ПЛАВУЧИЙ БИОРЕАКТОР ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ В ОТКРЫТОМ ВОДОЕМЕ Российский патент 2014 года по МПК A01G33/00 

Изобретение относится к оборудованию для производства различных видов микроводорослей. В настоящее время в качестве одного из видов эффективных экологически чистых источников органических веществ рассматривается выращивание и использование биомассы водорослей, имеющих высокое содержание белковых питательных веществ и микроэлементов.

Наиболее перспективными считаются устройства, для которых не нужны пахотные земли, то есть размещаемые на поверхности водной среды.

Разработка устройства для промышленного производства биомассы микроводорослей - актуальная задача во всем мире, поскольку из такой биомассы можно получать широкий спектр продукции: лекарственные препараты, корма для животных, удобрения и т.п.

Более перспективным для получения биомассы микроводорослей с заданными свойствами (высоким содержанием жиров и т.д.) является выращивание их в специально разработанных закрытых системах - биореакторах, в которых создаются оптимальные условия: требуемые температура и освещенность, необходимый газообмен и подвод питательных веществ. Микроводоросли обладают самым эффективным аппаратом по биоконверсии солнечной энергии и являются ее природными биоаккумуляторами. В процессе жизнедеятельности микроводоросли, потребляя углекислый газ, выделяют кислород.

Известно устройство - биореактор для выращивания пресноводных водорослей в естественных водоемах и водохранилищах. Конструктивно биореактор представляет собой плавающие в акватории моря длинные гибкие пластиковые трубки, заполняемые городскими сточными водами и рассадой водорослей (http://mimt.m/environment/metod-vvraschivaniya-biotopliva-iz-stochnvh-vod). В процессе роста водоросли в трубках очищают сточную воду и разрешают проблемы окружающей среды, поглощая вещества, содержащиеся в сточных водах, и двуокись углерода и используя для своего роста солнечную энергию. По мере роста водоросли насыщают воздух кислородом.

Однако известный биореактор для выращивания микроводорослей имеет существенные недостатки. Поверхность пластиковых трубок биореактора зарастает водорослями, и очистка поверхностей для поддержания их светопропускной способности ведет к удорожанию конечного продукта и усложнению конструкции. Горизонтально расположенные длинные светопроницаемые трубки занимают большие площади водной поверхности и вынуждены быть связаны коммуникациями с сушей, при этом процессы перемешивание жидкой среды и газообмен в этих конструкциях биореакторов идут хаотично и неэффективно.

Известен также биореактор, являющийся наиболее близким по технической сущности к разработанному устройству для выращивания водорослей, содержащий, по меньшей мере, один устанавливаемый на поверхности водоема герметичный контейнер из мягкого светопроницаемого полимерного материала с трубопроводами с запорной арматурой для загрузки исходных сырьевых компонентов, разгрузки микроводорослей и трубопроводами для подачи и отбора газов из контейнера (http://www.ted.com/talks/lang/ru/jonathan trent energy from floating algae pods.html).

Контейнер плавает по поверхности открытого водоема, а биореактор может содержать несколько соединенных между собой однотипных контейнерных модулей.

За счет выполнения контейнера с оболочкой из мягкого светопроницаемого полимерного материала решается проблема удешевления стоимости биореактора и лучшей освещенности всего объема культуральной жидкости в контейнере, при этом последний не требует земельных площадей.

Однако это устройство не обеспечивает равномерного перемешивания культуральной жидкости с водорослями, что сказывается на скорости выращивания биомассы, устройство также является более дорогим, так как при зарастании внутренней поверхности полимерного контейнера сложно проводить его очистку, а также удорожается ремонт в случае повреждения контейнера. Кроме того, обслуживание такой системы очень трудоемко.

Задачей изобретения является создание плавучего биореактора для выращивания микроводорослей в открытом водоеме, характеризующегося повышенной производительностью, упрощенной конструкцией, удобством и простотой обслуживания и в целом меньшей его стоимостью.

