Спосіб та фотореактор для вирощування мікроводоростей

1 Спосіб вирощування мікроводоростей у закритому об'ємі, який відрізняється тим, що мікроводорость вирощують у закритому нерухомому об'ємі, освітлюваному щілинними світловодами, утвореними із поверхонь самопливних шарів суспензії на підтримуючих поверхнях плівок, сіток, джгутів, стрічок, нахилених до горизонту під кутом, меншим або рівним 90°, зібраних у пакети чи пакети-барабани, що обертаються, прикритих знезараженим газом з регульованим вмістом кисню і двоокису вуглецю 2 Спосіб по п 1, який відрізняється тим, що самопливні шари суспензії періодично вводять в режим промивання з підвищеною швидкістю руху суспензії 3 Фотореактор для вирощування мікроводоростей по способу пп 1,2, який має закритий нерухомий об'єм і містить збірну ємність, побудник подачі і пристрій розшарування потоків суспензії із маточної культури і живильного розчину, який відрізняється тим, що робочий об'єм оснащений замкнутою механічною системою вентиляції з кондицюнуванням знезараженого газу з регульованим вмістом кисню і двоокису вуглецю і щілинними світловодами, утвореними вільними поверхнями самопливних шарів суспензії, підтримуваних плівками, сітками, джгутами, стрічками із світлопрозорих змочуваних матеріалів, нерухомими або рухомими Винахід відноситься до сільського господарства і може бути використаний для закритого великомасштабного вирощування мікроводоростей, що використовуються як харчові добавки та сировина для ЛІКІВ Такою водоростю є спіруліна Спіруліна містить унікальний комплекс необхідних людині компонентів Розроблені технології вирощування спіруліни, збагаченої йодом, фтором, германієм, залізом Винахід може бути використаний також для вирощування мікроводоростей з високим вмістом ЛІПІДІВ, які мають високі енергетичні характеристики і призначаються для накопичення та зберігання сонячної енергії Недоліком цього аналогу є незахищеність суспензії від довкілля при переході суспензії з освітленого робочого об'єму у буферний об'єм, де мікроводорость мала б віддати надлишок кисню і підживитися газоподібним двоокисом вуглецю Суспензія у робочому об'ємі перебуває 2 години, а у буферному - 1/4 години при кожному кругообігу суспензії Буферний об'єм є надто малим Створюється висока концентрація кисню у суспензії, яким живляться супутні бактерії, їх маса досягає 20% від маси основної культури Спіруліна набуває шкідливих характеристик [2] Недостатнє підживлення двоокислом вуглецю зменшує продуктивність Необхідність механічного переміщення суспензії на шляху 100м (у панельному способі) і 2500м (у трубчатих конструкціях) зумовлює великі енергозатрати Існує також спосіб вирощування спіруліни у великих об'ємах при використанні барботажу Це також енергозатратний метод Підвищення продуктивності на 15% вимагає щогодинної подачі стисненого повітря в об'ємах, що перевищує об'єм суспензії у 100 разів Існуючі методи вирощування спіруліни відкритим способом не забезпечують сучасні санітарноепідемічні нормативні вимоги, а низька продуктивність і висока енергозатратність не дозволяють використати переваги бютехнолопй мікроводоростей над технологіями вищих рослин Аналогом способу вирощування є спосіб вирощування у тонкому шарі суспензії товщиною від 5мм до 5см, що формується у скляних трубках діаметром 7см і довжиною 2,5км чи щілинах з перетином 0,05*1,5м2 довжиною 100м Останній одержав назву панельного [1] і виконується як лабораторний і як промисловий при об'ємі робочої суспензії до 6м3, Прототипом способу по даному винаходу є спосіб вирощування у рухомому (обертовому) робочому об'ємі на світлопропускній поверхні у шарі суспензії мікроводорості, що утворюється під дією відцентрових сил і має вільну поверхню суспензія (О ю 57962 газ [3] Шар суспензії утворюється тоді, коли циФІГ 4 Фотореактор з пакетом нерухомих СВІТліндр із скла приводиться в рух електродвигуном ЛОВОДІВ Циліндр частково заповнюється суспензією, частФІГ 5 Фотореактор з обертовим барабаном ково газом Газообмін здійснюється на протязі щілинних СВІТЛОВОДІВ всього робочого циклу, це усуває недоліки аналоФіг 6 Фотореактор з обертовим барабаном гів, але періодичність заповнення робочого об'єму Друга проекція суспензією і газом не дозволяє використати споФіг 7 Фотореактор з пакетами, що