CS276119B6 - Způsob velkoplošné kultivace fotoautotrofnich řas a ainic a zařízeni k prováděni tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Způsob velkoplošné kultivace fotoautotrofních řa3 a sinic pod širým nebem, přičemž oxidem uhličitým nasycená suspenze řas, obohacená potřebnými živinami, stéká po spádových plochách. Dále se řešeni týká příslušného zařízeni. Jehož podstata spočívá v tom, že spádové plochy máji sklon 1 až 2 % a jsou opatřeny prostředky pro zajištěni turbulence toku.

Description

Vynález se týká způsobu velkoplošné kultivace fotoautotrofních řas a sinic pod širým nebem, přičemž oxidem uhličitým nasycená suspenze řas obohacená potřebnými živinami stéká po spádových plochách, jakož i zařízeni a provádění tohoto způsobu.

Způsoby pěstování mikroskopických řas a sinic pod širým nebem se ve světě vyvíjejí od 50. let. Zabývá se jimi řada pracovišť neboť vhodná kultivační technologie je základní podmínkou vysokých výnosů a tím i ekonomicky výhodné výrobky řasové biomaay, o kterou je pro její biologickou hodnotu ve světě stále větší zájem. Kultivace se provádí převážně na základě technologií vyvinutých v Oaponsku, SRN, Československu (šetlík eť al., 1970, Algolog. Stud. 1, 111 až 164; Goldman et al., 1979, Mater Res. 13, 119 až 136; Richmond 1980, Interdiec. Sci. Rev. 1, 68 až 78; Soeder 1986, Microalgal Mase Culture, 25 až 41) nebo v zařízeních, které z těchto systémů vycházejí.

Nejčaetěji používaná západoněmecká zařízení pro venkovni kultivaci mají tvar elipsovitých bazénů, v nichž se 20 až 30 cm tlustá vrstva řasové suspenze uvádí do pohybu nejčastěji lopatkovými michadly.

Zcela jinak je vyřešena kultivační plocha zařízeni vyvinutého a používaného v Československu. Suspenze řas o tloušťce vrstvy 5 cm stéká po mírně nakloněné ploše (sklon 3 %), která může být např. střechou skleníku (pak ji tvoři skleněné tabule v ocelové konstrukci), nebo je uložena v úrovni terénu (pak je obvykle z betonu různě povrchově upraveného). Plocha je ve směru sklonu rozdělena na pásy o šířce 1 až 2 m a v nich jsou kolmo na směr toku suspenze uloženy pod úhlem 60° zešikmené přepážky, vysoké 4 cm a vzdálené od dna 3 až 5 mm. Suspenze proudí pod přepážkami a nad nimi a tím vzniká intenzivní vířeni, které suspenzi dokonale promíchává, zabraňuje usazováni řas a zajišťuje rovnoměrné vystavení řas slunečnímu záření. Kromě toho se tak dosahuje rovnoměrné tloušťky řesové suspenze po celé kultivační ploše, která steče po nakloněné střeše skleníku, se na jejím dolním konci jímá do sběrného žlabu. Z něho je svedena do zpětného potrubí ústící do oběhového čerpadla, které suspenzi kontinuálně vytlačuje na horní okraj epádové plochy. U kultivační plochy, uložené ne zemi, je suspenze vytlačována na její horní okraj potrubím pomocí čerpadla, uloženého pod dolním okrajem spádové plochy.

Hlavními nedostatky kultivačních Jednotek typu bazénů Jsou: Při používané hloubce vrstvy řas (20 až 30 cm) je nutné pracovat a velmi řídkými suspenzemi, u nichž množství suché hmoty řas nepřevyšuje 0,3 g.l”''·. Při vyšších hustotách se projevuje limitace růstu nedostatkem fotosynteticky účinného zářeni, které nepronikne do hlubších vrstev suepenze. Nízká koncentrace suepenze způsobuje, že separace řas je velmi nákladná, suspenze uvedená do pohybu pomocí lopatek ee málo míchá, čímž nastává limitace růstu nedostatkem fyzikálně rozpuštěného C0₂ zejména v horní, nejvíce prosvětlené vrstvě řas, tok blízký laminárnimu způsobuje nerovnoměrnou rychlost pohybu suspenze v různých hloubkách vrstvy. Pomalejší pohyb spodních vrstev a suspenze v blízkosti bočních stěn bazénu má za následek sedimentaci řas na dně a zvýšenou adhezi řas na stěnách bazénu, nedokonale míchání a pomalý pohyb suspenze má za náeledek nedostatečné odstraňování kyslíku, vznikajícího při fotosyntéze. Oeho vyšší koncentrace zejména v horní vrstvě suepenze může snižovat rychlost fotosyntézy a růstu řas.

