Биокомплекс по производству хлореллы

Изобретение относится к области биотехнологии для агропромышленного комплекса, в частности к проектированию и оборудованию комплексов, предназначенных для выращивания микроводорослей. Автономный биокомплекс по производству хлореллы содержит животноводческий коровник, имеющий узел кормоприготовления и накопитель органических отходов с возможностью их переработки и доставки, силосные башни, блок выращивания хлореллы и микроводорослей. Биокомплекс имеет открытый резервуар с системой водопровода и состоит из административного блока и имеющего лаборатории и накопительный бак производственного блока сооружения. Блок выращивания хлореллы и микроводорослей образован биореакторами открытого типа и выполняющей функцию закрытого фотобиореактора многоуровневой вертикальной теплицей. Многоуровневая вертикальная теплица состоит из закрытых фотобиореакторов для выращивания хлореллы. Теплица размещена в центре здания через переход и снабжена расположенными в подвале производственного блока приточно-вытяжными вентиляционными камерами для вентиляции хлореллы. На нижнем уровне теплицы расположены биогазовые установки для подогрева реакторов. Каждый биореактор открытого типа имеет приточно-вытяжную установку с рекуперацией и увлажнением для вентиляции хлореллы и выполнен в виде чаши из железобетона с установленным по центру чаши ветрогенератором для дополнительной выработки энергии для перемешивания и продувки биомассы через трубы с соплами. Внизу каждой чаши расположен насос для продувки биомассы углекислым газом, при этом все биореакторы открытого типа размещены по склону по обе стороны от производственного блока с лабораториями на разных уровнях и соединены между собой трубами с возможностью свободного перетока биомассы хлореллы, микроводорослей по трубам из одной чаши в другую под воздействием силы тяжести. При этом часть готовой биомассы посредством средств доставки направляется на корм крупному рогатому скоту и в силосные башни, а часть готового органического удобрения посредством средств доставки возвращена в биореакторы для создания питательной среды, а остальная часть его поступает в биогазовые установки, где биомасса путем брожения выделяет энергию для подогрева реакторов. Изобретение обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении продуктивности, улучшении качества получаемой продукции при одновременном сохранении экологии окружающей среды и расширении технологических возможностей. 3 ил.

 

Изобретение относится к агропромышленному комплексу, в частности к проектированию комплексов, предназначенных для выращивания микроводорослей.

В последнее время в различных отраслях сельского хозяйства актуальным направлением становится использование ресурсосберегающих технологий. Одним из таких направлений служит использование в качестве витаминно-кормовой добавки и профилактического средства против болезней биомассы такой микроводоросли, как хлорелла [1].

Биомасса водорослей, получаемая при культивировании под открытым небом, используется для изучения их кормовых достоинств как источника белка и физиологически активных соединений. Положительные результаты свидетельствуют необходимости проведения дальнейшей исследовательской работы и последующего внедрения в производство [2].

Вместе с тем в более широком плане разработка способов промышленного культивирования одноклеточных фотосинтезирующих микроводорослей является одним из путей введения процесса фотосинтеза в промышленное производство. Последствия такого явления своеобразной индустриализации фотосинтеза трудно переоценить [3].

Таким образом, использование хлореллы во многих производственных ветвях деятельности общества даст положительные результаты, такие как повышение продуктивности, улучшение качества получаемой продукции, увеличение прибыли, что в дальнейшем может привести многие отрасли к переходу на более новый и высокий уровень развития, при этом снижая негативное воздействие на окружающую среду. Но для дальнейшей работы в данной области необходимо биокомплексы, в которых есть возможности не только для производства микроводоросли, но и для ее исследования и дальнейшего продвижения в различных отраслях.

Важные условия для продуктивного биотехнологического производства хлореллы - это солнечный свет, тепло, вода, питательная среда, насыщенная микроэлементами, и углекислый газ. Поддержание данных параметров обеспечивается благодаря современным системам автоматического управления мощностью системы обогрева на основе биогаза, исполнительными механизмами режима питания минеральными веществами, досвечивания искусственными источниками освещения, концентрации углекислого газа и другим инженерным оборудованием [4].

Энергия ветра преобразуется ветроэнергетическими установками (ВЭУ) в механическую энергию, для работы водяных насосов, подвижных сопел для продувки и сбора хлореллы, а также в зимнее время для производства электроэнергии, когда основные чаши для летнего производства хлореллы не используются, а предприятие имеет повышенное энергопотребление. Таким образом, автоматизация и механизация технологических процессов позволит увеличить объемы данного производства и сделать его круглосуточным и круглогодичным.

Известно устройство - плавучий биореактор, включающий в себя 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 подачи и отбора газов из контейнера. Контейнер снабжен горизонтальным каркасом в форме поверхности кругового полого цилиндра, основания которого посредством стержней соединены между собой по образующим. На одной оси с каркасом смонтирован вал. Трубопроводы для загрузки исходных сырьевых компонентов и подачи газов, а также разгрузки микроводорослей и отбора газов смонтированы в основаниях каркаса контейнера. Биореактор снабжен понтоном, шарнирно сочлененным с контейнером посредством одноплечих рычагов, смонтированных на валу контейнера с возможностью его свободного вращения и качания по вертикали [5]. Однако известный биореактор для выращивания микроводорослей имеет существенные недостатки. Светопроницаемый полимерный материал имеет достаточно низкий показатель рассеивания света, поэтому микроводорослям может быть недостаточно солнечного света для полноценного произрастания. Верхняя поверхность биореактора зарастает водорослями, и очистка поверхностей для поддержания их светопропускной способности ведет к удорожанию конечного продукта и усложнению конструкции. К тому же данный биореактор, расположенный в водоеме, не имеет приспособлений для того, чтобы часто снимать урожай готовой продукции и быстро транспортировать ее непосредственно к потребителю. А также данный биореактор использует традиционные источники энергии, вместо альтернативных.

Известен наиболее близкий способкультивирования микроводорослей, включающий две стадии альголизации, из которых вторую стадию осуществляют в открытых водоемах при внесении первичного инокулята культуры, преимущественно Chlorella vulgaris BIN, отличающийся тем, что на первой стадии производят альголизацию первичным инокулятом, полученным в фотобиореакторе, синхронно или со сдвигом по времени многофункциональных закрытых бассейнов со светопроницаемыми ограждениями; выращивают вторичный инокулят, при этом культивирование начинают в весенний период при среднесуточной температуре воды в бассейнах в диапазоне 12-18°С; вторую стадию культивирования микроводорослей начинают путем отбора из бассейнов вторичного инокулята при температуре воды в открытых водоемах 12-18°С и продолжают его подачу в открытые водоемы; также частично отбирают вторичный инокулят из бассейна в качестве готового продукта в весенний и осенний периоды при температуре воды в них в диапазоне 8-12°С, при этом в многофункциональные бассейны добавляют равное количество воды с растворенными в ней биогенами. [6] Особенность данного способа в том, что для подогрева бассейнов в качестве теплоносителя используют канализационные стоки и/или сбросные воды систем отопления. Его недостаток в том, что этот способ не является автономным, подогрев хлореллы зависит от внешних факторов, а также в открытом водоеме нельзя проконтролировать качество растущей хлореллы, если в дальнейшем предусматривать ее использование в пищевой, медицинской и косметических отраслях.

Цель предлагаемого изобретения - создание комплекса, техническое оснащение которого способно обеспечить условия для автономного и безотходного сельскохозяйственного производства на основе микроводорослей.

Задачи изобретения: обеспечить безотходность и автономность производства микроводорослей, удешевить себестоимость хлореллы за счет предложенной технологии, создать благоприятные условия для улучшения экологической обстановки, увеличить рентабельность сельскохозяйственного производства Российской Федерации, снизить потребление топливно-энергетических ресурсов за счет использования альтернативных источников энергии и впоследствии получать животноводческую продукцию высокого качества.

Биокомплекс по производству хлореллы представляет собой совокупность установок закрытого и открытого типа по выращиванию хлореллы при помощи автоматизированной и механизированной безотходной технологии с замкнутым циклом производства (обогрев хлореллы в качестве корма для животноводства за счет энергии, получаемой из отходов животноводческой деятельности, и при функционировании эффективных ветроэнергетических установок) является полностью автономным и безотходным, чем отличается от наиболее близких прототипов (фиг. 1).

Сооружение биокомплекса состоит из двух блоков: административный блок 1 и промышленный блок 2, включающий себя лаборатории 8, в которых проводятся исследования микроводорослей, и накопительный бак 9 для аварийной подачи воды в открытые реакторы (фиг. 2).

Все помещения с постоянным пребыванием людей запроектированы примыкающими к фасаду здания и обеспечены естественным освещением (фиг. 2). От каждой лаборатории 8 вниз по склону располагаются в разных уровнях реакторы открытого типа 4 для выращивания хлореллы, ее биомасса свободно по трубам перетекает из одной чаши в другую под воздействием силы тяжести (фиг. 1). Посередине в чашах установлены ветрогенераторы 12 для дополнительной выработки энергии для перемешивания и продувки биомассы трубами с соплами 10, внизу чаши расположен насос 11 для продувки биомассы углекислым газом (фиг. 3), в центре здания через переход находится многоуровневая вертикальная теплица (закрытый фотобиореактор) 3, представляющая собой закрытые реакторы для выращивания хлореллы, на нижнем уровне теплицы расположены биогазовые установки 7 (фиг. 2).

Из закрытых 3 и открытых 4 реакторов одна часть выращенной хлореллы поступает на корм крупному рогатому скоту в коровник 5, а другая (в качестве запаса) - в силосные башни 5 (фиг. 1), затем в результате ферментативной и микробиологической переработки организмом скота образуется органическое удобрение, часть которого возвращается в реакторы 3, 4 для создания питательной среды, а остальная часть поступает в биогазовые установки 7, где биомасса путем брожения выделяет энергию для подогрева реакторов 3, 4 (фиг. 1).

Принципиальная схема такого культивирования состоит в выращивании водорослей в жидких питательных средах в бассейнах, лотках и других емкостях с различными способами перемешивания, подачи углекислоты и использованием солнечного света. [7]

Для устройства «перевернутого» и верхнего куполов накопительного бака и реакторов открытого типа для выращивания хлореллы используются железобетонные конструкции (фиг. 3), в которых отношение стрелы подъема купола к диаметру - не менее 0,2, толщина стенки монолитных куполов -одна шестисотая, но не менее 5 см, а толщина железобетона - 25 см. Армирование купола в меридиональном направлении устанавливают из расчета сечений на внецентренное сжатие (совместное воздействие меридионального продольного усилия и меридионального момента). Кольцевая арматура подбирается по величине кольцевого усилия, стенку купола армируют обычно сеткой, в которой стержни одного направления воспринимают меридиональные усилия, а стержни другого - кольцевые. Около примыкания купола к опорному кольцу для восприятия опорных изгибающих моментов ставят дополнительную арматуру, опорное кольцо рассчитывают на растяжение, так как все усилие передается на кольцевую арматуру опорного кольца, эту арматуру целесообразно подвергать предварительному напряжению, что позволит благодаря применению высокопрочной стали сократить ее расход, повысить трещиностойкость опорного кольца и уменьшить распор купола. Напрягаемая арматура располагается в каналах или наматывается на боковую грань опорного кольца с последующим нанесением защитного слоя бетона торкретированием. Сборные купола монтируют из криволинейных меридиональных ребристых элементов, материалы конструкции состоят из пленки ПВХ, подкладочного материала, выравнивающей цементно-песчаной стяжки 20 мм, железобетонного днища 250 мм, утеплителя 30 мм, подстилающего слоя 70 мм.

В соответствии с технологией проектом предусмотрен ввод водопровода Ду 50 мм в открытый резервуар 4, обеспечивающий подачу воды для залива и долива ее в чашу. Труба 15 заканчивается фланцем, вышеуказанный диаметр обеспечивает аварийное заполнение чаши бассейна в течении 24 часов (фиг. 3). Давление на вводе не превышает 4 атм, так как оно обеспечивается путем установки регулятора давления. Требуемый ежесуточный расход воды от промывки фильтров составляет 14,2 м³/сут.

Подогрев хлореллы в зимний период в реакторах осуществляется посредством биогазовых установок 7, расположенных в самом здании теплицы на нижнем этаже (фиг. 2).

