Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 12
1.1. Зеленые растения как основное звено замкнутой экологической системы жизнеобеспечения 12
1.2. Влияние экологических и технологических факторов на ростовые и газообменные показатели процесса культивирования хлореллы в условиях замкнутой системы жизнеобеспечения 14
1.2.1. Питательные среды 14
1.2.2. Световой фактор 16
1.2.3. Температурный режим 17
1.2.4. Перемешивание культуральной жидкости 17
1.2.5. Зависимость фотосинтеза от концентрации углекислого газа 18
1.2.6. Зависимость фотосинтеза от концентрации кислорода 18
1.2.7. Сопутствующая микрофлора 19
1.3. Обзор конструкций фотобиореакторов для культивирования хлореллы и других фотосинтезирующих микроорганизмов. 20
1.4. Постановка задачи исследования 39
Глава 2. Выбор аппаратурного оформления процесса культивирования хлореллы 40
Глава 3. Конструктивные особенности систем перемешивания полостных фотобиореакторов 45
3.1. Выбор типа перемешивающего устройства 45
3.2. Конструкция корпуса реактора 47
Глава 4. Разработка осветительной системы полостных фотобиореакторов 51
4.1. Выбор искусственных источников света 51
4.2. Разработка охлаждающего устройства 56
4.3. Методика проведения фотометрических исследований 62
4.4. Расчет мощности осветительной системы при масштабировании фотобиореакторов 74
Глава 5. Гидродинамические и массообменные исследования полостных фотобиореакторов 85
5.1. Экспериментальная установка 87
5.2. Измерение мощности, потребляемой системой перемешивания 87
5.2.1. Гладкостенный полостной реактор 89
5.2.2. Полостной реактор с внутренним оребрением корпуса 92
5.3. Массообменные исследования полостных фотобиореакторов 98
Глава 6. Технологические исследования полостного фотобиореактора 110
6.1. Подготовка посевного материала 110
6.2. Описание экспериментальной установки 111
6.3. Накопительное культивирование хлореллы 114
6.4. Влияние оребрения корпуса фотобиореактора на скорость утилизации СОг 120
6.5. Рекомендации по использованию полостных фотобиореакторов в замкнутых экологических системах жизнеобеспечения 125 Основные результаты и выводы 127 Список литературы 128 Приложения 135
- Зеленые растения как основное звено замкнутой экологической системы жизнеобеспечения
- Выбор аппаратурного оформления процесса культивирования хлореллы
- Выбор типа перемешивающего устройства
Введение к работе
Разработка и исследование замкнутых искусственных экологических систем ассоциируется с решением проблемы обеспечения надежных условий жизнедеятельности экипажей подводных, космических и подземных гермообъектов, исследователей пустынных и высокогорных районов, Арктики и Антарктиды, деятельность которых связана с длительным существованием вне пределов земной биосферы.
Проблема создания в гермообъекте необходимых для жизни условий чрезвычайно сложна. При этом уделяется внимание как биологическим, так и инженерным вопросам. Самым важным соображением при этом является продолжительность экспедиции, для которой предназначен гермообъект. К физиологическим факторам, служащим отправной точкой для выявления основных характеристик искусственной экологической системы относятся интенсивность обмена веществ экипажа, в частности скорости потребления кислорода и выделения углекислого газа, количество необходимой воды, а также температура и влажность окружающей среды, и допустимый уровень ее загрязнения. С этими параметрами связаны и такие, как численность экипажа, возможность перезарядки системы во время экспедиции, число планируемых выходов членов экипажа из гермообъекта и количество необходимых запасов.
Искусственные экосистемы полузамкнутого типа, разработанные для жизнеобеспечения человека и действующие на гермообъектах в настоящее время, можно рассматривать как группу связанных между собой подсистем: кондиционирования воздуха, обеспечения водой, обработки продуктов жизнедеятельности, терморегуляции.
