Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Фотобиореактор ( СКД ) представляет собой биореактор , который использует источник света , чтобы культивировать фототрофные микроорганизмы. [1] Эти организмы используют фотосинтез для производства биомассы из света и углекислого газа и включают растения, мхи , макроводоросли, микроводоросли , цианобактерии и пурпурные бактерии.. В искусственной среде фотобиореактора особые условия тщательно контролируются для соответствующих видов. Таким образом, фотобиореактор обеспечивает гораздо более высокие темпы роста и уровни чистоты, чем где-либо в природе или в средах обитания, подобных природе. Гипотетически фототропная биомасса может быть получена из богатых питательными веществами сточных вод и углекислого газа дымовых газов в фотобиореакторе.

Фотобиореактор с мхом для выращивания мхов, таких как Physcomitrella patens, в лабораторных масштабах
Открытый водоем с желобом

Открытые системы [ править ]

Первым подходом к контролируемому производству фототрофных организмов был естественный открытый пруд или искусственный водоем с водостоком.. При этом суспензия культуры, которая содержит все необходимые питательные вещества и углекислый газ, перекачивается в цикле, будучи непосредственно освещенной солнечным светом через поверхность жидкости. Этот принцип построения - самый простой способ производства фототрофных организмов. Но из-за своей глубины (до 0,3 м) и связанного с этим пониженного среднего светового потока открытые системы достигают лишь ограниченной площади производительности. Кроме того, потребление энергии относительно велико, так как необходимо обрабатывать большое количество воды с низкой концентрацией продукта. Открытое пространство стоит дорого в районах с густонаселенным населением, в то время как вода редко встречается в других. Использование открытых технологий приводит к большим потерям воды из-за испарения в атмосферу.

Закрытые системы [ править ]

С 1950-х годов было применено несколько подходов к разработке закрытых систем, которые теоретически обеспечивают более высокую плотность клеток фототрофных организмов и, следовательно, меньшую потребность в перекачиваемой воде, чем открытые системы. Кроме того, закрытая конструкция позволяет избежать потерь воды, связанных с системой, и минимизировать риск заражения в результате посадки водоплавающих птиц или пыли. [2] Хотя закрытые системы имеют лучшую производительность по сравнению с открытыми системами из-за упомянутых преимуществ, они все еще нуждаются в улучшении, чтобы сделать их пригодными для производства недорогих товаров, поскольку плотность ячеек остается низкой из-за нескольких ограничивающих факторов. [3]Все современные фотобиореакторы пытаются найти баланс между тонким слоем культуральной суспензии, оптимизированным освещением, низким энергопотреблением перекачки, капитальными затратами и микробной чистотой. Однако ослабление света при увеличении масштаба и увеличение потребности в CO2 по мере роста - два наиболее неизбежных изменения в фототрофных культурах, которые серьезно ограничивают производительность фотобиоректоров. [4] [5] Было протестировано множество различных систем, но лишь несколько подходов смогли работать в промышленном масштабе. [6]

Модернизированные лабораторные ферментеры [ править ]

Самый простой подход - это модернизация хорошо известных стекольных ферментеров , которые используются во многих биотехнологических исследовательских и производственных объектах по всему миру. Например, моховой реактор представляет собой стандартный стеклянный сосуд, который снаружи снабжен светом. Имеющиеся головные форсунки используются для установки датчика и для газообмена. [7] Этот тип довольно распространен в лабораторных условиях, но никогда не был установлен в более крупных масштабах из-за ограниченного размера сосудов.

Трубчатые фотобиореакторы [ править ]

Трубчатый стеклянный фотобиореактор

Фотобиореактор этого типа, сделанный из стеклянных или пластиковых трубок, успешно применяется в производственных масштабах. Трубки ориентированы горизонтально или вертикально и питаются от центральной инженерной сети с насосом, датчиками, питательными веществами и CO 2 . Трубчатые фотобиореакторы устанавливаются во всем мире от лабораторий до производственных масштабов, например, для производства каротиноида астаксантина из зеленых водорослей Haematococcus pluvialis или для производства пищевых добавок из зеленых водорослей Chlorella vulgaris.. В этих фотобиореакторах используется высокая степень чистоты и высокая производительность. Производство биомассы может осуществляться на высоком уровне качества, а высокая концентрация биомассы в конце производства позволяет производить энергоэффективную последующую переработку. [8] Из-за недавних цен на фотобиореакторы, экономически осуществимые концепции сегодня можно найти только на рынках дорогостоящих продуктов, например пищевых добавок или косметики. [9]

