Фотобиореакторы для выращивания микроводорослей
Создание фотобиореактора для проведения биотехнологических экспериментов и получения продуктов питания и кислорода путём культивирования микроводорослей в условиях микрогравитации.
Описание эксперимента
Показано, что использование низших растений решает задачу утилизации угольной кислоты, образующейся в процессе жизнедеятельности космонавтов, и пополнения кислорода в атмосфере корабля. Имеются данные, что среди массы микроводорослей, применявшихся для исследований в качестве продукции кислорода для космических полетов, подходят хлорелла и спирулина. Однако применение хлореллы в качестве продукта питания для космонавтов не находит подтверждения.
В связи с имеющимися данными наиболее вероятным продуктом, для обеспечения кислородом и продутом питания экипажа космического корабля при длительных полетах, может служить спирулина.
В земных условиях отработана технология получения спирулины платенсис в качестве пищевой добавки, как источник белка и витаминов. Также проведены эксперименты в земных условиях, которые показали, что в замкнутой по газу и воде экосистеме микроводоросли могут обеспечивать человека кислородом и поглощать углекислоту.
В промышленных масштабах получение биомассы микроводорослей осуществляют, как правило, используя благоприятные климатические и природные ресурсы (теплый климат, хорошая инсоляция, теплые водоисточники, чистая морская вода, минеральные источники и др.). Накопление биомассы микроводорослей в таких случаях осуществляют в естественных и искусственных водоемах, прудах и бассейнах. Для осуществления управляемого культивирования фотосинтезирующих микроводорослей используют различные аппараты, получившие название фотобиореактор
Несмотря на большое конструкционное разнообразие фотобиореакторов, их разработчикам приходилось решать практически однотипные задачи:
- Во-первых, обеспечить требуемый уровень освещения клеток светочувствительной микроводоросли;
- во-вторых, обеспечить синхронный массообмен, потребляемых и выделяемых клетками водоросли газов (СО2, О2);
- в-третьих, обеспечить максимальную степень однородности физико-химических условий жизнеобеспечения каждой клетки водоросли;
- в-четвертых, оперативное управление параметрами процесса фотобиокатализа и качеством получаемой продукции.
В настоящее время наиболее совершенным считается проточное выращивание микроводорослей, при котором по сигналам, поступающим от самой культуры, осуществляется автоматический отбор прирастающих клеток, подача свежей питательной среды и стабилизация оптической плотности культуры. В этой связи заслуживает внимания метод выращивания спирулины в закрытом трубчатом реакторе, построенном на фабрике в Южной Италии
Реактор состоит из 50-метровой прозрачной стеклянной трубки диаметром 1 см. Культура микроводоросли подвергается рециклированию насосом. Культивируемое сообщество представлено одной водорослью и тремя видами бактерий, что делает его устойчивым к заражению другими микробами.
В состав питательной среды входит аммиак, минеральные соли и углекислота. В процессе культивирования образуется биомасса, содержащая до 50% белка, липиды, крахмал и глицерин, выделяется чистый кислород примерно в эквивалентном количестве с поглощенным углекислым газом.
Новизна эксперимента
Специалисты немецкого космического агентства DLR начали разработку модуля космической оранжереи, который в будущем станет частью обитаемых космических станций, находящихся на поверхности Марса, Луны и других космических тел.
Можно отметить, что идея создания космических оранжерей далеко не нова, ее, еще в 1926 году в своих трудах выдвигал К.Э. Циолковский. С той поры, несмотря на достаточно бурную деятельность человечества в космосе, идея создания космической оранжереи так и не была реализована, все, что касается космического «сельского хозяйства» ограничилось несколькими экспериментами по выращиванию растений на борту Международной космической станции и других космических аппаратов. Новая «биорегенеративная система жизнеобеспечения» DLR будет отличаться высоким уровнем автоматизации и использованием большого количества самых современных технологий.
Опытный образец модуля космической оранжереи, согласно планам, будет проходить испытания в жестких климатических условиях Антарктики в 2014 году.
В рамках программы Google Lunar X Prize, корпорация Paragon Space Development разрабатывает проект герметичной мини-оранжереи, которая позволит вырастить на поверхности луны первые растения. Важность этого проекта в рамках программы изучения и колонизации Луны, которая уже освещалась на страницах нашего портала, трудно не оценить. Ведь растения являются источником необходимого для дыхания кислорода и утилизатором углекислого газа.
В России в области создания СОЖ ведутся разрозненные исследования в основном для текущего сопровождения пилотируемых полетов на Российском сегменте международной станции.
В основном спирулина применяется в качестве биологической добавки в смеси с различными компонентами. В сыром виде с некоторой натяжкой можно говорить о потреблении микроводоросли при проведении в Институте биофизики (ОАН ССС при создании экспериментального комплекса «Биос-3»).