В подсистему кондиционирования воздуха входят запасы дыхательных смесей, вентиляционное оборудование, устройства для очистки и обработки газовых смесей (удаления запахов, углекислого газа, твердых частиц и других загрязнений, а также поддержания необходимых значений влажности, температуры и давления). Подсистемы обеспечения водой и обработки продуктов жизне-
деятельности экипажа снабжают его питьевой водой и водой для личной гигиены, а также обрабатывают и при необходимости хранят в виде отходов продукты жизнедеятельности. Подсистема терморегуляции поддерживает в пространстве гермообъекта оптимальную температуру.
Полузамкнутая искусственная экосистема не удовлетворяет требованиям продолжительных экспедиций. Одним из вариантов решения этой проблемы является копирование замкнутой экологической системы жизнеобеспечения (ЗЭСЖО), частью которой является на Земле человек.
Для длительной автономной работы человека вне пределов земной биосферы, потребуется система, в основе работы которой лежит непрерывный материальный и энергетический обмен между животным и растительным миром и круговорот воды. Основным звеном такой системы является блок фотосинтеза, в котором выделяемый человеком углекислый газ преобразуется в кислород и углерод, являющийся составной частью питания растений. Следует заметить, что в состоянии непрерывного внутреннего обмена в ЗЭСЖО может находиться только вещество, в то время как энергия для такой системы должна поступать от внешнего источника. Такой источник энергии может быть искусственным или естественным, например, Солнце, при работе гермообъекта в пределах Солнечной системы.
Принципиальная возможность реализации ЗЭСЖО была показана в длительных модельных экспериментах на Земле и в космосе. В ходе экспериментов с одноклеточными водорослями и высшими растениями на борту российских биоспутников и орбитальных станций выявлено, что функциональные возможности фотоавтотрофного звена ЗЭСЖО не зависят от гравитационного фактора, т.е. низшие и высшие фототрофные организмы способны в невесомости обеспечить продукционный процесс, сопоставимый с таковым на Земле.
Продвижение замкнутых экосистем в гермообъекты, в частности на борт космических летательных аппаратов тормозится, на наш взгляд, отсутствием эффективного аппаратурно-технологического оформления процессов культивирования микроводорослей. Предлагаемые в данной работе конструкции фо-
тобиореакторов (ФБР), характеризующихся высокой производительностью, умеренными энергозатратами, компактностью и универсальностью позволяют прогнозировать их устойчивую работу и достижение высоких показателей в ЗЭСЖО наземных, подводных и космических гермообъектов.
Все исследования реакторов, представленных в работе, проводились в условиях гравитации, поэтому о перспективах их использования в условиях невесомости сообщается в отдельных главах в виде примечаний.
Цель работы
Разработка фотобиореакторов для автотрофного и гетеротрофного культивирования микроводорослей в составе замкнутых экологических систем жизнеобеспечения.
Для достижения этой цели проведены исследования, включающие решение следующих задач научного и прикладного характера:
анализ конструкций фотобиореакторов с точки зрения возможности их использования в искусственных экосистемах;
разработка компактных фотобиореакторов с высокими значениями массо-обменных характеристик, работающих на высоких концентрациях биомассы;
изучение влияния режимов светоподвода и перемешивания суспензии в на ростовые характеристики биомассы и скорость утилизации СОг;
разработка методики оценки и оптимизации энергозатрат в процессах культивирования микроводорослей.
Научная новизна.
предложена конструкция полостного фотобиореактора с механическим перемешиванием для аппаратурно-технологического оформления водорослевого звена замкнутой экологической системы жизнеобеспечения;
предложена конструктивная модернизация гладкостенного полостного фотобиореактора с целью улучшения его массообменных и эксплуатационных характеристик;
установлена зависимость гидродинамических и массообменных характеристик модернизированного полостного реактора от величин его конструктивных параметров;
исследовано влияние конструктивных параметров модернизированного фо-тобиореактора на скорость утилизации ССЬ;
предложен параметр масштабирования полостного фотобиореактора, основанный на постоянстве освещенности поверхности газовой полости;
разработана методика оценки затрат мощности на освещение газовой полости фотобиореактора.
Практическая ценность.
