LV15742B - Atvērta tipa modulāra mikroaļģu kultivēšanas baseinu sistēma - Google Patents

Abstract

Izgudrojums attiecas uz zivsaimniecības vai biogāzes nozari, konkrēti uz mikroaļģu kultivēšanas tehnoloģijām biomasas iegūšanai. Izgudrojums ir atvērta tipa modulāra piramidāli izkārtota mikroaļģu kultivēšanas baseinu (1) sistēma ar palielinātu gaismas caurlaidību. Caurspīdīga materiāla izmantošana atvērta tipa mikroaļģu kultivēšanas baseinu (1) izgatavošanai nodrošina lielāku gaismas piekļuvi mikroaļģu kultūrām, nodrošinot augstāku mikroaļģu produktivitāti. Piramidālā struktūrā sakārtoti kultivēšanas baseini (1) nodrošina 33 % zemes platības ietaupījumu un par 60 % lielāks pieejamais dabiskā apgaismojuma daudzums, salīdzinot ar vienā līmenī izvietotiem baseiniem (1). Izgudrojums paredzēts mikroaļģu kultivēšanai ar augstu biomasas produktivitāti, kas tālāk var tikt izmantota kā izejviela bioenerģijas un augstvērtīgu produktu ražošanai. Mikroaļģu kultivēšanu var veikt izmantojot notekūdeņus (kā piemēram šķidro digestātu no biogāzes stacijām) un dūmgāzes kā barības vielas un oglekli mikroaļģēm, kā rezultātā tiks veikta arī notekūdeņu attīrīšana un CO2 emisiju samazināšana.

Description

IZGUDROJUMA APRAKSTS

[001] Izgudrojums attiecas uz zivsaimniecības nozari, konkrēti uz mikroaļģu kultivēšanas tehnoloģijām biomasas iegūšanai.

Zināmais tehnikas līmenis

[002] Mikroaļģes ir fotosintezējoši mikroorganismi ar augstu potenciālu atjaunojamās enerģijas iegūšanai, lai aizvietotu fosilās izejvielas [1; 2], kā arī vērtīgu bioloģiski aktīvu vielu avots ar plašu pielietojumu farmakoloģijā, kosmetoloģijā, pārtikā un dzīvnieku barībā, lauksaimniecībā un citās nozarēs [3].

[003] Mikroaļģu augšanai nepieciešami konkrēti vides apstākļi, gaisma, ūdens, barības vielas un oglekļa dioksīds (CO2). Mikroaļģes izmanto gaismas enerģiju un CO2, lai ražotu biomasu. Biomasas iegūšanai mikroaļģes kultivē kultivēšanas sistēmās: slēgtos fotobioreaktoros (FBR) vai atvērta tipa baseinos. Kultivēšanas sistēmas uzbūve ir atkarīga no kultivēšanas mērķa un mikroaļģu prasībām, tai jāspēj nodrošināt optimālus augšanas apstākļus vienlaikus nodrošinot zemas kapitālās un uzturēšanas izmaksas. Atvērta tipa kultivēšanas sistēmas parasti ir ovālas formas sekli baseini, kas visbiežāk novietoti ārpus telpām, zem klajas debess, tādējādi mikroaļģu kultūras ir tiešā saskarē ar apkārtējo vidi. Atvērtie baseini parasti tiek izgatavoti no betona vai izvietoti padziļinājumos zemē, izklāti ar ūdeni necaurlaidīgu materiālu [4]. Demonstrācijas izmēra baseini dažkārt tiek izgatavoti no dažādiem plastmasas veidiem. Slēgta tipa FBR mikroaļģu biomasa ir nošķirta no apkārtējās vides. Šāda tipa bioreaktori var būt izvietoti gan iekštelpās, gan ārā. Slēgta tipa FBR parasti tiek izgatavoti no stikla, organiskā stikla vai polivinilhlorīda (PVC) [5].

