ФОТОБИОРЕАКТОР ДЛЯ БИОСЕКВЕСТРАЦИИ CO С ИММОБИЛИЗОВАННОЙ БИОМАССОЙ ВОДОРОСЛЕЙ ИЛИ ЦИАНОБАКТЕРИЙ Российский патент 2019 года по МПК C12M1/12 C12M3/06 C12N1/12 C12N1/20 B01D53/62 

Объектом данного изобретения является фотобиреактор для биосеквестрации CO₂ c иммобилизованной биомассой водорослей или цианобактерий.

Фототрофные водоросли, используя энергию солнечного или искусственного света, путем фотосинтеза преобразуют CO₂ из атмосферы в органические соединения, которые являются для них строительным материалом. Доступ к достаточному количеству света и CO₂ необходим для проведения фотосинтеза и получения биомассы водорослей. Кроме того, важными параметрами являются рН и температура культуры, а также тип реактора, открытый или закрытый.

Из-за чрезмерных глобальных выбросов CO₂ в атмосферу и необходимости проведения интенсивной и инновационной секвестрации CO₂, происходящего из разных источников, для защиты среды, окружающей человека и для защиты от парникового эффекта постоянно ведется поиск эффективного способа связывания CO₂ в форме биомассы, чтобы сохранить экологическое равновесие в природе.

Одно направление данного поиска направлено на фотобиореакторы и, в частности, закрытые фотобиореакторы, в которых культура водорослей или цианобактерий, находящаяся под контролем, способна связывать CO₂ в виде своей биомассы. Различные структуры закрытых биореакторов позволяют осуществлять мониторинг и контролировать интенсивность света и время воздействия, рН и температуру культуры, чистоту и время жизни культуры выбранного штамма водорослей или цианобактерий.

Фотобиореакторы уже известны в данной области техники.

В документе DE 102007035707 описан способ оксигенации и поглощения примесей из воды, который включает культурирование микроводорослей, их иммобилизацию в стабильных альгинатных оболочках диаметром от 0.1 до 5 мм. Альгинатные сферы, содержащие микроводоросли и физиологический раствор дополнительно помещают в прозрачные пористые мембраны с размером пор в диапазоне 0.5-50 мкм. Мембраны с альгинатными сферами помещают в фотобиореактор, в который подается загрязненная вода. Фотобиореактор оснащен двумя светодиодными источниками света.

Из заявки на патент США US 20080286857 известен многофункциональный эрлифтный биореактор, включающий клетки, удерживаемые в полимерных сферах для поглощения газов (летучих органических соединений) или запахов, причем указанный биореактор оснащен спринклерным устройством.

Из другой заявки на патент США US 5073491 А известен способ культивирования клеток в эрлифтном биореакторе, указанные клетки иммобилизованы в сферах на основе альгината.

Китайская заявка CN 101240270 описывает капсулы на основе альгината с иммобилизованными клетками и способ их получения.

Японская заявка JP 3112481 описывает устройство для культивирования водорослей, содержащее культуральную камеру, вращающуюся корзину и пучок оптических волокон. Газообразный диоксид углерода и солнечный свет равномерно поставляют в культуральную камеру посредством вращения вращающейся корзины.

Известен способ иммобилизации микробных клеток в капсулах с альгинатом натрия, например, из PL 213167 В1.

DE 102007035707 А1 описывает возможность использования иммобилизованной биомассы водорослей для очистки воды, в основном для аквакультуры. В данной публикации предложено разместить выбранные микроводоросли в полимерной оболочке и использовать структуры такого типа для биофильтрации воды, поступающей в основном из системы рыборазведения. Функция иммобилизованной биомассы водорослей, погруженной в жидкость, заключается в удалении примесей из воды. Предложена система для биофильтрации воды. Информация, содержащаяся в данном документе, не может являться основой для развития технологий удаления диоксида углерода из газообразных отходов.

US 5073491 описывает способ получения клеток в альгинатной подложке эрлифтного реактора. Единственная общая особенность этих двух решений - иммобилизация клеток в альгинатном геле. Тем не менее, использование альгината натрия в качестве носителя различных типов биологических форм известно уже давно.

Известные технологические решения для систем биосеквестрации диоксида углерода, основанные на применении биомассы водорослей, включающие открытые и закрытые биореакторы, в которых биомасса водорослей помещена в водный раствор, не позволяют получить удовлетворительные результаты удаления CO₂ с точки зрения работы установок в промышленном масштабе. Кроме прочего это связано с явлением растворимости карбоксида углерода в воде, а именно это может приводить к уменьшению рН, т.е. закислению культуральной среды ниже уровня, необходимого водорослям или цианобактериям для роста и жизни. Эффективность функционирования классических систем, основанных на биомассе водорослей или цианобактерий ограничивается также тем, что культуральная среда ингибирует прохождение света, что замедляет скорость рост биомассы и эффективность удаления CO₂. По этим причинам в известные системы водорослей можно вносить небольшие количества газа, содержащего диоксид углерода, или они требуют очень больших поверхностей (как например, открытые водоемы) или кубатур (закрытые фотобиореакторы). Эффективность удаления CO₂ в дальнейшем ограничивается образованием и накоплением в окружающем пространстве газообразных продуктов метаболизма этих организмов в форме кислорода и углекислого газа, введенных в водную среду.

Целью настоящего изобретения является создание новой структуры устройства для удаления CO₂ из дымовых газов и отработанных газов, поступающих из различных секторов промышленности, например, от пищевой промышленности от дрожжевого производства, систем производства биогаза, систем сгорания жидкого и газообразного топлива, технологии переработки углеводородов. Решение, предложенное в данном изобретении, позволяет эффективно удалять диоксид углерода из газов, содержащих CO₂ в высоких концентрациях. В то же время указанное устройство характеризуется значительно уменьшенной кубатурой по сравнению с использующимися на данный момент решениями, в которых используется процесс биосеквестрации CO₂.

Предполагается, что изобретение, благодаря своей структуре, позволяет достигать очень высокой концентрации биомассы водорослей или цианобактерий, путем их иммобилизации в капсулах. Это позволит избежать феномена понижения рН, т.е. закисления среды, в которой растут водоросли или цианобактерий, из-за введения отработанного газа с высокой концентрацией CO₂.

Система для доставки света в капсулы водорослей или цианобактерий характеризуется высокой степенью полезности в связи с меньшими потерями из-за явления поглощения световой энергии водой. В результате циклического дозирования газов, содержащих диоксид углерода, газообразные метаболиты водорослей или цианобактерий удаляют за пределы технологической системы, тем самым устраняют негативное влияние этого фактора на процессы связывания CO₂- Периодическое введение культуральной среды с высокой концентрацией питательных веществ способствует их более эффективному использованию, и процесс промывки позволяет систематически удалять избыточную биомассу снаружи устройства.

Полученная в этом технологическом процессе биомасса может быть использована для различных целей, в основном в качестве корма для животных (корм для рыб, культуральная среда для среднего зоопланктона), удобрений и в области энергетики (субстрат для биогазовых установок, источник био-масла).

Объектом изобретения является фотобиореактор для биосеквестрации CO₂ с иммобилизованной биомассой водорослей или цианобактерий, характеризующийся тем, что указанные водоросли или цианобактерий иммобилизованы в капсулах.

Предпочтительно, капсулы имеют внешнюю оболочку с порами диаметром от 5 мкм до 100 мкм.

Предпочтительно, капсулы имеют диаметр от 5 до 40 мм.

Предпочтительно, свет к капсулам поступает из источника света через световые трубки.

Предпочтительно, отдельная одиночная световая трубка идет от источника света к каждой капсуле.

Предпочтительно, капсулы в частях фотобиореактора свободно расположены на сетке с отверстиями и окружены атмосферой газа.

Предпочтительно, капсулы смачивают культуральной средой, предпочтительно, их периодически смачивают и промывают.

Предпочтительно, фотобиореактор по данному изобретению имеет многогранное или круглое поперечное сечение.

