Фотобиореактор
Биореактор является заводом по производству микроорганизмов за пределы их естественные и в искусственной среде и технических условиях. Приставка «Фото» описывает способность биореактора культивировать фототрофные организмы, то есть использовать свет для выработки собственной энергии. Эти организмы используют процесс фотосинтеза для создания собственной биомассы из света и CO 2 . Эти организмы включают растения, мхи, макроводоросли, микроводоросли, цианобактерии и пурпурные бактерии. Основная цель фотобиореактора - контролируемое создание среды обитания, которая предлагает оптимальные условия жизни для соответствующего организма. Фотобиореактор обеспечивает значительно более высокие темпы роста и чистоту, чем в естественной или природной среде. В принципе, биомассу можно производить в фотобиореакторах из сточных вод, содержащих питательные вещества, и отработанных газов, содержащих диоксид углерода .
Открытые и закрытые системы
Первым подходом к контролируемому выращиванию фототрофных организмов были и остаются открытые пруды или бассейны, так называемые открытые пруды или водоемы с желобами . Культурная суспензия, жидкость, которая содержит все питательные вещества и CO 2, необходимые для соответствующего организма , перекачивается по кругу и освещается непосредственно солнцем через открытую поверхность. Такой дизайн - самый простой способ разведения фототрофных организмов, но он обеспечивает только низкие темпы роста в зависимости от площади из-за бассейнов глубиной до 30 см и, как следствие, низкого среднего светового потока. Кроме того, расход энергии на перекачивание относительно высок, так как необходимо перекачивать много воды с низкой концентрацией продукта.
В тех регионах мира, где живет много людей, космос стоит дорого; в других местах вода - дефицитный товар, который выбрасывается в атмосферу без использования в случае открытого строительства. По этим причинам с 1950-х годов делались попытки разработать закрытые системы, в которых фототрофные организмы выращиваются до более высокой плотности биомассы и, следовательно, необходимо перекачивать меньше воды. Кроме того, закрытая конструкция исключает потери воды в системе и сводит к минимуму риск заражения от приземляющихся водоплавающих птиц или попадания пыли.
Типы фотобиореакторов
Общим для всех современных фотобиореакторов является то, что их разработка - это баланс между низкой толщиной слоя, оптимальным использованием света, низкими затратами на перекачку, низкими инвестиционными затратами и микробиологической чистотой. Это привело к появлению множества подходов, из которых лишь несколько систем смогли удержаться на рынке.
Переделанный лабораторный ферментер
Самый простой подход - переделать классические стеклянные ферментеры, поскольку они часто используются в биотехнологических лабораториях. Одним из примеров этого является моховой реактор, в котором неподходящий стеклянный сосуд снабжен светом снаружи. Параметры процесса контролируются, а газообмен осуществляется через существующие отверстия в крышке. Этот тип можно довольно часто встретить в лабораторных масштабах, но он не перешел на промышленные масштабы из-за ограниченного размера контейнера.
Трубчатые фотобиореакторы
Один из принципов, позволивших перейти к масштабам производства, - это системы, состоящие из труб. Стеклянные или пластиковые трубы устанавливаются в горизонтальной или вертикальной ориентации и снабжаются центральным блоком с насосом, датчиками и питательными веществами или CO 2 . Системы, основанные на этом принципе, созданы во всем мире от лабораторных до производственных масштабов и используются, например, для производства каротиноида астаксантина из зеленой водоросли Haematococcus pluvialis или производства пищевых добавок из зеленой водоросли Chlorella vulgaris . Преимущества систем - высокая степень чистоты и хорошая производительность системы. Производство может происходить с высоким уровнем качества, а высокое содержание сухого вещества в конце производства обеспечивает энергоэффективную переработку. Относительно высокая цена систем отрицательно сказывается на широком использовании биомассы, производимой таким образом. Экономически жизнеспособные концепции можно найти только в дорогостоящих продуктах в виде пищевых добавок и косметики.
Помимо крупномасштабного производства биомассы, преимущество трубчатых реакторов также используется в малых масштабах. В сочетании вышеупомянутого стеклянного контейнера с тонкой трубчатой спиралью соответствующее количество биомассы также может быть произведено в лабораторных масштабах, которая растет в строго контролируемых условиях, регулируемых сложным блоком управления.
Елочный фотобиореактор
Альтернативный подход описывает разработку фотобиореактора, который благодаря своей геометрии в форме усеченного конуса и спирально прикрепленной прозрачной системе двойных шлангов похож на структуру ели и имитирует ее свойства. Система реактора имеет модульную структуру и поэтому может быть масштабирована в соответствии с сельскохозяйственными стандартами при использовании на открытом воздухе. Как и в случае с другими трубчатыми фотобиореакторами, выбор места не имеет решающего значения из-за закрытой конструкции; поэтому, в принципе, можно использовать и несельскохозяйственные земли. В этом реакторе используется специальный материал, чтобы минимизировать образование бионагрузки во время выращивания микроводорослей и, таким образом, достичь высокой конечной концентрации биомассы. В сочетании с турбулентностью и концепцией замкнутой системы достигается работа с низким уровнем загрязнения и высокой эксплуатационной готовностью.
Пластинчатые фотобиореакторы
Еще один подход к развитию - это конструкция из пластиковых или стеклянных пластин. Пластины разной формы расположены вертикально или горизонтально, так что тонкий слой суспензии культур между ними обеспечивает организм хорошим светом. Кроме того, более простая конструкция по сравнению с трубчатыми реакторами позволяет использовать недорогой пластик. В то же время были реализованы извилистые потоки, окуриваемые снизу или пластины особой трехмерной формы, которые обещают хорошую производительность. Среди прочего, предпринимаются попытки отслеживать панели аналогично фотоэлектрическим , чтобы еще больше уменьшить толщину слоя или передавать их непрерывно, то есть не по замкнутому кругу, мимо источников света - используются как искусственный свет, так и солнечный свет. Существуют нерешенные проблемы, например, в отношении долговечности материала или образования иммобилизации. Масштабному использованию дополнительно препятствует ограниченная масштабируемость систем.
С апреля 2013 года дом со стеклянными панелями, встроенными в фасад, должен быть введен в эксплуатацию в качестве фотобиореактора в IBA в Гамбурге.
Фольговые фотобиореакторы
В ходе удешевления фотобиореакторов были разработаны и различные системы из пленок. Недорогие пленки из ПВХ или полиэтилена подвешиваются таким образом, чтобы в них можно было уловить и удержать суспензию культуры. Эти технологии устанавливают стандарты с точки зрения цены, но реакторы не являются очень надежным одноразовым оборудованием. Кроме того, следует ожидать увеличения потребности в инвестициях из-за необходимых систем крепления.
Перспективы развития фотобиореактора
В ходе обсуждения на СО 2 - улавливания с использованием микроводорослей или его использования в качестве источника биотоплива является большим давление развития возникло на производителех фотобиореакторы. На сегодняшний день ни одна из вышеупомянутых систем не способна производить фототрофно выращенную биомассу по цене, позволяющей конкурировать с ископаемой нефтью . Новые разработки, например, направлены на капельные процессы, в которых ультратонкие слои с использованием выхлопных газов и сточных вод должны привести к максимальному росту. Также во всем мире ведутся очень интенсивные исследования генетически модифицированных микроводорослей. Еще неизвестно, приведет ли рост цен на нефть к прорыву.
литература
- К. Постен, К. Вальтер: Биотехнология микроводорослей: интеграция и экономика. де Грюйтер, 2012, стр. 262–263.
- Айхан Демирбас, М. Фатих Демирбас: Энергия водорослей: Водоросли как новый источник зеленой энергии и технологий биодизеля. Springer, 2010, с. 80.
- Отто Пульц: Фотобиореакторы: производственные системы для фототрофных микроорганизмов. В: Appl Microbiol Biotechnol. Том 57, 2001, стр. 287-293. DOI: 10.1007 / s002530100702
- Кристин Рёш, Джулиан Йериссен, Йоханнес Скарка, Никола Хартлиб: способы уменьшить конфликты, связанные с землепользованием. В кн .: ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ - Теория и практика. изд. от Института оценки технологий и системного анализа (ITAS) - Фокус: конфликты в землепользовании - причины, последствия и возможные решения. 17-й том, № 2, сентябрь 2008 г., стр. 66–71.
- Ф. Котта, М. Матчке, Дж. Гроссманн, К. Гриль, С. Маттес: Технологические аспекты гибкой трубчатой системы для выращивания водорослей. ДЕЧЕМА 2011 (PDF)
- J. Ullmann, M. Ecke, K.-H. Стейнберг: Производство микроводорослей в промышленных масштабах. 125-е ежегодное собрание Немецкого ботанического общества. 2007 г.
- Т. Венкер, О. Пульц: Принципы проектирования фотобиореакторов , мероприятие по сотрудничеству в рамках проекта Submariner Project 2011 (PDF; 2,5 МБ)
Индивидуальные доказательства
- ↑ a b Ева Л. Декер, Ральф Рески : Текущие достижения в производстве сложных биофармацевтических препаратов с биореакторами из мха. В кн . : Биопроцессы и биосистемная инженерия. Том 31, №1, 2008 г., стр. 3-9. PMID 17701058 .
- ↑ Algae Observer: Водоросли в пустыне - промышленное выращивание водорослей .
- ^ Наблюдатель за водорослями: IGV Biotech представляет новую систему скрининга водорослей .
- ↑ art-magazin.de: IBA Hamburg - Открытие - Энергетический бункер, дом водорослей, Weltquartier ( Memento от 28 марта 2013 г., Интернет-архив ).
- ↑ klima-luegendetektor.de: RWE: Правда под ковром из водорослей.
- ↑ Марен Щибильский: Топливо из микроводорослей. Deutschlandfunk, 21 сентября 2012, доступ к 4 февраля 2015 года .