CZ9966U1 - Bioreaktor pro venkovní tenkovrstvou kultivaci řas a sinic - Google Patents

Description

Bioreaktor pro venkovní tenkovrstvou kultivaci řas a sinic

Oblast techniky

Technické řešení se týká bioreaktoru pro venkovní tenkovrstvou kultivaci řas a sinic (dále jen řas), u kterého se vede suspenze řas nasycená oxidem uhličitým a obohacená potřebnými živinami po nakloněných kultivačních plochách.

Dosavadní stav techniky

Kultivace řas a sinic pod širým nebem se dosud provádí většinou ve 4 - 8 m širokých horizontálních korytech, uzavřených do protáhlé elipsy (raceway ponds), v nichž 15 - 30 cm tlustá vrstva anorganického živného roztoku s řasami probublávaná oxidem uhličitým se nepřetržitě pohybuje nejčastěji pomocí lopatkovitých míchadel rychlostí 15 - 30 cm.s'¹ (Stengel, Deutch.Bot.Ges.Bd 83, Heft 11,1970, 589-606, Goldman, Water Res. 13,1979, 1-19, Richmond and Becker, Handbook of Microalgal Mass Culture, CRC Press, 1986, 245-253; Oswald, Microalgal Biotechnology, Cambridge University Press, 1988, 357-394; Becker, Microalgal Biotechnology and Microbiology, Cambridge U. P., 1994, 293 pp). Nedostatkem uvedeného systému je nízká kultivační hustota, která nemá být vyšší než 500 mg suché hmoty řas na 1 l živného roztoku. Pomalejší pohyb spodní vrstvy suspenze může vést k sedimentaci řas na dno koryta. Laminámí a relativně pomalý tok suspenze má za následek nedostatečné využití světla v přesvětlené horní vrstvě řas a hromadění v suspenzi rozpuštěného kyslíku, jehož vysoká koncentrace inhibuje fotosyntézu a zvyšuje fotorespiraci řas. Účinnost sycení suspenze oxidem uhličitým probubláváním suspenze je velmi nízká (nepřekračuje 30 %). Cirkulace suspenze probíhá nepřetržitě (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 částečně odstraňuje systém, u kterého řasová suspenze stéká po nakloněné ploše se spádem 3 %. Kolmo na směr toku jsou ve vzdálenosti 15 cm uloženy sešikmené přepážky, vysoké 4 cm a uchycené tak, aby mezi povrchem kultivační plochy a přepážkou byla 5 mm mezera. Suspenze, proudící pod i přes přepážky se intenzivně míchá, přičemž přepážky umožňují udržet na celé kultivační ploše požadovanou tloušťku vrstvy řas (5 cm). Suspenze, která teče po jednostranně nakloněné ploše, se neosvětlená vrací sběrným potrubím do čerpadla, které ji vytlačí na horní okraj spádové plochy (Šetlík et al, Algolog.Stud. 1, 1970, 11-164). Cirkulace probíhá během dne, v noci je suspenze uložena ve vzdušné nádrži. Sycení suspenze oxidem uhličitým se provádí tak, že část suspenze se rozptyluje v prostoru přetlakové nádoby s vysokou koncentrací plynného CO₂. Nevýhodou systému je, že v důsledku toku suspenze sběrným a vratným potrubím je cca 20 % suspenze trvale ve tmě, dále relativně vysoká spotřeba energie pro práci cirkulačního čerpadla a pro vzdušnění suspenze, uložené v době mimo kultivaci v nádrži, pracnost každoroční instalace přepážek a údržby (mytí) kultivační plochy.

Podstata technického řešení

Předmětem technického řešení je bioreaktor pro venkovní tenkovrstvé kultivace řas a sinic (dále jen řas), u kterého se vede suspenze řas nasycená oxidem uhličitým a obohacená potřebnými živinami po nakloněných kultivačních plochách, který se skládá z alespoň jednoho modulu, sestávajícího z nejméně dvou meandrovitě uspořádaných dílčích nakloněných kultivačních ploch, přičemž dolní konec výše položené plochy a čelo další, níže položené plochy, nakloněné opačným směrem (do protisměru) jsou propojeny žlaby, kterými proudí suspenze z jedné plochy na druhou a ve kterých jsou upraveny prostředky pro sycení suspenze oxidem uhličitým. Pod koncem nejníže položené nakloněné kultivační plochy je umístěna sběrná nádrž, která je propojena přes čerpadlo s horním okrajem nejvýše položené nakloněné kultivační plochy. Mezi koncem nejníže položené kultivační plochy a sběrnou nádrží může být s výhodou umístěna

