Биореактор водорослей — Algae bioreactor
Водоросли биореактор используется для выращивания микро или макро водорослей. Водоросли можно выращивать в целях производства биомассы (как в культиваторе морских водорослей ), очистки сточных вод , фиксации CO 2 или фильтрации аквариума / пруда в виде скруббера для водорослей . Биореакторы на водорослях широко различаются по конструкции и в целом делятся на две категории: реакторы открытого типа и реакторы закрытого типа. Открытые реакторы подвергаются воздействию атмосферы, в то время как закрытые реакторы, также обычно называемые фотобиореакторами , в той или иной степени изолированы от атмосферы. В частности, биореакторы из водорослей можно использовать для производства топлива, такого как биодизель и биоэтанол, для производства кормов для животных или для уменьшения количества загрязняющих веществ, таких как NO x и CO 2, в дымовых газах электростанций. По сути, этот вид биореактора основан на фотосинтетической реакции, которая осуществляется самими хлорофилл- содержащими водорослями с использованием растворенного углекислого газа и энергии солнечного света. Двуокись углерода диспергируется в жидкости реактора, чтобы сделать ее доступной для водорослей. Биореактор должен быть изготовлен из прозрачного материала.
Водоросли — фотоавтотрофные организмы, осуществляющие кислородный фотосинтез.
6 C О 2 + 6 ЧАС 2 О ⟶ C 6 ЧАС 12 О 6 + 6 О 2 Δ ЧАС 0 знак равно + 2870 k J м о л <\ displaystyle <\ begin 
СОДЕРЖАНИЕ
Историческое прошлое
Некоторые из первых экспериментов по выращиванию водорослей были проведены в 1957 г. Институтом Карнеги в Вашингтоне. В этих экспериментах одноклеточные хлореллы культивировались путем добавления CO 2 и некоторых минералов. Раньше использовались биореакторы, которые были сделаны из стекла, а позже превратились в пластиковый пакет. Целью всех этих исследований было выращивание водорослей для производства дешевого корма для животных.
Часто используемые типы фотореакторов
В настоящее время необходимо различать 3 основных типа фотобиореакторов на водорослях, но определяющим фактором является объединяющий параметр — доступная интенсивность солнечной энергии.
Пластинчатый фотобиореактор
Пластинчатый реактор просто состоит из вертикально расположенных или наклонных прямоугольных ящиков, которые часто разделены на две части для обеспечения перемешивания текучей среды реактора. Обычно эти блоки объединяются в систему путем их связывания. Эти соединения также используются для облегчения процесса наполнения / опорожнения, подачи газа и транспортировки питательных веществ. Введение дымового газа в основном происходит в нижней части окна , чтобы гарантировать , что диоксид углерода имеет достаточно времени , чтобы взаимодействовать с водорослями в реакторе жидкости.
Трубчатый фотобиореактор
Трубчатый реактор состоит из вертикально или горизонтально расположенных труб, соединенных вместе в систему трубопроводов. Жидкость, взвешенная в водорослях, может циркулировать по этой трубке. Трубки обычно изготавливаются из прозрачного пластика или боросиликатного стекла, а постоянная циркуляция поддерживается насосом в конце системы. Подача газа происходит в конце / начале системы трубок. Такой способ подачи газа вызывает проблему дефицита углекислого газа, высокую концентрацию кислорода в конце блока во время циркуляции и плохую эффективность.
Фотобиореактор с пузырьковой колонкой
Фотореактор с пузырьковой колонной состоит из вертикально расположенной цилиндрической колонны, изготовленной из прозрачного материала. Подача газа происходит в нижней части колонны и вызывает турбулентный поток, обеспечивающий оптимальный газообмен. В настоящее время эти типы реакторов строятся с максимальным диаметром от 20 до 30 см, чтобы обеспечить необходимый запас солнечной энергии.
Самая большая проблема с конструкцией, определяемой солнечным светом, — это ограниченный диаметр. Feuermann et al. изобрел метод сбора солнечного света с помощью конусообразного коллектора и передачи его с помощью некоторых стекловолоконных кабелей, которые адаптированы к реактору, чтобы позволить конструкции колонного реактора с более широкими диаметрами. — в этом масштабе потребление энергии за счет насосов и т.д. , а также СО 2 стоимости производства могут перевесить CO 2 , захваченное в реактор.
