Разработка фотобиореакторов для замкнутых экологических систем жизнеобеспечения
На правах рукописи
ГЛАДЫШЕВ ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ РАЗРАБОТКА ФОТОБИОРЕАКТОРОВ ДЛЯ ЗАМКНУТЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ Специальность 03.00.23 – Биотехнология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
МОСКВА – 2007
Работа выполнена в Московском государственном университете инженерной экологии
Официальные оппоненты:
Доктор технических наук, профессор Винаров Александр Юрьевич Доктор технических наук, профессор Синяк Юрий Емельянович
Ведущая организация: Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт биологической техники.
Защита состоится 22 мая 2007 г. на заседании диссертационного совета Д 212.204.13 в РХТУ им. Д.И.Менделеева (125047 Москва, Миусская пл., д.9) в
С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Автореферат диссертации разослан2007 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета Д 212.204.13 Шакир И.В.
Общая характеристика работы
.
Актуальность темы.
Задача использования высших и низших растений в качестве звена искусст венных замкнутых экологических систем принципиально решена много лет на зад. Фундаментальные исследования в этом направлении проведены для созда ния систем жизнеобеспечения различных гермообъектов (космических, под водных, подземных и пр.). Такие системы позволяют обеспечить наиболее пол ное замыкание круговорота веществ в условиях длительного автономного су ществования экипажей. Однако исследования проводятся и сейчас, в частности, в связи с намерениями мирового сообщества по организации длительных кос мических экспедиций. При этом продвижение замкнутых экологических систем жизнеобеспечения в состав гермообъектов тормозится отсутствием эффектив ного аппаратурного оформления их фототрофного звена. Таким образом, тема работы является актуальной.
Цель работы - разработка фотобиореакторов для автотрофного и гетеро трофного культивирования микроводорослей в составе замкнутых экологиче ских систем жизнеобеспечения.
Для достижения этой цели проведены исследования, включающие решение следующих задач научного и прикладного характера:
- анализ конструкций фотобиореакторов с точки зрения возможности их ис пользования в искусственных экосистемах;
- разработка компактных реакторов с высокими значениями массообменных характеристик, работающих на высоких концентрациях биомассы;
- изучение влияния режимов светоподвода и перемешивания суспензии на ростовые характеристики биомассы и скорость утилизации СО2;
- разработка методики оценки и оптимизация энергозатрат в процессах куль тивирования микроводорослей.
Научная новизна.
- предложена конструкция полостного фотобиореактора с механическим пе ремешиванием для аппаратурно-технологического оформления водорослевого звена замкнутой экологической системы жизнеобеспечения;
- предложена конструктивная модернизация гладкостенного полостного фо тобиореактора с целью улучшения его массообменных и эксплуатационных ха рактеристик;
- установлена зависимость гидродинамических и массообменных характери стик модернизированного полостного реактора от величин его конструктивных параметров;
- исследовано влияние конструктивных параметров модернизированного фо тобиореактора на скорость утилизации СО2;
- предложен параметр масштабирования полостного фотобиореактора, осно ванный на постоянстве освещенности поверхности газовой полости;
- разработана методика оценки затрат мощности на освещение газовой по лости фотобиореактора.
Практическая ценность.
- разработаны и изготовлены лабораторные модели фотобиореакторов с ме ханическим перемешиванием, предназначенные для культивирования микрово дорослей с различными типами питания и уровнями клеточной организации;
- по результатам экспериментальных исследований для полостных фотобио реакторов установлены основные рекомендуемые технические характеристики:
оптимальный коэффициент заполнения, рациональные энергозатраты на пере мешивание и освещение;
- разработано техническое решение, в т. ч. оптимальное внутреннее оребре ние реактора, обеспечивающее значительное снижение циклических нагрузок на корпус реактора и опорную конструкцию установки;
- разработан и апробирован макет теплообменного устройства, обеспечи вающий поддержание оптимального температурного режима работы освети тельного блока, а также постоянство его оптических характеристик;
- для облучения поверхности светопоглощения полостных фотобиореакторов рекомендовано использование натриевых ламп высокого давления, обеспечи вающих оптимальный спектральный состав света;
- предложенная энергосберегающая конструкция модернизированного фото биореактора рекомендована для замкнутых экологических систем жизнеобес печения, работающих в условиях невесомости.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы докладывались на - V-й Международной конференции «Инженерная защита окружающей сре ды», МГУИЭ, Москва, 2003, - 11-й и 13-й Международных конференциях «Новые информационные тех нологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии», Ялта-Гурзуф, 2003, 2005, - ХVIII и XIX Международных научных конференциях «Математические ме тоды в технике и технологиях», Казань, 2005, Воронеж, 2006.
Публикации.
Основные результаты диссертации изложены в 9 печатных работах.
Объем и структура работы.
Диссертация изложена на 139 стр. Состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложений. Содержит 61 рисунок и 7 таблиц.
Содержание работы.
Введение.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель исследо ваний, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, ука зан личный вклад соискателя.
Глава 1. Литературный обзор.
Обзор содержит сведения о зеленых растениях как основном звене искусст венной замкнутой экосистемы, определяющем ее облик и функциональные возможности. Показана роль высших растений в производстве полноценной пищи для человека, а также в процессах регенерации воды и атмосферы.
Помимо высших растений в качестве элемента основного звена замкнутой экосистемы представлены низшие растения – одноклеточные водоросли, наи более изученной из которых является хлорелла. Отмечена эффективность хло реллы при одновременном замыкании системы по газу и воде в ходе лабора торных экспериментов с участием человека.
При анализе влияния экологических и технологических факторов на росто вые и газообменные показатели процесса культивирования хлореллы получены исходные данные для разработки фотобиореакторов – аппаратов для выращи вания биомассы микроводорослей.
Представлена принципиальная схема замкнутой экологической системы жизнеобеспечения. Рассмотрены различные конструкции фотобиореакторов и перспективы их использования для аппаратурного оформления ее фототрофно го узла.
Разбор конструкций фотобиореакторов основан на разделении аппаратов по принципу организации потока суспензии микроводорослей. Реакторы разделе ны на три группы: тонкослойные реакторы, пленочные аппараты и аппараты для глубинного культивирования.
Рассмотрена возможность применения емкостной аппаратуры в условиях невесомости. Показано, что из представленных конструкций перспективна группа глубинных реакторов с жидкостным потоком, формирующимся под действием центробежных сил.
Глава заканчивается постановкой задачи исследования, в которой дан пере чень основных технологических и конструктивных требований к реакторам для работы в составе системы жизнеобеспечения.
Глава 2. Выбор аппаратурного оформления процесса культивирования хлореллы.
Вариантом глубинного реактора с жидкостным потоком, формирующимся под действием центробежных сил, является полостной фотобиореактор с меха ническим перемешиванием (рис.1). Основой его конструктивного оформления является реализация принципа совмещения зон сорбции и светоподвода, что определяет способ перемешивания культуральной жидкости и размещение ис точника света.
а) б) Рис. 1 Схема полостного фотобиореактора с механическим перемешиванием. а) гладкостенный, б) модернизированный.
Полостной фотобиореактор, разработанный для использования в составе замкнутых экосистем, представляет собой цилиндрический сосуд с высотой равной диаметру, частично заполненный культуральной жидкостью, в цен тральной части которого расположена демпферная клетьевая мешалка с гибки ми вертикальными перемешивающими элементами. При вращении мешалки жидкость оттесняется на периферию цилиндра, а в центральной его части обра зуется полость. В нее подается газовая смесь для осуществления массообмена с жидкостью. Устройств для диспергирования газа не предусмотрено. Вместе с тем, полость используется для размещения источника света необходимой мощ ности и спектрального состава.
Глава 3. Конструктивные особенности систем перемешивания полост ных фотобиореакторов.
Обоснован выбор типа перемешивающего устройства, изложены требования к его конструктивному исполнению.
Конструкция корпуса полостного фотобиореактора представлена в двух ва риантах – гладкостенном (рис. 1а) и модифицированном (рис.1б). Предложен ная модификация корпуса обуславливает изменение формируемого в реакторе поля скоростей и образование дополнительных радиальных токов жидкости.
Однако гидравлическое сопротивление корпуса увеличивается при этом незна чительно. Это позволяет прогнозировать существенное изменение интенсивно сти массообмена при незначительном увеличении мощности на перемешивание при сохранении формы и размеров газовой полости, характерных для гладко стенного варианта корпуса.
Глава 4. Разработка осветительной системы полостных фотобиореакто ров.
Показано, что для освещения биомассы из серийно выпускаемых ламп об щего и специального назначения по величине светового потока и спектрально му составу света можно рекомендовать металлогалогенные, галогенные и на триевые лампы высокого давления.