Объект по данному изобретению показан на фигуре, на которой:

Фиг. 1 - общая схема фотобиореактора,

Фиг. 2 - схема фотобиореактора, сконструированного с одним сегментом,

Фиг. 3 - поперечное сечение многогранного фотобиореактора,

Фиг. 4 - поперечное сечение круглого фотобиореактора.

Капсулы формируют из биомассы водорослей или цианобактерий двумя различными способами. Первый способ включает использование перфорированной гелевой оболочки. Биомассу водорослей или цианобактерий, полученную из культуры, просеивают через микросито, так, что размер водорослей или цианобактерий соответствует размеру отверстий в гелевой оболочке. Отобранную биомассу концентрируют и обезвоживают до уровня 8%-15% сухого вещества, что позволяет получить формируемую пластичную массу. Затем создают форму, близкую к сфере с диаметром в диапазоне от 4.5 мм до приблизительно 40 мм. В сформированную таким образом биомассу водорослей или цианобактерий вводят световую трубку диаметром от 0.7 мм до 3.0 мм. Если диаметр капсулы не превышает 15 мм, можно использовать световую трубку без рассеивающего свет материала на конце, а при большем диаметре конец световой трубки должен быть оборудован рассеивающим световой луч материалом, сделанным из акрила или стекла диаметром по меньшей мере в 2 раза больше, чем диаметр световой трубки. Затем полученную биомассу водорослей или цианобактерий покрывают гелеобразующим агентом, например, альгинатом натрия. Для того, чтобы сделать оболочку пористой с размером пор от 5 мкм до 100 мкм, гелеобразующий агент наносят вместе с пороформирующим материалом, который после растворения и промывания формирует поры требуемого диаметра. Для водорослей или цианобактерий, предпочитающих сладкие среды, предложено использовать кристаллы глюкозы с размерами кристаллов, соответствующими размерам ожидаемых пор. Для водорослей или цианобактерий, предпочитающих соленые среды, можно использовать глюкозу или кристаллизованный хлорид натрия. Для поддержания механической прочности оболочки количество пороформирующего материала по отношению к количеству гелеобразующего агента не должно превышает 40% по объему. Порообразующий материал растворяется после 1-5 часов с момента его добавления к гелеобразующему агенту.

Второй способ формирования капсулы включает конденсацию и дегидратацию биомассы водорослей или цианобактерий для получения от 5,0% до 10% сухого вещества. Затем биомассу водорослей или цианобактерий вводят в оболочку, сформированную из пластикового материала, который имеет поры от 5 мкм до 100 мкм. Следует отметить, что водоросли или цианобактерий, которые предназначены для введения в оболочку, до конденсации и дегидрации просеивают через сито в зависимости от их размера, и их размер должен быть равен или немного превышать размер пор оболочки капсулы. Заполнив оболочку биомассой водорослей или цианобактерий, вводят световые трубки диаметром от 0.7 мм до 3.0 мм. Таким образом, в случае пластиковой оболочки, если капсулы имеют диаметр больше, чем 15 мм, трубка заканчивается рассеивающим акриловым или стеклянным материалом. Диаметр рассеивающего материала в 2 раза больше, чем диаметр световой трубки. Отверстие, через которое вводят биомассу и световую трубку с рассеивающим материалом, закрывают съемным уплотнительным материалом, который легко удалять и что таким образом позволяет повторять процедуру наполнения капсулы в случае чрезмерного количества вытекающей из нее биомассы водорослей или цианобактерий.

Фотобиореактор согласно настоящему изобретению имеет следующую структуру:

Корпус фотобиореакторного устройства (1) имеет форму вертикального бака, разделенного на сегменты (от одного до нескольких сотен). Разделяющими перегородками являются сетки с отверстиями (2), на которых находится биомасса водорослей или цианобактерий в капсулах (3) с диаметром от 5 мм до 40 мм в их поперечном сечении. Выбор диаметра капсулы, типа газов, типа водорослей или цианобактерий, ряда капсульных слоев, интенсивности света и т.п. имеет важное значение.

