Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Аппаратурно-технологическое оформление процесса культивирования цианобактерии Spirulina

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Аппаратурно-технологическое оформление процесса культивирования цианобактерии Spirulina"

- у

На правах рукописи

Глущук Леонид Павлович

Аппаратурно-технологическое оформление процесса культивирования цианобактерии ¿р/ш/та

03.00.23 - Биотехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2000

Работа выполнена в Московском Государственном

Университете инженерной экологии.

Научные руководители: кандидат технических наук, старший

научный сотрудник Жаворонков Владимир Александрович, кандидат физико-математических наук Казенин Дмитрий Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Винаров Александр Юрьевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Баум Рудольф Филиппович

Ведущая организация: Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН (г. Пущино).

Защита диссертации состоится 18 апреля 2000 г. в 12 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 053.34.13 в конференц-зале РХТУ им. Д.И. Менделеева (125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9).

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре РХТУ им. Д. И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан 14 марта 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 053.34.13 ''(-г/ к.б.н. Гусева ИМ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.

Разработка и создание новой эффективной аппаратуры для культивирования фототрофов имеет важное научно-техническое и экономическое значение, т.к. на мировом и российском рынке существует потребность в получении сравнительно недорогой и в то же время высококачественной биомассы, содержащей ряд ценных, незаменимых органических веществ, используемых в различных отраслях народного хозяйства. Перспективным объектом изучения является представитель семейства цианобактерий рода Эр/'гиНпа. Данная работа направлена на разработку технологий производства пищевой спирулины высокого качества в условиях нашего климата. С середины семидесятых к этой цианобактерии наблюдается необычайно живой интерес со стороны ученых всего мира. Он особенно возрос в последние годы. Спирулина действительно обладает рядом ценнейших качеств, что позволяет называть ее "микроводорослью будущего". Свойства и состав спирулины в настоящее время изучены достаточно хорошо. Полученные в результате анализов данные позволяют сделать вывод о высокой пищевой ценности и прекрасной усвояемости этой водоросли организмом человека и животных. В ее клетках содержатся очень важные и нужные человеческому организму вещества, начиная от большого количества растительных белков и заканчивая целым комплексом разнообразных витаминов и микроэлементов. По данным организаций РАО и ВОЗ биохимический состав клеток спирулины наилучшим образом соответствует потребностям человеческого организма по сравнению с основными традиционными источниками белка.

Употребление спирулины в пищу рекомендовано как здоровым людям, начиная от младенческого возраста и заканчивая преклонным, так и людям, страдающим различными острыми и хроническими заболеваниями, т.к. спирулина не обладает токсичными свойствами, не имеет противопоказаний и обладает общеукрепляющим оздоровительным эффектом. По данным ВОЗ она является защитным профилактическим средством против 70% известных болезней.

Итак, необходимость производства биомассы спирулины очевидна. Возникает вопрос, каковы же реальные потребности в этом продукте на сегодня?

Как показывают проведенные американскими специалистами маркетинговые исследования, начиная с 1995 года, вследствие все возрастающего спроса на мировом рынке наблюдается наиболее интенсивный рост производства биомассы спирулины.

Очевидно, что разработка и пуск наиболее перспективных и коммерчески выгодных установок по промышленному производству этой цианобактерии позволят решить многие проблемы по обеспечению населения планеты, и в частности России, высококачественными продуктами пищевого и медицинского назначения.

К сожалению, методы получения биомассы спирулины на современном этапе далеки от совершенства и не позволяют получить экологически чистый и одновременно конкурентоспособный по цене продукт. Перед массовым производством фототрофных микроорганизмов стоит проблема организации управляемого, контролируемого и асептического процесса культивирования, т.е. получения продукта с заданным биохимическим составом, который в большой степени зависит от условий освещения. Кроме того, применяемые сегодня в большинстве стран (Индия, Китай, Мексика, Вьетнам, Таиланд) методы культивирования в открытых бассейнах требуют благоприятного климата, что невозможно в умеренных широтах.

Наконец, немаловажное значение имеет повышение продуктивности биомассы микроорганизмов, т.е. интенсификация процессов массопереноса и светоподвода, что для микроорганизмов типа спирулины осложняется механолабильной нитчатой структурой клеток.

Таким образом, создание фотобиореакгоров для культивирования таких фотосинтезирующих микроорганизмов, как спирулина и усовершенствование уже имеющихся конструкций является актуальной задачей.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Создание принципиально новых и усовершенствование уже существующих аппаратов для реализации интенсивных процессов культивирования фототрофных микроорганизмов с механолабильной структурой клеток в закрытых условиях и с искусственным освещением.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. На основе изучения современных методов промышленного культивирования и анализа существующих

конструкций фотобиореакторов предложены принципиально новые схемы организации потоков в аппарате с использованием гибких мешалок различной геометрии. В результате проведенных экспериментов разработан новый способ перемешивания жидкости. Предложена расчетная модель, позволяющая сделать количественную оценку как коэффициента массоотдачи частицы в сдвиговом потоке, так и касательного напряжения на поверхности частицы в сдвиговом потоке. Определен критерий оценки скорости диссипации турбулентной энергии, найдено его пороговое значение, при котором сохраняется целостность мембранных оболочек микроорганизмов при интенсивном перемешивании культуральной жидкости. Предложен интегральный критерий оценки эффективности установок для культивирования фототрофов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Полученные зависимости для расчета продуктивности фотобиореакторов могут быть использованы для сравнения различных конструкций в плане оценки эффективности использования удельной энергии на перемешивание. Разработанная расчетная модель позволяет сделать оценку возможности применения того или иного метода перемешивания для микроорганизмов с механолабильной структурой клеток. Предложенная модель для расчета скорости диссипации турбулентной энергии может быть использована для создания методики инженерного расчета оптимального режима перемешивания механолабильных культур. На основе проведенных лабораторных испытаний фотобиореакторов с погружными источниками света и полостного типа созданы две конструкции полупромышленных аппаратов с рабочим объемом 100 литров. Разработанные фотобиореакгоры с рабочим объемом 6 литров используются в ИМБП (Институт медико-биологических проблем) и в институте ВНИИ Биотехника. Получены образцы биомассы высококачественной спирулины с высоким содержанием пигмента фикоцианина, который является важным критерием оценки качества продукта.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертационной работы обсуждались на II Международном Аэрокосмическом Конгрессе, проходившем 5-12 сентября 1997 г. в Москве; на научно-технических конференциях МГАХМ в 1997 г. "Труды МГАХМ, Выпуск 2"; на IV Международной Конференции 1Т+МЕ'98 "Новые информационные технологии в медицине и экологии", проходившей

в Крыму 26 мая - 4 июня 1998 г.; VII Международной конференции IT+ME'99 "Новые информационные технологии в медицине и экологии", проходившей в Крыму 31 мая - 11 июня 1999 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ. Подана заявка на выдачу патента на способ перемешивания.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация изложена на 129 страницах, состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы. Содержит 31 рисунок и 30 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, кратко изложены основные научные результаты работы.

ГЛАВА 1. Аппаратурно-технологическое оформление основных методов культивирования фототрофных микроорганизмов

В первой главе содержатся сведения о фототрофных микроорганизмах с механолабильной структурой клеток, в частности о цианобактерии Spirulina, ее морфологическом, биохимическом составе, приведены сравнительные данные состава клеток спирулины и других белоксодержащих продуктов питания. Рассмотрена возможность создания технологий с использованием спирулины для нужд промышленного производства.

Подробно рассмотрены методы получения биомассы спирулины на современном этапе с точки зрения их пригодности для применения в условиях умеренного климата, т.е. в закрытых помещениях с искусственным освещением. Дано краткое описание различных типов фотобиореакторов, их конструктивных особенностей, связанных со способом введения энергии на перемешивание. Основное внимание акцентировано на возможности применения существующих методов перемешивания с учетом механолабильности культуры, продуктивности аппарата, его энергоемкости и экономичности, а также обеспечения герметичности оборудования, замкнутости процесса и возможности его автоматического контроля и регулирования. Проведен анализ недостатков традиционных методов производства спирулины на

современном этапе. В главе сделан вывод о необходимости создания мешалок, позволяющих вводить оптимальное количество энергии, не нарушая при этом целостности клеток, а также разработки математической модели их расчета, учитывающей характер удельной скорости диссипации турбулентной энергии.

