Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Разработка фотобиореакторов для замкнутых экологических систем жизнеобеспечения

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Разработка фотобиореакторов для замкнутых экологических систем жизнеобеспечения"

На правах рукописи

ии^иьагвг

ГЛАДЫШЕВ ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ФОТОБИОРЕАКТОРОВ ДЛЯ ЗАМКНУТЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ

Специальность 03 00 23 — Биотехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА -2007

003069262

Работа выполнена в Московском государственном университете инженерной экологии

Официальные оппоненты

Докюр технических наук, профессор Винаров Александр Юрьевич

Доктор технических наук, профессор Синяк Юрий Емельянович

Ведущая организация Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт биологической техники

Защита состоится на заседании

диссертационного совета ДМ 212 204 13 в РХТУ им Д И Менделеева (125047 Москва, Миусская пл , д 9) в •

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ им Д И Менделеева

Автореферат диссертации разослан 2007 г

Ученый секретарь Диссертационного совета

ДМ 212 204 13

Шакир И В

Общая характеристика работы.

Актуальность темы

Задача использования высших и низших растений в качестве звена искусственных замкнутых экологических систем принципиально решена много лет назад Фундаментальные исследования в этом направлении проведены для создания систем жизнеобеспечения различных гермообъектов (космических, подводных, подземных и пр ) Такие системы позволяют обеспечить наиболее полное замыкание круговорота веществ в условиях длительного автономного существования экипажей Однако исследования проводятся и сейчас, в частности, в связи с намерениями мирового сообщества по организации длительных космических экспедиций При этом продвижение замкнутых экологических систем жизнеобеспечения в состав гермообъектов тормозится отсутствием эффективного аппаратурного оформления их фототрофного звена Таким образом, тема работы является актуальной

Цель работы - разработка фотобиореакторов для автотрофного и гетеротрофного культивирования микроводорослей в составе замкнутых экологических систем жизнеобеспечения

Для достижения этой цели проведены исследования, включающие решение следующих задач научного и прикладного характера

- анализ конструкций фотобиореакторов с точки зрения возможности их использования в искусственных экосистемах,

- разработка компактных реакторов с высокими значениями массообменных характеристик, работающих на высоких концентрациях биомассы,

- изучение влияния режимов светоподвода и перемешивания суспензии на ростовые характеристики биомассы и скорость утилизации С02,

- разработка методики оценки и оптимизация энерюм!раг в процессах культивирования микроводорослей

Научная новизна

- предложена конструкция полостного фотобиореактора с механическим перемешиванием для аппаратурно-технологического оформления водорослевого звена замкнутой экологической системы жизнеобеспечения,

- предложена конструктивная модернизация гладкостенного полостного фотобиореактора с целью улучшения его массообменных и эксплуатационных характеристик,

- установлена зависимость гидродинамических и массообменных характеристик модернизированного полостного реактора от величин его конструктивных параметров,

- исследовано влияние конструктивных параметров модернизированного фотобиореактора на скорость утилизации ССЬ,

- предложен параметр масштабирования полостного фотобиореактора, осно-

ванный на постоянстве освещенности поверхности газовой полости,

- разработана методика оценки затрат мощности на освещение газовой полости фотобиореактора

Практическая ценность.

- разработаны и изготовлены лабораторные модели фотобиореакторов с механическим перемешиванием, предназначенные для культивирования микроводорослей с различными типами питания и уровнями клеточной организации,

- по результатам экспериментальных исследований для полостных фотобиореакторов установлены основные рекомендуемые технические характеристики оптимальный коэффициент заполнения, рациональные энергозатраты на перемешивание и освещение,

- разработано техническое решение, в т ч оптимальное внутреннее оребре-ние реактора, обеспечивающее значительное снижение циклических нагрузок на корпус реактора и опорную конструкцию установки,

- разработан и апробирован макет теплообменного устройства, обеспечивающий поддержание оптимального температурного режима работы осветительного блока, а также постоянство его оптических характеристик,

- для облучения поверхности светопоглощения полостных фотобиореакторов рекомендовано использование натриевых ламп высокого давления, обеспечивающих оптимальный спектральный состав света,

- предложенная энергосберегающая конструкция модернизированного фотобиореактора рекомендована для замкнутых экологических систем жизнеобеспечения, работающих в условиях невесомости

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались на

- У-й Международной конференции «Инженерная защита окружающей среды», МГУИЭ, Москва, 2003,

- 11-й и 13-й Международных конференциях «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии», Ялта-Гурзуф, 2003, 2005,

- XVIII и XIX Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях», Казань, 2005, Воронеж, 2006

Публикации.

Основные результаты диссертации изложены в 9 печатных работах

Объем и структура работы

Диссертация изложена на 139 стр Состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложений Содержит 61 рисунок и 7 таблиц

Содержание работы.

Введение.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель исследований, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, указан личный вклад соискателя

Глава 1. Литературный обзор

Обзор содержит сведения о зеленых растениях как основном звене искусственной замкнутой экосистемы, определяющем ее облик и функциональные возможности Показана роль высших растений в производстве полноценной пищи для человека, а также в процессах регенерации воды и атмосферы

Помимо высших растений в качестве элемента основного звена замкнутой экосистемы представлены низшие растения - одноклеточные водоросли, наиболее изученной из которых является хлорелла Отмечена эффективность хлореллы при одновременном замыкании системы по газу и воде в ходе лабораторных экспериментов с участием человека

При анализе влияния экологических и технологических факторов на ростовые и газообменные показатели процесса культивирования хлореллы получены исходные данные для разработки фотобиореакторов - аппаратов для выращивания биомассы микроводорослей

Представлена принципиальная схема замкнутой экологической системы жизнеобеспечения Рассмотрены различные конструкции фотобиореакторов и перспективы их использования для аппаратурного оформления ее фототрофно-го узла

Разбор конструкций фотобиореакторов основан на разделении аппаратов по принципу организации потока суспензии микроводорослей Реакторы разделены на три группы тонкослойные реакторы, пленочные аппараты и аппараты для глубинного культивирования

Рассмотрена возможность применения емкостной аппаратуры в условиях невесомости Показано, что из представленных конструкций перспективна группа глубинных реакторов с жидкостным потоком, формирующимся под действием центробежных сил

Глава заканчивается постановкой задачи исследования, в которой дан перечень основных технологических и конструктивных требований к реакторам для работы в составе системы жизнеобеспечения

Глава 2. Выбор аппаратурного оформления процесса культивирования хлореллы.