Внешняя оболочка (4) капсулы (3) сделана из пористого материала с размером пор от 5 мкм до 100 мкм, которые позволяют вытекать избытку биомассы водорослей или цианобактерий из капсулы (3). Внешняя оболочка (4) может быть создана на биомассе водорослей или цианобактерий, заключенных в капсулу, например, путем ее покрытия гелевой массой или введением биомассы водорослей или цианобактерий в приготовленную внешнюю оболочку (4), например, из перфорированного пластикового материала. Внутрь капсулы с биомассой водорослей или цианобактерий (3) вводят световую трубку (5), которая заканчивается наконечником (21) из материала, рассеивающего свет во всю капсулу (3) в направлении ее внешней оболочки (4). Второй конец световой трубки (5) связан с источником света (6).

Под самой нижней перфорированной сеткой (2) в корпусе фотобиореакторного устройства (1) находится впускная трубка (7) для газа, содержащего CO₂, которая соединена с насосом (8), перекачивающим газ с CO₂ от резервуара, который содержит CO₂ (9).

В защитную крышку корпуса устройства (1) вмонтирован выходной канал (10) для газов.

Сплинкерные форсунки (11) расположены над капсулами с биомассой водорослей или цианобактерий (3) и соединены с насосом для дозирования культуральной среды (12) и с резервуаром культуральной среды (13), а также с промывочным насосом (14) и сборным резервуаром (15) с очищенной водой.

Сборный резервуар (15) имеет жидкостное соединение через трубопровод (22) с отделительным резервуаром (16) для избытка биомассы водорослей или цианобактерий.

Выходной канал (17) удаляет избыток биомассы водорослей или цианобактерий со дна фотобиореакторного устройства (1) в отделительный резервуар (16) для избытка биомассы водорослей или цианобактерий, и этот избыток биомассы удаляют в дальнейшем из фотобиореактора через трубопровод для слива (19) с клапаном (18).

Сформированная биомасса водорослей или цианобактерий (3) имеет форму капсулы диаметром от 5 мм до 40 мм и покрыта внешней оболочкой (4) с отверстиями от 5 мм до 100 мкм. Внешняя оболочка (4) имеет форму слоя гелевой субстанции или слоя, образованного из перфорированной пластиковой оболочки.

Свет проводят через отдельную световую трубку (5) к каждой капсуле (3) в биомассу водорослей или цианобактерий. В биомассу водорослей или цианобактерий в капсуле (3), периодически вводят газы, содержащие CO₂ и жидкую культуральную среду, которую периодически подают сверху из сплинкерных форсунок (11).

Образовавшуюся избыточную биомассу водорослей периодически смывают сверху, направляют в отделительный резервуар (16) и выводят из фотобиореактора через сливной трубопровод (19).

Свет от источника света (6) непрерывно подают к сформированной биомассе водорослей или цианобактерий в капсулах (3) посредством световых трубок (5). Источником света (6) может быть солнце или генератор света с различными длинами волн света от 300 нм до 800 нм.

Порцию газа, содержащего CO₂, накопленную в резервуаре (9) и перекачиваемую насосом (8), периодически подают в резервуар корпуса фотобиореактора (1). Перекачиваемый газ, содержащий CO₂, проникает в капсулы с биомассой водорослей (3) через внешнюю мембрану (4), вытесняя из водорослевой биомассы газообразные метаболиты, которые удаляются через газоотводный канал (10).

