СПОСОБ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ БИОТОПЛИВНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
METHOD OF CULTIVATION OF MICROALGAE FOR BIOFUEL PURPOSE

Изобретение относится к области энергетической микробиологии, в частности к системам для производства биомассы микроводорослей (MB), используемым для приготовления биотоплив третьего поколения, и может быть применено в энергетике, топливной и химической промышленности, в технологиях производства кормов.
В настоящее время наиболее широкое распространение получили два метода культивирования биомассы MB: разведение в открытых водоемах, требующее минимальных капитальных и эксплуатационных затрат, и метод выращивания в фотобиореакторе (ФБР) - полностью замкнутой системе, в которой поддерживаются заданные оптимальные параметры среды культивирования для целевых штаммов MB при минимальном использовании природных источников энергии (в частности, солнечного излучения) или только в искусственных условиях (см., например, Росс М.Ю., Стребков Д.С. Биодизельное топливо из водорослей / Под ред. д-ра хим. наук, проф. Ю.М.Щекочихина, М.: ГНУ ВИЭСХ. 2008, 252 с.).
К недостаткам ФБР следует отнести неоправданно высокую для топливного применения себестоимость биомассы MB, в то время как наиболее существенными недостатками открытых систем являются низкая среднегодовая производительность в условиях умеренного климата и невозможность эффективного контроля видового состава и условий культивирования.
Известным компромиссным решением указанных выше проблем считается метод культивирования в водоемах-теплицах (см., например, Росс М.Ю., Стребков Д.С. Биодизельное топливо из водорослей / Под ред. д-ра хим. наук, проф. Ю.М.Щекочихина, М.; ГНУ ВИЭСХ, 2008, 252 с.), который позволяет приблизить тепловой режим культуральной среды к оптимальному и повысить среднегодовую производительность за счет продления периода культивирования при относительно невысоких затратах, связанных с возведением ограждающих конструкций и сопутствующей инфраструктуры теплицы. При этом они позволяют решить многие проблемы, характерные для полностью открытых систем. В частности, в этих условиях удается поддерживать доминирующее положение и более высокую урожайность целевых штаммов.
В качестве недостатка этой технологии следует отметить низкий коэффициент использования оборудования водоема-теплицы, которое находится в непродолжительном по времени производственном цикле (не более 4…6 месяцев для средней полосы РФ). Кроме того, пруды-теплицы имеют, как правило, относительно небольшую площадь, что диктуется, прежде всего, экономическими соображениями, и не могут в полной мере обеспечить потребностей промышленного производства биомассы MB биотопливного назначения.
Наиболее близким к заявленному по технической сущности и достигаемому результату является двухстадийный способ борьбы с «цветением» воды сине-зелеными водорослями в водоемах», предусматривающий две стадии, при этом вторую стадию осуществляют в открытых водоемах, путем их альгализации при внесении первичного инокулята целевого штамма, внесение альголизанта осуществляется дважды в весенний период при достижении температуры воды в нижних слоях водоема 5-10°С и повторно через 2-3 недели, при этом в зимний период, при ледоставе, очищая лед от снега от 1/3 до 50% площади водоема (RU №2350569, МПК C02F 3/32, 03.12.2007 г.).
Основным недостатком способа является низкая эффективность первой (зимней) стадии внесение альголизанта в условиях умеренного климата вследствие неблагоприятного для развития альгакультуры температурного фона в зимний период наиболее перспективных для этой зоны штаммов микроводоросли, таких как Chlorella vulgaris и его производных.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение среднегодовой производительности способа культивирования MB биотопливного назначения открытым способом в условиях умеренного климата.
Использование предлагаемого изобретения позволяет продлить эффективный период сбора биомассы по сравнению с существующими технологиями открытого культивирования при максимальном использовании имеющихся на конкретном объекте материально-технических ресурсов.
9
11
8
9
Технический результат достигается тем, что в способе культивирования микроводорослей биотопливного назначения, включающем две стадии альголизации, из которых вторую стадию осуществляют в открытых водоемах при внесении первичного инокулята культуры, преимущественно Chlorella vulgaris BIN, согласно изобретению на первой стадии производят альголизацию первичным инокулятом, полученным в фотобиореакторе, синхронно или со сдвигом по времени многофункциональных закрытых бассейнов со светопроницаемыми ограждениями, общий объем которых составляет от 1/30 до 1/15 от общего объема открытых водоемов; выращивают вторичный инокулят с объемной плотностью 10-10 клеток/л, при этом культивирование начинают в весенний период при среднесуточной температуре воды в бассейнах в диапазоне 12-18°С; вторую стадию культивирования микроводорослей начинают путем отбора из бассейнов вторичного инокулята при температуре воды в открытых водоемах 12-18°С и продолжают его подачу в открытые водоемы до достижения в них объемной плотности микроводорослей 2·10-10; также частично отбирают вторичный инокулят из бассейна в качестве готового продукта в весенний и осенний периоды при температуре воды в них в диапазоне 8-12°С, при этом в многофункциональные бассейны добавляют равное количество воды с растворенными в ней биогенами.
В качестве многофункциональных закрытых бассейнов могут использоваться емкости, предназначенные для зимнего хранения товарной продукции рыбоводческого хозяйства, а для подогрева бассейнов в качестве теплоносителя используют канализационные стоки и/или сбросные воды систем отопления.
Представлено схематично устройство для реализации описанного выше двухстадийного способа культивирования биомассы MB биотопливного назначения (Фиг.1).
Устройство состоит из открытых водоемов 1, крытых бассейнов 2, источника тепловой энергии 3 для подогрева культуральной жидкости в бассейнах и может также включать в себя фотобиореактор (ФБР) 4.
