Фотобиореактор: что это, виды и сферы применения

Что это такое, устройство и принцип работы

Фотобиореактор — оборудование, которое используется для выращивания различных фотосинтезирующих микроорганизмов, как правило — зелёных водорослей: цианобактерий, макроводорослей гаметофита, мха, эукариотических микроводорослей и т. д. Они поглощают углекислый газ, выделяя кислород, иными словами, осуществляют классический процесс фотосинтеза.

Выращивание микроорганизмов происходит путём культивирования, преимущество клонального, в освещаемом водоёме. При этом фотобиореакторы прошли путь от открытого тёплого водоёма с освещением извне до достаточно сложных трубчатых закрытых систем, в числе прочего оборудованных светодиодами.

Иногда культивирование происходит непрерывно, с обновлением ежедневно, иногда — периодически. Принцип работы и устройство фотобиореакторов при этом изменяются в зависимости от требований научно-исследовательского или производственного учреждения.

Например, чтобы выращивать микроорганизмы клонально, необходимо выполнять четыре условия:

1. оптимальное светопропускание, без которого невозможно вырастить зелёные водоросли. Чтобы удовлетворить этому требованию, используются стекло и пластик, поликарбонат, различные прозрачные плёнки, при этом необходим строгий контроль образования биоплёнки, из-за которой интенсивность света может нарушиться;
2. эффективное перемешивание, благодаря которому доступ к свету предоставляется всей находящейся в реакторе культуре. Обычно используется насос, перемешивающий жидкость через эффект турбулентности. Насос всегда работает на низких скоростях, чтобы не повредить ячейки;
3. обеспечение углекислым газом и удаление образовавшегося кислорода — это помогает предотвратить ингибирование фотосинтеза. Для этого используются различные процедуры дегазации;
4. поддержание правильной температуры, что достигается через разработку эффективной системы охлаждения, например, при помощи испарения жидкости или циркуляции. Большое количество культуры может выделять температуры, которые станут для неё смертельными, поэтому удаление излишков тепла очень важно.

Значение имеет и сравнительно низкое энергопотребление.

Основные виды закрытых фотобиореакторов

Трубчатые фотобиореакторы очень популярны в промышленности и в лабораториях. Трубки обычно располагаются или горизонтально, или вертикально. Они подключаются к центральной сети, оснащённой насосом и датчиками, с поступающими в систему питательными веществами и углекислым газом. Конструктивно они очень эффективны, отличаются низким энергопотреблением, поэтому используются повсеместно, в том числе для производства пищевых добавок. Трубки также могут располагаться в виде ёлки — такие фотобиореакторы называются «ёлочными».

Пластинчатые фотобиореакторы изготавливаются из стеклянных или пластиковых пластин. Их проще изготавливать, поэтому они, как правило, дешевле; при этом достигается оптимальный доступ света к биомассе. В промышленных масштабах такой формат реализуется реже, в том числе из-за сложностей с масштабированием и рисков образования биоплёнки. Разновидностью пластинчатого является горизонтальный фотобиореактор , имеющий геометрию из пиков и впадин, которая позволяет свету лучше распределяться по поверхности. Перемешивание биомассы происходит с применением роторного насоса.

Сферы использования

Производство микроводорослей — эффективная и востребованная сфера, в том числе потому, что микроорганизмы способы перерабатывать углекислый газ, очищать сточные воды, с их помощью можно производить экологически чистое разлагаемое топливо, которое не нанесёт вреда окружающей среде. Подобные проекты уже есть в России — в частности, это разработки студентов Санкт-Петербургского политехнического университета. Фотобиореакторы даже планируется использовать для выработки кислорода в космосе.

Микроводоросли используются в качестве пищевых и кормовых добавок, их выращивают для исследований в различных научных лабораториях.