Control of gas exchange during cultivation of phototrophic microorganisms

Full Text

При культивировании фототрофов, в отличие от культивирования гетеротрофов, газообмен представляет собой потребление углекислого газа и выделение кислорода. В ряде работ показано, что кислород как продукт метаболизма является ингибирующим компонентом для микроводорослей и требуется поддержание его концентрации в среде не выше допустимой (6% по рО2). С другой стороны, поддержание концентрации углекислого газа как субстрата должно быть на уровне, обеспечивающем высокую скорость роста микроводорослей. В то же время имеются экспериментальные работы, в которых показано, что для некоторых видов микроводорослей его повышенная концентрация (выше 6% - 10% по рСО2) является ингибирующей. Таким образом, при культивировании фототрофов должны одновременно регулироваться два параметра, влияющие на рост и развитие фототрофных микроорганизмов: концентрация (парциальное давление) углекислого газа - ССО2 и рСО2 - и кислорода - СО2 и рО2. Теоретический анализ Концентрации упомянутых выше растворённых газов можно найти из уравнений материального баланса в жидкости и газе, представленных ниже: QCO2 =KCO2 (pCO2 г - pCO2 ), (1) QO2 =KO2 (pO2 г - pO2 ). (2) Здесь: QCO2 и QO2 - объёмные (молярные) скорости потребления СО2 и выделения О2 культурой микроорганизмов; KCO2 и KO2 - коэффициенты массопередачи «газ- жидкость» для растворения СО2 и выделения О2 соответственно; pCO2 и pO2 - парциальные давления текущих концентраций растворённых в жидкости СО2 и О2; pCO2 г и pO2 г - парциальные давления СО2 и О2 в выходящем газовом потоке. С другой стороны, можно найти концентрации этих компонентов в газовой фазе из материального баланса в газовом потоке: QCO2 = F (C гCO2ВХ - C гCO2ВЫХ ), (3) QO2 = F (C гO2ВЫХ - C гO2ВХ ). (4) Скорости потреблени СО2 и выделения О2 культурой микроорганизмов пропорциональны скорости роста биомассы QХ : QCO2 =YXCO2 QX, (5) QO2 = YXO2 QX. (6) Здесь YXCO2 и YXO2 - стехиометрические коэффициенты, показывающие, сколько потребляется углекислого газа и выделяется кислорода при образовании единицы массы биомассы. Соотношение стехиометрических коэффициентов в молярном исчислении для газов аналогично объёмному соотношению RQ. Известно, что для большинства фототрофов этот показатель равен 1. F - объёмный расход газового потока через ферментёр. Если скорость подачи СО2 точно соответствует скорости образования биомассы и скорости выделения кислорода, а других газов в газовом потоке нет, то объёмная концентрация каждого из этих газов в выходящем потоке газа составляет 50%. Эта концентрация неблагоприятна для роста биомассы как с точки зрения повышенной концентрации субстрата (СО2), так и ингибирующего продукта (О2). Поэтому очевидно, что газовый поток, если он является управляющим воздействием, должен быть разбавлен другим газом, проще всего инертным - азотом. Но простое разбавление недостаточно. Концентрации СО2 и О2 должны быть не просто небольшими, но каждая из них должна поддерживаться на своём собственном оптимальном уровне. Для этого одного управляющего воздействия недостаточно. Ниже приведены возможные варианты управления процессом газообмена и дан их анализ. Варианты систем управления процессом фотосинтеза В известных технологических схемах культивирования фототрофов регулируют, как правило, концентрацию СО2 и не учитывают ингибирующее воздействие на процесс повышенной концентрации растворенного кислорода. Необходим такой алгоритм управления, который позволяет регулировать и концентрацию кислорода, и концентрацию углекислого газа в биореакторе. Рассмотрим различные варианты регулирования концентрации растворенного углекислого газа при непрерывном культивировании фототрофов. Открытые барботажные системы (выброс выхлопных газов в атмосферу): - Регулирование рСО2 подачей углекислого газа в смеси с воздухом (2 - 5 % СО2). Несмотря на то, что при добавлении СО2 к воздуху концентрация кислорода в газовой смеси уменьшается, она все равно