Nevýhody uvedeného československého kultivačního systému spočívají zejména v tom, že pěticentimetrová vrstvě suspenze představuje na kultivační ploše s tříprocentním sklonem značné nároky na příkon energie potřebné pro práci cirkulačního čerpadla. U produkční plo2 chy 1000 m prochází čerpadlem cca 8000 1 suspneze za minutu; velký objem suspenze (u produkční Jednotky 1000 a Je to 50 000 1) představuje značnou spotřebu energie na vzdušnění suspenze, které se ve sběrné nádrži provádí v době mimo kultivaci; ukládání jednotlivých přepážek ne kultivační plochu je velmi pracné, i když je optimální hustota suspenze při kultivaci v pěticentimetrová vrstvě řas 5x vyšší než při kultivaci v bazénech, Je separace hmoty řas v živném roztoku nákladná.

Uvedené nevýhody odstraňuje způsob podle vynálezu, jehož podstatou je, že suepenze řas

CS 276 119 B6 stéká po spádových plochách se sklonem 1 až 2 % za turbulentního režimu prouděni, přičemž tlouětka vrstvy řasové suspenze je 5 až 30 mm.

Potřebného režimu proudění ve stékající vrstvě suspenze se docili zdrsněním (profilaci) spádové plochy nebo pomoci příčných přepážek.

Vynález se dále týká příslušného zařízení se spádovými plochami tvořícími etřachu skleníku nebo uloženými na zemi, vratným potrubím s čerpadlem a sytičem oxidu uhličitého, jehož podstata spočívá v tom, že spádové plochy mají sklon 1 až 2 % a jsou opatřeny prostředky pro zajištěni turbulence toku.

Výhodně spádová plocha s vlastni cirkulaci suspenze nepřesahuje 500 m a délka kultivačních pásů je v rozmezí 30 až 60 m.

Výhody navrhované technologie vyplývající zejména z nižších nákladů na jednotku produktu spočívají:

v levnější konetrukci zařízeni použitím menších nádrži snížením objemu kultivované suspenze řas až o 85 až 90 % a použitím cirkulačního čerpadla e výkonem nižším až o 80 % a v nižších nákladech na provoz zařízeni, spočívajících zejména:

ve snížených energetických nárocích na cirkulaci suspenze a její vzduchování ve sběrných nádržích a na separaci biomasy od živného roztoku a v možnosti rozděleni celkové plochy, nepřesehujíci 500 m , což umožňuje zjednodušit obsluhu zařízení a optimalizovat kultivační režim.

Srovnáni energetických nároků na provoz zařízení a separaci blomaey je uvedeno v tebulce 1.

Tabulka 1 ^{* 4}

	původní přepážkový systém	modifikovaný přepážkový eyetém	bezpřepážkový eyetém
kultivační plocha	1 000 m2	2 2 x 500 m	2 2 x 500 m
celkový objem suspenze	50 000 1	25 000 1	5 - 8 000 1
potřebný výkon čerpedla	7 500 l.min1	1 600 l.min1	1 600 l.min1
k separaci 1 000 g suché hmoty je nutné zpracovat	1 000 1 suspenze	500 1 suspenze	100 1 suspenze

Na obr. 1 a 2 je schematicky znázorněno zařízeni podle vynálezu.

Čerpadlo j. vytlačuje suspenzi řas z nádrže 6 do rozvodného žlabu 2, ze kterého ee rovnoměrně rozděluje na spádovou kultivační plochu 3, po níž stéká do spojovacího žlabu

4, který euspenzi převádí na protilehlou spádovou plochu 5. Z té suspenze stéká do nádrže 6 a celý pochod ee nepřetržitě opakuje. Spádová plocha kultivačních pásů je bu3 bezpřepážková (obr. 1) nebo je vybavena příčnými přepážkami (obr. 2).

Přiklad

Ke kultivaci se použije produkční kmen jednobuněčných řas Chlorella vulgaris XYZ, přechovávaný ve zkumavkách na agarových půdách obohacených minerálním živným roztokem při teplotě 15 °C a ozářenosti 10 Wm²FAR. FAR znamená fotosyntaticky účinné zářeni měřené spektrálně neeelektivnlm čidlem, citlivým pouze v oblasti 400 až 700 nm.

CS 276 119 86

Kultura ββ z agaru převede do tekutého živného roztoku tohoto složení:

Sloučenina:	Koncentrace s mg.!“^
C0(NH2)2	močovina	600,00
kh2po4	dihydrogenfosforečnan draselný	340,00
MgS04«7H;L0	síran hořečnatý	500,00
FeSO.aJH^O 4 2	síran železnatý	13,90
H-QO-	kyselina boritá	3,10
MnS04.4H20	síran manganatý	1,10
CuS04.7H20	síran mědnatý	1,25
ZnSO4.7H2O	síran zinečnatý	1,45
/NH4/2Mo04	molybdenan amonný	1,00
CoS04.7H2O	síran kobaltnatý	1,40
CaCl26H2O	chlorid vápenatý	10,50

V uvedeném živném roztoku se kultura pěstuje v šedesátilitrovém trubicovém skleněnám fotoreaktoru s umělými zdroji zářivé energie při ozářeni 80 Wm , teplotě 28 až 30 C a takové koncentraci C0₂ ve směsi se vzduchem, která odpovídá 1,5 až 2,5 % rozpuštěného C0_ v suspenzi řas až do hustoty začátku stacionární fáze růstové křivky, tj. 5 až 6 g & i suché hmoty řas . 1“ .

Poté se 95 % suspenze převede do chlazeného a vzdušněného zásobníku a růstový cyklus ve fotoreaktoru se opakuje. Když se takto připraví 250 1 suspenze, inokuluja se modul produkčního venkovního zařízeni o kultivační ploše 500 m tak, že se zásobní Inokulum • „o zředí na objem 2 500 1 a hustota suspenze přibližně na 5 g suché hmaty řas . m kultivační plochy.

Vlastní fotosyntetická produkce organické hmoty řas probíhá během dne tak, že je cirkulující suspenze řas vystavena na spádové ploše slunečnímu zářeni.

Ooaáhne-li množství suché hmoty řas v jednotce objemu stanovené hodnoty, která je funkci tloušťky vrstvy suspenze a intenzity FAR, dopadajícího na povrch kultivované vrstvy řas (stupněm abaorpca FAR), část hmoty sa separuje. Separace ae provádí podle potřeby tak, aby hustota suspenze se v závislosti na období vegetační sezóny pohyboval v rozmezí Λ až 60 g.m . Prakticky se denně separuje cca 20 až 30 % celkového objemu suspenze. Supernatant, obohacený o spotřebované biogenní prvky se z 80 % vrací do kultivačního procesu. Prakticky se denně separuje cca 20 až 30 % celkového objemu suspenze. Separace ae provádí v době, kdy je suspenze uložena vs sběrných nádržích bu3 ve večerních hodinách nebo ráno. Biomasa řas ztrácí přas noc cca 10 % své hmoty prodácháváním, přičemž se mění i její chemické složeni: klesá množství zásobních polysaharidů a zvyšuje ae poměrně i absolutní množství pigmentů a bílkovin.

Při kultivaci se sledují a optimalizují tyto parametry: hustota suspenze, množství v suspenzi fyzikálně rozpuštěného oxidu uhličitého a kyslíku, koncentrace iontů základních biogenních prvků živného roztoku, pH suspenze, kultivační teplota, zdravotní stav a biologická čistota pěstované kultury.

Hustota suspenze ae sleduje stanovením suché hmoty řas v jednotce objemu suspenze vážením, která se nejěastěji provádí na začátku a na konci denní kultivace a periodickým fotometrickým měřením optické hustoty suspenze. Průběžně se měři i fotosynteticky aktivní záření, které vrstva kultivované suspenze řas absorbuje.

Během růstu řas ae suspenze sytí oxidem uhličitým, dodávaným nejlépe z centrálního

CS 276 119 B6 zásobníku· Koncentrace fyzikálně rozpuštěného C0₂ se průběžně sleduje v analytické smyčce pomocí infraanalyzátoru, jímž prochází CO₂, jehož koncentrace je v rovnováze s koncentrací C0₂, rozpuštěného v suspenzí· Optimální parciální tlak C0₂ v suspenzi, 1 až 2 kPa, se udržuje pomoci tlakového regulátoru s nastavitelným průtokem plynu. Součásti analytické smyčky je i průtokový analyzátor plynného kyslíku, která je v rovnovážném stavu s fyzikálně rozpuštěným kyslíkem v suspenzi na konci spádové plochy. V případě, že p0₂ v suspenzi přesáhne kritickou hodnotu 50 kPa, je suspenze před vstupem na sáni čerpadla rozstřikována tak, aby vytvořením velikého povrchu došlo k potřebnému uvolnění kyslíku.

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob velkoplošné kultivace fotoautotrofních řas a sinic pod širým nebem, přičemž oxidem uhličitým nasycená suspenze řae obohacená potřebnými živinami stéká po spádových plochách, vyznačující se tim, žs stékáni probíhá za turbulentního režimu prouděni při tlouštce vrstvy v rozmezí 5 až 30 mm.
2. 2. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že turbulentního proudšni se dosahuje zdrsněním povrchu spádových ploch.
3. 3. Způsob podle bodu 1, vyznačujíc! se tim,-že turbulentního prouděni se dosahuje příčnými přepážkami ve směru toku.
4. 4. Zařízení k prováděni způsobu podle bodu 1, tvořené spádovými plochami střechy skleníku nebo uloženými na zemi, čerpadlem a sytičem oxidu uhličitého, vyznačujíc! se tim, že spádové plochy máji sklon 1 až 2 % a jsou opatřeny prostředky pro zajiětěná turbulence toku.
5. 5. Zařízeni podle bodu 4, vyznačujíc! se tím, že prostředky pro zajištěni turbulentního toku jaou tvořeny příčnými přepážkami o výšce 10 až 20 mm, umístěnými nad spádovými plochami ve výšce 3 až 5 mm, které jaou výhodně ke směru proudění sešikmené.
6. 6. Zařízení podle bodu 4, vyznačující se tím, že spádové plochy jsou zdrsněné na drsnost /Um 0,1 až 0,2.
7. 7. Zařízeni podle bodů 4 až 6, vyznačujíc! se tim, že povrch spádových ploch s vlastni 2 cirkulaci suspenze nepřesahuje 500 m a jejich délka je v rozmezí 30 až 60 m.