CZ304764B6 - Fotobioreaktor pro velkoobjemovou autotrofní kultivaci řas - Google Patents

Abstract

Fotobioreaktor pro velkoobjemovou autotrofní kultivaci řas, který sestává z alespoň jedné skloněné plochy (1), která je vystavena působení fotosyntetizujícího záření, pro stékání kultivačního média obohaceného živinami a oxidem uhličitým v tenké vrstvě, kde skloněná plocha je ve své horní části opatřena distributorem (6) kultivačního média a ve své spodní části sběrným žlabem (3). Skloněná plocha (1) je dále opatřená důlky (2) či rýhami, přičemž důlky (2) mají tvar čočky nebo kulového vrchlíku o výšce 1 až 50 mm a průměru hraniční kružnice 2,5 až 200 mm a středy vedlejších důlků (2) jsou od sebe vzdálené 5 až 500 mm a rýhy mají průřez ve tvaru kruhové úseče s hloubkou 1 až 50 mm a šířkou 2,5 až 200 mm a jsou vedeny kolmo na sklon skloněné plochy (1).

Description

Fotobioreaktor pro velkoobjemovou autotrofní kultivaci řas

Oblast techniky

Vynález se týká fotobioreaktoru pro velkoobjemovou autotrofní kultivaci řas sestávajícího z alespoň jedné skloněné plochy, která je vystavena působení fotosyntetizujícího záření, pro stékání kultivačního média obohaceného živinami a oxidem uhličitým v tenké vrstvě, kde skloněná plocha je ve své horní části opatřena distributorem kultivačního média a ve své spodní části sběrným žlabem.

Dosavadní stav techniky

Mikrořasy a sinice (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 krustu 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 u 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 metabolizujících oxid uhličitý za účelem jejich velkoobjemové produkce a průmyslového využití začala být aktuální zejména v 70tých a 80tých 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 80tých let rozrostla průmyslová kultivace řas, zejména druhu Chlorella a Spirulina pro potravinářské a nutriční použití. Je uváděno, že do roku 1980 bylo v Asii 46 velkoobjemových řasových forem 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 současná produkce řasové biomasy přesahuje 5000 tun/rok a generuje tržby 1,25 miliardy USD.

-1 CZ 304764 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, B_b B₂, B₆, B₁₂, C, E), kyseliny listové, chlorofylu, karotenoidů, imunostatik (např. 1,3-beta-glukanu), polysacharidů a řady vzácných a žádaných složek (Metting F. B.: Biodiversity and application of microalgae. J. Ind. Microbiol. 17, 477-489 (1997). Řasové 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 biotechnology 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 a 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 (Porhphyridium 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 15 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., Zitteli G. C.: Efficiency 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 microroganisms. 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. Laminámí pomalý tok kultivačního média v tomto reaktorovém uspořádání může vyústit ve fotoinhibici horní vrstvy média, která je přesaturovaná světlem a vést k nežádoucí akumulaci kyslíku v systému.

-2CZ 304764 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. polyethy5 lenové 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 osvět10 leného povrchu, záření již médium 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 záření a absorpci fotosyntetizujícího záření potřebují řasy jistou prodlevu v temné oblasti, kdy dojde k využití zachycené sluneční energii 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 tempe30 račním 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 využitel40 ný oxid uhličitý je zkonzumován a může dojít k potravě řas kyslíkem, doprovázené dále blednutím buňky spojeným 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, zdali nemů45 že 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 a je 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 (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). Tento fotobioreaktor vykazuje vysokou produktivitu a vysoké sklizňové koncentrace biomasy (což s sebou nese snížení nákladů na zpra-3 CZ 304764 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. Hlavní nevýhodou, omezující využití fotobioreaktoru pro průmyslovou velkoobjemovou produkci levých kmenů řas, např. pro přípravu biopaliv, je konstrukce fotobioreaktoru využívající skleněné desky v kovových rámech, která je nákladná a podstatně limituje rozšíření tohoto jinak technologicky vynikajícího řešení do průmyslové praxe.