остаётся высокой - даже при 10% содержании СО2 в смеси с воздухом содержание кислорода в этой смеси составит 19%. Соответственно рО2 в культуральной среде будет близко к равновесному с газовой фазой. Такой смесью достичь уменьшения концентрации растворенного кислорода до необходимого предела (примерно 2 - 5 % по рО2) невозможно. - Регулирование рСО2 подачей чистого СО2. Заданная концентрация растворенного углекислого газа достигается при слабом барботаже. Учитывая, что при газообмене диффузионный коэффициент О2 в жидкости в двадцать раз меньше диффузионного коэффициента СО2, образующийся при культивировании кислород будет накапливаться, несмотря на частичный отдув О2 при барботаже, что приведет к ингибированию процесса. - Регулирование рСО2 подачей небольших концентраций углекислого газа в смеси с азотом. Барботаж при этом более интенсивный, что улучшает отдув кислорода из культуральной жидкости, однако рО2 остается нерегулируемым параметром и подача такой смеси стоит довольно дорого. - Регулирование рСО2 дымовыми газами при сжигании природного топлива, например, в ТЭЦ. Дымовые газы содержат до 15% углекислого газа, азот и 2 - 5 % кислорода. Преимуществом перед предыдущим вариантом является сниженная стоимость, но концентрация растворенного кислорода остаётся нерегулируемым параметром. Кроме того, при барботаже дымовой газ выбрасывается в атмосферу, что является из-за повышенных концентраций СО2 в выбрасываемых газах недостатком метода. Закрытые барботажные системы (циркуляция газовой смеси) Представляют интерес замкнутые системы по газу с экономным использованием углекислого газа. Регулирование рСО2 обеспечивается добавлением СО2 в циркуляционный газовый контур. В газовой фазе может быть смесь СО2 с воздухом или с азотом. В обоих случаях в процессе культивирования в системе будет накапливаться кислород и повышаться общее давление в аппарате. При стабилизации давления в аппарате клапаном на выхлопной линии постепенно будет уменьшаться концентрация азота. В итоге все эти факторы приводят к ингибированию процесса культивирования кислородом. Рассмотренные выше варианты систем для поддержания оптимальной концентрации растворенного углекислого газа, которые имеют применение в настоящее время, не могут полностью решать задачу оптимального режима газообмена в целом одноконтурным регулированием. Для реализации двухконтурной системы управления газообменом нами предлагается следующее. Для закрытой системы в циркуляционном контуре предполагается использовать газоразделительный блок на основе мембранной технологии, в котором разделяются кислород и азот. Азот не будет теряться, а кислород удаляется в атмосферу. Регулирование рО2 можно осуществлять изменением перепада давления на мембране блока. Регулирование рСО2 производится добавлением СО2 в систему. Рациональный вариант системы упраления Наше предложение для открытой газовой системы заключается в следующем: используется дымовой газ, который предварительно проходит блок моноэтаноламиновой очистки от СО2 (после очистки в газовой фазе практически присутствует только азот, а углекислый газ - остается в растворе моноэтаноламина). Этот дымовой газ (почти чистый азот) подается на барботаж для регулирования рО2. Для регулирования рСО2 подается углекислый газ, регенерированный из этого же блока очистки. Выхлопные газы из фотобиореактора, содержащие кислород, азот и СО2 направляются в блок моноэтаноламиновой очистки, где поглощается углекислый газ, а азот и кислород выбрасываются в атмосферу. Таким образом, реализуется двухконтурная система управления газообменом, при которой атмосфера не загрязняется углекислым газом.

About the authors

P. P Makeev

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: makeev_4205@mail.ru

V. V Biryukov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Dr. Eng., Prof.

M. Y Arkhipov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

L. D Stekhnovskaya

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

References

Supplementary files