Проведена экспериментальная оценка степени перегрева натриевых ламп высокого давления в неохлаждаемой защитной оболочке из кварцевого стекла.
Показана необходимость их принудительного охлаждения.
Для водяного охлаждения источника света, его защиты от загрязнения куль туральной жидкостью, а также для регулирования спектрального состава света в инфракрасной области разработано теплообменное устройство из кварцевого стекла (водяной холодильник). Изготовлен и испытан его экспериментальный образец для охлаждения одной лампы ДНат – 400 в фотобиореакторе объемом 0,01 м3. Экспериментально установлен температурный режим работы освети тельной системы, обеспечивающий ее надежность и приемлемый для высоко производительных термофильных штаммов хлореллы. Определено значение удельного теплового потока q1 через внутреннюю стенку холодильника, соот ветствующее этому режиму.
Исследована динамика падения освещенности по толщине слоя культураль ной жидкости при изменении концентрации биомассы в процессе роста;
обос новано применение условия постоянства освещенности поверхности светопо глощения для масштабирования полостного фотобиореактора;
представлен расчет диаметра газовой полости.
Для осветительной системы лабораторной модели полостного аппарата оп ределены значения фотометрических характеристик и разработана методика оценки мощности осветительной системы на основе модульного принципа ее компоновки.
При расчете мощности на освещение поверхности светопоглощения полост ного фотобиореактора принято допущение, что из-за больших значений уско рения на поверхности газовой полости, ее форму можно считать цилиндриче ской. Тогда диаметр газовой полости связан с диаметром реактора соотношени ем:
d П = DР ·(1 k ) (1) На основании анализа литературных данных, а также результатов культиви рования хлореллы в лабораторном образце полостного фотобиореактора принят расчетный интервал рабочих освещенностей ЕР поверхности светопоглощения.
В ходе фотометрических исследований экспериментального образца освети тельной системы (лампа + водяной холодильник) определено расстояние l1,на котором распределение освещенности по высоте газовой полости соответствует установленному рабочему интервалу ЕР, т.е. получены основные фотометриче ские параметры осветительного модуля (рис.2). Получены данные для кварце во-галогенных и натриевых ламп высокого давления.
Для обеспечения установленной величины ЕР на поверхности светопоглощения и постоянства величины l1 лампы располагаются вдоль внутренней стенки во дяного холодильника по окружности диаметром D с некоторым шагом r, вели чина которого устанавливается экспериментально. Падение максимального значения ЕР между колбами соседних ламп при этом не должно превышать 25%. В зависимости от высоты реактора лампы устанавливаются в один или не сколько ярусов.
Таким образом, общая электрическая мощность осветительного блока опре деляется в ходе конструктивного расчета по уравнению:
[ ] WЛ v DP ·(1 k ) 2(l1 + s + 0,5d Л + ) N ОСВ = (2) r где – число ярусов в ламповом блоке;
= f (DP /LЛ ).
- Nосв·10, Вт 0 1 2 3 V, м k=0,7 k=0,6 k=0, Рис.3 Мощность, расходуемая на ос Рис.2. Схема осветительного модуля вещение В качестве примера рассмотрен вариант компоновки осветительного блока полостного фотобиореактора V = 0,1 3,2 м3 из газоразрядных натриевых ламп ДНат-400. Зависимость мощности, расходуемой на освещение, от объема реак тора (рис.3) в этом случае может быть представлена в степенной форме:
N ОСВ = (40,3 36k )V 0,95 (3) Уравнение (3) удовлетворительно описывает расчетные значения со средне квадратичным отклонением 17% Удельный тепловой поток, через внутреннюю стенку водяного холодильни ка, является параметром, значение которого ограничивает ряд объемов полост ных фотобиореакторов, подлежащих конструкторской разработке. Условие ра ботоспособности водяного холодильника:
K T · N ОСВ ( ) q= q1 (4) ·b·DP · DP (1 k ) 2l Расчет q по уравнению (4) (рис. 5) показывает, что водяной холодильник рассматриваемой конструкции обеспечивает соблюдение теплового режима ра боты осветительного блока на основе ДНат -400 для k =0,5 и 0,6 в пределах V = 0,10,5м3, а для k = 0,7 – при V = 0,11,2 м q, кВт/м 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3, V, м k = 0,5 k = 0,6 k = 0,7 q = 7, Рис.4. Изменение удельного теплового потока через стенку водяного холодиль ника при масштабировании фотобиореактора.