Однако проведенный анализ методов получения биомассы спирулины показал, что в настоящее время в мире не существует достаточно эффективных устройств для выращивания механолабильных культур. Известные методы не позволяют создать оптимальные условия. Например, культивирование в установках открытого типа (бассейны, лотковые установки и т.д.) невозможно оптимизировать из-за возникновения различных технологических сложностей, в результате чего получается продукт нестабильного биохимического состава.

В условиях нашего климатического пояса возможно создание только установок закрытого типа с применением искусственного освещения, поэтому продукт, получаемый в таких установках, неконкурентоспособен по сравнению с импортируемым из-за рубежа. Поэтому основное внимание должно быть уделено повышению их продуктивности и снижению энергозатрат на получение биомассы заданного биохимического состава.

В настоящее время в России используются трубчатые (ЗАО «Вета», г. Москва), лотковые и тонкослойные фотобиореакторы, большинство которых предназначены для лабораторных целей. Принцип их действия основан на использовании тонкого слоя, что связано с развитием площади освещенной поверхности. Такой подход к созданию новых фотобиореакторов в итоге привел в тупик, т.к. его целью является не интенсификация массообменных процессов и более эффективное использование энергии во всем объеме, а лишь увеличение доли эффективно работающего объема аппарата. Поэтому использование этих установок в промышленных целях ограничено высокой себестоимостью получаемого продукта, что связано с большими затратами электроэнергии на освещение суспензии и неоправданным увеличением производственных площадей.

Итак, основной задачей работы является аппаратурное обеспечение получения продукта высокого качества, конкурентоспособного по цене относительно импортных образцов. В

наших условиях это труднодостижимо в лотковых, трубчатых, тонкослойных и других аппаратах.

Единственно возможным решением, кардинально меняющим ситуацию, является организация промышленного производства на основе полостных фотобиореакторов глубинного типа (работа Жаворонкова В.А., МИХМ), рассмотренных в данной работе.

ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование выбора аппаратурного оформления процесса культивирования цианобактерии Эр/ги/та

Во второй главе предложен способ введения энергии в культуральную жидкость, не травмирующий и не разрушающий клетки микроорганизмов, что является основным лимитирующим фактором при получении биомассы механолабильных микроорганизмов в глубинных аппаратах закрытого типа. Таким образом, способ введения энергии является основным фактором повышения продуктивности фотобиореакторов интенсивного культивирования. Оценив пороговое значение вводимой энергии

£п ор., можно судить о пригодности того или иного способа

перемешивания для механолабильных культур.

Автором предложены два варианта конструктивного подхода к созданию высокоэффективных аппаратов, предназначенных для промышленной эксплуатации в нашей стране. Дано описание мешалок, у которых в качестве перемешивающих элементов используются гибкие полые элементы, выполненные из современных эластичных материалов (рис. 1). Данный способ перемешивания реализован в двух конструкциях:

• аппарат с погружными источниками света (рис. 2) и

• аппарат полостного типа (рис. 3).

Конструкция аппарата с погружными источниками света является известной в биотехнике. Ее основным недостатком является невозможность создания интенсивного массообмена при помощи традиционных жестких мешалок из-за повышенных энергетических потерь, во-первых, и угнетения культуры, во-вторых. В результате того, что скорость потока жидкости невысока,

В) Д)

