Культивирование фототрофов в аппаратах с гибкими перемешивающими устройствами (1095049), страница 4
Текст из файла (страница 4)
идругих и других фототрофных микроорганизмов, полная утилизация,фотосинтетической радиации трудна и очень редко достижима в бассейнахоткрытого типа, где механизм выпаривания поддерживаетсуспензии ниже оптимальной в течение всего светового дня.27температуруРис. 1. 3.
3. Малогабаритные бассейны на Украине2. В бассейнах, занимающих большуюплошадь, для того, чтобыдостигнуть определенной степени перемешивания, толщина слоя суспензиимикроорганизмов должна быть не более 150 мм [13]. А это означает, что,например, для получения всего лишь 0,06 - 0,10 г/лхсут.фототрофов в бассейне площадьюбиомассы1л/ 150 литров суспензии должныэффективно перемешиваться и обрабатываться в течение суток, что оченьсложно организовать в данных условиях.
Кроме того, чем больше толщинаслоя, тем ниже максимальная концентрация клеток, которая может бытьдостигнутаитембольшеобъемжидкости,которуюобязательноперемешивать и отбирать для выделения готового продукта, что, в своюочередь, приводит к необоснованному увеличению площади освещеннойповерхности.Немаловажным фактором при открытом способе производства фототрофовявляется трудность и практическая невозможность получения биологическичистойбиомассы,в которойбы отсутствовалиразличныепримесиорганического происхождения, а также клетки других микроорганизмов.28попадающих в культуральную жидкость в результате воздействия факторовокружающей среды и растущих параллельно из-за созданных для этогоблагоприятных условий.
Таким образом, в суспензию попадают посторонниемикроорганизмы и вещества, что ограничивает возможность ее применения вмедицинской, пищевой и других отраслях промышленности, где необходимаабсолютная чистота продукта. В нашей стране такие методы неприемлемы ипоэтому необходимо создание аппаратов закрытого типа с искусственнымосвещением.Исходя из вышеуказанных причин, можно заключить, что производствовысококачественного продуктас нужным биохимическим составом вбассейнах открытого типа является сложным, и необходимо создание болеесовременных производств.1.3.2 Производство в реакторах трубчатого типаЭтот методшироко применяется также в странах с благоприятнымиклиматическими условиями, т.к. основан на использовании тепла и светасолнечной энергии (Испания, Италия, Франция, Израиль, а также в азиатскихстранах ближнего зарубежья, таких как Туркменистан, Таджикистан).Насегодняшнийденьнесколькогрупписследователейзанятыразработкой и испытаниями различных конструкций трубчатых реакторовполупромышленного типа.
Как видно из самого названияаппаратовтрубчатого типа, главной их конструктивной особенностью является то, чтореакционный объем у них выполнен в виде прозрачных труб, (рисунок 1.3.4)Принцип работы данных конструкций довольно прост. Суспензияциркулирует внутри полых труб реактора с помощью центробежных насосов.Трубчатые реакторы оснащены термостатирующими устройствами типа«труба в трубе», которые поддерживаютнеобходимыйтемпературныйрежим, и различными контрольно-измерительными приборами.29Рис.
1.3.4 Фото трубчатого фотобиореактора с искусственнымиисточниками освещения.Суспензия, предварительно насыщенная диоксидом углерода, подается втрубы. Освещение суспензии может быть как естественным (в регионах степлым климатом), так и искусственным. На схеме показан однослойныйтрубчатый реактор с осветительными устройствами, установленными по обестороны трубы. На практике применяются также многоярусные установки,гдетрубыустанавливаютсяпараллельнов несколькослоевмеждуосветительными устройствами.Хорощий опыт практического применения реакторов трубчатого типаимеетсяв Центрепо изучениюфототрофныхмикроорганизмов воФлоренции (Италия).
Там трубчатые фотобиореакторы используются дляпроизводства спирулины, начиная с 70-х годов. Были испытаны дверазновидности труб: разборные полиэтиленовые (диаметр - 140 мм, толщинастенки - 0,3 мм) и цельнотянутые, выполненные из оргстекла (диаметр 70 130 мм, толщина стенки - 4 мм). Разборные, предварительно изогнутыетрубкиизполиэтиленаоказалисьнепригодныдляпрактическогоиспользования из-за их низкой механической прочности. Использование жетрубок из органического стекла экономически невыгодно из-за сравнительновысокойстоимостиихматериала.Выполненныеитальянскимиспециалистами эксперименты показали, что продуктивность спирулины втрубчатых фотобиореакторах (30 т/га в год или 0,3 - 0,4 г/лхсут.)30всреднем на 50% выше, чем в открытых бассейнах с перемешиваниемлопастными барабанами.Болеевысокаяпроизводительностьипродолжительностькультивационного периода в трубчатых фотобиореакторах по сравнению соткрытымиреакторамисталавозможнаврезультатеулучшениятемпературного и гидродинамического режимов.
