На правах рукописи

ГЛАДЫШЕВ ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ФОТОБИОРЕАКТОРОВ ДЛЯ ЗАМКНУТЫХ

ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ

Специальность 03.00.23 – Биотехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой

степени кандидата технических наук

МОСКВА – 2007

Работа выполнена в Московском государственном университете инженерной экологии

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Винаров Александр Юрьевич Доктор технических наук, профессор Синяк Юрий Емельянович

Ведущая организация: Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт биологической техники.

Защита состоится 22 мая 2007 г. на заседании диссертационного совета Д 212.204.13 в РХТУ им. Д.И.Менделеева (125047 Москва, Миусская пл., д.9) в

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан2007 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 212.204.13 Шакир И.В.

Общая характеристика работы

.

Актуальность темы.

Задача использования высших и низших растений в качестве звена искусственных замкнутых экологических систем принципиально решена много лет назад. Фундаментальные исследования в этом направлении проведены для создания систем жизнеобеспечения различных гермообъектов (космических, подводных, подземных и пр.). Такие системы позволяют обеспечить наиболее полное замыкание круговорота веществ в условиях длительного автономного существования экипажей. Однако исследования проводятся и сейчас, в частности, в связи с намерениями мирового сообщества по организации длительных космических экспедиций. При этом продвижение замкнутых экологических систем жизнеобеспечения в состав гермообъектов тормозится отсутствием эффективного аппаратурного оформления их фототрофного звена. Таким образом, тема работы является актуальной.

Цель работы - разработка фотобиореакторов для автотрофного и гетеротрофного культивирования микроводорослей в составе замкнутых экологических систем жизнеобеспечения.

Для достижения этой цели проведены исследования, включающие решение следующих задач научного и прикладного характера:

- анализ конструкций фотобиореакторов с точки зрения возможности их использования в искусственных экосистемах;

- разработка компактных реакторов с высокими значениями массообменных характеристик, работающих на высоких концентрациях биомассы;

- изучение влияния режимов светоподвода и перемешивания суспензии на ростовые характеристики биомассы и скорость утилизации СО2;

- разработка методики оценки и оптимизация энергозатрат в процессах культивирования микроводорослей.

Научная новизна.

- предложена конструкция полостного фотобиореактора с механическим перемешиванием для аппаратурно-технологического оформления водорослевого звена замкнутой экологической системы жизнеобеспечения;

- предложена конструктивная модернизация гладкостенного полостного фотобиореактора с целью улучшения его массообменных и эксплуатационных характеристик;

- установлена зависимость гидродинамических и массообменных характеристик модернизированного полостного реактора от величин его конструктивных параметров;

- исследовано влияние конструктивных параметров модернизированного фотобиореактора на скорость утилизации СО2;

- предложен параметр масштабирования полостного фотобиореактора, основанный на постоянстве освещенности поверхности газовой полости;

- разработана методика оценки затрат мощности на освещение газовой полости фотобиореактора.

Практическая ценность.

- разработаны и изготовлены лабораторные модели фотобиореакторов с механическим перемешиванием, предназначенные для культивирования микроводорослей с различными типами питания и уровнями клеточной организации;

- по результатам экспериментальных исследований для полостных фотобиореакторов установлены основные рекомендуемые технические характеристики:

оптимальный коэффициент заполнения, рациональные энергозатраты на перемешивание и освещение;

- разработано техническое решение, в т. ч. оптимальное внутреннее оребрение реактора, обеспечивающее значительное снижение циклических нагрузок на корпус реактора и опорную конструкцию установки;

- разработан и апробирован макет теплообменного устройства, обеспечивающий поддержание оптимального температурного режима работы осветительного блока, а также постоянство его оптических характеристик;

- для облучения поверхности светопоглощения полостных фотобиореакторов рекомендовано использование натриевых ламп высокого давления, обеспечивающих оптимальный спектральный состав света;

- предложенная энергосберегающая конструкция модернизированного фотобиореактора рекомендована для замкнутых экологических систем жизнеобеспечения, работающих в условиях невесомости.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались на - V-й Международной конференции «Инженерная защита окружающей среды», МГУИЭ, Москва, 2003, - 11-й и 13-й Международных конференциях «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии», Ялта-Гурзуф, 2003, 2005, - ХVIII и XIX Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях», Казань, 2005, Воронеж, 2006.