-1 CZ 9966 U1 rozstřikovací plocha, která slouží v případě potřeby též k odvodu dešťové vody. Celková délka ploch, po které suspenze stéká, je dána počtem jednotlivých dílčích ploch a součtem jejich délek. Dlouhá dráha toku suspenze vzhledem k její šířce přináší významné úspory energie, potřebné pro vynesení suspenze z nej nižšího místa na horní rozvodový okraj kultivační plochy.

Suspenze řas se vede po nakloněných kultivačních plochách za turbulentního proudění závislého na sklonu plochy, na koeficientu jejich drsnosti, na tloušťce vrstvy suspenze řas a rychlosti jejich toku. Rychlost toku suspenze řas je s výhodou 30 až 150 cm.s'¹, koeficient drsnosti nakloněných ploch n = 0,005 až 0,150 m'^1/3.s, sklon plochy je 1,1 až 2,5 % a tloušťka vrstvy suspenze řas činí 5 až 18 mm. Intenzivní turbulence optimalizuje střídání dob osvětlení a zatemnění jednotlivých buněk s následnou vysokou účinností využití světla. 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. Ke zvýšení koncentrace oxidu uhličitého v suspenzi řas ji lze s výhodou sytit zapravováním CO₂ do sacího potrubí cirkulačního čerpadla. Odstraňování v suspenzi rozpuštěného kyslíku, vyvíjejícího se během fotosyntézy, se provádí tak, že se suspenze řas během přivádění do sběrné nádrže rozstřikuje, čímž dojde ke snížení koncentrace kyslíku na hodnotu, blízkou jeho koncentraci v okolním vzduchu. Vysoká koncentrace kyslíku v suspenzi řas inhibuje růstovou rychlost a produkci řas.

Příklady provedení

V dalším popisu je technické řešení blíže objasněno na příkladech a na výkresech, kde jsou schematicky znázorněny dvě varianty modulu bioreaktoru podle technického řešení, přičemž na obr. 1 sestává modul ze dvou, na obr. 2 ze čtyř meandrovitě členěných dílčích nakloněných kultivačních ploch, které jsou vzájemně propojeny spojovacími žlaby, ve kterých jsou uloženy prostředky pro přívod oxidu uhličitého (neznázoměno).

Příklad

Podle obr. 1 se bioreaktor skládá z jednoho modulu sestávajícího ze dvou meandrovitě uspořádaných nakloněných kultivačních ploch la, lb, přičemž dolní konec prvé plochy ba a čelo druhé plochy lb. která je nakloněna opačným směrem, jsou propojeny žlaby 2. Ve žlabech 2 jsou upraveny prostředky pro sycení suspenze oxidem uhličitým, uváděním přívodem CD. Tyto prostředky jsou s výhodou tvořeny perforovanými trubicemi z plastických hmot. Pod koncem druhé kultivační plochy lb je umístěna sběrná nádrž 4, mezi níž a koncem druhé kultivační plochy lb je umístěna rozstřikovací plocha 3, ze které odvod RW svádí dešťovou vodu do kanalizace. Sběrná nádrž 4 je propojena přes čerpadlo 5 a rozvodnou trubici 6 s horním okrajem prvé plochy la. Do sání čerpadla 5 je zaveden přívod CD pro oxid uhličitý. Sběrná nádrž 4 je opatřena přívodem vzduchu AA pro aeraci suspenze. Na obr. 2 je znázorněn modul sestávající ze čtyř meandrovitě členěných dílčích nakloněných kultivačních ploch la, lb, ic, ld vzájemně propojených spojovacími žlaby 2. Součástí moduluje také rozstřikovací plocha 3 pro odstranění kyslíku zřasové suspenze, dále sběrná nádrž 4 a čerpadlo 5 pro cirkulaci suspenze během kultivace a rozvodová trubice 6 suspenze na kultivační plochu. Sběrná nádrž 4 je zde umístěna pod koncem nejníže položené, tj. čtvrté nakloněné kultivační plochy ld.

