Разработка фотобиореакторов для замкнутых экологических систем жизнеобеспечения (1095123)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

На правах рукописиГЛАДЫШЕВ ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧРАЗРАБОТКА ФОТОБИОРЕАКТОРОВ ДЛЯ ЗАМКНУТЫХЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯСпециальность 03.00.23 – БиотехнологияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученойстепени кандидата техническихнаукМОСКВА – 2007Работа выполнена в Московском государственном университете инженернойэкологииОфициальные оппоненты:Доктор технических наук, профессор Винаров Александр ЮрьевичДоктор технических наук, профессор Синяк Юрий ЕмельяновичВедущая организация: Научно-исследовательский и проектно-конструкторскийинститут биологической техники.Защита состоится 22 мая 2007 г. на заседаниидиссертационного совета Д 212.204.13 в РХТУ им. Д.И.Менделеева(125047 Москва, Миусская пл., д.9) в ______________________С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центреРХТУ им.

Д.И. Менделеева.Автореферат диссертации разослан__________________2007 г.Ученый секретарьДиссертационного советаД 212.204.13Шакир И.В.Общая характеристика работы.Актуальность темы.Задача использования высших и низших растений в качестве звена искусственных замкнутых экологических систем принципиально решена много лет назад. Фундаментальные исследования в этом направлении проведены для создания систем жизнеобеспечения различных гермообъектов (космических, подводных, подземных и пр.). Такие системы позволяют обеспечить наиболее полное замыкание круговорота веществ в условиях длительного автономного существования экипажей.

Однако исследования проводятся и сейчас, в частности,в связи с намерениями мирового сообщества по организации длительных космических экспедиций. При этом продвижение замкнутых экологических системжизнеобеспечения в состав гермообъектов тормозится отсутствием эффективного аппаратурного оформления их фототрофного звена. Таким образом, темаработы является актуальной.Цель работы - разработка фотобиореакторов для автотрофного и гетеротрофного культивирования микроводорослей в составе замкнутых экологических систем жизнеобеспечения.Для достижения этой цели проведены исследования, включающие решениеследующих задач научного и прикладного характера:- анализ конструкций фотобиореакторов с точки зрения возможности их использования в искусственных экосистемах;- разработка компактных реакторов с высокими значениями массообменныххарактеристик, работающих на высоких концентрациях биомассы;- изучение влияния режимов светоподвода и перемешивания суспензии наростовые характеристики биомассы и скорость утилизации СО2;- разработка методики оценки и оптимизация энергозатрат в процессах культивирования микроводорослей.Научная новизна.- предложена конструкция полостного фотобиореактора с механическим перемешиванием для аппаратурно-технологического оформления водорослевогозвена замкнутой экологической системы жизнеобеспечения;- предложена конструктивная модернизация гладкостенного полостного фотобиореактора с целью улучшения его массообменных и эксплуатационных характеристик;- установлена зависимость гидродинамических и массообменных характеристик модернизированного полостного реактора от величин его конструктивныхпараметров;- исследовано влияние конструктивных параметров модернизированного фотобиореактора на скорость утилизации СО2;- предложен параметр масштабирования полостного фотобиореактора, осно1ванный на постоянстве освещенности поверхности газовой полости;- разработана методика оценки затрат мощности на освещение газовой полости фотобиореактора.Практическая ценность.- разработаны и изготовлены лабораторные модели фотобиореакторов с механическим перемешиванием, предназначенные для культивирования микроводорослей с различными типами питания и уровнями клеточной организации;- по результатам экспериментальных исследований для полостных фотобиореакторов установлены основные рекомендуемые технические характеристики:оптимальный коэффициент заполнения, рациональные энергозатраты на перемешивание и освещение;- разработано техническое решение, в т.

