Культивирование микроводорослей в инкубаториях - Culture of microalgae in hatcheries

Пруд с гоночной трассой используется для выращивания микроводорослей. Вода поддерживается в постоянном движении с помощью механического гребное колесо.

Микроводоросли или микроскопические водоросли растут в морских или пресноводных системах. Они есть первичные производители в океанах, которые превращают воду и углекислый газ в биомасса и кислород в присутствии солнечного света.[1]

Самое древнее зарегистрированное использование микроводорослей было 2000 лет назад, когда китайцы использовали цианобактерии Носток как источник пищи во время голода.[2] Другой вид микроводорослей - цианобактерии. Артроспира (Спирулина ), был обычным источником пищи среди населения Чада и ацтеков в Мексике еще в 16 веке.[3]

Сегодня культивируемые микроводоросли используются в качестве прямого корма для людей и наземных сельскохозяйственных животных, а также в качестве корма для культивируемых водных видов, таких как моллюски и ранние личиночные стадии рыб и ракообразных.[4] Это потенциальный кандидат на биотопливо производство.[5] Микроводоросли могут расти в 20 или 30 раз быстрее, чем традиционные пищевые культуры, и им не нужно бороться за пахотные земли.[5][6] Поскольку производство микроводорослей является центральным для многих коммерческих применений, существует потребность в производственных технологиях, которые повышают производительность и являются экономически выгодными.

Обычно культивируемые виды микроводорослей

Микроводоросли - это микроскопические формы водоросли, так кокколитофора которые составляют от 5 до 100 микрометров в поперечнике
РазновидностьЗаявление
Chaetoceros sp.[7]Аквакультура[7]
Хлорелла vulgaris[8]Источник натурального антиоксиданты[8]
Дуналиелла салина[9]Производить каротиноиды (β-каротин )[9]
Гематококк sp.[10]Производить каротиноиды (β-каротин ), астаксантин, кантаксантин[10]
Phaeodactylum tricornutum[8]Источник антиоксидантов[8]
Порфиридий круентум[8]Источник антиоксиданты[8]
Роделла sp.[7]Краситель для косметика[7]
Skeletonema sp[7]Аквакультура[7]
Артроспира максимумы[11]Высоко белок содержание - Питательный добавка[11]
Артроспира platensis[11]Высокое содержание белка - Питательный добавка[11]

Технологии инкубатория

В инкубаториях выращивают различные виды микроводорослей, которые используются различными способами в коммерческих целях. Исследования оценили основные факторы успеха системы инкубирования микроводорослей, такие как размеры контейнера / биореактора, в котором выращиваются микроводоросли, воздействие света /облучение и концентрация клеток внутри реактора.[12]

Система открытых прудов

Этот метод применяется с 1950-х годов. Есть два основных преимущества культивирования микроводорослей с использованием открытый пруд система.[13] Во-первых, систему открытых водоемов проще построить и использовать.[13] Во-вторых, открытые водоемы дешевле закрытых биореакторов, потому что закрытые. биореакторы требуется система охлаждения.[13] Однако недостатком использования систем открытого пруда является снижение продуктивности некоторых коммерчески важных штаммов, таких как Arthrospira sp., где оптимальный рост ограничен температурой.[12] Тем не менее, для компенсации этого можно использовать отходящее тепло и CO2 из промышленных источников.[14][15][16][17][18]

Метод эрлифта

Этот метод используется при выращивании и выращивании микроводорослей в открытом грунте; где воздух перемещается внутри системы для циркуляции воды там, где растут микроводоросли.[13] Культура выращивается в прозрачных трубках, которые лежат горизонтально на земле и соединены сетью труб.[13] Воздух проходит через трубку так, что воздух выходит из конца, который находится внутри реактора, содержащего культуру, и создает эффект, похожий на перемешивание.[13]

Закрытые реакторы

Самым большим преимуществом культивирования микроводорослей в закрытой системе является контроль над физической, химической и биологической средой в культуре.[12] Это означает, что факторы, которые трудно контролировать в системах открытых водоемов, такие как испарение, температура. градиенты а защита от загрязнения окружающей среды делает закрытые реакторы более предпочтительными, чем открытые системы.[12] Фотобиореакторы являются основным примером закрытой системы, в которой можно контролировать абиотические факторы. На сегодняшний день было протестировано несколько закрытых систем для выращивания микроводорослей, несколько важных из них упомянуты ниже:

Горизонтальные фотобиореакторы

Эта система включает трубы, проложенные на земле и образующие сеть петель. Смешивание суспендированной культуры микроводорослей происходит с помощью насоса, который поднимает культуру вертикально через определенные интервалы времени в фотобиореактор. Исследования показали, что импульсное перемешивание через определенные промежутки времени дает лучшие результаты, чем использование непрерывного перемешивания. Фотобиореакторы также ассоциируются с более высокой производительностью, чем системы открытых прудов, поскольку они могут поддерживать лучший температурный градиент.[12] Пример отмечен в увеличении производства Arthrospira sp. использование в качестве пищевой добавки было связано с более высокой урожайностью из-за более подходящего температурного диапазона и более длительного периода выращивания в летние месяцы.[12]

Вертикальные системы

Эти реакторы используют вертикальные полиэтилен рукава свешивались с железного каркаса. В качестве альтернативы также можно использовать стеклянные пробирки. Микроводоросли также культивируют в вертикальных альвеолярных панелях (ВАП), которые являются разновидностью фотобиореактор.[12] Этот фотобиореактор отличается низкой производительностью. Однако эту проблему можно решить, изменив площадь поверхности к объем соотношение; где более высокий коэффициент может повысить производительность.[12] Смешивание и деоксигенация являются недостатками этой системы и могут быть устранены путем непрерывного барботирования воздуха со средней скоростью потока. Два основных типа вертикальных фотобиореакторов - это проточные VAP и пузырьковые колонки VAP.[12]

Плоские реакторы

Плоские реакторы (FPR) построены с использованием узких панелей и размещаются горизонтально, чтобы обеспечить максимальное попадание солнечного света в систему.[19] Концепция FPR заключается в увеличении отношения площади поверхности к объему, чтобы солнечный свет использовался эффективно.[13][19] Эта система выращивания микроводорослей изначально считалась дорогой и не способной распространять культуру.[19] Таким образом, использование FPR было признано нецелесообразным для коммерческого производства микроводорослей. Однако экспериментальная система FPR в 1980-х годах использовала обращение внутри культуры из газообменной установки через горизонтальные панели.[19] Это решает проблемы с циркуляцией и обеспечивает преимущество открытой газообменной установки, которая снижает накопление кислорода.[19] Примеры успешного использования FPR можно увидеть в производстве Nannochloropsis sp. используется из-за высокого уровня астаксантин.[20]

Реакторы ферментерного типа

Реакторы ферментерного типа (FTR) - это биореакторы, в которых ферментация осуществляют. FTRs не получили большого развития в культивировании микроводорослей и представляют собой недостаток в соотношении площади поверхности к объему и сниженной эффективности использования солнечного света.[13][19] FTR были разработаны с использованием комбинации солнечного и искусственного света, что привело к снижению производственных затрат.[19] Однако доступная информация о крупномасштабных аналогах разрабатываемых лабораторных систем очень ограничена.[19] Основным преимуществом является то, что внешние факторы, то есть свет, можно контролировать, и производительность может быть увеличена, так что FTR может стать альтернативой для продуктов для фармацевтический промышленность.[19]

Коммерческие приложения

Аквакультура

Микроводоросли используются для выращивания рассольная креветка, которые производят спящие яйца (на фото). Затем из яиц можно вылупиться по мере необходимости и кормить культивированных личинок рыб и ракообразных.

Микроводоросли являются важным источником питания и широко используются в аквакультура других организмов либо напрямую, либо в качестве дополнительного источника основных питательных веществ.[21] Фермы аквакультуры, выращивающие личинок моллюски, иглокожие, ракообразные и рыбы использовать микроводоросли в качестве источника питания.[21] Низкое количество бактерий и высокая биомасса микроводорослей - важный источник пищи для аквакультуры моллюсков.[21]

Микроводоросли могут стать началом цепочки дальнейших процессов аквакультуры. Например, микроводоросли - важный источник пищи в аквакультура рассольной креветки. Морские креветки производят спящие яйца, называемые кисты, которые могут храниться в течение длительного времени, а затем вылупляться по требованию, чтобы обеспечить удобную форму живого корма для аквакультуры личинки рыбы и ракообразные.[22][23]

