CZ304161B6 - Fotobioreaktor pro velkoobjemovou autotrofní kultivaci sinic a jednobunecných ras s desorpcními zónami - Google Patents
Fotobioreaktor pro velkoobjemovou autotrofní kultivaci sinic a jednobunecných ras s desorpcními zónami Download PDFInfo
- Publication number
- CZ304161B6 CZ304161B6 CZ20100474A CZ2010474A CZ304161B6 CZ 304161 B6 CZ304161 B6 CZ 304161B6 CZ 20100474 A CZ20100474 A CZ 20100474A CZ 2010474 A CZ2010474 A CZ 2010474A CZ 304161 B6 CZ304161 B6 CZ 304161B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- zones
- algae
- culture medium
- desorption
- cultivation
- Prior art date
Links
- 241000195493 Cryptophyta Species 0.000 title claims abstract description 50
- 238000003795 desorption Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 241000192700 Cyanobacteria Species 0.000 title claims abstract description 11
- 230000001651 autotrophic effect Effects 0.000 title claims abstract description 7
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 claims abstract description 43
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 9
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 8
- 238000011109 contamination Methods 0.000 claims description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 5
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 claims description 4
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000000243 photosynthetic effect Effects 0.000 claims description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 3
- 235000013305 food Nutrition 0.000 abstract description 5
- 239000000047 product Substances 0.000 abstract description 4
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 abstract description 2
- 239000002537 cosmetic Substances 0.000 abstract description 2
- 235000015872 dietary supplement Nutrition 0.000 abstract description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract 1
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 21
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 14
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 10
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 9
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 8
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 8
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 8
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 7
- 241000195649 Chlorella <Chlorellales> Species 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 5
- 230000029553 photosynthesis Effects 0.000 description 5
- 238000010672 photosynthesis Methods 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 240000002900 Arthrospira platensis Species 0.000 description 4
- 235000016425 Arthrospira platensis Nutrition 0.000 description 4
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 4
- 239000003570 air Substances 0.000 description 4
- 230000005791 algae growth Effects 0.000 description 4
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 4
- 239000002054 inoculum Substances 0.000 description 4
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 4
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 4
- 229940082787 spirulina Drugs 0.000 description 4
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 4
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 4
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 235000014113 dietary fatty acids Nutrition 0.000 description 3
- 235000020673 eicosapentaenoic acid Nutrition 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 229930195729 fatty acid Natural products 0.000 description 3
- 239000000194 fatty acid Substances 0.000 description 3
- 150000004665 fatty acids Chemical class 0.000 description 3
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 3
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 3
- 150000002632 lipids Chemical class 0.000 description 3
- 239000002207 metabolite Substances 0.000 description 3
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 3
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- 241000195651 Chlorella sp. Species 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000168517 Haematococcus lacustris Species 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000003225 biodiesel Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- OVBPIULPVIDEAO-LBPRGKRZSA-N folic acid Chemical compound C=1N=C2NC(N)=NC(=O)C2=NC=1CNC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CCC(O)=O)C(O)=O)C=C1 OVBPIULPVIDEAO-LBPRGKRZSA-N 0.000 description 2
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 2
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 235000018102 proteins Nutrition 0.000 description 2
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 2
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 2
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- 241000894007 species Species 0.000 description 2
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 description 2
- 150000008163 sugars Chemical class 0.000 description 2
- 235000021122 unsaturated fatty acids Nutrition 0.000 description 2
- 150000004670 unsaturated fatty acids Chemical class 0.000 description 2
- 229910019614 (NH4)6 Mo7 O24.4H2 O Inorganic materials 0.000 description 1
- JEBFVOLFMLUKLF-IFPLVEIFSA-N Astaxanthin Natural products CC(=C/C=C/C(=C/C=C/C1=C(C)C(=O)C(O)CC1(C)C)/C)C=CC=C(/C)C=CC=C(/C)C=CC2=C(C)C(=O)C(O)CC2(C)C JEBFVOLFMLUKLF-IFPLVEIFSA-N 0.000 description 1
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- 229920002498 Beta-glucan Polymers 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 241000195628 Chlorophyta Species 0.000 description 1
- 241000195634 Dunaliella Species 0.000 description 1
- 229910001335 Galvanized steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000168525 Haematococcus Species 0.000 description 1
- 241001134698 Lyngbya Species 0.000 description 1
- OVBPIULPVIDEAO-UHFFFAOYSA-N N-Pteroyl-L-glutaminsaeure Natural products C=1N=C2NC(N)=NC(=O)C2=NC=1CNC1=CC=C(C(=O)NC(CCC(O)=O)C(O)=O)C=C1 OVBPIULPVIDEAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010064851 Plant Proteins Proteins 0.000 description 1
- 241001302393 Porphyridium sp. Species 0.000 description 1
- 241000206572 Rhodophyta Species 0.000 description 1
- 240000004808 Saccharomyces cerevisiae Species 0.000 description 1
- 241000195663 Scenedesmus Species 0.000 description 1
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 241000960436 Trachydiscus minutus Species 0.000 description 1
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 1
- JAZBEHYOTPTENJ-JLNKQSITSA-N all-cis-5,8,11,14,17-icosapentaenoic acid Chemical compound CC\C=C/C\C=C/C\C=C/C\C=C/C\C=C/CCCC(O)=O JAZBEHYOTPTENJ-JLNKQSITSA-N 0.000 description 1
- OENHQHLEOONYIE-UKMVMLAPSA-N all-trans beta-carotene Natural products CC=1CCCC(C)(C)C=1/C=C/C(/C)=C/C=C/C(/C)=C/C=C/C=C(C)C=CC=C(C)C=CC1=C(C)CCCC1(C)C OENHQHLEOONYIE-UKMVMLAPSA-N 0.000 description 1
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000003242 anti bacterial agent Substances 0.000 description 1
- 229940088710 antibiotic agent Drugs 0.000 description 1