Преимущества трубчатых фотобиореакторов в промышленных масштабах также переносятся на лабораторные. Комбинация упомянутого стеклянного сосуда с тонкой трубчатой ​​спиралью позволяет достичь соответствующих показателей производства биомассы в масштабе лабораторных исследований. Под контролем сложной системы управления технологическим процессом регулирование условий окружающей среды достигает высокого уровня. [10]

Рождественский фотобиореактор [ править ]

Елочный реактор

Альтернативный подход представлен фотобиореактором, имеющим коническую геометрию и несущим спирально прикрепленную полупрозрачную двухшланговую систему контура. [11] В результате получился макет, похожий на елку. Трубчатая система состоит из модулей и теоретически может масштабироваться на открытом воздухе до сельскохозяйственных масштабов. Выделенное местоположение не имеет решающего значения, как и в случае с другими закрытыми системами, поэтому также подходят и непахотные земли. Выбор материала должен предотвращать биообрастание и обеспечивать высокие конечные концентрации биомассы. Сочетание турбулентности и закрытой концепции должно обеспечить чистую работу и высокую эксплуатационную готовность. [12]

Планшетный фотобиореактор [ править ]

Фотобиореактор с пластиковыми пластинами

Другой подход к развитию можно увидеть в конструкции на основе пластиковых или стеклянных пластин. Чашки с различной технической конструкцией устанавливаются для формирования небольшого слоя суспензии культур, обеспечивающего оптимальное освещение. Кроме того, более простая конструкция по сравнению с трубчатыми реакторами позволяет использовать менее дорогие пластмассовые материалы. Из совокупности различных концепций, например, конструкции с извилистым потоком или донные газовые системы, были реализованы и показали хорошие результаты. Некоторые нерешенные вопросы - это стабильность материала в течение срока службы или образование биопленки. Применение в промышленных масштабах ограничено масштабируемостью систем пластин. [13]

В апреле 2013 года был сдан в эксплуатацию IBA в Гамбурге, Германия, здание со встроенным стеклянным фасадом из фотобиореактора. [14]

Горизонтальный фотобиореактор [ править ]

Горизонтальный фотобиореактор зигзагообразной формы

Этот тип фотобиореактора имеет пластинчатую основную геометрию с пиками и впадинами, расположенными на одинаковом расстоянии. Эта геометрия вызывает распределение падающего света по большей поверхности, что соответствует эффекту разбавления. Это также помогает решить основную проблему фототрофного выращивания, потому что большинство видов микроводорослей чувствительно реагируют на высокую интенсивность света. Большинство микроводорослей испытывают насыщение светом уже при интенсивности света, значительно ниже максимальной интенсивности дневного света, составляющей примерно 2000 Вт / м 2.. Одновременно можно использовать большее количество света для повышения эффективности фотопреобразования. Перемешивание осуществляется роторным насосом, который вызывает цилиндрическое вращение культуральной жидкости. В отличие от вертикальных конструкций, горизонтальные реакторы содержат только тонкие слои среды с соответственно низким гидродинамическим давлением. Это положительно сказывается на потребляемой энергии и в то же время снижает материальные затраты.

Фотобиореактор из фольги [ править ]

Давление рыночных цен привело к разработке типов фотобиореакторов на основе фольги. Недорогие пленки из ПВХ или полиэтилена используются для формирования пакетов или сосудов, которые покрывают суспензии водорослей и подвергают их воздействию света. Ценовые диапазоны типов фотобиореакторов были расширены за счет использования фольгированных систем. Следует иметь в виду, что эти системы имеют ограниченную устойчивость, так как фольгу необходимо время от времени заменять. Для получения полного баланса необходимо также рассчитать инвестиции в необходимые вспомогательные системы. [15]

Биореактор с пористым субстратом [ править ]

Биореактор с пористым субстратом (PSBR), разрабатываемый в Кельнском университете, также известный как двухслойная система, использует новый принцип отделения водорослей от питательного раствора с помощью пористой поверхности реактора, на которой микроводоросли удерживаются в биопленках. . Эта новая процедура сокращает до ста раз количество жидкости, необходимой для работы, по сравнению с существующей технологией, которая культивирует водоросли в суспензиях. Таким образом, процедура PSBR значительно снижает потребность в энергии, одновременно увеличивая ассортимент водорослей, которые можно культивировать.

