Разработка и научное обеспечение процесса массообмена при культивировании микроводоросли в пленочном фотобиореакторе

• Автор: Пономарев, Александр Владимирович
• Шифр специальности: 05.18.12, 03.01.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 197 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1 Современное состояние теории, техники и технологии

производства и применения биомассы микроводорослсй

1. Микроводоросли как объект массового культивирования.

1.2 Влияние технологических режимов на выход биомассы

1.2.1 Питательные вещества.

1.2.2 Световой и температурный режим.

1.2.3 Сопряженное влияние факторов.

1.2.4 Негативные экологические факторы среды.

1.3 Аппаратурнотехнологическое оформление процесса культивирования микроскопических водорослей
1.3.1 Общая характеристика фотобиорсакторов
1.3.2 Установки экстенсивного культивирования
1.3.3 Аппараты и установки интенсивного культивирования
1.4 Суспензия микроводорослей в качестве кормовой
биологически активной добавки
1.4.1 Свойства и химический состав хлореллы
1.4.2 Применение микроводорослей для
сельскохозяйственной птицы.
1.4.3 Использование влажного гранулирования
в кормопроизводстве
1.5 Исследование массообмена при культивировании микроводорослей
1.6 Анализ литературного обзора. Цели и задачи исследования
Глава 2 Экспериментальные и теоретические исследования процесса культивирования микроскопических водорослей
2.1 Свойства суспензии микроводоросли хлорелла
2.2 Описание экспериментальной установки.
2.3 Исследование кинетических закономерностей процесса культивирования микроводоросли хлорелла
2.3.1 Культивирование хлореллы в накопительном режиме
2.3.2 Исследование кинетики накопления биомассы
при культивировании хлореллы в квазинепрерывном режиме 2.4Математическое описание процесса массопереноса диоксида углерода в плночном фотобиореакгоре
с использованием диффузионной модели.
Глава 3. Исследование процесса производства комбикормов с вводом суспензии хлореллы.
3.1 Статистическая оценка процессов дозирования и смешивания суспензии хлореллы при производстве рассыпных комбикормов
3.2 Исследование процесса гранулирования комбикормов
с вводом суспензии хлореллы
3.3 Исследование динамики показателей качества комбикорма
с вводом суспензии хлореллы при хранении
3.4 Опыты по скармливанию комбикормов с вводом суспензии хлореллы цыплятамбройлерам.
Глава 4. Практическая рсализацш1 результатов исследований
4.1 Способ приготовления комбикорма
для сельскохозяйственной птицы
4.2 Линия производства крупки с вводом фотоавтотрфоной биомассы по технологии влажного гранулирования
4.3 Пленочный биореактор для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов.
4.3.1 Разработка конструкции биореактора.
4.5.2 Методика инженерного расчета пленочного фотобиореактора.
Глава 5. Повышение эффективности технологии комбикормов с вводом суспензии микроводорослей.
5.1 Эксергетический анализ технологии комбикормов
с использованием фотоавтотрофного биосинтеза
5.2 Автоматический контроль технологии комбикормов
с вводом суспензии микроводорослей
5.3 Способ управления процессом культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов
5.4 Расчет ожидаемого экономического эффекта от использования пленочного фотобиореактора в технологии комбикормов
Основные выводы и результаты работы
Библиографический список.
Приложения.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время в комбикормовой промышленности непрерывно повышаются требования к качеству комбикормов, усовершенствованию технологии, расширяется номенклатура сырья, ассортимент продукции. Особые требования предъявляются к комбикормам молодняка животных, ценных пород молоди рыб, домашних животных и др.
Задача комбикормовой промышленности заключается в выработке такой продукции, которая сочетала бы в себе одновременно низкую цену и гарантированно высокое продуктивное действие. Однако на практике производители в борьбе за рынок либо вырабатывают продукцию на основе малоценного, но дорогостоящего сырья в ущерб питательности, либо, наоборот, используют дорогостоящие кормовые средства и применяют приемы, которые в полном объеме раскрывают их питательность, но и, тем самым, удорожают продукцию.
Этим требованиям отвечает природная биологически активная добавка суспензия микроскопической водоросли хлорелла. Ее действие основано на естественном сочетании природных стимулирующих и биологически активных веществ, выделяемых клетками в культуральную среду суспензию. Ранее стимулирующий эффект хлореллы не использовался вследствие ее скармливания в виде насты или порошка. Получаемая белковоуглеводная масса является трудноусвояемой вследствие значительной толщины клеточных стенок до 1 мкм при диаметре клетки 1,5. мкм, для разрушения которых требуется термическая обработка, повышающая энергозатраты и снижающая биологическую ценность продукта.
Поэтому перспективным является использование хлореллы в виде суспензии, содержащей природный антибиотик хлореллин, арахидоиовую кислоту, хлон А, а также аминокислоты, витамины, ферменты и другие вещества, выделение которых клетками наиболее интенсивно в начальном периоде роста. Наиболее эффективным предсгавляется ввод суспензии хлореллы в состав комбикормов.
Данному научному направлению посвящены груды российских ученых Сальниковой, Гладышева,, Мельникова, Богданова, Жаворонкова, Музафарова и Таубаева, Петрова, Штоля и зарубежных Геворгиза, Станчева , , i, i, , и др. Представляемая сегодня работа является дальнейшим развитием этого научного направления.
Актуальность