Промышленное использование
Выращивание водорослей в фотобиореакторе создает узкий диапазон возможностей промышленного применения. Некоторые энергетические компании уже создали исследовательские центры с фотобиореакторами из водорослей, чтобы выяснить, насколько они эффективны в сокращении выбросов CO 2 , содержащихся в дымовых газах , и сколько биомассы будет производиться. Биомасса водорослей имеет множество применений и может быть продана для получения дополнительного дохода. Сэкономленный объем выбросов может приносить доход и за счет продажи квот на выбросы другим энергетическим компаниям.
Использование водорослей в пищу очень распространено в регионах Восточной Азии. Большинство видов содержат только часть полезных белков и углеводов, а также много минералов и микроэлементов. Как правило, потребление водорослей должно быть минимальным из-за высокого содержания йода, что особенно проблематично для людей с гипертиреозом. Точно так же многие виды диатомовых водорослей производят соединения, небезопасные для человека. Водоросли, особенно некоторые виды, которые содержат более 50 процентов масла и много углеводов, могут быть использованы для производства биодизеля и биоэтанола путем извлечения и очистки фракций. Этот момент очень интересен, потому что биомасса водорослей генерируется в 30 раз быстрее, чем некоторая сельскохозяйственная биомасса, которая обычно используется для производства биодизеля.
Источник
Плавучий биореактор для выращивания микроводорослей в открытом водоеме
Владельцы патента RU 2524993:
Плавучий биореактор включает по меньшей мере один установленный на поверхности водоема герметичный контейнер из мягкого светопроницаемого полимерного материала с трубопроводами с запорной арматурой для загрузки исходных сырьевых компонентов, разгрузки микроводорослей и подачи и отбора газов из контейнера. Контейнер снабжен горизонтальным каркасом в форме поверхности кругового полого цилиндра, основания которого посредством стержней соединены между собой по образующим. На одной оси с каркасом смонтирован вал. Трубопроводы для загрузки исходных сырьевых компонентов и подачи газов, а также разгрузки микроводорослей и отбора газов смонтированы в основаниях каркаса контейнера. Биореактор снабжен понтоном, шарнирно сочлененным с контейнером посредством одноплечих рычагов, смонтированных на валу контейнера с возможностью его свободного вращения и качания по вертикали. Изобретение позволяет увеличить производительность биореактора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к оборудованию для производства различных видов микроводорослей. В настоящее время в качестве одного из видов эффективных экологически чистых источников органических веществ рассматривается выращивание и использование биомассы водорослей, имеющих высокое содержание белковых питательных веществ и микроэлементов.
Наиболее перспективными считаются устройства, для которых не нужны пахотные земли, то есть размещаемые на поверхности водной среды.
Разработка устройства для промышленного производства биомассы микроводорослей — актуальная задача во всем мире, поскольку из такой биомассы можно получать широкий спектр продукции: лекарственные препараты, корма для животных, удобрения и т.п.
Более перспективным для получения биомассы микроводорослей с заданными свойствами (высоким содержанием жиров и т.д.) является выращивание их в специально разработанных закрытых системах — биореакторах, в которых создаются оптимальные условия: требуемые температура и освещенность, необходимый газообмен и подвод питательных веществ. Микроводоросли обладают самым эффективным аппаратом по биоконверсии солнечной энергии и являются ее природными биоаккумуляторами. В процессе жизнедеятельности микроводоросли, потребляя углекислый газ, выделяют кислород.
Известно устройство — биореактор для выращивания пресноводных водорослей в естественных водоемах и водохранилищах. Конструктивно биореактор представляет собой плавающие в акватории моря длинные гибкие пластиковые трубки, заполняемые городскими сточными водами и рассадой водорослей (http://mimt.m/environment/metod-vvraschivaniya-biotopliva-iz-stochnvh-vod). В процессе роста водоросли в трубках очищают сточную воду и разрешают проблемы окружающей среды, поглощая вещества, содержащиеся в сточных водах, и двуокись углерода и используя для своего роста солнечную энергию. По мере роста водоросли насыщают воздух кислородом.
Однако известный биореактор для выращивания микроводорослей имеет существенные недостатки. Поверхность пластиковых трубок биореактора зарастает водорослями, и очистка поверхностей для поддержания их светопропускной способности ведет к удорожанию конечного продукта и усложнению конструкции. Горизонтально расположенные длинные светопроницаемые трубки занимают большие площади водной поверхности и вынуждены быть связаны коммуникациями с сушей, при этом процессы перемешивание жидкой среды и газообмен в этих конструкциях биореакторов идут хаотично и неэффективно.