Z 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 kritéria:

1. Dostupnost řas světelné energii. Se stoupající tloušťkou řasové suspenze významně klesá produktivita tvorby řas P, vyjádřená jako g sušiny/1 suspenze/h, kterou lze pro danou intenzitu osvětlení například korelovat empirickým vztahem P = AxD’⁰'⁸, kde A je 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 vrstvy) 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 1/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 je velmi účinný s dobrou turbulencí otevřený reaktor třeboňského typu (viz citace Doucha aj.) má F/V = 0,125, ale V/A = 6 až 8. Mělké otevřené rybníky mají V/A = 250 až 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 kritérium ad 1.), ale dobře se z nich uvolňuje kyslík. Při jejich instalaci je však nutno uvažovat, že zastavěná plocha musí zahrnovat i plochu možného stínu, který 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.

-4CZ 304764 B6

Je zřejmé, že pro masovou produkci mikrořas pro produkty s nízkou cenou, tj. např. za účelem získávání oleje pro bionafitu, nebo škrobu pro biolíh, se nejspíše budeme muset vzdát nákladnějších uzavřených fotobioreaktorů, přičemž v příhodnějších otevřených reaktorech pak bude nutno pěstovat íychle rostoucí řasy, aby se potlačila nežádoucí kontaminace. Z důvodů přiblížení se ke shora uvedeným kritériím 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 řas nabízí konstrukčně a investičně nenáročné řešení a umožňuje výstavbu velkých průmyslových systémů, které umožňují zlepšit parametry toku kapaliny po skloněných kultivačních plochách.

Podstata vynálezu

Podstata fotobioreaktorů shora uvedeného typu spočívá podle vynálezu v tom, že skloněná plocha je opatřená důlky či rýhami, přičemž důlky mají tvar čočky nebo kulového vrchlíků o výšce 1 až 50 mm a průměru hraniční kružnice 2,5 až 200 mm a středy vedlejších důlků jsou od sebe vzdálené 5 až 500 mm a rýhy mají průřez ve tvaru kruhové úseče s hloubkou 1 až 50 mm a šířkou 2,5 až 200 mm a jsou vedeny kolmo na sklon skloněné plochy. Toto provedení zajišťuje, že nedochází k usazování řad v důlcích, nýbrž k lokálnímu snížení rychlosti proudění kultivačního média, zvýšení doby prodlení řas na kultivační ploše, vyšší zádrži kapaliny na ploše a periodic25 kému střídání oblastí s různou intenzitou záření uvnitř kultivačního média, tzv. flashing-light efektu. Tyto pravidelné oscilace světlých a tmavých cyklů jsou důležité pro dobré využití světelné energie řasovými buňkami a jsou známy jako tzv. flashing-light effect vedoucí ke zvýšení produktivity řasové biomasy (viz. Kok, B., 1956. Photosynthesis in flashing light. Biochim. Biophys. Acta 21, 245-258, Terry, K. L., 1986. Photosynthesis in modulated light: quantitative enhancement on flashing rate. Biotechnol. Bioeng. 28, 988-995). Volbou geometrického uspořádání prohlubní, jejich rozmístěním na šikmé kultivační ploše a lineární rychlostí toku kultivačního média lze modifikovat frekvenci light-dark cyklů a dobu prodlení řasové buňky v oblastech s různou intenzitou záření v řádu jednotek až stovek milisekund.

Důlky či rýhy mohou být přednostně vytvořeny v paralelních řadách vedených kolmo na sklon skleněné plochy, přičemž středy jednotlivých řad jsou od sebe vzdáleny od 20 do 500 mm.

