.......Ez az áttekintés kritikus áttekintést nyújt a PBR-ek teljesítményét befolyásoló kulcsfontosságú paraméterekről, beleértve a fényt, a keverést, a tömegtranszfert, a hőmérsékletet, a pH-t, valamint a tőke- és működési költségeket. Az élettartam, valamint a tisztítási és hőmérsékletszabályozási költségek a kereskedelmi célú felhasználásnál is hangsúlyosak. A nagyüzemi műveletekhez négyféle PBR-típus – cső alakú, műanyag zacskós, oszlopos légi szállító reaktor és lapos paneles légi szállító reaktor javasolt. Ezen túlmenően ez a cikk kidolgozza a PBR-ek modellezését a számítási folyadékdinamika eszközeivel a racionális tervezés érdekében. Emellett elemzi a numerikus szimuláció nehézségeit, és bemutatja a mechanizmus alapú modellek lehetőségét.......
2.1 . Fény
A Chlorella vulgaris mikroalgák fényfenntartási pontja (azaz a besugárzás, amely alatt a fotolimitáció bekövetkezik) 5 µE·m −2 ·s −1 és 10 µE·m −2 ·s −1 között van , és a fénytelítettség intenzitása ( azaz a besugárzás, amely felett a fotogátlás bekövetkezik) körülbelül 250 µE·m −2 ·s −1 [20] .
A nagy sejtsűrűség eléréséhez a PBR vastagságának a lehető legkisebbnek kell lennie [16] ; ezért a vékony optikai vastagságot széles körben alkalmazzák a kereskedelmi PBR-ekben [50] . Például Degen et al. [20] azt találta, hogy a fényút 30 mm-ről 15 mm-re történő csökkentése 2,5-szeresére növelte a biomassza termelékenységét egy síkpaneles légi szállítású PBR-ben
20 DegenJ.,UebeleA.,RetzeA.,Schmid-StaigerU.Trösch W. A novel airlift photobioreactor with baffles for improved light utilization through the flashing light effect
J Biotechnol, 92 (2) (2001), pp. 89-94
Abu-Ghosh et al. [59] megfigyelte, hogy a villogó fényhatás fokozhatja a fotoszintézist, valamint javíthatja a termékek minőségét és mennyiségét. Iluz és Abu-Ghosh [46] azt találta, hogy a biomassza termelékenysége több mint 55%-kal nőtt, ha az L/D ciklusok frekvenciáját 60 Hz-re állítottuk. Degen et al. [20] felfedezte, hogy a Chlorella vulgaris biomassza hozama egy szakaszos tenyészetben, amelyet radiális keveréssel növeltek, 1,7-szerese volt, mint egy véletlenszerűen kevert buborékoszlopban. Azonban azt is megfigyelték, hogy a villogó fény csökkentheti a mikroalgák termelését, ha az L/D ciklus vagy a villanások gyakorisága nem volt optimalizálva [40] , [58] , [60] , [61]
59 Abu-GhoshS.,FixlerD.,DubinskyZ.,IluzD. Flashing light in microalgae biotechnology Bioresour Technol,203(2016), pp.357-363
2.2 . Keverés
A keverés kulcsfontosságú jellemzője a mikroalgák termesztésének [51] ; nemcsak a tápanyagokat, a pH-t és a hőmérsékleti gradienst tudja csökkenteni a tenyészlében, hanem megakadályozza a sejtek ülepedését, az elhalt zónák kialakulását, a sejtek csomósodását és a sejtek kötődését a PBR falaihoz [52] . Ezenkívül a keverés garantálja, hogy minden sejt egyformán legyen kitéve a fénynek, és elősegíti a fázisok közötti tömegátadást. A túlzott keverés azonban sejtkárosodást okozhat, és a tenyészet összeomlásához vezethet, ha a mikroalgák érzékenyek a nyíróerőre [53] . Posten [16] azzal érvelt, hogy az 1 m·s –1- nél nagyobb folyadéksebesség 50 µm-nél kisebb átmérőjű mikroörvényeket hoz létre, amelyek potenciálisan károsíthatják a sejteket, és 20–50 cm·s –1 folyadéksebesség javasolt.
52 Carvalho A.P., Meireles L.A., Malcata F.X.
Microalgal reactors: A review of enclosed system designs and performances
Biotechnol Progr, 22 (6) (2006), pp. 1490-1506
A cikk megvan és Bitog is idézi
2.3 . Tömegtranszfer
2.4 . Hőfok
A hőmérséklet a fotokatalitikus reakció fő tényezője [73] , és hatással van a fajok kémiai egyensúlyára, a gáz oldhatóságára és a pH-ra is [4] . A mikroalgátenyészet optimális hőmérséklete általában 20 °C és 24 °C között van [45] , és a legtöbb mikroalgák elviselik a 16 °C és 35 °C közötti vízhőmérsékletet [45] , [69] , [74] . A sejtek növekedési sebessége csökken, ha a hőmérséklet 16 °C-nál alacsonyabb, és a 35 °C-nál magasabb hőmérséklet egyes fajok számára halálos [45] .
Virtuális fotobioreaktort fejlesztettek ki mikroalgák tömeges tenyésztésére. Ez egy számítógépes modellrendszer, amely egy numerikus szimulációs kódot kombinál a buborékok és a folyamatos közeg kétfázisú turbulens áramlására, valamint egy fotoszintézis modellt, amely képes kifejezni a villogó fényhatást. Figyelembe kell venni a villogó fényhatást, mert a reaktor turbulens áramlása lehetőséget ad a mikroalgáknak arra, hogy az átlátszatlan közegben szabálytalan frekvenciával közel kerüljenek a besugárzott felülethez, és ez a szakaszos megvilágítás fokozza az algák fotoszintézisét. A kétfázisú áramlási modell a reaktor besugárzott falfelülete és a turbulens áramlás által passzívan mozgatott algasejt között a fénysugár mentén haladó fény időtörténetét adja ki. Amikor megadtuk a fény áteresztéséből és a Beer–Lambert törvényből számolt fényintenzitás történetét, amelyet a sejt tapasztal, a fotoszintézis modell minden kis időintervallumban kiadja a sejtből kibocsátott O2 mennyiségét. Végül az O2 mennyiségéből megbecsültük az algák termését. Ennek eredményeként a jelen modellrendszer sikeresen megjósolta az adott fényintenzitás mellett a legnagyobb O2 emisszióhoz optimális algakoncentrációt és szimulálta a Chaetoceros gracili növekedési görbéjét.
Light-path length and population density in photoacclimation of Nannochloropsis sp. (Eustigmatophyceae)
Fényút hossza és populációsűrűsége a Nannochloropsis sp. fotoakklimatizációjában. (Eustigmatophyceae)Közzétett:2000. október12. kötet , 349–354. oldal, ( 2000 ) Idézd ezt a cikket
Ezt a jelenséget
„villanófény effektus”-nak nevezik („Falshing light
effect” flashing light effect)
PFD definícióját nem találtam meg
Itt inkább a fényhez való alkalmazkodás van villanó fény effektust nem találtam.
Az akvakultúrában tápláléklánc-komponensként széles körben használt Nannochlropsis sp. tengeri eustigmatofiton fotoakklimatizációját laboratóriumban és szabadban is tanulmányozták. A sejtklorofillt és a karotinoidokat markerként használtuk az erős fényhez való fotoakklimatizáció értékelésére, valamint a sejtproliferáció miatti növekedési besugárzás csökkentésére. A tömeges termesztés gyakorlati szempontjaira összpontosítva három különböző megközelítést alkalmaztak az alábbiak szerint: (a) kezdetben gyenge fénynek (150 μmol foton m -2 s -1 ) kitett tenyészetek, majd erős fényre (1000-3000 μmolfoton m -2 s -1 ) kerültek át. ; b) kezdetben alacsony sejtsűrűségű tenyészetek, amelyeket különböző fényútvonalú reaktorokban termesztettek, erős PFD hatásnak kitéve, laboratóriumban és szabadban; c) kezdetben alacsony vagy nagy sejtsűrűségű tenyészetek, amelyek erős fénynek vannak kitéve. Amint azt már számos jelentésben megállapították, a sejtklorofill érzékeny paramétert képviselt a fényforrás intenzitásának változásaira, valamint a sejteket kitett fényviszonyok változásaira adott sejtválasz értékelésében. A sejtklorofill-koncentráció kezdetben élesen csökkent, amikor a tenyészetet alacsony PFD sejtről -1 magas PFD sejt -1 értékre vitték át , vagy a tenyészet hígítása (azaz a sejtsűrűség csökkenése és a kölcsönös árnyékolás), vagy a PFD növekedése miatt. Körülbelül 7 napos fotoakklimatizáció után 2000 és 3000 μmol fotonm -2 s -1 -hez a klorofill a tartalom sokkal gyorsabban kezdett emelkedni, mint a sejtszám, ami szintén nőtt a nagyobb besugárzás hatására. Az m -2 s -1 korábban és gyorsabban növelte az utóakklimatizációt, mint a 3000 μmol foton m -2 s -1 tenyészetében , ami azt jelzi, hogy a későbbi besugárzás erősebb stresszt érintett. A reaktor fényútjának hossza döntő hatást gyakorolt a sejtek erős fényre adott válaszára a tenyészetben lévő fényre gyakorolt hatásán keresztül. A PFD meredek növekedésével az 1 cm-es reaktorban a karotinoidok sokkal gyorsabban növekedtek, mint a klorofill, összehasonlítva a 3 cm-es fényút-reaktorokkal. Ez a jelentős különbség a sejtreakcióban a fény eltolódására a fényviszonyok hatalmas eltéréseinek tulajdoníthatók, amelyek a fényút hosszában és a területi sűrűségben mutatkozó különbségekhez kapcsolódnak. Az alacsony sejtsűrűségű tenyészetek növekedése átmenetileg leállt az erős fényre való átvitel után, ellentétben az erős fényre átvitt nagy sejtsűrűségű tenyészetekkel, amelyek késés nélkül folytatták a növekedést.
