CC BY
197
636.095.55
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА МАССОВОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ХЛОРЕЛЛЫ МЕТОДАМИ ПЛАНИР ОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
А.А. ШЕВЦОВ, Е С. ШЕНЦОВА, А.В. ДРАННИКОВ, А.В. ПОНОМАРЕВ
Воронежская государственная технологическая академия,
394000, г. Воронеж, проспект Революции, 19; тел.: (4732) 55-65-11, электронная почта: drannikov@list. ru
Приведено описание микроводоросли Chlorella Vulgaris с позиции питательности для животных. Даны описание и принцип работы экспериментальной установки для культивирования. Проведены расчеты по оптимизации параметров процесса культивирования микроводоросли.
Ключевые слова: микроводоросль, биомасса, культивирование микроорганизмов, реактор, планирование эксперимента, оптимизация процесса.
На мировом и российском рынке сырья существует потребность в получении сравнительно недорогой и высококачественной биомассы фотосинтезирующих микроорганизмов, содержащих ряд ценных и незаменимых органических веществ, используемых в различных отраслях народного хозяйства, в частности в комбикормовом производстве. В связи с этим большое значение в последнее время приобрело промышленное культивирование зеленых микроскопических водорослей [1].
Наиболее значимым по питательной ценности фотосинтезирующим микроорганизмом является водоросль Chlorella Vulgaris [2]. Благодаря своей клеточной структуре, хлорелла способна абсорбировать токсические вещества и удалять их из организма животного. Состав хлореллы, помимо макро- и микронутриентов, включает пигменты, необходимые для нормального обмена веществ животного организма. Наиболее значимый из них - хлорофилл - благотворно влияет на насыщаемость крови кислородом и работу пищеварительной системы, обладает антисептическим и проти-воонкологическим действием. Установлено [3], что микроводоросль Chlorella Vulgaris позволяет удовлетворить потребность в высокоэффективных комплексных добавках для животноводства.
Современные методы культивирования предполагают снабжение микроводорослей достаточным количеством света, углекислотой, питательными веществами [4]. Цель настоящей работы - проведение исследований, позволяющих найти область режимных параметров по выбранным критериям оценки процесса культивирования хлореллы. Для решения задачи интенсивного культивирования водоросли применялся замкнутый аппарат (реактор) в полностью контролируемых условиях.
Экспериментальная установка для культивирования хлореллы (рис. 1) состоит из фотобиореактора 1, который представляет собой обечайку со встроенным теплообменником, двигателя постоянного тока 2, датчика растворенного кислорода 3, источника света 4, самопишущего устройства 5, компрессора 6, панели
управления 7, системы «мотор-весы» 8, механического тахометра 9, поплавкового ротаметра 10, гибкой ме -шалки 11. Гибкая мешалка, которая приводится в действие двигателем постоянного тока 2, образует полость, в которой устанавливают мощный источник света (70-400 Вт) 4. Поверхность полости внутри фотобиореактора является рабочей: на ней происходит фото- и газоабсорбция. Подача двуокиси углерода и воздуха осуществляется через специальный штуцер непосредственно в полость. При проведении процесса культивирования необходимо поддерживать стабильный температурный режим культуральной жидкости, что обеспечивается с помощью теплообменника. При необходимости осуществляется подогрев культуральной жидкости электронагревателем (на схеме не показан).
Измерение затрат мощности на перемешивание в полостном аппарате осуществляли с помощью системы «мотор-весы», удобной для измерения динамических нагрузок. В верхней части аппарата размещен датчик растворенного кислорода 3, который был постоянно погружен в жидкостное кольцо полости. С помощью датчика измеряли процентное содержание кислорода по отношению к равновесному в любой момент времени. Для фиксации показаний датчика использовали самопишущее устройство 5. Подвод смеси
ш [Ц
Рис. 1
я г
т~* дйг--ш —
ж—
т--
32В--
ЗЮ--
т-296-286." * Ж--Яй?--
2яг*-
Ж”
л-й
Л[т-а
г -1.682 -} г р ! 1632 _ .1. . *
■ ■ г 286 293 303 313 1 .. 319 К
-Щ у \ Щ2 Х2
I 02 1 № 1 ю 1 15 13 п/с
4- р 7682 X}
5? Й?
Ж
<Л? 5Й
50 т
Щ 550
б
а
Рис. 2
диоксида углерода и воздуха в аппарат осуществлялся в его верхней части через специальный штуцер (на схеме не показан). Газо-воздушная смесь нагнеталась компрессором 6, при этом расход измерялся при помощи поплавкового ротаметра 10 и регулировался в зависимости от конкретных требований эксперимента.
Для исследования взаимодействия различных факторов, влияющих на процесс массового культивирования хлореллы, применяли математические методы планирования эксперимента [5, 6].
В качестве основных факторов, влияющих на процесс культивирования, были выбраны температура суспензии (X) Тс 13-46 К, концентрация СО2 (Х2) с 0,2-1,8%, интенсивность света (Х3) } 50-550 тыс. эрг/(см2 • с). Все эти факторы совместимы и некоррели-рованы между собой. Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими условиями процесса культивирования хлореллы и технико-экономическими показателями процесса (табл. 1).
