БІОТЕХНОЛОГІЯ - В. Г. Герасименко - 2006
Частина ІІ. Спеціальні біотехнології
Розділ 24. БІОТЕХНОЛОГІЯ ОТРИМАННЯ БІОМАСИ ОДНОКЛІТИННОЇ ВОДОРОСТІ СПІРУЛІНИ
24.5.ТЕХНОЛОГІЯ ВИРОЩУВАННЯ СПІРУЛІНИ ДЛЯ ВИКОРИСТАННЯ В ГОДІВЛІ ТВАРИН
В Україні в 1989-1990 рр. в умовах радгоспу «Росія» була розроблена установка для промислового культивування S. platensis для використання в годівлі тварин (рис. 24.1).
До складу комплекту обладнання входять багатоповерхові секційні батареї неглибоких ванн або лотків, обладнаних системою активного перемішування середовища. В них протягом восьмидобового робочого циклу підтримується життєдіяльність спіруліни. Лотки мають робочу поверхню площею 3,5 м2 з загальним об’ємом 600 л, а в робочому стані кількість рідини в лотках становить 400-500 л. При цій кількості глибина культивованого шару становить 15-17 см.
Під час культивування спіруліни використовували мінеральне середовище Заррука (табл. 24.7).
Рис. 24.1. Схема установки для вирощування спіруліни (за Кир'яченко С.П., 1994):
1....6 — багатоярусна батарея лотків для розмноження та накопичення біомаси спіруліни; 7 — ємність для маточної культури та тимчасового зберігання готового продукту перед сепаруванням; 8 — сепаратор; 9 — помпа; 10 — ємність для приготування та зберігання запасу живильного середовища; 11 — привід системи управління перемішуванням суспензії в лотках; 12 — система освітлення.
Таблиця 24.7.
Склад середовища Заррука, г/л
Це забезпечує таку концентрацію основних макроелементів (мг па 1 л середовища):
Для інтенсифікації обмінних процесів до середовища небхідно включати також і солі біогенних мікроелементів. Максимальна початкова концентрація мікроелементів у середовищі для спіруліни не повинна перевищувати наступних величин (мг/л): за залізом ... 50, марганцем ... 5, бором... 3, цинком ... 2. міддю — 1, молібденом - 1, кобальтом ... 0,01.
Але, як показують дослідження, в технологічному процесі культивування спіруліни дуже важливу роль відіграє вуглець. Спіруліна пристосована для життєдіяльності в лужному середовищі і асимілює вуглець саме з мінеральних сполук.
У лотки з мінеральним середовищем вноситься маточна культура в кількості 100- 200 г в кожний лоток. За оптимальних умов (температура 31 - 36С) за 8-10-добовий цикл нарощунання вона збільшується в 1 - 10 разів, а абсолютно суха біомаса на 600 % порівняно з початковою масою.
На початку культивування при рН 9,4 частка вільно розчиненою СО2 в середовищі не перевищує 0,02 % від загальної його кількості. Це може сповільнити синтетичні процеси, а тому на початкових фазах розвитку культури доцільно барботувати середовище повітряно-вуглекислотною сумішкою, що змінює співвідношення між карбонатами і бікарбонатами. Як відомо, під час культивування спіруліни в бікарбонатному середовищі буде споживатися іон -НСО3, а натрій як метаболіт обміну накопичується в середовищі, викликаючи процес зміни показника рН в лужний бік. На думку деяких авторів, для барботування середовища можна використовувати діоксид вуглецю біогазу.
Культивування водорості проводиться в умовах штучного освітлення за допомогою люмінесцентних ламп ЛБ потужністю 40 Вт кожна. Лампи розміщуються групами по 12 штук над кожною ванною.
Весь процес нарощування біомаси спіруліни, який триває 8 діб, умовно можна поділити на чотири фази по 2 доби на кожну.
Перша фаза - адаптації. Спостереження показали, що після внесення маточної культури в свіже середовище відбувається гальмування швидкості розмноження спіруліни. Умовно цю фазу можна назвати фазою адаптації та відновлення синтетичної активності. Невисока початкова концентрація клітин і слабка їх фотосинтетична активність не потребує високої освітленості, тому вмикаються тільки по 3 лампи над кожною ванною, які забезпечують освітленість відкритої поверхні в 1100 люксів.
Друга фаза розвитку культури спіруліни розпочинається через 40-48 годин і є початком активного фотосинтезу з виділенням кисню. Кількість клітин зростає і це вимагає підвищення інтенсивності освітлення поверхні ванн. Протягом другої фази освітлення забезпечується 6-ма лампами ЛБ, що збільшує освітленість до 2000 люксів.
Третя фаза пов’язана з виходом за активністю нарощування культури на біологічне плато. У цей період відбувається сепарація клітин на важкі, з вищою питомою вагою від живильного середовища, та легкі клітини, які мають високу фотосинтетичну активність. Ці клітини локалізуються в поверхневому шарі лотків за рахунок вивільнення в процесі фотосинтезу бульбашок кисню, які підтримують їх плавучість і поновлюються за рахунок інтенсивного споживання вуглецю. Ця фаза теж потребує активного освітлення для підтримання синтетичних процесів на високому рівні. У цей період на освітлення поверхні працює 9 люмінесцентних ламп, які створюють загальну освітленість на рівні 3000-3200 люксів.
Четверта фаза технологічного процесу пов’язана з початком старіння культури. Під дією активних фотосинтетичних процесів значна кількість необхідних для життєдіяльності речовин використана на синтетичні процеси. А в самому середовищі накопичується значна кількість метаболітів, які розпочинають гальмувати процеси фотосинтезу та створюють відповідну напругу в обміні. Для підвищення активного фотосинтезу виникає необхідність додаткового введення свіжого живильного середовища та підвищення інтенсивності освітлення. У цей час використовуються усі 12 ламп, що забезпечує освітленість на рівні 4200 люксів.
Інтенсифікувати процеси фотосинтезу у спіруліни під час культивування її в багатоповерхових ваннах можна за допомогою активного перемішування суспензії. Це створює умови, за яких частина променів буде поглинатися фотоактивними центрами багатьох клітин, котрі розміщуються в різних рідинних шарах і безліч разів будуть підніматися до поверхні рідини. Перемішування проводиться за допомогою мішалок в 23 оберти за хвилину.
Примусове циркулювання рідини забезпечує піднімання з осаду клітин, які мають більші розміри, і створює умови для кращого їх живлення, розчинення мінеральних солей та виведення метаболітів з безпосередньої зони життєдіяльності окремих клітин. Створює також приблизно рівний температурний режим для всіх клітин, які знаходяться в одному лотку.
На думку авторів, запропонована ними конструкція є ефективнішою в порівнянні із закритими циркуляційними системами, розробленими американською фірмою «Літтл» та деякими японськими фірмами, або закритими глибинними системами інших фірм.