Поставленная задача решается тем, что в плавучем биореакторе для выращивания микроводорослей в открытом водоеме, содержащем, по меньшей мере, один установленный на поверхности водоема герметичный контейнер из мягкого светопроницаемого полимерного материала с трубопроводами с запорной арматурой для загрузки исходных сырьевых компонентов, разгрузки микроводорослей и для подачи и отбора газов из контейнера, согласно изобретению контейнер снабжен горизонтальным каркасом в форме поверхности кругового полого цилиндра, основания которого посредством стержней соединены между собой по образующим и соосно с каркасом смонтирован вал, а трубопроводы для загрузки исходных сырьевых компонентов и подачи газов и трубопроводы для разгрузки микроводорослей и отбора газов соединены соответственно с противолежащими основаниями каркаса, при этом биореактор снабжен понтоном, шарнирно сочлененным с контейнером посредством одноплечих рычагов, смонтированных на валу контейнера с возможностью его свободного вращения и качания по вертикали.

Вал контейнера на обоих его концах может быть выполнен с концевыми камерами, из которых камеры на одном конце вала соединены с трубопроводами для загрузки исходных сырьевых компонентов и подачи газов, а противолежащие камеры на другом конце вала - соответственно с трубопроводами для разгрузки микроводорослей и отбора газов из контейнера. Камеры вала посредством патрубков выполнены сообщающимися с технологическим объемом контейнера.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображен биореактор, на фиг.2 - биореактор, вид сверху и на фиг.3 - биореактор, вид в варианте расположении патрубков в камерах вала контейнера.

Герметичный контейнер 1 биореактора содержит горизонтальный каркас в форме кругового полого цилиндра, поверхность которого образована стержнями 2, сопряженными с торцевыми основаниями 3. Соосно с каркасом контейнера смонтирован вал 4. На стержни 2 натянута полимерная светопроницаемая пленка 5, закрепленная посредством хомутов 6 к торцевым основаниям 3 цилиндра. Контейнер содержит также трубопровод 7 для загрузки исходных сырьевых компонентов и трубопровод 8 подачи газов, в частности углекислого газа или кислорода, а также трубопровод 9 для разгрузки микроводорослей и трубопровод 10 для отбора газа - кислорода. Все упомянутые трубопроводы 7, 8, 9 и 10 на входе в контейнер 1 оборудованы соответственно запорными кранами 11, 12, 13 и 14. Биореактор снабжен понтоном 15, который шарнирно сочленен с контейнером 1 посредством одноплечих рычагов 16, также шарнирно соединенных с валом 4 контейнера. Рычаги обеспечивают контейнеру возможность его свободного вращения и качания по вертикали.

Трубопроводы 7, 8, 9 и 10 могут быть смонтированы и соединены с внутренним объемом контейнера через вал 4. В последнем случае вал выполнен с концевыми камерами 17 и 18 на каждом из его концов. Камеры 17 и 18 соединены с трубопроводами 7 и 8 соответственно для загрузки исходных сырьевых компонентов и подачи газов. Противолежащие камеры 17 и 18 соединены соответственно с трубопроводами 9 и 10 для разгрузки микроводорослей и отбора газов из контейнера.

Через трубопровод 7 загружают исходные сырьевые компоненты, поступающие в технологический объем контейнера по патрубку 19, а разгрузку микроводорослей осуществляют по трубопроводу 9, соединенному с патрубком 20. В другом варианте изобретения камеры 17 вала 4 сообщаются с технологическим объемом контейнера посредством патрубков 19 и 20, а камеры 18 - посредством выпускных отверстий 21.

В цилиндрический объем контейнера 1, образованный торцевыми основаниями 3 и наружной прозрачной пленкой 5, через трубопровод 7 заливают морскую воду с растворенными в ней питательными веществами. Затем через этот же трубопровод 7 в контейнер загружают рассаду водорослей.

В процессе выращивания количество водорослей увеличивается не менее чем в 1000 раз. При размножении водоросли потребляют растворенные в морской воде питательные вещества и углекислый газ из воздуха, выделяя в воду продукты жизнедеятельности. По мере роста водорослей снижается рН питательной среды в контейнере, и рост водорослей замедляется. При достижении рН минимально возможного значения в воду вводят углекислый газ через трубопровод 8. Углекислый газ повышает рН среды, и рост водорослей продолжается.