Skloněné plochy mohou být konstruovány například z materiálu nepropustného pro kultivační médium, jako je zhutnělý jíl, beton, plastové fólie, plechy a polymemí hmoty. Řešení se zhutně40 lého jílu, či betonu případně opatřeného penetračním nátěrem s hydrofilní úpravou povrchu, případně řešení z fólií položených na zhutněném vyspádovaném podloží jsou vhodná zejména pro levné velkoobjemové aplikace a mají velmi nízké investiční náklady, srovnatelné s náklady na „raceways ponds“.

Skloněné plochy mohou být konstruovány například z materiálu nepropustného pro kultivační médium, jako je zhutnělý jíl, beton, plastové fólie, plechy a polymemí hmoty. Řešení ze zhutněného jílu, či betonu případně opatřeného penetračním nátěrem s hydrofilní úpravou povrchu, případně řešení z fólií položených na zhutněném vyspádovaném podloží jsou vhodná zejména pro levné velkoobjemové aplikace a mají velmi nízké investiční náklady, srovnatelné s náklady na „raceways ponds“.

Skloněné plochy mohou být podle další varianty provedení také opatřeny hydrofilní vrstvou obsahující látky s karboxylovými, aminovými nebo hydroxylovými funkčními skupinami pro lepší smáčitelnost povrchu a rovnoměrné stékáni kultivačního média po ploše. Přitom povrch důlků či

-5CZ 304764 B6 rýh nemusí být touto hydrofilní vrstvou opatřen, což naopak podporuje vytékání média z důlků a omezuje usazování řas v prohlubních.

Pro zajištění rovnoměrného stékání kultivačního média svírají podle přednostní varianty vynálezu skloněné plochy s vodorovnou rovinou sklon 0,5 až 10°, typicky 2 až 3°.

Podle další varianty provedení vynálezu může být skloněná plocha pro zajištění dostatečného vystavení řasové suspenze fotosyntetizujícímu záření (typicky slunečnímu záření) opatřena vrstvou stékajícího média o tloušťce 1 až 50 mm, většinou 5 až 15 mm.

Fotobioreaktor také může být tvořen více skloněnými plochami, přičemž dvě vedlejší skloněné plochy mají opačný sklon a mají vždy společný distributor kultivačního média a/nebo společný sběrný žlab.

Podle další varianty provedení vynálezu je také výhodné, když jednotlivé skloněné plochy mají poměr šířky plochy a délky plochy v rozmezí 1:10-10:1, přičemž délka plochy je v rozmezí 5 až 500, optimálně 20 až 50 m.

Také je výhodné, když fotobioreaktor je dále opatřen systémem pro sycení kultivačního média plynem s obsahem CO₂ 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. Tyto plyny mohou být s výhodou zavedeny do čerpadla kapalného média nebo do sběrných žlabů.

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.

Přehled obrázku na výkrese

Vynález je v následujícím objasněn pomocí příkladu provedení znázorněného na obrázku, který znázorňuje fotobioreaktor podle vynálezu v pohledu v perspektivě.

Příklady provedení vynálezu

Fotobioreaktor znázorněný na obrázku sestává ze dvou skloněných ploch i, které mají opačný sklon a jsou opatřeny mělkými důlky 2 či lýhami. Každá z obou skloněných ploch i je opatřena jedním sběrným žlabem 3, který ústí do jímky 4, na jejímž výstupu je umístěno čerpadlo 5, jeho výstup ústí do distributoru 6 kapalného média, který je společný pro obě skloněné plochy U Takovýchto kultivačních modulů může být zařazeno několik vedle sebe do průmyslové pěstímy řas.