Вариантом глубинного реактора с жидкостным потоком, формирующимся под действием центробежных сил, является полостной фотобиореактор с механическим перемешиванием (рис 1) Основой его конструктивного оформления является реализация принципа совмещения зон сорбции и светоподвода, что

определяет способ перемешивания кульгуральной жидкости и размещение источника света

а) б)

а) гладкостснный, б) модернизированный

Полостной фотобиореактор, разработанный для использования в составе замкнутых экосистем, представляет собой цилиндрический сосуд с высотой равной диаметру, частично заполненный культуральной жидкостью, в центральной части которого расположена демпферная клетьевая мешалка с гибкими вертикальными перемешивающими элементами При вращении мешалки жидкость оттесняется на периферию цилиндра, а в центральной его части образуется полость В нее подается газовая смесь для осуществления массообмена с жидкостью Устройств для диспергирования газа не предусмотрено Вместе с тем, полость используется для размещения источника света необходимой мощности и спектрального состава

Глава 3. Конструктивные особенности систем перемешивания полостных фотобиореакторов

Обоснован выбор типа перемешивающего устройства, изложены требования к его конструктивному исполнению

Конструкция корпуса полостного фотобиореактора представлена в двух вариантах - гладкостенном (рис 1а) и модифицированном (рис 16) Предложенная модификация корпуса обуславливает изменение формируемого в реакторе поля скоростей и образование дополнительных радиальных токов жидкости Однако гидравлическое сопротивление корпуса увеличивается при этом незначительно Это позволяет прогнозировать существенное изменение интенсивности массообмена при незначительном увеличении мощности на перемешивание

при сохранении формы и размеров газовой полости, характерных для гладко-стенного варианта корпуса

Глава 4. Разработка осветительной системы полостных фотобиореакто-

Показано, что для освещения биомассы из серийно выпускаемых ламп общего и специального назначения по величине светового потока и спектральному составу света можно рекомендовать металлогалогенные, галогенные и натриевые лампы высокого давления

Проведена экспериментальная оценка степени перегрева натриевых ламп высокого давления в неохлаждаемой защитной оболочке из кварцевого стекла Показана необходимость их принудительного охлаждения

Для водяного охлаждения источника света, его защиты от загрязнения куль-туральной жидкостью, а также для регулирования спектрального состава света в инфракрасной области разработано теплообменное устройство из кварцевого стекла (водяной холодильник) Изготовлен и испытан его экспериментальный образец для охлаждения одной лампы ДНат - 400 в фотобиореакторе объемом 0,01 м3 Экспериментально установлен температурный режим работы осветительной системы, обеспечивающий ее надежность и приемлемый для высокопроизводительных термофильных штаммов хлореллы Определено значение удельного теплового потока Ц] через внутреннюю стенку холодильника, соответствующее этому режиму

Исследована динамика падения освещенности по толщине слоя культураль-ной жидкости при изменении концентрации биомассы в процессе роста, обосновано применение условия постоянства освещенности поверхности светопо-глощения для масштабирования полостного фотобиореактора, представлен расчет диаметра газовой полости

Для осветительной системы лабораторной модели полостного аппарата определены значения фотометрических характеристик и разработана методика оценки мощности осветительной системы на основе модульного принципа ее компоновки

При расчете мощности на освещение поверхности светопоглощения полостного фотобиореактора принято допущение, что из-за больших значений ускорения на поверхности газовой полости, ее форму можно считать цилиндрической Тогда диаметр газовой полости связан с диаметром реактора соотношением

На основании анализа литературных данных, а также результатов культивирования хлореллы в лабораторном образце полостного фотобиореактора принят расчетный интервал рабочих освещенностей Ер поверхности светопоглощения

ров.

О)

В ходе фотометрических исследований экспериментального образца осветительной системы (лампа + водяной холодильник) определено расстояние // на котором распределение освещенности по высоте газовой полости соответствует установленному рабочему интервалу ЕР, т е получены основные фотометрические параметры осветительного модуля (рис 2) Получены данные для кварце-во-галогенных и натриевых ламп высокого давления

Для обеспечения установленной величины ЕР на поверхности светопоглощения и постоянства величины // лампы располагаются вдоль внутренней стенки водяного холодильника по окружности диаметром й с некоторым шагом г, величина которого устанавливается экспериментально Падение максимального значения ЕР между колбами соседних ламп при этом не должно превышать 25% В зависимости от высоты реактора лампы устанавливаются в один или несколько ярусов

Таким образом, общая электрическая мощность осветительного блока определяется в ходе конструктивного расчета по уравнению

Иосв=- IV, у В, (1-*)^ -2(1, +5 + 0,5^, + <5) г

(2)

где у — число ярусов в ламповом блоке, V—/(йР /Ьп) дл ,//,

ыосв ю

Вт

80 70 60 50 40 30 20 10 0

/

Л< й

у &

¿л

1*

л

0

1

4

V, м

Рис 2 Схема осветительного модуля

♦ к=0,7 ■ к=0,6 ж к=0,5

Рис 3 Мощность, расходуемая на-освещение

В качестве примера рассмотрен вариант компоновки осветительного блока полостного фотобиореактора V - 0,1-3 2 м3 из газоразрядных натриевых ламп

ДНат-400. Зависимость мощности, расходуемой на освещение, от объема реактора (рис 3) в этом случае может быть представлена в степенной форме

^=(40,3-36к)У095 (3)

Уравнение (3) удовлетворительно описывает расчетные значения со среднеквадратичным отклонением 17%

Удельный тепловой поток, через внутреннюю стенку водяного холодильника, является параметром, значение которого ограничивает ряд объемов полостных фотобиореакгоров, подлежащих конструкторской разработке Условие работоспособности водяного холодильника

К N

_Л г "осв_ ^

(о, (1-*)^-2/,)

(4)

Расчет <у по уравнению (4) (рис 5) показывает, что водяной холодильник рассматриваемой конструкции обеспечивает соблюдение теплового режима работы осветительного блока на основе ДНат -400 для к ~0,5 и 0,6 в пределах V = 0,1-0,5м3, а для к = 0,7 - при К= 0,1-1,2 м3

q, 10 кВт/м2

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

V, м3

•к = 0,5 ■к = 0,7

-к = 0,6 -д = 7,25

Рис 4 Изменение удельного теплового потока через стенку водяного холодильника при масштабировании фотобиореактора

Глава 5. Гидродинамические и массообменные исследования полостных фотобиореакторов.

Целью гидродинамических исследований являлось определение удельной мощности N1, расходуемой на перемешивание суспензии микроводорослей и

используемой в качестве параметра масштабного перехода при расчете геометрически подобных реакторов Конструкция полостного фотобиореактора требует использования мешалок сравнительно большого диаметра Ык, ~ 0,1 Вр) Значения их окружной скорости в экспериментах достигает 10-11 м/с, что существенно превышает скорости, рекомендуемые для традиционных мешалок Однако, сведений о максимальной технологически допустимой величине ЭД в процессе выращивания хлореллы не имеется Это связано с округлой формой клеток и высокой прочностью клеточной стенки хлореллы, делающей ее нечувствительной к повышенным значениям сдвиговых напряжений, возникающих при интенсивном перемешивании

Для проведения гидродинамических и массообменных исследований полостного биореактора V = 0,01 м3 использовалась экспериментальная установка (рис 7) при отключенной осветительной системе Фотобиореактор (1) исследовался в вариантах рис 1а и 16 Перемешивающее устройство приводилось во вращение шунтовым электродвигателем постоянного тока со стробоскопическим тахометром (10) Во время массообменных исследований термостатирова-ние модельной жидкости осуществлялось ультратермостатом (7)

Измерения мощности, потребляемой системой перемешивания, производились электрическим способом при загрузке реактора водой

Мощность, расходуемая на перемешивание, определялась для значений к = 0,5, 0,6 и 0,7 и угловых скоростей вращения мешалки со = 37,7-125,7 с"1 (рис 5)

а) б)

со. 1/с ш, 1/с

-с—к = 0,5 "О—к = 0,6 -0»к = 0,5-0-к = 0,6^-к = 0,7

-й~к = 0,7

Рис 5 Удельная мощность, потребляемая системой перемешивания а) при Я = 0, б) при к = 0,5 (1), к = 0,6 (2), к = 0,7 (3) и Д = 0,05, 0,08 и 0,13 для каждого к