In conclusion, studies of photoacclimation of mass
cultures in photobioreactors requires attention to all
components of the light regime, particularly the light
path which governs the L-D cycle and the optimal
areal cell density. Long term photoacclimation outdoors
to strong light in growing continuous cultures,
as reflected in cell-chlorophyll, appeared to go through
two different phases. In the first, cell-chlorophyll
decreased due to high shift-up in PFD cell−1, emphasizing
the necessity to have the inoculum for outdoor
reactors acclimated to strong light and moreover, have
the cell density adjusted to the light-path. In the
second phase, cell-chlorophyll at optimal culture density
sharply increases as a result of greatly reduced PFD
cell−1 affected by cell proliferation.
Összefoglalva, a tömeg fotoakklimatizációjának tanulmányozása
A fotobioreaktorokban lévő kultúrák mindenki számára figyelmet igényelnek
a fényrendszer összetevői, különösen az L-D (light-dark)ciklust szabályozó fényút és az optimális
területi sejtsűrűség. Hosszú távú fotoakklimatizáció a szabadban
erős fényre a növekvő folyamatos kultúrákban,
ahogy a sejt-klorofill tükröződik, áthaladni látszott
két különböző fázis. Az elsőben a sejt-klorofill
csökkent a PFD cell−1 magas eltolódása miatt, hangsúlyozva
a kültéri oltóanyag szükségessége
az erős fényhez szokott reaktorok, sőt, igen
a sejtsűrűség a fényúthoz igazítva. Ban,-ben
második fázis, sejt-klorofill optimális tenyésztési sűrűséggel
meredeken növekszik a jelentősen csökkent PFD következtében
sejtproliferáció által érintett sejt−1.
Dynamic discrete model of flashing light effect in photosynthesis of microalgae
A mikroalgák tömeges tenyésztésére szolgáló fotobioreaktorról ismert, hogy a villogó fényhatás fokozza a fotoszintézis hatékonyságát. Ennek a hatásnak a tisztázására egy dinamikus fotoszintézis modellt fejlesztettek ki. A modell sajátossága, hogy a Calvin-ciklusban diszkrét RuBP részecskék keringenek, és sebességüket a ciklusban a fotonvételi folyamat során keletkező ATP mennyisége határozza meg. Ezzel folyamatos megvilágítás mellett a fénytelítettség, ingadozó megvilágítás mellett pedig a villogó fényhatás érhető el. Laboratóriumi kísérleteket végeztek a modellparaméterek meghatározására a Chaetoceros calcitrans görbeillesztésével . A jelen modell a fényvillogó hatást közepesen jól demonstrálja és ésszerűen megvilágítja annak mechanizmusát.
A autotrofikus organizmust , amely a fényt használja energiaforrásként és a CO 2 -ot, fotoautotrófnak nevezik . szénforrásként. A növények , a cianobaktériumok és a zöld kén baktériumok fotoautotróf szervezetek. A heterotrófia az az igény, hogy egy élő organizmus táplálja a már létező szerves komponenseket . A heterotrófia fogalma ellentétes az autotrófiával . A mixotróf organizmusok autotróf és heterotróf módon táplálkoznak velük.
1.1.1. A hőmérséklet hatása Az algák növekedési sebességét a hőmérséklet emelkedése csak egy bizonyos értékig növeli exponenciálisan ( 4 . ábra ). A különböző alga fajoknál az optimális hőmérséklet eltérő lehet (Singh és Singh 2015; Wetzel 2001) . Relatív Fotoszintézis Hőmérséklet [°C] 0 10 20 30 40 Scendemus Chlorella Anabeana Synedra 4 . ábra Alganövekedés különböző hőmérsékletek mellett Forrás: (Wetzel 2001) Míg a zárt rendszerekben a hőmérséklet szabályozható, addig a szélsőséges hőmérséklet-ingadozás a szabadban lévő kultúrák esetében nehézséget okoz. Az alacsonyabb hőmérséklettartományban (~ -20°C) általában lelassul a növekedés, nem pusztulnak el az algák, az optimális hőmérséklet tartomány (~18–25 °C), fölötti értékek élettanilag veszélyesek. A 35°C-nál nagyobb hőmérséklet halálos a fajok többségénél (Hanagata és mtsai. 1992; Mehlitz 2009; Serra-Maia és mtsai. 2016) . Termelékenység szempontjá...
Megjegyzések
Megjegyzés küldése