разработаны и изготовлены лабораторные модели фотобиореакторов с механическим перемешиванием, предназначенные для культивирования микроводорослей с различными типами питания и уровнями клеточной организации;
по результатам экспериментальных исследований для полостных фотобиореакторов установлены основные рекомендуемые технические характеристики: оптимальный коэффициент заполнения, рациональные энергозатраты на перемешивание и освещение;
разработано техническое решение, в т.ч. оптимальное внутреннее оребрение реактора, обеспечивающее значительное снижение циклических нагрузок на корпус реактора и опорную конструкцию установки;
разработан и апробирован макет теплообменного устройства, обеспечивающий поддержание оптимального температурного режима работы осветительного блока, а также постоянство его оптических характеристик;
для облучения поверхности светопоглощения полостных фотобиореакторов рекомендовано использование натриевых ламп высокого давления, обеспечивающих оптимальный спектральный состав света;
предложенная энергосберегающая конструкция модернизированного фотобиореактора рекомендована для замкнуты экологических систем жизнеобеспечения, работающих в условиях невесомости.
Положения, выносимые на защиту
І.Для аппаратурного оформления фототрофного звена замкнутой искусственной экосистемы рекомендуются реакторы с жидкостным потоком, формирующимся под действием центробежных сил - полостные реакторы с механическим перемешиванием, в которых реализован принцип совмещения зон сорбции и светоподвода.
2. Система искусственного освещения полостного фотобиореактора с принудительным водяным охлаждением, обеспечивает сохранение фотометрических показателей источника света в течение длительных периодов культивирования хлореллы.
3 Модульный принцип компоновки лампового блока позволяет оценить его мощность при масштабировании полостного фотобиореактора. 4.Фактором, ограничивающим объемный ряд полостных фотобиореакторов, является совокупность конструктивных параметров холодильника осветительного блока.
Модернизация корпуса полостного ФБР обуславливает значительное увеличение интенсивности массообмена в системе газ-жидкость при минимальных дополнительных затратах мощности.
Суточная газообменная производительность реактора рабочим объемом 140 л соответствует потребностям одного человека.
Основные публикации по работе выполнены в соавторстве с В.А. Жаворон-ковым и Д.А. Казениным. При этом соискателем проведены все экспериментальные исследования и расчеты. В.А. Жаворонков предложил классификацию ФБР, разработку фотобиореакторов на основе совмещения зон сорбции и светоподвода, использование демпферных мешалок для создания потока кольцевидного сечения в ФБР, а также принимал участие в проектировании образцов лабораторных реакторов, представленных в работе. Д.А. Казенин предложил подход к массообменным исследованиям полостных ФБР, принимал участие в обсуждении результатов экспериментов, их математического описания, а также
в редактировании публикаций и текста работы.
Соискателем показана необходимость интенсификации массообмена в глад-костенном полостном ФБР при его использовании в замкнутых системах жизнеобеспечения, для чего предложена конструктивная модернизация корпуса реактора; разработаны методики фотометрических исследований и оценки мощности осветительной системы; установлены рекомендуемые значения основных технических характеристик и предложен параметр масштабирования полостных фотобиореакторов; разработаны и смонтированы все представленные в работе экспериментальные установки, предложено математическое описание и проведена статистическая обработка экспериментальных данных; полученные результаты, оформленные в виде статей и тезисов, апробированы на 5 конференциях.
Таким образом, вклад соискателя в работу является определяющим.
Зеленые растения как основное звено замкнутой экологической системы жизнеобеспечения
Главным элементом замкнутой системы жизнеобеспечения является фото-трофное звено на основе высших и низших растений. Высшие растения способны не только производить полноценную по большинству критериев пищу для человека, но и осуществлять при этом регенерацию воды и атмосферы, а также психологическую поддержку членов экипажа. В отличие от животных, растения способны синтезировать почти все витамины из простых соединений. Однако, биоцикл «высшие растения - человек» не является идеальным для системы жизнеобеспечения, т.к. человек в условиях длительной изоляции не может удовлетвориться в питании белками и жирами только растительного происхождения. В соответствии с нормами питания не менее половины суточного количества белков пищевого рациона должны составлять белки животного происхождения, а животные жиры - до 75% общей нормы белков в рационе. Кроме того, высшие растения не способны обеспечить участие в круговороте ряда веществ и элементов, а также утилизировать все отходы человека III.