В экспериментальном комплексе «Биос-3» проведен ряд гермо-камерных экспериментов таких, как 45 — и суточный эксперимент с двухзвенной системой «человек-микроводоросли», 5-месячный эксперимент с двухзвенной системой «человек-высшие растения», эксперимент длительностью 1,5 года с трехзвенной системой «человек —микроводоросли — высшие растения».
В результате проведенных медико-технических экспериментов было показано, что биологическая система жизнеобеспечения на основе одноклеточных водорослей и высших растений полностью обеспечили экипаж кислородом, водой и растительной пищей. Отрицательного воздействия среды обитания на организм испытателей не обнаружено.
Зарубежными учеными также проведены обширные наземные исследования по обоснованию и созданию биолого-технических систем жизнеобеспечения экипажей космических летательных аппаратов.
Создание пилотируемых комплексов для освоения космического пространства за околоземными орбитами потребует объединения возможностей наиболее развитых стран.
Создание БСОЖ в России по собственным технологиям позволит дополнять зарубежные БСОЖ, что обеспечит более высокую надежность и безопасность пилотируемых полетов.
Научная аппаратура
При проведении эксперимента «Фотобиореактор» должна использоваться аппаратура «Фотобиореактор». Аппаратура «Фотобиореактор» предназначена для исследования воздействия факторов космического полета на культивирование спирулины.
Аппаратура «Фотобиореактор» представляют собой моноблок, оснащенный датчиками, светодиодами (освещение), насосом и термостатом.
Для реализации эксперимента «Фотобиореактор» необходимо выполнить следующие этапы по созданию НА:
- разработка КД, изготовить макет НА для наземной отработки, изготовить летный образец аппаратуры, провести наземные испытания;
- биотехнологическая отработка НА, корректировка КД;
- изготовление летных образцов НА «Фотобиореактор».
Источник
Роснано и Solix Algredients запустили R&D-центр по выращиванию микроводорослей на площадке РГУ Нефти и газа имени Губкина
На площадке Российского Государственного университета нефти и газа им. Губкина установили фотобиореактор Lumian AGS260 – прибор позволяет контролировать основные параметры культивирования микроводорослей, включая температуру, кислотность, интенсивность перемешивания и подачу углекислого газа.
Новый R&D-центр на площадке университета открыл фонд Роснано совместно с американской компанией Solix Algredients с целью трансфера биотехнологий для выращивания микроводорослей в промышленных масштабах и выделения из них антиоксидантов, пигментов и антибиотиков.
Конечный продукт используют в косметике, детском питании и пищевых добавках.
В комментариях задавайте генеральному директору «Соликс БиоСистемз Восток» Денису Кузьмину: мы свяжемся с ним и подготовим ответы.
Трансфер технологий
«Соликс БиоСистемз Восток», российское подразделение Solix Algridients, изучает и анализирует штаммы микроводорослей из российских коллекций для создания опытно-промышленного производства пищевых добавок, кормов, антибиотиков, антиоксидантов. Гендиректор подразделения Денис Кузьмин рассказал, что мировые объёмы продаж некоторых продуктов из микроводорослей исчисляются миллиардами долларов. По словам Кузьмина, в России собрана уникальная коллекция микроводорослей из нескольких тысяч видов, которые не были изучены. В лаборатории исследуют преимущественно диатомовые и золотистые микроводоросли.
Центр займётся производством полиненасыщенных жирных кислот и препаратов лечебной косметики – этот рынок в России оценивают в один миллиард долларов. Далее в перечне перспективной продукции — эйкозапентаеновая кислота для укрепления иммунитета и один из самых мощных антиоксидантов астаксантин.
В интервью Денис Кузьмин рассказал, что подразделение совместно с ведущими НИИ и одной из лидирующих косметологических компаний разрабатывает крем, в основе которого будут наночастицы, несущие астаксантин. Это средство сможет оказывать более заметный эффект на клетки кожи.
Как исследуют штаммы?
Размеры клеток микроводорослей составляют от двух микрометров до нескольких сотен микрометров. Это самая быстрорастущая биомасса на планете с сотнями тысяч видов. Эти микроорганизмы являются естественными биофабриками биологически активных веществ — жирных кислот, каротиноидов, витаминов и аминокислот.
Первый этап исследования — выбор объекта. Штамм берут из коллекции профильных научно-исследовательских институтов или добывают своими силами — для этого организуют экспедиции в Бурятию и на Дальний Восток.
Второй этап — выращивание биомассы, достаточной для биохимического анализа состава клеток. Здесь же исследователи понимают, насколько быстро растёт данный штамм.
Третий этап — отбор подходящего штамма для выращивания в фотобиореакторах и изучение его перспектив для выделения веществ с высокой добавленной стоимостью.
