RU2524993C1

RU2524993C1 - Floating bioreactor for growing microalgae on open water body

Info

Publication number: RU2524993C1
Application number: RU2013102110/13A
Authority: RU
Inventors: Марк Михайлович Вайнштейн; Михаил Наумович Гиндин; Игорь Константинович Сторожук; Виктор Александрович Чепурнов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "КИВИ Энерджи"
Priority date: 2013-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2014-08-10
Also published as: RU2013102110A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: floating bioreactor includes a sealed container located on the surface of the water body, said container being made of soft transparent polymer material and having pipes with stop valves for loading raw components, unloading microalgae and feeding and collecting gases from the container. The container is provided with a horizontal frame in the form of the surface of a hollow circular cylinder whose bases are connected on the periphery by a rod. A shaft is mounted on the same axis as the frame. The pipes for loading raw components and feeding gases as well as unloading microalgae and collecting gases are mounted in the bases of the frame of the container. The bioreactor is provided with a buoyancy tank which pivotally connected to the container by single-arm levers, which are mounted on the shaft of the container while allowing free rotation and vertical rocking thereof.

EFFECT: invention improves efficiency of the bioreactor.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к оборудованию для производства различных видов микроводорослей. В настоящее время в качестве одного из видов эффективных экологически чистых источников органических веществ рассматривается выращивание и использование биомассы водорослей, имеющих высокое содержание белковых питательных веществ и микроэлементов.The invention relates to equipment for the production of various types of microalgae. Currently, the cultivation and use of algae biomass having a high content of protein nutrients and trace elements is being considered as one of the types of effective environmentally friendly sources of organic substances.

Наиболее перспективными считаются устройства, для которых не нужны пахотные земли, то есть размещаемые на поверхности водной среды.The most promising are considered devices for which arable land is not needed, that is, placed on the surface of the aquatic environment.

Разработка устройства для промышленного производства биомассы микроводорослей - актуальная задача во всем мире, поскольку из такой биомассы можно получать широкий спектр продукции: лекарственные препараты, корма для животных, удобрения и т.п.The development of a device for the industrial production of microalgae biomass is an urgent task all over the world, since from such biomass a wide range of products can be obtained: medicines, animal feed, fertilizers, etc.

Более перспективным для получения биомассы микроводорослей с заданными свойствами (высоким содержанием жиров и т.д.) является выращивание их в специально разработанных закрытых системах - биореакторах, в которых создаются оптимальные условия: требуемые температура и освещенность, необходимый газообмен и подвод питательных веществ. Микроводоросли обладают самым эффективным аппаратом по биоконверсии солнечной энергии и являются ее природными биоаккумуляторами. В процессе жизнедеятельности микроводоросли, потребляя углекислый газ, выделяют кислород.More promising for obtaining biomass of microalgae with desired properties (high fat content, etc.) is growing them in specially designed closed systems - bioreactors in which optimal conditions are created: the required temperature and lighting, the necessary gas exchange and supply of nutrients. Microalgae have the most effective apparatus for bioconversion of solar energy and are its natural bioaccumulators. In the process of life, microalgae, consuming carbon dioxide, emit oxygen.

Известно устройство - биореактор для выращивания пресноводных водорослей в естественных водоемах и водохранилищах. Конструктивно биореактор представляет собой плавающие в акватории моря длинные гибкие пластиковые трубки, заполняемые городскими сточными водами и рассадой водорослей (http://mimt.m/environment/metod-vvraschivaniya-biotopliva-iz-stochnvh-vod). В процессе роста водоросли в трубках очищают сточную воду и разрешают проблемы окружающей среды, поглощая вещества, содержащиеся в сточных водах, и двуокись углерода и используя для своего роста солнечную энергию. По мере роста водоросли насыщают воздух кислородом.A device is known - a bioreactor for growing freshwater algae in natural reservoirs and reservoirs. Structurally, the bioreactor is a long flexible plastic tube floating in the sea, filled with urban wastewater and algae seedlings (http://mimt.m/environment/metod-vvraschivaniya-biotopliva-iz-stochnvh-vod). During the growth process, the algae in the tubes clean the wastewater and solve environmental problems by absorbing the substances contained in the wastewater and carbon dioxide and using solar energy for their growth. As the algae grows, they saturate the air with oxygen.

Однако известный биореактор для выращивания микроводорослей имеет существенные недостатки. Поверхность пластиковых трубок биореактора зарастает водорослями, и очистка поверхностей для поддержания их светопропускной способности ведет к удорожанию конечного продукта и усложнению конструкции. Горизонтально расположенные длинные светопроницаемые трубки занимают большие площади водной поверхности и вынуждены быть связаны коммуникациями с сушей, при этом процессы перемешивание жидкой среды и газообмен в этих конструкциях биореакторов идут хаотично и неэффективно.However, the known bioreactor for growing microalgae has significant disadvantages. The surface of the plastic tubes of the bioreactor is overgrown with algae, and cleaning the surfaces to maintain their light transmittance increases the cost of the final product and complicates the design. Horizontally located long translucent tubes occupy large areas of the water surface and are forced to be connected by land with communications, while the processes of mixing the liquid medium and gas exchange in these bioreactor designs are chaotic and inefficient.

Известен также биореактор, являющийся наиболее близким по технической сущности к разработанному устройству для выращивания водорослей, содержащий, по меньшей мере, один устанавливаемый на поверхности водоема герметичный контейнер из мягкого светопроницаемого полимерного материала с трубопроводами с запорной арматурой для загрузки исходных сырьевых компонентов, разгрузки микроводорослей и трубопроводами для подачи и отбора газов из контейнера (http://www.ted.com/talks/lang/ru/jonathan trent energy from floating algae pods.html).A bioreactor is also known, which is the closest in technical essence to the developed device for growing algae, containing at least one sealed container made of soft translucent polymer material installed on the surface of the reservoir with pipelines with shutoff valves for loading the initial raw materials, unloading microalgae and pipelines for supplying and selecting gases from a container (http://www.ted.com/talks/lang/en/jonathan trent energy from floating algae pods.html ).

Контейнер плавает по поверхности открытого водоема, а биореактор может содержать несколько соединенных между собой однотипных контейнерных модулей.The container floats on the surface of an open reservoir, and the bioreactor may contain several interconnected container modules of the same type.

За счет выполнения контейнера с оболочкой из мягкого светопроницаемого полимерного материала решается проблема удешевления стоимости биореактора и лучшей освещенности всего объема культуральной жидкости в контейнере, при этом последний не требует земельных площадей.Due to the implementation of the container with a shell of soft translucent polymer material, the problem of lowering the cost of the bioreactor and better illumination of the entire volume of the culture fluid in the container is solved, while the latter does not require land.

Однако это устройство не обеспечивает равномерного перемешивания культуральной жидкости с водорослями, что сказывается на скорости выращивания биомассы, устройство также является более дорогим, так как при зарастании внутренней поверхности полимерного контейнера сложно проводить его очистку, а также удорожается ремонт в случае повреждения контейнера. Кроме того, обслуживание такой системы очень трудоемко.However, this device does not provide uniform mixing of the culture fluid with algae, which affects the speed of growing biomass, the device is also more expensive, since it is difficult to clean it when the inner surface of the polymer container is overgrown, and repair is also more expensive if the container is damaged. In addition, maintaining such a system is very time consuming.

Задачей изобретения является создание плавучего биореактора для выращивания микроводорослей в открытом водоеме, характеризующегося повышенной производительностью, упрощенной конструкцией, удобством и простотой обслуживания и в целом меньшей его стоимостью.The objective of the invention is the creation of a floating bioreactor for growing microalgae in an open reservoir, characterized by increased productivity, simplified design, convenience and ease of maintenance and generally lower cost.