- 239000003963 antioxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000003078 antioxidant effect Effects 0.000 description 1
- 235000006708 antioxidants Nutrition 0.000 description 1
- 235000013793 astaxanthin Nutrition 0.000 description 1
- 239000001168 astaxanthin Substances 0.000 description 1
- MQZIGYBFDRPAKN-ZWAPEEGVSA-N astaxanthin Chemical compound C([C@H](O)C(=O)C=1C)C(C)(C)C=1/C=C/C(/C)=C/C=C/C(/C)=C/C=C/C=C(C)C=CC=C(C)C=CC1=C(C)C(=O)[C@@H](O)CC1(C)C MQZIGYBFDRPAKN-ZWAPEEGVSA-N 0.000 description 1
- 229940022405 astaxanthin Drugs 0.000 description 1
- FIXLYHHVMHXSCP-UHFFFAOYSA-H azane;dihydroxy(dioxo)molybdenum;trioxomolybdenum;tetrahydrate Chemical compound N.N.N.N.N.N.O.O.O.O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O[Mo](O)(=O)=O.O[Mo](O)(=O)=O.O[Mo](O)(=O)=O FIXLYHHVMHXSCP-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 1
- 235000013734 beta-carotene Nutrition 0.000 description 1
- TUPZEYHYWIEDIH-WAIFQNFQSA-N beta-carotene Natural products CC(=C/C=C/C=C(C)/C=C/C=C(C)/C=C/C1=C(C)CCCC1(C)C)C=CC=C(/C)C=CC2=CCCCC2(C)C TUPZEYHYWIEDIH-WAIFQNFQSA-N 0.000 description 1
- 239000011648 beta-carotene Substances 0.000 description 1
- 229960002747 betacarotene Drugs 0.000 description 1
- 230000000035 biogenic effect Effects 0.000 description 1
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 1
- 230000004641 brain development Effects 0.000 description 1
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 description 1
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 235000021466 carotenoid Nutrition 0.000 description 1
- 150000001747 carotenoids Chemical class 0.000 description 1
- 210000002421 cell wall Anatomy 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229930002875 chlorophyll Natural products 0.000 description 1
- 235000019804 chlorophyll Nutrition 0.000 description 1
- ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M chlorophyll a Chemical compound C1([C@@H](C(=O)OC)C(=O)C2=C3C)=C2N2C3=CC(C(CC)=C3C)=[N+]4C3=CC3=C(C=C)C(C)=C5N3[Mg-2]42[N+]2=C1[C@@H](CCC(=O)OC\C=C(/C)CCC[C@H](C)CCC[C@H](C)CCCC(C)C)[C@H](C)C2=C5 ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000010960 cold rolled steel Substances 0.000 description 1
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000004035 construction material Substances 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000002526 effect on cardiovascular system Effects 0.000 description 1
- 229960005135 eicosapentaenoic acid Drugs 0.000 description 1
- JAZBEHYOTPTENJ-UHFFFAOYSA-N eicosapentaenoic acid Natural products CCC=CCC=CCC=CCC=CCC=CCCCC(O)=O JAZBEHYOTPTENJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000004373 eye development Effects 0.000 description 1
- 238000005562 fading Methods 0.000 description 1
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 description 1
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 230000010006 flight Effects 0.000 description 1
- 229960000304 folic acid Drugs 0.000 description 1
- 235000019152 folic acid Nutrition 0.000 description 1
- 239000011724 folic acid Substances 0.000 description 1
- 239000008397 galvanized steel Substances 0.000 description 1
- 238000005246 galvanizing Methods 0.000 description 1
- 238000004817 gas chromatography Methods 0.000 description 1
- 150000004676 glycans Chemical class 0.000 description 1
- 229910052602 gypsum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010440 gypsum Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 235000020978 long-chain polyunsaturated fatty acids Nutrition 0.000 description 1
- 239000002075 main ingredient Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 1
- 150000004702 methyl esters Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 235000016709 nutrition Nutrition 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000019935 photoinhibition Effects 0.000 description 1
- 239000000049 pigment Substances 0.000 description 1
- 238000011020 pilot scale process Methods 0.000 description 1
- 235000021118 plant-derived protein Nutrition 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 229920000193 polymethacrylate Polymers 0.000 description 1
- 229920001282 polysaccharide Polymers 0.000 description 1
- 239000005017 polysaccharide Substances 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 239000012066 reaction slurry Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 150000004671 saturated fatty acids Chemical class 0.000 description 1
- 235000003441 saturated fatty acids Nutrition 0.000 description 1
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 230000004083 survival effect Effects 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005496 tempering Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 239000011782 vitamin Substances 0.000 description 1
- 229940088594 vitamin Drugs 0.000 description 1
- 229930003231 vitamin Natural products 0.000 description 1
- 235000013343 vitamin Nutrition 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 1
- OENHQHLEOONYIE-JLTXGRSLSA-N β-Carotene Chemical compound CC=1CCCC(C)(C)C=1\C=C\C(\C)=C\C=C\C(\C)=C\C=C\C=C(/C)\C=C\C=C(/C)\C=C\C1=C(C)CCCC1(C)C OENHQHLEOONYIE-JLTXGRSLSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
Abstract
Resení se týká investicne nenárocného fotobioreaktoru pro velkoobjemovou autotrofní kultivaci sinic a jednobunecných ras s desorpcními zónami popisuje konstrukcní resení sestávající ze sklonených kultivacních zón, které se periodicky strídají se sklonenými nebo vertikálními desorpcními zónami, na nichz dochází k snízení koncentrace rozpusteného kyslíku v kultivacním médiu, stékajícím po periodicky se strídajících zónách. Zarízení umoznuje masove pestovat vybrané kmeny jednobunecných ras a sinic, které predstavují cennou surovinu pro radu zádaných produktu v oblasti potravinárského a farmaceutického prumyslu, v kosmetice, jako soucást potravinových doplnku, krmiv, ci pro výrobu biopaliv, coz je v soucasné dobe predmetem vysokého zájmu spolecnosti.
Description
Vynález se týká konstrukce investičně nenáročného fotobioreaktoru pro velkoobjemovou autotrofní kultivaci sinic a jednobuněčných řas s desorpčními zónami, sestávajícího ze skloněných kultivačních zón, které se periodicky střídají se skloněnými nebo vertikálními desorpčními zónami, na nichž dochází ke snížení koncentrace rozpuštěného kyslíku v kultivačním médiu, stékajícím po periodicky se střídajících zónách.
Dosavadní stav techniky
Mikrořasy a siníce (kyanobaktérie, modro-zelené řasy), velmi často zmiňované pouze jako „řasy“ jsou fotosyntetizující mikroorganismy, které spojují žádoucí vlastnosti vyšších rostlin (tj. zemědělských plodin) a mikrobů (bakterií, kvasinek). Významnou je zejména jejich schopnost růst fotosynteticky, tj. využívat k růstu pouze světla, levných solí, vody a oxidu uhličitého. K autotrofnímu růstu nepotřebují organické substráty, jako např. cukry. Navíc jsou řasy schopny produkovat stejné zásobní látky jako vyšší rostliny, např. škrob nebo oleje, které mohou být následně využity např. pro výrobu ethanolu či biodieselu. Vlastnosti, které mají řasy podobné mikrobům je zejména vysoká rychlost růstu některých kmenů řas.
Systematický výzkum mikrořas jako zdroje biologicky aktivních látek, zejména antibiotik, započal v 50tých letech 20 století. Zájem o využití řas pokračoval studiemi využití řasové fotosyntézy pro tvorbu biologických „filtrů“ pro kosmické lety, kdy měly sloužit k zachycení vydýchaného oxidu uhličitého a produkci kyslíku, případně též jako zdroj rostlinných bílkovin pro posádky kosmických letů. V 60tých letech následovala aplikace mikrořas do environmentálních technologií pro čištění odpadní vody jakož i testy s následnou fermentací vyprodukované řasové biomasy na bioplyn.
Myšlenka využití mikrořas jako obnovitelného zdroje energie byla podmíněna zejména energetickou krizí v roce 1974. Komerční velkoobjemová kultivace řas započala v 60tých letech v Japonsku a Československu produkcí mikrořasy Chlorella. Následovala velkoobjemová kultivace Spiruliny (Arthispirosa) v Mexiku.
Myšlenka kultivace mikrořas metabolizující oxid uhličitý za účelem jejich velkoobjemové produkce a průmyslového využití začala být aktuální zejména v 70-tých a 80-tých letech minulého století (viz např. Y. Yamaguchi: Recent advances in microbial bioscience in Japan, with speciál reference to utilization of biomass and metabolities: a review. J. Appl. Phycol. 8, 487-582, 1997). Od té doby významně roste množství vědeckých prací, věnovaných laboratorní kultivaci různých druhů mikrořas a analýze jejich využitelných složek, a to jak u řas sladkovodních, tak mořských. Současně, zejména v Asii, se od 80-tých let rozrostla průmyslová kultivace řas, zejména druhu Chlorela a Spirulina pro potravinářské a nutriční použití. Je uváděno, že do roku 1980 bylo v Asii 46 velkoobjemových řasových farem s individuální produkcí přesahující 1 tunu biomasy za měsíc (Spolaore P., Joaniss-Cassan C., Duran E„ Ismabett A.: Commercial application of microalgae, J. Biosc. Bioeng. 101, 87-96, 2006).
Komerční produkce mikrořasy Dunaliella šalina pro výrobu beta-karotenu byla realizována v Austrálii a následovaly závody v Izraeli a USA. Velkoobjemová produkce kyanobaktérie Spirulina byla zahájena v Indii v roce 1986. V posledních 10 letech bylo vytvořeno několik podniků produkujících mikrořasu Haematococcus pluvialis jako zdroj antioxidačního pigmentu astaxantinu v Indii a USA. Je uváděno, že současné produkce řasové biomasy přesahuje 5.000 tun/rok a generuje tržby 1,25 miliardy USD.
- 1 CZ 304161 B6
Mikrořasy obsahují řadu velmi žádaných produktů. Z hlavních složek obsahují ve značné míře proteiny, 51 až 58 % vztaženo na sušinu, 12 až 17 % škrobu a 14 až 22 % lipidů. Tyto hodnoty jsou průměrné např. pro rod zelených sladkovodních řas Chlorophycae, v laboratořích jsou kultivovány řasy obsahující až 60 až 70 % olejů, respektive škrobu. Mikrořasy jsou zdrojem vitaminů (A, Bi, B2, B(), B12, C, E), kyseliny listové, chlorofylu, karotenoidů, imunostatik (např. 1,3-beta glukanu), polysacharidu a řady vzácných a žádaných složek (Metting F. B.: Biodiversity and application of microalgae, J. Ind. Microbiol. 17, 477-489 (1997). Rasové lipidy jsou tvořeny glycerolem, cukry nebo bázemi esterifikovanými na nasycené či nenasycené mastné kyseliny s převážně 12 až 22 atomy uhlíku. Z nutričního hlediska jsou vysoce ceněné polynenasycené mastné kyseliny s dlouhými řetězci (s obsahem C > 18), které nejsou vyšší rostliny schopné syntetizovat, jako jsou kyseliny ARA (struktura 20:4), DHA (struktura 22:6) a EPA (struktura 22:5), které jsou nepostradatelné jako korektory vývoje mozku a očí u dětí, resp. jako doplňky pro kardiovaskulární péči u dospělých.
V poslední dekádě panuje mezi řasovými biotechnologicky relativní shoda, že komerční produkce metabolitů s vysokou přidanou hodnotou vyžaduje venkovní uzavřené fotobioreaktory. Ačkoliv bylo popsáno a zkonstruováno mnoho experimentálních typů fotobioreaktorů, pouze nepatrná část jich byla komerčně úspěšná ve velkém měřítku. Komerční aplikace fotobioreaktorů zůstává limitována především na produkci Chlorella and Haematococcus (Olaizola 2003, Pulz O. In: Appl. Microbial. Biotechnol. 57, 287-293 (2001), a kultivace probíhá též s kyanobakteriemi (Lyngbya sp.), zelenými řasami (Haematococcus pluvialis) a červenými řasami (Porphyridium sp.), např. ve společnosti Mera Pharmaceuticals lne., Hawaii.
Od dob prvých pokusů v 50tých letech byla v pilotním měřítku navržena a testována široká škála fotobioreaktorových uspořádání (Tredici M.R.: Mass production of microalgae: Photobioreactors. In: Richmond A., Ed., Handbook of Microalagal Culture. Blackwell Science Ltd, Oxford, p. 178— 214 (2004). Obecně se dají rozdělit do 4 základních skupin: ploché reaktory, mělké otevřené rybníky, trubkové reaktory a plastové vaky. Mezi těmito základními typy je však mnoho variant.
Pro masovou produkci řady běžných typů mikrořas jsou většinou využívány otevřené horizontální bazény s kruhovým či oválným půdorysem, výškou řasové suspenze cca 150 až 30 cm a rychlostí proudění 15 až 30 cm/s, takzvané „dostihové dráhy“ (Borowitzka M. A.: Commercial production of microalgae: ponds, tanks, tubes and fermenters. J. Biotechnol. 70, 313-321 (1999).
Komerční produkce chlorely a spiruliny je provozována primárně v tomto otevřeném uspořádání. Uzavřené systémy byly využity zejména pro výzkum a pilotní instalace (Tredici M. R. Zittelli G. C.: Effícienty of sunlight utilization: Tubular versus fiat photobioreactors. Biotechnol. Bioeng. 57, 187-197 (1998). Doposud jedinou velkokapacitní pěstímou využívající uzavřený trubkový fotobioreaktor je od r. 2000 výroba Chlorelly v Německu (Pulz O.: Photobioreactors: Production systém for phototropis microorganisms. Appl. Microbiol. Biotechnol. 57, 287-293 (2001).