з'єднані пасіб-прототип у промислових установках А необралельно хідність обертати всю масу суспензії створює Фіг 8 Фотореактор з пакетом, підтримуючі поконструктивні ускладнення і підвищені енергозатверхні якого нахилені до горизонту рати Спосіб вирощування мікроводоростей основуВІДОМІ фотореактори - аналоги для великомається на використанні закритого нерухомого об'сштабного промислового вирощування спіруліни, єму, ізольованого від довкілля на всьому шляху наприклад, фотореактор О Пульца [1], що реаліруху суспензії, єдиного освітленого об'єму Буфер3 зований на робочий об'єм 6м Аналог має робоний об'єм не використовується Для газообміну чий освітлений нерухомий об'єм, обмежений світвикористовуються ВІЛЬНІ поверхні на межі рідинало прозорими поверхнями панелей, в якому газ, які є також світлосприймаючими, і механічна знаходиться суспензія спіруліни, і додатковий бувентиляція робочого об'єму газом, що має такі ферний об'єм для газообміну додаткові процеси знезараження, наприклад, ультрафіолетовим опроміненням, вилучення фотосиПрототипом фотореакторів, що пропонуються, нтетичного кисню, приготування газових сумішей і є фотореактор з підтримуючою зовнішньою світподачу вентилятором лопрозорою поверхнею обертового циліндра і вільною до газу внутрішньою вертикальною поверхСпосіб вирощування грунтується на комплекснею, що утворюється силами відцентровими при ному використанні щілинних СВІТЛОВОДІВ І ТОНКИХ обертанні всієї суспензії і зовнішнього циліндра самопливних шарів суспензії на підтримуючих поНедоліком прототипу є малий об'єм, який може верхнях плівок, сіток, джгутів, стрічок із прозорих бути приведений у рух, мала освітлювана поверхзмочуваних (гідрофільних) матеріалів, які збільня, періодичність заповнення та роботи, що зменшують освітлювану і вільну поверхні і мають особшують продуктивність, збільшують затрати, усклаливість за рахунок поверхневого натягу утримуваднюють конструкцію ти ТОВСТІШІ шари суспензії Задачею винаходу - способу є забезпечення ЩІЛИННІ СВІТЛОВОДИ утворюються за допомовимог по ізоляції мікроводорості від довкілля, негою світлопрозорих поверхонь, орієнтовних до допущення розвитку супутніх бактерій, зменшення джерела світла, нахилених до горизонту під кутом енергозатрат, підвищення продуктивності і ствоменшим або рівним 90°, які підтримують самоплирення можливостей для великомасштабного вивні шари суспензії (фиг 1, 2, 3) Віддаль між поверрощування мікроводорості хнями вибирається в залежності від призначення, конструктивного рішення та джерела світла ПотуЦе досягнуто тим, що 1) мікроводорость вижний лазер в імпульсному режимі дозволяє освірощується в закритому нерухомому об'ємі, освіттити щілини довжиною кілька метрів Лампи люміленому щілинними світловодами із самопливних несцентні здатні освітити глибину 5 - 10см, шарів суспензії на підтримуючих поверхнях плівок, природне світло проникає у щілинний світловод на сіток, джгутів, стрічок, нахилених до горизонту під глибину 1 - 1,5м При збільшенні товщини щілин кутами меншими або рівними 90°, зібраних у пакеглибина проникнення світла зростає Ця обставити чи пакети-барабани, що обертаються, прикрина дозволяє оптимізувати освітлення робочого тих знезараженим газом з регульованим вмістом об'єму шляхом вибору КІЛЬКОСТІ шарів та віддалі кисню і двоокису вуглецю, 2) самопливні шари між ними суспензії періодично вводяться в промивний режим з підвищеною швидкістю руху суспензії Друга важлива особливість способу вирощуЦе досягнуто тим, що фотореактор виконуєтьвання мікроводоростей полягає утому, що світлося із закритим нерухомим освітленим робочим водними поверхнями використовуються ВІЛЬНІ (так об'ємом, збірною ємністю, побудником подачі і називають поверхні розподілу рідини і газу) поверпристроєм для розшарування потоків суспензій із хні шарів суспензії, які утворюються на підтримуюматочної культури і живильного розчину, який відчих поверхнях сіток із світлопрозорих змочуваних різняється тим, що робочий об'єм обладнано заматеріалів Сітка дозволяє підтримувати шар сумкнутою механічною системою вентиляції з кондиспензії з двома вільними і двома світлосприймаюцюнуванням знезараженого газу з регульованим чими поверхнями Сітка характеризується діаметвмістом кисню і двоокису вуглецю і щілинними ром нитки і кроком між нитками Чим товщі нитки, світловодами, утворюваними вільними поверхнятим товщій шар суспензії утримується на поверхми самопливних шарів суспензій, підтримуваних нях Сили поверхневого натягу створюють локальплівками, сітками, джгутами, стрічками, які змочуні та загальні шари суспензії, що повторюють вані, світлопрозорі, нерухомі або рухомі профіль поверхні сіток Протимоскітна поліетиленова сітка з нитками діаметром 0,25мм і кроком Суть винаходу ілюструють приведені малюнки 0,8мм при куті рівному 90° - вертикальному полоПри цьому женні, утримує на своїй поверхні суспензію масою Фіг 1 Пакет щілинних СВІТЛОВОДІВ в 10 раз більшою маси сітки при нульовій швидкоФіг 2 Диск щілинного світловода сті руху Каплі діаметром 5мм "висять" Привести Фіг 3 Обертовий барабан щілинних СВІТЛОВОїх в рух можна подачею додаткової суспензії ДІВ 57962 Підтримуючими поверхнями можуть бути використані також поверхні джгутів, стрічок із світлопрозорих змочуваних матеріалів, а також нержавіючої сталі Третя особливість способу полягає у використанні залежності швидкості самопливного руху суспензії у полі земного тяжіння від товщини шару суспензії Ця залежність вивчена механікою суцільного середовища [4, с 85] Величина подачі і середня швидкість руху пропорційна товщині шару суспензії у третій степені, синусу кута нахилу поверхні і обернена пропорційна густині (в'язкості) ЯКЩО на одній поверхні п = 1 підтримується товщина шару h при подачі Q і така ж сумарна товщина підтримується в п шарах, то швидкість руху і величина подачі зменшаться в 2 2 п раз Q^n-Q/n При п = 100 затрати на подачу суспензії зменшуються в 104 раз порівняно з тими, яки потрібні при створенні одного товстого шару Середня швидкість руху суспензії на підтримуючих поверхнях пропорційна подачі Q Sn Швидкість самопливного руху легко регулюється Періодично на підтримуючі поверхні подається імпульс збільшеної КІЛЬКОСТІ суспензії Це промивний режим, який виконує дві функції розбавлення освітленої частини суспензії в загальній масі, природний таксис, і промивний режим підтримуючої поверхні Різке зростання світлосприимаючих поверхонь обумовлює необхідність використання лазерного скануючого освітлення щілинних СВІТЛОВОДІВ, яке знижує поріг фотосинтезу і дозволяє використати малі освітленості Пряме сонячне світло в наших широтах має потужність 1кВт/м2 і освітленість бОклкс Кожне відбиття променя в СВІТЛОВОДІ зменшує освітленість На приведених малюнках показано напрями подачі світла у пакети щілинних СВІТЛОВОДІВ ПОЗ 1 означає збірну ємність Світлопрозора поверхня, поз 2, обмежує робочий об'єм і захищає культуру мікроводоростей від довкілля Поз 3 показує ЩІЛИННІ СВІТЛОВОДІ і підтримуючі сітки, зібрані у пакет фіг 1 і пакет-барабан фіг 2 і 3 Для подачі суспензії використовується побудник подачі 5, фіг 4 і фіг 5 Тонкі шари суспензії на підтримуючих поверхнях створюються пристроями розшарування потоку, поз 6, розміщеними у верхній частині робочого об'єму Схеми організації освітлення з пакетамибарабанами приведено на фіг 2 -ь 6 Барабан приводиться в рух приводом поз 4, фіг 6 Нижня частина барабана занурена в суспензію на глибину 1/3 діаметра барабана і обертається з швидкістю 10 - 15об/хв Змочувані поверхні сіток виносять суспензію в зону освітлення і газообміну Цим створюються можливості для значного розвитку освітленої поверхні без застосування побудника подачі Газообмін При фотосинтезі 1г сухої речовини спіруліни в суспензію виділяється 1,6г кисню Для дихання використовується 0,4г Надлишок кисню становить 1,2г на кожний грам вирощеної маси При вирощуванні спіруліни загальновідомими способами цей кисень використовується супутніми мікробами, маса яких досягає 20% від маси основної культури При газообміні в атмосферу дифузія повинна йти в середовище, в якому кисню 21%, а порційний тиск 0,2атм Для підживлення культури в суспензію потрібно ввести 25% двоокису вуглецю Повітря має тільки 0,015 вуглекислого газу Даний метод різко змінює ситуацію 1) ВІЛЬНІ поверхні прикривають тонкі шари суспензії, яка рухається зустрічно потоку газів, що подаються ззовні від системи кондицюнування Час контактування і площа контакту змінюється на три порядки, 2) У газі підтримується 4% кисню з порційним тиском 0,04атм Швидкість виходу кисню