Другие применения микроводорослей в аквакультуре включают увеличение эстетический привлекательность рыб, выращенных в неволе.[21] Один такой пример можно отметить в аквакультура лосося, где микроводоросли делают мясо лосося более розовым.[21] Это достигается за счет добавления натуральных пигментов, содержащих каротиноиды Такие как астаксантин производится из микроводорослей Гематококк к рациону сельскохозяйственных животных.[24]

Производство биотоплива

Чтобы удовлетворить требования ископаемое топливо, исследуются альтернативные виды топлива. Биодизель и биоэтанол возобновляемые виды топлива с большим потенциалом, которые важны в текущих исследованиях. Тем не мение, сельское хозяйство основан возобновляемые виды топлива могут быть не полностью устойчивыми и, следовательно, не смогут заменить ископаемое топливо.[1] Микроводоросли могут быть очень богаты маслами (до 80% сухой массы биомасса ) подходит для перевода на топливо.[1] Кроме того, микроводоросли более продуктивны, чем наземные сельскохозяйственные культуры, и поэтому в долгосрочной перспективе могут быть более устойчивыми.[1] Микроводоросли для биотопливо продукция в основном производится из труб фотобиореакторы.[1]

Косметические свойства и польза для здоровья

Основными видами микроводорослей, выращиваемых в качестве здоровой пищи, являются: Chlorella sp. и Spirulina sp. Основные формы производства происходят в небольших прудах с искусственными смесителями.[9] Роман биоактивный химические соединения могут быть выделены из микроводорослей, таких как сульфатированные полисахариды.[25] Эти соединения включают фукоиданы, каррагинаны и ульваны которые используются из-за их полезных свойств. Эти свойства антикоагулянты, антиоксиданты, противоопухолевый агенты, которые проходят испытания в исследованиях.[25] Красные микроводоросли характеризуются пигментами, называемыми фикобилипротеины которые содержат натуральные красители, используемые в фармацевтике и / или косметике.[26] Два вида микроводорослей, I. galbana и С. кальцитранс в основном состоят из белков, которые используются для улучшения цвета лосося и связанных с ним видов.[27] Производство длинной цепи Омега 3 полиненасыщенные жирные кислоты важные для питания человека, также могут быть выращены через микроводоросли. инкубаторий системы.[28]

Биоудобрение

Сине-зеленые водоросли впервые использовались как средство фиксации азота, позволяя цианобактериям размножаться в почве. Фиксация азота важно как средство, позволяющее неорганические соединения Такие как азот быть преобразованным в органический формы, которые затем могут быть использованы растениями.[29] Использование цианобактерий - это экономически выгодный и экологически чистый метод повышения урожайности.[30] При производстве риса в Индии и Иране использовался этот метод использования азотфиксирующих свойств свободноживущих цианобактерий для увеличения содержания азота в почвах.[29][30]

Другое использование

Микроводоросли - источник ценных молекул, таких как изотопы т.е. химические варианты элемента, содержащие разные нейтроны. Микроводоросли могут эффективно включать изотопы углерод (13C), азот (15N) и водород (2H) в их биомассу.[31] 13C и 15N используются для отслеживания потока углерода между различными трофическими уровнями / пищевыми цепями.[32] Углерод, азот и сера изотопы могут также использоваться для определения нарушений в донных сообществах, которые иначе трудно изучать.[32]