Pro poloprovozní kultivaci mikrořasy byla použita axenická kultura řasy Chlorella vulgaris. Inokulum o koncentraci cca 7,5 g/1 bylo vyrobeno v laboratorním fermentoru, sestávajícím ze skleněných kyvet o vnitřním průměru 35 mm. Kyvety byly umístěny v termostatované lázni při teplotě 26 °C a kontinuálně osvětleny panelem fluorescenčních trubic. Intenzita osvětlení kyvet, měřená 4π detektorem (Biospherical Instruments lne., San Diego, CA, USA) byla 1150 pE.m'².s-¹. Kyvety byly probublávány směsí vzduchu a potravinářského CO2 obsahující 2 % (v/v) CO2. Průtok plynu každou ky větou byl regulován na 2,5 l.min“¹. Pro kultivaci bylo použito médium o počátečním složení (mg.L^-1): 1100 (NH2)₂CO, 237 KH₂PO₄, 204 MgSO₄.7H₂O,

CioH,₂0₈N₂NaFe, 88 CaCl₂, 0,83 H₃BO₃, 0,95 CuSO₄.5H₂O, 3,3 MnCl₂.4H₂O,

-6CZ 304764 B6

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 odpovídajícím úbytku vody odparem. 3 1 takto při5 praveného inokula byly poté přeneseny do čtvrtprovozního reaktoru ve tvaru úzkého uzavřeného hranolu o šířce 0,06 m, 2 m dlouhého a 2 m vysokého, tvořeného polyakrylátovými deskami, v němž bylo umístěno 150 1 shora uvedeného média. Reaktor byl vystaven slunečnímu záření a probubláván 2% obj. CO₂ ve vzduchu do dosažení cílové koncentrace řasové suspenze 3 g/1. Tato suspenze pak byla využita pro zaočkování provozního reaktoru dle tohoto patentu na startovací hodnotu 0,2 g/1. Provozní reaktor byl tvořen kultivační skloněnou plochou 1 o sklonu 3°, tvořenou betonovou plochou o šířce nátokové hrany 10 m a délce 20 m. Skloněná plocha i byla opatřena důlky ve tvaru kulového vrchlíku o výšce 20 mm a průměru hraniční kružnice 25 mm. Objem každého důlku (kulové úseče) byl 23,8 cm³, důlky byly umístěny na ploše ve čtvercové síti o hraně 10 cm. Celkový objem důlků na 1 m² plochy byl 1,74 dm³. Nátok média na okraj nátokové hrany byl 6 1/s na 1 m nátokové hrany. Celková zádrž média na skloněné ploše i se zvýšila o 22 % oproti ploše bez důlků. Disperze odezvové křivky na jednorázový vstup indikačního barviva do suspenze byla za použití důlků významně užší než na jimi neopatřené skloněné ploše i, což indikuje přiblížení k ideálnímu tvaru pístového toku a bylo též potlačeno zkratování řasové suspenze při toku po ploše, což se projevilo lychlejším růstovým přírůstkem řas vyjádřeno v g/l/hodinu. Médium ze skloněné plochy I stékalo do sběrného žlabu 3, odtud bylo vedeno do jímky a z ní čerpáno do distributoru 6, tvořeného perforovaným úzkým korytem umístěným nad nátokovou hranou plochy. Plocha povrchu média vystavená fotosyntetizujícímu záření byla 200 m², celková plocha betonového povrchu včetně důlků byla 247 m². Kultivační médium obsahovalo z hlavních sloučenin močovinu a biogenní prvky, a mělo složení stejné jako v případě produk25 ce inokula. Experimenty proběhly na přelomu června/července 2010, počasí polojasno, teploty denní mezi 25 až 32 °C, noční teploty mezi 15 až 21 °C. pH bylo udržováno automaticky na pH 7,5. Během dne byla suspenze sycena 2% CO₂. V noci byla suspenze řas v kultivačním médiu svedena do jímky o objemu 3 m³ a probublávána pouze vzduchem. V průměru bylo dosaženo produktivity 29,5 g sušiny/m² plochy povrchu média.

Průmyslová využitelnost

Fotobioreaktor podle vynálezu umožňuje masově pěstovat vybrané kmeny jednobuněčných řas, které představují cennou surovinou pro řadu žádaných produktů v oblasti potravinářských a farmaceutického průmyslu, v kosmetice, jako součást potravinových doplňků, krmiv, či pro výrobu biopaliv, což je v současné době předmětem vysokého zájmu společnosti.