Horizontální bazény jsou charakterizovány jednoduchou stavbou a nízkými investičními náklady. Na druhou stranu jsou spojeny s řadou výrazných problémů, např. díky vysoké vrstvě kapaliny a s tím souvisejícím využitím dopadajícího fotosyntetizujícího záření, koncentrace řas v kultuře se pohybuje obvykle do 500 mg suché váhy v litru kultivačního média (Doucha J., Lívanský K.: Productivity, CO2/02 exchange and hydraulics in outdoor open high density microalgal (Chlorella sp.) photobioreactors operated in a Middle and Souther European climate. J. Appl. Phycol. 18, 811-826 (2006). Nízká koncentrace řas zvyšuje riziko kontaminace jinými mikroorganismy a klade vysoké energetické nároky na separaci biomasy z takto řídkého média, což výrazně zvyšuje provozní náklady na zpracování. Laminární pomalý tok kultivačního média v tomto reaktorovém uspořádání může vyústit ve fotoinhibici horní vrstvy média, které je přesaturovaná světlem a vést k nežádoucí akumulaci kyslíku v systému.
-2CZ 304161 B6
Hlavní výhodou uzavřených systémů je prevence kontaminace cizími mikroorganismy, unášenými větrem. Avšak uzavření otevřených bazénů je nákladné a dochází k snížení množství slunečního záření, dopadajícího na kultivační médium. Fotobioreaktory mohou být uspořádány pro kontinuální sklizeň (např. trubkové fotobioreaktory), nebo vsádkovým systémem (např. polyethylenové vaky).
V transparentních nádržích či vakových systémech pro růst řas mikroorganismy zachycují světlo pouze ve vrstvičce o tloušťce několika milimetrů až centimetrů od povrchu nádrže, kde dochází k fotosyntéze. Jakmile se organismy vlivem proudění kultivačního média dostanou dále od osvětleného povrchu, záření již médiem nemůže penetrovat a fotosyntéza se zastavuje. Pro metabolismus řas je důležitá nejenom doba vystavení fotosyntetizujícímu záření, ale i existence tmavých oblastí uvnitř objemu reaktoru. V těchto oblastech dochází k tvorbě komplexních proteinů uvnitř řas (po ozáření a absorpci fotosyntetizujícího záření potřebují řasy jistou prodlevu v temné oblasti, kdy dojde k využití zachycené sluneční energie a jejímu transferu do hmoty). Poměr doby, po kterou řasa setrvá v ozářené a temné oblasti reaktoru je rozhodující pro optimální růst řas.
V nádržích a otevřených reaktorových systémech s hlubokou vrstvou kultivačního média je však tento poměr velmi vzdálený optimálním hodnotám a růst řas je tak limitován.
Trubkové reaktory řeší tento problém užitím užších průměrů trubek, které umožňují penetraci slunečního záření až ke středu trubek. Toto řešení maximalizuje objem reaktoru využitelný pro fotosyntézu. Jelikož řasy vyžadují strávit část doby v temné zóně, je proto kultivační médium cirkulováno trubkami do neosvětleného zásobníku a zpět do trubek. Další možností je využití o trochu větších průměrů trubek, nežli je penetrační hloubka záření a udržení dostatečné míry turbulence, která zajistí oscilaci řasových buněk mezi světlou a temnou částí trubky. Je však nutno konstatovat, že striktní rozdělení na světlou a temnou část je hypotetické a v reálu prochází řasová buňka oblastmi s různým gradientem intenzity záření.
Existuje celá řada různých uspořádání trubkových fotobioreaktorů, které však obecně pracují všechny na stejném principu. Transparentní trubka může být buď položena na zemi, či v temperačním bazénu, stočena do různých tvarů, položena v rovném paralelním uspořádání atd. Trubkové fotobioreaktory mají také řadu nevýhod, např. kontrolu teploty. Vzhledem k limitovanému odpařování kapaliny z trubek, může v horkých dnech dojít k přehřátí kultivačního média nad mez únosnou pro přežití kmene mikrořasy. Otevřené systémy mají částečnou seberegulační schopnost teploty díky odparu kapaliny z hladiny, kterým dochází k ochlazení média. Tento fenomén u uzavřených trubkových reaktorů nefunguje a musí být proto zařazen externí výměník tepla, což může provoz zařízení prodražit.
Velkým problémem je akumulace kyslíku během toku reakční suspenze (kultivačního média s řasami) v dlouhém potrubí: doba setrvání řasy ve světlé zóně se prodlužuje natolik, že využitelný oxid uhličitý je zkonzumován a může dojít k otravě řas kyslíkem, doprovázenou dále blednutím buňky spojenou s přemírou světla. Je též možno očekávat zanášení vnitřního povrchu trubek. Aby se zabránilo usazování řas, zanášení povrchu trubek a nutnosti častého čištění, je nutno zvýšit rychlost proudění na hodnotu dostatečnou pro dosažení turbulentního toku. Toho může být nejsnáze dosaženo použitím odstředivého čerpadla, avšak musí být pečlivě zváženo, zda-li nemůže toto čerpadlo poškodit, případně zcela zničit křehkou buněčnou stěnu řas. Volba vhodného čerpadla je pak významným know-how. Pro některé druhy řas může být vhodnou volbou membránové čerpadlo. S prodlužující se délkou potrubí narůstá tlaková ztráta aje nutnost instalovat dražší čerpadla s vyšší spotřebou.
Velmi účinný je otevřený tenkovrstvý reaktor tvořený nakloněnými plochými deskami, s výškou vrstvy suspenze mikrořas v rozměrech jednotek milimetrů, vyvinutý v Československu a popsaný Douchou (DouchaJ., Lívanský K..: Productivity, CO2/02 exchange and hydraulics in outdoor open high density microalgal (Chlorella sp.) photobioreactors operated in a Middle and Souther European climate. J. Appl. Phycol. 18, 811-826, 2006). Tento fotobioreaktor vykazuje vysokou produktivitu a vysoké sklizňové koncentrace biomasy (což s sebou nese snížení nákladů na zpra-3 CZ 304161 B6 cování) a byl po desetiletí testován pro masovou kultivaci jednobuněčných řas Chlorella a Scenedesmus. Ačkoliv má tento reaktor mnoho procesních parametrů výrazně lepších, nežli jiné, výše popsané typy, má i určitá omezení, zejména při převodu do velkoobjemové průmyslové kultivace. Jedním omezením je limitovaná délka nakloněných desek, která je dána dosažením koncentrace rozpuštěného kyslíku, která je limitující či toxická pro růst řas. Další nevýhodou, omezující využití fotobioreaktoru při produkci pomalu rostoucích kmenů (které však produkují mnoho žádaných metabolitů, např. lipidy), je otevřený charakter reaktoru, který umožňuje kontaminaci pomalu rostoucích produkčních kmenů řas divokými rychle rostoucími druhy. Konstrukce fotobioreaktoru využívající skleněné desky v kovových rámech je nákladná a podstatně limituje rozšíření tohoto jinak technologicky vynikajícího řešení do průmyslové praxe. V oblastech se zvýšeným rizikem zemětřesení jsou skleněné desky náchylné k rychlé destrukci.