вопросы

Хрупкость ячеек - самая большая проблема, которая ограничивает производительность от закрытых фотобиореакторы.[33] Повреждение ячеек может быть связано с турбулентным потоком внутри биореактор который необходим для создания смешивания, чтобы свет был доступен всем ячейкам.[33]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Юсуф Чисти (2008). «Биодизель из микроводорослей лучше биоэтанола» (PDF). Тенденции в биотехнологии. 26 (3): 126–131. Дои:10.1016 / j.tibtech.2007.12.002. PMID  18221809.
  2. ^ Полина Сполаоре; Клэр Джоаннис-Кассан; Эли Дюран; Арсен Исамберт (2006). «Коммерческое применение микроводорослей» (PDF). Журнал биологии и биоинженерии. 101 (2): 87–96. Дои:10.1263 / jbb.101.87. PMID  16569602. Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-04-03. Получено 2011-10-13.
  3. ^ Уиттон Б. и М. Поттс. 2000 г. Экология цианобактерий: их разнообразие во времени и пространстве п. 506, Kluwer Academic. ISBN  978-0-7923-4735-4.
  4. ^ Барнабе, Гилберт (1994) Аквакультура: биология и экология культивируемых видов п. 53, Тейлор и Фрэнсис. ISBN  978-0-13-482316-4.
  5. ^ а б Гринвелл ХК, Лоренс ЛМЛ, Шилдс Р.Дж., Ловитт Р.В., Флинн К.Дж. (2010). «Включение микроводорослей в список приоритетов биотоплива: обзор технологических проблем». J. R. Soc. Интерфейс. 7 (46): 703–726. Дои:10.1098 / rsif.2009.0322. ЧВК  2874236. PMID  20031983.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  6. ^ Макдилл, Стюарт (10 февраля 2009 г.). «Могут ли водоросли снова спасти мир?». Рейтер. Получено 2009-02-10.
  7. ^ а б c d е ж Джон Милледж (2011). «Коммерческое применение микроводорослей, кроме биотоплива: краткий обзор». Обзоры в области наук об окружающей среде и био / технологий. 10 (1): 31–41. Дои:10.1007 / s11157-010-9214-7. S2CID  85366788.
  8. ^ а б c d е ж Игнасио Родригес-Гарсиа; Хосе Луис Гиль-Герреро (2008). «Оценка антиоксидантной активности трех видов микроводорослей для использования в качестве пищевых добавок и для консервирования пищевых продуктов». Пищевая химия. 108 (3): 1023–1026. Дои:10.1016 / j.foodchem.2007.11.059. PMID  26065767.
  9. ^ а б c Майкл А. Боровицка (1999). «Промышленное производство микроводорослей: пруды, резервуары, трубы и ферментеры». Журнал биотехнологии. 70 (1–3): 313–321. Дои:10.1016 / S0168-1656 (99) 00083-8.
  10. ^ а б Лоран Дюфосе; Патрик Галауп; Анина Ярон; Шошана Малис Арад; Филипп Блан; Котамбалли Н. Чидамбара Мурти; Гокаре А. Равишанкар (2005). «Микроорганизмы и микроводоросли как источники пигментов для употребления в пищу: научная диковинка или промышленная реальность?». Тенденции в пищевой науке и технологиях. 16 (9): 389–406. Дои:10.1016 / j.tifs.2005.02.006.
  11. ^ а б c d Авигад Воншак; Луиза Томаселли (2000). "Артроспира (Спирулина): систематика и экофизиология ». У Брайана А. Уиттона; Малкольм Поттс (ред.). Экология цианобактерий: их разнообразие во времени и пространстве. Бостон: Kluwer Academic Publishers. С. 505–522. ISBN  978-0-7923-4735-4.
  12. ^ а б c d е ж грамм час я М. Тредичи; Р. Матерасси (1992). «От открытых водоемов до вертикальных альвеолярных панелей: итальянский опыт разработки реакторов для массового культивирования фототрофных микроорганизмов». Журнал прикладной психологии. 4 (3): 221–231. Дои:10.1007 / BF02161208. S2CID  20554506.
  13. ^ а б c d е ж грамм час Амос Ричмонд (1986). Справочник по массовой культуре микроводорослей. Флорида: CRC Press. ISBN  978-0-8493-3240-1.
  14. ^ Биопереработка микроводорослей от CO2 и эффекты в рамках синей экономики
  15. ^ Биопереработка микроводорослей от CO2 и эффекты в рамках синей экономики: скачать pdf
  16. ^ Культура микроводоросли Spirulina platensis в альтернативных источниках питательных веществ