ч. оптимальное внутреннее оребрение реактора, обеспечивающее значительное снижение циклических нагрузокна корпус реактора и опорную конструкцию установки;- разработан и апробирован макет теплообменного устройства, обеспечивающий поддержание оптимального температурного режима работы осветительного блока, а также постоянство его оптических характеристик;- для облучения поверхности светопоглощения полостных фотобиореактороврекомендовано использование натриевых ламп высокого давления, обеспечивающих оптимальный спектральный состав света;- предложенная энергосберегающая конструкция модернизированного фотобиореактора рекомендована для замкнутых экологических систем жизнеобеспечения, работающих в условиях невесомости.Апробация работы.Материалы диссертационной работы докладывались на- V-й Международной конференции «Инженерная защита окружающей среды», МГУИЭ, Москва, 2003,- 11-й и 13-й Международных конференциях «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии», Ялта-Гурзуф, 2003,2005,- ХVIII и XIX Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях», Казань, 2005, Воронеж, 2006.Публикации.Основные результаты диссертации изложены в 9 печатных работах.Объем и структура работы.Диссертация изложена на 139 стр.

Состоит из введения, 6 глав, выводов,списка литературы и приложений. Содержит 61 рисунок и 7 таблиц.2Содержание работы.Введение.Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель исследований, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, указан личный вклад соискателя.Глава 1.

Литературный обзор.Обзор содержит сведения о зеленых растениях как основном звене искусственной замкнутой экосистемы, определяющем ее облик и функциональныевозможности. Показана роль высших растений в производстве полноценнойпищи для человека, а также в процессах регенерации воды и атмосферы.Помимо высших растений в качестве элемента основного звена замкнутойэкосистемы представлены низшие растения – одноклеточные водоросли, наиболее изученной из которых является хлорелла.

Отмечена эффективность хлореллы при одновременном замыкании системы по газу и воде в ходе лабораторных экспериментов с участием человека.При анализе влияния экологических и технологических факторов на ростовые и газообменные показатели процесса культивирования хлореллы полученыисходные данные для разработки фотобиореакторов – аппаратов для выращивания биомассы микроводорослей.Представлена принципиальная схема замкнутой экологической системыжизнеобеспечения. Рассмотрены различные конструкции фотобиореакторов иперспективы их использования для аппаратурного оформления ее фототрофного узла.Разбор конструкций фотобиореакторов основан на разделении аппаратов попринципу организации потока суспензии микроводорослей.

Реакторы разделены на три группы: тонкослойные реакторы, пленочные аппараты и аппаратыдля глубинного культивирования.Рассмотрена возможность применения емкостной аппаратуры в условияхневесомости. Показано, что из представленных конструкций перспективнагруппа глубинных реакторов с жидкостным потоком, формирующимся поддействием центробежных сил.Глава заканчивается постановкой задачи исследования, в которой дан перечень основных технологических и конструктивных требований к реакторам дляработы в составе системы жизнеобеспечения.Глава 2.

Выбор аппаратурного оформления процесса культивированияхлореллы.Вариантом глубинного реактора с жидкостным потоком, формирующимсяпод действием центробежных сил, является полостной фотобиореактор с механическим перемешиванием (рис.1). Основой его конструктивного оформленияявляется реализация принципа совмещения зон сорбции и светоподвода, что3определяет способ перемешивания культуральной жидкости и размещение источника света.а)б)Рис. 1 Схема полостного фотобиореактора с механическимперемешиванием. а) гладкостенный, б) модернизированный.Полостной фотобиореактор, разработанный для использования в составезамкнутых экосистем, представляет собой цилиндрический сосуд с высотойравной диаметру, частично заполненный культуральной жидкостью, в центральной части которого расположена демпферная клетьевая мешалка с гибкими вертикальными перемешивающими элементами.

При вращении мешалкижидкость оттесняется на периферию цилиндра, а в центральной его части образуется полость. В нее подается газовая смесь для осуществления массообмена сжидкостью. Устройств для диспергирования газа не предусмотрено. Вместе стем, полость используется для размещения источника света необходимой мощности и спектрального состава.Глава 3. Конструктивные особенности систем перемешивания полостных фотобиореакторов.Обоснован выбор типа перемешивающего устройства, изложены требованияк его конструктивному исполнению.Конструкция корпуса полостного фотобиореактора представлена в двух вариантах – гладкостенном (рис.

1а) и модифицированном (рис.1б). Предложенная модификация корпуса обуславливает изменение формируемого в реактореполя скоростей и образование дополнительных радиальных токов жидкости.Однако гидравлическое сопротивление корпуса увеличивается при этом незначительно. Это позволяет прогнозировать существенное изменение интенсивности массообмена при незначительном увеличении мощности на перемешивание4при сохранении формы и размеров газовой полости, характерных для гладкостенного варианта корпуса.Глава 4.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации