Fotobioreaktor je systém zajištění výroby fotosyntetických mikroorganismů suspendovaných ve vodě, jako jsou fotosyntetické bakterie, sinice, eukaryotických řas , izolovaných mnohobuněčných rostlinných buněk , malých provozoven, jako jsou makrořas gametophytes a mechu protonemata . Tato výroba probíhá kulturou, nejčastěji klonální, ve vodném prostředí za osvětlení. Zesílení na průmyslové objemy, které mohou dosáhnout stovek metrů krychlových, se provádí v po sobě jdoucích fázích, kdy se objem jedné fáze použije k naočkování dalšího objemu. Pro sklizeň mikrobiální populace a zajištění produkce biomasy lze objem každého kroku každý den částečně obnovit (kontinuální kultivace) nebo úplně změnit (dávková kultura). Těmto fázím odpovídají fotobioreaktory rostoucího objemu a různé povahy.
Klonální fotosyntetické kultury vyžadují, aby byly nepřetržitě prováděny čtyři podmínky za asepsy.
Fotobioreaktory mají velmi rozmanitou povahu, od venkovních povodí až po uzavřené systémy. Liší se v mnoha aspektech, které se týkají zejména jejich geometrických a kultivačních podmínek, způsobu uzavření, světla, míchání, tepelné regulace, přenosu plynu a provozních podmínek. Různé úvahy umožňují klasifikovat tyto systémy, zejména více či méně důkladnou kontrolu podmínek kultivace a tloušťky vrstvy kultury. Můžeme rozlišovat mezi decimetrickými (umyvadla, sloupy a nádrže) a centimetrickými (šikmé roviny, trubky, desky) tloušťky. Tabulka 1 shrnuje některé výkony uvedené v literatuře pro různé druhy a fotobioreaktory.
Tabulka 1: Koncentrace a povrchové produktivity různých fotobioreaktorů klasifikovaných podle tloušťky vrstvy kultury (Ø = průměr).
Produkční systém | Délka optické dráhy (cm) | Druhy mikrořas | Maximální koncentrace (gl -1 ) | Produktivita povrchu (gm -2 d -1 ) | Zdroj |
---|---|---|---|---|---|
Nakloněná rovina | 1 | Chlorella sp. | 2 | 25 písm. P) | |
Talíř | 1.2 | Arthrospira platensis | 4 - 6 | 24 písm. D) | |
Tubulární | 2,5 (Ø) | Spirulina platensis | 4 | 27 písm. P) | |
Tubulární | 4,8 (Ø) | Chlorella vulgaris | 4 | 52 (p) | |
Tubulární | 6,0 (Ø) | Porphyridium cruentum | 1 | 25 písm. P) | |
Tubulární | 12,3 (Ø) | Spirulina maxima | 1 | 25 písm. P) | |
Bazén | 15 | Arthrospira platensis , Dunaliella salina , Odontella aurita | 0,4 | 12-13 (p) | |
Tubulární | 50 (Ø) | Haematococcus pluvialis | 0,4 | 13 písm. P) | |
Bublinový sloup | 50 (Ø) | T. Iso , Pavlova lutheri , chaetoceros calcitrans , Tetraselmis suecica | 0,1 | 3 písm. D) |
p) oblast stopy; d) rozvinutá oblast
Vzhledem k jejich kontaminaci jsou čisté kultury jediného druhu stěží možné ve fotobioreaktorech představujících rozhraní s prostředím (nádrže, nádrže, nakloněné roviny), s výjimkou hrstky extremofilních druhů, mezi nimiž jsou Arthrospira sp., Chlorella sp. , Dunaliella salina , Odontella aurita , Scenedesmus sp. a Nannochloropsis oculata . Ostatní druhy vyžadují preventivní opatření zaměřená na podporu jejich vývoje posílením asepse a masivním očkováním. Navzdory tomu jsou kultury často krátkodobé (hromadné) kvůli kontaminaci rychle rostoucími konkurenty a predátory.
Nejjednodušším a nejpoužívanějším fotobioreaktorem v líhních akvakultury je průhledná vertikální trubice, na jejímž základně je vstřikován vzduch a který přijímá světlo ze stran. Objem těchto bublinových sloupců se pohybuje od 100 do 1 000 litrů. Dno je ploché šikmé nebo kónické a otevírá se nebo uzavírá nepromokavým krytem. Rozlišují se podle povahy plastů tvořících jejich průhledné stěny (polyethylen, polymethylmethakrylát, vyztužený polyester nebo polykarbonát), tloušťky těchto stěn (tuhá skořápka nebo film) a způsobu obnovy objemu kultury. (Kontinuální nebo šarže).
Kolem těchto objemů jsou často uspořádány zářivky podle poměru výkon / objem řádově 1 watt na litr kultury. Přirozené světlo se také používá, pokud to zeměpisná šířka dovoluje. Relativně velké tloušťky kultury neumožňují dosažení velmi vysokých koncentrací. Tyto systémy jsou široce používány v líhních mořských akvakultur pro pěstování mikrořas jako krmivo pro larvy měkkýšů a krevet a pro živou kořist larev malých úst. Pro tuto aplikaci je biomasa mikrořas distribuována ve formě surové kultury. Stejně jako u všech kultur mikroorganismů se budeme snažit maximalizovat koncentrace mikrořas při sklizni, abychom omezili práci separace pevných látek a kapalin (s výjimkou akvakultury, kde není sklízena biomasa). Hledání nejvyšších koncentrací má tendenci upřednostňovat snížení tloušťky kultury mikrořas. V praxi jsou délky optické dráhy zřídka kratší než cm.
Tyto fotosyntetické organismy používané ve fotobioreaktoru mají zvláštnost použití CO 2 přítomného ve vzduchu k produkci O 2 a množení (princip algokultury ).