K dosažení požadované turbulence řasové suspenze je optimalizován vzájemný vztah těchto veličin: drsnost kultivačního povrchu, sklon kultivační plochy, výška vrstvy suspenze řas.

Funkční popis (obr. 1): Čerpadlo 5 vytlačuje suspenzi řas z nádrže 4 do rozvodové trubice 6, ze které vytéká na kultivační plochu la. Kultivační plochu ja se sklonem 1,7 %, tvoří skleněné tabule o drsnosti n = 0,01 s'^1/3.m, po nichž stéká suspenze o tloušťce vrstvy 6 mm, rychlostí 50 60 cm.s¹ do spojovacího žlabu 2, kde se suspenze sytí oxidem uhličitým, a který suspenzi převádí na další nakloněnou kultivační plochu lb, která je vůči předešlé nakloněna do protisměru. Z plochy lb teče suspenze na rozstřikovací plochu 3 a odtud do sběrné nádrže 4

-2CZ 9966 Ul a celý pochod se nepřetržitě opakuje. Kromě funkce rozstřiku suspenze během kultivace se rozstřikovací plochy jejím prostým překlopením používá k odvodu vody mimo nádrž při dešti (RW). Varianta znázorněná na obr. 2 se liší od varianty na obr. 1 prodloužením délky toku suspenze zdvojnásobením počtu dílčích ploch (la - d), přičemž stejná celková kultivační plocha obou variant modulu je dosažena snížením šířky jednotlivých dílčích ploch. Ke kultivaci se použije vhodný produkční kmen řas předpěstovaný v laboratorním fotobioreaktoru. Vlastní kultivace na plochách solárního bioreaktoru se provádí v anorganickém živném roztoku bud’ semikontinuálně, nebo v režimu fed-batch kultivace. V semikontinuálním režimu se pěstovaná kultura nechá dorůst do sklizňové hustoty cca 20 - 30 g suché hmoty řas . Γ¹ živného roztoku.

Potom se sklidí taková část biomasy, aby se koncentrace řas v živném roztoku snížila na 10 15 g suché hmoty . Γ¹. V rozmezí uvedených koncentrací řas se postup semikontinuální kultivace a sklizně opakuje. V případě fed-batch kultivace dorůstají řasy až do hustoty 20 - 30 g.l'¹. Poté se veškerá biomasa řas sklidí. Asi 5 % sklizené biomasy se použije po promytí jako inokulum k novému kultivačnímu cyklu. V obou kultivačních režimech se denně doplňují spotřebované živiny.

Průmyslová využitelnost

Způsob podle technického řešení lze využít k velkoplošné solární kultivaci mikroskopických řas a sinic.

Claims (3)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   20 1. Bioreaktor pro venkovní tenkovrstvou kultivaci řas a sinic, u kterého se vede suspenze řas nasycená oxidem uhličitým a obohacená potřebnými živinami po nakloněných kultivačních plochách, vyznačující se tím, že se skládá z alespoň jednoho modulu sestávajícího z nejméně dvou meandrovitě uspořádaných dílčích nakloněných kultivačních ploch (la, lb, lc, ld), jejichž koeficient drsnosti je n = 0,005 až 0,150 m'^1/3 a jejich sklon je 1,1 až 2,5 %, přičemž

   25 dolní konec výše položené plochy a čelo další, níže položené plochy, nakloněné opačným směrem, jsou propojeny žlaby (2), ve kterých jsou upraveny prostředky pro sycení suspenze oxidem uhličitým.
2. 2. Bioreaktor podle nároku 1, vyznačující se tím, že pod koncem nejníže položené nakloněné kultivační plochy (lb) nebo (ld) je umístěna sběrná nádrž (4), která je

   30 propojena přes čerpadlo (5) s horním okrajem nejvýše položené nakloněné kultivační plochy (la).
3. 3. Bioreaktor podle nároků 1 a2, vyznačující se tím, že mezi koncem nejníže položené kultivační plochy a sběrnou nádrží (4) je umístěna rozstřikovací plocha (3).