Глава 5. Гидродинамические и массообменные исследования полостных фотобиореакторов.
Целью гидродинамических исследований являлось определение удельной мощности NV, расходуемой на перемешивание суспензии микроводорослей и используемой в качестве параметра масштабного перехода при расчете геомет рически подобных реакторов. Конструкция полостного фотобиореактора требу ет использования мешалок сравнительно большого диаметра (dм ~ 0,7Dр). Зна чения их окружной скорости в экспериментах достигает 10 – 11 м/с, что суще ственно превышает скорости, рекомендуемые для традиционных мешалок. Од нако, сведений о максимальной технологически допустимой величине NV в процессе выращивания хлореллы не имеется. Это связано с округлой формой клеток и высокой прочностью клеточной стенки хлореллы, делающей ее нечув ствительной к повышенным значениям сдвиговых напряжений, возникающих при интенсивном перемешивании.
Для проведения гидродинамических и массообменных исследований поло стного биореактора V = 0,01 м3 использовалась экспериментальная установка (рис. 7) при отключенной осветительной системе. Фотобиореактор (1) исследо вался в вариантах рис. 1а и 1б. Перемешивающее устройство приводилось во вращение шунтовым электродвигателем постоянного тока со стробоскопиче ским тахометром (10). Во время массообменных исследований термостатирова ние модельной жидкости осуществлялось ультратермостатом (7).
Измерения мощности, потребляемой системой перемешивания, производи лись электрическим способом при загрузке реактора водой.
Мощность, расходуемая на перемешивание, определялась для значений k =0,5, 0,6 и 0,7 и угловых скоростей вращения мешалки = 37,7125,7 с-1(рис.5).
а) б) - NV ·10 - NV·10 Вт/м Вт/м 30 50 70 90 110 30 50 70 90 110, 1/с, 1/с k = 0,5 k = 0,6 k = 0, k = 0,5 k = 0,6 k = 0, Рис.5 Удельная мощность, потребляемая системой перемешивания а) при R = 0;
б) при k = 0,5 (1), k = 0,6 (2), k = 0,7 (3) и R = 0,05;
0,08 и 0,13 для каждого k.
Минимальные затраты мощности на перемешивание получены при макси мальном коэффициенте заполнения реактора (k = 0,7). Это объясняется тем, что при большем рабочем объеме реактора гибкие перемешивающие элементы вращаются в кольцевом потоке жидкости на большей глубине. Величина вол нового сопротивления при этом минимальна и значение суммарного коэффици ента сопротивления мешалки снижено.
Для исследования влияния конструктивных изменений реактора на затраты мощности и массообмен использован фактор оребрения R = JB/DP. В цилинд рической части корпуса реактора вплотную к стенке устанавливались 4 верти кальные перегородки, ширина которых меньше обычно используемой в реакто рах с перемешиванием. Были выбраны 3 варианта перегородок В = (0, 0,033)DР при значении R = 0,05;
0,08 и 0,13. Зависимость NV () для k = 0,5;
0, и 0,7 при R = 0 показана на рис. 5а, а при R = 0,05, 0,08 и 0,13 для указанных значений k – на рис. 5б.
В модернизированном реакторе при значениях 90 с-1 влияние как R, так и k на величину вводимой мощности незначительно. При значениях 90 с-1 оп ределяющей является величина k, в то время как значение величины фактора оребрения невелико.
Для расчета удельной мощности, расходуемой на перемешивание суспензии хлореллы в полостном реакторе V = 0,01 м3 с демпферной клетьевой мешалкой для 0 R 0,13 и k = 0, 5 0,7 при рабочих значениях 80 с-1предлагается выражение:
N V = (24 R + 13 )·10 6 · 3 (5) Уравнение (5) удовлетворительно описывает данные эксперимента со средне квадратичным отклонением 18%.
При наименее энергоемком заполнении (k = 0,7) модернизация реактора приводит к увеличению мощности на перемешивание в среднем при R = 0,05 на 7 %, R = 0,08 - на 13 % и R = 0,13 - на 24 % для исследуемых пределов изме нения.
