DEVELOPMENT OF A PHOTOBIOREACTOR FOR CULTIVATION OF CHLORELLA VULGARIS

Research article
DOI:
https://doi.org/10.60797/BIO.2024.4.1
Issue: № 4 (4), 2024
Submitted :
25.06.2024
Accepted:
03.10.2024
Published:
27.11.2024
26
5
XML
PDF

Abstract

The article examines the main factors that favourably affect the cultivation of Chlorella microalgae. On the basis of these data, a photobioreactor, which meets the conditions of effective cultivation of microalgae, is designed. The working principle of the photobioreactor for cultivation of Chlorella microalgae is described. This paper is an overview of the basics of cultivation of Chlorella vulgaris algae for wastewater treatment, the main characteristics and advantages of Chlorella microalgae in the context of treatment of polluted water resources are discussed. The potential applications of Chlorella vulgaris to improve wastewater quality and reduce pollutants are also discussed. As a result, this article provides information on the potential of using Chlorella vulgaris as a biotechnological solution for environmentally friendly water treatment.

1. Введение

Микроводоросли – это одноклеточные организмы, которые имеют большое значение для очистки воды. Они активно используются в процессе биологической очистки сточных вод и водоемов, так как обладают способностью к быстрому размножению и высокой скорости поглощения загрязняющих веществ.

Актуальность исследования определяется способностью микроводорослей удалять остаточные концентрации компонентов, содержащихся в сточных водах, а также биогенных элементов, таких как азот и фосфор, предотвращая эвтрофикацию водоемов.

Применение микроводорослей в водоочистке включает следующие аспекты

:

1) биофильтрация: очистка воды происходит за счет способности микроводорослей прикрепляться к различным поверхностям, таким как биологические фильтры, и задерживать загрязнения, например, тяжелые металлы, нефтепродукты и биогенные элементы;

2) фитоэкстрация: накопление в клетках микроводорослей загрязняющих веществ;

3) биологическая очистка;

4) удаление биогенных элементов.

Объектом исследования является род микроводоросли Chlorella. Chlorella, обладающая большим запасом хлорофилла и комплексом редчайших питательных веществ, участвующая в процессе фотосинтеза, поглощая углекислый газ, насыщая воздух кислородом.

Кроме того, микроводоросль Chlorella имеет ряд преимуществ перед другими микроводорослями для использования в очистке воды

:

1. Chlorella обладает высокой эффективностью в удалении тяжелых металлов, пестицидов и нефтепродуктов из воды. Ее способность к биологическому разложению делает ее перспективной для очистки воды от этих загрязнителей.

2. Chlorella также может использоваться для удаления фосфора и азота из воды, предотвращая эвтрофикацию водоемов. Это важно для сохранения водных экосистем и обеспечения качества воды для человека.

3. Chlorella является более устойчивой к изменениям условий окружающей среды, таким как температура и pH, по сравнению с другими микроводорослями. Это делает ее более стабильной и надежной для использования в процессах очистки воды.

После добавления суспензии Chlorella в воду, происходит активное размножение водоросли, что препятствует росту сине-зелёных водорослей. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению возможности возникновения цветения воды, устранению неприятного запаха и предотвращению замора рыбы из-за дефицита кислорода. Принцип очистки заключается в том, что Chlorella обогащает воду кислородом, потребляя при этом углекислый газ. Кроме того, хлорелла является важным звеном в пищевой цепи водоёма и может служить источником ценных микроэлементов

.

В настоящее время изучены рост, развитие и очистительная эффективность отдельных штаммов микроводоросли Chlorella при культивировании её на отходах (куриный помет) и сточных водах птицефабрик, на стоках свиноводческих комплексов, а также на коммунально-бытовых и промышленных стоках городов. В результате роста водоросли, выделяя большое количество кислорода, содействуют бактериальному окислению органических веществ, усваивают биогенные элементы и тем самым интенсифицируют процесс очистки сточных вод от различных загрязнений.

Полученные результаты в исследовании

дают основание полагать, что взаимоотношения между бактериями и водорослями в водоемах складываются следующим образом: отмирание водорослей ведет к массовому развитию бактерий, живые же водоросли являются их антагонистами, так как выделяют антибиотические вещества. Тем не менее взаимоотношения между водорослями и сапрофитной микрофлорой в водоемах носят ассоциативный характер, так как вода служит естественной средой для их отмирания. Взаимоотношение же водорослей и аллохтонной патогенной микрофлоры, складываются в направлении одностороннего антагонизма. Обосновывая теоретическую сторону вопроса применения культур альгологического комплекса (АК) микроводорослей для очистки сточных вод в биологических прудах, мы считаем возможным рассматривать биологические пруды как гетеротрофноавтотрофную систему. Очистительный эффект здесь достигается за счет симбиотического взаимоотношения между бактериями, минерализующими органическое вещество загрязнений, и водорослями, которые в процессе фотосинтеза из продуктов минерализации ресинтезируют органическое вещество. При этом потребляемый бактериями кислород они получают за счет фотосинтетической аэрации, а углекислоту – за счет обмена веществ бактерий.

Следует отметить, что при использовании микроводорослей для очистки сточных вод часто возникает проблема создания высокой концентрации клеток микроводорослей в стоках. Кроме того, в настоящее время существует проблема отсутствия эффективных промышленных аппаратов культивирования микроводорослей. В связи с этим целью исследования является разработка фотобиореактора, предназначенного для культивирования микроводоросли Chlorella, с целью повышения эффективности производства биомассы и очистки сточных вод.

2. Проектирование фотобиореактора для культивирования микроводорослей Chlorella

В ходе литературного обзора

,
,
,
,
сделан вывод о целесообразности применения цилиндрического фотобиореактора, поскольку он обладает следующими преимуществами:

1) эффективность в использовании пространства. Цилиндрическая форма позволяет максимально увеличить объем реактора при минимальных затратах на материалы и оборудование. Это снижает стоимость установки и упрощает ее обслуживание;

2) обеспечивается более равномерное освещение культуры микроводорослей, что способствует более эффективному использованию света и лучшему росту микроорганизмов;

3) простое интегрирование в реактор различных систем перемешивания и контроля, что также повышает его эффективность. Большинство физико-химических параметров и внешних факторов в значительной степени могут повлиять на успешное культивирование микроводоросли Chlorella и прирост клеточной биомассы

,
. Определяющими параметрами культивирования являются температура в диапазоне от 15 °С до 30 °С, наличие освещения, преимущественно светодиодных ламп  при интенсивности света в диапазоне от 2000 Лк до 15000 Лк, pH, преимущественно нейтральная. Состав питательной среды, подбирающийся индивидуально в зависимости от условий культивирования.

На рис. 1 представлен общий вид фотобиореактора. Проектирование фотобиореактора осуществляется с помощью программного комплекса САПР «Solidworks». Габариты аппарата подбирались исходя из условий лабораторной эксплуатации, а также типоразмера светодиодной лампы необходимой мощности.  Оценочная стоимость фотобиореактора составляет около 1 млн руб. при производительности 5 мл/ч (0,12 л/сут). Рабочий объем составляет 1,68 л. 
 Общий вид фотобиореактора

Рисунок 1 - Общий вид фотобиореактора

Примечание: 1 – цилиндрическая обечайка (внутренний диаметр – 150 мм, высота – 170 мм), 2 – входной патрубок с краном для биомассы, 3 – входной патрубок для 4 – вентилятор, 5 – патрубки для подключения циркулирующего насоса, 6 – термодатчик, 7 – выходной патрубок с краном для биомассы, 8 – ножки

По данным
,
,
,
,
световой поток в фотобиореакторах должен поддерживаться на уровне от 2000 до 15000 Лк. С целью увеличения энергоэффективности была выбрана светодиодная лампа FLL T8 1200GL 18w 4000K G13 230V/50Hz со световым потоком 3500 Лм (5000 Лк).

Для подвода и отвода биомассы, а также подачи углекислого газа, необходимого для жизнедеятельности микроводорослей, предусмотрены патрубки. Подведение и отведение биомассы осуществляется в периодическом режиме: 1 раз в 7 дней – время культивирования микроводоросли хлореллы

,
,
,
,
. Общее время культивирования – 14 дней. Входные и выходные патрубки имеют диаметр 34 мм. Для регулирования подачи компонентов предусмотрены краны с подключением шланга.

Для подачи углекислого газа объемом 0,05 л/мин

предусмотрен шланговый патрубок.

Для регулирования температуры внутри фотобиореактора предусмотрены вентилятор и термодатчик. При достижении температуры плюс 30 °С и выше включается вентилятор для поддержания оптимальных условий жизнедеятельности хлореллы – от плюс 15 °С до плюс 30 °С. (тип вентилятора)
,
,
,
,
. Для контроля уноса биомассы предусмотрена металлическая сетка (см. рис. 2). Следует учесть, что использование вентилятора не является обязательным условием эксплуатации при проведении экспериментов в лабораторных условиях. В рассматриваемом исследовании эксперименты проводятся с использованием естественного охлаждения.
Вид фотобиореактора сверху

Рисунок 2 - Вид фотобиореактора сверху

Примечание: 1 – вентилятор, 2 – металлическая сетка, 3 – входной патрубок, 4 – термодатчик, 5 – патрубок для подключения циркулирующего насоса, 6 – крышка, 7 – входной патрубок с краном для биомассы

3. Заключение

Разработка фотобиореактора новой конструкции для культивирования микроводоросли Chlorella позволит осуществлять этот процесс в современном компактном оборудовании. Это важно использовать на малых производственных площадях в условиях плотного размещения технологического оборудования. Данное исследование представляет значимый вклад в развитие методов и технологий культивирования водорослей в контролируемых условиях, а также открывает новые перспективы для промышленного и научного применения Chlorella vulgaris. Дальнейшие исследования в этом направлении могут способствовать развитию устойчивых и экологически чистых методов производства биотехнологических продуктов на основе водорослей.

Article metrics

Views:26
Downloads:5
Views
Total:
Views:26