Fotobioreaktora to system zapewnia wytwarzanie fotosyntetycznych mikroorganizmów zawieszonych w wodzie, takich jak fotosyntetyzujących bakterii, sinic, eukariotycznej mikroalg , samodzielnie wielokomórkowych roślin, komórki , małych roślin, takich jak makroglonami gametofity i mchu protonemata . Produkcja ta odbywa się przez kulturę, najczęściej klonalną, w środowisku wodnym pod oświetleniem. Amplifikacja do objętości przemysłowych, które mogą sięgać setek metrów sześciennych, odbywa się w kolejnych etapach, w których objętość jednego etapu jest wykorzystywana do zaszczepienia następnej objętości. Aby zebrać populację drobnoustrojów i zapewnić produkcję biomasy, objętość każdego etapu może być częściowo odnawiana każdego dnia (hodowla ciągła) lub całkowicie zmieniana (hodowla okresowa). Etapom tym odpowiadają fotobioreaktory o coraz większej objętości i różnym charakterze.
Klonalne hodowle fotosyntetyczne wymagają ciągłego wykonywania czterech warunków w warunkach aseptyki.
Fotobioreaktory mają bardzo zróżnicowany charakter, od otwartych stawów po systemy zamknięte. Różnią się one pod wieloma względami, w szczególności w odniesieniu do ich geometrii i warunków hodowli, sposobu uwięzienia, oświetlenia, mieszania, kontroli termicznej, przenoszenia gazów i warunków pracy. Różne względy umożliwiają klasyfikację tych systemów, w szczególności mniej lub bardziej dokładną kontrolę warunków hodowli i grubości warstwy hodowlanej. Rozróżniamy grubości decymetryczne (baseny, kolumny i zbiorniki) i centymetryczne (pochylone płaszczyzny, rury, płyty). W tabeli 1 zebrano niektóre wyniki wymienione w literaturze dla różnych gatunków i fotobioreaktorów.
Tabela 1: Stężenia i produktywności powierzchniowe różnych fotobioreaktorów sklasyfikowane według grubości warstwy hodowlanej (Ø = średnica).
System produkcyjny | Długość ścieżki optycznej (cm) | Gatunki mikroalg | Maksymalne stężenia (gl -1 ) | Wydajność powierzchniowa (gm -2 d -1 ) | Źródło |
---|---|---|---|---|---|
Równia pochyła | 1 | Chlorella sp. | 2 | 25 (p) | |
Płyta | 1.2 | Arthrospira platensis | 4 - 6 | 24 lit. d) | |
Rurowy | 2,5 (Ř) | Spirulina platensis | 4 | 27 (w) | |
Rurowy | 4,8 (Ř) | Chlorella vulgaris | 4 | 52 (p) | |
Rurowy | 6,0 (Ř) | Porphyridium cruentum | 1 | 25 (p) | |
Rurowy | 12,3 (Ø) | Spirulina maxima | 1 | 25 (p) | |
Basen | 15 | Arthrospira platensis , Dunaliella salina , Odontella aurita | 0,4 | 12 - 13 (p) | |
Rurowy | 50 (Ř) | Haematococcus pluvialis | 0,4 | 13 (p) | |
Kolumna bąbelkowa | 50 (Ř) | T. Iso , Pavlova lutheri , Chaetoceros calcitrans , Tetraselmis suecica | 0,1 | 3 (d) |
(p) powierzchnia śladu; d) teren zabudowany
Ze względu na narażenie na skażenie, czyste kultury jednego gatunku są prawie niemożliwe w fotobioreaktorach stanowiących styk ze środowiskiem (baseny, zbiorniki, nachylone płaszczyzny), z wyjątkiem nielicznych gatunków ekstremofilnych, wśród których Arthrospira sp., Chlorella sp. , Dunaliella salina , Odontella aurita , Scenedesmus sp. i Nannochloropsis oculata . Inne gatunki wymagają środków ostrożności mających na celu sprzyjanie ich rozwojowi poprzez wzmocnienie aseptyki i masową inokulację. Mimo to kultury są często krótkotrwałe (partie) z powodu zakażenia przez szybciej rosnących konkurentów i drapieżników.
