PL213473B1 - Układ fotobioreaktora do hodowli mikroalg - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ fotobioreaktora do hodowli mikroalg stanowiących dodatek mineralny do pasz.

Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego nr US 6 602 703 fotobioreaktor składający się z prostopadłościanu zawierającego pożywkę oraz kilku równolegle umieszczonych przewodów emitujących światło zanurzonych w roztworze pożywki, który wyposażony jest w urządzenie służące do czyszczenia powierzchni źródła światła.

Opisany w innym patencie nr US 4 952 511 fotobioreaktor do hodowania mikroorganizmów fotosyntetycznych, zawiera cylindryczny zbiornik, w którym usytuowana jest co najmniej jedna świetlna komora, która rozciąga się do wnętrza zbiornika i co najmniej jedna lampa o wysokim natężeniu, której światło wprowadza się do komór świetlnych, przy czym każda z komór świetlnych ma co najmniej jedną ścianę przezroczystą i urządzenie do równomiernego rozpraszania światła lampy poprzez przezroczystą ścianę.

Znany jest z amerykańskiego zgłoszenia patentowego nr US 2007 0 155 006 fotobioreaktor składający się z równolegle ułożonych korytek na różnych poziomach. Odległość pomiędzy korytkami jest znacznie większa niż ich szerokość. W celu odbicia i rozproszenia światła słonecznego, pomiędzy korytkami zostały umieszczone elementy optyczne, dzięki czemu rosnące mikroalgi korzystają ze światła słonecznego.

W innym patencie nr US 5 151 347 opisany jest fotobioreaktor do hodowli mikroalg w kontrolo13 14 wanych warunkach z możliwością cyrkulacji izotopu ¹³CO2 lub ¹⁴CO2, z opcją usuwania z reaktora produktu fotosyntezy - tlenu. W fotobioreaktorze tym do zawiesiny wprowadzany jest CO2 i poprzez barbotaż zapewnione jest równocześnie mieszanie. Źródło światła stanowią lampy fluorescencyjne, które mogą być umieszczone w mieszaninie lub też nad jej powierzchnią.

Znany jest z patentu nr US 6 509 188 fotobioreaktor zbudowany z wielu komór połączonych ze sobą za pomocą rur i przewodów. Każda komora posiada jedną ścianę z materiału przepuszczającego światło słoneczne, a jedna bądź kilka ścian ma kształt sinusoidalny, we wnętrzu komory umieszczone są ścianki poprzeczne, a cały reaktor jest wyposażony w urządzenie wymuszające burzliwy przepływ. Kształt prostokąta i mała głębokość reaktora daje dużą wartość stosunku powierzchni do objętości.

Znany jest też z patentu nr US 5 659 977 zintegrowany system produkcji mikroalg przy elektrowni, gdzie ciepło powstałe w procesie produkcji elektryczności służy do suszenia biomasy, a produkt uboczny w postaci CO2 jest wykorzystywany jako substrat w hodowli biomasy mikroalg w stawie hodowlanym. W rozwiązaniu tym uwzględniono odbiór świeżej biomasy i suszenie termiczne, a staw 22 hodowlany może mieć powierzchnię od 404,7 m² do 8094 m² i głębokość od 15 cm do 38 cm, co daje stosunek powierzchni do objętości od 2,6 do 6,7.

Istotę wynalazku stanowi układ fotobioreaktora do hodowli mikroalg, z użyciem pożywek mineralnych, który charakteryzuje się tym, że w obiegu zamkniętym zawiera moduł hodowli fotoautotroficznej, utworzony z co najmniej trzech, przepuszczających światło kolumn połączonych szeregowo oraz moduł separacji z urządzeniem filtracyjnym i pompę, połączone systemem przewodów i zaworów z pierwszą i ostatnią kolumną modułu hodowli fotoautotroficznej, poprzez zbiornik biomasy. Ponadto, w systemie przewody wlotowe i wylotowe każdego modułu, mają własne zawory odcinające, umożliwiające wprowadzanie strumienia pożywki do pierwszej kolumny i cyrkulację hodowanej biomasy, jej separację oraz odcięcie zbiornika biomasy w trakcie hodowli mikroalg, przy czym wyposażenie przewodów we własne zawory odcinające umożliwia tworzenie dwóch niezależnych obiegów zamkniętych, obiegu modułu hodowli fotoautotroficznej i obiegu modułu separacji. Pierwszy obieg obejmuje połączenie kolumn poprzez samą pompę, a drugi obieg obejmuje połączenie kolumn poprzez moduł separacji zawierający, korzystnie mobilny filtr oraz zbiornik biomasy i pompę.