Поставленная задача решается тем, что в плавучем биореакторе для выращивания микроводорослей в открытом водоеме, содержащем, по меньшей мере, один установленный на поверхности водоема герметичный контейнер из мягкого светопроницаемого полимерного материала с трубопроводами с запорной арматурой для загрузки исходных сырьевых компонентов, разгрузки микроводорослей и для подачи и отбора газов из контейнера, согласно изобретению контейнер снабжен горизонтальным каркасом в форме поверхности кругового полого цилиндра, основания которого посредством стержней соединены между собой по образующим и соосно с каркасом смонтирован вал, а трубопроводы для загрузки исходных сырьевых компонентов и подачи газов и трубопроводы для разгрузки микроводорослей и отбора газов соединены соответственно с противолежащими основаниями каркаса, при этом биореактор снабжен понтоном, шарнирно сочлененным с контейнером посредством одноплечих рычагов, смонтированных на валу контейнера с возможностью его свободного вращения и качания по вертикали.The problem is solved in that in a floating bioreactor for growing microalgae in an open reservoir, containing at least one sealed container made of soft translucent polymer material mounted on the surface of the reservoir with pipelines with shut-off valves for loading the raw materials, unloading the microalgae and for feeding and gas extraction from the container, according to the invention, the container is equipped with a horizontal frame in the form of a surface of a circular hollow cylinder, the base of which o the rods are connected by means of rods to one another and the shaft is mounted coaxially with the frame, and the pipelines for loading the feedstock components and supplying gases and pipelines for unloading microalgae and gas extraction are connected respectively to the opposite bases of the frame, while the bioreactor is equipped with a pontoon articulated with the container by means of single-arm levers mounted on the container shaft with the possibility of its free rotation and vertical swing.

Вал контейнера на обоих его концах может быть выполнен с концевыми камерами, из которых камеры на одном конце вала соединены с трубопроводами для загрузки исходных сырьевых компонентов и подачи газов, а противолежащие камеры на другом конце вала - соответственно с трубопроводами для разгрузки микроводорослей и отбора газов из контейнера. Камеры вала посредством патрубков выполнены сообщающимися с технологическим объемом контейнера.The container shaft at both its ends can be made with end chambers, of which chambers at one end of the shaft are connected to pipelines for loading the feedstock components and supplying gases, and opposing chambers at the other end of the shaft are respectively connected to pipelines for unloading microalgae and taking gases from container. The shaft chambers by means of nozzles are made communicating with the technological volume of the container.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображен биореактор, на фиг.2 - биореактор, вид сверху и на фиг.3 - биореактор, вид в варианте расположении патрубков в камерах вала контейнера.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 schematically shows a bioreactor, figure 2 - bioreactor, top view and figure 3 - bioreactor, a view in the embodiment of the location of the nozzles in the chambers of the container shaft.

Герметичный контейнер 1 биореактора содержит горизонтальный каркас в форме кругового полого цилиндра, поверхность которого образована стержнями 2, сопряженными с торцевыми основаниями 3. Соосно с каркасом контейнера смонтирован вал 4. На стержни 2 натянута полимерная светопроницаемая пленка 5, закрепленная посредством хомутов 6 к торцевым основаниям 3 цилиндра. Контейнер содержит также трубопровод 7 для загрузки исходных сырьевых компонентов и трубопровод 8 подачи газов, в частности углекислого газа или кислорода, а также трубопровод 9 для разгрузки микроводорослей и трубопровод 10 для отбора газа - кислорода. Все упомянутые трубопроводы 7, 8, 9 и 10 на входе в контейнер 1 оборудованы соответственно запорными кранами 11, 12, 13 и 14. Биореактор снабжен понтоном 15, который шарнирно сочленен с контейнером 1 посредством одноплечих рычагов 16, также шарнирно соединенных с валом 4 контейнера. Рычаги обеспечивают контейнеру возможность его свободного вращения и качания по вертикали.The sealed container 1 of the bioreactor contains a horizontal frame in the form of a circular hollow cylinder, the surface of which is formed by rods 2 mating with the end bases 3. A shaft 4 is mounted coaxially with the frame of the container. A translucent polymer film 5 is stretched on the rods 2, fixed by means of clamps 6 to the end bases 3 cylinder. The container also contains a pipe 7 for loading the source of raw materials and a pipe 8 for supplying gases, in particular carbon dioxide or oxygen, as well as a pipe 9 for unloading microalgae and a pipe 10 for sampling gas - oxygen. All the mentioned pipelines 7, 8, 9 and 10 at the entrance to the container 1 are equipped with shut-off valves 11, 12, 13 and 14, respectively. The bioreactor is equipped with a pontoon 15, which is articulated with the container 1 by means of one-arm levers 16, also pivotally connected to the container shaft 4 . The levers provide the container with the possibility of its free rotation and swing vertically.

Трубопроводы 7, 8, 9 и 10 могут быть смонтированы и соединены с внутренним объемом контейнера через вал 4. В последнем случае вал выполнен с концевыми камерами 17 и 18 на каждом из его концов. Камеры 17 и 18 соединены с трубопроводами 7 и 8 соответственно для загрузки исходных сырьевых компонентов и подачи газов. Противолежащие камеры 17 и 18 соединены соответственно с трубопроводами 9 и 10 для разгрузки микроводорослей и отбора газов из контейнера.Pipelines 7, 8, 9 and 10 can be mounted and connected to the internal volume of the container through the shaft 4. In the latter case, the shaft is made with end chambers 17 and 18 at each of its ends. The chambers 17 and 18 are connected to the pipelines 7 and 8, respectively, for loading the source of raw materials and supplying gases. Opposite chambers 17 and 18 are connected respectively to pipelines 9 and 10 for unloading microalgae and taking gases from the container.

Через трубопровод 7 загружают исходные сырьевые компоненты, поступающие в технологический объем контейнера по патрубку 19, а разгрузку микроводорослей осуществляют по трубопроводу 9, соединенному с патрубком 20. В другом варианте изобретения камеры 17 вала 4 сообщаются с технологическим объемом контейнера посредством патрубков 19 и 20, а камеры 18 - посредством выпускных отверстий 21.Through the pipeline 7, the initial raw materials are loaded into the technological volume of the container through the pipe 19, and the microalgae are unloaded by the pipe 9 connected to the pipe 20. In another embodiment of the invention, the chambers 17 of the shaft 4 communicate with the technological volume of the container through pipes 19 and 20, and chamber 18 - through the outlet holes 21.

В цилиндрический объем контейнера 1, образованный торцевыми основаниями 3 и наружной прозрачной пленкой 5, через трубопровод 7 заливают морскую воду с растворенными в ней питательными веществами. Затем через этот же трубопровод 7 в контейнер загружают рассаду водорослей.In the cylindrical volume of the container 1, formed by the end bases 3 and the outer transparent film 5, sea water with dissolved nutrients is poured through the pipeline 7. Then, through the same pipeline 7, algae seedlings are loaded into the container.

В процессе выращивания количество водорослей увеличивается не менее чем в 1000 раз. При размножении водоросли потребляют растворенные в морской воде питательные вещества и углекислый газ из воздуха, выделяя в воду продукты жизнедеятельности. По мере роста водорослей снижается рН питательной среды в контейнере, и рост водорослей замедляется. При достижении рН минимально возможного значения в воду вводят углекислый газ через трубопровод 8. Углекислый газ повышает рН среды, и рост водорослей продолжается.During the growing process, the amount of algae increases by at least 1000 times. During propagation, algae consume nutrients dissolved in sea water and carbon dioxide from the air, releasing waste products into the water. As algae grows, the pH of the nutrient medium in the container decreases, and algae growth slows down. When the pH reaches the minimum possible value, carbon dioxide is introduced into the water through line 8. Carbon dioxide increases the pH of the medium, and the growth of algae continues.

Во время размножения водоросли выделяют кислород. Высокая концентрация кислорода в газовой среде контейнера не только отрицательно влияет на процесс увеличения биомассы водорослей, но может привести последних к гибели. Для восстановления необходимой газовой среды в контейнере биореактора избыток воздуха, обогащенного кислородом, удаляют через трубопровод 10, а в объем контейнера подают воздух через трубопровод 8 для подачи углекислого газа. Когда концентрация водорослей достигает расчетной, их удаляют через трубопровод 9. Подача углекислого газа, питательной среды, отбор газов и выращенных водорослей из биореактора производятся при остановке вращения контейнера, когда патрубки 19 и 20 находятся нижнем положении.During propagation, algae release oxygen. The high concentration of oxygen in the container’s gas environment not only negatively affects the process of increasing algae biomass, but can also lead to their death. To restore the necessary gaseous medium in the bioreactor container, excess oxygen-enriched air is removed through line 10, and air is fed into the container volume through line 8 to supply carbon dioxide. When the concentration of algae reaches the calculated one, they are removed through line 9. The supply of carbon dioxide, a nutrient medium, the selection of gases and grown algae from the bioreactor are performed when the rotation of the container is stopped, when the nozzles 19 and 20 are in the lower position.