Claims (10)

1. 45 1. Fotobioreaktor pro velkoobjemovou autotrofní kultivaci řas sestávající z alespoň jedné skloněné plochy (1), která je vystavena působení fotosyntetizuj ícího záření, pro stékání kultivačního média obohaceného živinami a oxidem uhličitým v tenké vrstvě, kde skloněná plocha je ve své homí části opatřena distributorem (6) kultivačního média a ve své spodní části sběrným žlabem (3), vyznačený tím, že skloněná plocha (1) je opatřená důlky (2) či rýhami, přičemž

   50 důlky (2) mají tvar čočky nebo kulového vrchlíku o výšce 1 až 50 mm a průměru hraniční kružnice 2,5 až 200 mm a středy vedlejších důlků (2) jsou od sebe vzdálené 5 až 500 mm a rýhy mají průřez ve tvaru kruhové úseče s hloubkou 1 až 50 mm a šířkou 2,5 až 200 mm a jsou vedeny kolmo na sklon skloněné plochy (1).

   -7CZ 304764 B6
2. 2. Fotobioreaktor podle nároku 1, vyznačený tím, že důlky (2) či rýhy jsou vytvořeny v paralelních řadách vedených kolmo na sklon skleněné plochy (1), přičemž středy jednotlivých řad jsou od sebe vzdáleny od 20 do 500 mm.
3. 3. Fotobioreaktor podle kteréhokoli z nároků la2, vyznačený tím, že skloněné plochy (l) jsou konstruovány z materiálu nepropustného pro kultivační médium, jako je zhutnělý jíl, beton, plastové fólie, plechy a polymemí hmoty.
4. 4. Fotobioreaktor podle kteréhokoli z nároků laž3, vyznačený tím, že skloněné plochy (1) jsou opatřeny hydrofilní vrstvou obsahující látky s karboxylovými, aminovými nebo hydroxylovými funkčními skupinami pro lepší smáčitelnost povrchu a rovnoměrné stékání kultivačního média po ploše.
5. 5. Fotobioreaktor podle kteréhokoli z nároků laž4, vyznačený tím, že skloněné plochy (1) svírají s vodorovnou rovinou sklon 0,5 až 10°.
6. 6. Fotobioreaktor podle kteréhokoli z nároků laž5, vyznačený tím, že skloněná plocha (1) je opatřena vrstvou stékajícího média o tloušťce 1 až 50 mm.
7. 7. Fotobioreaktor podle kteréhokoli z nároků laž6, vyznačený tím, že je tvořen více skloněnými plochami (1), přičemž dvě vedlejší skloněné plochy (1) mají opačný sklon a mají vždy společný distributor (6) kultivačního média a/nebo společný sběrný žlab (3).
8. 8. Fotobioreaktor podle kteréhokoli z nároků laž7, vyznačený tím, že jednotlivé skloněné plochy (1) mají poměr šířky plochy a délky plochy v rozmezí 1:10 až 10:1, přičemž délka plochy je v rozmezí 5 až 500, optimálně 20 až 50 m.
9. 9. Fotobioreaktor podle kteréhokoli z nároků laž8, vyznačený tím, že je dále opatřen systémem pro sycení kultivačního média plynem s obsahem CO₂ pro růst kultivovaných mikroorganismů, jako je čistý CO₂, směsi CO₂ s jinými plyny, spalné plyny z kogeneračních jednotek, spaloven odpadů, tepláren a uhelných elektráren, popř. geotermální plyny.
10. 10. Fotobioreaktor podle kteréhokoli z nároků laž9, vyznačený tím, že skloněné plochy (1) jsou alespoň zčásti zakryty materiálem transparentním pro fotosyntetizující záření.