Рис. 1. Возможные конфигурации гибких мешалок

_1А

^Тврмосутуру ■сцдх» жид «ость

Обозначения 1 Корпус аппарата

2. Электропривод

3. Осеетительньмй блок

4. Мешалка 5 Датчики

б. Заливной штуцер 7 Вылуехной клапан 8. Опора

9 С ливюи цттуцер

10 Бэрботер

11. Терыостатирующая рубашка

Рис. 2. Схема аппарата погружными источниками света

с

1. Корпус аппарата

2 Электропривод

3 Эл. лампа

4. Защитный экран 5 Мешалка

6. Датчики

7. Заливной штуцер

8. Выпускной клапан

9 Термостатирующая рубашка

10. Опора

11. Сливной штуцер

Рис. 3. Схема полостного аппарата с гибкой мешалкой

наблюдается нарастание биомассы на стенках осветительных устройств, а также возникновение застойных зон. При интенсивном перемешивании лопастными мешалками наблюдается пенообразование, которое происходит в результате разрушения клеточных мембран (лизиса). Предложенный автором новый способ перемешивания при помощи гибких мешалок позволяет устранить вышеперечисленные недостатки.

Наиболее перспективно использование таких мешалок в аппаратах полостного типа. Показана возможность интенсификации процессов в этих аппаратах при культивировании нитчатых культур на примере спирулины. В то же время известно, что создание устойчивой полости невозможно при использовании мешалок с жесткими элементами.

В качестве математической модели рассмотрена модель, описывающая процессы массообмена в аппаратах с интенсивным перемешиванием. За основу взята модель, учитывающая несколько специфических параметров при культивировании микроорганизмов с нитчатой структурой клеток. Большое внимание уделено изучению теории подвода световой энергии к культивируемым клеткам цианобактерий, т.к. освещение является основным лимитирующим фактором процесса фотосинтеза. Применительно к полостным реакторам используется понятие специфического коэффициента

массообмена , который отвечает за эффективность преодоления активационного барьера, и связан с обычным коэффициентом

массообмена Р , соотношением:

0 -

И

р

(1)

где 13л<2/с — коэффициент конвективной броуновской

диффузии и £>«10 ~9м2/с — коэффициент молекулярной диффузии. Для твердой поверхности а-2/3, для свободной —

а=М2. Отсюда следует, что вблизи свободной поверхности /7* будет почти на порядок выше, чем вблизи твердой. Этот факт свидетельствует о принципиально более высокой эффективности полостных реакторов в сравнении с трубчатыми и другими типами аппаратов.

В работе показано, что коэффициент пропорциональности в экспоненциальном законе роста биомассы dxldt=jjxt можно представить в виде:

М = Мо ехр(-К/ t0xV / S х\//?*)] (2)

или, с учетом доли объема постоянно освещенного слоя, в виде:

М = МГ + (1~У)ехр(-К /10 х V / 5 х 1 / ß*)], (3)

где h — толщина бугеровского фотоабсорбционного слоя, V — объем аппарата, S — площадь освещенной поверхности, у = hS IV — числовой коэффициент (доля объема постоянно освещенного слоя), К//„ —биопараметр, VIS —конструкционно-

геометрический параметр, $ — режимный параметр

(специфический коэффициент массопереноса), Ио — максимально возможный коэффициент скорости роста.

Величина Ц здесь служит теоретическим критерием для оценки эффективности выращивания конкретной культуры в конкретном аппарате. В нем явно отражено влияние всех специфических особенностей системы: биологических, конструктивных, режимных. Этот критерий служит основой для масштабного перехода при разработке различных типоразмеров аппаратов.

Количественное исследование проблемы светоподвода в реакторах глубинного типа ассоциируется с концепцией обновления поверхности, современной научной основой которой является теория конвективной диффузии. Уравнение конвективной диффузии описывает два конкурирующих механизма переноса субстанции — конвекцию и молекулярную диффузию. Однако перенос такой специфической субстанции, как суспензия микроорганизмов, имеет свои особенности. Это связано, с одной стороны, с тем, что плотности взвешенных частиц и взвешивающего раствора практически близки и присутствие взвеси не вносит искажений в спектр пульсаций несущей среды. В то же время размеры фотосинтезирующих микроорганизмов (порядка нескольких микрометров) довольно значительны в сравнении с размерами молекул жидкости. Очевидно, в такой ситуации микродвижения

взвешенных частиц и молекул будут существенно различаться, что естественно, отразится на количественном значении коэффициентов переноса. Аналогом молекулярной диффузии в этом случае будет броуновская диффузия, коэффициенты которой на 4-5 порядков ниже, чем молекулярной.

