Фотобиореактор

Фотобиореактор организмов с использованием источников искусственного света (PBR) относится к любой системе культивирования, предназначенной для выращивания фотоавтотрофных или солнечного света для облегчения фотосинтеза. Фотобиореакторы обычно используются для выращивания микроводорослей , цианобактерий и некоторых мхов . ^[1] Фотобиореакторы могут представлять собой открытые системы, такие как пруды с каналами , которые полагаются на естественные источники света и углекислого газа . Закрытые фотобиореакторы представляют собой гибкие системы, которые можно контролировать в соответствии с физиологическими потребностями культивируемого организма, что приводит к оптимальной скорости роста и уровню чистоты. Фотобиореакторы обычно используются для выращивания биологически активных соединений для биотоплива , фармацевтических препаратов и других промышленных целей. ^[2]

Открытые системы

Первым подходом к контролируемому производству фототрофных организмов был естественный открытый пруд или пруд с искусственным каналом . В нем культуральная суспензия, содержащая все необходимые питательные вещества и углекислый газ, циклически прокачивается, освещаясь прямым солнечным светом через поверхность жидкости. Пруды с гоночными трассами до сих пор широко используются в промышленности из-за их низких эксплуатационных затрат по сравнению с закрытыми фотобиореакторами. Однако они обеспечивают недостаточный контроль условий реакции из-за зависимости от освещения окружающей среды и углекислого газа , а также возможного загрязнения другими микроорганизмами. Использование открытых технологий также приводит к потерям воды за счет испарения в атмосферу. ^[3]

Закрытые системы

Конструкция закрытых фотобиореакторов позволяет избежать потерь воды в системе и свести к минимуму загрязнение. ^[4] Хотя из-за этого закрытые системы имеют более высокую производительность по сравнению с открытыми системами, их все еще необходимо усовершенствовать, чтобы сделать их пригодными для производства недорогих товаров, поскольку плотность ячеек остается низкой из-за нескольких ограничивающих факторов. ^[5] Все современные фотобиореакторы пытались найти баланс между тонким слоем культуральной суспензии, оптимизированным освещением, низким энергопотреблением при накачке, капитальными затратами и микробной чистотой. Однако ослабление света и увеличение потребности в углекислом газе по мере роста являются двумя наиболее неизбежными изменениями в фототрофных культурах, которые серьезно ограничивают продуктивность фотобиореакторов. ^[6]^[5] Накопление фотосинтетического кислорода при росте микроводорослей в фотобиореакторах также считается существенным лимитирующим фактором; однако недавно с помощью кинетических моделей было показано, что уровни растворенного кислорода, достигающие 400% насыщения воздуха, не являются ингибирующими, когда плотность клеток достаточно высока, чтобы ослаблять свет на более поздних стадиях культивирования микроводорослей. ^[7] Было протестировано множество различных систем, но лишь несколько подходов смогли работать в промышленном масштабе. ^[8]

Модернизированные лабораторные ферментеры

Самый простой подход — это модернизация известных стеклянных ферментеров , которые являются современными во многих биотехнологических исследовательских и производственных предприятиях по всему миру. Например, моховой реактор представляет собой стандартный стеклянный сосуд, снабженный внешним освещением. Имеющиеся головные патрубки используются для установки датчиков и газообмена. ^[9] Этот тип довольно распространен в лабораторных масштабах, но никогда не применялся в больших масштабах из-за ограниченного размера сосуда.

Трубчатые фотобиореакторы

Этот тип фотобиореактора, изготовленный из стеклянных или пластиковых трубок, пользуется успехом в производстве. Трубки ориентированы горизонтально или вертикально и снабжаются от центральной инженерной сети насосом, датчиками, питательными веществами и углекислым газом . Трубчатые фотобиореакторы используются во всем мире, от лабораторных до промышленных масштабов, например, для производства каротиноида астаксантина из зеленых водорослей Haematococcus pluvialis или для производства пищевых добавок из зеленых водорослей Chlorella vulgaris . Эти фотобиореакторы обладают преимуществами высокого уровня чистоты и эффективной производительности. Производство биомассы может осуществляться на высоком уровне качества, а высокая концентрация биомассы в конце производства обеспечивает энергоэффективную последующую обработку. ^[10] Из-за недавних цен на фотобиореакторы экономически осуществимые концепции сегодня можно найти только на рынках с высокой стоимостью, например, на рынках пищевых добавок или косметики. ^[11]

Преимущества трубчатых фотобиореакторов в промышленном масштабе передаются и в лабораторный масштаб. Сочетание упомянутого стеклянного сосуда с тонкой трубчатой катушкой обеспечивает соответствующие темпы производства биомассы в масштабах лабораторных исследований. Под контролем сложной системы управления технологическими процессами регулирование условий окружающей среды достигает высокого уровня. ^[12]

Фотобиореактор «Рождественская елка»

Альтернативный подход демонстрирует фотобиореактор, который имеет коническую геометрию и имеет спирально прикрепленную полупрозрачную систему с двойным шланговым контуром. ^[13] В результате получается макет, похожий на новогоднюю елку. Трубчатая система состоит из модулей и теоретически может масштабироваться на открытом воздухе до сельскохозяйственных масштабов. Выделенное место не имеет решающего значения, как и в других закрытых системах, поэтому подойдет и непахотная земля. Выбор материала должен предотвращать биообрастание и обеспечивать высокие конечные концентрации биомассы. Сочетание турбулентности и закрытой концепции должно обеспечить чистую работу и высокую эксплуатационную готовность. ^[14]

Пластинчатый фотобиореактор

Другой подход к развитию можно увидеть в конструкции на основе пластиковых или стеклянных пластин. Планшеты различного технического исполнения монтируются таким образом, чтобы образовать небольшой слой культуральной суспензии, что обеспечивает оптимизированное освещение. Кроме того, более простая конструкция по сравнению с трубчатыми реакторами позволяет использовать менее дорогие пластиковые материалы. Из совокупности различных концепций, например, конструкции с извилистым потоком или системы с донной подачей газа, были реализованы и показали хорошие результаты. Некоторыми нерешенными проблемами являются стабильность материала на протяжении всего срока службы или образование биопленки. Применение в промышленном масштабе ограничено масштабируемостью пластинчатых систем. ^[15]

В апреле 2013 года было введено в эксплуатацию здание IBA в Гамбурге, Германия, со встроенным фасадом фотобиореактора из стеклянных пластин. ^[16]

Плоский эрлифтный фотобиореактор (ФПА)

Этот признанный фотобиореактор также имеет пластинчатую форму. Запатентованная геометрия реактора характеризуется, в частности, оптимальным входом света при одновременном перемешивании культуры без сдвига.

Регулируемая воздушная смесь CO ₂ вводится в нижнюю часть фотобиореактора через специальную мембрану в виде большого количества мелких пузырьков воздуха. Подъем пузырьков воздуха в пластинчатом реакторе специальной формы обеспечивает однородное перемешивание культуры и, с одной стороны, очень длительное время пребывания смеси CO ₂ -воздух и, таким образом, очень хорошее поступление CO ₂ (степень использования ) в культуру. для выращивания растений, С другой стороны, однородное смешивание обеспечивает очень хорошую светоотдачу светодиодов обычно установленных с обеих сторон системы, и, таким образом, очень высокое использование световой энергии.

Поскольку геометрия реактора включает в себя одну или несколько нижних камер, которые транспортируют культуру из верхней части в нижнюю, культура постоянно однородно снабжается факторами, важными для фотосинтеза, что обеспечивает высокую производительность.

Реактор был разработан в известном Институте Фраунгофера в Германии и изготовлен компанией Subitec GmbH.

Горизонтальный фотобиореактор

Этот тип фотобиореактора имеет базовую геометрию в форме пластины с пиками и впадинами, расположенными на одинаковом расстоянии. Эта геометрия приводит к распределению падающего света по большей поверхности, что соответствует эффекту разбавления. Это также помогает решить основную проблему фототрофного выращивания, поскольку большинство видов микроводорослей чувствительно реагируют на высокую интенсивность света. Большинство микроводорослей испытывают световое насыщение уже при интенсивности света, значительно ниже максимальной интенсивности дневного света, составляющей примерно 2000 Вт/м. ². 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 влияет на необходимые энергозатраты и одновременно снижает материальные затраты.

Фольгированный фотобиореактор

Давление рыночных цен привело к разработке фотобиореакторов на основе фольги. Недорогая пленка из ПВХ или полиэтилена монтируется в виде мешков или сосудов, которые покрывают суспензии водорослей и подвергают их воздействию света. Ценовой диапазон типов фотобиореакторов расширился за счет фольговых систем. Следует иметь в виду, что эти системы имеют ограниченную устойчивость, поскольку фольгу необходимо время от времени заменять. Для полных балансов также необходимо рассчитать инвестиции в необходимые системы поддержки. ^[17]

Биореактор с пористым субстратом

Биореактор с пористым субстратом ^[18] (PSBR), разрабатываемая в Кельнском университете, также известная 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 позволяет сократить количество жидкости, необходимой для работы, до ста раз по сравнению с нынешней технологией, при которой водоросли выращиваются в суспензиях. Таким образом, процедура PSBR значительно снижает необходимую энергию, одновременно увеличивая количество водорослей, которые можно выращивать.

Перспективы

Дискуссия вокруг микроводорослей и их потенциала в связывании углекислого газа и производстве биотоплива вызвала сильное давление на разработчиков и производителей фотобиореакторов. ^[19] Сегодня ни одна из упомянутых систем не способна производить биомассу фототрофных микроводорослей по цене, способной конкурировать с сырой нефтью. Новые подходы проверяют, например, капельные методы для получения ультратонких слоев для максимального роста с использованием дымовых газов и сточных вод. Кроме того, во всем мире проводится множество исследований генетически модифицированных и оптимизированных микроводорослей.

См. также

Ссылки

^ Юврадж; Амбариш Шаран Видьярти; Джиут Сингх (2016). «Повышение плотности клеток Chlorella vulgaris: исследования встряхивайте колбу и настольный фотобиореактор для выявления и контроля ограничивающих факторов» . Корейский журнал химической инженерии . 33 (8): 2396–2405. дои : 10.1007/s11814-016-0087-5 . S2CID 99110136 .
^ Беннер, Филипп; Мейер, Лиза; Пфеффер, Анника; Крюгер, Константин; Оропеса Варгас, Хосе Энрике; Вестер-Ботц, Дирк (май 2022 г.). «Лабораторные фотобиореакторы: принципы, применение и масштабируемость» . Биопроцессы и биосистемная инженерия . 45 (5): 791–813. дои : 10.1007/s00449-022-02711-1 . ISSN 1615-7591 . ПМЦ 9033726 . ПМИД 35303143 .
^ Васанасатиан, Аттайя; Пэн, Чинг-Ань (01 января 2007 г.), Ян, Шан-Тянь (ред.), «Глава 19 - Фотобиореактор из водорослей для производства лютеина и зеаксантина» , Биопереработка продуктов с добавленной стоимостью из возобновляемых ресурсов , Амстердам: Elsevier , стр. 491–505, doi : 10.1016/b978-044452114-9/50020-7 , ISBN. 978-0-444-52114-9 , получено 21 мая 2022 г.
^ Переулок. Г. (2013). Набираем обороты: биотопливо из водорослей . Том. 1. Смэшворды. стр. 1–9. ISBN 9781301351961 .
^ Jump up to: ^а ^б Юврадж; Амбариш Шаран Видьярти; Джиут Сингх (2016). «Повышение плотности клеток Chlorella vulgaris: исследования встряхивайте колбу и настольный фотобиореактор для выявления и контроля ограничивающих факторов» . Корейский журнал химической инженерии . 33 (8): 2396–2405. дои : 10.1007/s11814-016-0087-5 . S2CID 99110136 .
^ Юврадж; Падмини Падманабхан (2017). «Техническое понимание требований к насыщенному CO ₂ росту микроводорослей в фотобиореакторах» . 3 Биотехнологии . 07 (2): 119. doi : 10.1007/s13205-017-0778-6 . ПМЦ 5451369 . ПМИД 28567633 .
^ Юврадж; Падмини Падманабхан (2021). «Усовершенствования в традиционных методах моделирования для эффективного моделирования и понимания роста микроводорослей в фотобиореакторах: экспериментальное исследование» . Биотехнология и биотехнология . 26 (3): 483–500. дои : 10.1007/s12257-020-0293-1 . S2CID 235638512 .
^ Проект Submariner: принципы проектирования фотобиореактора
^ Декер, Ева; Ральф Рески (2008). «Современные достижения в производстве сложных биофармацевтических препаратов с помощью мховых биореакторов». Биопроцессы и биосистемная инженерия . 31 (1): 3–9. дои : 10.1007/s00449-007-0151-y . ПМИД 17701058 . S2CID 4673669 .
^ Олива, Джузеппина; Ангелы, Роксана; Родригес, Элиза; Туриэль, Сара; Наддео, Винченцо; Зарра, Тициан; бельгиец, Винченцо; Муньос, Рауль; Фармер, Рэйчел (декабрь 2019 г.). «Сравнительная оценка биодренажного фильтра и трубчатого фотобиореактора для непрерывного снижения выбросов толуола». Журнал опасных материалов . 380 : 120860. doi : 10.1016/j.jhazmat.2019.120860 . ПМИД 31302359 . S2CID 196612644 .
^ Пульц. О. (2001). «Фотобиореакторы: системы производства фототрофных микроорганизмов». Прикладная микробиология и биотехнология . 57 (3): 287–293. дои : 10.1007/s002530100702 . ПМИД 11759675 . S2CID 21308401 .
^ Algae Observer: IGV Biotech представляет новую систему скрининга водорослей
^ Ф. Котта, М. Матшке, Дж. Гроссманн, К. Гриль и С. Маттес; «Технологические аспекты гибкой трубчатой системы для производства водорослей»; ДЕКЕМА 2011
↑ Großmann Ingenieur Consult GmbH: Строительство биосолнечного центра в Кётене , 6 марта 2011 г.
^ Справочник по культуре микроводорослей . Том. 1 (2-е изд.). Blackwell Science Ltd. 2013. ISBN 978-0-470-67389-8 .
^ Бриглеб, Тилль (25 марта 2013 г.). «IBA Hamburg – Открытие Algaehouse, Worldquartier» . Арт-журнал . Архивировано из оригинала 28 марта 2013 г.
^ Зиттелли, Грациелла; Лилиана Родольфи; Никколо Басси; Наташа Бионди; Марио Р. Тредичи (2012). «Глава 7 Фотобиореакторы для производства биотоплива из микроводорослей». Майкл А. Боровицка, Навид Р. Мохеймани (ред.). Водоросли для биотоплива и энергетики . Springer Science & Business Media. стр. 120–121. ISBN 9789400754799 .
^ Биореактор с пористым субстратом
^ Сполаоре. П.; и др. (2006). «Коммерческое применение микроводорослей» (PDF) . Журнал бионауки и биоинженерии . 102 (2): 87–96. дои : 10.1263/jbb.101.87 . ПМИД 16569602 . S2CID 16896655 .

Внешние ссылки

Биореакторы

[1] Юврадж; Амбариш Шаран Видьярти; Джиут Сингх (2016). «Повышение плотности клеток Chlorella vulgaris: исследования встряхивайте колбу и настольный фотобиореактор для выявления и контроля ограничивающих факторов» . Корейский журнал химической инженерии . 33 (8): 2396–2405. дои : 10.1007/s11814-016-0087-5 . S2CID 99110136 .

[2] Беннер, Филипп; Мейер, Лиза; Пфеффер, Анника; Крюгер, Константин; Оропеса Варгас, Хосе Энрике; Вестер-Ботц, Дирк (май 2022 г.). «Лабораторные фотобиореакторы: принципы, применение и масштабируемость» . Биопроцессы и биосистемная инженерия . 45 (5): 791–813. дои : 10.1007/s00449-022-02711-1 . ISSN 1615-7591 . ПМЦ 9033726 . ПМИД 35303143 .

[3] Васанасатиан, Аттайя; Пэн, Чинг-Ань (01 января 2007 г.), Ян, Шан-Тянь (ред.), «Глава 19 - Фотобиореактор из водорослей для производства лютеина и зеаксантина» , Биопереработка продуктов с добавленной стоимостью из возобновляемых ресурсов , Амстердам: Elsevier , стр. 491–505, doi : 10.1016/b978-044452114-9/50020-7 , ISBN. 978-0-444-52114-9 , получено 21 мая 2022 г.

[4] Переулок. Г. (2013). Набираем обороты: биотопливо из водорослей . Том. 1. Смэшворды. стр. 1–9. ISBN 9781301351961 .

[yuvrj_enhance_2396-5] Jump up to: ^а ^б Юврадж; Амбариш Шаран Видьярти; Джиут Сингх (2016). «Повышение плотности клеток Chlorella vulgaris: исследования встряхивайте колбу и настольный фотобиореактор для выявления и контроля ограничивающих факторов» . Корейский журнал химической инженерии . 33 (8): 2396–2405. дои : 10.1007/s11814-016-0087-5 . S2CID 99110136 .

[6] Юврадж; Падмини Падманабхан (2017). «Техническое понимание требований к насыщенному CO ₂ росту микроводорослей в фотобиореакторах» . 3 Биотехнологии . 07 (2): 119. doi : 10.1007/s13205-017-0778-6 . ПМЦ 5451369 . ПМИД 28567633 .

[7] Юврадж; Падмини Падманабхан (2021). «Усовершенствования в традиционных методах моделирования для эффективного моделирования и понимания роста микроводорослей в фотобиореакторах: экспериментальное исследование» . Биотехнология и биотехнология . 26 (3): 483–500. дои : 10.1007/s12257-020-0293-1 . S2CID 235638512 .

[8] Проект Submariner: принципы проектирования фотобиореактора

[9] Декер, Ева; Ральф Рески (2008). «Современные достижения в производстве сложных биофармацевтических препаратов с помощью мховых биореакторов». Биопроцессы и биосистемная инженерия . 31 (1): 3–9. дои : 10.1007/s00449-007-0151-y . ПМИД 17701058 . S2CID 4673669 .

[10] Олива, Джузеппина; Ангелы, Роксана; Родригес, Элиза; Туриэль, Сара; Наддео, Винченцо; Зарра, Тициан; бельгиец, Винченцо; Муньос, Рауль; Фармер, Рэйчел (декабрь 2019 г.). «Сравнительная оценка биодренажного фильтра и трубчатого фотобиореактора для непрерывного снижения выбросов толуола». Журнал опасных материалов . 380 : 120860. doi : 10.1016/j.jhazmat.2019.120860 . ПМИД 31302359 . S2CID 196612644 .

[11] Пульц. О. (2001). «Фотобиореакторы: системы производства фототрофных микроорганизмов». Прикладная микробиология и биотехнология . 57 (3): 287–293. дои : 10.1007/s002530100702 . ПМИД 11759675 . S2CID 21308401 .

[12] Algae Observer: IGV Biotech представляет новую систему скрининга водорослей

[13] Ф. Котта, М. Матшке, Дж. Гроссманн, К. Гриль и С. Маттес; «Технологические аспекты гибкой трубчатой системы для производства водорослей»; ДЕКЕМА 2011

[14] Großmann Ingenieur Consult GmbH: Строительство биосолнечного центра в Кётене , 6 марта 2011 г.

[Handbookof2013-15] Справочник по культуре микроводорослей . Том. 1 (2-е изд.). Blackwell Science Ltd. 2013. ISBN 978-0-470-67389-8 .

[16] Бриглеб, Тилль (25 марта 2013 г.). «IBA Hamburg – Открытие Algaehouse, Worldquartier» . Арт-журнал . Архивировано из оригинала 28 марта 2013 г.

[17] Зиттелли, Грациелла; Лилиана Родольфи; Никколо Басси; Наташа Бионди; Марио Р. Тредичи (2012). «Глава 7 Фотобиореакторы для производства биотоплива из микроводорослей». Майкл А. Боровицка, Навид Р. Мохеймани (ред.). Водоросли для биотоплива и энергетики . Springer Science & Business Media. стр. 120–121. ISBN 9789400754799 .

[18] Биореактор с пористым субстратом

[19] Сполаоре. П.; и др. (2006). «Коммерческое применение микроводорослей» (PDF) . Журнал бионауки и биоинженерии . 102 (2): 87–96. дои : 10.1263/jbb.101.87 . ПМИД 16569602 . S2CID 16896655 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]