Публикации.

Основные результаты диссертации изложены в 9 печатных работах.

Объем и структура работы.

Диссертация изложена на 139 стр. Состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложений. Содержит 61 рисунок и 7 таблиц.

Введение.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель исследований, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, указан личный вклад соискателя.

Глава 1. Литературный обзор.

Обзор содержит сведения о зеленых растениях как основном звене искусственной замкнутой экосистемы, определяющем ее облик и функциональные возможности. Показана роль высших растений в производстве полноценной пищи для человека, а также в процессах регенерации воды и атмосферы.

Помимо высших растений в качестве элемента основного звена замкнутой экосистемы представлены низшие растения – одноклеточные водоросли, наиболее изученной из которых является хлорелла. Отмечена эффективность хлореллы при одновременном замыкании системы по газу и воде в ходе лабораторных экспериментов с участием человека.

При анализе влияния экологических и технологических факторов на ростовые и газообменные показатели процесса культивирования хлореллы получены исходные данные для разработки фотобиореакторов – аппаратов для выращивания биомассы микроводорослей.

Представлена принципиальная схема замкнутой экологической системы жизнеобеспечения. Рассмотрены различные конструкции фотобиореакторов и перспективы их использования для аппаратурного оформления ее фототрофного узла.

Разбор конструкций фотобиореакторов основан на разделении аппаратов по принципу организации потока суспензии микроводорослей. Реакторы разделены на три группы: тонкослойные реакторы, пленочные аппараты и аппараты для глубинного культивирования.

Рассмотрена возможность применения емкостной аппаратуры в условиях невесомости. Показано, что из представленных конструкций перспективна группа глубинных реакторов с жидкостным потоком, формирующимся под действием центробежных сил.

Глава заканчивается постановкой задачи исследования, в которой дан перечень основных технологических и конструктивных требований к реакторам для работы в составе системы жизнеобеспечения.

Глава 2. Выбор аппаратурного оформления процесса культивирования хлореллы.

Вариантом глубинного реактора с жидкостным потоком, формирующимся под действием центробежных сил, является полостной фотобиореактор с механическим перемешиванием (рис.1). Основой его конструктивного оформления является реализация принципа совмещения зон сорбции и светоподвода, что определяет способ перемешивания культуральной жидкости и размещение источника света.

Рис. 1 Схема полостного фотобиореактора с механическим перемешиванием. а) гладкостенный, б) модернизированный.

Полостной фотобиореактор, разработанный для использования в составе замкнутых экосистем, представляет собой цилиндрический сосуд с высотой равной диаметру, частично заполненный культуральной жидкостью, в центральной части которого расположена демпферная клетьевая мешалка с гибкими вертикальными перемешивающими элементами. При вращении мешалки жидкость оттесняется на периферию цилиндра, а в центральной его части образуется полость. В нее подается газовая смесь для осуществления массообмена с жидкостью. Устройств для диспергирования газа не предусмотрено. Вместе с тем, полость используется для размещения источника света необходимой мощности и спектрального состава.

Глава 3. Конструктивные особенности систем перемешивания полостных фотобиореакторов.

Обоснован выбор типа перемешивающего устройства, изложены требования к его конструктивному исполнению.

Конструкция корпуса полостного фотобиореактора представлена в двух вариантах – гладкостенном (рис. 1а) и модифицированном (рис.1б). Предложенная модификация корпуса обуславливает изменение формируемого в реакторе поля скоростей и образование дополнительных радиальных токов жидкости.