Оценка массообменных характеристик полостных реакторов по кислороду (величины М и KL) проводилась по модифицированной сульфитной методике с использованием датчика рО2, широко применяемой для моделирования аэроб ных процессов. В автотрофном процессе культивирования хлореллы выделяю щийся кислород должен интенсивно десорбироваться из культуральной жидко сти, во избежание ингибирования фотосинтеза. В гетеротрофном - происходит ассимиляция органических компонентов среды, с потреблением растворенного кислорода. Полостной фотобиореактор предназначен для проведения в замкну той экологической системе жизнеобеспечения как автотрофного, так и гетеро трофного процессов. Поэтому высокие значения массообменных характеристик реактора по кислороду важны в обоих случаях.
Визуальное исследование течения в прозрачном полостном фотобиореакторе показало наличие некоторого количества пузырьков, имеющих кавитационную природу. Суммарная площадь их поверхности оценивалась величиной на пол тора порядка меньше, чем площадь поверхности полости. Поэтому, при значе ниях вязкости суспензии, близких к вязкости воды, вкладом диспергированной газовой фазы в общий газообмен реактора можно пренебречь.
3 KL· м/с 0 5 10 15 - NV· R=0 R = 0,05 Вт/м R = 0,08 R = 0, Рис.6. Зависимость коэффициента массопередачи от удельной мощности, вво димой на перемешивание Таким образом, в отличие от барботажных биореакторов с газораспредели тельными устройствами, в полостных аппаратах площадь поверхности фазово го контакта легко оценить геометрически FП = ·DP (1 k ) 2, (6) и применять для их массообменного расчета основное уравнение массопереда чи, включающее поверхностный коэффициент массопередачи KL Зависимость KL(NV) определялась для энергосберегающего варианта запол нения биореактора – k = 0,7. Для расчета KL предлагается степенная зависи мость, являющаяся описанием экспериментальных кривых (рис.6) для 0 R 0,13:
K L = (2,65 + 38,9 R )·10 3 · N V, (7) Уравнение (7) удовлетворительно описывает данные экспериментов со сред неквадратичным отклонением 11%.
1. Полостной фотобиореактор. 7. Термостат культуральной жидкости.
2. Баллоны с СО2 и азотом. 8. Термостат для охлаждения источника света.
3. Газовый смеситель. 9. Блок управления источником света.
4. Компрессор. 10. Блок управления двигателем.
5. Газоанализатор СО2 11. Конденсатор.
6. Компрессор для продувки газоанализатора.
Рис. 7. Схема экспериментальной установки.
Глава 6. Технологические исследования полостных фотобиореакторов.
Исследована работа полостного фотобиореактора в процессе автотрофного выращивания хлореллы на экспериментальной установке (рис. 7), разработан ной для аппаратов объемом до 0,01 м3.
а) б) X, г/л Концентрация СО2, % 0 0 20 40 60 0 20 40, ч, ч Рис. 8. Накопительное культивирование хлореллы.
а) ростовые показатели;
б) динамика утилизации CO2.
Ростовые показатели процесса, а также динамика утилизации СО2 определя лись в ходе накопительного культивирования в гладкостенном полостном ап парате V =0,0045 м3 а также в аппарате V = 0,01 м3 в гладкостенном и модерни зированном (R = 0,08) вариантах с лампой КГМ 220-500 (ЕР = 130 клк) с водя ным охлаждением.
Двухконтурная система приготовления и циркуляции газовой смеси содер жала баллоны с углекислым газом и азотом, смеситель, компрессор и газоана лизатор СО2. Приготовление и подача очередной порции газовоздушной смеси в циркуляционный контур производились вручную по мере естественного па дения концентрации СО2. В ходе процессов культивирования контролировались скорость перемешивания, напряжение в цепи источника света, концентрация биомассы, температура, рН и рО2 в культуральной жидкости, а также концен трация СО2 в газовом контуре. Температура культуральной жидкости поддер живалась автоматически. Динамика роста биомассы до X =8,2 г СБ/л и потреб ления СО2 в реакторе V = 0,0045 м3 показана на рис.8. Максимальное значение продуктивности реактора по биомассе G = 3,3 г СБ/л·сутки соответствует X = 2,5 г СБ/л. Средняя производительность по поглощению СО2 – 3,4 л/л·сутки, по выделению О2 - 4,6 л/л·сутки. Эти показатели использованы в качестве исход ных данных для расчета системы освещения, а также объема, производительно сти и потребляемой мощности фотобиореактора для работы в составе замкну той экологической системы жизнеобеспечения.