Минимальные затраты мощности на перемешивание получены при максимальном коэффициенте заполнения реактора (к = 0,7) Это объясняется тем, что при большем рабочем объеме реактора гибкие перемешивающие элементы вращаются в кольцевом потоке жидкости на большей глубине Величина вол-

нового сопротивления при этом минимальна и значение суммарного коэффициента сопротивления мешалки снижено

Для исследования влияния конструктивных изменений реактора на затраты мощности и массообмен использован фактор оребрения Я = Л>/Ог В цилиндрической части корпуса реактора вплотную к стенке устанавливались 4 вертикальные перегородки, ширина которых меньше обычно используемой в реакторах с перемешиванием Были выбраны 3 варианта перегородок В = (0,013-0,033)А> при значении Я = 0,05, 0,08 и 0,13 Зависимость N1 (со) для к = 0,5, 0,6 и 0,7 при Я = 0 показана на рис 5а, а при Я - 0,05, 0,08 и 0,13 для указанных значений к - на рис 56

В модернизированном реакторе при значениях со < 90 с"1 влияние как Я, так и к на величину вводимой мощности незначительно При значениях со > 90 с"1 определяющей является величина к, в то время как значение величины фактора оребрения невелико

Для расчета удельной мощности, расходуемой на перемешивание суспензии хлореллы в полостном реакторе К= 0,01 м3 с демпферной клетьевой мешалкой для 0 < Я < 0,13 и к = 0, 5 - 0,7 при рабочих значениях со < 80 с"1 предлагается выражение

Ы, =(24Я + 13}Ю~6 ю' (5)

Уравнение (5) удовлетворительно описывает данные эксперимента со среднеквадратичным отклонением 18%

При наименее энергоемком заполнении (к = 0,7) модернизация реактора приводит к увеличению мощности на перемешивание в среднем при Я - 0,05 -на 7 %, Я = 0,08 - на 13 % и Я = 0,13 - на 24 % для исследуемых пределов изменения со

Оценка массообменных характеристик полостных реакторов по кислороду (величины Ми АГ/,) проводилась по модифицированной сульфитной методике с использованием датчика р02, широко применяемой для моделирования аэробных процессов В автотрофном процессе культивирования хлореллы выделяющийся кислород должен интенсивно десорбироваться из культуральной жидкости, во избежание ингибирования фотосинтеза В гетеротрофном - происходит ассимиляция органических компонентов среды, с потреблением растворенного кислорода Полостной фотобиореактор предназначен для проведения в замкнутой экологической системе жизнеобеспечения как автотрофного, так и гетеротрофного процессов Поэтому высокие значения массообменных характеристик реактора по кислороду важны в обоих случаях

Визуальное исследование течения в прозрачном полостном фотобиореакторе показало наличие некоторого количества пузырьков, имеющих кавитационную природу. Суммарная площадь их поверхности оценивалась величиной на полтора порядка меньше, чем площадь поверхности полости Поэтому, при значе-

ниях вязкости суспензии, близких к вязкости воды, вкладом диспергированной газовой фазы в общий газообмен реактора можно пренебречь

К,. 103 50

м/с

40 30 20 10 0

/

/ к У А

'б /

10

♦ Н-0

А И - 0,08

15

Я = 0,05 | (Ч = 0,13

20

Ыу Ю3 Вт/м3

Рис 6 Зависимость коэффициента массопередачи от удельной мощности, вводимой на перемешивание

Таким образом, в отличие от барботажных биореакторов с газораспределительными устройствами, в полостных аппаратах площадь поверхности фазового контакта легко оценить геометрически

^ = -к)У\ (6)

и применять для их массообменного расчета основное уравнение массопередачи, включающее поверхностный коэффициент массопередачи К,

Зависимость К/(А',) определялась для энергосберегающего варианта заполнения биореактора - к = 0,7 Для расчета К: предлагается степенная зависимость, являющаяся описанием экспериментальных кривых (рис 6) для 0 < К < 0,13

К, = (2,65 + 38,9Л)Ю"3 ЛГ(°<7)

Уравнение (7) удовлетворительно описывает данные экспериментов со среднеквадратичным отклонением 11%

Вод сеть

о о о

Г

ю

■

и

2у

1 Полостной фотобиореактор 7 Термостат культуралыюй жидкости

2 Баллоны с ССЬ и азотом 8 Гермосгат для охлаждения источника света

3 Газовый смеситель 9 Блок управления источником света

4 Компрессор 10 Блок управления двигателем

5 Газоанализатор С02 11 Конденсатор

6 Компрессор для продувки газоанализатора.

Рис 7 Схема экспериментальной установки

Глава 6. Технологические исследования полостных фотобиореакторов.

Исследована работа полостного фотобиореактора в процессе автотрофного выращивания хлореллы на экспериментальной установке (рис 7), разработанной для аппаратов объемом до 0,01 м3

а)

б)

X г/л

о о

Рис 8 Накопительное культивирование хлореллы а) ростовые показатели; б) динамика утилизации С02

Ростовые показатели процесса, а также динамика утилизации С02 определялись в ходе накопительного культивирования в гладкостенном полостном аппарате V =0,0045 м3 а также в аппарате V = 0,01 м3 в гладкостенном и модернизированном (Л = 0,08) вариантах с лампой КГМ 220-500 (£> = 130 клк) с водяным охлаждением

Двухконтурная система приготовления и циркуляции газовой смеси содержала баллоны с углекислым газом и азотом, смеситель, компрессор и газоанализатор С02 Приготовление и подача очередной порции газовоздушной смеси в циркуляционный контур производились вручную по мере естественного падения концентрации С02 В ходе процессов культивирования контролировались скорость перемешивания, напряжение в цепи источника света, концентрация биомассы, температура, рН и рО? в культуральной жидкости, а также концентрация С02 в газовом контуре Температура культуральной жидкости поддерживалась автоматически Динамика роста биомассы до X =8,2 г СБ/л и потребления С02 в реакторе V = 0,0045 м3 показана на рис 8 Максимальное значение продуктивности реактора по биомассе б = 3,3 г СБ/л сутки соответствует X = 2,5 г СБ/л Средняя производительность по поглощению С02- 3,4 л/л сутки, по

выделению 02 - 4,6 л/л сутки Эти показатели использованы в качестве исходных данных для расчета системы освещения, а также объема, производительности и потребляемой мощности фотобиореактора для работы в составе замкнутой экологической системы жизнеобеспечения

Серия кратковременных экспериментов (рис 10) с фотосинтезирующей культурой (хлорелла) поставлена с целью исследования скорости утилизации С02 при максимальном и пониженном начальном значении р02 в культураль-ной жидкости при различных условиях ее перемешивания в реакторе V = 0,01 м3 Из-за отсутствия возможности отбора фотосинтетического кислорода из газового контура, производилась его продувка азотом перед приготовлением очередной порции газовой смеси

а)

б)

Газовая смесь

1 - Воздух + С02

2 - Воздух + азот + С02

т, ч

Газовая смесь Воздух + азот + С02 3-п, = 10 об/с,

4 - п2 = 11 об/с, 5 - п3 = 13 об/с

Рис 10 Влияние фактора оребрения на скорость утилизации С02 а) для Л = 0, б) Д = 0,08

1 Гладкостенный фотобиореактор (й = 0) Поглощение СОг из газовоздушной смеси без предварительной продувки азотом Скорость вращения мешалки п = 10 об/с, (К.1 = 5 10'3м/с) В процессе культивирования р02 > 100 % Динамика снижения концентрации СОг в атмосфере реактора показана на рис 10а Скорость утилизации С02 уменьшается по мере его потребления, составляя в среднем - 0,68 л/ч

2 Гладкостенный фотобиореактор (Я = 0) Поглощение СО2 из газовоздушной смеси с пониженным начальным содержанием 02 При предварительной продувке газового контура азотом в культуральной жидкости устанавливали значение р02 = 20 % Скорость вращения мешалки п = 10 об/с (К1 =5 10"3м/с) Дугообразная форма графика падения концентрации С02 сохранялась, однако средняя скорость утилизации С02 увеличивалась за счет пониженных значений р02 в культуральной жидкости и достигала 0,85 л/ч

3 Модернизированный фотобиореактор (/? = 0,08) Поглощение С02 из газовоздушной смеси с пониженным начальным содержанием 02 Газовоздушная смесь с предварительной продувкой контура азотом до р02 — 20 % в культуральной жидкости Динамика снижения концентрации С02 для скоростей вращения мешалки п, = 10 об/с (К1 = 12 10"3м/с), п2 = 11 об/с (К1 = 14 10"3м/с) и и? = 13 об/с (К/, = 16 103м/с) представлена на рис 106 Скорость утилизации С02 становится постоянной Для указанных п ее среднее значение составило 0,88 л/ч

Таким образом, при работе реактора на малых концентрациях С02 (1-6,5%) снижение парциального давления кислорода в газовой смеси уменьшает инги-бирующее действие фотосинтетического кислорода и увеличивает среднюю скорость утилизации С02 на 25 % Наличие конструктивных изменений реактора в этих условиях мало влияет на процесс фотосинтеза, увеличивая среднюю скорость утилизации С02 на 3,5 % Однако, для фотобиореактора УР = 0,14 м3, работающего в системе жизнеобеспечения, увеличение суточного объема утилизации С02 при этом также составит 3,5 %, что является важным показателем из-за жестких требований к соответствию коэффициентов ассимиляции хлореллы и дыхания гетеротрофных составляющих системы

Кроме того, показано, что при работе гладкостенного полостного реактора на высоких концентрациях С02(до 100%) наблюдается сильное ингибирование роста хлореллы высокими значениями р02, в культуральной жидкости, что также обуславливает преимущественное применение модернизированного полостного фотобиореактора в системах жизнеобеспечения

Основные результаты и выводы.

1 Проведена модернизация конструкции и расчет полостного фотобиореактора, обеспечивающего повышение его массообменных и эксплуатационных характеристик

2 Разработана система искусственного освещения полостного фотобиореактора с принудительным водяным охлаждением, обеспечивающая сохранение фотометрических показателей источника света в течение длительных периодов культивирования микроводорослей

3 Предложенная методика фотометрических исследований осветительной системы позволяет оценить необходимую мощность для освещения суспензии в реакторах различных объемов при использовании различных искусственных источников света

4 Показано, что фактором, ограничивающим объемный ряд полостных фото-биореакторов является конструкция и режим работы холодильника осветительного блока

5 При использовании в полостном фотобиореакторе оптимальной системы освещения на основе натриевых ламп, энергозатраты составляют в среднем - 82 % на освещение и 18 % на перемешивание

6 Предложенная конструктивная модернизация полостного фотобиореактора позволяет улучшить его эксплуатационные характеристики, а также интенсифицировать массообмен по кислороду в 2-3 раза при увеличении энергозатрат на перемешивание на 7-25 %

7 На основании технологических исследований образца полостного фотобиореактора показано, что его суточная газообменная производительность при рабочем объеме 0,14 м3 соответствует потребностям одного человека Прогнозируемая потребляемая мощность составляет 4,5 кВт, что в 6,5 раз ниже мощности, потребляемой трубчатым фотобиореактором аналогичного рабочего объема и производительности

Основные условные обозначения.

В - ширина отражательной перегородки, м, Ъ - коэффициент высоты водяного холодильника, Ор — внутренний диаметр реактора, м ,

Ер — рабочая освещенность поверхности светопоглощения, лк, /•я — площадь поверхности газовой полости, J- количество отражательных перегородок, К.1 -коэффициент массопередачи, м/с,

к - коэффициент заполнения реактора без учета объема осветительного блока, К/ — коэффициент теплового действия источника света,

- длина и диаметр колбы лампы, мм, М-удельная скорость сорбции кислорода, кг О2/М3 ч N1 - удельная мощность, расходуемая на перемешивание, Вт/м3, Мое в ~ мощность, расходуемая на освещение, Вт, ц- удельный тепловой поток, Вт/м2, Я - фактор оребрения, V- полный объем реактора, м3,

Vp -рабочий объем реактора, л<3,

Wji , - электрическая мощность лампы, Вт, Х- концентрация сухой биомассы микроводорослей, г А СБ /л , îj-кпд источника света, со - угловая скорость, с"1,

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1 Gladyshev Р А, Karlov S Р 7 Kazemn D А, Zhavoronkov V A. A new type of apparatus - cavity photobioreactor // Mixing in chemical and bioreactors Abstr International symposium - Riga, 1992 - P 19

2. Gladyshev P A , Kazemn D A, Shitikov E S , Zhavoronkov V A A specific character of the transfer processes in the photobioreactors // Mixing in chemical and bioreactors Abstr International symposium - Riga 1992 -P 18

3 Жаворонков В A , Казенин Д A, Карлов С П, Гладышев П А , Махоткина Т А Аппарат для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов Патент SU 1828660 A3 С12М, А с № 842104 // Б и - 1992 № 26

4 Гладышев П А , Крамм Э А , Глушко С H Установка для изучения гидравлических и массообменных характеристик пленочных фотобиореакторов// Тез Докл XLVI науч-техн конфер МГАХМ -М, 1995 - С 32-33

5 Жаворонков В А , Казенин Д А , Карлов С П , Шитиков Е С., Глущук JT П, Гладышев П А Специфика процессов переноса в фотобиореакторах // Процессы и аппараты химической и биологической техники, вып 2 - Сб трудов МГАХМ -М, 1997 - С 59-66

6 Бондаренко Е В , Гладышев П А , Жаворонков В А Биорегенерация воздуха в искусственных экосистемах и системах жизнеобеспечения // Инженерная защита окружающей среды Тез докл V-й Междунар конф МГУИЭ - М, 2003 - С 26

7 Бондаренко Е В Гладышев П А Жаворонков В А Казенин Д А Перспективы использования полостных фотобиореакторов в замкнутых системах жизнеобеспечения // Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии Материалы 11 -й Междунар конф - Ялта-Гурзуф, 2003 - С

8 Гладышев П А , Казенин Д А Энергозатраты на перемешивание и модульная организация светоподвода в фотобиореакторах для замкнутых экосистем // Математические методы в технике и технологиях Сб трудов XIX Междунар науч конф - Воронеж, 2006 - С 50-52

9 Гладышев П А , Бирюков В В Массообмен в полостных фотобиореакторах с отражательными перегородками // Химическое и нефтегазовое машиностроение -2007 - №3 -С 7-8.

225-226

Гладышев Павел Александрович

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 19 04 2007 г Формат 60x90, 1/16 Объем 1,0 п л Тираж 100 экз Заказ № 145

Отпечатано в ООО "Фирма Блок" 107140, г Москва, ул Краснопрудная, вл 13 т. 264-30-73 www.blokOl centre narod ru Изготовление брошюр, авторефератов, печать и переплет диссертаций

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Гладышев, Павел Александрович

Условные обозначения

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Зеленые растения как основное звено замкнутой экологической системы жизнеобеспечения

1.2. Влияние экологических и технологических факторов на ростовые и газообменные показатели процесса культивирования хлореллы в условиях замкнутой системы жизнеобеспечения

1.2.1. Питательные среды

1.2.2. Световой фактор

1.2.3. Температурный режим

1.2.4. Перемешивание культуральной жидкости

1.2.5. Зависимость фотосинтеза от концентрации углекислого газа

1.2.6. Зависимость фотосинтеза от концентрации кислорода

1.2.7. Сопутствующая микрофлора

1.3. Обзор конструкций фотобиореакторов для культивирования хлореллы и других фотосинтезирующих микроорганизмов.

1.4. Постановка задачи исследования

Глава 2. Выбор аппаратурного оформления процесса культивирования хлореллы

Глава 3. Конструктивные особенности систем перемешивания полостных фотобиореакторов

3.1. Выбор типа перемешивающего устройства

3.2. Конструкция корпуса реактора

Глава 4. Разработка осветительной системы полостных фотобиореакторов

4.1. Выбор искусственных источников света

4.2. Разработка охлаждающего устройства

4.3. Методика проведения фотометрических исследований

4.4. Расчет мощности осветительной системы при масштабировании фотобиореакторов

Глава 5. Гидродинамические и массообменные исследования полостных фотобиореакторов

5.1. Экспериментальная установка

5.2. Измерение мощности, потребляемой системой перемешивания

5.2.1. Гладкостенный полостной реактор

5.2.2. Полостной реактор с внутренним оребрением корпуса

5.3. Массообменные исследования полостных фотобиореакторов

Глава 6. Технологические исследования полостного фотобиореактора

6.1. Подготовка посевного материала

6.2. Описание экспериментальной установки

6.3. Накопительное культивирование хлореллы

6.4. Влияние оребрения корпуса фотобиореактора на скорость утилизации СО

6.5. Рекомендации по использованию полостных фотобиореакторов в замкнутых экологических системах жизнеобеспечения 125 Основные результаты и выводы 127 Список литературы 128 Приложения

Условные обозначения.

В - ширина отражательной перегородки, м;

С - текущее значение концентрации газа, растворенного в жидкости, кг/м3 ; Ср - равновесная концентрация газа, растворенного в жидкости, кг/м3; с- удельная теплоемкость, Дж/кг-град;

D - диаметр установочной окружности для источников света, м ; Dp- внутренний диаметр реактора, м ; dn - диаметр полости, м; dut - диаметр мешалки, м; dm > dsx ~ наружный и внутренний диаметры водяного холодильника, м; Nocb~ мощность, расходуемая на освещение, Вт; Е - освещенность, лк;

F - площадь поверхности теплопередачи, м;

Fx - расход хладагента, кг/с;

Fn - площадь поверхности газовой полости, м2;

G - продуктивность реактора, г/л-сутки;

НР- высота реактора, м;

J - количество отражательных перегородок;

KLa - объемный коэффициент массопередачи, 1/с;

KL - поверхностный коэффициент массопередачи, м/с ;

KN- критерий мощности;

КТ- коэффициент теплового действия источника света; к - номинальный коэффициент заполнения реактора; кИ - коэффициент заполнения реактора; - расстояние между поверхностями светоподвода и светопоглощения, м ; М- удельная скорость абсорбции кислорода, кг 02/м3-ч; N- мощность, расходуемая на перемешивание, Вт; Ny- удельная мощность, расходуемая на перемешивание, Вт/м; Nocb~ мощность, расходуемая на освещение, Вт; п - скорость вращения мешалки, об/с; q- удельный тепловой поток, Вт/м ;

R - фактор оребрения; г - шаг установки источников света, м;

Up - рабочее напряжение, В;

V- полный объем реактора, м ;

VP - рабочий объем реактора, м3;

W-электрическая мощность, Вт;

IVуд- удельные энергозатраты, кВт-ч/кг;

Х- концентрация сухой биомассы микроводорослей, г СБ /л ; s - скорость диссипации энергии в единице массы, Вт/кг; rj - коэффициент полезного действия; л - коэффициент скорости роста, ч"7; р - плотность культуральной жидкости, кг/м\ т - время, с; со - угловая скорость, с'1;

Введение Диссертация по биологии, на тему "Разработка фотобиореакторов для замкнутых экологических систем жизнеобеспечения"

Разработка и исследование замкнутых искусственных экологических систем ассоциируется с решением проблемы обеспечения надежных условий жизнедеятельности экипажей подводных, космических и подземных гермообъектов, исследователей пустынных и высокогорных районов, Арктики и Антарктиды, деятельность которых связана с длительным существованием вне пределов земной биосферы.

Проблема создания в гермообъекте необходимых для жизни условий чрезвычайно сложна. При этом уделяется внимание как биологическим, так и инженерным вопросам. Самым важным соображением при этом является продолжительность экспедиции, для которой предназначен гермообъект. К физиологическим факторам, служащим отправной точкой для выявления основных характеристик искусственной экологической системы относятся интенсивность обмена веществ экипажа, в частности скорости потребления кислорода и выделения углекислого газа, количество необходимой воды, а также температура и влажность окружающей среды, и допустимый уровень ее загрязнения. С этими параметрами связаны и такие, как численность экипажа, возможность перезарядки системы во время экспедиции, число планируемых выходов членов экипажа из гермообъекта и количество необходимых запасов.

Искусственные экосистемы полузамкнутого типа, разработанные для жизнеобеспечения человека и действующие на гермообъектах в настоящее время, можно рассматривать как группу связанных между собой подсистем: кондиционирования воздуха, обеспечения водой, обработки продуктов жизнедеятельности, терморегуляции.

В подсистему кондиционирования воздуха входят запасы дыхательных смесей, вентиляционное оборудование, устройства для очистки и обработки газовых смесей (удаления запахов, углекислого газа, твердых частиц и других загрязнений, а также поддержания необходимых значений влажности, температуры и давления). Подсистемы обеспечения водой и обработки продуктов жизнедеятельности экипажа снабжают его питьевой водой и водой для личной гигиены, а также обрабатывают и при необходимости хранят в виде отходов продукты жизнедеятельности. Подсистема терморегуляции поддерживает в пространстве гермообъекта оптимальную температуру.

Полузамкнутая искусственная экосистема не удовлетворяет требованиям продолжительных экспедиций. Одним из вариантов решения этой проблемы является копирование замкнутой экологической системы жизнеобеспечения (ЗЭСЖО), частью которой является на Земле человек.

Для длительной автономной работы человека вне пределов земной биосферы, потребуется система, в основе работы которой лежит непрерывный материальный и энергетический обмен между животным и растительным миром и круговорот воды. Основным звеном такой системы является блок фотосинтеза, в котором выделяемый человеком углекислый газ преобразуется в кислород и углерод, являющийся составной частью питания растений. Следует заметить, что в состоянии непрерывного внутреннего обмена в ЗЭСЖО может находиться только вещество, в то время как энергия для такой системы должна поступать от внешнего источника. Такой источник энергии может быть искусственным или естественным, например, Солнце, при работе гермообъекта в пределах Солнечной системы.

Принципиальная возможность реализации ЗЭСЖО была показана в длительных модельных экспериментах на Земле и в космосе. В ходе экспериментов с одноклеточными водорослями и высшими растениями на борту российских биоспутников и орбитальных станций выявлено, что функциональные возможности фотоавтотрофного звена ЗЭСЖО не зависят от гравитационного фактора, т.е. низшие и высшие фототрофные организмы способны в невесомости обеспечить продукционный процесс, сопоставимый с таковым на Земле.

Продвижение замкнутых экосистем в гермообъекты, в частности на борт космических летательных аппаратов тормозится, на наш взгляд, отсутствием эффективного аппаратурно-технологического оформления процессов культивирования микроводорослей. Предлагаемые в данной работе конструкции фотобиореакторов (ФБР), характеризующихся высокой производительностью, умеренными энергозатратами, компактностью и универсальностью позволяют прогнозировать их устойчивую работу и достижение высоких показателей в ЗЭСЖО наземных, подводных и космических гермообъектов.

Все исследования реакторов, представленных в работе, проводились в условиях гравитации, поэтому о перспективах их использования в условиях невесомости сообщается в отдельных главах в виде примечаний.

Цель работы

Разработка фотобиореакторов для автотрофного и гетеротрофного культивирования микроводорослей в составе замкнутых экологических систем жизнеобеспечения.

Для достижения этой цели проведены исследования, включающие решение следующих задач научного и прикладного характера:

- анализ конструкций фотобиореакторов с точки зрения возможности их использования в искусственных экосистемах;

- разработка компактных фотобиореакторов с высокими значениями массо-обменных характеристик, работающих на высоких концентрациях биомассы;

- изучение влияния режимов светоподвода и перемешивания суспензии в на ростовые характеристики биомассы и скорость утилизации СО2;

- разработка методики оценки и оптимизации энергозатрат в процессах культивирования микроводорослей.

Научная новизна.

- предложена конструкция полостного фотобиореактора с механическим перемешиванием для аппаратурно-технологического оформления водорослевого звена замкнутой экологической системы жизнеобеспечения;

- предложена конструктивная модернизация гладкостенного полостного фотобиореактора с целью улучшения его массообменных и эксплуатационных характеристик;

- установлена зависимость гидродинамических и массообменных характеристик модернизированного полостного реактора от величин его конструктивных параметров;

- исследовано влияние конструктивных параметров модернизированного фотобиореактора на скорость утилизации СО2;

- предложен параметр масштабирования полостного фотобиореактора, основанный на постоянстве освещенности поверхности газовой полости;

- разработана методика оценки затрат мощности на освещение газовой полости фотобиореактора.

Практическая ценность.

- разработаны и изготовлены лабораторные модели фотобиореакторов с механическим перемешиванием, предназначенные для культивирования микроводорослей с различными типами питания и уровнями клеточной организации;

- по результатам экспериментальных исследований для полостных фотобиореакторов установлены основные рекомендуемые технические характеристики: оптимальный коэффициент заполнения, рациональные энергозатраты на перемешивание и освещение;

- разработано техническое решение, в т.ч. оптимальное внутреннее оребрение реактора, обеспечивающее значительное снижение циклических нагрузок на корпус реактора и опорную конструкцию установки;

- разработан и апробирован макет теплообменного устройства, обеспечивающий поддержание оптимального температурного режима работы осветительного блока, а также постоянство его оптических характеристик;

- для облучения поверхности светопоглощения полостных фотобиореакторов рекомендовано использование натриевых ламп высокого давления, обеспечивающих оптимальный спектральный состав света;

- предложенная энергосберегающая конструкция модернизированного фотобиореактора рекомендована для замкнуты экологических систем жизнеобеспечения, работающих в условиях невесомости.

Положения, выносимые на защиту

1.Для аппаратурного оформления фототрофного звена замкнутой искусственной экосистемы рекомендуются реакторы с жидкостным потоком, формирующимся под действием центробежных сил - полостные реакторы с механическим перемешиванием, в которых реализован принцип совмещения зон сорбции и светоподвода.

2. Система искусственного освещения полостного фотобиореактора с принудительным водяным охлаждением, обеспечивает сохранение фотометрических показателей источника света в течение длительных периодов культивирования хлореллы.

3 Модульный принцип компоновки лампового блока позволяет оценить его мощность при масштабировании полостного фотобиореактора.

4.Фактором, ограничивающим объемный ряд полостных фотобиореакторов, является совокупность конструктивных параметров холодильника осветительного блока.

5. Модернизация корпуса полостного ФБР обуславливает значительное увеличение интенсивности массообмена в системе газ-жидкость при минимальных дополнительных затратах мощности.

6. Суточная газообменная производительность реактора рабочим объемом 140 л соответствует потребностям одного человека.

Основные публикации по работе выполнены в соавторстве с В.А. Жаворон-ковым и Д.А. Казениным. При этом соискателем проведены все экспериментальные исследования и расчеты. В.А. Жаворонков предложил классификацию ФБР, разработку фотобиореакторов на основе совмещения зон сорбции и светоподвода, использование демпферных мешалок для создания потока кольцевидного сечения в ФБР, а также принимал участие в проектировании образцов лабораторных реакторов, представленных в работе. Д.А. Казенин предложил подход к массообменным исследованиям полостных ФБР, принимал участие в обсуждении результатов экспериментов, их математического описания, а также в редактировании публикаций и текста работы.

Соискателем показана необходимость интенсификации массообмена в глад-костенном полостном ФБР при его использовании в замкнутых системах жизнеобеспечения, для чего предложена конструктивная модернизация корпуса реактора; разработаны методики фотометрических исследований и оценки мощности осветительной системы; установлены рекомендуемые значения основных технических характеристик и предложен параметр масштабирования полостных фотобиореакторов; разработаны и смонтированы все представленные в работе экспериментальные установки, предложено математическое описание и проведена статистическая обработка экспериментальных данных; полученные результаты, оформленные в виде статей и тезисов, апробированы на 5 конференциях.

Таким образом, вклад соискателя в работу является определяющим.

Заключение Диссертация по теме "Биотехнология", Гладышев, Павел Александрович

Основные результаты и выводы.

1. Проведена модернизация конструкции и расчет полостного фотобиореактора, обеспечивающего повышение его массообменных и эксплуатационных характеристик.

2. Разработана система искусственного освещения полостного фотобиореактора с принудительным водяным охлаждением, обеспечивающая сохранение фотометрических показателей источника света в течение длительных периодов культивирования микроводорослей.

3. Предложенная методика фотометрических исследований осветительной системы позволяет оценить необходимую мощность для освещения суспензии в реакторах различных объемов при использовании различных искусственных источников света.

4. Показано, что фактором, ограничивающим объемный ряд полостных фото-биореакторов является конструкция и режим работы холодильника осветительного блока.

5. При использовании в полостном фотобиореакторе оптимальной системы освещения на основе натриевых ламп, энергозатраты составляют в среднем - 82 % на освещение и 18 % на перемешивание.