W kolumnach modułu hodowli fotoautotroficznej stosunek wysokości do średnicy wynosi 10:1.

Korzystnie, kolumny wykonane są ze szkła akrylowego oraz w górnych częściach mają odpowietrzniki, a każda z nich w dolnej części ma króciec oraz w górnej części ostatniej kolumny znajduje się przyłącze wlotowe CO2.

Korzystnie, układ wyposażony jest w system grzewczy, do grzania pożywki w trakcie wzrostu alg, wpięty w obieg zamknięty.

W układzie według wynalazku można prowadzić proces separacji równolegle lub sekwencyjnie z procesem hodowli, prowadzonym w module hodowli fotoautotroficznej.

PL 213 473 B1

Układ według wynalazku umożliwia uzyskanie koncentratu biomasy alg, który może być wykorzystany do produkcji mineralnych dodatków do pasz, a także do ekstrakcji innych wartościowych produktów.

Zaletą układu według wynalazku jest, że poprzez system przewodów i zaworów odcinających, umożliwia równoległe lub sekwencyjne prowadzenie procesu hodowli biomasy alg i separacji wyhodowanej biomasy od roztworu pohodowlanego w celu stosowania jako paszy dla zwierząt.

W układzie fotobioreaktora dzięki połączeniu modułu hodowli fotoautotroficznej z modułem separacji, możliwe stało się znaczne zmniejszenie rozmiarów całego układu, gwarantujące uzyskanie dużej ilości biomasy. Przy czym ilość kolumn w module hodowli fotoautotroficznej, jak też ich wymiary można zwiększać i dowolnie regulować w zależności od zapotrzebowania na rodzaj mikroalg. System połączeń i zaworów gwarantuje ponadto, dzięki możliwości dzielenia strumienia cyrkulowanej zawiesiny na dwa strumienie, prowadzenie procesu wzrostu alg z wykorzystaniem jednego strumienia oraz realizowanie procesu separacji biomasy alg od roztworu pohodowlanego w urządzeniu filtracyjnym.

Zaletą układu, jest również to, że przy niskich nakładach finansowych na jego konstrukcję, oszczędza się energię, bo hodowlę biomasy alg prowadzi się przy świetle widzialnym.

Wynalazek w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, przedstawiającym układ fotobioreaktora.