Однако гидравлическое сопротивление корпуса увеличивается при этом незначительно. Это позволяет прогнозировать существенное изменение интенсивности массообмена при незначительном увеличении мощности на перемешивание при сохранении формы и размеров газовой полости, характерных для гладкостенного варианта корпуса.

Глава 4. Разработка осветительной системы полостных фотобиореакторов.

Показано, что для освещения биомассы из серийно выпускаемых ламп общего и специального назначения по величине светового потока и спектральному составу света можно рекомендовать металлогалогенные, галогенные и натриевые лампы высокого давления.

Проведена экспериментальная оценка степени перегрева натриевых ламп высокого давления в неохлаждаемой защитной оболочке из кварцевого стекла.

Показана необходимость их принудительного охлаждения.

Для водяного охлаждения источника света, его защиты от загрязнения культуральной жидкостью, а также для регулирования спектрального состава света в инфракрасной области разработано теплообменное устройство из кварцевого стекла (водяной холодильник). Изготовлен и испытан его экспериментальный образец для охлаждения одной лампы ДНат – 400 в фотобиореакторе объемом 0,01 м3. Экспериментально установлен температурный режим работы осветительной системы, обеспечивающий ее надежность и приемлемый для высокопроизводительных термофильных штаммов хлореллы. Определено значение удельного теплового потока q1 через внутреннюю стенку холодильника, соответствующее этому режиму.

Исследована динамика падения освещенности по толщине слоя культуральной жидкости при изменении концентрации биомассы в процессе роста; обосновано применение условия постоянства освещенности поверхности светопоглощения для масштабирования полостного фотобиореактора; представлен расчет диаметра газовой полости.

Для осветительной системы лабораторной модели полостного аппарата определены значения фотометрических характеристик и разработана методика оценки мощности осветительной системы на основе модульного принципа ее компоновки.

При расчете мощности на освещение поверхности светопоглощения полостного фотобиореактора принято допущение, что из-за больших значений ускорения на поверхности газовой полости, ее форму можно считать цилиндрической. Тогда диаметр газовой полости связан с диаметром реактора соотношением:

На основании анализа литературных данных, а также результатов культивирования хлореллы в лабораторном образце полостного фотобиореактора принят расчетный интервал рабочих освещенностей ЕР поверхности светопоглощения.

В ходе фотометрических исследований экспериментального образца осветительной системы (лампа + водяной холодильник) определено расстояние l1,на котором распределение освещенности по высоте газовой полости соответствует установленному рабочему интервалу ЕР, т.е. получены основные фотометрические параметры осветительного модуля (рис.2). Получены данные для кварцево-галогенных и натриевых ламп высокого давления.

Для обеспечения установленной величины ЕР на поверхности светопоглощения и постоянства величины l1 лампы располагаются вдоль внутренней стенки водяного холодильника по окружности диаметром D с некоторым шагом r, величина которого устанавливается экспериментально. Падение максимального значения ЕР между колбами соседних ламп при этом не должно превышать 25%. В зависимости от высоты реактора лампы устанавливаются в один или несколько ярусов.

Таким образом, общая электрическая мощность осветительного блока определяется в ходе конструктивного расчета по уравнению:

где – число ярусов в ламповом блоке; = f (DP /LЛ ).

В качестве примера рассмотрен вариант компоновки осветительного блока полостного фотобиореактора V = 0,1 3,2 м3 из газоразрядных натриевых ламп ДНат-400. Зависимость мощности, расходуемой на освещение, от объема реактора (рис.3) в этом случае может быть представлена в степенной форме:

Уравнение (3) удовлетворительно описывает расчетные значения со среднеквадратичным отклонением 17% Удельный тепловой поток, через внутреннюю стенку водяного холодильника, является параметром, значение которого ограничивает ряд объемов полостных фотобиореакторов, подлежащих конструкторской разработке. Условие работоспособности водяного холодильника:

Расчет q по уравнению (4) (рис. 5) показывает, что водяной холодильник рассматриваемой конструкции обеспечивает соблюдение теплового режима работы осветительного блока на основе ДНат -400 для k =0,5 и 0,6 в пределах V = 0,10,5м3, а для k = 0,7 – при V = 0,11,2 м Рис.4. Изменение удельного теплового потока через стенку водяного холодильника при масштабировании фотобиореактора.

