Фотобиореакторы для культивирования микроводорослей с целью получения из них биотоплива

В настоящее время наблюдается довольно быстрое сокращение разведанных ресурсов ископаемого энергетического сырья, что вынуждает мировое сообщество интенсивно осваивать возобновляемые источники энергии, среди которых биомасса растений занимает первое место по потреблению возобновляемой энергии. Около 35% потребления энергии в развивающихся странах покрывается за счет топлива и энергетических ресурсов, получаемых из биомассы.

Второй, еще более серьезный аргумент в пользу топлива из растительных материалов – это необходимость уменьшить негативное антропогенное воздействие на климат планеты.

Постепенная замена угля, природного газа и нефтепродуктов биотопливом из возобновляемых растительных материалов позволит восстановить и поддерживать баланс углекислого газа в атмосфере [3, c. 2].

Поиск и промышленная разработка альтернативного высокопродуктивного растительного сырья для производства биотоплива актуальны сегодня. Все больше и больше внимания уделяется развитию технологий разведения и переработки микроводорослей в различные виды биотоплива [4, c. 103].

Сейчас актуальны поиски и промышленное освоение альтернативного растительного сырья высокой продуктивности для получения биотоплива. Повышенное внимание уделяется разработке технологий культивирования и переработки микроводорослей в различные виды биотоплива. Это связано с неоспоримыми преимуществами культивирования микроводорослей перед традиционным растениеводством в сфере производства биомассы энергетического назначения:

• микроводоросли обладают исключительно высокой производительностью, в сотни раз превышающей урожайность современных сельскохозяйственных культур;
• организация производства микроводорослей возможна на площадях, не пригодных для земледелия.

Различные виды микроводорослей сильно различаются по своему химическому составу и, в зависимости от конкретных практических задач, могут использоваться в качестве источника энергии для производства любого биотоплива, которое существует сегодня [1, c. 125].

Особый интерес представляют микроводоросли, которые можно выращивать как в открытых водоемах (засоленные пруды и озера), так и в полностью контролируемых условиях с применением фотобиореакторов, которые подразделяют на лабораторные и промышленные установки. Конструкции лабораторных фотобиореакторов за время своего развития претерпели значительные изменения – начиная с пробирки, колбы и чашки Петри, которые освещаются извне, до плоских конструкций, содержащих светодиоды. Конструкции промышленных фотобиореаторов так же прошли эволюционный путь от открытых водоемов до закрытых трубчатых и емкостных аппаратов.

Биореакторы подразделяют на три основные группы:

• реакторы с механическим перемешиванием;
• барботажные колонны, через которые для перемешивания содержимого пропускают воздух;
• эрлифтные реакторы с внутренней или внешней циркуляцией.

Рассмотрим представленные биореакторы более подробно.

Одним из самых простых лабораторных биореакторов является освещаемая чашка Петри, колба или пробирка. Не смотря на свою простоту использования в таком виде, у биореактора есть и свой недостаток - неравномерность освещения объектов внутри сосуда. Это приводит к тому, что использовать данный тип реактора нельзя для получения результатов [5, c. 20].

Для проведения исследований и получения реальных результатов был изобретен ферментер, который имеет вертикально положение, а не горизонтальное для экономии пространства. Жидкость движется, перемешивается и насыщается в данном типе биореактора с помощью эрлифтовой системы.

При проектировании промышленных биореакторов одним из главных условий было наличие большего освещения в установке, что способствовало появлению светодиодов с их широкими потенциальными возможностями, так как они имеют малые размеры, экономят энергию и имеют высокую насыщенность света.

Биореакторы с механическим перемешиванием представляют собой емкости, в которых на дне вращается мешалка, которая состоит из 2-5 лопастей в зависимости от размера реактора. В данных лопастях находятся отверстия, из которых выходит воздух, тем самым перемешивая и насыщая биомассу необходимым для роста кислородом.

Другим видом промышленных биореакторов являются барботажные колонны и эрлифтные реакторы, которые имеют преимущество перед реакторами с механическим перешиванием, так как они более экономичны и в них отсутствуют пути проникновения посторонних микроорганизмов. В данном типе фотобиореактора воздух подается по всей площади из нижней части установки, что обеспечивает равномерное распределение кислорода и при перемешивании биомасса не склеивается между собой [2, c. 748].

В настоящее время существует 2 вида эрлифтовых биореакторов: с внешней и внутренней циркуляцией. Эрлифтовый реактор представляет собой цилиндрический биореактор с подачей воздуха из нижней части. Реакторы с внутренней циркуляцией представляют собой емкость с центральной трубой, где происходит перемешивание суспензии. Реакторы с внешней циркуляцией представляют собой систему «цилиндр в цилиндре», таким образом, суспензия проходит через отдельные каналы. Перемешивание в данном типе биореактора более интенсивно, чем в вышеперечисленных и вероятность слипания пузырьков и суспензии минимальна.

Не смотря на все плюсы выращивания микроводорослей и использования их в качестве биотоплива, они так же имеют свои недостатки. Для приращения биомассы необходимо создавать и постоянно поддерживать определенные условия среды. Так же микроводоросли нуждаются в подкормке, специальной питательной среде, которая будет насыщать водоросли необходимыми витаминами, минералами, микро- и макроэлементами.