W•Bпврх + Y = Bпвpx•B•w, (14) де Впврх - щільність біомаси, зібраної з поверхні суспензії. У цьому випадку Впврх=0,05 г/л. Отже, щодобовий урожай становив 500•0,05+50=75 г. Множачи цю величину на час культивування, маємо: 75•10= 750 г. У цьому випадку коефіцієнт непропорційності рівний (див. (2)): 75/50/1=1,5, тобто К=1/1,5=0,67 Таким чином, застосування пропонованого способу забезпечувало оптимальні умови зростання для мікроводоростей. Продуктивність системи культивування підвищувалася в 1,25 разу в порівнянні із пропорційно-проточним методом ку 8 льтивування без контролю над умовами вирощування. Приклад 2. Вирощування коловерток. В експерименті використовували солоноватоводну коловертку Brachionus plicatilis. Культиватор об'ємом 300 л являв собою циліндричну ємність з дном конічної форми зі зливальним отвором у нижній частині. Другий зливальний отвір розташовувався у верхній частині культиватора. При додаванні нової порції поживного середовища частина суспензії самопливом стікала через отвір у ємність для врожаю. Таким чином, автоматично підтримували робочий об'єм на постійному рівні. Підтримку оптимального кисневого режиму й рівномірного розподілу корму здійснювали за допомогою подачі повітря в культиватор. Температуру підтримували на рівні 28-30 °С. Поверхню суспензії висвітлювали лампою ДРЛ-750 до збору врожаю. Періодичне культивування. У культиватор поміщали маточну культуру об'ємом не менш 3-5 л щільністю 20-50 екз./мл. У міру зростання коловерток в екстенсивному режимі вирощування об'єм суспензії доводили до 300 л. Потім, протягом 8-10 днів стежили за динамікою щільності аміктичних самок, яка описується виразом (11). При годуванні коловерток корм вносили з розрахунку 0,5 г на 1 млн. коловерток. Після досягнення максимальної щільності 300 -350 екз./мл і вповільненні швидкості зростання переходили до безперервного вирощування (Фіг. 4). Безперервний процес. Щодня в заданий час здійснювали контроль параметрів культури. Вимірювали температуру, рН, щільність популяції. По вимірам щільності аміктичних самок розраховували об'єм зливу суспензії й доливу поживного середовища. В експерименті робоча щільність була визначена в діапазоні від 240 до 260 екз./мл, оскільки в цьому діапазоні продуктивність максимальна. Щоб розрахувати величину протоки середовища й коефіцієнт непропорційності, необхідно у формулу (10) підставити значення питомої швидкості зростання відтік , а величину /К підібрати таким чином, щоб величина B(t) була близькою до робочої щільності. Величину питомої швидкості зростання розраховуємо аналогічно (12а), але за час з 4 по 5 добу (В0=180):  1   0 275  180   0,42 діб 1.  0 1   0  / 2 180  (275  180 ) / 2 Дотримуючи вимоги про рівність робочої щільності 250, з формули (10) можна легко знайти ве личину відтік /К: 1   250  275  ехр  (0,42   відтік )( 6  5)     300 1 ln  0,42   відтік 245  . Звідки відтік =0,35. відтік /К  0,5, або (14б) тобто при К=0,7 9 Установивши розрахункове значення питомої -1 швидкості протоки 0,35 діб при робочій щільності культури 250 діб/мл, одержували щоденний урожай 87,5 екз./мл, максимально можливий урожай для умов даного експерименту. Якщо на 5-у добу не включити протоку (збір урожаю не проводити) і допустити вихід величини щільності за межі робочого діапазону, то втрати врожаю вже на шостий день складали 40 екз./мл, а на сьомий - 75 екз./мл; Якщо в момент включення протоки (на п'ятий відтік день) установити величину