Вентиляция хлореллы в теплице (закрытом реакторе) происходит посредством приточно-вытяжных вентиляционных камер 13, расположенных в подвале производственного здания (фиг. 2), в открытых реакторах вентиляция хлореллы осуществляется с помощью приточно-вытяжных установок 14 с рекуперацией и увлажнением (фиг. 3).

Таким образом, использование предлагаемого устройства по производству хлореллы совместно с применением высокотехнологичных способов выработки энергии из альтернативных источников и современных материалов и конструкций выведет современное сельское хозяйство на новый уровень за счет экологичности и энергоэффективности.

Технология бассейнового (открытого) производства не требует высоких финансовых вложений и адаптирована к расширению производственных мощностей, а также способна давать большие выходы биомассы.

Исходя из приведенных выше исследований, хлорелла может служить в качестве основного корма и в качестве пищевой добавки в корм животных и, как минимум, профилактическим гомеопатическим средством, особенно в виде суспензии, так как почти половина водорастворимых витаминов находится в водной среде. Себестоимость культивирования данной микроводоросли при использовании данного биокомплекса составляет от 50 коп. до 1 рубля за литр, в то время как себестоимость килограмма сена варьируется около 8 рублей. Урожай хлореллы можно снимать каждый день или два раза в день в зависимости от технологии. Биомасса хлореллы при этом превышает биомассу травы в 10 раз.

Источники информации

1. Селяметов Р.А. Эффективность использования суспензии хлореллы при откорме животных / Р.А. Селяметов, И.Ч. Чимкентбаев // Культивирование и применение микроводорослей в народном хозяйстве: материалы конф. - Ташкент: Фан УзССР, 1980 - С. 77.

2. Лукьянов В.А., Стифеев А.И., Горбунова С.Ю. Научно обоснованное культивирование микроводорослей / В.А. Лукьянов, А.И. Стифеев, С.Ю. Горбунова // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2013, № 9, с. 55-57.

3. Музафаров A.M. Культивирование и применение микроводорослей / A.M. Музафаров, Т.Т. Таубаев. - Ташкент: Фан УзССР, 1984 - 136 с.

4. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз. Теория и практика (1982). Перевод с немецкого и предисловие М.И. Серебряного.

5. RU 2491330.

6. RU 2497944.

7. Патент СССР № 4624169/13, 15.02.1992. Способ выращивания микроводорослей. Патент СССР № 699014. 1988 Бюл. № 6 / Журавлев, Г.Н. Макаров, А. Рахимов, X. Якубов, Т. Васигов, В.А. Киселев.

Автономный биокомплекс по производству хлореллы, включающий животноводческий коровник, имеющий узел кормоприготовления и накопитель органических отходов с возможностью их переработки и доставки, силосные башни, блок выращивания хлореллы и микроводорослей, отличающийся тем, что биокомплекс имеет открытый резервуар с системой водопровода и состоит из административного блока и имеющего лаборатории и накопительный бак производственного блока сооружения, блок выращивания хлореллы и микроводорослей образован биореакторами открытого типа и выполняющей функцию закрытого фотобиореактора многоуровневой вертикальной теплицей, состоящей из закрытых фотобиореакторов для выращивания хлореллы, причем теплица размещена в центре здания через переход и снабжена расположенными в подвале производственного блока приточно-вытяжными вентиляционными камерами для вентиляции хлореллы, а на нижнем уровне теплицы расположены биогазовые установки для подогрева реакторов, каждый биореактор открытого типа имеет приточно-вытяжную установку с рекуперацией и увлажнением для вентиляции хлореллы и выполнен в виде чаши из железобетона с установленным по центру чаши ветрогенератором для дополнительной выработки энергии для перемешивания и продувки биомассы через трубы с соплами, а внизу чаши расположен насос для продувки биомассы углекислым газом, при этом все биореакторы открытого типа размещены по склону по обе стороны от производственного блока с лабораториями на разных уровнях и соединены между собой трубами с возможностью свободного перетока биомассы хлореллы, микроводорослей по трубам из одной чаши в другую под воздействием силы тяжести, причем часть готовой биомассы посредством средств доставки направляется на корм крупному рогатому скоту и в силосные башни, а часть готового органического удобрения посредством средств доставки возвращена в биореакторы для создания питательной среды, а остальная часть его поступает в биогазовые установки, где биомасса путем брожения выделяет энергию для подогрева реакторов.