Najprostszym i najczęściej stosowanym fotobioreaktorem w wylęgarniach akwakultury jest przezroczysta pionowa rurka, u podstawy której wtryskiwane jest powietrze i odbiera światło z boków. Objętość tych kolumn barbotażowych waha się od 100 do 1000 litrów. Dno jest płaskie lub stożkowe i są otwierane lub zamykane przez nieprzemakalną pokrywę. Wyróżnia się je ze względu na rodzaj tworzyw sztucznych tworzących ich przezroczyste ścianki (polietylen, polimetakrylan metylu, wzmocniony poliester lub poliwęglan), grubość tych ścianek (sztywna skorupa lub folia) oraz sposób odnawiania objętości kultury. (Ciągłe lub partia).
Świetlówki są często rozmieszczone wokół tych objętości zgodnie ze stosunkiem mocy do objętości rzędu 1 wata na litr kultury. Jeśli pozwala na to szerokość geograficzna, wykorzystuje się również naturalne światło. Stosunkowo duże grubości hodowli nie pozwalają na osiągnięcie bardzo wysokich stężeń. Systemy te są szeroko stosowane w wylęgarniach akwakultury morskiej do hodowli mikroglonów jako pokarmu dla larw mięczaków i krewetek oraz żywych ofiar larw ryb drobnoustych. W tym zastosowaniu biomasa mikroalg jest rozprowadzana w postaci surowej kultury. Podobnie jak w przypadku wszystkich kultur mikroorganizmów, postaramy się zmaksymalizować stężenie mikroalg podczas zbioru, aby ograniczyć prace związane z separacją ciała stałego od cieczy (z wyjątkiem akwakultury, w której biomasa nie jest zbierana). Poszukiwanie najwyższych stężeń sprzyja zmniejszeniu grubości kultury mikroalg. W praktyce długości ścieżki optycznej rzadko są krótsze niż cm.
Te organizmy fotosyntetyzujące stosowane w fotobioreaktorze mają tę szczególną cechę, że wykorzystują CO 2 obecny w powietrzu do produkcji O 2 i namnażania się (zasada hodowli alg ).
Zainteresowanie tymi hodowlami na dużą skalę polega na bardzo użytecznym pozyskiwaniu znacznej biomasy glonów. Rzeczywiście, algi (w szczególności) mają wysoką zdolność reprodukcyjną (tworzenie dużej biomasy ). Wytwarzają duże ilości lipidów, które można wykorzystać w szczególności do produkcji biopaliw (biopaliwa, biogaz ).
Ponadto zdolność usuwania zanieczyszczeń przez te glony można również wykorzystać do oczyszczania ścieków i atmosfery.
Te szczególne właściwości alg są wykorzystywane w kilku zastosowaniach do produkcji energii (biopaliwa, ciepło i energia elektryczna).
Fotobioreaktory rurowe są przeznaczone do dużego rozwoju ze względu na ścisłą kontrolę warunków hodowli, na które pozwalają i wyników z nich wynikających. Te ułożone w pionowe bariery z poziomo płynących wiązek rurowych wykazują wysoką skuteczność fotosyntezy związaną z ich zdolnością do wykorzystania światła rozproszonego. Hodowla krąży tam w pętli i przechodzi naprzemiennie przez przezroczystą rurkę, gdzie wychwytuje światło i do wieży odgazowującej, gdzie musi koniecznie stracić tlen, aby uniknąć zahamowania fotosyntezy. Niektóre z tych instalacji mają łącznie 500 km szklanych rur, jak np. Ta firmy Roquette Frères w Klötze (Niemcy).
Aby zawartość rozpuszczonego tlenu nie osiągnęła wartości krytycznych, okresy między dwoma przejściami w wieży odgazowującej muszą się zmniejszać wraz ze wzrostem wielkości fotobioreaktora. W niektórych dużych instalacjach okresy te mogą skracać się do minuty. Pompy są następnie tak zwymiarowane, aby zapewniały cyrkulację kultury z prędkością 2 m / sw przewodach i w wieży odgazowującej, która może osiągnąć wysokość 7 m . Oprócz zużycia dużej ilości energii (> 2000 W / m 3 ), te procesy uprawy narażają mikroalgi na intensywne obciążenia mechaniczne, którym może się oprzeć tylko kilka gatunków. Są to na ogół małe mikroalgi bez przydatków i mające odporną ścianę komórkową, takie jak Chlorella vulgaris , Scenedesmus obliquus , Nannochloropsis oculata , Haematococcus pluvialis (cysty). Ze względu na tolerancję na obciążenia mechaniczne te ekstremofilne gatunki są uprawiane w Europie przez Salata, Roquette Frères (Niemcy), CleanAlgae (Hiszpania), Necton (Portugalia) i Algatech (Izrael).