Серия кратковременных экспериментов (рис.10) с фотосинтезирующей культурой (хлорелла) поставлена с целью исследования скорости утилизации СО2 при максимальном и пониженном начальном значении pO2 в культураль ной жидкости при различных условиях ее перемешивания в реакторе V = 0, м3. Из-за отсутствия возможности отбора фотосинтетического кислорода из га зового контура, производилась его продувка азотом перед приготовлением оче редной порции газовой смеси.
а) б) CO2 CO2 % % 0 2 4 6 0 2 4 6, ч, ч 3 4 1 рО2 120 рО % % 100 0 2 4 6 0 2 4 6,ч, ч 3 4 1 Газовая смесь: Газовая смесь: Воздух + азот + СО 1 – Воздух + СО2 3 – n1 = 10 об/с, 2 – Воздух + азот + СО2 4 – n2 = 11 об/с, 5 – n3 = 13 об/с Рис.10. Влияние фактора оребрения на скорость утилизации СО2 а) для R = 0;
б) R = 0,08.
1. Гладкостенный фотобиореактор. (R = 0). Поглощение СО2 из газовоздуш ной смеси без предварительной продувки азотом. Скорость вращения мешалки n = 10 об/с, (KL = 5·10-3м/с). В процессе культивирования рО2 100 %. Динами ка снижения концентрации СО2 в атмосфере реактора показана на рис.10а. Ско рость утилизации СО2 уменьшается по мере его потребления, составляя в сред нем - 0,68 л/ч 2. Гладкостенный фотобиореактор. (R = 0). Поглощение СО2 из газовоздуш ной смеси с пониженным начальным содержанием О2. При предварительной продувке газового контура азотом в культуральной жидкости устанавливали значение рО2 = 20 %. Скорость вращения мешалки n = 10 об/с (KL =5·10-3м/с).
Дугообразная форма графика падения концентрации СО2 сохранялась, однако средняя скорость утилизации СО2 увеличивалась за счет пониженных значений рО2 в культуральной жидкости и достигала 0,85 л/ч.
3. Модернизированный фотобиореактор. (R = 0,08). Поглощение СО2 из га зовоздушной смеси с пониженным начальным содержанием О2. Газовоздушная смесь с предварительной продувкой контура азотом до рО2 = 20 % в культу ральной жидкости. Динамика снижения концентрации СО2 для скоростей вра щения мешалки n1 = 10 об/с (KL = 12·10-3м/с);
n2 = 11 об/с (KL = 14·10-3м/с) и n3 = 13 об/с (KL = 16·10-3м/с) представлена на рис. 10б. Скорость утилизации СО становится постоянной. Для указанных n ее среднее значение составило 0, л/ч.
Таким образом, при работе реактора на малых концентрациях СО2 (16,5%) снижение парциального давления кислорода в газовой смеси уменьшает инги бирующее действие фотосинтетического кислорода и увеличивает среднюю скорость утилизации СО2 на 25 %. Наличие конструктивных изменений реакто ра в этих условиях мало влияет на процесс фотосинтеза, увеличивая среднюю скорость утилизации СО2 на 3,5 %. Однако, для фотобиореактора VP = 0,14 м3, работающего в системе жизнеобеспечения, увеличение суточного объема ути лизации СО2 при этом также составит 3,5 %, что является важным показателем из-за жестких требований к соответствию коэффициентов ассимиляции хлорел лы и дыхания гетеротрофных составляющих системы.
Кроме того, показано, что при работе гладкостенного полостного реактора на высоких концентрациях СО2 (до 100%) наблюдается сильное ингибирование роста хлореллы высокими значениями рО2, в культуральной жидкости, что также обуславливает преимущественное применение модернизированного по лостного фотобиореактора в системах жизнеобеспечения.
Основные результаты и выводы.
1. Проведена модернизация конструкции и расчет полостного фотобиореактора, обеспечивающего повышение его массообменных и эксплуатационных харак теристик.
2. Разработана система искусственного освещения полостного фотобиореактора с принудительным водяным охлаждением, обеспечивающая сохранение фото метрических показателей источника света в течение длительных периодов культивирования микроводорослей.
3. Предложенная методика фотометрических исследований осветительной сис темы позволяет оценить необходимую мощность для освещения суспензии в реакторах различных объемов при использовании различных искусственных источников света.
4. Показано, что фактором, ограничивающим объемный ряд полостных фото биореакторов является конструкция и режим работы холодильника осветитель ного блока.
5. При использовании в полостном фотобиореакторе оптимальной системы ос вещения на основе натриевых ламп, энергозатраты составляют в среднем - 82 % на освещение и 18 % на перемешивание.
6. Предложенная конструктивная модернизация полостного фотобиореактора позволяет улучшить его эксплуатационные характеристики, а также интенси фицировать массообмен по кислороду в 2–3 раза при увеличении энергозатрат на перемешивание на 7-25 %.
7. На основании технологических исследований образца полостного фотобио реактора показано, что его суточная газообменная производительность при ра бочем объеме 0,14 м3 соответствует потребностям одного человека. Прогнози руемая потребляемая мощность составляет 4,5 кВт, что в 6,5 раз ниже мощно сти, потребляемой трубчатым фотобиореактором аналогичного рабочего объе ма и производительности.
Основные условные обозначения.
В – ширина отражательной перегородки, м;
b – коэффициент высоты водяного холодильника;
DР – внутренний диаметр реактора, м ;
EР – рабочая освещенность поверхности светопоглощения, лк;
FП – площадь поверхности газовой полости, м2;
J – количество отражательных перегородок;
KL –коэффициент массопередачи, м/с;
k – коэффициент заполнения реактора без учета объема осветительного блока;
KT – коэффициент теплового действия источника света;
LЛ,dЛ - длина и диаметр колбы лампы, мм;
М – удельная скорость сорбции кислорода, кг О2 /м3·ч NV – удельная мощность, расходуемая на перемешивание, Вт/м3;
NОСВ – мощность, расходуемая на освещение, Вт;
q- удельный тепловой поток, Вт/м2;
R – фактор оребрения;
V – полный объем реактора, м3;
VР –рабочий объем реактора, м3;
WЛ, - электрическая мощность лампы, Вт;
X – концентрация сухой биомассы микроводорослей, г АСБ /л ;
– к.п.д. источника света;
– угловая скорость, с -1;
Основное содержание работы
изложено в следующих публикациях:
1. Gladyshev P.A., Karlov S.P., Kazenin D.A., Zhavoronkov V.A. A new type of apparatus – cavity photobioreactor. // Mixing in chemical and bioreactors: Abstr.
International symposium - Riga, 1992. - Р 19.
2. Gladyshev P.A., Kazenin D.A., Shitikov E.S., Zhavoronkov V.A.. A specific character of the transfer processes in the photobioreactors // Mixing in chemical and bioreactors: Abstr. International symposium - Riga 1992. - Р. 18.
3. Жаворонков В.А., Казенин Д.А., Карлов С.П., Гладышев П.А., Махоткина Т.А.
Аппарат для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. Патент SU 1828660 АЗ С12М, А.с. № 842104 // Б.и. – 1992 № 26.
4. Гладышев П.А., Крамм Э.А., Глушко С.Н. Установка для изучения гидравли ческих и массообменных характеристик пленочных фотобиореакторов.// Тез.
Докл.XLVI науч.-техн. конфер. МГАХМ. – М, 1995 - С. 32-33.
5. Жаворонков В.А., Казенин Д.А., Карлов С.П., Шитиков Е.С., Глущук Л.П., Гладышев П.А. Специфика процессов переноса в фотобиореакторах // Процессы и аппараты химической и биологической техники, вып.2:– Сб. трудов МГАХМ. – М, 1997. - С.59-66.
6. Бондаренко Е.В., Гладышев П.А., Жаворонков В.А. Биорегенерация воздуха в искусственных экосистемах и системах жизнеобеспечения // Инженерная защита окружающей среды: Тез. докл. V-й Междунар. конф. МГУИЭ. – М, 2003. - С. 26.
7. Бондаренко Е.В. Гладышев П.А. Жаворонков В.А. Казенин Д.А. Перспективы использования полостных фотобиореакторов в замкнутых системах жизнеобес печения // Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармако логии и экологии: Материалы 11-й Междунар. конф. - Ялта-Гурзуф, 2003. - С.
225-226.
8. Гладышев П. А., Казенин Д.А. Энергозатраты на перемешивание и модульная организация светоподвода в фотобиореакторах для замкнутых экосистем // Ма тематические методы в технике и технологиях: Сб. трудов XIX Междунар. науч.
конф. – Воронеж, 2006. - С. 50-52.
9. Гладышев П.А., Бирюков В.В. Массообмен в полостных фотобиореакторах с отражательными перегородками. // Химическое и нефтегазовое машиностроение.
– 2007. - №3. - С.7-8.