6. Предложенная конструктивная модернизация полостного фотобиореактора позволяет улучшить его эксплуатационные характеристики, а также интенсифицировать массообмен по кислороду в 2-3 раза при увеличении энергозатрат на перемешивание на 7-25 %.

7. На основании технологических исследований образца полостного фотобиореактора показано, что его суточная газообменная производительность при раЛ бочем объеме 0,14 м соответствует потребностям одного человека. Прогнозируемая потребляемая мощность составляет 4,5 кВт, что в 6,5 раз ниже мощности, потребляемой трубчатым фотобиореактором аналогичного рабочего объема и производительности.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Гладышев, Павел Александрович, Москва

1. Гришин Ю.И. Искусственные космические экосистемы. М.: Знание. 1989.

2. Сычев В.Н., Левинских М.А., Подольский И.Г., Шепелев Е.Я. Продукционный процесс фотоавтотрофных организмов в условиях невесомости. Тез. докл. Росс, конфер. Проблемы обитаемости в гермообъектах. - М.: 2001 с. 184-186.

3. Ничипорович А.А., Семененко В.Е., Владимирова М.Т. Интенсификация фотосинтетической продуктивности культуры одноклеточных водорослей // Изв. АН СССР Сер. биол. 1962 № 2 с. 163-172.

4. Hausheld A.H.W., Nelson C.D., Krotkov G. The effect of light quality of the products of photosynthesis in green and blue-green algae and in photosynthesis bacteria // Can. 1962 Vol 40, № 12 p. 1619-1630.

5. Жаворонков В.А. Разработка фотобиореакторов для интенсивного культивирования микроорганизмов; дис. канд. техн. наук. М., 1987.

6. Глаголева Т.А., Чулановская М.В., Заленский О.В. Фотосинтетический метаболизм и энергетика хлореллы (экологические аспекты) Л.: Наука 1987 119с.

7. Тюрин В.И. Особенности пожаров и борьбы с ними в гермообъектах. Тез. докл. Росс, конфер. Проблемы обитаемости в гермообъектах. М.: 2001 с. 191193.

8. Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология: Учебник. М.: Изд-во моек, унта 1985. 376с.

9. Пиневич В.В., Верзилин И.Н., Маслов Ю.И. Влияние различных источников азота на рост и накопление массы в Chlorella pyrenoidosa.-Вестник ЛГУ 1961 №9 с. 16-25.

10. Рерберг М.С., Воробьева Т.И. Сравнительный рост протококковых водорослей на минеральных средах и органической среде "Б" В сб. Управляемое культивирование микроводорослей. - М.: 1964.

11. М.Я. Сальникова. Хлорелла новый вид корма. - М.: Колос, 1977, 96 с.

12. А. с. № 597540, Б.И. 1971, №22

13. Анисимов О.А. и др. Промышленные установки для культивирования микроорганизмов: Обзор. М.: ВНИИБиотехника, 1973, 20 с.

14. Непрерывное культивирование микроорганизмов. Промышленные установки для культивирования микроводорослей, НИИТЭИ, М.: 1975,80 с.

15. Ковров Б. Г. Управляемое культивирование микроводорослей.- М.: Наука, 1964, 130 с.

16. Штоль А.А. Расчет и конструирование культиваторов для одноклеточных водорослей,- Красноярск: СО АН СССР, 1976,96 с.

17. Управляемый биосинтез и биофизика популяций. Материалы II Всес. со-вещ. Красноярск: 1969,452 с.

18. Проблемы создания биолого-технических систем жизнеобеспечения человека. Новосибирск: Наука, 1975, 272 с.

19. Технология и аппаратура для культивирования фототрофов и культур тканей. -М.: ОРИСО Главмикробиопром, 1984, 144 с.

20. Ward С.Н., Miller R.L. Agal systems for biological food synthesis. In: The Closed Life Support Sistem, NASA Scientific Publication -134: 213-224,1967.

21. Ward С H., Miller R.L. Algal bioregenerative systems for space life support // The Physiologist, Vol. 27, No. 6, Suppl., 1984.

22. Корягин B.B. и др. Установка для выращивания галобактерий в кн.: Процессы и аппараты для микробиологических производств. Биотехника-86. Тез. докл. Всес. конфер. г. Грозный, М.: 1986, с. 10-11.

23. Нестеров Б.Ф. Биореактор с клиновидными световодами. В кн. Проблемы создания биолого-технических систем жизнеобеспечения человека. Новосибирск: Наука, 1975 с. 160-164.

24. Oguchi M. Utilization of algae for CELSS 24-25 June 1991 Biosphere-CELSS Symposium in Krasnoyarsk. Report 9 pp.

25. Jamato Complete Catalog for scientific installations and instruments, 1989-90, p.74.

26. Малек И., Фенцель 3. Непрерывное культивирование микроорганизмов. -М.: Пищевая промышленность, 1968, 346 с.

27. Патент Японии № 46—28817,1971.

28. Патент Швейцарии № 537451, 1971.

29. Патент Японии № 44—8827,1969.

30. А.с.№ 377150, Б.и. 1981, №15.

31. Цоглин JI.H., Габель Б.В., Фалькович Е.Н., Семененко В.Е. Фотобиореакто-ры закрытого типа для культивирования микроводорослей. // Физиология растений, 1996, т.43 № 1 с. 149-155.

32. А.с. № 969211, Б.и. 1983, № 11.

33. Батыров А.Ш. К вопросу о культивировании микроводорослей с использованием солнечной энергии.- Инф. листок НИИНТИ. Ашхабад:- 1981.- с. 1920.

34. J.C. Ogbonna, Н. Tanaka.Industrial size photobioreactors,- Chemtech, 1997, 27(7), p. 43-49.

35. Шарп M.P. Человек в космосе. М.: Мир, 1970,200 с.

36. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х т. Пер с англ.- М.: Мир, 1985.

37. Демидов Э.Д., Керимов С.Х., Бородин В.Б., Белл Л.Н., Фотосинтез и фотодыхание клеток хлореллы, адаптированных к низким и высоким концентрациям углекислоты. // Физиология растений. 1980. Т.27, вып. 5 с. 1018-1023.

38. Малоземов В.В. Системы жизнеобеспечения экипажей летательных аппаратов,- М.: Высшая школа, 1986.

39. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. Л.: Химия, 1975, 384 с.

40. Акыев А.Я., Цоглин Л.Н. Газообмен и накопление биомассы в клеточном цикле Chlorella ippas С-1 в зависимости от содержания Ог в культуральной среде. // Физиология растений, 1994, т.43, № 2 с.203-208.

41. Пульц О. Плоскостной фотобиореактор закрытого типа для продукции биомассы микроводорослей. // Физиология растений, 1994, т.41, № 2, с. 292298.

42. Патент SU 1828660 A3 А.с. № 842104 Б. и. 1992, № 26. Аппарат для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. Жаворонков В.А., Казе-нин Д.А., Карлов С.П., Гладышев П.А., Махоткина Т.А.

43. Общий каталог OSRAM 2005 г.

44. Общий каталог PHILIPS 2005 г.

45. Справочная книга по светотехнике. /Под ред. А.Б. Айзенберга М.: Энер-гоатомиздат, 1983. - 472 с.

46. Клейн P.M., Клейн Д.Т. Методы исследования растений. М.: Колос, 1974. -526 с.