P r z y k ł a d I ₃

Układ fotobioreaktora do hodowli mikroalg, o pojemności 500 dm³, zawiera moduł hodowli fotoautotroficznej, utworzony z pięciu, przepuszczających światło, kolumn 1, wykonanych ze szkła akrylowego, z których każda zaopatrzona jest w odpowietrznik 2 umożliwiający usunięcie powietrza z układu i króciec 3, służący do pobierania prób, a także do wprowadzania czystej wody do przygotowania pożywki. Kolumny połączone szeregowo, usytuowane są względem siebie wertykalnie i równolegle, a stosunek ich wysokości do średnicy wynosi 10:1. Przed ostatnią kolumną modułu usytuowany jest króciec wlotowy wprowadzanego 4 dwutlenku węgla (CO2), jako jednego z substratów. Ponadto, pierwsza i ostatnia kolumna połączone są systemem przewodów i zaworów, które tworzą dwa niezależne obiegi zamknięte, obieg modułu hodowli fotoautotroficznej i obieg modułu separacji. Pierwszy obieg obejmuje połączenie kolumn poprzez samą pompę 5, a drugi obieg obejmuje połączenie kolumn poprzez moduł separacji zawierający mobilny filtr próżniowy 6 oraz zbiornik biomasy 7 i pompę 5. W systemie prawie wszystkie przewody mają własne zawory odcinające, umożliwiające wprowadzanie strumienia pożywki do pierwszej kolumny i cyrkulację hodowanej biomasy, jej separację oraz odcięcie zbiornika biomasy w trakcie hodowli mikroalg, przy czym przewód wlotowy 8 do modułu hodowli ma zawór odcinający 9, przewód 10 łączący bezpośrednio moduł hodowli fotoautotroficznej z pompą 5, wyposażony jest w zawór 11, przewód 12 łączący moduł hodowli fotoautotroficznej z modułem separacji i doprowadzający cyrkulowaną biomasę do zbiornika 7 wyposażony jest w zawór 13, przewód 14 łączący zbiornik 7 z pompą 5 ma zawór 15, zbiornik 7 wyposażony jest w zawór 16 odprowadzający nadmiar roztworu i bezpiecznik 17 wyrównujący ciśnienie. Ponadto, układ wyposażony jest w system grzewczy, do grzania pożywki w trakcie wzrostu alg, wpięty w obieg zamknięty, wyposażony w elektryczną grzałkę termostatowaną 18. Dodatkowo, system grzewczy zawiera matę solaryczną 19, połączoną z układem przewodami 20 wyposażonymi w zawory 21. Alternatywnie, zbiornik 7 po usunięciu filtra 6 spełnia rolę mieszalnika w przygotowaniu pożywki z solami nieorganicznymi.

W układzie w fazie hodowli fotoautotroficznej roztwór wcześniej zaszczepionej i ogrzanej pożywki płynie przewodami 8 do kolumny pierwszej i dalej poprzez kolumny przewodem 10 do pompy 5 przy otwartym zaworze 11, a zamkniętych 13 i 15. Następnie, przy otwartym zaworze 21, zawiesina biomasy płynie rurą 20 do maty solarycznej 19 wspomagającej ogrzewanie w celu prowadzenia hodowli w optymalnej, dla danego szczepu mikroalg, temperaturze wzrostu. Prowadząc tak hodowlę, przez 50 dni w temperaturze 35°C uzyskuje się 4 kg świeżej biomasy Spirulina maxima. Codziennie z otworów 3 usytuowanych na dole każdej kolumny 1 pobierana jest próbka zawiesiny do oznaczenia stężenia biomasy. Po osiągnięciu pożądanego stężenia w celu usunięcia efektu samo zacieniania, raz dziennie po 15 min biomasa mikroalg kierowana jest na moduł separacji.

W układzie w fazie separacji filtr 6 zostaje umieszczony w zbiorniku 7, zawiesina biomasy kierowana jest przewodem 12 na moduł separacji, przy otwartym zaworze 13 i 15. Po odłączeniu urządzenia filtrującego z układu, następuje otwarcie zaworu 16 zbiornika 7 w celu usunięcia nadmiaru roztworu. Po wyrównaniu ciśnień bezpiecznikiem 17, filtr 6 zostaje usunięty wraz z odebraną biomasą. Ponowne skierowanie zawiesiny na moduł separacji biomasy, następuje przy zamkniętym zaworze 16 i bezpieczniku 17 zbiornika 7.

PL 213 473 B1

W układzie można prowadzić hodowlę sekwencyjnie, naprzemiennie etap hodowli fotouatotroficznej opisany wyżej, a po nim etap separacji. Podczas procesu hodowli zawiesina biomasy kierowana jest na kolumny przewodem 8 przy otwartym zaworze 9, a następnie przy otwartym zaworze 11 przewodem 10 do pompy 5. Faza hodowli fotoautotroficznej prowadzona jest do momentu, gdy stężenie biomasy osiągnie wartość pożądaną. W drugim etapie hodowli w systemie sekwencyjnym w fazie separacji, filtr 6 zostaje umieszczony w zbiorniku 7, zawiesina kierowana jest przewodem 12 na moduł separacji, przy otwartym zaworze 13 i 15, a zamkniętym zaworze 11. Następnie, gdy zawiesina biomasy osiągnie pożądaną przezroczystość przy zamkniętych zaworach 13 i 15 i otwartym zaworze 11, zawiesina biomasy ponownie kierowana jest przewodem 10 do modułu hodowli fotoautotroficznej. Po odłączeniu urządzenia filtrującego z układu, następuję otwarcie zaworu 16 zbiornika 7 i usuwanie nadmiaru roztworu. Po wyrównaniu ciśnień bezpiecznikiem 17, filtr 6 zostaje usunięty wraz z odebraną biomasą. Ponowne skierowanie zawiesiny na moduł separacji biomasy, następuje przy zamkniętym zaworze 16 i bezpieczniku 17 zbiornika 7.