Вторым аспектом выдвинутой теории является исследование прочности клеточной оболочки под действием интенсивного механического перемешивания.

Известно, что структура турбулентного поля течения вблизи взвешенной частицы, играющая важную роль при исследовании процесса переноса, весьма специфична. Относительная скорость, определяющая интенсивность массопереноса к частице, является суперпозицией поступательного потока и осесимметричного деформационно-сдвигового течения. При этом в случае незначительной разности плотностей частицы и среды, как это имеет место в микробиологическом культивировании, скорость поступательного обтекания определяемая инерционным лагом,

можно принять равной нулю. В то же время скорость сдвига У

(размерность с-1), характеризующая деформационное течение, является универсальным параметром турбулентного потока, не зависящим от свойств взвешенных частиц. Согласно теории локально-однородной и изотропной турбулентности Колмогорова этот параметр определяется основными характеристиками турбулизованной жидкости: ее кинематической вязкостью V и удельной скоростью диссипации турбулентной энергии £ (размерность Вт / кг). Справедлива следующая эмпирическая корреляция:

У = 0,18

(4)

Оценка коэффициента массоотдачи частицы в сдвиговом потоке имеет вид:

/? = 0,9£>2/У'3я~1/3. (5)

Здесь И — коэффициент диффузии растворенной субстанции (кислорода, солей, метаболитов). Для культуральной жидкости на водной основе можно считать, что £>« 2-10~9л*2/с, а — размер (радиус частицы). Для цианобактерии типа БркиПпа рШепз1в,

обладающей нитчатой структурой, за С1 следует принять радиус трихома — многоклеточной нити, который равен АЛ0'6м. Следует заметить, что согласно (4) и (5):

/? = 0,5-Огпа-"геибУиб. (6)

Таким образом, изменение удельной скорости диссипации не слишком сильно влияет на функцию дыхания и питания клеток.

Оценим теперь механическое воздействие потока на

микроорганизм. Касательное напряжение т 5 , возникающее на поверхности частицы в сдвиговом потоке, определяется формулой:

(7)

где — динамическая вязкость жидкости.

Трихом, как объект теории прочности, можно представить как цилиндр радиусом С1 и длиной Ь, покрытый прочной оболочкой толщиной 8 « а. Этой оболочкой является многослойная белково-липидная мембрана. В литературе можно найти данные о толщине

типичной белково-липидной мембраны (¿>»1,5x10"%») и ее прочности на разрыв, которую можно оценить как отрицательное расклинивающее давление между почти соприкасающимися липидными монослоями, обусловленное действием Ван-дер-

Ваал ьсовских сил: сг„р. ~ 3 • 104 Па.

Эффективное растягивающее напряжение, действующее на оболочку в сдвиговом потоке можно представить как:

Т827ШЬ Ь

= <8>

Очевидно, <уе; не должно превышать &„р.. Это утверждение, с учетом соотношений (4), (7) и (8), позволяет получить оценку для биологически благоприятного перемешивания:

^<30,86с72„р32Ь-2р-2у-\ (9)

Как видно из соотношения (9), обеспечиваемая мешалкой удельная скорость диссипации энергии не должна превышать некоторого порогового значения, за которым начинается разрушение или, по крайней мере, угнетение механолабильной культуры.

Подставив значения величин, входящих в уравнение (9), получили для спирулины (при длине трихома Ь = \0~3м): £пор. = 6,25Вт /кг .

Таким образом, общей рекомендацией для выбора мешалок, которую следует применять при культивировании механолабильных микробиологических культур, является снижение энергозатрат на перемешивание, разумеется, при обеспечении достаточно высокой турбулизации культуральной жидкости.