[004] Lai gan pastāv daudzas un dažādas kultivēšanas sistēmas, joprojām nepārtraukti tiek radītas jaunas kultivēšanas tehnoloģijas, kā arī tiek uzlabotas un pilnveidotas esošās kultivēšanas sistēmas. Tas notiek tāpēc, ka neviena no esošajām sistēmām neatbilst ekonomiski izdevīgai, augstas produktivitātes kultivēšanas sistēmai, lai iegūtu mikroaļģu biomasu, kas izmaksu ziņā spētu konkurēt ar citiem biomasas veidiem un fosilajiem resursiem [5]·

[005] Slēgtas FBR sistēmas no komerciālas ekspluatēšanas attur augstās izmaksas, kas var būt pat 100 reizes augstākas nekā atvērtā tipa baseiniem [6]. Turklāt slēgtās sistēmas parasti patērē vairāk elektroenerģijas [6], Šī iemesla dēļ mikroaļģu industriālai kultivēšanai piemērotāki ir tieši atvērta tipa kultivēšanas baseini [7; 8].

[006] Gaisma ir viens no būtiskākajiem priekšnosacījumiem veiksmīgai mikroaļģu kultivēšanai, jo mikroaļģes izmanto gaismas enerģiju biomasas ražošanai. Nepietiekams gaismas daudzums noved pie augšanas palēnināšanās, samazinātas biomasas ražas vai pat kultūras bojāejas. Gaismas daudzums mikroaļģu kultūrās ir tieši saistīts ar kultivēšanas sistēmas uzbūvi un izmantotajiem materiāliem [9].

[007] Pašreiz izmantoto atvērto baseinu sistēmu trūkums ir kultivēšanai nepieciešamā lielā zemes platība un zemā biomasas produktivitāte [10]. Mikroaļģu kultūrai kultivēšanai baseinos ir jābūt zemā līmenī (0,25-0,40 m), lai nodrošinātu gaismas piekļuvi šūnām, tāpēc šādas sistēmas aizņem lielu platību. Tādējādi, lai saražotu pietiekami daudz biomasas, nepieciešamas lielas zemes platības atvērta tipa kultivēšanas baseinu sistēma izvietošanai. Atvērta tipa kultivēšanas baseinu sistēma ir pieņemta par izgudrojuma prototipu. Izgudrojuma prototips (1. zīm.) ietver vismaz trīs atvērta tipa mikroaļģu kultivēšanas baseinus (1), kur katrs izgatavots no gaismu necaurlaidīga materiāla, un maisītājiem (2), kas nodrošina mikroaļģu kultūru riņķošanu. Saskaņā ar prototipu, atvērta tipa mikroaļģu kultivēšanas baseini (1) ir izvietoti secīgi, viens otram blakus.

Izgudrojuma mērķis un būtība

[008] Izgudrojuma mērķis ir samazināt mikroaļģu kultivēšanai nepieciešamo zemes platību veidojot modulāru baseinu sistēmu, kā arī uzlabot gaismas piekļuvi mikroaļģu kultūrām.

[009] Izgudrojuma mērķis ir sasniegts šādi: atvērta tipa modulāra mikroaļģu kultivēšanas baseinu (1) sistēma (turpmāk tekstā - izgudrojuma sistēma) ietver vismaz 3 baseinus (1), turklāt baseini (1) ir izgatavoti no gaismu caurlaidīga materiāla, piemēram, organiskā stikla. Baseini (1) ir izvietoti piramidālā struktūrā tādējādi samazinot kultivēšanai nepieciešamo platību salīdzinot ar zemes līmenī izvietotiem kultivēšanas baseiniem. Piramidālā struktūrā augstāka līmeņa baseins (1) tiek novietots centrēti pret diviem zemāka līmeņa baseiniem (1). Piramidālā struktūrā un gaismu caurlaidīga materiāla izmantošana baseinu (1) izgatavošanā nodrošina labāku gaismas piekļuvi mikroaļģu kultūrām salīdzinot ar prototipu.

[010] Izgudrojuma sistēma attēlota 2. zīmējumā. Mikroaļģu kultivēšana notiek caurspīdīgos, piemēram, organiskā stikla, ieteicams - ovālas formas atvērta tipa mikroaļģu kultivēšanas baseinos (1) (turpmāk tekstā - baseins), kas izvietoti piramidāli viens uz otra. Katrs baseins (1) ir viens modulis, tie var būt izkārtoti neierobežotā skaitā vairākos līmeņos, veidojot modulāru mikroaļģu kultivēšanas baseinu sistēmu. Baseinus (1) piramidālā izvietojumā izkārto uz balsta konstrukcijas (3). Balsta konstrukciju (3) izgatavo tādu, lai pēc iespējas mazinātu baseinu (1) noēnojumu. Mikroaļģu kultūras tiek nepārtraukti maisītas ar maisītāju (2) (ratu, kas aprīkots ar lāpstiņām), lai nodrošinātu suspendētu mikroaļģu šūnu stāvokli, gāzu apmaiņu starp kultūru un gaisu, kā arī vienmērīgu gaismas piekļuvi mikroaļģu šūnām. Maisītāja piedziņu nodrošina motors ar reduktoru (4). Mikroaļģu kultūrām tiek pievadītas barības vielas automātiski vai manuāli, izmantojot pievadu barības vielu pievadei (5). Lai palielinātu pieejamā oglekļa daudzumu mikroaļģu kultūrām, baseinos (1) pa pievadu oglekļa dioksīda pievadei (6) tiek ievadīts oglekļa dioksīds vai dūmgāzes, kas satur oglekļa dioksīdu. Lai mazinātu noēnojumu no baseiniem (1), kas ir izvietoti virs citiem baseiniem (1), un nodrošinātu optimālos gaismas apstākļus, izmanto atbilstošas audzēšanas lampas (7), kas ir izvietotas virs katra baseina (1) (2. zīm. un 3. zīm.). Mikroaļģu kultūru plūsmu atdala katra baseina (1) vidū ievietota, piemēram, organiskā stikla (vai cita gaismu caurlaidīga materiāla) plūsmu atdaloša sieniņa (8). Gāze tiek vienmērīgi izkliedēta pa katru baseinu (1), izmantojot perforētu pievadu oglekļa dioksīda izkliedei (9) baseina (1) apakšā. Tādā veidā arī tiek nodrošināta pilnvērtīga oglekļa dioksīda šķīdība ūdenī. Biomasas iegūšanai baseinu (1) apakšā ir atveres un pievadi (10) biomasas savākšanai.

[011] Izgudrojums ir paskaidrots ar šādiem zīmējumiem:

1. zīm. Izgudrojuma prototipa principiālā shēma: atvērta tipa mikroaļģu kultivēšanas baseins (1) izgatavots no gaismu necaurlaidīga materiāla; maisītājs (2).

2. zīm. Atvērta tipa modulāra mikroaļģu kultivēšanas baseinu sistēma (telpisks attēls izgudrojuma sistēmas realizācijas piemēram): atvērta tipa kultivēšanas baseins (1) izgatavots no gaismu caurlaidīga materiāla; balsta konstrukcija (3); maisītājs (2) - rats, kas aprīkots ar lāpstiņām un motoru (4) ar reduktoru; pievads barības vielu pievadei (5); pievads oglekļa dioksīda pievadei (6); audzēšanas lampas (7); plūsmu atdaloša sieniņa (8); perforēts pievads oglekļa dioksīda izkliedei (9); pievads biomasas savākšanai (10).

3. zīm. Atvērta tipa modulāra mikroaļģu kultivēšanas baseinu sistēma (sānskats izgudrojuma sistēmas īstenošanas piemēram): pievads barības vielu pievadei (5); pievads oglekļa dioksīda pievadei (6); audzēšanas lampas (7); pievads biomasas savākšanai (10).

Izgudrojuma īstenošanas piemērs

[012] Organiskā stikla baseinus (1), kas veido izgudrojuma sistēmu, var izvietot piramidālā struktūrā neierobežotā skaitā. 2. zīmējumā parādīts izgudrojuma realizācijas piemērs izmantojot trīs baseinus (1), kur katra baseina (1) izmēri ir 3,0x1,0x0,5 m. Baseiniem (1) ir ovāla forma. Baseinu (1) izmērs var tikt brīvi pielāgots vajadzīgajam kultivēšanas mērogam. Šajā izgudrojuma īstenošanas piemērā baseini (1) izgatavoti no izgrieztām, pēc vajadzības izliektām un līmētām organiskā stikla plāksnēm. Baseinu (1) balsta konstrukcija (3) izgatavota no krāsota metāla. Izgudrojuma sistēmā izmantoti divi 200 W motori (4), katrs pievienots pie reduktora. Reduktors nodrošina 1:100 pārnesumu attiecību. Pie 50 Hz maksimālais lāpstiņu rotāciju ātrums ir 13 rotācijas minūtē. Barības vielas tiek ievadītas pa cauruli (pievadu barības vielu pievadei (5)) katrā baseinā (1). Dūmgāzes tiek ievadītas no baseinu virspuses izmantojot pievadu oglekļa dioksīda pievadei (6) un izvadītas zem šķidruma līmeņa izmantojot gāzu burbuļotāju, lai veicinātu gāzu vienmērīgāku sadalījumu šķidruma tilpumā. Atkarībā no augšanas apstākļiem iespējams nodrošināt papildus apgaismojumu dabiskajam apgaismojumam ar izvietotām audzēšanas lampām (7) - LED (no angļu valodas Lightemitting diode) lampām. LED lampu diodes ir pielāgojamas atkarībā no izvēlētās mikroaļģes.

[013] Lai iegūtu ekonomiski izdevīgu biomasu, par barības vielu avotu mikroaļģu kultivēšanai izmanto gan sadzīves, gan industriālos vai lauksaimniecības notekūdeņus. Viens no izgudrojuma īstenošanas piemēriem ir mikroaļģu biomasas kultivēšanas sistēmas integrēšana esošās biogāzes stacijās. Šādā gadījumā par barības vielu avotu izmanto anaerobās pārstrādes atkritumproduktu digestātu, vienlaicīgi nodrošinot tā bioloģisku attīrīšanu. Digestātu padod izgudrojuma sistēmā ar gravitātes palīdzību vai izmantojot tam paredzētu sūkni pa barības vielu pievadi (5). Lai nodrošinātu sākotnējo ūdens līmeni un kompensētu šķidruma iztvaikošanu, ūdens zem spiediena tiek ielaists baseinos (1) pa barības vielu pievadi (5). Papildus oglekļa avots šādā kultivēšanas sistēmā ir biogāzes stacijas dūmgāzes. Dūmgāzes nepieciešams sūknētas ar spiedienu, lai varētu ievadīt gāzes zem šķidruma līmeņa. Mikroaļģu baseinu (1) apsildīšanai vēsajā sezonā izmanto siltumu no biogāzes stacijas, tādējādi nodrošinot optimālu kultivēšanas temperatūru visa gada garumā. Apsilde tiek nodrošināta videi kurā atrodas izgudrojuma sistēma. Sistēmai nepieciešams elektroenerģijas pieslēgums, lai darbinātu maisītājus (2), audzēšanas lampas (7) un kontroli. Kontrole nodrošina maisītāju (2) apgriezienu ātruma regulēšanu, dūmgāzu ievades (izmantojot pievadu oglekļa dioksīda pievadei (6)) plūsmas regulāciju un audzēšanas lampu (7) regulāciju. Izgudrojuma sistēmā iegūtā mikroaļģu biomasa tiek padota uz centrifugācijas/dekantācijas sistēmu izmantojot pievadu biomasas savākšanai (10). Pēc centrifugācijas/dekantācijas sistēmas tā ir padodama uz biogāzes stacijas bioreaktoru, bet šķidrā frakcija var tikt atgriezta baseinos pa pievads barības vielu pievadei (5).

[014] Saražotā mikroaļģu biomasa ir vērīgs substrāts, kas var tikt izmantota bioenerģijas ražošanai un augstvērtīgu savienojumu, piemēram, pigmentu, enzīmu, lipīdu, polisaharīdu, vitamīnu un citu ieguvei ar plašu pielietojumu dažādās nozarēs.

[015] Piramīdas struktūrā izvietoti baseini (1) divos līmeņos nodrošina vismaz 33 % nepieciešamās platības samazinājumu salīdzinot ar platību, kas nepieciešama baseiniem (1), kas izvietots viens otram blakus vienā līmenī kā tas ir prototipa sistēmai. Izgudrojuma sistēma no 3 baseiniem (1), kur katra baseina (1) izmēri ir 3,0x1,0x0,5 m, aizņems 5,4 m² platību, savukārt prototipa sistēma no tādiem pašiem 3 baseiniem (1)-8,1 m² platību.

[016] Caurspīdīga materiāla izmantošana nodrošina lielāku virsmas laukumu. Abiem baseiniem ir vienāds šķidruma virsmas laukums, bet atkarībā no šķidruma līmeņa, caurspīdīgiem baseiniem palielinās virsmas laukums, kas saņem radiāciju. Papildu atšķirība rodas no saules leņķa. Tikai vasaras mēnešos saule dienas vidū atrodas augstu un nodrošina līdzvērtīgu apgaismojumu gan necaurspīdīgiem, gan caurspīdīgiem baseiniem. Bet ne-vasaras mēnešos zemākais saules leņķis dienas vidū un pārējā dienas periodā visa gada garumā, nozīmē to, ka caurspīdīgie baseini neatkarīgi no saules leņķa var uzņemt pieejamo saules radiāciju. Salīdzinot individuāli novietotu baseinuar 20 cm šķidruma līmeni, ar garāko malu pret dienvidiem, caurspīdīga baseina gadījumā dabiskais apgaismojums ir par 60 % lielāks kā necaurspīdīga baseina gadījumā.

Informācijas avoti

1. R. Kothari, A. Pandey, S. Ahmad, A. Kumar, V. V. Pathak, and V. V. Tyagi, “Microalgal cultivation for value-added products: a critical enviro-economical assessment,” 3 Biotech, vol. 7, no. 4, pp. 1-15, 2017, doi: 10.1007/sl 3205-017-0812-8.

2. Μ. I. Khan, J. H. Shin, and J. D. Kim, “The promising future of microalgae: Current status, challenges, and optimization of a sustainable and renewable industry for biofuels, feed, and other products,” Microb. Celi Fact., vol. 17, no. 1, pp. 1-21, 2018, doi: 10.1186/sl2934-

018-0879-χ.

3. K. W. Chew et al., “Microalgae biorefinery: High value products perspectives,” Bioresour. Technol., vol. 229, pp. 53-62,2017, doi: 10.1016/j.biortech.2017.01.006.

4. Chisti Yusuf, “Biodiesel from microalgae,” Biotechnol. Adv., vol. 25, pp. 294-306, 2007, doi: 10.1016/j.biotechadv.2007.02.001.

5. Q. Huang, F. Jiang, L. Wang, and C. Yang, “Design of Photobioreactors for Mass Cultivation of Photosynthetic Organisms,” Engineering, vol. 3, no. 3, pp. 318-329, 2017, doi: 10.1016/J.ENG.2017.03.020.

6. K. Kumar, S. K. Mishra, A. Shrivastav, M. S. Park, and J. W. Yang, “Recent trends in the mass cultivation of algae in raceway ponds,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 51, pp. 875-885, 2015, doi: 10.1016/j.rser.2015.06.033.

7. V. H. Smith, B. S. M. Sturm, F. J. deNoyelles, and S. A. Billings, “The ecology of algai biodiesel production,” Trends Ecol. Evol., vol. 25, no. 5, pp. 301-309, 2010, doi: 10.1016/j.tree.2009.11.007.

8. C. Safi, B. Zebib, O. Merah, P. Y. Pontalier, and C. Vaca-Garcia, “Morphology, composition, production, processing and applications of Chlorella vulgaris: A review,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 35, pp. 265-278, 2014, doi: 10.1016/j.rser.2014.04.007.

9. A. P. Carvalho, S. O. Silva, J. M. Baptista, and F. X. Malcata, “Light requirements in microalgal photobioreactors: An overview of biophotonic aspects,” Appl. Microbiol. Biotechnol., vol. 89, no. 5, pp. 1275-1288, 2011, doi: 10.1007/s00253-010-3047-8.

10. N. K. Singh and D. W. Dhar, “Microalgae as second generation biofuel. A review,” Agron. Sustain. Dev., vol. 31, no. 4, pp. 605-629,2011, doi: 10.1007/sl3593-011-0018-0.

Claims (1)

1. Mikroaļģu kultivēšanas baseinu sistēma, kas ietver vismaz trīs atvērta tipa baseinus (1), kur katrs baseins (1) ir aprīkots ar maisītāju (2), kas savukārt ir aprīkots ar lāpstiņām un motoru (4) ar reduktoru, kas atšķiras ar to, ka baseini (1) ir izgatavoti no gaismas caurlaidīga materiāla un izkārtoti vairāku līmeņu piramidālā struktūrā, kur katrs augstāka līmeņa baseins (1) novietots centrēti pret diviem zemāka līmeņa baseiniem (1).