47. Комиссаров Г.Г. Фотосинтез: физико-химический подход. М.: Едиториал УРСС, 2003.-224 с.

48. Картинцев А.В., Жаворонков В.А. Использование биологически активных веществ в производстве аналогов лососевых рыб.- Материалы Межд. конф. «Технология переработки гидробионтов». -М.: 1994.С.120-121.

49. Эпштейн М.И. Измерения оптического излучения в электронике. М.: «Энергия», 1975.-248 с.

50. Springer М. Examination of the Influence Parameters of the Apparent C02/02 Gas Exchange as Limiting Factors of the Biomass Production of Plants at the Example of Microalgae // Intermed.Rep., Berholz-Rehbrucke, 1993.

51. Аманов Ч.А. Температурный и радиационный режим промышленных фотореакторов по производству хлореллы.- А.: Ылым, 1989.- 308 с.

52. Жаворонков В.А., Казенин Д.А., Карлов С.П., Шитиков Е.С, Глущук Л.П., Гладышев П.А. Специфика процессов переноса в фотобиореакторах. в сб. Труды МГАХМ, вып.2, «Процессы и аппараты химической и биологической техники». -М.: 1997. с. 59-66.

53. Gladyshev Р.А., Kazenin D.A., Shitikov E.S., Zhavoronkov V.A. A specific character of the transfer processes in the photobioreactors. Abstr. International Sim-posium « Mixing in chemical and bioreactors», Riga 1992, p. 18.

54. Gladyshev P.A., Karlov S.P., Kazenin D.A., Zhavoronkov V.A. A new type of apparatus cavity photobioreactor. Abstr. International symposium « Mixing in chemical and bioreactors». Riga, 1992, p 19.

55. Zlokarnik М. Sorption characteristics for gas-liquid contacting in mixing vessels.// Adv. Biochem.Eng., №8,1978, c.135-150.

56. Чиков В.И. Фотодыхание. // Соросовский образовательный журнал, №11, 1996, с. 2-8.

57. Белянин В.Н., Сидько Ф.Я., Тренкеншу А.П. Энергетика фотосинтезирую-щей культуры микроводорослей. Новосибирск: Наука, 1980. 134 с.

58. Кулаков М.В.Технологические измерения и приборы для химических производств. -М.: Машиностроение, 1983, с.321-329.

59. Соколов Д.П., Бирюков В.В. Определение объемного коэффициента массопередачи в ферментере динамическим методом скачка давления: Методические указания./ МИХМ. М.,1987. 28 с.

60. Вентцель Е.С. Теория вероятностей.- М.: Наука, 1969, 572 с.

61. Монахов В.Н., Першин А.С. Обработка результатов физического эксперимента. Методические указания. М.: МИХМ, 1985, 32 с.

62. А.с. № 1570678. Б.и. 1990 № 22 Аппарат для выращивания фотосинтези-рующих микроорганизмов. Жаворонков В.А., Зыков Д.К., Воротников А.А., Махоткина Т.А., Казенин Д.А. Пр. 10.06.1988.

63. А.с. № 458572. Б.и. 1975 № 4. Аппарат для культивирования фотосинтези-рующих микроорганизмов. Николаев П.И., Соколов Д.П., Соколова Е.А., Жаворонков В.А., Чистяков А.В. Пр. 23.02.1973.

64. А.С. № 286993. Б.и. 1970 № 35. Способ окисления сульфита Ефремов Ю.В., Кантере В.М., Крылов Ю.М. Пр. 24.07.1969.

65. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах: Физические основы и инженерные методы расчета. Д.: Химия, 1984. -336 с.

66. Аманназаров А., Шарнопольский А. И. Методы и приборы для определения кислорода (газовый анализ): Справочник. М.: Химия, 1988.144 с

67. Лампы накаливания кварцевые галогенные. Инструкция по эксплуатации. 1972.

68. Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии. Пер. англ. в 2-х частях. М.: Мир, 1989.

69. Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев Л.С. Моделирование биохимических реакторов.- М.: Лесная пром-сть, 1979.- 344 с.

70. Виестур У.Э., Кузнецов A.M., Савенков В.В. Системы ферментации,- Рига: Зинатне, 1886. 368 с.

71. Salisbury F.B., Gitelson J.I., Lisovsky G.M. Bios-3: Siberian Experiments in Bioregenerative Life Support. // Bioscience, vol 47, №8,1997.

72. Соколов Д.П., Соколова E.A. Определение массообменных характеристик биохимических реакторов. Методические указания. М.: МИХМ, 1981, 11с.

73. Baquerise D, Nouals S, Isambert A et al. Modelling of a continuous pilot photo-bioreactor for microalgae production. // Journal of Biotechnology 70, 1999, p.335-342.

74. Бирюков B.B. Основы промышленной биотехнологии. M.: КолосС, 2004. 296 с.

75. Патент RU № 2151443. Световой прибор. Минаев И.Ф, Архипов Ю.А и др. 2002 г.

76. Жаворонков В.А., Казенин Д.А., Шитиков Е.С. О зависимости скорости роста биомассы в фотобиореакторе от коэффициента массообмена на светопод-водящей поверхности. // Биотехнология, 1991, № 2.

77. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии М.: Химия, 1987.- 496 с.

78. Пименова М.Н., Гречушкина Н.Н., Азова Л.Г. Руководство к практическим занятиям по микробиологии. М.: Изд- во Моск. ун-та, 1971,- 221 с.

79. Варфоломеев С.Д., Калюжный С.В. Биотехнология: Кинетические основы микробиологических процессов.- М.: Высш. шк., 1990, -296 с.

80. Грачева И.М., Иванова Л.А., Кантере В.М. Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и биоэнергия. М.: Колос, 1992, 383 с.

81. Чепура И.В., Казенин Д.А., Петров И.А., Жаворонков В.А. Гидродинамика перемешивания в полостных аппаратах с мешалками,- в сб. научных трудов МГУИЭ. Вып.З «Механика, теплофизика, экология» 2006, с.267-274.

82. Самуилов В.Д., Олескин А.В. Технологическая биоэнергетика: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГУ, 1994,192с.

83. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977, 344 с.1. СОЮЗ СОВЕТСКИХ1. СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ1. РЕСПУБЛИК

84. ГОСУДАРСТВЕ КНОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТвО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

85. ДЛЯ СЛУЖЕБНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ ЭКЗ. №1. С 601. SLL„> 1828660 A3505 С 12 М 1/00. А 01 G 33/021. ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ1. К ПАТЕНТУ121.4660254/1322.09.03.89

86. Московский институт химического машиностроения

87. В.А.Жаворонков, ДАКазенин, С.П.Карлов, П.А.Гладышев и Т.А.Махоткина73. В.А.Жаворонков

88. Авторское свидетельство СССР № 842104. кл. С 12 М 1/02, 1981.

89. АППАРАТ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИХ МИКРООРГАНИЗМОВ

90. Изобретение относится к биотехнологии, к аппаратам для выращивания фотосин-тезирующих микроорганизмов, например, микроводорослей -.-епйрулины или хлореллы.

91. Целью изобретения является повышение производительности за счет более полного освещения культуры микроорганизмов.

92. На чертеже изображен аппарат, продольный разрез.

93. Источник света 7 заключен в свегопрозрачный защитный кожух 12, имеющий двойные стенки, с образованием между ними полости 13 для жидкости, служащей хлада00 к> оо сь1. OS