Разработка фотобиореакторов для замкнутых экологических систем жизнеобеспечения

• Автор: Гладышев, Павел Александрович
• Шифр специальности: 03.00.23
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 139 с. : ил.

Содержание.

Условные обозначения

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Зеленые растения как основное звено замкнутой экологической системы жизнеобеспечения
1.2. Влияние экологических и технологических факторов на ростовые и газообменные показатели процесса культивирования хлореллы в условиях замкнутой системы жизнеобеспечения

1.2.1. Питательные среды

1.2.2. Световой фактор

1.2.3. Температурный режим

1.2.4. Перемешивание культуральной жидкости

1.2.5. Зависимость фотосинтеза от концентрации углекислого газа

1.2.6. Зависимость фотосинтеза от концентрации кислорода
1.2.7. Сопутствующая микрофлора
1.3. Обзор конструкций фотобиореакторов для культивирования хлореллы и других фотосинтезирующих микроорганизмов.
1.4. Постановка задачи исследования
Глава 2. Выбор аппарату рного оформления процесса культивирования хлореллы
Глава 3. Конструктивные особенности систем перемешивания полостных фотобиореакторов
3.1. Выбор типа перемешивающего устройства
3.2. Конструкция корпуса реактора
Глава 4. Разработка осветительной системы полостных фотобиореакторов
4.1. Выбор искусственных источников света
4.2. Разработка охлаждающего устройства
4.3. Методика проведения фотометрических исследований
4.4. Расчет мощности осветительной системы при масштабировании фотобиореакторов
Глава 5. Гидродинамические и массообменные исследования полостных фотобиореакторов
5.1. Экспериментальная установка
5.2. Измерение мощности, потребляемой системой перемешивания
5.2.1. Гладкостенный полостной реактор
5.2.2. Полостной реактор с внутренним оребрением корпуса
5.3. Массообменные исследования полостных фотобиореакторов
Глава 6. Технологические исследования полостного фотобиореактора
6.1. Подготовка посевного материала
6.2. Описание экспериментальной установки
6.3. Накопительное культивирование хлореллы
6.4. Влияние оребрения корпуса фотобиореактора на скорость утилизации СО2
6.5. Рекомендации по использованию полостных фотобиореакторов в замкнутых экологических системах жизнеобеспечения
Основные результаты и выводы
Список литерату


Основным звеном такой системы является блок фотосинтеза, в котором выделяемый человеком углекислый газ преобразуется в кислород и углерод, являющийся составной частью питания растений. Следует заметить, что в состоянии непрерывного внутреннего обмена в ЗЭСЖО может находиться только вещество, в то время как энергия для такой системы должна поступать от внешнего источника. Такой источник энергии может быть искусственным или естественным, например, Солнце, при работе гермообъекта в пределах Солнечной системы. Принципиальная возможность реализации ЗЭСЖО была показана в длительных модельных экспериментах на Земле и в космосе. В ходе экспериментов с одноклеточными водорослями и высшими растениями на борту российских биоспутников и орбитальных станций выявлено, что функциональные возможности фотоавтотрофного звена ЗЭСЖО не зависят от гравитационного фактора, т. Земле. Продвижение замкнутых экосистем в гермообъекты, в частности на борт космических летательных аппаратов тормозится, на наш взгляд, отсутствием эффективного аппаратурнотехнологического оформления процессов культивирования микроводорослей. ФБР, характеризующихся высокой производительностью, умеренными энергозатратами, компактностью и универсальностью позволяют прогнозировать их устойчивую работу и достижение высоких показателей в ЗЭСЖО наземных, подводных и космических гермообъектов. Все исследования реакторов, представленных в работе, проводились в условиях гравитации, поэтому о перспективах их использования в условиях невесомости сообщается в отдельных главах в виде примечаний. Разработка фотобиореакторов для автотрофного и гетеротрофного культивирования микроводорослей в составе замкнутых экологических систем жизнеобеспечения. Научная новизна. Практическая ценность. Для аппаратурного оформления фототрофного звена замкнутой искусственной экосистемы рекомендуются реакторы с жидкостным потоком, формирующимся под действием центробежных сил полостные реакторы с механическим перемешиванием, в которых реализован принцип совмещения зон сорбции и светоподвода. Система искусственного освещения полостного фотобиореактора с принудительным водяным охлаждением, обеспечивает сохранение фотометрических показателей источника света в течение длительных периодов культивирования хлореллы. Модульный принцип компоновки лампового блока позволяет оценить его мощность при масштабировании полостного фотобиореактора. Фактором, ограничивающим объемный ряд полостных фотобиореакторов, является совокупность конструктивных параметров холодильника осветительного блока. Модернизация корпуса полостного ФБР обуславливает значительное увеличение интенсивности массообмена в системе газжидкость при минимальных дополнительных затратах мощности. Суточная газообменная производительность реактора рабочим объемом 0 л соответствует потребностям одного человека. Основные публикации по работе выполнены в соавторстве с В. А. Жаворонковым и Д. А. Казениным. При этом соискателем проведены все экспериментальные исследования и расчеты. В.А. Жаворонков предложил классификацию ФБР, разработку фотобиореакторов на основе совмещения зон сорбции и светоподвода, использование демпферных мешалок для создания потока кольцевидного сечения в ФБР, а также принимал участие в проектировании образцов лабораторных реакторов, представленных в работе. Д.А. Соискателем показана необходимость интенсификации массообмена в гладкостенном полостном ФБР при его использовании в замкнутых системах жизнеобеспечения, для чего предложена конструктивная модернизация корпуса реактора разработаны методики фотометрических исследований и оценки мощности осветительной системы установлены рекомендуемые значения основных технических характеристик и предложен параметр масштабирования полостных фотобиореакторов разработаны и смонтированы все представленные в работе экспериментальные установки, предложено математическое описание и проведена статистическая обработка экспериментальных данных полученные результаты, оформленные в виде статей и тезисов, апробированы на 5 конференциях. Таким образом, вклад соискателя в работу является определяющим.