Фотобиореактор
Ключевой элемент технологической цепочки — фотобиореактор Lumian AGS260. Внутреннее пространство прибора разделено на четыре секции, что позволяет изучать четыре культуры одновременно. Для каждой секции ионный состав, температура и другие параметры настраиваются индивидуально. Стеклянные прозрачные панели позволяют освещать всю толщу биомассы.
Для работы центра компании сформировали международную команду исследователей. Центр взаимодействует с Институтом биологии внутренних вод РАН, Институтом физиологии растений РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова, МИНЦ «Дубна» и другими.
Исследовательское подразделение «Соликс БиоСистемз Восток» является 100% дочерним обществом американской биотехнологической компании Solix Algredients, которая является портфельной компанией фонда I2BF-RNC Resources Fund, инвестор которого — Роснано. Solix Algredients вложит в российский R&D-центр пять миллионов долларов.
Источник
Энергоэффективные очистные сооружения
Культивирование биомассы микроводорослей
Производство биомассы микроводорослей обычно более затратно, чем выращивание сельскохозяйственных культур. Для процесса фотосинтеза требуется свет, диоксид углерода, вода и неорганические соли. Температуру необходимо поддерживать в пределах 20-30°С. С целью снижения расходов требуется доступный солнечный свет. Питательная среда должна содержать неорганические элементы для формирования клеток микроводорослей, в числе которых азот, фосфор, железо и в некоторых случаях кремний.
Биомасса микроводорослей содержит до 50% углерода, полностью образующегося за счет поглощения диоксида углерода. При производстве 100 т биомассы водорослей фиксируется 183 т диоксида углерода. При этом для производства биодизельного топлива может быть использован диоксид углерода, выделяющийся на электростанциях при сжигании топлива [3].
При промышленном производстве биомассы микроводорослей в дневное время при воздействии солнечного света организуют непрерывную подачу питательной среды и непрерывный отвод с той же скоростью жидкой среды, содержащей микроводоросли. Подачу прекращают в ночное время, но перемешивание для предотвращения оседания биомассы должно быть непрерывным. Около 25% биомассы, произведенной в дневное время, может быть потеряно в ночное время в результате дыхания микроорганизмов. Масштаб этих потерь зависит от интенсивности дневного света, температуры в дневное и ночное время.
Около 100 компаний в странах мира занимаются производством биодизельного топлива из микроводорослей. Среди них Algenol, Algodyne Ethanol Energy, Solazyme, Green Star Products и др.
В настоящее время для реализации процесса используют в основном системы с взвешенной биомассой, работающие в непрерывном, периодическом или полупериодическом режимах. К наиболее распространенным крупномасштабным такого рода сооружениям относятся:
- открытые пруды в виде системы каналов с принудительным движением питательной среды,
- трубчатые фотобиореакторы,
- стабилизационные пруды для сточных вод [3].
Пруды с принудительным движением
Пруды с принудительным движением представляют собой замкнутые каналы с циркуляцией питательной среды глубиной около 0,3 м.
1-сбор водорослей; 2-исходный поток; 3-гребное колесо; 4-отражатели; 5-направление потока.»class=»image-center» itemprop=»image»>
Для смешения и циркуляции используют гребное колесо. Поток жидкости направляется отражательными перегородками. Каналы выполнены из бетона или утрамбованной земли, могут быть выстланы изолирующим пластиком. Гребное колесо работает постоянно для предотвращения оседания биомассы.
Подобные сооружения находятся в эксплуатации с 1950-х годов с целью более эффективной обработки сточных вод (в сравнении с стабилизационными прудами) и получения биомассы для потенциального производства энергии. Крупнейшие из них занимают площадь свыше 400 тыс. м²[4].
Для данной технологии требуются сравнительно невысокие капиталовложения и эксплуатационные затраты. В этих сооружениях, однако, удается получать только низкую концентрацию биомассы микроводорослей.
Фотобиореакторы
Фотобиореакторы являются другой широко распространенной технологией культивирования биомассы водорослей.
1-отходящие газы, 2-колонна для дегазации, 3-исходный субстрат, 4-охлаждающая вода, 5-воздух, 6-насос, 7-батарея солнечных элементов, 8-сбор водорослей»class=»image-center» itemprop=»image»>
В этих закрытых системах существует возможность достижения высокой производительности по биомассе, а также создания стерильных условий для выращивания монокультуры водорослей. В этих системах проведены эксперименты по культивированию микроводорослей на сточных водах. Выращивание монокультуры, однако, не всегда целесообразно на городских сточных водах. Фотобиореакторы в настоящее время предназначены для культивирования монокультуры с высоким липидным содержанием и, соответственно, высоким энергетическим потенциалом [5].