із суспензії значно зростає, 3) У газі, що подається в зону фотосинтезу, двоокису вуглецю може бути 96% Порційний тиск може перевищувати одну атмосферу Швидкість дифузії зростає на три порядки, 4) Турбулентність потоку і зміна швидкості його руху в промивних режимах створюють сприятливі можливості для природного таксису мікроводорості Подача газу у робочий об'єм після обробки бактерицидним опроміненням ультрафіолетовим світлом створює можливості для пригнічення процесів окислення вирощеної органічної маси Швидкий ріст культури, використання якісного початкового матеріалу також повинні буті використані Переваги даного способу вирощування реалізуються конструктивними рішеннями дляфотореакторів, призначених для промислового вирощування мікроводоростей Приведені малюнки фіг 4, 5, 6, 7, 8 розкривають суть технічних рішень Вони є варіантами виконання фотореактора Кожний із приведених фотореакторів має збірну ємність 1, нерухомий закритий освітлюваний робочий об'єм, що обмежується від довкілля поверхнею 2 У робочому об'ємі установлені ЩІЛИННІ СВІТЛОВОДІ у формі пакетів-сіток, нерухомих (фіг 4, 7, 8,поз 3) або рухомого барабана 3 на фіг 5, 6, нахилених до горизонту під кутом меншим або рівним 90°, нахилених у протилежні сторони з метою перерозподілу та зменшення швидкості руху, фіг 8 Щілинний СВІТловод у формі барабана має електропривод 4 Відбиваючими і світлосприймаючими поверхнями у щілинних світловодах являються ВІЛЬНІ поверхні шарів суспензії, що стікають самопливно в полі земного тяжіння по підтримуючих поверхнях сіток, джгутів, стрічок, циліндрів Над світловодами розміщується пристрій 6 для розшарування потоку суспензії, яка подається побудником подачі 5 Робочий об'єм обладнано приточно-витяжною системою вентиляції 7 з кондиціонером 8 і камерами фільтрації 9, вилучення кисню 10, приготування суміші газів 11, вентилятора 12, знезаражування 13 Барабан щілинних СВІТЛОВОДІВ 3, фіг 5, розміщується над ємністю так, щоб низ барабана занурювався у суспензію на третину його діаметра ЩІЛИННІ СВІТЛОВОДІ можуть бути приєднаними до потоку суспензії паралельно, як це показано на фіг 7, або послідовно, фіг 8 Фотореактори працюють так Суспензія із живильного розчину (для спіруліни середовище Заррука) і маточної культури подається у нижню збірну ємність, поз 1, включається механічна система вентиляції, поз 7, з вентилятором 12, фільтрами 9, лампами знезараження 12 і робочий освітлений об'єм заповнюється знезараженим газом Включається привід 4, фіг 6, і побудник подачі 5 Розпочи 57962 нається робочий процес нарощування біомаси Включається в роботу камера 10 вилучення кисню Найдоступнішим у сільському господарстві є бюгаз 1/3 СО2, 2/3 СОг Зв'язування кисню досягається спалюванням бюгазу за допомогою каталітичних горілок Пристрої знезаражування тепер мають всі кондиціонери, це зумовлено розвитком на каплях води мікробів лепонели Найважливішим новим результатом застосування способу та конструкцій фотореакторів є введення в робочий об'єм суспензії світлової енергії, переведення поверхневого процесу в об'ємний Відношення освітлюваної поверхні до об'єму може становити 1000 1/м В аналога цей показник має значення 40 1/м Фотореактор по фіг 5, 6 при діаметрі в 1м легко забезпечує освітлену поверхню 2 140м Потужність побудника подачі і приводного для барабана в сумі не перевищує 3кВт Вирощу газ 8 вана культура не має контактів з відкритою атмосферою на протязі всього циклу вирощування Робочі об'єми не мають конструктивних обмежень Література 1 О Пульц, Плоскостной фотореактор открытого типа для продукции биомассы микроводорослей Физиология растений, 1994 г, том 41, № 2, с 292 - 298 2 А Я Болсуновский, С В Косиненко, Е Б Хромчек Исследование кислородного режима культуры микроводоросли Биотехнология, 1997, № 7 - 8, с 60 - 68 3 Л Н Цогин, Б В Габель, Т Н Фалькович, В Е Семененко Фотореакторы закрытого типа для культивирования микроводорослей Физиология растений, 1996, том 43, № 1, с 149 -153 4 Л Д Ландау, Е М Лифшиц Гидродинамика, М Наука, 1986, с 736, с 84, 85 суспензія світло ФІГ.1 Фіг.2 10 57962 Фіг.З s З 2 /з 1 Фіг.4 11 57962 12 СВІТЛО З газ ФІГ.6 Фіг.7 13 57962 14 Фіг.8 Комп'ютерна верстка А Крулевськии Підписано до друку 05 08 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна