Фотобиореактор

Биореактор с источником света для выращивания фотосинтезирующих микроорганизмов

Фотобиореактор (PBR) относится к любой системе культивирования, разработанной для выращивания фотоавтотрофных организмов с использованием искусственных источников света или солнечного света для облегчения фотосинтеза. Фотобиореакторы обычно используются для выращивания микроводорослей , цианобактерий и некоторых мхов . ^[1] Фотобиореакторы могут быть открытыми системами, такими как пруды-каналы , 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 оптимальным темпам роста и уровням чистоты. Фотобиореакторы обычно используются для выращивания биоактивных соединений для биотоплива , фармацевтических препаратов и других промышленных целей. ^[2]

Открытые системы

Первым подходом к контролируемому производству фототрофных организмов был естественный открытый пруд или искусственный пруд с каналом . В нем культуральная суспензия, которая содержит все необходимые питательные вещества и углекислый газ, перекачивается по кругу, будучи непосредственно освещенной солнечным светом через поверхность жидкости. Пруды с каналом по-прежнему широко используются в промышленности из-за их низкой стоимости эксплуатации по сравнению с закрытыми фотобиореакторами. Однако они предлагают недостаточный контроль условий реакции из-за их зависимости от окружающего освещения и углекислого газа , а также возможного загрязнения другими микроорганизмами. Использование открытых технологий также приводит к потерям воды из-за испарения в атмосферу. ^[3]

Закрытые системы

Строительство закрытых фотобиореакторов позволяет избежать потерь воды, связанных с системой, и минимизировать загрязнение. ^[4] Хотя закрытые системы имеют лучшую производительность по сравнению с открытыми системами из-за этого, их все еще необходимо улучшить, чтобы сделать их пригодными для производства дешевых товаров, поскольку плотность клеток остается низкой из-за нескольких ограничивающих факторов. ^[5] Все современные фотобиореакторы пытались сбалансировать между тонким слоем культуральной суспензии, оптимизированным применением света, низким потреблением энергии накачки, капитальными затратами и микробной чистотой. Однако ослабление света и повышенная потребность в углекислом газе при росте являются двумя наиболее неизбежными изменениями в фототрофных культурах, которые серьезно ограничивают производительность фотобиореакторов. ^[6]^[5] Накопление фотосинтетического кислорода при росте микроводорослей в фотобиореакторах также считается существенным ограничивающим 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 ослабить свет на более поздних стадиях развития культур микроводорослей. ^[7] Было протестировано множество различных систем, но только несколько подходов оказались пригодными для промышленного использования. ^[8]

Модернизированные лабораторные ферментеры

Самый простой подход — это перепроектирование известных стеклянных ферментеров , которые являются современными во многих биотехнологических исследовательских и производственных предприятиях по всему миру. Например, реактор мха представляет собой стандартный стеклянный сосуд, который снабжается внешним светом. Существующие головные сопла используются для установки датчиков и газообмена. ^[9] Этот тип довольно распространен в лабораторных масштабах, но он никогда не был установлен в больших масштабах из-за ограниченного размера сосуда.

Трубчатые фотобиореакторы

Изготовленный из стеклянных или пластиковых трубок, этот тип фотобиореактора преуспел в масштабах производства. Трубки ориентированы горизонтально или вертикально и снабжаются от центральной коммунальной установки с насосом, датчиками, питательными веществами и углекислым газом . Трубчатые фотобиореакторы устанавливаются по всему миру от лабораторных до производственных масштабов, например, для производства каротиноида астаксантина из зеленых водорослей Haematococcus pluvialis или для производства пищевой добавки из зеленых водорослей Chlorella vulgaris . Эти фотобиореакторы используют преимущества высоких уровней чистоты и их эффективной производительности. Производство биомассы может осуществляться на высоком уровне качества, а высокая концентрация биомассы в конце производства позволяет осуществлять энергоэффективную последующую переработку. ^[10] Из-за недавних цен на фотобиореакторы экономически осуществимые концепции сегодня можно найти только на рынках с высокой стоимостью, например, пищевых добавок или косметики. ^[11]

Преимущества трубчатых фотобиореакторов в производственных масштабах переносятся и в лабораторные масштабы. Сочетание упомянутого стеклянного сосуда с тонкой трубчатой катушкой позволяет достичь соответствующих показателей производства биомассы в масштабах лабораторных исследований. При управлении сложной системой управления процессами регулирование условий окружающей среды достигает высокого уровня. ^[12]

Фотобиореактор для рождественской елки

Альтернативный подход демонстрирует фотобиореактор, который построен в конической геометрии и несет спирально прикрепленную, полупрозрачную систему двойного шлангового контура. ^[13] Результатом является макет, похожий на рождественскую елку. Трубчатая система построена в модулях и теоретически может быть масштабирована на открытом воздухе до сельскохозяйственных масштабов. Выделенное место не имеет решающего значения, как и для других закрытых систем, и поэтому непахотные земли также подходят. 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 разработке можно увидеть в конструкции на основе пластиковых или стеклянных пластин. Пластины с разной технической конструкцией монтируются для формирования небольшого слоя культуральной суспензии, что обеспечивает оптимизированную подачу света. Кроме того, более простая конструкция по сравнению с трубчатыми реакторами позволяет использовать менее дорогие пластиковые материалы. Из пула различных концепций, например, конструкции с извилистым потоком или системы с донным газом, были реализованы и показали хорошие результаты на выходе. Некоторые нерешенные вопросы - это стабильность срока службы материала или образование биопленки. Применение в промышленных масштабах ограничено масштабируемостью систем пластин. ^[15]

В апреле 2013 года в Гамбурге (Германия) было введено в эксплуатацию здание IBA с интегрированным стеклянным фасадом фотобиореактора. ^[16]

Плоский фотобиореактор Airlift (FPA)

Этот установленный фотобиореактор также имеет форму пластины. Запатентованная геометрия реактора характеризуется, в частности, оптимальным поступлением света с одновременным перемешиванием культуры без сдвига.

Регулируемая смесь CO2 _- воздух вводится в нижнюю часть фотобиореактора через специальную мембрану в большом количестве мелких пузырьков воздуха. Подъем пузырьков воздуха в пластинчатом реакторе специальной формы создает однородное смешивание культуры и, с одной стороны, очень длительное время пребывания смеси CO2 _- воздух и, таким образом, очень хороший вход CO2 _{( степень использования) в культуру. С другой стороны, однородное смешивание обеспечивает очень хороший вход света}светодиодов для освещения растений, которые обычно устанавливаются по обеим сторонам системы, и, таким образом, очень высокий уровень использования световой энергии.

Поскольку геометрия реактора включает в себя одну или несколько нижних камер, которые транспортируют культуру из верхней области в нижнюю, культура постоянно и равномерно снабжается факторами, необходимыми для фотосинтеза, что позволяет достичь высокой производительности.

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

Горизонтальный фотобиореактор

Этот тип фотобиореактора состоит из базовой геометрии в форме пластины с пиками и впадинами, расположенными на регулярном расстоянии. Эта геометрия вызывает распределение падающего света по большей поверхности, что соответствует эффекту разбавления. Это также помогает решить основную проблему при фототрофном выращивании, поскольку большинство видов микроводорослей чувствительны к высокой интенсивности света. Большинство микроводорослей испытывают насыщение светом уже при интенсивности света, которая существенно ниже максимальной интенсивности дневного света, составляющей приблизительно 2000 Вт/м2 ^. Одновременно можно использовать большее количество света для повышения эффективности фотопреобразования. Смешивание 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 оказывает положительное влияние на необходимый энергетический ввод и одновременно снижает материальные затраты.

Фольгированный фотобиореактор

Давление рыночных цен привело к разработке типов фотобиореакторов на основе фольги. Недорогие ПВХ или полиэтиленовые пленки монтируются для формирования мешков или сосудов, которые покрывают суспензии водорослей и подвергают их воздействию света. Диапазон цен на типы фотобиореакторов был расширен с появлением систем из фольги. Следует иметь в виду, что эти системы имеют ограниченную устойчивость, поскольку фольгу необходимо время от времени заменять. Для полного баланса необходимо также рассчитать инвестиции в требуемые системы поддержки. ^[17]

Биореактор с пористым субстратом

Биореактор с пористым субстратом ^[18] (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 количество жидкости, необходимой для работы, в сто раз по сравнению с текущей технологией, которая выращивает водоросли в суспензиях. Таким образом, процедура PSBR значительно снижает необходимую энергию, одновременно увеличивая портфель водорослей, которые можно выращивать.

Перспективы

Дискуссия вокруг микроводорослей и их потенциала в секвестрации углекислого газа и производстве биотоплива оказала 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 тестируют, например, методы капельного орошения для получения сверхтонких слоев для максимального роста с применением дымового газа и сточных вод. Кроме того, во всем мире проводится много исследований генетически модифицированных и оптимизированных микроводорослей.

Смотрите также

Ссылки

^ Юврадж; Амбариш Шаран Видьярти; Джиут Сингх (2016). «Повышение плотности клеток Chlorella vulgaris: исследования в встряхиваемых колбах и настольных фотобиореакторах для выявления и контроля ограничивающих факторов». Корейский журнал химической инженерии . 33 (8): 2396– 2405. doi :10.1007/s11814-016-0087-5. S2CID 99110136.
^ Беннер, Филипп; Мейер, Лиза; Пфеффер, Анника; Крюгер, Константин; Оропеза Варгас, Хосе Энрике; Вейстер-Ботц, Дирк (май 2022 г.). «Лабораторные фотобиореакторные системы: принципы, применение и масштабируемость». Bioprocess and Biosystems Engineering . 45 (5): 791– 813. doi :10.1007/s00449-022-02711-1. ISSN 1615-7591. PMC 9033726. PMID 35303143 .
^ Васанасатян, Аттайя; Пэн, Чинг-Ан (2007-01-01), Ян, Шан-Тянь (ред.), "Глава 19 - Водорослевый фотобиореактор для производства лютеина и зеаксантина", Биопереработка для 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 2022-05-21
^ Лейн. Г. (2013). Up To Speed On: Algae Biofuels . Том 1. Smashwords. С. 1– 9. ISBN 9781301351961.
^ ab Yuvraj; Ambarish Sharan Vidyarthi; Jeeoot Singh (2016). «Повышение плотности клеток Chlorella vulgaris: исследования в встряхиваемых колбах и настольных фотобиореакторах для выявления и контроля ограничивающих факторов». Korean Journal of Chemical Engineering . 33 (8): 2396– 2405. doi :10.1007/s11814-016-0087-5. S2CID 99110136.
^ Юврадж; Падмини Падманабхан (2017). «Техническое представление о требованиях к росту микроводорослей в фотобиореакторах с насыщением CO2». 3 Biotech . 07 (2): 119. doi :10.1007/s13205-017-0778-6. PMC 5451369 . PMID 28567633.
^ Юврадж; Падмини Падманабхан (2021). «Улучшения в традиционных методах моделирования для эффективного моделирования и понимания роста микроводорослей в фотобиореакторах: экспериментальное исследование» . Биотехнология и инженерия биопроцессов . 26 (3): 483– 500. doi :10.1007/s12257-020-0293-1. S2CID 235638512.
^ Проект Submariner: принципы проектирования фотобиореактора
^ Деккер, Ева; Ральф Рески (2008). «Текущие достижения в производстве сложных биофармацевтических препаратов с использованием моховых биореакторов». Биопроцессная и биосистемная инженерия . 31 (1): 3– 9. doi :10.1007/s00449-007-0151-y. PMID 17701058. S2CID 4673669.
^ Олива, Джузеппина; Анхелес, Роксана; Родригес, Элиза; Туриэль, Сара; Наддео, Винченцо; Сарра, Тициано; Бельджорно, Винченцо; Муньос, Рауль; Лебреро, Ракель (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. PMID 31302359. S2CID 196612644.
^ Пульц. О. (2001). «Фотобиореакторы: системы производства фототрофных микроорганизмов». Прикладная микробиология и биотехнология . 57 (3): 287– 293. doi :10.1007/s002530100702. PMID 11759675. S2CID 21308401.
^ Algae Observer: IGV Biotech представляет новую систему скрининга водорослей
^ Ф. Котта, М. Матшке, Дж. Гроссманн, К. Гриль и С. Маттес; «Verfahrenstechnische Aspekte eines гибкий, трубчатые системы zur Algenproduktion» (Технологические аспекты гибкой трубчатой системы для производства водорослей); ДЕКЕМА 2011
^ Großmann Ingenieur Consult GmbH: Aufbau eines Biosolarzentrums в Кётене, 6 марта 2011 г.
^ Справочник по микроводорослевой культуре . Том 1 (2-е изд.). Blackwell Science Ltd. 2013. ISBN 978-0-470-67389-8.
^ Briegleb, Till (2013-03-25). "IBA Hamburg - Opening, Algaehouse, Worldquartier". Art Magazin . Архивировано из оригинала 2013-03-28.
^ 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
^ Spolaore. P.; et al. (2006). "Коммерческое применение микроводорослей" (PDF) . Журнал бионауки и биоинженерии . 102 (2): 87– 96. doi :10.1263/jbb.101.87. PMID 16569602. S2CID 16896655.

Внешние ссылки

Биореакторы

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

[2] Беннер, Филипп; Мейер, Лиза; Пфеффер, Анника; Крюгер, Константин; Оропеза Варгас, Хосе Энрике; Вейстер-Ботц, Дирк (май 2022 г.). «Лабораторные фотобиореакторные системы: принципы, применение и масштабируемость». Bioprocess and Biosystems Engineering . 45 (5): 791– 813. doi :10.1007/s00449-022-02711-1. ISSN 1615-7591. PMC 9033726. PMID 35303143 .

[3] Васанасатян, Аттайя; Пэн, Чинг-Ан (2007-01-01), Ян, Шан-Тянь (ред.), "Глава 19 - Водорослевый фотобиореактор для производства лютеина и зеаксантина", Биопереработка для 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 2022-05-21

[4] Лейн. Г. (2013). Up To Speed On: Algae Biofuels . Том 1. Smashwords. С. 1– 9. ISBN 9781301351961.

[yuvrj_enhance_2396-5] Yuvraj; Ambarish Sharan Vidyarthi; Jeeoot Singh (2016). «Повышение плотности клеток Chlorella vulgaris: исследования в встряхиваемых колбах и настольных фотобиореакторах для выявления и контроля ограничивающих факторов». Korean Journal of Chemical Engineering . 33 (8): 2396– 2405. doi :10.1007/s11814-016-0087-5. S2CID 99110136.

[6] Юврадж; Падмини Падманабхан (2017). «Техническое представление о требованиях к росту микроводорослей в фотобиореакторах с насыщением CO2». 3 Biotech . 07 (2): 119. doi :10.1007/s13205-017-0778-6. PMC 5451369 . PMID 28567633.

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

[8] Проект Submariner: принципы проектирования фотобиореактора

[9] Деккер, Ева; Ральф Рески (2008). «Текущие достижения в производстве сложных биофармацевтических препаратов с использованием моховых биореакторов». Биопроцессная и биосистемная инженерия . 31 (1): 3– 9. doi :10.1007/s00449-007-0151-y. PMID 17701058. S2CID 4673669.

[10] Олива, Джузеппина; Анхелес, Роксана; Родригес, Элиза; Туриэль, Сара; Наддео, Винченцо; Сарра, Тициано; Бельджорно, Винченцо; Муньос, Рауль; Лебреро, Ракель (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. PMID 31302359. S2CID 196612644.

[11] Пульц. О. (2001). «Фотобиореакторы: системы производства фототрофных микроорганизмов». Прикладная микробиология и биотехнология . 57 (3): 287– 293. doi :10.1007/s002530100702. PMID 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; «Verfahrenstechnische Aspekte eines гибкий, трубчатые системы zur Algenproduktion» (Технологические аспекты гибкой трубчатой системы для производства водорослей); ДЕКЕМА 2011

[14] Großmann Ingenieur Consult GmbH: Aufbau eines Biosolarzentrums в Кётене, 6 марта 2011 г.

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

[16] Briegleb, Till (2013-03-25). "IBA Hamburg - Opening, Algaehouse, Worldquartier". Art Magazin . Архивировано из оригинала 2013-03-28.

[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] Spolaore. P.; et al. (2006). "Коммерческое применение микроводорослей" (PDF) . Журнал бионауки и биоинженерии . 102 (2): 87– 96. doi :10.1263/jbb.101.87. PMID 16569602. S2CID 16896655.