Когда насос (8) прекращает свою работу, начинает работать насос (12), через который жидкую культуральную среду накачивают от резервуара с культуральной средой (13) к сплинкерным форсункам (11). Культуральная среда течет по внешним поверхностям оболочек (4) и проникает в водорослевую массу в капсулах (3), способствуя вместе с поставляемой световой энергией и CO₂ увеличению биомассы водорослей. Водорослевая биомасса выходит из капсул (3) через перфорированную внешнюю оболочку (4) и ее периодически смывают жидкостью при перекачивании жидкости промывочным насосом (14) из емкости сборного резервуара (15). Указанную жидкость получают после предыдущего отделения избытка водорослевой биомассы в отделительном резервуаре (16), в который она стекает со всего объема корпуса фотобиореакторного устройства (1) вместе с промывочной жидкостью через выпускной канал (17). После периодического открытия клапана (18), накопленную избыточную биомассу водорослей удаляют из фотобиореактора через трубопровод (19) и смесь неиспользованной жидкой среды и жидких метаболитов вытекает частично через канал для вытекания (20) снаружи фотобиореактора, а частично возвращается в циркуляцию, при прокачивании насосом для промывки (14).

Пример 1

Фотобиореакторное устройство сделано в лабораторном масштабе. Эксперимент проводили для определения эффективности. Корпус фотобиореакторного устройства 1 представлял собой трубку из прозрачного пластика. Внешнюю поверхность фотобиореактора покрывали темной пленкой, непроницаемой ни для солнечного, ни для искусственного света, который преобладает в лаборатории. Была возможность удалить пленку с целью оценки состояния капсул и ситуации внутри корпуса фотобиореакторного устройства 1. Внутренние размеры корпуса фотобиореакторного устройства 1 были, соответственно: диаметр 30 мм, высота 1000 мм. Поддерживающую сетку 2 с размером отверстий 5 мм помещали на высоте 50 мм над нижним основанием корпуса фотобиореакторного устройства 1. Нижнее основание корпуса погружали на 15 мм ниже поверхности воды в резервуар 16, вместимостью 1 дм, из которого через трубопровод 22 вытекает избыток воды во вторую накопительную емкость вместимостью 1 дм³, например, в сборный резервуар 15. В верхней части корпуса фотобиореаторного устройства 1, разместили газоотводный канал 10 в виде канала диаметром 5 мм, через который выходящие газы собирали в тедларовый пакет, из которого газы собирали для анализа. Газ анализировали способом газовой хроматографии на хроматографе Agilent 7980A. Второй канал в верхней части корпуса устройства 1, вместе с перфорированной пластиковой сеткой с размером отверстий 2 мм, выполняет функцию форсунок 11, соединенных с каналом, который дозирует и культуральную среду, и воду для промывки из второй накопительной емкости.

Слой капсул с водорослевой биомассой 3, помещенных внутрь корпуса 1 имел толщину 800 мм. Капсулы 3 имели диаметр 8 мм. Для приготовления капсул была использована водорослевая биомасса Chlorella protothecoides штамма SLYCP01 из собственной культуры в фотобиореакторах объемом 3 м³, освещаемая и естественным, и искусственным светом. Перед помещением капсул в фотобиореактор, водорослевую биомассу концентрировали на сетчатом фильтре с размером сетки 10 мкм и потом дегидрировали на центрифуге. После дегидрирования водоросли имели свойства пластичной массы. Их формировали в капсулы 3, покрытые массой альгината натрия. После формирования, капсула 3 имела диаметр 8 мм, в каждую капсулу вводили световую трубку 5, которая в данном случае из-за маленького диаметра капсулы не имела наконечника, рассеивающего света. Второй конец световых трубок 5 помещали в источник света 6, в данном случае искусственный, в виде лампы белого света. Водорослевые капсулы 3 насыпали свободно. В нижней части корпуса ниже перфорированной сетки 2, поддерживающей капсулы 3, была расположена впускная трубка для CO₂ 7, которую контролировал насос 8. Газ состоял из атмосферного воздуха, обогащенного технически чистым CO₂ до концентрации CO₂ 25% об/об. Культуральную среду для водорослей приготавливали в отдельном резервуаре 13 и дозировали с помощью насоса 12. Дозирование культуральной среды и газа с CO₂ происходило поочередно каждые 10 минут в течение 1 минуты. Капсулы промывали раз в день.

Эффективность связывания CO₂ устройством определяли, измеряя концентрацию CO₂ в поданном газе и количество CO₂ в выходящем газе. Эффективность удаления CO₂ составила приблизительно 80%.

В типичном фотобиореакторе невозможно использовать такую высокую концентрацию CO₂ из-за феномена быстрого закисления водной среды. При высокой концентрации биомассы в устройстве согласно примеру закисления или уменьшения величины рН не происходит, потому что CO₂ сразу используется биомассой водорослей.

Объемная эффективность абсорбции CO₂ полученная в реакторе согласно примеру в 15 раз больше, чем в других фотобиореакторах.

Пример 2

Корпус устройства 1 имеет четыре боковые стенки, плоскую защитную крышку и плоское дно с наклоном в 2% к выпускному отверстию. Высота корпуса устройства в соответствии с внутренними размерами от дна до защитной крышки составляла 5.1 м и в поперечном сечении внутренние размеры, соответственно: длина 2.5 м, ширина 1.0 м. Три вертикальные стенки прозрачны, изготовлены из 3 мм стекла с вакуумной изоляцией. Четвертая стенка расположена на северной стороне. Эта стальная стенка изготовлена из кислотоупорной стали и теплоизолирующего пенополистирола толщиной 80 мм. Вертикальные стенки корпуса разделены горизонтально на 20 равных сегментов, каждый по 0.2 м высотой и на два крайних сегмента с высотой 0.3 м каждый - верхний, заканчивающийся защитной крышкой, и нижний, заканчивающийся плоским дном. Каждый из 20 сегментов - независимый структурный элемент, имеющий боковую стенку, с термоизоляцией, постоянно соединенную с перфорированной сеткой 2 из пластика толщиной 8.0 мм, которая расположена на направляющей, которая позволяет ее перемещать и удалять сетку из корпуса устройства для периодической смены положений сеток в соответствии с правилом, что самая верхняя сетка должна быть последовательно перемещена на место самой нижней. Перфорация производится во время создания сетки и занимает 60% поверхности сетки, отверстия имеют диаметр 10 мм. Края перфорированной сетки имеют высоту 50 мм, что защищает капсулы от выпадения при перемещении сетки. Капсулы 3 в количестве 32000 шт. на каждый сегменте расположены свободно (во всем устройстве находится приблизительно 640000 капсул), что способствует промывке избытка биомассы водорослей или цианобактерий. Насыпь капсул принимает форму оболочки с высотой 150 мм и в направлении от края сетки насыпь увеличивается в соотношении 2/1. Капсулы 3 в гелевой оболочке 4 диаметром 25 мм внутри имеют акриловую массу, рассеивающую свет, диаметром 5 мм, соединенную с наконечником световой трубки 5 диаметром 1.5 мм. Световые трубки 5 из каждой капсулы проводят через боковую стенку с термоизоляцией к источнику света 6 с длиной волны 640 нм и мощностью 200 В, и прикрепляют к нему. В верхнем сегменте высотой 0.3 м на верхушке корпуса устройства, в защитной крышке биоректора, постоянно вмонтированы 24 сплинкерных форсунок 11 в виде полноконусных форсунок. Форсунки 11 обеспечивают распределение воды или воды с культуральной средой для промывки по всей поверхности. Каждая форсунка соединена с трубопроводом под давлением диаметром 25 мм, соединенным с главным трубопроводом диаметром 50 мм. Все трубопроводы крепятся к защитной крышке корпуса 1. Далее, главный 50 мм трубопровод, расширяющийся снаружи корпуса устройства, изолирован термоизоляцией и соединен через тройник с погружным перекачивающим насосом 12 мощностью 0.2 кВ с обратным клапаном, эффективность которого представляет собой Q=0.001 м³/мин, и подъемная высота представляет собой Н=10 м Н₂О. Второй конец тройника соединен с трубопроводом под давлением диаметра 50 мм и с 0.5 кВ погружным насосом с обратным клапаном 14, эффективность которого Q=0.01 м³/мин и подъемная высота Н=30 м Н₂О. Насос 12 расположен в резервуаре 13 с культуральной средой объемом 0.2 м³ и помещен на высоте последнего, самого высокого сегмента корпуса 1. Оба насоса 12 и 14 имеют контроллеры для определения времени работы каждого насоса. Для насоса 12 выбрано время накачки культуральной среды 0.5 минут и время паузы 10 минут. Другой насос 14 качает воду из сборного резервуара 15 каждые 6 часов по 8 минут, обязательно прерываясь на перекачивание культуральной среды. Объем сборного резервуара 0.5 м³, и он является проточным резервуаром, который с одной стороны соединен с отделительным резервуаром 16, а с другой стороны заканчивается каналом для вытекания 20 диаметром 200 мм для удаления избытка воды, которая после очищения в отделительных устройствах, возвращается в резервуар 13 и используется для приготовления раствора минеральных культуральных сред. Концентрация культуральной среды в 50 раз больше, чем в стандартных открытых культуральных резервуарах. Газы в количестве 1000 м³ в день после сгорания биогазов охлаждают до температуры 30°С и собирают в резервуар 9 в объеме 30 м³ и периодически каждые 9 минут в течение 1 минуты вводят в нижний сегмент корпуса устройства 1. Дымовые газы из резервуара 9 текут через канал с диаметром 300 мм в насос, перекачивающий газ, 8 в виде вентилятора с расходом Q_g=7.0 м /мин. Выход вентилятора соединен с впускным трубопроводом для CO₂, выполненным в виде диффузора, которая вместе с корпусом устройства 1 имеет размеры прямоугольника 100 мм × 1500 мм и вмонтирована на 100 мм ниже самой нижней перфорированной сетки 2.