Культивирование биомассы MB с использованием предложенного способа (на примере штамма Chlorella vulgaris BIN) осуществляют следующим образом.
9
В весенний период года, когда температура воды в бассейнах 2, подогреваемых за счет тепловых источников 3, поднимается до среднесуточного значения не менее 12-18°С, начинают синхронное (или со сдвигом по времени, - в зависимости от производительности ФБР 4) заселение их первичным инокулятом штамма Chlorella vulgaris BIN в расчете не менее 10 клеток/л объема бассейна и осуществляют стадию выращивания вторичного инокулята. В качестве тепловых источников 3 могут использоваться канализационные стоки и/или вода на выходе системы отопления.
Пример 1
11
2
3
4
2
4
В весенний период при достижении объемной плотности вторичного инокулята Chlorella vulgaris BIN в бассейне 10 клеток/л, при среднесуточной температуре воды в многофункциональных бассейнах 8°С, объем которых составляет 5000 м (1/30 от общего объема открытых водоемов), вторичный инокулят Chlorella vulgaris BIN частично непрерывно отбирают из бассейна в качестве готового продукта, восполняя отобранную культуральную среду равным количеством воды с растворенными в ней необходимыми биогенами. Выращивание вторичного инокулята производили в стандартной питательной среде Тамия (Воншак А. Микроводоросли: технология лабораторного культивирования биомассы в установках на открытом воздухе. В книге: Фотосинтез и биопродуктивность: методы определения. М.: Агропромиздат, 1989, с.310-328), содержащей биогенные компоненты: KNO, MgSO+7HO и КНРО в расчете 5,0 г/л, 2,5 г/л и 1,25 г/л, соответственно. Для подогрева бассейнов используют тепловую энергию канализационных стоков.
Пример 2
3
8
3
4
2
4
В весенний период при достижении температуры воды 18°С в открытых водоемах 1, вторичный инокулят направляют в открытые водоемы для их альголизации культивируемым штаммом Chlorella vulgaris BIN. Отбор вторичного инокулята Chlorella vulgaris BIN из бассейнов 2, объем которых составляет 10000 м (1/15 от общего объема открытых водоемов), при температуре 12°С в открытые водоемы 1 продолжают до тех пор, пока объемная плотность микроводорослей культивируемого штамма в открытых прудах 1 не достигнет величины порядка 2·10 клеток/л, после чего осуществляют отбор биомассы MB из бассейнов 2 в качестве готового продукта, восполняя отобранную культуральную среду равным количеством воды с растворенными в ней биогенами. В данном примере была использована стандартная питательная среда Тамия: KNO, MgSO+7HO и KHPO в расчете 5,0 г/л, 2,5 г/л и 1,25 г/л, соответственно. Вторичный инокулят частично отбирают из бассейна в качестве готового продукта. Для подогрева бассейнов используют сбросное тепло системы отопления.
Пример 3
9
3
4
2
4
В осенний период при среднесуточной температуре воды 12°С в открытых водоемах 1, непрерывно отбирают культуральную среду объемной плотности 10 клеток/л и, с добавлением необходимых биогенов и направляют в бассейны 2, при температуре в них 8°С, для восполнения равного объема отобранного из них готового продукта. При реализации способа использовалась питательная среда Тамия: KNO, MgSO+7HO и КНРО в расчете 5,0 г/л, 2,5 г/л и 1,25 г/л, соответственно. В качестве бассейнов используются емкости, предназначенные для зимнего хранения товарной продукции рыбоводческого хозяйства.
Пример 4
3
2
2
4
4
2
2
3
2
3
2
3
2
В весенний период при среднесуточной температуре воды 12°С в бассейнах 2 для зимнего содержания рыбы рыбоводческого хозяйства производят поочередную их альголизацию первичным инокулятом микроводоросли, относящейся к виду Diatoma, полученным в фотобиореакторе. Отбор вторичного инокулята из бассейна в открытые водоемы начинают при температуре воды в них 12°С; при этом отобранную культуральную среду восполняют равным количеством воды с растворенными в ней биогенами. При осуществлении способа использовалась типовая питательная среда, содержащая следующие субстратные биогенные компоненты, содержание которых указано в граммах на 1 кг сухой фитомассы в сутки: Са(NO) - 0,04, КНРО - 0,01, MgSO*7HO - 0,025, NCO - 0,025, NaSiO*9HO - 0,02, FeCl*6HO - 0,0008.
Также вторичный инокулят частично отбирают из бассейна в качестве готового продукта, восполняя отобранную культуральную среду равным количеством воды с растворенными в ней биогенами, состав субстратных биогенных компонентов.
В весенний период при температуре воды в открытых водоемах 1 ниже 12°С заселение вторичным инокулятом Chlorella vulgaris BIN не производится из-за низкой продуктивности, а при температуре выше 18°С начинают отбирать MB.
9
11
При выращивании вторичного инокулята плотностью ниже 10клеток/л - отбор инокулята из многофункциональных бассейнов не целесообразен, а при плотности 10 клеток/л - начинают отбор вторичного инокулята.
При температуре в многофункциональных бассейнах ниже 8°С продуктивность MB недостаточно высокая, а при температуре 12°С производят заселение многофункциональных бассейнов первичным инокулятом Chlorella vulgaris BIN.
Увеличение среднегодовой производительности способа культивирования микроводорослей биотопливного назначения осуществляется за счет того, что отбор готового продукта не производится как из многофункциональных бассейнов, так и из открытых водоемов.
Полученные MB Chlorella vulgaris BIN содержат более 92,2% органических веществ, таких как 33,9% клетчатки, 51,0% белков, 7,3% жиров, которые пригодны для переработки в биотопливо.