Глава 5. Гидродинамические и массообменные исследования полостных фотобиореакторов.

Целью гидродинамических исследований являлось определение удельной мощности NV, расходуемой на перемешивание суспензии микроводорослей и используемой в качестве параметра масштабного перехода при расчете геометрически подобных реакторов. Конструкция полостного фотобиореактора требует использования мешалок сравнительно большого диаметра (dм ~ 0,7Dр). Значения их окружной скорости в экспериментах достигает 10 – 11 м/с, что существенно превышает скорости, рекомендуемые для традиционных мешалок. Однако, сведений о максимальной технологически допустимой величине NV в процессе выращивания хлореллы не имеется. Это связано с округлой формой клеток и высокой прочностью клеточной стенки хлореллы, делающей ее нечувствительной к повышенным значениям сдвиговых напряжений, возникающих при интенсивном перемешивании.

Для проведения гидродинамических и массообменных исследований полостного биореактора V = 0,01 м3 использовалась экспериментальная установка (рис. 7) при отключенной осветительной системе. Фотобиореактор (1) исследовался в вариантах рис. 1а и 1б. Перемешивающее устройство приводилось во вращение шунтовым электродвигателем постоянного тока со стробоскопическим тахометром (10). Во время массообменных исследований термостатирование модельной жидкости осуществлялось ультратермостатом (7).

Измерения мощности, потребляемой системой перемешивания, производились электрическим способом при загрузке реактора водой.

Мощность, расходуемая на перемешивание, определялась для значений k =0,5, 0,6 и 0,7 и угловых скоростей вращения мешалки = 37,7125,7 с-1(рис.5).

Рис.5 Удельная мощность, потребляемая системой перемешивания а) при R = 0; б) при k = 0,5 (1), k = 0,6 (2), k = 0,7 (3) и R = 0,05; 0,08 и 0,13 для каждого k.

Минимальные затраты мощности на перемешивание получены при максимальном коэффициенте заполнения реактора (k = 0,7). Это объясняется тем, что при большем рабочем объеме реактора гибкие перемешивающие элементы вращаются в кольцевом потоке жидкости на большей глубине. Величина волнового сопротивления при этом минимальна и значение суммарного коэффициента сопротивления мешалки снижено.

Для исследования влияния конструктивных изменений реактора на затраты мощности и массообмен использован фактор оребрения R = JB/DP. В цилиндрической части корпуса реактора вплотную к стенке устанавливались 4 вертикальные перегородки, ширина которых меньше обычно используемой в реакторах с перемешиванием. Были выбраны 3 варианта перегородок В = (0, 0,033)DР при значении R = 0,05; 0,08 и 0,13. Зависимость NV () для k = 0,5; 0, и 0,7 при R = 0 показана на рис. 5а, а при R = 0,05, 0,08 и 0,13 для указанных значений k – на рис. 5б.

В модернизированном реакторе при значениях < 90 с-1 влияние как R, так и k на величину вводимой мощности незначительно. При значениях > 90 с-1 определяющей является величина k, в то время как значение величины фактора оребрения невелико.

Для расчета удельной мощности, расходуемой на перемешивание суспензии хлореллы в полостном реакторе V = 0,01 м3 с демпферной клетьевой мешалкой для 0 R 0,13 и k = 0, 5 0,7 при рабочих значениях 80 с-1предлагается выражение:

Уравнение (5) удовлетворительно описывает данные эксперимента со среднеквадратичным отклонением 18%.

При наименее энергоемком заполнении (k = 0,7) модернизация реактора приводит к увеличению мощности на перемешивание в среднем при R = 0,05 на 7 %, R = 0,08 - на 13 % и R = 0,13 - на 24 % для исследуемых пределов изменения.