Ze výše uvedených faktů, publikovaných prací i ze skoupých firemních údajů je možno vzhledem ke konstrukci průmyslových fotobioreaktorů formulovat některá nezpochybnitelná pravidla. Za předpokladu, že je aplikováno optimální složení růstového média, vhodná teplota a pH systému, musí fotobioreaktor splňovat některá kriteria:
1. Dostupnost řas světelné energii. Se stoupající tloušťkou řasové suspenze významně klesá produktivita tvorby řas P, vyjádřená jako gsušiny/lsuspenze/h, kterou lze pro danou intenzitu osvětlení například korelovat empirickým vztahem P = AxD ° \ kde Aje empirický koeficient charakteristický pro konkrétní kmen řas a podmínky osvitu a teploty v dané lokalitě a D je tloušťka prosvětlované suspenze v mm. Pro většinu průmyslově využitelných kmenů řas by tloušťka (výška vrstev) suspenze měla být D < 100 mm.
2. Dostupnost řas rozpuštěnému oxidu uhličitému, jehož hodnota v suspenzi by neměla poklesnout pod zhruba 5 % z hodnoty nasycení kapalného média oxidem uhličitým při dané teplotě
3. Turbulentní prostředí zaručující dobrý přestup hmoty a tepla v suspenzi, to jest zejména přestup oxidu uhličitého z bublin plynu, přestup oxidu uhličitého přes membránu řas, přestup kyslíku produkovaného fotosyntézou z řas do okolní kapaliny, který je inhibiční pro růst řas, zejména jeho přestup do bublin směsi vzduchu a oxidu uhličitého, které ho ventilují ze suspenze
4. Zajistit optimální poměr mezi světelnou a tmavou časovou prodlevou pro řasy.
5. Zajišťovat velký objem suspenze V na m2 zastavěné plochy A, vhodně V/A > 10 l/m2.
6. Zajišťovat velký poměr osvětlené plochy F na objem suspenze v reaktoru V, vhodně F/V > 0,02 m2/l suspenze.
Žádný z doposud zkoušených fotobioreaktorů nenaplňuje současně všechny shora uvedené podmínky.
Např. deskový velmi účinný s dobrou turbulencí otevřený reaktor třeboňského typu (viz citace Doucha aj.) má F/V = 0,125, ale V/A = 6-8.
Mělké otevřené rybníky mají V/A = 250-400, ale F/V kolem 0,003, přičemž turbulence je zde nedostatečná.
Uzavřené horizontální trubkové reaktory mají sice poněkud lepší poměr F/V kolem 0,08 (jsou-li však položeny na zemi, je část plochy neosvětlená) a mohou být sdruženy i do svazků několika horizontálních trubek, takže mají i výhodný poměr V/A, ale obtížně se z nich desorbuje kyslík.
Vertikální trubky mají výhodný poměr V/A i poměr F/V (ten ale významně závisí na průměru kolony, viz též shora uvedené kriterium ad 1.), ale dobře se žních uvolňuje kyslík. Při jejich
-4CZ 304161 B6 instalaci je však nutno uvažovat, že zastavěná plocha musí zahrnovat i plochu možného stínu, která by dopadal na další řadu trubek při jejich paralelním uspořádání do řad. Nutno též počítat se zvýšenou tlakovou ztrátou při probublávání plynu s oxidem uhličitým.
Plastové rukávy, které jsou modifikací horizontálních trubek, mají stejné výhody či nevýhody jako horizontální trubky, jsou však lacinější.
Je zřejmé, že pro mastnou produkci mikrořas pro produkty s nízkou cenou, tj. např. za účelem získávání oleje pro bionaftu, nebo škrobu pro biolíh, se nejspíše budeme muset vzdát nákladnějších uzavřených fotobioreaktorů, přičemž v příhodnějších otevřených reaktorech pak bude nutno pěstovat rychle rostoucí řasy, aby se potlačila nežádoucí kontaminace. Z důvodů přiblížení se ke shora uvedeným kriteriím bude nutno při konstrukci fotobioreaktorů volit kompromisní přístup. Významnými faktory budou zejména jednoduchost konstrukce, snadnost údržby, nízké investiční i provozní náklady, vysoká produktivita a vysoká sklizňová koncentrace biomasy redukující náklady na odvodnění a další zpracování. Většina těchto parametrů odpovídá tenkovrstvým typům reaktorů.
Předkládaný vynález fotobioreaktorů pro velkoobjemovou autotrofní kultivaci sinic a jednobuněčných řas s desorpčními zónami řeší většinu problémů spojených s otevřenými tenkovrstevnými reaktory, zejména snižuje hodnoty rozpuštěného kyslíku, nabízí konstrukčně a investičně nenáročné řešení a umožňuje výstavbu velkých průmyslových systémů. Možnost částečného zakrytí, popsaná v jednom z význaků vynálezu dále snižuje riziko kontaminace.
Podstata vynálezu
Podstatou vynálezu investičně nenáročného fotobioreaktorů pro velkoobjemovou autotrofní kultivaci sinic a jednobuněčných řas s desorpčními zónami, je konstrukční řešení sestávající ze skloněných kultivačních zón, které se periodicky střídají se skloněnými nebo vertikálními desorpčními zónami, na nichž dochází ke snížení koncentrace rozpuštěného kyslíku v kultivačním médiu, stékajícím po periodicky se střídajících zónách.
Následovně jsou uvedena další řešení, respektive znaky vynálezu, které jeho podstatu dále rozvíjejí nebo alternativně doplňují.
Kultivační zóny fotobioreaktorů jsou konstruovány z hladkého rovného či profilovaného materiálu netoxického pro kultivovanou řasu a odolného kultivačnímu médiu. Pro zajištění dostatečné pevnosti, odolnosti a investiční nenáročnosti v případě průmyslových instalací je výhodné využívat komerčně běžně dostupné materiály, které jsou navíc celosvětově velkoobjemově vyráběné. Takové vlastnosti např. s výhodou splňuje profilovaný plech. Tyto materiály jsou standardně vyráběné např. pro využití jako střešní krytiny, jejich povrchová úprava zajišťuje vysokou odolnost vůči vodě a povětrnostním vlivům a díky profilaci mají vysokou pevnost, umožňující jednoduchou montáž kladením segmentů např. na konstrukci z dřevěných latí. Pro účely konstrukce kultivačních zón fotobioreaktorů je s výhodou možno použít profilovaný ocelový plech válcovaný za studená, oboustranně žárově pozinkovaný, opatřený následovně případnou další pasivační vrstvou a finální polymerní hydrofilní vrstvou, umožňující rovnoměrné stékání kultivačního média po ploše, případně profilovaný trapézový plech z aluzinku či hliníku, opatřené případně navíc ochranným nátěrem, pasivační či polymerní vrstvou. Profil tzv. trapézového plechu, je s výhodou volen tak, aby favorizoval maximální objem kapaliny na jednotku plochy kultivační zóny, přičemž je díky profilaci zajištěna dostatečná pevnost plechu.