ГЛАВА 3. Гидродинамические и массообменные испытания мешалок

В этой главе дано описание установки для проведения гидродинамических и массообменных испытаний аппаратов с предложенными мешалками. Она представляет собой лабораторный стенд, где измерение мощности на перемешивание производится с использованием схемы "мотор - весы". Основным элементом является реактор, в котором используются гибкие и жесткие мешалки. Целью данных экспериментов является выяснение эффективности перемешивания того или иного типа мешалок. Для этого была использована модифицированная сульфитная методика, суть которой заключается во внесении в раствор сульфита натрия с катализатором и контроле растворенного кислорода вплоть до полного окисления порции сульфита. В данном случае для оценки интенсивности массообмена использовались показания кислородного датчика. О величине объемного коэффициента массообмена можно судить по скорости сульфитной реакции. Результаты обработки данных проведенных экспериментов приведены в таблицах и графиках зависимости концентрации растворенного кислорода от времени абсорбции.

Объемный коэффициент массообмена может быть следующим образом определен из балансового соотношения, связывающего удельное количество кислорода, потребленного за время опыта

(£о2 ,кгОг1мг), с проинтегрированной по времени удельной

скоростью хемосорбции кислорода из барботажных пузырей:

где С, С* — текущая и равновесная концентрация растворенного в жидкости кислорода. Величина ёо2 вычислялась, исходя из стехиометрической пропорции, по количеству введенного

8о2

(Ю)

о

в аппарат сульфита. Величина Е символизирует ускорение хемосорбционного процесса по сравнению с процессом физической абсорбции (по библиографическим оценкам Е » 3 ).

Наиболее близкие к экспериментальным значения КЛа могут быть получены при использовании эмпирической зависимости:

Кьа = 112- Л^'44 • <р0,61 (11)

Дпя более наглядного представления преимущества гибких мешалок по сравнению с жесткими в работе приведены графики зависимости коэффициента массообмена от удельной мощности

Му, или, иными словами, по скорости диссипации удельной

энергии £ (рис. 4).

Рис. 4. Кривые зависимости коэффициента массообмена от скорости диссипации турбулентной энергии (удельной мощности)

Для сравнения были выбраны мешалки с эквивалентными диаметрами (для гибких — диаметр в стационарном состоянии). Полученные коэффициенты массообмена демонстрируют значительное превышение массообменных характеристик гибких мешалок по сравнению с жесткими (рис. 4). При одинаковом расходе энергии массообмен интенсивнее у гибких мешалок. При этом значения скорости диссипации энергии для гибких мешалок не достигают расчетного порогового значения (е = 2,25Вт!кг -

при п = 800 мин 1 и выше), в то время как значения для жестких превышают его после достижения определенной частоты вращения мешалки (s - 6,25Вт/кг - при п - 550 мин ) (рис. 5). В главе 4 приведены результаты технологических испытаний, которые проводились в лабораторных реакторах и показали, что при введении удельной энергии при помощи жестких турбинных мешалок в пределах %-\0Вт /кг и выше наблюдается угнетение культуры и снижение скорости роста, что полностью подтверждает адекватность разработанной математической модели.

Рис. 5. Кривые мощности

Обозначения: Ж130 — жесткая турбинная мешалка с диаметром 130 мм; Г130, Г140, Г150 и Г160 — гибкие мешалки с диаметрами 130,140,150 и 160 мм соответственно

В то же время гибкие мешалки позволяют вводить больше энергии, которая расходуется эффективнее и при меньших потерях. Использование гибких мешалок позволяет достигать высоких коэффициентов массообмена при низких значениях удельной мощности. Графики подтверждают теоретически выдвинутое предположение о пороговом значении удельной скорости диссипации энергии.

ГЛАВА 4. Технологические испытания аппаратов с гибкими мешалками для культивирования цианобактерии БрниПпа

Гибкие мешалки были испытаны в фотобиореакторах при культивировании цианобактерии ЭрШ'та рШепэ/з. В ходе культивирования они обеспечивали высокие коэффициенты массообмена, или иными словами, качество турбулизации жидкости, не повреждая при этом культуру, о чем свидетельствовало отсутствие пенообразования, что само по себе является положительным фактором. Мягкая, бесшумная работа, отсутствие толчков и динамических перегрузок, экономия электроэнергии при щадящем режиме перемешивания делают эти мешалки весьма перспективными при создании энергосберегающих экологически чистых технологий культивирования микроорганизмов.

Этот вывод важен не только по экономическим соображениям, но и для обеспечения нормальной жизнедеятельности механолабильных клеток спирулины, сохранения целостности их мембранных оболочек при интенсивном перемешивании культуральной жидкости.

