КОНСТРУКТОРСКИЕ ОСОБЕННОСТИ В ВЫБОРЕ ФОТОБИОРЕАКТОРА ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ХЛОРЕЛЛЫ и СПИРУЛИНЫ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ МЕГАПОЛИСА

DESIGN FEATURES IN THE CHOICE OF A BIORECTOR FOR GROWING CHLORELLA AND SPIRULINA IN HOME CONDITIONS OF MEGAPOLIS

Daria Raveleva

4rd year student, Department of Electronic Computer Science, Moscow Polytechnic University,

Russia, Moscow

Viktoria Pantich

4rd year student, Department of Electronic Computer Science, Moscow Polytechnic University,

Russia, Moscow

Lidia Yermakova

Scientific adviser, Ph.D., associate professor of the CPD, Moscow Polytechnic University,

Russia, Moscow

Julia Kudryavtseva

Academic Supervisor, Lecturer, CPD, Moscow Polytechnic University,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются конструкторские особенности в выборе биореактора для выращивания хлореллы и спирулины  в домашних условиях мегаполиса.

ABSTRACT

This article discusses the design features of choosing a bioreactor for growing chlorella and spirulina at home in a metropolis.

Ключевые слова: фотобиореактор, параметры жизнеспособности, хлорелла, спирулина, продуктивность клеток, мегаполис.

Keywords: photobioreactor, parameters of viability, chlorella, spirulina, cell productivity, metropolis.

В современном мире применение микроводорослей в различных областях становится все шире: в сельском хозяйстве, в пищевой промышленности, в медицине и косметологии, для очистки сточных вод, для производства кислорода и биотоплива. Микроводоросли спирулина и хлорелла стали лидерами в данном направлении из-за несложности выращивания, стремительных темпов роста и содержанию в своем составе различных витаминов, аминокислот, жиров, микро и макроэлементов. Работы со штаммами этой культуры активно велись на протяжении последних десятилетий, но, тем не менее, не утратили своей актуальности.

Состав хлореллы богат белками, витаминами, микроэлементами и пигментами, которые помогают живым организмам синтезировать ферменты, участвующие в нормализации обмена веществ. Наиболее важным пигментом является хлорофилл, поскольку его молекулярная структура идентична структуре гемоглобина. Хлорелла также богата ферментами, антиоксидантами, а также действует как биостимулятор, который благоприятно влияет на большинство функций в организме человека. Было обнаружено, что хлорелла содержит тринадцать витаминов, включая B1, B2, B6, B12, пантотеновую кислоту, каротин, биотин и инозит. Спирулина, в свою очередь, действует как пребиотик и способствует росту полезных бактерий в кишечнике. Кроме того, спирулина, как и хлорелла содержит хлорофилл, а также бета-каротин, фикоцианин и зеаксантин, которые являются мощными антиоксидантами, нейтрализующими окислительное повреждение.

Среды, пригодные для искусственного культивирования водорослей, безгранично разнообразны. Выбор какой-либо среды зависит от специфики культивируемого объекта и целей выращивания. Выделяют жидкие и твердые среды. Первые используют для получения биомассы водорослей необходимых для следующих исследований: морфологических, цитологических, физиолого-биохимических, вторые для хранения музейных культур. Хлореллу можно выращивать как на минеральных средах, так и на средах естественных органических удобрений. Для культивирования микроводорослей основными элементами любой питательной среды являются биогенные элементы, такие как N, P, S, Mg, K, Ca, а также микроэлементы Fe, Mn, Cu, Mo, Br, Zn и др.  Главное условие, предъявляемое к средам, состоит в том, чтобы концентрация питательных элементов в конечном счете не лимитировала скорость биосинтеза клеток. Для приготовления питательных растворов используется дистиллированная вода, полученная из стеклянного перегонного аппарата или очищенная и лизированная водопроводная вода, а также химические реактивы с достаточно высокой степенью очистки. В ходе исследований было выявлено, что самой популярной и пригодной для культивирования питательной средой в домашних условиях является среда Тамия.

Производительность микроводорослей так же во многом зависит от условий окружающей среды: температуры среды обитания, освещенности, самой питательной среды, рН, подачи углекислого газа, кислорода и конструкторских особенностей биореактора для культивирования. Максимальная интенсивность роста, как правило, наблюдается на 20-ые сутки культивирования.

Одним из главных показателей повышения производительности является температура. В исследовании было выявлено, что при повышении температуры число концентрации клеток увеличивается. Наиболее благоприятная для размножения микроводорослей температура составляет 31…35 ºС. Однако при дальнейшем увеличении температуры интенсивность роста клеток резко снижается.

Немаловажным параметром является и освещенность в биореакторе. Культивировать спирулину и хлореллу можно, как при солнечном свете, так и при искусственном освещении.  Искусственное освещение более практично, чем естественное, так как существует возможность формирования собственного цикла, то есть отсутствует ограниченность светового дня. Желательно культивировать микроводоросль при интенсивности освещения 20…30 тыс. лк.

Значительная часть производительности микроводорослей спирулины и хлореллы зависит от конструкторских особенностей биореактора. В настоящее время существует 3 наиболее популярных различные формы биореактора для выращивания хлореллы и спирулины: цилиндрическая, прямоугольная и шестигранная. В свою очередь цилиндрическая может быть как с наружным облучением, так и с внутренним облучением. Непосредственно перед началом эксперимента необходимо выбирать форму резервуара фотобиореактора с целью более результативного выращивания микроводорослей в искусственно-созданных условиях, за счет лучшего распределения излучения света по всему объему суспензии.

Сама модель любого фотобиореактора состоит из следующих комплектующих:

• Твердотельные источники света
• Резервуар
• Аэратор с подсветкой
• Компрессор
• Термометр
• Крышка

В ходе проведения эксперимента было установлено, что наиболее равномерное распределение света по всему объему резервуара прослеживается в резервуарах с цилиндрической формой, так как в прямоугольной форме на местах стыков появляются потери излучения.

Для безопасного использования биомассы микроорганизмов и особенно из-за низкой стоимости продуктов, полученных из этой биомассы, выбор быстрорастущих продуктивных штаммов имеет принципиальное значение. Быстрый рост обеспечивает высокую продуктивность биомассы, что приводит к ее высокой плотности и снижает стоимость процесса концентрирования клеток микроорганизмов. Высокие темпы роста помогают снизить риск микробного загрязнения среды обитания микроводорослей.

Наряду с высокой продуктивностью биомассы хлореллы эти клетки обладают рядом характеристик, которые делают их наиболее подходящими для использования в биотехнологических процессах в качестве субстрата.

Преимущество хлореллы заключается в их исключительной приспособляемости к изменениям окружающей среды. Имея очень "пластичный" метаболизм, клетки хлореллы могут использовать источники углерода не только неорганические, но и органические. В этом смысле большой интерес представляет использование сточных вод различного химического состава для накопления биомассы микроводорослей.

Список литературы:

1. Н. И. Богданов. «СУСПЕНЗИЯ ХЛОРЕЛЛЫ В РАЦИОНЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ»
2. Ф. Т. кызы Мамедова, «РАЗЛИЧНЫЕ ПОДХОДЫ К НАКОПЛЕНИЮ БИОМАССЫ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ CHLORELLA VULGARIS И К ПРОЦЕССАМ ЕЁ БИОКАТАЛИТИЧЕСКОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ»
3. М. И. Радченко, Н. М. Масюк «Методы лабораторного культивирования водорослей»
4. Ю.В. Мещерякова, С.А. Нагорнов, «КУЛЬТИВИРОВАНИЕ МИКРОВОДОРОСЛИ ХЛОРЕЛЛА С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ БИОТОПЛИВА»