Nowa koncepcja fotobioreaktora rurowego różni się od poprzedniej tym, że kultura krąży w rurkach w tym samym czasie, co gaz wzbogacony w CO 2, zapewniając usuwanie nadmiaru tlenu. To sprawia, że wydajność odgazowywania jest niezależna od wielkości fotobioreaktora i daje technologii ogromny potencjał w zakresie obniżenia kosztów kapitałowych i operacyjnych poprzez zwiększenie rozmiaru bez pogorszenia wydajności. Inna praktyczna konsekwencja tego wyboru polega na tym, że prędkość cyrkulacji jest znacznie niższa ( 0,3 m / s ) niż w fotobioreaktorach wieżowych odgazowujących. To znacznie zmniejsza zużycie energii (<400 W / m 3 ), naprężenia mechaniczne wywierane na krążące mikroalgi i umożliwia wydajne wykonywanie innych podstawowych funkcji, takich jak czyszczenie w linii wewnętrznej powierzchni wewnętrznej reaktora. Fotobioreaktory o pojemności 5000 L zgodne z tą koncepcją są używane w Baillargues (Francja) przez firmę Microphyt od końca 2009 roku. Okazały się one odpowiednie do przemysłowej uprawy kilku szczególnie delikatnych gatunków mikroalg. Możliwość masowej produkcji delikatnych gatunków otwiera pole do przemysłowej eksploatacji mikroorganizmów fotosyntetycznych, z których różnorodność biologiczna jest jedną z najważniejszych.
Technologia fotobioreaktorów była przedmiotem kilku projektów architektonicznych i urbanistycznych z wykorzystaniem Biofacades. Biofakady to konstrukcje (typu foto-bioreaktorów) z podwójnymi szybami wypełnionymi wodą, w których można uprawiać glony . Celem tych Biofacades jest optymalizacja „utraconej” powierzchni budynków poprzez zintegrowanie pionowego pola kultury mikroalg.
Zainstalowanie tych konstrukcji pozwoliłoby na zaspokojenie potrzeb energetycznych budynku. Rzeczywiście, wykorzystując właściwości alg można:
W porach roku temperatura nie jest stała. Aby przezwyciężyć to naturalne zjawisko, urządzenie byłoby w stanie zimą wychwytywać energię słoneczną poprzez efekt cieplarniany, a latem chłodzić elewację przepływami wody i wentylacji. Jest to możliwe dzięki obecności w fotobioreaktorze wymiennika ciepła. Zastosowanie Biofacades pozwoliłoby na zmniejszenie zużycia energii cieplnej o 50% w przypadku samego budynku io 80% w przypadku glonów w porównaniu z konwencjonalną uprawą w stawach.
Jest konsorcjum o nazwie Symbio2 składa się z firm (X-TU; Seche Environnement; OASIIS; RFR; Algosource technologii; GEPEA), które mają na celu stworzenie „zielonej dzielnicy”, gdzie 3 rd . Budynki generacji połączyć swoje mikro produkcję -algae w celu do zaspokojenia własnych potrzeb energetycznych. Program ten uzyskał unikalny fundusz międzyresortowy (FUI 15) wmarzec 2015 o wartości 1,7 miliona euro.
Należy zauważyć, że od tego czasu Styczeń 2014brak jest informacji zwrotnej na temat postępów w realizacji różnych projektów. Jednak w Hamburgu jest już budynek wyposażony w te Biofakady: BIQ.
Algi można wykorzystać do produkcji biodiesla i bioetanolu . Szczególnie interesujący jest fakt, że biomasa alg jest do 30 razy bardziej produktywna niż innych biomas.