В четвертой главе приведена технологическая схема установки для культивирования спирулины с применением двух вышеописанных конструкций аппаратов. В технологическую цепочку входят емкости подачи питательных сред, баллон с углекислым газом, термостат, измерительная аппаратура, обвязка.

Проводились технологические испытания по культивированию спирулины в полостных и погружных аппаратах, направленные на определение оптимальной освещенности, результаты которых отображены на рис. 6.

Показанные кривые характеризуют скорость роста культуры в зависимости от условий освещения. В аппараты помещали инокулят с разной концентрацией биомассы и наблюдали за скоростью роста при разном освещении, для чего использовались натриевые лампы разной мощности от 50 до 250 Вт. Результаты испытаний в полостном реакторе показали, что скорость роста культуры для выбранной нагрузки не зависит от интенсивности облучения.

Рис. 6. Динамика роста спирулины в зависимости от условий освещения

Обозначения: 1, 2, 3, 4 — графики роста в полостном аппарате при использовании ламп типа ДНаТ мощностью 250, 100, 70 и 50Вт соответственно; 5 — график роста в аппарате с погружными источниками света при использовании шести ламп типа КП11/ТБЦ мощностью 11Вт каждая

На графиках 1-4 представлены зоны экспоненциального роста культуры в полостном реакторе рабочим объемом 5 л, в погружном

аппарате (VР=5л) - на графике 5. Время проведения экспериментов было ограничено, поэтому кривые не выходят на плато. Однако даже за период менее 3 суток была достигнута довольно высокая концентрация биомассы, равная 5,35 г/л в полостном и 3,6 г/п в погружном, с высоким содержанием пигмента фикоцианина.

В подтверждение этой гипотезы проведенные эксперименты показали, что с ростом оптической плотности культуры растет и содержание фикоцианина, но не пропорционально, а по другой зависимости. Нами выдвинуто предположение, что это связано со спектральным составом света, который меняется при изменении плотности культуры. Результаты этого исследования показаны на графиках динамики роста культуры и содержания фикоцианина в зависимости от концентрации биомассы (рис. 7).

Рис. 7. Динамика роста культуры (кр. 1, 3), содержания фикоцианина (кр. 2, 4) в зависимости от плотности культуры

Биохимический анализ биомассы показал, что содержание фикоцианина в нем 81,0 мг/г. Этот показатель превышает все ранее проанализированные пробы импортных и отечественных образцов порошка и таблетированных форм спирулины. Следует заметить, что анализ не дает концентрации фикоцианина более 60,7 мг/г у проверенных образцов, хотя в сертификатах соответствия указывается иногда содержание выше 100 мг/г. Опыты показали, что рост биомассы и накопление фикоцианина в полостном аппарате идут более интенсивно. Таким образом, технологические испытания доказали, что применение гибких мешалок наиболее эффективно в аппаратах с полостью.

ГЛАВА 5. Экономическое обоснование нового способа культивирования

В этой главе рассмотрены экономические аспекты проектирования и эксплуатации предложенных аппаратов. Найдена оценочная относительная себестоимость биомассы спирулины, получаемой как в трубчатых и лотковых аппаратах, так и в полостных и погружных. Предложен критерий оценки эффективности заполнения промышленных помещений аппаратами

— коэффициент компактности установки где —

суммарный объем, занимаемый всей установкой, —

собственный объем фотобиореактора. Проведены сравнительные расчеты для реакторов различного типа (лотковых, тонкослойных, трубчатых, с погружными источниками света и полостных) и установлено, что полостные реакторы превосходят другие по энергетической экономичности, производительности,

продуктивности и себестоимости биомассы. Это свидетельствует об экономической выгодности применения для промышленных целей именно фотобиореакгоров полостного типа.

