Фотобиореактор - Photobioreactor

А фотобиореактор (PBR ) это биореактор который использует источник света для выращивания фототрофный микроорганизмы.[1] Эти организмы используют фотосинтез для производства биомассы из света и углекислого газа, включая растения, мхи, макроводоросли, микроводоросли, цианобактерии и пурпурные бактерии. В искусственной среде фотобиореактора для соответствующих видов тщательно контролируются определенные условия. 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 дымовые газы диоксид углерода в фотобиореакторе.

Фотобиореактор мха культивировать мхи подобно Physcomitrella patens в лабораторных масштабах
Открыть водоем

Открытые системы

Первый подход к контролируемому производству фототрофных организмов был естественным открытый пруд или искусственный водоем. При этом культуральная суспензия, которая содержит все необходимые питательные вещества и диоксид углерода, 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 высокой плотностью населения, в то время как вода редко встречается в других. Использование открытых технологий приводит к большим потерям воды из-за испарения в атмосферу.

Закрытые системы

С 1950-х годов было реализовано 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 сводит к минимуму риск загрязнения в результате посадки водоплавающих птиц или пыли.[2] Все современные фотобиореакторы пытались найти баланс между тонким слоем культуральной суспензии, оптимизированным освещением, низким потреблением энергии перекачивания и капитальные затраты и микробная чистота. Было протестировано множество различных систем, но лишь несколько подходов смогли работать в промышленном масштабе.[3]

Модернизированные лабораторные ферментеры

Самый простой подход - это редизайн всем известного стекла. ферментеры, которые используются во многих биотехнологических исследовательских и производственных центрах 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.[4] Этот тип довольно распространен в лабораторных масштабах, но никогда не был установлен в более крупных масштабах из-за ограниченного размера сосуда.

Трубчатые фотобиореакторы

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 промышленных масштабов, например для производства каротиноид Астаксантин из зеленых водорослей Haematococcus pluvialis или для производства пищевой добавки из зеленых водорослей Хлорелла 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.[5] Из-за недавних цен на фотобиореакторы экономически целесообразные концепции сегодня можно найти только на рынках с высокой добавленной стоимостью, например пищевая добавка или косметика.[6]

Преимущества трубчатых фотобиореакторов в промышленном масштабе также переносятся на лабораторные. Комбинация упомянутого стеклянного сосуда с тонкой трубчатой ​​спиралью позволяет достичь соответствующих показателей производства биомассы в масштабах лабораторных исследований. Под контролем сложной системы управления технологическим процессом регулирование условий окружающей среды достигает высокого уровня.[7]

Елочный фотобиореактор

Елочный реактор

Альтернативный подход представлен фотобиореактором, имеющим конусообразную геометрию и несущим спирально прикрепленную полупрозрачную систему двойных шлангов.[8] 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 предотвратить биообрастание и обеспечить высокие конечные концентрации биомассы. Комбинация турбулентности и закрытой концепции должна обеспечивать чистую работу и высокую эксплуатационную готовность.[9]

Пластинчатый фотобиореактор

Фотобиореактор с пластиковой пластиной

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 пула различных концепций, например Были реализованы конструкции с меандрирующим потоком или донные газовые системы, которые показали хорошие результаты. Некоторые нерешенные вопросы - это стабильность материала на время жизни или образование биопленки. Применение в промышленных масштабах ограничено масштабируемостью систем пластин.[10]

В апреле 2013 года был сдан в эксплуатацию IBA в Гамбурге, Германия, здание со встроенным фасадом из стеклянного фотобиореактора.[11]

Горизонтальный фотобиореактор

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 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

Давление рыночных цен привело к разработке типов фотобиореакторов на основе фольги. Недорого ПВХ или же PE фольга устанавливается в мешки или сосуды, которые покрывают взвеси водорослей и выставляют их на свет. Ценовые диапазоны типов фотобиореакторов были расширены за счет использования фольгированных систем. Следует иметь в виду, что эти системы имеют ограниченную устойчивость, поскольку время от времени приходится менять фольгу. Для получения полного баланса необходимо также рассчитать инвестиции в необходимые системы поддержки.[12]

Биореактор с пористым субстратом

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 100 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 выращивать.

Outlook

Обсуждение микроводорослей и их потенциала в углекислый газ секвестрация и производство биотоплива оказали большое давление на разработчиков и производителей фотобиореакторов.[13] Сегодня ни одна из упомянутых систем не способна производить биомассу фототрофных микроводорослей по цене, которая может конкурировать с сырой нефтью. Тестирование новых подходов, например методы капельного нанесения 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.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Фотобиореактор - определение, глоссарий, подробности - Oilgae». Глоссарий. Oilgae. Получено 2015-03-10.
  2. ^ Переулок. Г. (2013). В ходу: биотопливо из водорослей. 1. Smashwords. С. 1–9. ISBN  9781301351961.
  3. ^ Подводник проекта: Принципы построения фотобиореактора
  4. ^ Декер, Ева; Ральф Рески (2008). «Современные достижения в производстве сложных биофармацевтических препаратов с биореакторами из мха». Биопроцессы и биосистемная инженерия. 31 (1): 3–9. Дои:10.1007 / s00449-007-0151-y. PMID  17701058.
  5. ^ 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. Дои:10.1016 / j.jhazmat.2019.120860. PMID  31302359.
  6. ^ Pulz. О. (2001). «Фотобиореакторы: производственные комплексы для фототрофных микроорганизмов». Прикладная микробиология и биотехнология. 57 (3): 287–293. Дои:10.1007 / s002530100702. PMID  11759675.
  7. ^ Наблюдатель за водорослями: IGV Biotech представляет новую систему скрининга водорослей
  8. ^ 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
  9. ^ Großmann Ingenieur Consult GmbH: Aufbau eines Biosolarzentrums в Кётене, 6. Мэрц 2011.
  10. ^ Справочник по культуре микроводорослей. 1 (2-е изд.). Blackwell Science Ltd. 2013. ISBN  978-0-470-67389-8.
  11. ^ Бриглеб, Тилль (25 марта 2013 г.). "IBA Hamburg - Открытие, Дом водорослей, Мировой квартал". Art Magazin. Архивировано из оригинал на 2013-03-28.
  12. ^ 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.
  13. ^ Spolaore. П.; и другие. (2006). «Коммерческое применение микроводорослей» (PDF). Журнал биологии и биоинженерии. 102 (2): 87–96. Дои:10.1263 / jbb.101.87. PMID  16569602.

внешняя ссылка