Фотобиореакторы предназначены для длительного культивирования монокультуры микроводорослей и практически используются для получения больших количеств биомассы. Такой реактор состоит из батареи прозрачных труб, изготовленных из стекла или пластика, являющихся солнечным коллектором. Диаметр труб должен быть не более 0,1 м, чтобы солнечный свет мог проникать в плотную биомассу водорослей. Субстрат циркулирует между резервуаром (колонна для дегазирования) и батареей труб. Поверхность площадки под трубами часто выстилают пластиком для увеличения отражения света. В случае фотобиореактора небольшой производительности вместо горизонтального расположения трубы из гибкого пластика могут быть свернуты спиралью по внешней поверхности вертикального цилиндрического основания. Оседанию микроводорослей в трубах препятствует высокая турбулентность потока.
В процессе фотосинтеза происходит выделение кислорода. Максимальная скорость этого процесса достигает 10 г(О₂)/м³мин. Концентрация растворенного кислорода выше определенного предела ингибирует фотосинтез и в сочетании с интенсивным освещением разрушает клетки водорослей. Удаление избыточного кислорода проводят в колонне для дегазации при барботаже воздуха.
По мере продвижения субстрата по трубам происходит увеличение рН среды в результате потребления СО₂, который дозируют в зону дегазации. Дополнительные точки дозирования СО₂ могут быть предусмотрены по длине труб. Фотобиореакторы требуют охлаждения в период наибольшей интенсивности солнечного света. Температурный контроль нужен и в ночное время. В частности потери биомассы в ночное время в результате дыхания могут быть уменьшены при понижении температуры [3].
Технологическая схема на базе фотобиореакторов, обеспечивающая производство 100000 т/год биомассы, включает 6 независимых установок, каждая из которых состоит из 132 параллельных труб длиной до 80 м, диаметром 0,06 м. Площадь производственной площадки составляет порядка 6000 м². Выход масла достигает 140 м3/га (при 70%-ном содержании масла в биомассе). Аналогичная по годовой производительности биомассы схема на базе открытых скоростных прудов включает 8 водоемов площадью около 1000 м2 (82х12), глубиной 0,3 м. В этом случае производственная площадь достигает 8000 м², а выход масла – порядка 100 м³/га [2].
Стабилизационные пруды
Стабилизационные пруды наиболее распространены для проведения фототрофного технологического процесса. В США, например, насчитывается более 7000 такого рода очистных сооружений, составляющих треть централизованных систем очистки сточных вод [6].
В течение дневного времени фототрофы производят растворенный кислород, усиливающий снижение ХПК аэробными гетеротрофными бактериями и способствующий фотоокислительной инактивации патогенных микроорганизмов. Стабилизационные пруды обеспечивают экономичную обработку сточных вод, но используются, главным образом, в сельской местности из-за потребности в больших земельных площадях. Эти сооружения используют исключительно для очистки сточных вод (снижение ХПК, удаление азота, фосфора, тяжелых металлов).
Лишь в нескольких публикациях обсуждаются перспективы культивирования в них биомассы для производства энергии. Между тем именно на базе стабилизационных прудов имеется наиболее реальная перспектива создать очистные сооружения, обеспечивающие собственные энергетические потребности, или даже являющиеся производителями энергии [7].
Итак, в стабилизационных прудах проводят обработку городских или сельскохозяйственных сточных вод. К настоящему времени цель применения подобных сооружений — удаление биогенов (часто наряду с ХПК), но не извлечение биогенов или сырья для производства энергии. Более капиталоемкие системы, такие как фотобиореакторы, предназначены, главным образом, для культивирования фототрофов. В этом случае преследуется в основном цель получения сырья для производства энергии, а не очистки сточных вод.
Стоимость сбора биомассы (включая флокуляцию, центрифугирование и отстаивание) остается основным препятствием реализации схем с микроводорослями, находящимися во взвешенном состоянии. Отстаивание относится к сравнительно недорогим технологическим операциям, но обеспечивает извлечение 50-90% биомассы.
Для достижения извлечения свыше 95% биомассы расходы существенно возрастают. В этой связи привлекают внимание процессы с прикрепленной биомассой, которую по мере накопления снимают с поверхности канала. В части культивирования микроводорослей из такого рода оборудования относительное распространение получил ATS (Algal turf scrubber)-скруббер, представляющий собой расположенный под углом 1-2° канал (1х30 м), выложенный изолирующим материалом (0,75 мм) (аналогичным слою изоляции полигонов ТБО), поверх которого уложена нейлоновая сетка (толщиной до 5-6 мм). Протекающая по поверхности скруббера жидкость поступает в бетонный зумпф. На поверхности формируется биопленка, перерабатывающая биогены. По мере накопления биомассы каждые 4-12 сут проводят ее вакуумное удаление [8].
Примерами промышленной реализации данной технологии являются процессы Aquafiber Technologies (30 тыс. т/сут) и HydroMentia (120 тыс. т/сут) [6].
Автор статьи: Кофман Владимир Яковлевич
Источник