Известен также биореактор, являющийся наиболее близким по технической сущности к разработанному устройству для выращивания водорослей, содержащий, по меньшей мере, один устанавливаемый на поверхности водоема герметичный контейнер из мягкого светопроницаемого полимерного материала с трубопроводами с запорной арматурой для загрузки исходных сырьевых компонентов, разгрузки микроводорослей и трубопроводами для подачи и отбора газов из контейнера (http://www.ted.com/talks/lang/ru/jonathan trent energy from floating algae pods.html).
Контейнер плавает по поверхности открытого водоема, а биореактор может содержать несколько соединенных между собой однотипных контейнерных модулей.
За счет выполнения контейнера с оболочкой из мягкого светопроницаемого полимерного материала решается проблема удешевления стоимости биореактора и лучшей освещенности всего объема культуральной жидкости в контейнере, при этом последний не требует земельных площадей.
Однако это устройство не обеспечивает равномерного перемешивания культуральной жидкости с водорослями, что сказывается на скорости выращивания биомассы, устройство также является более дорогим, так как при зарастании внутренней поверхности полимерного контейнера сложно проводить его очистку, а также удорожается ремонт в случае повреждения контейнера. Кроме того, обслуживание такой системы очень трудоемко.
Задачей изобретения является создание плавучего биореактора для выращивания микроводорослей в открытом водоеме, характеризующегося повышенной производительностью, упрощенной конструкцией, удобством и простотой обслуживания и в целом меньшей его стоимостью.
Поставленная задача решается тем, что в плавучем биореакторе для выращивания микроводорослей в открытом водоеме, содержащем, по меньшей мере, один установленный на поверхности водоема герметичный контейнер из мягкого светопроницаемого полимерного материала с трубопроводами с запорной арматурой для загрузки исходных сырьевых компонентов, разгрузки микроводорослей и для подачи и отбора газов из контейнера, согласно изобретению контейнер снабжен горизонтальным каркасом в форме поверхности кругового полого цилиндра, основания которого посредством стержней соединены между собой по образующим и соосно с каркасом смонтирован вал, а трубопроводы для загрузки исходных сырьевых компонентов и подачи газов и трубопроводы для разгрузки микроводорослей и отбора газов соединены соответственно с противолежащими основаниями каркаса, при этом биореактор снабжен понтоном, шарнирно сочлененным с контейнером посредством одноплечих рычагов, смонтированных на валу контейнера с возможностью его свободного вращения и качания по вертикали.
Вал контейнера на обоих его концах может быть выполнен с концевыми камерами, из которых камеры на одном конце вала соединены с трубопроводами для загрузки исходных сырьевых компонентов и подачи газов, а противолежащие камеры на другом конце вала — соответственно с трубопроводами для разгрузки микроводорослей и отбора газов из контейнера. Камеры вала посредством патрубков выполнены сообщающимися с технологическим объемом контейнера.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображен биореактор, на фиг.2 — биореактор, вид сверху и на фиг.3 — биореактор, вид в варианте расположении патрубков в камерах вала контейнера.
Герметичный контейнер 1 биореактора содержит горизонтальный каркас в форме кругового полого цилиндра, поверхность которого образована стержнями 2, сопряженными с торцевыми основаниями 3. Соосно с каркасом контейнера смонтирован вал 4. На стержни 2 натянута полимерная светопроницаемая пленка 5, закрепленная посредством хомутов 6 к торцевым основаниям 3 цилиндра. Контейнер содержит также трубопровод 7 для загрузки исходных сырьевых компонентов и трубопровод 8 подачи газов, в частности углекислого газа или кислорода, а также трубопровод 9 для разгрузки микроводорослей и трубопровод 10 для отбора газа — кислорода. Все упомянутые трубопроводы 7, 8, 9 и 10 на входе в контейнер 1 оборудованы соответственно запорными кранами 11, 12, 13 и 14. Биореактор снабжен понтоном 15, который шарнирно сочленен с контейнером 1 посредством одноплечих рычагов 16, также шарнирно соединенных с валом 4 контейнера. Рычаги обеспечивают контейнеру возможность его свободного вращения и качания по вертикали.
Трубопроводы 7, 8, 9 и 10 могут быть смонтированы и соединены с внутренним объемом контейнера через вал 4. В последнем случае вал выполнен с концевыми камерами 17 и 18 на каждом из его концов. Камеры 17 и 18 соединены с трубопроводами 7 и 8 соответственно для загрузки исходных сырьевых компонентов и подачи газов. Противолежащие камеры 17 и 18 соединены соответственно с трубопроводами 9 и 10 для разгрузки микроводорослей и отбора газов из контейнера.