Во время размножения водоросли выделяют кислород. Высокая концентрация кислорода в газовой среде контейнера не только отрицательно влияет на процесс увеличения биомассы водорослей, но может привести последних к гибели. Для восстановления необходимой газовой среды в контейнере биореактора избыток воздуха, обогащенного кислородом, удаляют через трубопровод 10, а в объем контейнера подают воздух через трубопровод 8 для подачи углекислого газа. Когда концентрация водорослей достигает расчетной, их удаляют через трубопровод 9. Подача углекислого газа, питательной среды, отбор газов и выращенных водорослей из биореактора производятся при остановке вращения контейнера, когда патрубки 19 и 20 находятся нижнем положении.

Контейнер сочленяют посредством поворотных рычагов 16 с понтоном 15, плавающем в море, и опускают на поверхность водоема, удерживая понтон на якорях. Волнение водной поверхности в зоне приливного течения, вектор которого направлен перпендикулярно продольной оси биореактора, вращает контейнер и заставляет его совершать вертикальные колебания, способствуя активному перемешиванию в нем жидкой питательной среды, что благотворно влияет на рост микроводорослей.

Для облегчения вращения корпуса контейнера 1 в рычагах 16 нагрузка от него на воду снижается противовесами 22.

Изолированность технологического объема контейнера от воды водоема позволяет создавать в системе оптимальные условия выращивания биомассы водорослей. При этом использование недорогих мягких полимерных материалов - пленок на облегченном каркасе - обеспечивает максимальный доступ солнечного света, необходимого для эффективного фотосинтеза, упрощает эксплуатацию биореактора, а простая замена пленки при ее зарастании водорослями снижает его стоимость в целом.

Биореактор обеспечивает возможность культивирования в промышленных масштабах любых форм фотосинтезирующих микроорганизмов.

Конструкция предложенного биореактора позволяет создавать крупнотоннажные производства биомассы микроводорослей путем соединения отдельных понтонов с биореакторами в большие группы (караваны), которые могут располагаться в акватории морей, озер, бухт океана.

Плавучий биореактор включает по меньшей мере один установленный на поверхности водоема герметичный контейнер из мягкого светопроницаемого полимерного материала с трубопроводами с запорной арматурой для загрузки исходных сырьевых компонентов, разгрузки микроводорослей и подачи и отбора газов из контейнера. Контейнер снабжен горизонтальным каркасом в форме поверхности кругового полого цилиндра, основания которого посредством стержней соединены между собой по образующим. На одной оси с каркасом смонтирован вал. Трубопроводы для загрузки исходных сырьевых компонентов и подачи газов, а также разгрузки микроводорослей и отбора газов смонтированы в основаниях каркаса контейнера. Биореактор снабжен понтоном, шарнирно сочлененным с контейнером посредством одноплечих рычагов, смонтированных на валу контейнера с возможностью его свободного вращения и качания по вертикали. Изобретение позволяет увеличить производительность биореактора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Плавучий биореактор для выращивания микроводорослей в открытом водоеме, содержащий по меньшей мере один установленный на поверхности водоема герметичный контейнер из мягкого светопроницаемого полимерного материала с трубопроводами с запорной арматурой для загрузки исходных сырьевых компонентов, разгрузки микроводорослей и для подачи и отбора газов из контейнера, отличающийся тем, что контейнер снабжен горизонтальным каркасом в форме поверхности кругового полого цилиндра, основания которого посредством стержней соединены между собой по образующим, соосно с каркасом смонтирован вал, трубопроводы для загрузки исходных сырьевых компонентов и подачи газов, а также разгрузки микроводорослей и отбора газов смонтированы в основаниях каркаса контейнера, при этом биореактор снабжен понтоном, шарнирно сочлененным с контейнером посредством одноплечих рычагов, смонтированных на валу контейнера с возможностью его свободного вращения и качания по вертикали.

2. Плавучий контейнер по п.1, отличающийся тем, что вал контейнера на обоих его концах выполнен с концевыми камерами, из которых камеры на одном конце вала соединены с трубопроводами для загрузки исходных сырьевых компонентов и подачи газов, а противолежащие камеры на другом конце вала - соответственно с трубопроводами для разгрузки микроводорослей и отбора газов из контейнера, при этом камеры вала выполнены сообщающимися с технологическим объемом контейнера.