Исходя из оценки коэффициента компактности, проведена количественная оценка совокупного коэффициента эффективности установки. Она имеет вид:

р. К<! ' ^сут. КуРсут

где Ку — коэффициент компактности, — удельные энергозатраты, кВт / м3; Рсут. — продуктивность установки,

кгСБ1м3 ■ суш

Сравнение установок по коэффициенту эффективности также показало значительное преимущество предлагаемых технических решений по сравнению с существующими.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. С помощью сравнительного анализа различных типов фотобиореакторов показано, что наиболее перспективным типом аппаратов для культивирования фототрофов являются полостные фотобиореакторы.

2. Размещение в полости аппарата искусственного источника света с необходимыми спектральными характеристиками позволяет наилучшим образом решить все проблемы культивирования: создать интенсивно обновляемую зону светопоглощения, обеспечивающую наиболее близкое к биологически оптимальному соотношению длительности световой и темновой фаз фотосинтеза; обеспечить за счет выбора спектрального состава источника света контролируемый рост биомассы прогнозируемого биохимического

состава; обеспечить экономичность использования световой энергии; обеспечить конструктивную компактность аппарата и возможность его работы в интенсивных технологических режимах.

3. Предложены новые аппаратурно-технические решения, позволяющие реализовать полостной режим работы аппарата, на основе использования перемешивающих устройств с гибкими рабочими элементами.

4. Проведенные гидродинамические и массообменные испытания гибких мешалок показали, что эти мешалки позволяют получить

значения коэффициента массообмена Кьа на 25 - 30% выше достигаемых жесткими мешалками при той же вводимой мощности.

5. При культивировании механолабильных нитчатых культур типа ЭртИпа использование гибких мешалок позволяет осуществлять необходимое перемешивание в щадящем биологическом режиме, без повреждения и угнетения микроорганизмов.

6. Теоретический анализ прочностных свойств клеточной оболочки и растягивающих напряжений, действующих на микроорганизм в потоке, позволил установить критическое пороговое значение удельной диссипации турбулентной энергии. Показано, что при использовании гибких мешалок, работа на докритических режимах позволяет обеспечить функции питания и газообмена микроорганизмов, не нанося им повреждающих воздействий.

7. Проведены технологические испытания процесса культивирования спирулины, которые показали, что в аппаратах новой конструкции достигается снижение энергозатрат на освещение в 3 раза по сравнению с трубчатыми аппаратами и при этом повышается содержание фикоцианина с 28,7 до 81,0 /иг/г.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Zhavoronkov V.A., Kazenin D.A., Glushchuk L.P., Monastyrshin S.A. Photobioreactors for Space Conditions: Specific Character of Transfer Processes and Criteria for Evaluation. // Proceedings of Second International Aerospace Congress, August 31 - September 5, 1997 (IAC'97). Moscow: STC "Petrovka", vol. I, 1999. — p. 9 -12.

2. Жаворонков B.A., Казенин Д.А., Глущук Л.П., Махоткина Т.А., Утрушкин B.C. Экологические проблемы перемешивания при культивировании интактных микроорганизмов в биотехнологии. // IV Международная конференция и дискуссионный научный клуб IT+ME'98 "Новые информационные технологии в медицине и экологии". Труды конференции, часть 2. — Украина, Ялта - Гурзуф, 26 мая - 4 июня 1998 года. — стр. 403 - 407.

3. Казенин Д.А., Жаворонков В.А., Глущук J1.П., Балашова С.П. Экологические проблемы перемешивания интактных культур в биотехнологии. // Российско-германский семинар по экологической биотехнологии. Самара, 4-10 сентября 1998 г., стр. 248 - 250.

4. Жаворонков В.А., Казенин Д.А., Карлов С.П., Шитиков Е.С., Глущук Л.П., Гладышев П.А. Специфика процессов переноса в фотобиореакторах. // Труды МГАХМ, выпуск 2, Процессы и аппараты химической и биологической техники. — Москва, 1997 г., стр. 59 - 66.

5. Жаворонков В.А., Чепура И.В., Казенин Д.А., Глущук Л.П., Утрушкин B.C. Экологические аспекты культивирования микроводоросли Spirulina./ Труды VII Международной конференции IT+ME'99 "Новые информационные технологии в медицине и экологии". — Украина, Крым, Гурзуф, 31 мая — 11 июня 1999 года, стр. 141-147.