W przypadku prowadzenia hodowli w systemie równoległym po osiągnięciu maksymalnej szybkości wzrostu przez biomasę mikroalg moduł hodowli i moduł separacji, są uruchomione równocześnie. Zawiesina z kolumn kierowana jest jednocześnie przewodami 10 i 12 przy otwartych zaworach 11,13 i 15.

Wykaz oznaczeń na rysunku 1 - kolumna

- odpowietrznik kolumny 3 - króciec kolumny 4 - króciec wlotowy CO2 5 - pompa

- filtr próżniowy 7 - zbiornik biomasy 8 - przewód wlotowy do modułu hodowli 9 - zawór odcinający przewodu wlotowego

- przewód łączący moduł hodowli fotoautotroficznej z pompą

- zawór przewodu wlotowego do pompy

- przewód łączący moduł hodowli fotoautotroficznej z modułem separacji

- zawór przewodu wlotowego do zbiornika

- przewód łączący zbiornik z pompą

- zawór przewodu łączącego zbiornik z pompą

- zawór zbiornika

- bezpiecznik

- grzałka termostatowana

- mata solaryczna

- przewody maty solarycznej

- zawory przewodów maty solarycznej

Claims (7)

1. Układ fotobioreaktora do hodowli mikroalg, z użyciem pożywek mineralnych, wyposażony w moduł hodowli fotoautotroficznej, znamienny tym, że w obiegu zamkniętym zawiera moduł hodowli fotoautotroficznej, utworzony z co najmniej trzech, przepuszczających światło, kolumn (1) połączonych szeregowo oraz moduł separacji z urządzeniem filtracyjnym (6) i pompę (5), połączone systemem przewodów i zaworów z pierwszą i ostatnią kolumną modułu hodowli fotoautotroficznej, poprzez zbiornik biomasy (7), przy czym przewody wyposażone są we własne zawory odcinające, umożliwiające tworzenie dwóch niezależnych obiegów zamkniętych, obiegu modułu hodowli fotoautotroficznej i obiegu modułu separacji, z których pierwszy obieg obejmuje połączenie kolumn (1) poprzez samą pompę (5), a drugi obieg obejmuje połączenie kolumn (1) poprzez moduł separacji zawierający, korzystnie mobilny filtr (6) oraz zbiornik biomasy (7) i pompę (5).

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że przewody wlotowe i wylotowe każdego modułu, mają własne zawory odcinające, umożliwiające wprowadzanie strumienia pożywki do pierwszej koPL 213 473 B1 lumny (1) i cyrkulację hodowanej biomasy, jej separację oraz odcięcie zbiornika biomasy (7) w trakcie hodowli mikroalg.

3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że w kolumnach (1) modułu hodowli fotoautotroficznej stosunek wysokości do średnicy wynosi 10:1.

4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że kolumny (1) wykonane są ze szkła akrylowego oraz w górnych częściach mają odpowietrzniki (2), a każda z nich w dolnej części ma króciec (3) oraz w górnej części ostatniej kolumny znajduje się przyłącze wlotowe (4) dwutlenku węgla.

5. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że wyposażony jest w system grzewczy, do grzania pożywki w trakcie wzrostu alg, wpięty w obieg zamknięty.

6. Układ według zastrz. 5, znamienny tym, że system grzewczy wyposażony jest w elektryczną grzałkę termostatowaną (18).

7. Układ według zastrz. 1 albo 5, znamienny tym, że system grzewczy zawiera matę solaryczną (19).