Konstrukce kultivačních zón může být však provedena i z jiných levných materiálů, nepropustných pro kultivační médium a odolných jeho vlivu, např. plastových či skleněných desek, betonu, zpevněné zeminy potažené polymerní fólií atd. Řešení z betonu, případně opatřeného penetračním nátěrem a hydrofilní úpravou povrchu, případně řešení z fólií položených na zhutněném
-5CZ 304161 B6 vyspádovaném podloží jsou vhodná zejména pro levné velkoobjemové aplikace a mají velmi nízké investiční náklady, srovnatelné s náklady na „raceways ponds“.
Významným konstrukčním prvkem řešení podle vynálezu jsou zařazené desorpční zóny pro snížení obsahu rozpuštěného kyslíku v kultivačním médiu. Hlavním účelem desorpčních zón je zajištění vysokého přestupu kyslíku ven z kultivačního média do okolního vzduchu. Toho je dosaženo tím, že spontánní rychlé změny rychlostí a směru toku kultivačního média a tím vznik turbulentních vírků v řasové suspenzi, favorizující desorpci velmi málo rozpustného kyslíku z kultivačního média do okolní atmosféry. Desorpční plochy navíc pomáhají i lepší distribuci řasové suspenze po ploše kultivačních zón fotobioreaktoru. Desorpční zóny mohou být konstruovány z materiálu netoxického pro kultivovanou řasu a odolného kultivačnímu médiu. Materiálem pro konstrukci desorpčních zón, který splňuje výše uvedený požadavek na intenzivní tvorbu turbulentních vírků je např. tahokov. K desorpci kyslíku z kultivačního média však také může dojít např. rozstřikem média při jeho pádu z výše položené kultivační zóny na níže položenou zónu, případně rozstřikem kultivačního média čerpaného ze zásobní nádrže na kultivační zónu.
Aby bylo zajištěno rovnoměrné stékání kultivačního média, je sklon kultivačních zón typicky v rozmezí 0,5 až 5 % a desorpční zóny svírají s vodorovnou rovinou úhel 0,5 až 90°. Sklon kultivačních a desorpčních zón může být v častém případě stejný, tedy kultivační médium teče v jedné rovině podle obr. 1. Tohoto uspořádání může být s výhodou jednoduše konstrukčně dosaženo položením příčných pruhů tahokovu v pravidelných odstupech na dlouhou desku, po níž stéká kultivační médium.
V druhém výhodném uspořádání svírají desorpční zóny s vodorovnou rovinou úhel 90°, tj. jsou umístěny vertikálně k vodorovné rovině podle obr. 2. Tohoto konstrukčního řešení může být s výhodou využito jsou-li kultivační plochy, po nichž stéká kultivační médium, umístěny v kaskádách nad sebou. Desorpční zóny pak mohou být konstruovány jak kolmo k vodorovné rovině umístěnými pruhy tahokovu, po nichž kultivační médium s vysokou turbulencí toku a přestupem hmoty stéká, tak rozstřikem při pádu kultivačního média mezi kaskádovitě umístěnými kultivačními zónami.
Délka jednotlivých kultivačních zón se může pohybovat v rozmezí 0,1 až 500 m a délka individuálních desorpčních zón je v rozmezí 0,01 až 100 m, přičemž šířka obou typů zón je v rozmezí 0,1 až 100 m. Maximální délka individuální kultivační zóny je dána dosažením kritické koncentrace rozpuštěného kyslíku v kultivačním médiu, která závisí na konkrétním kmenu řasy, koncentraci biomasy, teplotě, růstové rychlosti biomasy, lineární rychlosti proudění média po kultivační ploše atd. Volba délka individuální desorpční zóny závisí na požadovaném snížení obsahu rozpuštěného kyslíku. V praxi jsou za daných kultivačních podmínek pro daný kmen řasy délky zón voleny nejčastěji v rozmezí v rozmezí 20 až 50 m pro délku jednotlivé kultivační zóny a v rozmezí 0,3 až 2 m pro délku individuální desorpční zóny, přičemž šířka obou typů zón je typicky v rozmezí 1 až 20 m aje zejména dána disponibilním konstrukčním materiálem.
Pro zajištění dostatečného vystavení řasové suspenze fotosyntetizujícímu záření (typicky slunečnímu záření), je výška kultivačního média na kultivační zóně je v rozmezí 1 až 100 mm, většinou 5 až 15 mm.
Konstrukce periodicky se střídajících kultivačních a desorpčních zón může být umístěna např. na konstrukci z dřevěných latí, kovové konstrukci, betonovém fundamentu apod. S výhodou konstrukce využívá přirozeně nebo uměle vytvořený terénní profil, svah, či terénní vlny ve tvaru teras, pokrytých vhodným materiálem, nepropustným pro kultivační médium, jako je beton, plastové fólie, plechy atd., případně umístěné na nosné konstrukci.
Jednotlivé sekce periodicky se opakujících zón mohou být umístěny paralelně vedle sebe tak, že suspenze s řasami může protékat sekcemi ve vzájemně opačném nebo souhlasném směru, jak je schematicky znázorněno na obr. 3. Jednotlivé sekce periodicky se opakujících zón mohou být
-6CZ 304161 B6 umístěny kaskádovitě nad sebou tak, že suspenze řas může přetékat z výše položené sekce na níže položené sekce nebo do sběrače vyvedeného do zásobníku, jak je schematicky znázorněno na obr. 4. Z poslední kultivační zóny je řasová suspenze vedena do zásobníku a z něj čerpadlem zpět na první kultivační zónu.
Pro zajištění zvýšené ochrany před kontaminací cizorodými mikroorganismy z okolního prostředí, zavlečenými např. větrem, mohou být kultivační a desorpční zóny úplně nebo částečně zakryty materiálem transparentním pro fotosyntetizující záření, což redukuje riziko kontaminace kultivačního média. Vhodným materiálem pro zakrytí fotobioreaktoru je např. sklo, polykarbonát, polymetakrylát, polyethylen nebo polyvinylchlorid ve formě tabulí, fólií či jiných vhodných tvarů.