Кроме того, газоотводный канал 10 устройства находится в защитной крышке в верхнем сегменте стального корпуса устройства и представляет собой трубку высотой 0,3 м и диаметром 0,5 м, защищенную сверху стальной сеткой с размером ячеек 5 мм × 5 мм.

Дно корпуса устройства 1 сделано из кислотоупорной стали и имеет наклон 2% к выходному каналу 17, через который вытекает биомасса водорослей или цианобактерий и водные жидкости, содержащие и неиспользованные субстанции культуральной среды, и метаболиты, произведенные в процессе фотосинтеза.

Выходной канал 17 диаметром 200 мм помещен одним концом в воду в отделительный резервуар 16 для избытка биомассы водорослей или цианобактерий объемом 0.5 м³ и имеет форму закрытого сифона, которая не дает газам, введенным в устройство, выходить через этот канал. В резервуар 16 встроен клапан 18, а на другом конце вмонтирован трубопровод для слива 19 диаметром 200 мм, через который удаляют конденсированную биомассу водорослей или цианобактерий, и при реализации она дает приблизительно 30 кВт на сельскохозяйственном биогазовом заводе.

Количество биогаза, получаемого ежедневно в процессе ферментации органических субстратов для этого типа установок, составляет около 100 м³.

Качественный состав биогаза следующий:

метан - 66% об/об,

CO₂ - 33% об/об,

другие газы приблизительно 1% об/об.

Биогаз сжигают в газовых котлах, и в день получают приблизительно 1000 м³ дымовых газов с содержанием CO₂ 14% об/об. Количество диоксида углерода, производимого в день, составляет около 30 кг.

Эффективность биосеквестрации диоксида углерода в устройстве согласно изобретению составляет 80% и приводит к удалению CO₂ из дымовых газов в количестве 24 кг CO₂ в день. Объем устройства, наполненного капсулами, составляет приблизительно 6 м³ при концентрации микроводорослевой биомассы в капсулах на уровне 22 кг д.м./м³.

Общее количество сухого вещества микроводорослей в устройстве было приблизительно 130 кг. Эффективность роста водорослевой биомассы в устройстве находится в диапазоне 8.2-8.6 кг д.м./м³ в день.

В результате связывания CO₂ и применения введения питательных веществ в технологическую систему, общий прирос биомассы водорослей составляет приблизительно 50 кг д.м. в день.

Полученная биомасса водорослей будет использована в качестве субстрата для биогазовой установки.