Оценка массообменных характеристик полостных реакторов по кислороду (величины М и KL) проводилась по модифицированной сульфитной методике с использованием датчика рО2, широко применяемой для моделирования аэробных процессов. В автотрофном процессе культивирования хлореллы выделяющийся кислород должен интенсивно десорбироваться из культуральной жидкости, во избежание ингибирования фотосинтеза. В гетеротрофном - происходит ассимиляция органических компонентов среды, с потреблением растворенного кислорода. Полостной фотобиореактор предназначен для проведения в замкнутой экологической системе жизнеобеспечения как автотрофного, так и гетеротрофного процессов. Поэтому высокие значения массообменных характеристик реактора по кислороду важны в обоих случаях.

Визуальное исследование течения в прозрачном полостном фотобиореакторе показало наличие некоторого количества пузырьков, имеющих кавитационную природу. Суммарная площадь их поверхности оценивалась величиной на полтора порядка меньше, чем площадь поверхности полости. Поэтому, при значениях вязкости суспензии, близких к вязкости воды, вкладом диспергированной газовой фазы в общий газообмен реактора можно пренебречь.

Рис.6. Зависимость коэффициента массопередачи от удельной мощности, вводимой на перемешивание Таким образом, в отличие от барботажных биореакторов с газораспределительными устройствами, в полостных аппаратах площадь поверхности фазового контакта легко оценить геометрически и применять для их массообменного расчета основное уравнение массопередачи, включающее поверхностный коэффициент массопередачи KL Зависимость KL(NV) определялась для энергосберегающего варианта заполнения биореактора – k = 0,7. Для расчета KL предлагается степенная зависимость, являющаяся описанием экспериментальных кривых (рис.6) для 0 R 0,13:

Уравнение (7) удовлетворительно описывает данные экспериментов со среднеквадратичным отклонением 11%.

1. Полостной фотобиореактор. 7. Термостат культуральной жидкости.

2. Баллоны с СО2 и азотом. 8. Термостат для охлаждения источника света.

6. Компрессор для продувки газоанализатора.

Глава 6. Технологические исследования полостных фотобиореакторов.

Исследована работа полостного фотобиореактора в процессе автотрофного выращивания хлореллы на экспериментальной установке (рис. 7), разработанной для аппаратов объемом до 0,01 м3.

Рис. 8. Накопительное культивирование хлореллы.

Ростовые показатели процесса, а также динамика утилизации СО2 определялись в ходе накопительного культивирования в гладкостенном полостном аппарате V =0,0045 м3 а также в аппарате V = 0,01 м3 в гладкостенном и модернизированном (R = 0,08) вариантах с лампой КГМ 220-500 (ЕР = 130 клк) с водяным охлаждением.

Двухконтурная система приготовления и циркуляции газовой смеси содержала баллоны с углекислым газом и азотом, смеситель, компрессор и газоанализатор СО2. Приготовление и подача очередной порции газовоздушной смеси в циркуляционный контур производились вручную по мере естественного падения концентрации СО2. В ходе процессов культивирования контролировались скорость перемешивания, напряжение в цепи источника света, концентрация биомассы, температура, рН и рО2 в культуральной жидкости, а также концентрация СО2 в газовом контуре. Температура культуральной жидкости поддерживалась автоматически. Динамика роста биомассы до X =8,2 г СБ/л и потребления СО2 в реакторе V = 0,0045 м3 показана на рис.8. Максимальное значение продуктивности реактора по биомассе G = 3,3 г СБ/л·сутки соответствует X = 2,5 г СБ/л. Средняя производительность по поглощению СО2 – 3,4 л/л·сутки, по выделению О2 - 4,6 л/л·сутки. Эти показатели использованы в качестве исходных данных для расчета системы освещения, а также объема, производительности и потребляемой мощности фотобиореактора для работы в составе замкнутой экологической системы жизнеобеспечения.