Outlook [ править ]

Обсуждение микроводорослей и их потенциала в связывании углекислого газа и производстве биотоплива оказало большое давление на разработчиков и производителей фотобиореакторов. [16] Сегодня ни одна из упомянутых систем не способна производить биомассу фототрофных микроводорослей по цене, которая может конкурировать с сырой нефтью. Новые подходы тестируют, например, методы капания для получения ультратонких слоев для максимального роста с использованием дымовых газов и сточных вод. Кроме того, во всем мире проводится много исследований генетически модифицированных и оптимизированных микроводорослей.

См. Также [ править ]

  • Альгакультура
  • Фитопланктон
  • Топливо из водорослей

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Фотобиореактор - Определение, Глоссарий, Детали - Oilgae" . Глоссарий . Oilgae . Проверено 10 марта 2015 .
  2. ^ Переулок. Г. (2013). В ногу со временем: биотопливо из водорослей . 1 . Smashwords. С. 1–9. ISBN 9781301351961.
  3. ^ Yuvraj; Амбариш Шаран Видьярти; Джиут Сингх (2016). «Повышение плотности клеток Chlorella vulgaris: исследования во встряхиваемых колбах и настольных фотобиореакторах для выявления и контроля ограничивающих факторов» . Корейский журнал химической инженерии . 33 (8): 2396–2405.
  4. ^ Yuvraj; Падмини Падманабхан. «Техническое понимание требований к насыщенному CO2 росту микроводорослей в фотобиореакторах» . 3 Biotech . 07 .
  5. ^ Yuvraj; Амбариш Шаран Видьярти; Джиут Сингх (2016). «Повышение плотности клеток Chlorella vulgaris: исследования во встряхиваемых колбах и настольных фотобиореакторах для выявления и контроля ограничивающих факторов» . Корейский журнал химической инженерии . 33 (8): 2396–2405.
  6. ^ Submariner Project: Принципы проектирования фотобиореактора
  7. ↑ Декер, Ева; Ральф Рески (2008). «Современные достижения в производстве сложных биофармацевтических препаратов с биореакторами из мха». Биопроцессы и инженерия биосистем . 31 (1): 3–9. DOI : 10.1007 / s00449-007-0151-у . PMID 17701058 . 
  8. ^ Олива, Джузеппина; Анхелес, Роксана; Родригес, Элиза; Туриэль, Сара; Наддео, Винченцо; Зарра, Тициано; Бельджорно, Винченцо; Муньос, Рауль; Лебреро, Ракель (декабрь 2019 г.). «Сравнительная оценка биокапельного фильтра и трубчатого фотобиореактора для непрерывного удаления толуола». Журнал опасных материалов . 380 : 120860. DOI : 10.1016 / j.jhazmat.2019.120860 . PMID 31302359 . 
  9. ^ Pulz. О. (2001). «Фотобиореакторы: производственные комплексы для фототрофных микроорганизмов». Прикладная микробиология и биотехнология . 57 (3): 287–293. DOI : 10.1007 / s002530100702 . PMID 11759675 . 
  10. ^ Наблюдатель за водорослями: IGV Biotech представляет новую систему скрининга водорослей
  11. ^ Ф. Котта, М. Матчке, Дж. Гросманн, К. Гриль и С. Маттес; "Verfahrenstechnische Aspekte eines flexiblen, tubulären Systems zur Algenproduktion" (технологические аспекты гибкой трубчатой ​​системы для выращивания водорослей); DECHEMA 2011
  12. ^ Großmann Ingenieur Consult GmbH: Aufbau eines Biosolarzentrums в Кётене , 6 марта 2011 г.
  13. ^ Справочник по культуре микроводорослей . 1 (2-е изд.). Blackwell Science Ltd. 2013. ISBN 978-0-470-67389-8.
  14. ^ Briegleb, Till (2013-03-25). "IBA Hamburg - Открытие, Дом водорослей, Мировой квартал" . Art Magazin . Архивировано из оригинала на 2013-03-28.
  15. ^ Зиттелли, Грациелла; Лилиана Родольфи; Никколо Басси; Наташия Бионди; Марио Р. Тредичи (2012). «Глава 7 Фотобиореакторы для производства биотоплива из микроводорослей». В Майкл А. Боровицка, Навид Р. Мохеймани (ред.). Водоросли для биотоплива и энергии . Springer Science & Business Media. С. 120–121. ISBN 9789400754799.
  16. ^ Spolaore. П.; и другие. (2006). «Коммерческое применение микроводорослей» (PDF) . Журнал биологии и биоинженерии . 102 (2): 87–96. DOI : 10,1263 / jbb.101.87 . PMID 16569602 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Биореакторы