CZ279579B6

CZ279579B6 - Způsob solární kultivace mikroskopických řas a zařízení k provádění tohoto způsobu

Info

Publication number: CZ279579B6
Application number: CZ177293A
Authority: CZ
Inventors: Jiří Ing. Csc. Doucha; Karel Ing. Csc. Lívanský
Original assignee: Mikrobiologický Ústav Avčr
Priority date: 1993-08-27
Filing date: 1993-08-27
Publication date: 1995-05-17
Also published as: CZ177293A3

Abstract

Při způsobu solární kultivace mikroskopických řas s vysokou produkční hustotou se vede suspense řas nasycená oxidem uhličitým a obohacená potřebnými živinami po nakloněných kultivačních plochách (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f) za turbolentního proudění. Sycení suspense oxidem uhličitým se provádí mezi jednotlivými nakloněnými kultivačními plochami (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f) ve spojovacích žlabech, přičemž oxid uhličitý je uzavřen v prostoru vymezeném spojovacím žlabem (2) a suspensí řas přepadávající z nakloněné kultivační plochy do spojovacího žlabu (2). Turbulentního proudění suspense řas se dosahuje překážkami (3) kruhového profilu uloženými kolmo na směr toku suspense řas, s výhodou ve výšce 2 až 6 mm nad kultivační plochou (1). Zařízení k provádění tohoto způsobu se skládá z alespoň jednoho modulu sestávajícího ze čtyř až osmi meandrovitě členěných dílčích nakloněných kultivačních ploch (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f), které jsou vzájemně propojeny spojovacími žlaby (2), v niŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu solární kultivace mikroskopických řas s vysokou produkční hustotou, při kterém se vede suspenze řas nasycená oxidem uhličitým a obohacená potřebnými živinami po nakloněných kultivačních plochách, jakož i zařízení k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Produkční kultivace řas a sinic pod širým nebem se ve světě provádí většinou v 6 až 8 m širokých korytech, uzavřených do elipsy (raceways ponds), v nichž se 20 až 30 cm tlustá vrstva anorganického živného roztoku s řasami, probublávaná oxidem uhličitým, nepřetržitě pohybuje nej častěji pomocí lopatkových míchadel rychlostí 15 až 30 cm.s'¹ (Stangel, Bez. Drsch. Bot. Ges. Bd 83, Heft 11, 1970, 589-606).

Hlavní nedostatky tohoto systému: 1 aby nedocházelo k limitaci růstu řas nedostatkem světla, nesmí jejich hustota být vyšší, než 500 mg suché hmoty na 1 1 roztoku, 2 laminární a relativně pomalý tok suspenze má za následek nedostatečné využití světla v přesvětlené horní vrstvě řas a nedostačující odstraňování v suspenzi rozpuštěného kyslíku, jehož vysoká koncentrace inhibuje fotosyntézu a zvyšuje fotorespiraci řas, 3 účinnost sycení suspenze oxidem uhličitým je velmi nízká (nepřekračuje 30 %) , 4 cirkulace suspenze probíhá ve dne i v noci a je energeticky náročná. Mimořádně náročná na spotřebu energie je i separace řas od živného roztoku při jejich sklizni.

Uvedené nedostatky odstraňuje systém, vyvinutý v Československu, u kterého řasová suspenze stéká po nakloněných plochách, rozdělených ve směru sklonu na 1 až 2 m široké pásy. Kolmo na směr toku jsou ve vzdálenosti 15 cm uloženy zešikmené přepážky, vysoké 4 cm a uchycené tak, aby mezi povrchem kultivační plochy a přepážkou byla 3 až 5 mm mezera. Suspenze, proudící pod i přes přepážky se intenzivně míchá, přičemž přepážky umožňují udržet na cele kultivační ploše požadovanou tloušťku vrstvy řas (5 cm). Suspenze, která steče po nakloněné ploše, se zpětným potrubím vrací pomocí výtlačného čerpadla na horní okraj spádové plochy (Šetlík et al, 1970, Algolog. Stud. 1, 111 až 164). Cirkulace probíhá během dne, v noci je suspenze přechovávána a provzdušňována v nádrži. Sycení suspenze oxidem uhličitým se provádí jeho zapravováním do suspenze na vstupní straně čerpadla. Účinnost sycení je cca 70 %.

Aby se zmenšila spotřeba energie k cirkulaci řas, byla snížena výška příčných přepážek tak, aby tloušťka vrstvy nepřekročila 3 cm. Jiná modifikace spočívala v použití plochy bez přepážek, avšak se zdrsněným nebo profilovaným povrchem, umožňujícím dostatečně intenzivní turbolenci řasové suspenze. Další redukce spotřeby energie se dosáhlo snížením celkového objemu suspenze,

-1CZ 279579 B6 která protéká čerpadlem prodloužením plochy a jejím členěním do protilehlého směru (čs. pat. č. 276111).