Суспензии фотоавтотрофов с некоторым приближением можно рассматривать как окрашенный раствор, поглощение и распределение света в котором подчиняются известному закону БугераЛамбертаБера. Это позволяет использовать для определения прироста биомассы лабораторные методы, осно
ванные на поглощении пропускаемого через слой суспензии определенной толщины светового пучка фотоэлектроклориметрия, спектрофотометрия. Хорошо коррелируются концентрация сухой биомассы и удельная численность клеток различных штаммов микроводоросли с оптической плотностью суспензии рис. Н
д
с. Рис. Калибровочные графики для i слева и vi справа. Математическое описание непрерывного способа аналогично уравнению 1 при учете протока культуральной среды через систему

кМт Кр Р 2 V
где V рабочий объем биореактора или системы культивирования, м С скорость протока культуральной жидкости, м3с. Известны три типа питания микроводорослей автотрофное, гетеротрофное и миксотрофное , . Хлорелла достаточно легко и обратимо может переключаться на любой из них, потребляя при автотрофном минеральные вещества и углекислый газ при условии интенсивного освещения, при гетеротрофном органические вещества углеводы, спирты, органические ки
слоты вместо СОг. В условиях миксотрофного питания необходимо чередовать указанные типы сред при освещении и затемнении соответственно . Наиболее значимые элементы минерального питания азот . СВ и фосфор . СВ. Выбор питательной среды для хлореллы, используемой в животноводстве, зависит от ее назначения . Во избежание лимитирования роста водорослей по какомулибо элементу готовят концентрированную питательную среду, наиболее распространенными из которых являются среды Тамия, Прагга Чу, Кнопа, Громова 9. Для избирательного культивирования протококковых микроводорослей используют среду Елсукова , модифицированную среду Тамия, содержащую янтарную кислоту и сернокислый марганец для подавления цианобактерий. Применение этой питательной смеси удешевляет культивирование вследствие замены дорогих химически чистых солей минеральными удобрениями. Микроэлементы, кроме марганца и железа, поступают в виде примесей, имеющихся даже в чистых солях. Суперфосфат в пересчете на фосфор. Сернокислое железо в пересчете на железо0,5. Сернокислый марганец в пересчете на марганец 0,2. Янтарная кислота0,3. Для систем непрерывного культивирования фотоавтотрофов поддержание состава питательной среды на заданном уровне путем его обновление во время съема части суспензии. Установлено 9, что для сохранения ба
Бор. Железо . Важным фактором при выращивании микроводорослей является величина , обуславливающая каталитическую активность ферментов. Например, рост хлореллы возможен при 5,0. Поддержание на оптимальном уровне 6,5. НАЮ3 и КОН, а также нитратов и солей аммония. Одним из путей стабилизации является связывание ионов хелатными соединениями образовавшиеся комплексы находятся в химическом равновесии со свободными ионами, обеспечивая распределение питательных веществ в нетоксичных дозах. При автотрофном культивировании микроводорослей снабжение суспензии диоксидом углерода является одним из основных условий, обеспечивающих интенсивный рост. Углекислотная зависимость фотосинтеза микроскопических водорослей, как и других автотрофов, характеризуется кривой с насыщением. Значение насыщающей концентрации СО2 по одним данным , находится в пределах 2,0. Падение концентрации ниже насыщающей вызывает подавление фотосин. Наименьшим количеством углекислого газа, необходимого для фотобиосинтеза, является доза 2 г СО2 на 1 г биомассы , более чем на порядок превышающая потребности в остальных элементах питания. Поэтому обеспечение интенсивно растущей культуры водорослей углекислым газом требует значительных затрат СО2 и сопутствующих затрат на процесс межфазного массообмена. При использовании углекислого газа из любых источников баллонная углекислота, дымовые газы предприятий, минеральные источники необходимо обеспечить проведение процесса в таких условиях, чтобы затраты на межфазный перенос СО2 из газовой фазы в жидкость были бы минимальными.