Аннотация
Старостина Е.Н., Федоренко В.А., Ошовский В.В. – Разработка биореактора для технологического процесса получения биотоплива из микроводоросли Spiruline
. Рассмотрены технологии получения биомассы микроводоросли Spiruline и конструкции фотобиореакторов. Разработана технологическая схема фотобиореактора с применением современных средств контроля и управления процесса культивирования микроводоросли Spiruline.
Общая постановка проблемы
В настоящее время существуют топливно-энергетические и экологические проблемы, связанные с нерациональным и экономически затратным использованием традиционных источников энергии, таких как уголь, нефть и природный газ.
Именно исчерпание природных ресурсов, при условиях их неэффективного использования, приводит к ухудшению условий жизнедеятельности человека и качества окружающей среды. Поиск решений данных проблем заставляет искать новые подходы к выбору источников получения различных видов топлива, в том числе, и жидкого. Один из таких видов – биотопливо.
Биотопливо – это альтернативный вид топлива, который получается в результате переработки продуктов жизнедеятельности живых организмов, или органических промышленных отходов.
В качестве сырья для производства биотоплива можно использовать биомассу растительного или животного происхождения, включая отходы промышленных производств либо остатки жизнедеятельности животных. Перспективным сырьем для биотоплива являются морские микроводоросли, которые не требуют ни чистой воды, ни земли. Водоросли активно поглощают углекислый газ, а значит их использование действительно полезно для уменьшения парникового эффекта. Топливо из микроводорослей называют биотопливом третьего поколения, и в настоящее время ведутся активные разработки по его производству.
Одним из представителей микроводорослей является Spiruline.
Spiruline – сине-зеленая одноклеточная водоросль рода цианобактерий. Процесс культивирования данных микроорганизмов происходит за счет образования органических веществ из углекислого газа и жидкой питательной среды, а источником энергии служит солнечный свет [1].
Анализ систем культивирования микроводорослей
Для разработки высокоэффективного способа выращивания Spiruline необходимо провести анализ существующих систем культивирования.
В настоящее время в промышленности применяется несколько систем для культивирования этой микроводоросли. Самым распространённым способом является культивирование в бассейнах открытого типа [1]. Отличительной особенностью данного способа является использование неглубоких водоемов, расположенных на участках с прямым доступом солнечного света. В таких системах обычно применяется механический способ перемешивания посредством барабанов и лопастных колес. Данная система наиболее распространена в странах с длительным солнечным периодом и теплым климатом, таких как США, Индия, в странах Африки, некоторых странах Европы [2].
Фотобиореакторы являются другой широко распространенной технологией культивирования биомассы водорослей.
Фотобиореактор представлен на рис.1.
Рисунок 1 – Фотобиореактор
В этих закрытых системах существует возможность достижения высокой производительности по биомассе, а также создания стерильных условий для выращивания монокультуры водорослей.
Фотобиореакторы предназначены для длительного культивирования монокультуры микроводорослей и практически используются для получения больших количеств биомассы. Такой реактор состоит из батареи прозрачных труб, изготовленных из стекла или пластика, являющихся солнечным коллектором. Диаметр труб должен быть не более 0,1 м, чтобы солнечный свет мог проникать в плотную биомассу водорослей. Субстрат циркулирует между резервуаром и батареей труб. Поверхность площадки под трубами часто выстилают пластиком для увеличения отражения света. В случае фотобиореактора небольшой производительности вместо горизонтального расположения трубы из гибкого пластика могут быть свернуты спиралью по внешней поверхности вертикального цилиндрического основания. Оседанию микроводорослей в трубах препятствует высокая турбулентность потока [1].
В процессе фотосинтеза происходит выделение кислорода. Концентрация растворенного кислорода выше определенного предела ингибирует фотосинтез и в сочетании с интенсивным освещением разрушает клетки водорослей. Удаление избыточного кислорода проводят в колонне для дегазации при барботаже воздуха.
По мере продвижения субстрата по трубам происходит увеличение рН среды в результате потребления СО2, который дозируют в зону дегазации. Дополнительные точки дозирования СО2 могут быть предусмотрены по длине труб. Фотобиореакторы требуют охлаждения в период наибольшей интенсивности солнечного света. Температурный контроль нужен и в ночное время. В частности потери биомассы в ночное время в результате дыхания могут быть уменьшены при понижении температуры.
Этапы исследования
В нашем исследование предполагается на первом этапе создание экспериментального биореактора который бы обеспечивал культивирование первичной биомассы с использованием соответственных средств контроля освещенности, поддержания температуры, интенсивности перемешивания, контроля pH.
В качестве иллюстрации на рис.2 приведена принципиальная схема установки биореактора для культивирования микроводоросли Spiruline.
1 – регулятор расхода воздуха; 2 – блок питания; 3,4 – источники напряжения; 5 – таймер; 6 – термостат; 7 – воздушный компрессор; 8 – светодиод; 9 – фотодиод; 10 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 11 – светодиодные лампы; 12 – измеритель pH; 13 – фотобиореактор; 14 – ТЭН; 15 – барботажная насадка; 16 – измерительный электрод; 17 – датчик температуры.
Рисунок 2 – Принципиальная схема установки биореактора для культивирования микроводоросли Spiruline