Возможным стало такжеполучение чистого продукта с заданными свойствами.Трубчатые реакторы занимают меньшую площадь (по сравнению соткрытыми бассейнами), их работа в закрытых помещениях не зависит отприродных условий (солнечного света и тепла).Но все-таки эти фотобиореакторы имеют ряд недостатков, которыепрепятствуют их промышленному применению, так как лучистая энергиявоспринимается потоком суспензии микроорганизмов, соприкасающихся спрозрачными стенками труб,неэффективным затратамискусственныминалипание клеток на стенки приводит кэлектроэнергииисточникамисвета)на освещениес(в случаепоследующимсотмираниемналипающих микроорганизмов вследствие их перегрева.В то же время конструктивное решение этих аппаратов не позволяетосуществлять процесс со значительными расходами газовой фазы.Отрицательноевлияниеэтихнедостатковнаработуаппаратаусугубляется с увеличением отношения освещенной поверхности к рабочемуобъемуреактора.Всясветоваяэнергия,поверхностьюаппаратаи неиспользованнаяпреобразуетсяв тепловую.
При отсутствиипоглощеннаяосвещеннойв процессефотосинтеза,теплообменныхустройствтемпература внутри трубок может быстро повыситься на 20 - 30°С посравнению с температурой окружающего воздуха, что приведет к гибеликультуры.Закрытыйтрубчатыйфотобиореакторпозволяетдостичьоптимальных условий роста в течение всего светового дня только в томслучае, когда применяются теплообменники для эффективного контролятемпературногорежимакультивирования. Осложняет работу и31обслуживание трубчатого реактора высокая температура в производственныхпомещениях 40 -50*^ С, требующая установки дополнительного оборудованиядля кондиционирования воздуха.Однако наиболее сложной проблемой для практического воплощения впроизводстве фототрофных микроорганизмов с использованием реакторовзакрытого типа, трубчатых в том числе, является сложность удаления изкультуральнойрезультатежидкостиреакциймолекулярногофотосинтеза.кислорода,Какизвестно,образующегосякислородвявляетсяингибитором роста фототрофов, т.к.
для нормального дыхания им необходимдиоксид углерода, а кислород является продуктом их жизнедеятельности.Spirulina не является исключением и она чувствительнак высокомусодержанию молекулярного кислорода в культуральной жидкости. Когдапарциальное давление кислорода повыщается в 2 раза при дальнейшемувеличении длительности воздействия солнечным светом, то возникаютусловия, приводящие к полной гибели культуры. Чтобы предотвратитьгибель культуры, необходима дегазация суспензии каждые 3 0 - 4 0 минут.При уменьшениикислородадиаметравозрастает.использованииЭтотрубчатыхтрубкинеобходимостьстановитсяреакторовчастогоопределяющими,вчастности,максимального отношения длины трубкик скорости(^тах ^ ^тах )• Трубкитребуютмалогодиаметраудаленияфактором приприподборепотока в нейтакогоколичествадегазационных устройств, что это становится непрактично и неэффективно вплане коммерческого использования [14].Промежуточным звеном между реакторами открытого и трубчатого типаявляются тонкослойные аппараты, но из-за низкой производительности онине получили такого распространения, как две описанные выше группы.
Новсе же тонкослойные реакторы заслуживают более подробного рассмотренияс целью выявления их положительных качеств и недостатков.321.3.3 Тонкослойные фотобиореакторыС целью повышения эффективности работы всего объема культуральнойжидкости наблюдается тенденция перехода от обширных по площадиоткрытых бассейнов к тонкому слою культуральной жидкости, которыйхорошо освещен полностью, а не только на поверхности.СВЕТСВЕТСуспензия цнанобактерийРис. 1.3.5.
Принципиальная схема тонкослойного фотобиореактораВосновуконструкции тонкослойныхаппаратовположенкаскаднаклонных желобов со стекающим по ним тонким слоем жидкости. Каскадпадающих пленок был использован для выращивания высокопродуктивнойкультуры Scendesmus во Флоренции. Толщина слоя культуральной жидкостисоставлялаоколо 0,035 м. Существует такжетонкослойных реакторов, уварьироватьсяот 0,01многообразнаягруппатолщина слоя жидкостиможетм. По конструкции они тожеоченькоторыхдо 0,1разнообразны. В основном, суспензия подается в верхнюю часть аппаратов спомощью насосов по напорной трубе, а затем под действием силы тяжести33стекаетвнижнююконструкцийчастьно наклонным[15, 16], которыехорошоповерхностямосвещаютсяразличныхсолнечным илиискусственным светом. Также возможна нодача суспензии фототрофов припомощи шнекового устройства, перемещающего жидкость по желобу снизувверх, после чего она стекает в нижнюю часть желоба, установленного поднаклоном к поверхности земли [17] (рисунок 1.3.5).Таким образом, тонкослойные аппараты, к сожалению, не могут бытьприменены в крупномасштабном производстве, т.к.
обладаютмалымиреакционными объемами и при этом плохо подвергаются масштабированию.Вследствие этих причин они имеют малую эффективность, что не позволяетиспользовать их в коммерческих интересах.1.3.4 Производство фототрофов с использованиемглубинного культнвнрованняфотобиореакторовЕдинственным, наиболее перспективным классом фотобиореакторов дляполучения биомассы фотосинтезирующих микроорганизмов являются насегодняшний день аппараты глубинного культивированияОнипредставленынаиболееобширнымспектромконструктивныхрешений, поскольку все исследовательские работы по разработке новыхреакторов глубинного типа ведутся на высоком техническом уровне. Сконструкторской точки зрения глубинные аппараты наиболее совершенны,т.к. объединяют в себе все последние достижения в науке и технике.В последнее время пристальное внимание исследователей, занимающихсяпроблемой полученияфототрофов,наиболее эффективного производствапривлеченоусовершенствованиемименнобиомассыаппаратовсглубинным методом культивирования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