Несмотря на то, что фототрофное звено не решает весь комплекс вопросов, возлагаемых на замкнутую экологическую систему жизнеобеспечения, именно оно определяет ее облик и функциональные возможности. Это было показано в серии длительных экспериментов на борту ОК «Мир» в период с 1995 по 2000 год. Один из главных выводов состоит в том, что невесомость не влияет на продукционный процесс у высших растений, а значит, и на фотосинтез. Таким образом, доказана целесообразность использования в СЖО космических летательных аппаратов оранжерейных устройств для получения свежей пищевой растительной биомассы 121. Кроме того, проведена подготовка к полетным экспериментам в исследовательских оранжереях на борту МКС и определены основные проектные параметры будущей производственной оранжереи для марсианской экспедиции /34/.
Помимо высших растений в качестве элементов основного звена замкнутой СЖО рассматриваются низшие растения - одноклеточные водоросли (зеленые, диатомовые, цианобактерии и др.). Это главные продуценты первичной органики в земных водоемах. Наиболее изученной из них является хлорелла. Самые распространенные виды хлореллы выделены из водной среды. По разным источникам существует около двадцати видов и около ста штаммов хлореллы с различными свойствами. В серии экспериментов «Аквариум» на борту биоспутников «Космос-1887», - 2044» и на борту ОК «Мир» с изучением популяции одноклеточных водорослей в микроэкосистеме «водоросли - бактерии -рыбы» показано, что факторы космического полета не оказали влияния на продуктивность водорослей и их функционирование в качестве фототрофного звена микроэкосистемы /2/.
В ходе длительных лабораторных экспериментов с участием человека (например, экосистема «Биос-3» в Новосибирске, имитировавшая длительный космический полет) водоросли показали свою эффективность при одновременном замыкании системы по газу и воде /75/. Из этих экспериментов сделаны следующие выводы: 1) водоросли полностью регенерируют воздух, пригодный для дыхания человека со сбалансированным соотношением Ог и СОг; 2)водоросли регенерируют до 95 % воды, пригодной для питья и бытовых нужд; 3) биомасса водорослей может на 30% обеспечить пищевые потребности человека. Некоторые водоросли, в частности хлорелла, способны к адсорбции находящихся в воде ионов тяжелых металлов (Си ; Zn и др.) /по 86/.
Утилизация углекислого газа и регенерация кислорода посредством процесса фотосинтеза, а также очистка воды в замкнутых СЖО, будет осуществляться при постоянном выращивании биомассы хлореллы в фотобиореакторах с непрерывным или периодическим отбором культуральной жидкости и обновлением питательной среды. Выращивание предполагает наличие специально подобранного высокопродуктивного штамма микроводорослей и создание для него оптимальных условий, обеспечивающих высокую скорость роста биомассы.
Процесс культивирования хлореллы может быть построен по одной из следующих схем. Отъемно-доливной способ предполагает отбор культуральной жидкости и загрузку в реактор порции свежей питательной среды по окончании фазы линейного роста биомассы. Суспензию можно удалить полностью с последующим повторным посевом или частично (до 50%). При частичном отборе оставшаяся в реакторе суспензия является посевным материалом для дальнейшего выращивания хлореллы.
При непрерывном культивировании в оптимальных условиях наиболее надежным и просто регулируемым является турбидостатный метод. При этом потребность человека в кислороде удовлетворяется за счет минимального объема и массы суспензии микроводорослей /75/.
Основой для разработки конструкций ФБР являются данные о влиянии экологических и технологических факторов на процесс выращивания хлореллы. Эти данные представлены в следующем разделе.
Выбор аппаратурного оформления процесса культивирования хлореллы
Особенность управляемого фотобиосинтеза состоит в том, что наряду с общим для любого процесса культивирования микроорганизмов обеспечением комплекса физико-химических параметров культуральной жидкости, необходимо обеспечивать подведение в объем культуральной среды потока световой энергии.
Оптическая плотность культуральной жидкости даже при умеренной концентрации в ней фотосинтезирующих микроорганизмов очень высока, и это обуславливает почти полное поглощение светового потока в тонком слое вблизи поверхности, через которую этот поток поступает. Кроме того, требование компактности, часто предъявляемое к реакторам для работы в составе замкнутых экологических систем и СЖО, исключает чрезмерное насыщение реакционного объема светоподводящими поверхностями.
Отсюда следует, что единственным способом повышения производительности единицы объема фотобиореактора является ликвидация застойных зон и организация возможно более интенсивного обмена содержащей микроорганизмы культуральной жидкости между объемом реактора и приповерхностной зоной светопоглощения. В идеале кратность обмена должна быть согласована с частотой фотосинтетического цикла, однако ввиду высокого значения последней это практически трудноосуществимо, что делает светоподвод лимитирующим фактором процесса фотосинтетического культивирования.
При глубинном способе культивирования приповерхностная зона светопоглощения ФБР может находиться либо у светоподводящей поверхности (пропускающая свет стенка корпуса реактора или стенка погруженного в суспензию источника света), либо у свободной поверхности жидкости. Примерами могут послужить реакторы представленные на рис. 1.4 - 1.9; 1.11 - 1.14 с одной стороны ирис. 1.10; 1.15 и 1.17-с другой. Второй вариант светоподвода наиболее интересен, т.к. дает возможность подачи световой энергии в зону активного массообмена с контролируемой поверхностью массопередачи. В этой связи является перспективной разработка ФБР определенного типа - т.н. полостных аппаратов, в которых светоподводящая поверхность является свободной поверхностью полости, образованной при работе перемешивающего устройства или газовым факелом 1Ы. В данной работе рассматриваются ФБР с механическим перемешиванием.
Фотобиореактор с механическим перемешиванием для культивирования фо-тосинтезирующих микроорганизмов (рис. 2.1) состоит из корпуса I с патрубком 2 для загрузки питательной среды, патрубком 3 для выгрузки суспензии микроорганизмов и патрубком 4 для отбора проб. В центральной части корпуса помещен источник света 8 и устройство для перемешивания культуральной жидкости 9, представляющее собой разновидность клетьевой мешалки типа «беличье колесо» (разд. З.1.). Источник света установлен в прозрачный защитный кожух 12 (разд. 4.2.). Поддержание температуры культивирования осуществляется при помощи рубашки 5 с патрубками 6 и 7 для подвода и отвода термоста-тирующей жидкости. Патрубки 10 и 11 предназначены для входа и выхода газа. В посадочные места 13 устанавливаются первичные приборы для контроля параметров процесса культивирования. Кроме того, реактор снабжен электродвигателем 14, связанным валом 15 с перемешивающим устройством.
Фотобиореактор работает следующим образом. Внутрь корпуса 1 через патрубок 2 загружается питательная среда с температурой близкой к температуре культивирования, затем производится посев культуры через загрузочный патрубок. Приводится во вращение перемешивающее устройство 9, включается охлаждение источника света и сам источник света 8. Включается подача тер-мостатирующей жидкости в рубашку 5. Перемешивающее устройство, взаимодействуя с культуральной жидкостью, приводит ее во вращательное движение. Под действием центробежных сил образуется устойчивый поток, имеющий кольцевидную форму поперечного сечения, т.е. вокруг источника света появляется газовая полость и свободная поверхность жидкости, воспринимающая световую энергию. Благодаря интенсивному перемешиванию происходит постоянное обновление поверхности полости, что позволяет наиболее эффективно освещать культуру микроорганизмов в фотоабсорбирующем слое жидкости. Подача и вывод газа осуществляются через штуцеры в днище реактора. Конструкция фотобиореактора запатентована /44/.