Zájem o tyto rozsáhlé kultury spočívá v samotné užitečnosti získání významné biomasy řas. Řasy (zejména) mají skutečně vysokou reprodukční schopnost (vytváření vysoké biomasy ). Produkují velké množství lipidů, které lze použít zejména pro výrobu biopaliv (Biopalivo, Bioplyn ).
Kromě toho lze kapacitu odstraňování znečištění těchto řas využít také k čištění odpadních vod a atmosféry.
Tyto konkrétní vlastnosti řas se používají v několika aplikacích k výrobě energie (biopalivo, teplo a elektřina).
Trubkové fotobioreaktory jsou určeny pro velký vývoj díky důkladné kontrole kultivačních podmínek, které umožňují, a výkonů, které z nich vyplývají. Ty, které jsou uspořádány ve svislých bariérách vodorovně tekoucích trubicových svazků, vykazují vysokou fotosyntetickou účinnost související s jejich schopností používat rozptýlené světlo. Kultura tam cirkuluje ve smyčce, aby střídavě procházela průhlednou trubicí, kde zachycuje světlo, a do odplyňovací věže, kde musí bezpodmínečně ztrácet kyslík, aby zabránila inhibici fotosyntézy. Některé z těchto zařízení mají celkem 500 km skleněných trubek, jako například společnost Roquette Frères v Klötze (Německo).
Aby se zabránilo tomu, že obsah rozpuštěného kyslíku dosáhne kritických hodnot, musí se intervaly mezi dvěma průchody v odplyňovací věži zmenšovat, jak se zvětšuje velikost fotobioreaktoru. U některých velkých instalací mohou tato období klesnout až na minutu. Čerpadla jsou potom dimenzována tak, aby cirkulovala kulturu rychlostí 2 m / s v potrubí a v odplyňovací věži, která může dosáhnout výšky 7 m . Kromě náročné spotřeby energie (> 2 000 W / m 3 ) tyto kultivační procesy vystavují mikrořasy intenzivnímu mechanickému namáhání, kterému odolá jen hrstka druhů. Obvykle se jedná o malé řasy bez přídavků, které mají odolnou buněčnou stěnu, jako je Chlorella vulgaris , Scenedesmus obliquus , Nannochloropsis oculata , Haematococcus pluvialis (cysty). Vzhledem k jejich toleranci vůči mechanickému namáhání jsou tyto extremofylové druhy pěstovány v Evropě Salata, Roquette Frères (Německo), CleanAlgae (Španělsko), Necton (Portugalsko) a Algatech (Izrael).
Nový koncept tubulárního fotobioreaktoru se liší od předchozího v tom, že kultura cirkuluje v hadičkách současně s plynem obohaceným o CO 2, což zajišťuje vychytávání přebytečného kyslíku. Díky tomu je účinnost odplynění nezávislá na velikosti fotobioreaktoru a dává této technologii velký potenciál pro snížení kapitálu a provozních nákladů zvětšením velikosti bez zhoršení výkonu. Další praktický důsledek této volby spočívá ve skutečnosti, že rychlost cirkulace je mnohem nižší ( 0,3 m / s ) než ve fotobioreaktorech s odplyňovací věží. To podstatně snižuje energetický výdej (<400 W / m 3 ), mechanické namáhání působící na cirkulující mikrořasy a umožňuje účinně provádět další základní funkce, jako je vnitřní čištění vnitřního povrchu reaktoru. 5 000 L fotobioreaktorů podle tohoto konceptu používá ve městě Baillargues (Francie) společnost Microphyt od konce roku 2009. Ukázalo se, že jsou vhodné pro průmyslové pěstování několika zvláště choulostivých druhů mikrořas. Možnost hromadné produkce choulostivých druhů otevírá pole průmyslového využití fotosyntetických mikroorganismů, z nichž biologická rozmanitost patří k nejdůležitějším.
Technologie fotobioreaktorů byla pomocí biofasád předmětem několika architektonických a urbanistických projektů. Biofacade jsou struktury s dvojitým zasklením (typ foto-bioreaktor) naplněné vodou, ve které je možné pěstovat řasy . Zájem těchto biofasád je optimalizovat „ztracený“ povrch budov integrací vertikálního pole kultury mikrořas.
Instalace těchto konstrukcí by umožnila uspokojit energetické potřeby budovy. Použitím vlastností řas je možné:
Během ročních období není teplota konstantní. K překonání tohoto přírodního jevu by zařízení dokázalo v zimě zachytit sluneční energii skleníkovým efektem a v létě ochladit fasádu proudem vody a větrání. To je možné díky přítomnosti tepelného výměníku uvnitř foto-bioreaktoru. Použití biofasád by umožnilo snížit spotřebu tepelné energie o 50% pro budovu jako takovou a o 80% pro řasy ve srovnání s konvenčním pěstováním v rybnících.
K dispozici je konsorcium s názvem Symbio2 tvořena společnostmi (X-TU, SECHE Environnement; OASIIS; RFR, Algosource technologií; GEPEA), které si kladou za cíl vytvořit „zelené čtvrti“, kde 3 rd generace budov spojily své výrobu mikro -algae za účelem aby uspokojili své vlastní energetické potřeby. Tento program získal v roce 2006 jedinečný meziministerský fond (FUI 15)března 2015 v hodnotě 1,7 milionu eur.
Je důležité si uvědomit, že od té doby Leden 2014, neexistuje žádná zpětná vazba o pokroku různých realizovaných projektů. V Hamburku však již tato biofasády mají budovu: BIQ.
Řasy lze použít k výrobě bionafty a bioethanolu . Obzvláště zajímavá je skutečnost, že biomasa řas je až 30krát produktivnější než jiné biomasy.