Fotobioreaktor je dále vybaven systémem pro sycení kultivačního média vhodným plynem s obsahem CO2, nutným pro růst kultivovaných mikroorganismů, jako je čistý CO2, směsi CO2 sjinými plyny, spalné plyny z kogeneračních jednotek, spaloven odpadů, tepláren a uhelných elektráren, popř. geotermální plyny.
Příklad 1
Pro poloprovozní kultivaci mikrořasy byla použita acenická kultura řasy Trachydiscus minutus EC1218, vyznačující se vysokým obsahem nenasycených mastných kyselin, zejména kyseliny eicosapentaenové. Inokulum o koncentraci 8 g/1 bylo vyrobeno v laboratorním fermentoru, sestávajícím ze skleněných kyvet o vnitřním průměru 35mm. Kyvety byly umístěny v termostatované lázni při teplotě 26 °C a kontinuálně osvětleny panelem fluorescenčních trubic. Intenzita osvětlení kyvet, měřená 4π detektorem (Biospherical Instruments Inc., San Diego, CA, UAS) byla 1150 1150 pE.m .s . Kyvety byly probublávány směsí vzduchu a potravinářského CO2 obsahující 2 % (v/v) CO2. Průtok plynu každou kyvetou byl regulován na 2,5 l.min-1. Pro kultivaci bylo použito médium o počátečním složení (mg.L1): 1100 (NH2)2CO, 237 KH2PO4, 204 MgSO4.7H2O, 40 C|0Hi2O8N2NaFe, 88 CaCl2, 0.83 H3BO3, 0.95 CuSO4.5H2O, 3.3 MnCl2.4H2O, 0.17 (NH4)6Mo7O24.4H2O, 2.7 ZnSO4.7H2O, 0.6 CoSO4.7H2O, a 0.014 NH4Vo3 v destilované vodě. Kultivace byla prováděna ve vsádkovém režimu. Koncentrace suspendované řasové biomasy byla určena stanovením sušiny. pH kultury bylo udržováno na 6,5 až 7,5. Do kyvet byla periodicky přidávána destilovaná voda v množství odpovídající úbytku vody odparem.
Inoculum bylo poté přeneseno na poloprovozní reaktor sestávající ze 2 kultivačních zón, 2 desorpčních zón, sběrné nádrže, membránového čerpadla a potrubí. Sestava odpovídala uspořádání znázorněném na obr. 2. Kultivační zóny byly konstruovány z profdovaného ocelového plechu válcovaného za studená a oboustranně žárově pozinkovaného podle Sendzimirovy metody (plošné pozinkování o hmotnosti 275 g/m2, EN 10147), opatřeného následovně pasivační vrstvou a finální polymemí hydrofilní vrstvou. Desky profilovaného plechu jsou uchyceny v nosné konstrukci ze střešních latí. Rozměry každé kultivační zóny byly 10 m délka, 1,2 m šířka. Desorpční zóny byly tvořeny vertikálně umístěným tahokovem z pozinkované oceli o rozměrech 1,2 x 0,6 m. Sklon kultivačních zón byl 1 %, výška vrstvy kultivačního média 10 mm, objem osvětlené části suspenze byl 123 litrů. Plocha povrchu kapaliny vystavené slunečnímu osvitu byla 12,3 m2, zbylá plocha představuje profilaci plechu nepokrytou kultivačním médiem. Kultivační médium obsahovalo z hlavních sloučenin močovinu a biogenní prvky, a mělo složení stejné jako v případě produkce inokula. Experimenty proběhly v České republice, na přelomu května/června 2010, počasí polojasno, teploty denní mezi 20 až 24 °C, teploty v reaktoru v podstatě kopírovaly teploty ovzduší, noční teploty mezi 17 až 19 °C. pH bylo udržována automaticky na pH 7,5. Během dne byla suspenze sycena potravinářským CO2. V noci byla suspenze řas v kultivačním médiu svedena do tanku a probublávána pouze vzduchem. Při použití inokula v množství 0,25 g/1 bylo dosaženo finální koncentrace 21,3 g sušiny/1 kultivačního média za 10 dní kultivace. V případě uspořádání analogického experimentu bez zařazení desorpčních zón byla produkce řas na stejné ploše menší o 26 %.
-7CZ 304161 B6
Obsah mastných kyselin v lyofilizované biomase byl po extrakci a převedení na těkavé metylestery stanoven metodou plynové chromatografie a dosáhl 19,8 %. Podíl EPA jako dominantní mastné kyseliny na celkovém obsahu mastných kyselin tvořil 38,4 %.
Průmyslová využitelnost
Zařízení umožňuje masově pěstovat vybrané kmeny jednobuněčných řas, které představují cennou surovinu pro řadu žádaných produktů v oblasti potravinářského a farmaceutického průmyslu, v kosmetice, jako součást potravinových doplňků, krmiv, či pro výrobu biopaliv, což je v současné době předmětem vysokého zájmu společnosti.
Claims (12)
- PATENTOVÉ NÁROKY1. Fotobioreaktor pro velkoobjemovou autotrofní kultivaci sinic a jednobuněčných řas s desorpčními zónami, vyznačený tím, že se skládá ze skloněných kultivačních zón, které se periodicky střídají se skloněnými nebo vertikálními desorpčními zónami, na nichž dochází k snížení koncentrace rozpuštěného kyslíku v kultivačním médiu, stékajícím po periodicky se střídajících zónách.
- 2. Fotobioreaktor podle nároku 1, vyznačený tím, že kultivační zóny jsou konstruovány z hladkého rovného či profilovaného materiálu netoxického pro kultivovanou řasu a odolného kultivačnímu médiu.
- 3. Fotobioreaktor podle nároku 1, vyznačený tím, že kultivační zóny jsou konstruovány z profilovaného plechu.
- 4. Fotobioreaktor podle nároku 3, vyznačený tím, že profilovaný plech je ocelový, válcovaný za studená a oboustranně žárově pozinkovaný, opatřený následovně finální polymerní hydrofilní vrstvou, umožňující rovnoměrné stékání kultivačního média po ploše.
- 5. Fotobioreaktor podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4, vyznačený tím, že ocelový plech je profilován pro zvýšení objemu kapaliny na jednotku plochy kultivační zóny.
- 6. Fotobioreaktor podle kteréhokoliv z nároků laž5, vyznačený tím, že desorpční zóna pro desorpci velmi málo rozpustného kyslíku z kultivačního média do okolní atmosféry má oblasti turbulentních vírků s rychlou změnou rychlosti a směru toku kultivačního média v řasové suspenzi.
