Войти
Альгакультура - это форма аквакультуры с выращиванием виды водорослей.
Большинство преднамеренно культивируемых водорослей попадают в категорию микроводорослей (также называемых фитопланктоном, микрофитами, или планктонные водоросли ). Макроводоросли, широко известные как водоросли, также имеют много коммерческого и промышленного применения, но из-за своего размера и особых требований среды, в которой они должны расти, они не дают сами так же легко поддаются культивированию (это может измениться, однако, с появлением новых культиваторов водорослей, которые в основном представляют собой очистители водорослей, использующие восходящие пузырьки воздуха в небольших контейнерах).
Выращивание водорослей в коммерческих и промышленных целях имеет множество применений, включая производство пищевых ингредиентов, таких как жирные кислоты омега-3 или натуральные пищевые красители и красители, продукты питания, удобрения, биопластики, химическое сырье (сырье), фармацевтические препараты и водорослевое топливо, а также может использоваться как средство борьбы с загрязнением.
Мировое производство выращиваемых водных растений, в которых преобладают водоросли, выросло с 13,5 миллионов тонн в 1995 году до чуть более 30 миллионов тонн в 2016 году.
Большинство производителей предпочитают монокультурное производство и прилагают значительные усилия для поддержания чистоты их культуры. Однако микробиологические контаминанты все еще исследуются.
В случае смешанных культур один вид становится доминирующим с течением времени, и если считается, что не доминирующий вид имеет особую ценность, необходимо получить чистые культуры, чтобы для выращивания этого вида. Культуры отдельных видов также очень необходимы для исследовательских целей.
Обычным методом получения чистых культур является серийное разведение. Культиваторы разбавляют либо дикий образец, либо лабораторный образец, содержащий желаемые водоросли, фильтрованной водой и вводят небольшие аликвоты (меры этого раствора) в большое количество небольших контейнеров для выращивания. Разведение следует за микроскопическим исследованием исходной культуры, которое предсказывает, что некоторые из контейнеров для выращивания содержат одну клетку желаемого вида. После подходящего периода на световом столе культиваторы снова используют микроскоп, чтобы определить контейнеры для выращивания более крупных культур.
Другой подход заключается в использовании специальной среды, исключающей другие организмы, включая инвазивные водоросли. Например, Dunaliella - это обычно выращиваемый род микроводорослей, который процветает в чрезвычайно соленой воде, которую могут переносить лишь немногие другие организмы.
В качестве альтернативы, смешанные культуры водорослей могут хорошо работать с личинками моллюсков. Сначала культиватор фильтрует морскую воду для удаления водорослей, которые слишком велики для личинок, чтобы их съесть. Затем культиватор добавляет питательные вещества и, возможно, аэрирует результат. Через один-два дня в теплице или на открытом воздухе полученный жидкий суп из смешанных водорослей готов для личинок. Преимущество этого метода - низкие эксплуатационные расходы.
Микроводоросли используются для выращивания рассольных креветок, которые производят спящие яйца (на фото). Затем яйца можно вылупить по требованию и скармливать выращиваемым личинкам рыб и ракообразным. Вода, углекислый газ, минералы и свет - все это важные факторы при выращивании, и разные водоросли имеют разные потребности. Основная реакция роста водорослей в воде - это углекислый газ + световая энергия + вода = глюкоза + кислород + вода. Это называется автотрофным ростом. Некоторые виды водорослей также можно выращивать без света, они потребляют сахар (например, глюкозу). Это известно как гетеротрофный рост.
Температура воды должна быть в диапазоне температур, который поддерживает выращивание конкретных видов водорослей, в основном, между 15˚C и 35˚C.
В типичной системе выращивания водорослей, такой как открытый пруд, свет проникает только через верхние 3–4 дюйма (76–102 мм) воды, хотя это зависит от плотности водорослей. По мере роста и размножения водорослей культура становится настолько плотной, что не позволяет свету проникать глубже в воду. Прямой солнечный свет слишком силен для большинства водорослей, которые могут использовать только около ⁄ 10 света, получаемого от прямого солнечного света; однако, подвергать культуру водорослей воздействию прямого солнечного света (а не затенять его) часто является лучшим способом для сильного роста, поскольку водоросли под поверхностью могут использовать больше менее интенсивного света, создаваемого оттенком водорослей выше.
Чтобы использовать более глубокие пруды, производители встряхивают воду, циркулируя водоросли так, чтобы они не оставались на поверхности. Лопастные колеса могут перемешивать воду, и сжатый воздух, поступающий снизу, поднимает водоросли из нижних областей. Возбуждение также помогает предотвратить чрезмерное пребывание на солнце.
Еще одно средство подачи света - это разместить свет в системе. Светящиеся пластины, сделанные из листов пластика или стекла и помещенные в резервуар , позволяют точно контролировать интенсивность света и распределять его более равномерно. Однако они используются редко из-за высокой стоимости.
Запах, связанный с болотами, болотами и другими стоячими водами, может быть вызван недостатком кислорода, вызванным разложением умершие водоросли цветут. В бескислородных условиях бактерии, населяющие культуры водорослей, разрушают органический материал и производят сероводород и аммиак, которые вызывают запах. Эта гипоксия часто приводит к гибели водных животных. В системе, в которой водоросли намеренно выращивают, содержат и собирают, ни эвтрофикация, ни гипоксия вряд ли произойдут.
Некоторые живые водоросли и бактерии также производят пахучие химические вещества, особенно некоторые цианобактерии (ранее классифицированные как сине-зеленые водоросли), такие как Anabaena. Наиболее известными из этих химикатов, вызывающих запах, являются MIB (2-метилизоборнеол ) и геосмин. Они дают затхлый или землистый запах, который может быть довольно сильным. В результате гибели цианобактерий выделяется дополнительный газ, который задерживается в клетках. Эти химические вещества обнаруживаются на очень низких уровнях - в диапазоне частей на миллиард - и являются причиной многих проблем «вкуса и запаха» при обработке и распределении питьевой воды. Цианобактерии также могут вырабатывать химические токсины, которые были проблемой в питьевой воде.
Питательные вещества, такие как азот (N), фосфор (P) и калий (K), служат как удобрение для водорослей и, как правило, необходимы для роста. Кремнезем и железо, а также несколько микроэлементов также могут считаться важными морскими питательными веществами, поскольку их недостаток может ограничить рост или продуктивность в данной области. Диоксид углерода также необходим; обычно для быстрого роста водорослей требуется ввод CO 2. Эти элементы должны быть растворены в воде в биодоступных формах, чтобы водоросли могли расти.
Водоросли можно культивировать в открытых прудах (таких как водоемы с водоотводом и озера) и фотобиореакторах. Водоемы с водостоком могут быть менее дорогими.
водоемы с водостоком, используемые для выращивания микроводорослей. Вода поддерживается в постоянном движении с помощью приводного лопастного колеса.Пруды типа Raceway, а озера открыты для стихий. Открытые водоемы очень уязвимы для заражения другими микроорганизмами, такими как другие виды водорослей или бактерии. Поэтому культиваторы обычно выбирают закрытые системы для выращивания монокультур. Открытые системы также не позволяют контролировать температуру и освещение. Вегетационный период во многом зависит от местоположения и, за исключением тропических областей, ограничивается более теплыми месяцами.
Системы открытых водоемов дешевле строить, как минимум требуется только траншея или пруд. Большие пруды обладают наибольшей производственной мощностью по сравнению с другими системами сопоставимой стоимости. Кроме того, при выращивании в открытом пруду можно использовать необычные условия, подходящие только для определенных водорослей. Например, Dunaliella salina растут в очень соленой воде; эти необычные среды исключают другие типы организмов, позволяя выращивать чистые культуры в открытых прудах. Открытое культивирование также может работать, если существует система сбора только желаемых водорослей или если пруды часто повторно инокулируют до того, как инвазивные организмы смогут значительно размножиться. Последний подход часто используется фермерами, выращивающими Chlorella, поскольку условия роста Chlorella не исключают наличие конкурирующих водорослей.
Первый подход может быть использован в случае некоторых цепных диатомовых, поскольку они могут быть отфильтрованы из потока воды, протекающей через выходную трубу. «наволочка » из тонкой ткани меш привязана к выпускной трубе, позволяя другим водорослям улетучиваться. Цепные диатомеи содержатся в мешке и кормят креветок личинками (в восточных инкубаториях ) и засевают новые резервуары или пруды.
Ограждение пруда прозрачным или полупрозрачным барьером эффективно превращает его в теплицу. Это решает многие проблемы, связанные с открытой системой. Это позволяет выращивать больше видов, это позволяет выращиваемым видам оставаться доминирующими и продлевает вегетационный период - при нагревании пруд может плодоносить круглый год. Открытые водоемы использовали для удаления свинца с использованием живой спирулины (Arthospira) sp.
Водоросли также можно выращивать в фотобиореакторе (PBR). PBR - это биореактор, который включает в себя источник света. Практически любой полупрозрачный контейнер можно назвать PBR; однако этот термин чаще используется для определения закрытой системы, в отличие от открытого резервуара или пруда.
Поскольку системы PBR закрыты, культиватор должен обеспечивать все питательные вещества, включая CO. 2.
PBR может работать в «периодическом режиме », который включает пополнение запасов реактора после каждого сбора урожая, но также можно выращивать и собирать урожай непрерывно. Непрерывная работа требует точного контроля всех элементов, чтобы предотвратить немедленное разрушение. Фермер обеспечивает стерилизованную воду, питательные вещества, воздух и углекислый газ с правильными дозами. Это позволяет реактору работать в течение длительного времени. Преимущество состоит в том, что водоросли, которые растут в «log-фазе », обычно имеют более высокое содержание питательных веществ, чем старые «стареющие » водоросли. Культивирование водорослей - это выращивание водорослей в прудах или других ресурсах. Максимальная продуктивность достигается, когда «скорость обмена» (время обмена одного объема жидкости) равно «времени удвоения» (по массе или объему) водорослей.
PBR могут удерживать культуру в суспензии или могут обеспечивать субстрат, на котором культура может образовывать биопленку. PBR на основе биопленки имеют то преимущество, что они могут давать гораздо более высокие урожаи при заданном объеме воды, но они могут страдать от проблем, связанных с отделением клеток от субстрата из-за потока воды, необходимого для транспортировки газов и питательных веществ в культуру.
Различные типы PBR суспендированных культур включают:
PBR биопленки включают уплотненный слой и PBR на пористой подложке. ПБР с насадочным слоем могут быть различной формы, в том числе плоской или трубчатой. В биореакторах с пористым субстратом (PSBR) биопленка подвергается прямому воздействию воздуха и получает воду и питательные вещества за счет капиллярного действия через сам субстрат. Это позволяет избежать проблем со взвешиванием клеток из-за отсутствия потока воды через поверхность биопленки. Культура может быть заражена переносимыми по воздуху организмами, но защита от других организмов - одна из функций биопленки.
Фермер, выращивающий водоросли в Нуса Лембонган, собирает на веревке росшие съедобные водоросли. Водоросли можно собирать с помощью микрогрохотов, центрифугированием, посредством флокуляции и пенной флотации.
Прерывание подачи углекислого газа может вызвать флокуляцию водорослей самостоятельно, что называется «автофлокуляцией».
«Хитозан», коммерческий флокулянт, более широко используемый для очистки воды, намного дороже. Порошкообразные панцири ракообразных обрабатываются для получения хитина, полисахарида, обнаруженного в панцирях, из которого хитозан получают путем деацетилирования. Вода, которая более солоноватая или соленая, требует большего количества флокулянта. Флокуляция часто обходится слишком дорого для крупных операций.
Квасцы и хлорид железа являются другими химическими флокулянтами.
При флотации пены культиватор аэрирует воду, превращая ее в пену, а затем снимает водоросли сверху.
Ультразвук и другой сбор урожая методы в настоящее время находятся в стадии разработки.
Масла из водорослей имеют множество коммерческих и промышленных применений, и их экстрагируют различными способами. Оценки затрат на извлечение масла из микроводорослей различаются, но они, вероятно, будут примерно в три раза выше, чем стоимость экстракции пальмового масла.
На первом этапе экстракции масло должно быть отделенным от остальных водорослей. Самый простой метод - это механическое дробление . Когда водоросли высушены, они сохраняют содержание масла, которое затем можно «выдавить» с помощью пресса для масла . Различные штаммы водорослей требуют различных методов прессования масла, включая использование винта, экспеллера и поршня. Многие коммерческие производители растительного масла используют сочетание механического прессования и химических растворителей для извлечения масла. Это использование часто также применяется для добычи масла из водорослей.
Осмотический шок - это внезапное снижение осмотического давления, которое может вызвать разрыв клеток в растворе. Осмотический шок иногда используется для высвобождения клеточных компонентов, таких как масло.
Ультразвуковая экстракция, раздел сонохимии, может значительно ускорить процессы экстракции. Используя ультразвуковой реактор, ультразвуковые волны используются для создания кавитационных пузырьков в материале растворителя. Когда эти пузырьки схлопываются около клеточных стенок, возникающие в результате ударные волны и струи жидкости заставляют эти клеточные стенки разрушаться и высвобождать их содержимое в растворитель. Обработка ультразвуком может улучшить базовую ферментативную экстракцию.
Химические растворители часто используются при экстракции масел. Обратной стороной использования растворителей для экстракции масла являются опасности, связанные с работой с химическими веществами. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать воздействия паров и контакта с кожей, которые могут нанести серьезный вред здоровью. Химические растворители также представляют опасность взрыва.
Обычным выбором химического растворителя является гексан, который широко используется в пищевой промышленности и является относительно недорогим. Бензол и эфир также могут разделять масло. Бензол классифицируется как канцероген.
Другой метод экстракции химическим растворителем - это экстракция Сокслета. В этом методе масла из водорослей экстрагируются путем многократной промывки или перколяции органическим растворителем, таким как гексан или петролейный эфир в соответствии с рефлюкс в специальной посуде. Ценность этого метода в том, что растворитель используется повторно для каждого цикла.
Ферментативная экстракция использует ферменты для разрушения клеточных стенок водой, выступающей в качестве растворителя. Это значительно упрощает фракционирование масла. Стоимость этого процесса экстракции, по оценкам, намного выше, чем экстракция гексаном.
Сверхкритический CO2также может использоваться в качестве растворителя. В этом методе CO2 сжижается под давлением и нагревается до состояния сверхкритического состояния (обладающего свойствами как жидкости, так и газа), что позволяет ему действовать как растворитель.
Другие методы все еще применяются разрабатываются, в том числе для экстракции определенных типов масел, например масел с высоким содержанием длинноцепочечных высоконенасыщенных жирных кислот.
Конкретные штаммы водорослей могут быть получены из коллекции культур водорослей, более 500 коллекций культур зарегистрированы Всемирной федерацией коллекций культур.
Дульсе - одна из многих съедобных водорослей. Несколько видов водорослей выращиваются в пищу.
На протяжении веков морские водоросли использовались в качестве удобрения. Это также отличный источник калия для производства поташа и нитрата калия. Также можно использовать некоторые микроводоросли таким образом.
И микроводоросли, и макроводоросли используются для создания агара.
С озабоченностью по поводу глобального потепления ведется поиск новых методов тщательного и эффективного улавливания CO 2. Углекислый газ, который производит установка сжигания углеродного топлива, может поступать в открытые или закрытые системы водорослей, фиксируя CO 2 и ускоряя рост водорослей. Неочищенные сточные воды могут поставлять дополнительные питательные вещества, превращая, таким образом, два загрязнителя в ценные товары.
Культивирование водорослей изучается на предмет связывания урана / плутония и очистки стоков удобрений.
Бизнес, научные круги и правительства изучают возможность использования водорослей для производства бензина, биодизеля, биогаза и других видов топлива. Сами водоросли можно использовать в качестве биотоплива, а также использовать для создания водорода. См. Топливо из водорослей.
Хлорелла, в частности трансгенный штамм, несущий дополнительный ген редуктазы ртути, изучалась в качестве агента для восстановление окружающей среды благодаря своей способности восстанавливать Hg. до менее токсичной элементарной ртути.
Культивируемые водоросли служат для многих других целей, включая косметику, корм для животных, производство биопластов, красители и красители производство, химическое сырье производство и фармацевтические ингредиенты.
Эта статья включает текст из бесплатного контента работы. Лицензировано согласно CC BY-SA 3.0 IGO Лицензионное заявление / разрешение на Wikimedia Commons. Текст взят из Вкратце, Состояние мирового рыболовства и аквакультуры, 2018, ФАО, ФАО. Чтобы узнать, как добавить текст открытой лицензии в статьи Википедии, см. . Для получения информации о повторном использовании текста из Википедии см. условия использования.