Из 50 кг сухого вещества микроводорослей можно получить приблизительно 25 м³ биогаза с содержанием метана приблизительно 70%, что удовлетворяет внутренним потребностям биогазовой установки для органических субстратов на приблизительно 25% и обеспечивает потенциальную мощность на уровне 7.2 кВ.

Для сравнения, в типичных открытых фотобиореакторах концентрация микроводорослевой биомассы находится на уровне приблизительно 3 кг д.м./м³, что в 7 раз меньше, чем в представленном устройстве. Более того, скорость роста водорослевой биомассы находится на уровне приблизительно 0,25 кг д.м./м³ в день. Это означает, что для получения 50 кг д.м. микроводорослей в день, требующихся для удаления 24 кг CO₂ в день, требуется устройство со стандартной глубиной 0,3 м и поверхностью приблизительно 600 м².

Список пронумерованных ссылок

(1) корпус фотобиореакторного устройства

(2) перфорированные сетки

(3) капсула с биомассой водорослей или цианобактерий

(4) внешняя оболочка капсулы

(5) световая трубка

(6) источник света

(7) впускная трубка для CO₂

(8) насос для перекачки газа

(9) резервуар с CO₂

(10) газоотводный канал

(11) сплинкерные форсунки

(12) насос для дозирования культуральной среды

(13) резервуар с культуральной средой

(14) насос для промывки

(15) сборный резервуар

(16) отделительный резервуар для избытка биомассы водорослей или цианобактерий

(17) выходной канал

(18) клапан

(19) трубопровод для слива

(20) канал для вытекания

(21) наконечник световой трубки внутри капсулы

(22) трубопровод

Изобретение относится к области биотехнологии. Предложен фотобиореактор для биосеквестрации СО₂ с иммобилизованной биомассой водорослей или цианобактерий. Фотобиореактор имеет закрытую структуру, разделенную на сегменты, причем указанные водоросли или цианобактерии иммобилизованы в капсулах диаметром от 5 мм до 40 мм. Капсулы обеспечены светом от источника света посредством световых трубок, при этом световые трубки выполнены с возможностью доставки света непосредственно внутрь указанных капсул с биомассой. Изобретение обеспечивает эффективное удаление СО₂ из газов, содержащих СО₂ в высоких концентрациях. 6 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 пр.

1. Фотобиореактор для биосеквестрации СО₂ с иммобилизованной биомассой водорослей или цианобактерий, имеющий закрытую структуру, разделенную на сегменты, характеризующийся тем, что указанные водоросли или цианобактерии иммобилизованы в капсулах (3) диаметром от 5 мм до 40 мм, при этом указанные капсулы с биомассой водорослей или цианобактерий (3) обеспечены светом от источника света (6) посредством световых трубок (5), при этом указанные световые трубки выполнены с возможностью доставки света непосредственно внутрь указанных капсул с биомассой.

2. Фотобиореактор по п. 1, отличающийся тем, что указанные капсулы с биомассой водорослей или цианобактерий (3) в сегменте фотобиореактора свободно расположены на сетке с отверстиями (2).

3. Фотобиореактор по п. 1, отличающийся тем, что внешняя оболочка (4) капсулы с биомассой водорослей или цианобактерий (3) имеет поры диаметром от 5 мкм до 100 мкм.

4. Фотобиореактор по п. 1, отличающийся тем, что к каждой капсуле с биомассой водорослей или цианобактерий (3) от указанного источника света (6) ведет отдельная одиночная световая трубка (5).

5. Фотобиореактор по п. 1, отличающийся тем, что указанные капсулы с биомассой водорослей или цианобактерий (3) окружены газовой атмосферой.

6. Фотобиореактор по п. 1, отличающийся тем, что указанные капсулы с биомассой водорослей или цианобактерий (3) выполнены с возможностью смачивания культуральной средой.

7. Фотобиореактор по п. 6, отличающийся тем, что указанные капсулы с биомассой водорослей или цианобактерий (3) выполнены с возможностью периодического смачивания и промывки указанной культуральной средой.