Через трубопровод 7 загружают исходные сырьевые компоненты, поступающие в технологический объем контейнера по патрубку 19, а разгрузку микроводорослей осуществляют по трубопроводу 9, соединенному с патрубком 20. В другом варианте изобретения камеры 17 вала 4 сообщаются с технологическим объемом контейнера посредством патрубков 19 и 20, а камеры 18 — посредством выпускных отверстий 21.
В цилиндрический объем контейнера 1, образованный торцевыми основаниями 3 и наружной прозрачной пленкой 5, через трубопровод 7 заливают морскую воду с растворенными в ней питательными веществами. Затем через этот же трубопровод 7 в контейнер загружают рассаду водорослей.
В процессе выращивания количество водорослей увеличивается не менее чем в 1000 раз. При размножении водоросли потребляют растворенные в морской воде питательные вещества и углекислый газ из воздуха, выделяя в воду продукты жизнедеятельности. По мере роста водорослей снижается рН питательной среды в контейнере, и рост водорослей замедляется. При достижении рН минимально возможного значения в воду вводят углекислый газ через трубопровод 8. Углекислый газ повышает рН среды, и рост водорослей продолжается.
Во время размножения водоросли выделяют кислород. Высокая концентрация кислорода в газовой среде контейнера не только отрицательно влияет на процесс увеличения биомассы водорослей, но может привести последних к гибели. Для восстановления необходимой газовой среды в контейнере биореактора избыток воздуха, обогащенного кислородом, удаляют через трубопровод 10, а в объем контейнера подают воздух через трубопровод 8 для подачи углекислого газа. Когда концентрация водорослей достигает расчетной, их удаляют через трубопровод 9. Подача углекислого газа, питательной среды, отбор газов и выращенных водорослей из биореактора производятся при остановке вращения контейнера, когда патрубки 19 и 20 находятся нижнем положении.
Контейнер сочленяют посредством поворотных рычагов 16 с понтоном 15, плавающем в море, и опускают на поверхность водоема, удерживая понтон на якорях. Волнение водной поверхности в зоне приливного течения, вектор которого направлен перпендикулярно продольной оси биореактора, вращает контейнер и заставляет его совершать вертикальные колебания, способствуя активному перемешиванию в нем жидкой питательной среды, что благотворно влияет на рост микроводорослей.
Для облегчения вращения корпуса контейнера 1 в рычагах 16 нагрузка от него на воду снижается противовесами 22.
Изолированность технологического объема контейнера от воды водоема позволяет создавать в системе оптимальные условия выращивания биомассы водорослей. При этом использование недорогих мягких полимерных материалов — пленок на облегченном каркасе — обеспечивает максимальный доступ солнечного света, необходимого для эффективного фотосинтеза, упрощает эксплуатацию биореактора, а простая замена пленки при ее зарастании водорослями снижает его стоимость в целом.
Биореактор обеспечивает возможность культивирования в промышленных масштабах любых форм фотосинтезирующих микроорганизмов.
Конструкция предложенного биореактора позволяет создавать крупнотоннажные производства биомассы микроводорослей путем соединения отдельных понтонов с биореакторами в большие группы (караваны), которые могут располагаться в акватории морей, озер, бухт океана.
1. Плавучий биореактор для выращивания микроводорослей в открытом водоеме, содержащий по меньшей мере один установленный на поверхности водоема герметичный контейнер из мягкого светопроницаемого полимерного материала с трубопроводами с запорной арматурой для загрузки исходных сырьевых компонентов, разгрузки микроводорослей и для подачи и отбора газов из контейнера, отличающийся тем, что контейнер снабжен горизонтальным каркасом в форме поверхности кругового полого цилиндра, основания которого посредством стержней соединены между собой по образующим, соосно с каркасом смонтирован вал, трубопроводы для загрузки исходных сырьевых компонентов и подачи газов, а также разгрузки микроводорослей и отбора газов смонтированы в основаниях каркаса контейнера, при этом биореактор снабжен понтоном, шарнирно сочлененным с контейнером посредством одноплечих рычагов, смонтированных на валу контейнера с возможностью его свободного вращения и качания по вертикали.
2. Плавучий контейнер по п.1, отличающийся тем, что вал контейнера на обоих его концах выполнен с концевыми камерами, из которых камеры на одном конце вала соединены с трубопроводами для загрузки исходных сырьевых компонентов и подачи газов, а противолежащие камеры на другом конце вала — соответственно с трубопроводами для разгрузки микроводорослей и отбора газов из контейнера, при этом камеры вала выполнены сообщающимися с технологическим объемом контейнера.
Источник