Биореактор с применением импеллерных мешалок для культивирования биомассы микроводорослей

Производство микроводорослей в последние годы набирает популярность в разных странах, поскольку они нашли применение в комбикормовом производстве в качестве компонента, являющегося источником натуральных растительных жиров, белков, углеводов и микроэлементов. На сегодняшний день одноклеточные светозависимые микроводоросли, такие как хлорелла, спирулина, дуналиелла, выращивают в биореакторах открытого и закрытого типа. Однако биореакторы открытого типа имеют определенные недостатки, такие как: огромные занимаемые площади, необходимость жаркого солнечного климата и невозможность получения чистой культуры [1–10].

Обсуждение

Разработана конструкция биореактора для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов с использованием импеллерной мешалки.

Биореактор (рисунок 1) состоит из корпуса с секциями для ввода культуральной жидкости, для освещения автотрофных микроорганизмов, вывода культуральной жидкости, разделенными горизонтальными перегородками. В горизонтальных перегородках установлены прозрачные цилиндрические трубки с пленообразующими устройствами и прозрачная рециркуляционная труба, расположенная в секции вертикально по оси симметрии аппарата. Внутри прозрачных цилиндрических трубок установлена спираль из проволоки, расположенная по всей длине.

Для освещения прозрачных цилиндрических трубок и прозрачной рециркуляционной трубы в секции освещения имеется лампа накаливания. В секции вывода культуральной жидкости установлено барботажное устройство, выполненное в виде кольцевого коллектора по всему сечению аппарата, с патрубком подачи смеси углекислого газа и воздуха. Внутри прозрачной рециркуляционной трубы по всей высоте аппарата установлен вал в подшипниковом узле.

На валу внутри прозрачной рециркуляционной трубы закреплен роторный нагнетатель, который направляет культуральную жидкость из секции вывода культуральной жидкости через прозрачную рециркуляционную трубу в секцию её ввода. В зоне секции вывода культуральной жидкости установлены рамные мешалки и импеллерная, закрепленная на валу в нижней части корпуса. Крепление каждой рамной мешалки к лопасти обеспечивается через подшипниковый узел.

На корпусе аппарата расположены штуцера для ввода и вывода охлаждающего воздуха, для ввода и вывода культуральной жидкости, для вывода отработанной смеси углекислого газа с воздухом.

Биореактор для культивирования светозависимых микроводорослей работает следующим образом.

Суспензия автотрофного микроорганизма поступает в камеру через штуцер для ввода культуральной жидкости, проходит через кольцевой зазор пленкообразующих устройств и в виде жидкостной пленки стекает по внутренней поверхности прозрачных цилиндрических трубок. В процессе истечения по виткам винтовых спиралей жидкостная пленка в противотоке интенсивно взаимодействует со смесью углекислого газа и воздуха. В результате поступательно-вращетельного движения культуральной жидкости на винтовой спирали удерживается большое количество культуральной жидкости на внутренней поверхности прозрачных цилиндрических трубок. Вращательное движение пленки жидкости образует центробежную силу, которая предотвращает срыв жидкости и способствует ее равномерному распределению.

Подача газовоздушной смеси в аппарат осуществляется через патрубок барботажного устройства, обеспечивающего равномерное распределение потока газовоздушной смеси в прозрачных цилиндрических трубках и дополнительное насыщение жидкости углекислым газом в секции.

Планетарное вращение рамных мешалок относительно вала создает дополнительную турбулизацию среды, обеспечивает выравнивание профиля концентраций клеток биомассы по сечению секции вывода культуральной жидкости, предотвращает появление застойных зон, преждевременное осаждение клеток культуры на дно аппарата и повышает продуктивность выращивания культуры фотоавтотрофных микроорганизмов.

В секции суспензия автотрофного микроорганизма подвергается равномерному воздействию световой энергии посредством коаксиально установленной лампы накаливания дневного света и отражения света от внутренней зеркальной поверхности корпуса.

Теплота, выделяемая лампой накаливания в процессе освещения, компенсируется за счет подачи охлаждающего воздуха в секцию через штуцер.

Суспензия, насыщенная углекислым газом, из секции освещения поступает в секцию для вывода культуральной жидкости, где дополнительно насыщется газовоздушной смесью при помощи барботажного устройства, повышая суммарный коэффициент массообмена и тем самым интенсифицируя процесс культивирования.

Рисунок 1. Биореактор для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов. Общий вид: 1 – корпус; 2 – горизонтальные перегородки; 3 – секция ввода; 4 – секция освещения; 5 – секция вывода; 6 – прозрачные цилиндрические трубки; 7 – пленкообразующие устройства; 8 – прозрачная рециркуляционная труба; 9 – винтовая спираль; 10 – лампа накаливания; 11 – барботажное устройство; 12 – патрубок подачи смеси углекислого газа и воздуха; 13 – вал; 14, 15 – подшипниковые узлы; 16 – рамные мешалки; 17 – лопасти; 18 – импеллерная мешалка; 19 – внешний зубчатый венец рамной мешалки; 20 – внутренний зубчатый венец на внутренней поверхности корпуса; 21 – роторный нагнетатель; 22 – штуцер ввода культуральной жидкости; 23 – штуцер вывода культуральной жидкости; 24 – штуцер ввода охлаждающего воздуха; 25 – штуцер вывода охлаждающего воздуха; 26 – штуцер для вывода газо- воздушной смеси

Figure 1. The bioreactor for cultivation of photoautotrophic microorganisms. General form: 1– housing; 2 – horizontal partitions; 3 – input section; 4 – irradiating section; 5 – conclusion section; 6 – transparent cylindrical tubes; 7 – film-forming devices; 8 – transparent recycling pipe; 9.-screw spiral; 10 – filament lamp; 11 – bubble device; 12 – branch pipe of supply of mix of a carbon dioxide and air; 13 – shaft; 14, 15 – bearing clusters; 16 – gate stirrers; 17 – blades; 18 – impeller mixer; 19 – external gear wreath of a gate stirrer; 20 – an internal gear wreath on the internal surface of a housing; 21 – rotor supercharger; 22 – union of input of cultural liquid; 23 – union of a conclusion of cultural liquid; 24 – the union of input of the cooling air; 25 – the union of a conclusion of the cooling air; 26 – the union for a steam-and-gas mixture conclusion

Импеллерная мешалка, прикрепленная к валу в нижней части корпуса, предотвращает расслаивание выходящей тяжелой пульпы биомассы, обеспечивает полноценную циркуляцию культуральной жидкости в нижней части аппарата как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, затрачивая минимум механической энергии.

Из секции вывода культуральной жидкости суспензию автотрофного микроорганизма выводят в качестве готовой биомассы через штуцер.

Биореактор для культивирования микроводорослей имеет следующие преимущества по сравнению с известными биореакторами: