Культивирование микроводорослей в инкубаториях - Culture of microalgae in hatcheries
Микроводоросли или микроскопические водоросли растут как в морских, так и в пресноводных системах. Они являются основными производителями в океанах, которые превращают воду и углекислый газ в биомассу и кислород в присутствии солнечного света.
Самое древнее задокументированное использование микроводорослей было 2000 лет назад, когда китайцы использовали цианобактерии Nostoc в качестве источника пищи во время голода. Другой тип микроводорослей, цианобактерии Arthrospira ( Spirulina ), были обычным источником пищи среди населения Чада и ацтеков в Мексике еще в 16 веке.
Сегодня культивируемые микроводоросли используются в качестве прямого корма для людей и наземных сельскохозяйственных животных, а также в качестве корма для культивируемых водных видов, таких как моллюски и ранние личиночные стадии рыб и ракообразных. Это потенциальный кандидат для производства биотоплива . Микроводоросли могут расти в 20 или 30 раз быстрее, чем традиционные пищевые культуры, и им не нужно бороться за пахотные земли. Поскольку производство микроводорослей является центральным для многих коммерческих применений, существует потребность в производственных технологиях, которые повышают производительность и являются экономически выгодными.
Обычно культивируемые виды микроводорослей
| Разновидность | заявка |
|---|---|
| Chaetoceros sp. | Аквакультура |
| Хлорелла обыкновенная | Источник природных антиоксидантов |
| Дуналиелла салина | Производят каротиноиды ( β-каротин ) |
| Haematococcus sp. | Производят каротиноиды ( β-каротин ), астаксантин , кантаксантин |
| Phaeodactylum tricornutum | Источник антиоксидантов |
| Порфиридий круентум | Источник антиоксидантов |
| Rhodella sp. | Краситель для косметики |
| Skeletonema sp | Аквакультура |
| Arthrospira maxima | Высокое содержание белка - Пищевая добавка |
| Arthrospira platensis | Высокое содержание белка - Пищевая добавка |
Технологии производства инкубатория
В инкубаториях выращивают различные виды микроводорослей, которые различными способами используются в коммерческих целях. Исследования оценили основные факторы успеха системы инкубирования микроводорослей, такие как размеры контейнера / биореактора, в котором выращиваются микроводоросли, воздействие света / облучения и концентрация клеток в реакторе.
Система открытых прудов
Этот метод используется с 1950-х годов. Выращивание микроводорослей в открытых водоемах дает два основных преимущества . Во-первых, систему открытых водоемов проще построить и эксплуатировать. Во-вторых, открытые пруды дешевле закрытых биореакторов, потому что закрытые биореакторы требуют системы охлаждения. Однако недостатком использования систем открытого пруда является снижение продуктивности некоторых коммерчески важных штаммов, таких как Arthrospira sp. , где оптимальный рост ограничен температурой. Тем не менее, для компенсации этого можно использовать отходящее тепло и CO2 из промышленных источников.
Метод эрлифта
Этот метод используется при выращивании и выращивании микроводорослей в открытом грунте; где воздух перемещается внутри системы для циркуляции воды там, где растут микроводоросли. Культура выращивается в прозрачных трубках, которые лежат горизонтально на земле и соединены сетью труб. Воздух проходит через трубку так, что воздух выходит из конца, который находится внутри реактора, содержащего культуру, и создает эффект, похожий на перемешивание.
Закрытые реакторы
Самым большим преимуществом культивирования микроводорослей в закрытой системе является контроль над физической, химической и биологической средой в культуре. Это означает, что факторы, которые трудно контролировать в системах открытых водоемов, такие как испарение, градиенты температуры и защита от загрязнения окружающей среды, делают закрытые реакторы более предпочтительными по сравнению с открытыми системами. Фотобиореакторы являются основным примером закрытой системы, в которой можно контролировать абиотические факторы. На сегодняшний день было протестировано несколько закрытых систем для культивирования микроводорослей, несколько важных из них упомянуты ниже:
Горизонтальные фотобиореакторы
Эта система включает трубы, проложенные на земле и образующие сеть петель. Смешивание суспендированной культуры микроводорослей происходит с помощью насоса, который поднимает культуру вертикально через определенные промежутки времени в фотобиореактор . Исследования показали, что импульсное перемешивание через определенные промежутки времени дает лучшие результаты, чем использование непрерывного перемешивания. Фотобиореакторы также ассоциируются с более высокой производительностью, чем системы открытых прудов, поскольку они могут поддерживать лучший температурный градиент. Пример, отмеченный в более высокой продуктивности Arthrospira sp. использование в качестве пищевой добавки было связано с более высокой продуктивностью из-за более подходящего температурного диапазона и более продолжительного периода выращивания в летние месяцы.
Вертикальные системы
В этих реакторах используются вертикальные полиэтиленовые рукава, подвешенные к железной раме. В качестве альтернативы также можно использовать стеклянные трубки. Микроводоросли также выращивают в вертикальных альвеолярных панелях (ВАП), которые представляют собой тип фотобиореактора . Этот фотобиореактор отличается низкой производительностью. Однако эту проблему можно решить, изменив отношение площади поверхности к объему ; где более высокий коэффициент может повысить производительность. Перемешивание и деоксигенация являются недостатками этой системы, и их можно устранить путем непрерывного барботирования воздуха со средней скоростью потока. Два основных типа вертикальных фотобиореакторов - это проточные VAP и пузырьковые колонки VAP.
Плоские реакторы
Реакторы с плоской пластиной (FPR) построены с использованием узких панелей и размещаются горизонтально для максимального поступления солнечного света в систему. Концепция FPR заключается в увеличении отношения площади поверхности к объему, чтобы можно было эффективно использовать солнечный свет. Эта система выращивания микроводорослей изначально считалась дорогой и не способной распространять культуру. Таким образом, использование FPR в целом было признано нецелесообразным для коммерческого производства микроводорослей. Однако экспериментальная система FPR в 1980-х годах использовала циркуляцию внутри культуры из газообменной установки через горизонтальные панели. Это решает проблемы с циркуляцией и обеспечивает преимущество открытой газообменной установки, которая снижает накопление кислорода. Примеры успешного использования FPR можно увидеть в производстве Nannochloropsis sp. используется из-за высокого уровня астаксантина .
Реакторы ферментерного типа
Реакторы ферментерного типа (FTR) - это биореакторы, в которых осуществляется ферментация . FTRs не получили большого развития в выращивании микроводорослей и имеют недостаток в соотношении площади поверхности к объему и сниженной эффективности использования солнечного света. FTR были разработаны с использованием комбинации солнечного и искусственного света, что привело к снижению производственных затрат. Однако доступная информация о крупномасштабных аналогах разрабатываемых лабораторных систем очень ограничена. Основное преимущество заключается в том, что внешние факторы, то есть свет, можно контролировать, а производительность может быть увеличена, так что FTR может стать альтернативой для продуктов для фармацевтической промышленности.
Коммерческие приложения
Использование в аквакультуре
Микроводоросли являются важным источником питания и широко используются в аквакультуре других организмов либо напрямую, либо в качестве дополнительного источника основных питательных веществ. Фермы аквакультуры, выращивающие личинок моллюсков , иглокожих , ракообразных и рыб, используют микроводоросли в качестве источника питания. Низкое содержание бактерий и высокая биомасса микроводорослей - важный источник пищи для аквакультуры моллюсков.
Микроводоросли могут стать началом цепочки дальнейших процессов аквакультуры. Например, микроводоросли являются важным источником пищи в аквакультуре морских креветок . Морские креветки производят спящие яйца, называемые цистами , которые могут храниться в течение длительного времени, а затем вылупляться по мере необходимости, чтобы обеспечить удобную форму живого корма для аквакультуры личинок рыб и ракообразных.
Другие применения микроводорослей в аквакультуре включают повышение эстетической привлекательности рыб, выращиваемых в неволе. Один из таких примеров можно отметить в аквакультуре лосося , где микроводоросли используются для придания более розового цвета мясу лосося. Это достигается за счет добавления в рацион сельскохозяйственных животных натуральных пигментов, содержащих каротиноиды, таких как астаксантин, производимый микроводорослями Haematococcus . Два вида микроводорослей, I. galbana и C. calcitrans , в основном состоят из белков, которые используются для придания яркости лососям и родственным видам.
Питание человека
Основными видами микроводорослей, выращиваемых в качестве здоровой пищи, являются хлорелла и спирулина ( Arthrospira platensis ). Основные формы производства происходят в небольших прудах с искусственными смесителями. Arthrospira platensis - сине-зеленая микроводоросль, долгое время использовавшаяся в качестве источника пищи в Восточной Африке и доколониальной Мексике. Спирулина с высоким содержанием белка и других питательных веществ находит применение в качестве пищевой добавки и при недоедании. Он хорошо растет в открытых системах, и коммерческие производители сочли его хорошо подходящим для выращивания. Одна из крупнейших производственных площадок - озеро Тескоко в центральной Мексике. Растения производят множество питательных веществ и большое количество белка и часто используются в коммерческих целях в качестве пищевой добавки. Хлорелла имеет сходные со спирулиной питательные вещества и очень популярна в Японии . Он также используется в качестве пищевой добавки с возможным влиянием на скорость метаболизма .
Производство длинноцепочечных омега-3 жирных кислот , важных для питания человека можно также культивировать через микроводоросли рыбоводных систем.
Австралийские ученые из Университета Флиндерса в Аделаиде экспериментируют с использованием морских микроводорослей для производства белков для потребления человеком, создавая такие продукты, как « икра », веганские гамбургеры, поддельное мясо , джемы и другие пищевые спреды . Управляя микроводорослями в лаборатории , можно увеличить содержание белка и других питательных веществ , а также изменить вкус, чтобы сделать их более вкусными. Эти продукты оставляют гораздо более легкий углеродный след, чем другие формы белка, поскольку микроводоросли поглощают, а не производят углекислый газ , который способствует образованию парниковых газов .
Производство биотоплива
Чтобы удовлетворить потребности в ископаемом топливе , исследуются альтернативные виды топлива. Биодизель и биоэтанол - это возобновляемые виды биотоплива с большим потенциалом, которые важны в текущих исследованиях. Однако возобновляемые виды топлива на основе сельского хозяйства могут быть не полностью устойчивыми и, следовательно, не смогут заменить ископаемое топливо. Микроводоросли могут быть чрезвычайно богаты маслами (до 80% сухой массы биомассы ), пригодными для преобразования в топливо. Более того, микроводоросли более продуктивны, чем земледельческие культуры, и поэтому могут быть более устойчивыми в долгосрочной перспективе. Микроводоросли для производства биотоплива в основном производятся с использованием трубчатых фотобиореакторов .
Фармацевтика и косметика
Новые биоактивные химические соединения могут быть выделены из микроводорослей, таких как сульфатированные полисахариды . Эти соединения включают фукоиданы , каррагинаны и ульваны , которые используются из-за их полезных свойств. Эти свойства являются антикоагулянтами , антиоксидантами , противораковыми средствами, которые проходят проверку в медицинских исследованиях.
Красные микроводоросли характеризуются пигментами, называемыми фикобилипротеинами, которые содержат натуральные красители, используемые в фармацевтике и / или косметике .
Биоудобрение
Сине-зеленая водоросль впервые использовалась как средство фиксации азота, позволяя цианобактериям размножаться в почве, действуя как биоудобрение . Фиксация азота важна как средство, позволяющее преобразовывать неорганические соединения, такие как азот , в органические формы, которые затем могут быть использованы растениями. Использование цианобактерий - это экономически выгодный и экологически чистый метод повышения урожайности. Этот метод использовался для выращивания риса в Индии и Иране с использованием азотфиксирующих свойств свободноживущих цианобактерий для увеличения содержания азота в почвах.
Другое использование
Микроводоросли являются источником ценных молекул, таких как изотопы, т.е. химические варианты элемента, содержащие разные нейтроны. Микроводоросли могут эффективно включать в свою биомассу изотопы углерода ( 13 C), азота ( 15 N) и водорода ( 2 H). 13 C и 15 N используются для отслеживания потока углерода между различными трофическими уровнями / пищевыми цепями. Изотопы углерода, азота и серы также могут использоваться для определения нарушений в донных сообществах, которые иначе трудно изучить.
Проблемы
Хрупкость клеток - самая большая проблема, ограничивающая производительность закрытых фотобиореакторов . Повреждение клеток может быть связано с турбулентным потоком внутри биореактора, который необходим для создания перемешивания, чтобы свет был доступен всем клеткам.