В 60-х годах в различных лабораториях был разработан ряд установок и аппаратов высокоинтенсивного управляемого культивирования фотосинтезирующих микроводорослей в полностью контролируемых условиях с автоматической стабилизацией оптимальных условий и непрерывной автоматической регистрацией таких важных физиологических функций культуры, как скорость роста, интенсивность фотосинтеза, минеральное питание для использования биомассы как источника энергии.
Наиболее совершенным из таких методов культивирования является проточное выращивание водорослей, при котором по сигналам, получаемым от самой культуры, осуществляются автоматический отбор прирастающих клеток (урожая), подача свежей питательной среды и стабилизация оптической плотности культуры. Одна из принципиальных схем такого типа культивирования представлена на рисунке.
Главным преимуществом этих методов культивирования является возможность вести длительное непрерывное выращивание водорослей с поддержанием постоянной плотности суспензии на оптимальных значениях, при которых наблюдается максимальная продуктивность культуры. С этой целью разработаны специальные реакторы, в которых используются мощные источники света и специальные системы светораспределения и световодов, что обеспечивает равномерное освещение клеток в достаточно плотных культурах.
Урожаи, в частности, хлореллы, которые получают в таких установках, составляют примерно 30-40 г сухой биомассы с 1 л суспензии в сутки или 80-100 г с 1 м2 освещаемой поверхности.
Таким образом, в настоящее время можно считать достаточно детально разработанными физиологические основы культивирования микроскопических фотосинтезирующих водорослей и некоторые принципы технологии их выращивания как в установках под открытым небом, так и в закрытых аппаратах.
В настоящее время разработки способов выращивания микроводорослей и конструирование различных типов аппаратов для этого ведут многие корпорации, начиная от мировых гигантов в энергетической области таких как Chevron, Shell заканчивая корпорациями De Beers, Nestle для которых энергетический бизнес не является профильным, а также потребители топлива компании Boing, Chysler NextDiesel и т.д. Ведущиеся работы направлены на снижение себестоимости получаемой биомассы водорослей путем использования для выращивания микроводорослей открытых естественных водоемов, водоемов очистных сооружений, попутных газов электростанций, применения комбинированных способов использования открытых и закрытых систем для выращивания.
Открытые системы – это открытые емкости, естественные водоемы, пруды, искусственные бассейны в которых выращиваются микроводоросли. Данные способы выращивания микроводорослей не обеспечивают высокого выхода и стандартного качества получаемой биомассы. Процессы не контролируемы с точки зрения обеспечения оптимальных условий для выращивания, зависят от внешних природных факторов. Существует возможность загрязнения культивируемой культуры дикими и патогенными микроорганизмами.
Закрытые системы – более перспективные 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. Наиболее известны в этой области разработки – компании Valcent Products США (технология Vertigro), корпорации GreenFuel Technologies и компании Arizona Public Service (биореактор ETB), компании BioKing. Средняя получаемая продуктивность в этих системах – 98г/м2 – 125 г/м2 в день (беззольная основа сухого веса). Однако, созданные конструкции биореакторов для выращивания микроводорослей имеют серьезные недостатки:
- светопринимающие поверхности биореакторов зарастают и их необходимо постоянно очищать, это ведет к удорожанию и усложнению конструкции;
- в этих конструкциях биореакторов перемешивание идет хаотично, не эффективно, высоки затраты энергии на организацию перемешивания;
- массо- и газообмен малоуправляемы;
- при продувке газа через жидкость идет большое пенообразование, что мешает созданию оптимальных условий и не позволяет использовать весь объем биореактора;
- при использовании насосов для обеспечения циркуляции жидкости микроводоросли травмируются;
- при горизонтальном расположении светопринимающих труб, они занимают большие площади земли.
В докладе организации Worldwatch Institute, по биотопливу, указано, что разработанные в настоящее время конструкции биореакторов для выращивания водорослей малоэффективны.
Рассмотрим устройство для культивирования микроводорослей, содержащих фотоблок с профилированным дном и барботажные трубки, расположенные на дне фотоблока. Дно фотоблока выполнено в виде волнистой поверхности, вдоль которой расположены барботажные трубки, снабженные патрубками, направленными вниз по касательной к поверхности дна.
Устройство работает следующим образом. В фотоблок наливают суспензию, содержащую питательный раствор и рассаду микроводорослей, и пропускают по барботажным трубкам газовоздушную смесь, содержащую 0,5-1% СО2. Необходимый для фотосинтеза свет поступает к водорослям через верхнюю открытую часть фотоблока от внешнего источника освещения (Солнца или искусственного источника). Струя газовоздушной смеси, обогощающая суспензию СО2 одновременно используется для вертикального перемешивания жидкости: расположение барботажных трубок и форма дна позволяют создать потоки жидкости во всем рабочем объеме среды культивации.
Низкая эффективность установок пока не дает возможности приступить к промышленному культивированию микроводорослей для производства энергии, т.е. биомасса — источник энергии. Существенным препятствием на этом пути является необходимость отторжения под размещение установок больших площадей земли, что практически нереально.
Рентабельность массового культивирования водорослей существенным образом зависит от аспектов применения получаемой биомассы и должна оцениваться, очевидно, в каждом конкретном случае индивидуально. Так, методы высокоинтенсивного культивирования водорослей, помимо исследовательской работы, направленной на выяснение потенциальной продуктивности фотосинтетического аппарата растений и других проблем физиологии, биохимии и генетики фотосинтезирующих клеток, находят применение для биосинтеза соединений, меченых различными изотопами углерода (С14, С13), дейтерировапных соединений, а также в космической биологии для создания замкнутых экологических систем жизнеобеспечения. Высокая продуктивность и стабильность работы систем интенсивного проточного культивирования хлореллы позволили осуществить многомесячные эксперименты с испытателями по биологической регенерации воздуха с помощью фотосинтеза.
Эффективность применения биомассы водорослей в сельском хозяйстве остается еще неясной. Биомасса водорослей, получаемая при культивировании под открытым небом, используется для изучения их кормовых достоинств как источника белка и физиологически активных соединений. Результаты противоречивы, что свидетельствует о необходимости проведения дальнейшей исследовательской работы.
Вместе с тем в более широком плане разработка способов промышленного культивирования одноклеточных фотосинтезирующих микроводорослей является одним из путей введения процесса фотосинтеза в промышленное производство. Последствия такого явления своеобразной индустриализации фотосинтеза трудно переоценить.
Читайте также: Биомасса источник энергии. Часть 2
Автор статьи: ст. гр БТ «УГХТУ » Мельников М.