Контейнер сочленяют посредством поворотных рычагов 16 с понтоном 15, плавающем в море, и опускают на поверхность водоема, удерживая понтон на якорях. Волнение водной поверхности в зоне приливного течения, вектор которого направлен перпендикулярно продольной оси биореактора, вращает контейнер и заставляет его совершать вертикальные колебания, способствуя активному перемешиванию в нем жидкой питательной среды, что благотворно влияет на рост микроводорослей.The container is articulated by means of rotary levers 16 with a pontoon 15 floating in the sea, and lowered to the surface of the reservoir, holding the pontoon at anchors. The excitement of the water surface in the tidal stream zone, whose vector is perpendicular to the longitudinal axis of the bioreactor, rotates the container and forces it to perform vertical vibrations, contributing to the active mixing of the liquid nutrient medium in it, which has a beneficial effect on the growth of microalgae.

Для облегчения вращения корпуса контейнера 1 в рычагах 16 нагрузка от него на воду снижается противовесами 22.To facilitate rotation of the container body 1 in the levers 16, the load on it of the water is reduced by balances 22.

Изолированность технологического объема контейнера от воды водоема позволяет создавать в системе оптимальные условия выращивания биомассы водорослей. При этом использование недорогих мягких полимерных материалов - пленок на облегченном каркасе - обеспечивает максимальный доступ солнечного света, необходимого для эффективного фотосинтеза, упрощает эксплуатацию биореактора, а простая замена пленки при ее зарастании водорослями снижает его стоимость в целом.The isolation of the technological volume of the container from the water of the reservoir allows you to create optimal conditions for growing algae biomass in the system. At the same time, the use of inexpensive soft polymeric materials - films on a lightweight frame - provides maximum access to the sunlight necessary for effective photosynthesis, simplifies the operation of the bioreactor, and simple replacement of the film when it is overgrown with algae reduces its cost in general.

Биореактор обеспечивает возможность культивирования в промышленных масштабах любых форм фотосинтезирующих микроорганизмов.The bioreactor provides the possibility of industrial cultivation of any form of photosynthetic microorganisms.

Конструкция предложенного биореактора позволяет создавать крупнотоннажные производства биомассы микроводорослей путем соединения отдельных понтонов с биореакторами в большие группы (караваны), которые могут располагаться в акватории морей, озер, бухт океана.The design of the proposed bioreactor allows you to create large-scale production of microalgae biomass by combining individual pontoons with bioreactors in large groups (caravans), which can be located in the waters of the seas, lakes, and ocean bays.

Claims

1. A floating bioreactor for growing microalgae in an open reservoir, containing at least one sealed container made of soft translucent polymer material on the surface of the reservoir with pipelines with shutoff valves for loading the feedstock components, unloading the microalgae, and for supplying and selecting gases from the container, characterized the fact that the container is equipped with a horizontal frame in the form of a surface of a circular hollow cylinder, the bases of which are connected by means of rods between a shaft is mounted along the generatrices, a shaft is mounted coaxially with the frame, pipelines for loading the feedstock components and supplying gases, as well as microalgae discharge and gas extraction are mounted in the container frame bases, the bioreactor is equipped with a pontoon articulated with the container by means of single-arm levers mounted on the shaft container with the possibility of its free rotation and swinging vertically.

2. The floating container according to claim 1, characterized in that the shaft of the container at both ends is made with end chambers, of which the chambers at one end of the shaft are connected to pipelines for loading the feedstock components and supplying gases, and opposing chambers at the other end of the shaft - respectively, with pipelines for unloading microalgae and taking gases from the container, while the shaft chambers are made in communication with the technological volume of the container.