Ani snížení výšky přepážek, ani použití plochy bez přepážek se však jednoznačně provozně neosvědčilo: zdrsněním plochy v bezpřepážkovém systému' se zvýšila náročnost při čištění.kultivační plochy, u přepážkového systému zůstává nevyřešen problém pracnosti při instalaci přepážek a údržbě povrchu, přepážkami osazeného.

Podstata vynálezu

Předmětem . .vynálezu je způsob solární kultivace mikroskopických řas.. s vysokou produkční hustotou, přičemž se vede suspenze řas nasycená oxidem uhličitým a obohacená potřebnými živinami po nakloněných kultivačních plochách za turbulentního proudění, při kterém se podle vynálezu sycení suspenze oxidem uhličitým provádí mezi jednotlivými nakloněnými kultivačními plochami ve spojovacích žlabech, přičemž oxid uhličitý je uzavřen v prostoru vymezeném spojovacím žlabem a suspenzí řas přepadávající z nakloněné kultivační plochy do spojovacího žlabu. Turbulentního proudění suspenze řas se dosahuje přepážkami kruhového profilu uloženými kolmo na směr toku suspenze řas, s výhodou ve výšce 2 až 6 mm nad kultivační plochou. Ke zvýšení koncentrace rozpustného oxidu uhličitého (COj) v řasové suspenzi na začátku toku, lze s výhodou suspenzi sytit také zapravením CO2 do sacího potrubí čerpadla.

Velkoobjemové produkční kultivační zařízení k provádění uvedeného způsobu se skládá z alespoň jednoho modulu sestávajícího se ze 4 až 8 meandrovitě členěných dílčích nakloněných kultivačních ploch (délek s výhodou 30 až 45 m, šířka 4 až 6 m), které jsou vzájemně propojeny spojovacími žlaby, takže celková délka plochy, po které suspenze stéká je 120 až 360 m. Tato dlouhá dráha toku suspenze přináší vzhledem k její šířce významné úspory energie, .potřebné pro vynesení suspenze z nejnižšího místa na horní'rozvodový okraj kultivační plochy.

Dílčí nakloněné kultivační plochy, rozdělené po délce na 1 až 2 m široké pásy, jsou osazeny na vzdálenost výhodně 1 až 2 m příčnými přepážkami kruhového profilu o průměru s výhodou 10 až 20 mm. Přepážky jsou uloženy kolmo na směr toku ve výšce 2 až 6 mm nad nakloněnou kultivační plochou. Fixace polohy přepážek je provedena u jejich konců uchycením pružnými prstenci, obepínajícími každou přepážku, na vodicí lanka, se kterými tak tvoří jeden celek.

Tloušťka stěny prstence vymezuje mezeru mezi povrchem kultivační plochy a vlastní přepážkou. Suspenze řas proudí jednak mezerou pod přepážkou, jednak ji přetéká.

Uvedené uspořádání přepážek se -vyznačuje jednoduchou instalací a manipulací a snadnou údržbou plochy. Vhodně zvolený průměr přepážek a vzdálenost mezi nimi, dané sklonem (rychlostí toku) a povrchem plochy (koeficientem tření) umožňují intenzivní míchání suspenze a optimalizující střídání dob osvětlení a zatemnění jednotlivých buněk řas s následnou vysokou účinností využití světelné energie.

-2CZ 279579 B6

Způsobem podle vynálezu se zvyšuje jednotková produktivita řas cca o 20 % a umožňuje pěstovat řasy až do vysokých sklizňových hustot 14 až 20 g.l^-1 (140 až 200 g.m~²) (viz tabulku 1, kde jsou uvedeny charakteristiky solárních kultur řas pěstovaných v tenké vrstvě známými postupy a postupem podle -vynálezu) .

Tabulka 1. Charakteristiky solárních kultur řas pěstovaných v tenké vrstvě.

Kultivační jednotka	Fotosynteticky účinné záření (400 až 700 nm) (kWh.m^-2. den^-1	Teplota kultury (° C)	Koncentrace řas (sušina) (g.l^-1)	Produktivita řas (g.m². den^-1)	Účinnost přeměny záření ( % )
Kultivační plocha s přepážkami 35 mm vysokými, vzdálenost přepážek 15cm, tloušťka vrstvy suspenze 50 mm	1.59	19.7	0.69^a 2.76°	11.2	4.3
Kultivační plocha bez přepážek, tloušťka vrstvy suspenze 8 mm	1.59	19.6	1.58^a 14,23^b	13.3	5.1
Kultivační plocha s přepážkami kruhového profilu, průměr 13 mm, vzdálenost mezi přepážkami 150 cm, tloušťka vrstvy suspenze 10 mm	1.59	20.2	1.88* 15.35¹³	16.7	6.4