- 7. Fotobioreaktor podle nároku 6, vyznačený tím, že desorpční zóna je konstruována z materiálu s vysokým stupněm distribuce řasové suspenze po ploše kultivačních zón fotobioreaktoru.
- 8. Fotobioreaktor podle kteréhokoli z nároků 6 a 7, vyznačený tím, že desorpční zóny jsou konstruovány ztahokovu netoxického pro kultivovanou řasu a odolného kultivačnímu médiu.
- 9. Fotobioreaktor podle kteréhokoli z nároků laž8, vyznačený tím, že sklon kultivační zóny je 0,5 až 5 % a desorpční zóny svírají s vodorovnou rovinou úhel 0,5 až 90°.-8CZ 304161 B6
- 10. Fotobioreaktor podle kteréhokoli z nároků 1 až 9, vyznačený tím, že délka jednotlivých kultivačních zón je v rozmezí 0,1 až 500 m a délka individuálních desorpčních zón je v rozmezí 0,01 až 100 m, přičemž šířka obou typů zón je v rozmezí 0,1 až 100 m.5
- 11. Fotobioreaktor podle kteréhokoli z nároků 1 až 10, vyznačený tím, že výška kultivačního média na kultivační zóně je v rozmezí 1 až 100 mm.
- 12. Fotobioreaktor podle kteréhokoli z nároků lažll, vyznačený tím, že kultivační a desorpční zóny jsou dále úplně nebo částečně zakryty materiálem transparentním pro fotosyntetiio zující záření, což redukuje riziko kontaminace kultivačního média.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20100474A CZ304161B6 (cs) | 2010-06-15 | 2010-06-15 | Fotobioreaktor pro velkoobjemovou autotrofní kultivaci sinic a jednobunecných ras s desorpcními zónami |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20100474A CZ304161B6 (cs) | 2010-06-15 | 2010-06-15 | Fotobioreaktor pro velkoobjemovou autotrofní kultivaci sinic a jednobunecných ras s desorpcními zónami |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2010474A3 CZ2010474A3 (cs) | 2011-12-28 |
| CZ304161B6 true CZ304161B6 (cs) | 2013-11-27 |
Family
ID=45370288
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ20100474A CZ304161B6 (cs) | 2010-06-15 | 2010-06-15 | Fotobioreaktor pro velkoobjemovou autotrofní kultivaci sinic a jednobunecných ras s desorpcními zónami |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ304161B6 (cs) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ279579B6 (cs) * | 1993-08-27 | 1995-05-17 | Mikrobiologický Ústav Avčr | Způsob solární kultivace mikroskopických řas a zařízení k provádění tohoto způsobu |
| US20080160591A1 (en) * | 2006-12-28 | 2008-07-03 | Solix Biofuels, Inc./Colorado State University Research Foundation | Diffuse Light Extended Surface Area Water-Supported Photobioreactor |
-
2010
- 2010-06-15 CZ CZ20100474A patent/CZ304161B6/cs not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ279579B6 (cs) * | 1993-08-27 | 1995-05-17 | Mikrobiologický Ústav Avčr | Způsob solární kultivace mikroskopických řas a zařízení k provádění tohoto způsobu |
| US20080160591A1 (en) * | 2006-12-28 | 2008-07-03 | Solix Biofuels, Inc./Colorado State University Research Foundation | Diffuse Light Extended Surface Area Water-Supported Photobioreactor |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Doucha J., Livansky K.: " Productivity, CO2/O2 exchange and hydraulics in outdoor open high density microalgal (Clorella sp.) photobioreactors operated in a Middle and Southern European climate". J Appl Phycol 18: 811-826 * |
| Doucha J., Straka F., Livansky K. : "Utilization of flue gas for cultivation of microalgae (Chlorela sp.) in an outdoor open thin-layer photobioreactor". J Appl Phycol 17: 403-412, 2005 * |
| O. Pulz: "Photobioreactors: production system for photothropic microorganism", Applied Microviology and Biotechnology, Vol. 57 (3), pp 287-293, 2001 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2010474A3 (cs) | 2011-12-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Płaczek et al. | Technical evaluation of photobioreactors for microalgae cultivation | |
| CN101636484B (zh) | 一种改进的漫射光可扩展表面积水支撑式光生物反应器 | |
| Ozkan et al. | Reduction of water and energy requirement of algae cultivation using an algae biofilm photobioreactor | |
| Tredici et al. | Efficiency of sunlight utilization: tubular versus flat photobioreactors | |
| Carlozzi | Dilution of solar radiation through “culture” lamination in photobioreactor rows facing south–north: a way to improve the efficiency of light utilization by cyanobacteria (Arthrospira platensis) | |
| Watanabe et al. | Development of a photobioreactor incorporating Chlorella sp. for removal of CO2 in stack gas | |
| US9260685B2 (en) | System and plant for cultivation of aquatic organisms | |
| US8658420B2 (en) | Photobioreactor for algae growth | |
| DK2501795T3 (en) | Accordion-bioreactor | |
| WO2009037683A1 (en) | A system and apparatus for growing cultures | |
| MX2008010770A (es) | Fotobiorreactor y usos para el mismo. | |
| Tredici et al. | Cultivation of Spirulina (Arthrospira) platensis in flat plate reactors | |
| Molina Grima et al. | Biomass and icosapentaenoic acid productivities from an outdoor batch culture of Phaeodactylum tricornutum UTEX 640 in an airlift tubular photobioreactor | |
| Morita et al. | Photosynthetic productivity of conical helical tubular photobioreactor incorporating Chlorella sorokiniana under field conditions | |
| Burns | Photobioreactor design for improved energy efficiency of microalgae production | |
| JP2013085534A (ja) | 微細藻類の培養方法 | |
| MX2008010831A (es) | Dispositivo de enfriamiento para uso en un horno de arco electrico. | |
| KR101861972B1 (ko) | 부착성 규조류 배양장치 및 이를 이용한 배양방법 | |
| KR101372328B1 (ko) | 비닐 시트형 광생물반응기 및 이의 제작방법 | |
| Ramasamy et al. | An overview of algal photobioreactors for resource recovery from waste | |
| Nedaei et al. | Influence of process factors and photobioreactor design on microalgae cultivation | |
| Griffiths | 5 Microalgal Cultivation | |
| AU2014201960A1 (en) | Improved diffuse light extended surface area water-supported photobioreactor | |
| CZ304161B6 (cs) | Fotobioreaktor pro velkoobjemovou autotrofní kultivaci sinic a jednobunecných ras s desorpcními zónami | |
| CN102296024B (zh) | 一种实现产油微藻规模化培养的光生物反应器系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20200615 |