Войти
A Фотобиореактор (PBR ) - это биореактор, в котором используется источник света для культивировать фототрофные микроорганизмы. Эти организмы используют фотосинтез для получения биомассы из света и углекислого газа и включают растения, мхи, макроводоросли, микроводоросли, цианобактерии и пурпурные бактерии. В искусственной среде фотобиореактора особые условия тщательно контролируются для соответствующих видов. Таким образом, фотобиореактор обеспечивает гораздо более высокие темпы роста и уровни чистоты, чем где-либо в природе или в средах обитания, подобных природе. Гипотетически фототропная биомасса может быть получена из богатых питательными веществами сточных вод и дымового газа диоксида углерода в фотобиореакторе.
Фотобиореактор с мхом для выращивания мхов, таких как Physcomitrella patens в лабораторных масштабах 
Открытый водоем с канализационными каналами Первым подходом к контролируемому производству фототрофных организмов был естественный открытый пруд или искусственный водоем с водостоком. При этом культуральная суспензия, которая содержит все необходимые питательные вещества и диоксид углерода, перекачивается в цикле, будучи непосредственно освещенной солнечным светом через поверхность жидкости. Этот принцип построения - самый простой способ производства фототрофных организмов. Но из-за своей глубины (до 0,3 м) и связанного с этим пониженного среднего светового потока открытые системы достигают лишь ограниченной площади производительности. Кроме того, потребление энергии относительно велико, так как необходимо обрабатывать большое количество воды с низкой концентрацией продукта. Открытое пространство стоит дорого в районах с высокой плотностью населения, в то время как вода редко встречается в других. Использование открытых технологий приводит к большим потерям воды из-за испарения в атмосферу.
С 1950-х годов было применено несколько подходов к разработке закрытых систем, которые теоретически обеспечивают более высокую плотность клеток фототрофных организмов и, следовательно, меньшую потребность в воде для перекачивания, чем открытые системы. Кроме того, закрытая конструкция позволяет избежать потерь воды, связанных с системой, и сводит к минимуму риск загрязнения в результате посадки водоплавающих птиц или пыли. Все современные фотобиореакторы пытались найти баланс между тонким слоем культуральной суспензии, оптимизированным освещением, низким потреблением энергии перекачивания, капитальными затратами и микробной чистотой. Было протестировано множество различных систем, но лишь несколько подходов смогли быть реализованы в промышленном масштабе.
Самый простой подход - это переработка хорошо известного стекла ферментеры, которые используются во многих биотехнологических исследовательских и производственных предприятиях по всему миру. Например, моховой реактор представляет собой стандартный стеклянный сосуд, который снаружи снабжен светом. Имеющиеся головные форсунки используются для установки датчика и для газообмена. Этот тип довольно распространен в лабораторных масштабах, но никогда не был установлен в более крупных масштабах из-за его ограниченного размера.
Трубчатые стеклянные фотобиореакторы Изготовленные из стеклянных или пластиковых трубок, этот тип фотобиореакторов успешно применяется в производственных масштабах. Трубки ориентированы горизонтально или вертикально и питаются от центральной инженерной сети с насосом, датчиками, питательными веществами и CO 2. Трубчатые фотобиореакторы устанавливаются во всем мире от лабораторий до промышленных масштабов, например для производства каротиноида астаксантина из зеленых водорослей Haematococcus pluvialis или для производства пищевой добавки из зеленых водорослей Chlorella vulgaris. В этих фотобиореакторах используется высокая степень чистоты и высокая производительность. Производство биомассы может производиться на высоком уровне качества, а высокая концентрация биомассы в конце производства обеспечивает энергоэффективную последующую переработку. Из-за недавних цен на фотобиореакторы экономически целесообразные концепции сегодня можно найти только на рынках с высокой стоимостью, например пищевая добавка или косметика.
Преимущества трубчатых фотобиореакторов в промышленном масштабе также переносятся в лабораторный масштаб. Комбинация упомянутого стеклянного сосуда с тонкой трубчатой спиралью позволяет достичь соответствующих показателей производства биомассы в масштабах лабораторных исследований. Под контролем сложной системы управления технологическим процессом регулирование условий окружающей среды достигает высокого уровня.
Реактор «Елка» Альтернативный подход демонстрирует фотобиореактор, встроенный в с конической геометрией и спирально прикрепленной полупрозрачной системой двойного шланга. Получился макет, похожий на елку. Трубчатая система состоит из модулей и теоретически может масштабироваться на открытом воздухе до сельскохозяйственных масштабов. Выделенное местоположение не имеет решающего значения, как и в случае с другими закрытыми системами, поэтому также подходят и непахотные земли. Выбор материала должен предотвращать биообрастание и обеспечивать высокие конечные концентрации биомассы. Сочетание турбулентности и закрытой концепции должно обеспечить чистую работу и высокую эксплуатационную готовность.
Пластиковый пластинчатый фотобиореактор Другой подход к разработке можно увидеть с конструкцией на основе пластика или стекла тарелки. Чашки с различной технической конструкцией устанавливаются для формирования небольшого слоя суспензии культур, обеспечивающего оптимальное освещение. Кроме того, более простая конструкция по сравнению с трубчатыми реакторами позволяет использовать менее дорогие пластмассовые материалы. Из пула различных концепций, например Были реализованы конструкции с меандрирующим потоком или системы с донным газом, которые показали хорошие результаты. Некоторые нерешенные вопросы - это стабильность материала на время жизни или образование биопленки. Применение в промышленных масштабах ограничено масштабируемостью систем пластин.
В апреле 2013 года было сдано в эксплуатацию здание IBA в Гамбурге, Германия, со встроенным фасадом из фотобиореактора из стеклянных пластин.
Горизонтальный фотобиореактор с зигзагообразной геометрией Этот тип фотобиореактора состоит из пластины основной геометрии с пиками и впадинами, расположенными на одинаковом расстоянии. Эта геометрия вызывает распределение падающего света по большей поверхности, что соответствует эффекту разбавления. Это также помогает решить основную проблему фототрофного выращивания, потому что большинство видов микроводорослей чувствительно реагируют на высокую интенсивность света. Большинство микроводорослей испытывают насыщение светом уже при интенсивности света, значительно ниже максимальной интенсивности дневного света, составляющей приблизительно 2000 Вт / м. Одновременно можно использовать большее количество света для повышения эффективности фотопреобразования. Перемешивание осуществляется роторным насосом, который вызывает цилиндрическое вращение культурального бульона. В отличие от вертикальных конструкций, горизонтальные реакторы содержат только тонкие слои среды с соответственно низким гидродинамическим давлением. Это положительно сказывается на потребляемой энергии и в то же время снижает материальные затраты.
Давление рыночных цен привело к разработке типов фотобиореакторов на основе фольги. Недорогая пленка PVC или PE используется для формирования пакетов или сосудов, которые покрывают суспензии водорослей и подвергают их воздействию света. Ценовые диапазоны типов фотобиореакторов были расширены за счет использования фольгированных систем. Следует иметь в виду, что эти системы имеют ограниченную устойчивость, поскольку время от времени приходится менять фольгу. Для получения полного баланса необходимо также рассчитать инвестиции в необходимые вспомогательные системы.
Биореактор с пористым субстратом (PSBR), разрабатываемый в Кельнском университете, также известный как Двухслойная система использует новый принцип отделения водорослей от питательного раствора с помощью пористой поверхности реактора, на которой микроводоросли удерживаются в биопленках. Эта новая процедура сокращает до 100 раз количество жидкости, необходимой для работы, по сравнению с существующей технологией, которая культивирует водоросли в суспензиях. Таким образом, процедура PSBR значительно снижает потребность в энергии, увеличивая при этом ассортимент водорослей, которые можно культивировать.
Дискуссия о микроводорослях и их потенциале в секвестрации углекислого газа и производстве биотоплива оказала большое давление на разработчиков и производителей фотобиореакторов. Сегодня ни одна из упомянутых систем не способна производить биомассу фототрофных микроводорослей по цене, которая может конкурировать с сырой нефтью. Тестирование новых подходов, например методы капания для получения ультратонких слоев для максимального роста с использованием дымовых газов и сточных вод. Кроме того, во всем мире проводится много исследований генетически модифицированных и оптимизированных микроводорослей.