^a Začátek kultivačnho cyklu, ¹³ Konec kultivačního cyklu

Příklady provedení vnálezu

Na výkresu je schematicky znázorněn modul zařízení podle vynálezu. Modul sestává ze šesti meandrovitě členěných dílčích nakloněných kultivačních ploch la-f, které jsou vzájemně propojeny spojovacími žlaby 2, ve kterých jsou uloženy prostředky pro přívod oxidu uhličitého (neznázorněno). Tyto prostředky jsou s výhodou tvořeny perforovanými trubicemi z plastických hmot. K dosažení turbulentního proudění suspenze řas jsou nakloněné kultivační plochy opatřeny přepážkami 2 kruhového profilu uloženými kolmo na směr toku ve výšce 2 až 6 mm nad nakloněnou kultivační plochou 1. Fixace polohy přepážek 2 může být provedena

-3CZ 279579 B6 uchycením poblíž okrajů pružnými prstenci, přepážku, na vodicí lanka. Přepážky 3 s výhodou 1 až 2 m.

obepínajícími každou jsou od sebe vzdáleny

Čerpadlo 4 vytlačuje suspenzi řas z nádrže 5 do rozvodného žlabu 6, ze kterého vytéká suspenze na nakloněnou kultivační plochu la, po níž stéká do spojovacího žlabu 2, kde se suspenze sytí oxidem uhličitým a který suspenzi převádí na další nakloněnou kultivační plochu 1b, která je vůči předešlé protilehle skloněná. Postup se opakuje až na nakloněnou kultivační plochu lf, ze které stéká suspenze do nádrže 5 a celý pochod se nepřetržitě opakuj e.

Příklad

Ke kultivaci se použije vhodný produkční kmen chlorokokálních řas rodu Chlorella nebo Scenedesmus, předpěstovaný způsobem, popsaným v čs. patentu č. 276119. Vlastní kultivace na plochách solárních jednotek se provádí v anorganickém živném roztoku bud' semikontinuálně, nebo formou fed-bach kultivace. V prvém případě se pěstovaná kultura nechá dorůst až do sklizňové hustoty 14 až 16 g suché hmoty řas.l^-1 živného roztoku. Potom se sklidí takové množství biomasy, aby se kultivační hustota suspenze řas snížila na hustotu (9 az 10).1 . V rozmezí uvedených hustot se postup kultivace a sklizně periodicky opakují. Po každé sklizni se provede analytický rozbor živného roztoku a spotřebované živiny se doplní'. V případě jednorázového režimu se kultura nechá dorůst až do hustoty 14 až 20 g.l^-1, přičemž se denně sleduje obsah základních anorganických živin, které se průběžně doplňují na potřebnou hodnotu. Po dosažení uvedené hodnoty se veškerá suspenze řas sklidí a zpracuje. Cca 10 % sklizené biomasy se použije jako inokulum k novému kultivačnímu cyklu.

Průmyslová využitelnost

Způsob podle vynálezu lze využít k velkoplošné solární kultivaci mikroskopických řas pod širým nebem.

Claims

1. Způsob solární kultivace mikroskopických řas s vysokou produkční hustotou, při kterém se vede suspenze řas nasycená oxidem uhličitým a obohacená potřebnými živinami po nakloněných kultivačních plochách za turbulentního proudění, vyznačující se tím, že sycení suspenze oxidem uhličitým se provádí mezi jednotlivými nakloněnými kultivačními plochami ve spojovacích žlabech, přičemž oxid uhličitý je uzavřen v prostoru vymezeném spojovacím žlabem a suspenzí řas přepadávající z nakloněné kultivační plochy do spojovacího žlabu, a turbulentního proudění suspenze řas se dosahuje přepážkami kruhového profilu uloženými kolmo na směr toku suspenze řas.

2. Zařízení k provádění způsobu podle nároku 1 tvořené nakloněnými plochami a čerpadlem, vyznačující se tím, že se skládá z alespoň jednoho modulu sestávajícího ze čtyř až osmi meandrovitě členěných dílčích nakloněných kultivačních ploch (la, lb, lc, Id, le, lf), které jsou vzájemně propojeny spojovacími žlaby (2), v nichž jsou uloženy prostředky pro přívod oxidu uhličitého, a nakloněné kultivační plochy (la, lb, lc, Id, le, lf) jsou opatřeny přepážkami (3) kruhového profilu uloženými kolmo na směr toku.

3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že prostředky pro přívod oxidu uhličitého jsou tvořeny perfor ovánými t rub i c emi.

4. Zařízení podle nároků 2 a 3, vyznačující se tím, že přepážky (3) kruhového profilu jsou uloženy na nakloněné kultivační ploše (1) a jsou fixovány u okrajů, například uchycením pružnými prstenci, obepínajícími každou přepážku, na vodicí lanka.