Для проведения различных исследовательских работ разработаны и изготовлены полостные фотобиореакторы с механическим перемешиванием нескольких типоразмеров.
Реактор V - 0,0015 м {фото 1) с нижним приводом перемешивающего устройства был разработан и изготовлен для выращивания малых количеств биомассы фототрофов. Использовался в экспериментах по культивированию гало-фильных микроорганизмов с целью получения каротиноидов в водном растворе на средах, приготовленных на основе отходов переработки гидробионтов. Эксперименты проводились в стационарных и судовых условиях
Выбор типа перемешивающего устройства
Система перемешивания культуральной жидкости в полостном ФБР, как и в любом биохимическом реакторе, служит для поддержания культуры микроводорослей в виде суспензии, выравнивания концентраций питательных веществ по объему реактора и интенсификации теплообменных и массообменных процессов.
Специфическим технологическим требованием для процесса перемешивания в данном реакторе является наличие жидкостной воронки, поверхность которой в общем случае имеет форму параболоида вращения. Скорость вращения перемешивающего устройства устанавливается такой, чтобы образующийся параболоид имел условную вершину за пределами корпуса реактора. Пространство, ограниченное свободной поверхностью жидкости и заполняемое реакционной газовой средой в дальнейшем будем называть газовой полостью. Сформированную таким образом свободную поверхность жидкости условно можно считать цилиндрической, т.к. значения центробежного ускорения на ее границе достаточно велики по всей высоте реактора /74/.
С точки зрения конструктивного оформления реактора газовая полость необходима для размещения в ней источника света. С точки зрения технологии культивирования, подача газовой фазы в полость с установленным в ней источником света - это реализация принципа совмещения зон абсорбции и светопод-вода в ФБР /6/. Наконец, при эксплуатации ФБР в условиях невесомости при указанном способе перемешивания образуется жидкостный поток устойчивой формы, позволяющий вести процессы сорбции при больших расходах газовой фазы без применения дополнительных сепарационных устройств (см. разд. 1.3).
Для выполнения указанных требований, учитывая, что вязкость суспензии микроводорослей близка к вязкости воды, можно рекомендовать применение быстроходной турбинной клетьевой мешалки, создающей окружную и незначительную осевую циркуляцию жидкости {рис. 3.1). Верхнее (1) и нижнее (2) опорные кольца должны быть расположены как можно ближе к крышке и днищу реактора. Привод возможен как верхний, так и нижний. Во всех конструкциях применены короткие валы с консольным креплением, чтобы оставалось свободным внутреннее пространство клети, предназначенное для размещения источника света.
Нами испытаны два варианта крепления узла «вал-мешалка» в корпусе реактора. Консольное крепление (рис. 3.2) применялось в аппаратах объемом до 0,1 м3 с верхним приводом, а в реакторах с нижним приводом верхнее кольцо перемешивающего устройства имело дополнительную опору в виде подшипника скольжения у горловины реактора (рис. 3.3). Последний вариант представляется более удачным, т.к. воспринимающий радиальные нагрузки подшипник скольжения увеличивает прочность и виброустойчивость конструкции, исключая удары по стеклянному холодильнику лампы при переходе через резонансные скорости вращения во время пуска мешалки.
Перемешивающие элементы в клетьевых мешалках известных конструкций выполнены в виде плоских вертикальных лопастей, ориентированных в направлении оси вращения мешалки /41/. Мы использовали более простые для сборки цилиндрические перемешивающие элементы двух вариантов - жесткие из стального калиброванного прутка 0 3 мм и мягкие, изготовленные из силиконовой трубки стандартного ряда диаметров: от 3 до 9 мм в зависимости от рабочего объема ФБР /44/.
Опыт применения жестких клетьевых мешалок в биологических исследованиях показывает, что для надежной работы в условиях длительных экспериментов необходимы высокая точность их изготовления, тщательная статическая и динамическая балансировка. Кроме того, действие на жесткую мешалку знакопеременных нагрузок со стороны жидкостного потока (особенно в реакторах больших объемов) приводит к быстрому выходу из строя подшипников и уплотняющих устройств.