  17. ^ Глава 9 - Системы открытых прудов для выращивания микроводорослей
  18. ^ Глава 18 - Жидкое биотопливо из микроводорослей: последние тенденции
  19. ^ а б c d е ж грамм час я Ана П. Карвалью; Луис А. Мейрелеш; Ф. Ксавье Мальката (2006). «Реакторы на микроводорослях: обзор конструкции и характеристик закрытых систем». Прогресс биотехнологии. 22 (6): 1490–1506. Дои:10.1021 / bp060065r. HDL:10400.14/6717. PMID  17137294. S2CID  10362553.
  20. ^ Амос Ричмонд; Чжан Чэн-Ву (2001). «Оптимизация реактора из плоского стекла для массового производства Нанохлоропсис sp. на открытом воздухе". Журнал биотехнологии. 85 (3): 259–269. Дои:10.1016 / S0168-1656 (00) 00353-9. PMID  11173093.
  21. ^ а б c d е Арно Мюллер-Феуга (2000). «Роль микроводорослей в аквакультуре: ситуация и тенденции» (PDF). Журнал прикладной психологии. 12 (3): 527–534. Дои:10.1023 / А: 1008106304417. S2CID  8495961.
  22. ^ Мартин Дейнтит (1996). Коловратки и Артемия для морской аквакультуры: Учебное пособие. Университет Тасмании. OCLC  222006176.
  23. ^ Оди Змора; Муки Шпигель (2006). «Интенсивное массовое производство Артемия в рециркуляционной системе ». Аквакультура. 255 (1–4): 488–494. Дои:10.1016 / j.aquaculture.2006.01.018.
  24. ^ Р. Тодд Лоренц; Джеральд Р. Цисевски (2000). «Коммерческий потенциал для Гематококк микроводоросли как естественный источник астаксантина » (PDF). Тенденции в биотехнологии. 18 (4): 160–167. Дои:10.1016 / S0167-7799 (00) 01433-5. PMID  10740262.
  25. ^ а б Исуру Виджесекара; Ратих Пангестути; Се-Квон Ким (2010). «Биологическая активность и потенциальная польза для здоровья сульфатированных полисахаридов, полученных из морских водорослей». Углеводные полимеры. 84 (1): 14–21. Дои:10.1016 / j.carbpol.2010.10.062.
  26. ^ С. Арад; А. Ярон (1992). «Натуральные пигменты из красных микроводорослей для использования в пищевых продуктах и ​​косметике». Тенденции в пищевой науке и технологиях. 3: 92–97. Дои:10.1016 / 0924-2244 (92) 90145-М.
  27. ^ Natrah, F. M. I .; Юсофф, Ф. М .; Шариф, М .; Abas, F .; Марьяна, Н. С. (декабрь 2007 г.). «Скрининг малайзийских местных микроводорослей на антиоксидантные свойства и питательную ценность». Журнал прикладной психологии. 19 (6): 711–718. Дои:10.1007 / s10811-007-9192-5. ISSN  0921-8971. S2CID  42873936.
  28. ^ В. Барклай; К. Мегер; Дж. Абрил (1994). «Гетеротрофное производство длинноцепочечных омега-3 жирных кислот с использованием водорослей и подобных водорослям микроорганизмов». Журнал прикладной психологии. 6 (2): 123–129. Дои:10.1007 / BF02186066. S2CID  8634817.
  29. ^ а б Х. Саадатния; Х. Риахи (2009). «Цианобактерии с рисовых полей в Иране как биоудобрение на рисовых плантациях» (PDF). Растения, почва и окружающая среда. 55 (5): 207–212. Дои:10.17221 / 384-PSE.[постоянная мертвая ссылка ]
  30. ^ а б Упасана Мишра; Сунил Пабби (2004). «Цианобактерии: потенциальное биоудобрение для риса» (PDF). Резонанс. 9 (6): 6–10. Дои:10.1007 / BF02839213. S2CID  121561783.
  31. ^ Ричард Радмер; Брюс Паркер (1994). «Коммерческое применение водорослей: возможности и ограничения». Журнал прикладной психологии. 6 (2): 93–98. Дои:10.1007 / BF02186062. S2CID  9060288.
  32. ^ а б Б. Дж. Петерсон (1999). «Стабильные изотопы как индикаторы поступления и переноса органических веществ в бентосных пищевых сетях: обзор». Acta Oecologica. 20 (4): 479–487. Bibcode:1999AcO .... 20..479P. Дои:10.1016 / S1146-609X (99) 00120-4.
  33. ^ а б Клод Гуден; Даниэль Шомон (1991). «Хрупкость клеток - ключевая проблема массового производства микроводорослей в закрытых фотобиореакторах». Биоресурсные технологии. 38 (2–3): 145–151. Дои:10.1016 / 0960-8524 (91) 90146-Б.