Таблица 1
Пределы изменения
Условия планирования входных факторов
Т, К с, м/с }, %
Основной уровень 303 1,0 300
Интервал варьирования 10 0,5 150
Верхний уровень +1 313 1,5 450
Нижний уровень -1 293 0,5 150
Верхняя «звездная» точка +1,682 319 1,8 550
Нижняя «звездная» точка -1,682 286 0,2 50
Критериями оценки влияния различных факторов на процесс массового культивирования хлореллы были
выбраны: У1 - число клеток (оптическая плотность суспензии), млн/см3; У2 - удельные энергозатраты (на единицу сухой биомассы), кВт • ч/кг.
Для исследования применяли центральное композиционное ротатабельное униформпланирование и полный факторный эксперимент ПФЭ 23 [1]. Число опытов в матрице планирования для трех входных параметров равно 20. Порядок опытов рандомизировали посредством таблицы случайных чисел, что исключало влияние неконтролируемых параметров на результаты эксперимента. При их обработке применяли статистические критерии: Кохрена - проверка однородности дисперсий, Стьюдента - значимость коэффициентов уравнений регрессии, Фишера - адекватность уравнений. В результате получены нелинейные уравнения регрессии, описывающие данный процесс:
У1 =287,231+ 37,082 X1 + 22,492 X 2 +
+26,392 X 3 + 11X1X 2 + 9,125 X1X 3 + (1)
+8,25 X 2 X3 + 6,29X ? + I,342X 22 + 1,695 X 32;
У2 = 2,835+ 0,713 X1 + 0,431X2 +
+0,476 X 3 + 0,324 X1X 2 + 0,225X 1X 3 + (2)
+ 0,339 X 2 X3 + 0,113 X 2 + 0,045 X 22 + 0,023 X32.
На рис. 2 показаны графические зависимости критериев оценки от значений входных факторов, представляющие собой плавно возрастающие кривые. Более резкий подъем имеют графики функций УI(XI) и
уда
Задачу оптимизации процесса культивирования сформулировали следующим образом: найти такие ре-
жимы работы реактора, в котором осуществляется процесс культивирования хлореллы, которые бы в широком диапазоне изменения входных параметров процесса доставляли максимум клеток хлореллы и минимум удельных энергозатрат. Общая математическая постановка задачи оптимизации представлена в виде следующей модели:
Таблица 2
q = q(,Y2) x" d # 0РЪ D : Y,(X,,X2,X3) —^max;
Y2( X,, X 2, X 3) —d# min;
Yt > 0, i = 1,2; Xt <[-1,682; 1,682], j = 1Д
(3)
X2, м/с X3, м
min max min max min max
Y1 35,8 44,2 1,31 1,76 361 509
Y 2 14 22,7 0,9 0,93 178 236
Введем предположения, что полученные уравнения регрессии (1) и (2) описывают некоторые поверхности в многомерном пространстве, а по коэффициентам канонической формы установим, к какому виду тел относятся эти поверхности.
Координаты центра Х^ находили из системы уравнений, полученных в результате дифференцирования уравнений регрессии (1) и (2) по X, Х2, Х3 и приравнивая производных к нулю. Зная координаты центра Х^, по уравнениям регрессии определили соответствующие им значения параметров оптимизации Уь.
На рис. 2 показаны кривые равных значений оптической плотности суспензии (а) и удельных энергетических затрат (б) от входных параметров, несущие смысл номограмм и представляющие практический интерес.
Для определения оптимальных режимов использовали метод «ридж-анализ», который базируется на методе неопределенных множителей Лагранжа.
Результаты расчетов оптимальных интервалов изменения числа клеток и удельных энергозатрат представлены в табл. 2.
В результате применения указанного метода были получены оптимальные границы исследуемых факторов с точки зрения выбранного критерия оптимизации:
Х 22,7-35,8 K; Х2 0,93-1,31%; Х3 236-361 тыс. эрг/(см2 • с).
Для проверки правильности результатов был по -ставлен ряд параллельных экспериментов, полученные результаты попадали в рассчитанные доверительные интервалы по всем критериям качества. При этом среднеквадратичная ошибка не превышала 5,2%.
Разработанные математические модели фотосинте -тической продуктивности микроводоросли Chlorella Vulgaris использованы при конструкторской разработке технологии реакторов и управляющей аппаратуры для высокоинтенсивного культивирования водоросли.
Таким образом, решена задача оптимизации, которая позволила выделить оптимальную область изменения входных факторов по двум критериям посредством компромиссных решений.
ЛИТЕРАТУРА
М.:
1. Сальникова М.Я. Хлорелла - новый вид корма. Колос,1977. - 94 с.
2. Перт С. Основы культивирования микроорганизмов и клеток. - М.: Мир, 1978. - 320 с.
3. Маик И., Фенцель З. Непрерывное культивирование микроорганизмов. - М.: Пищевая пром-сть, 1968. - 346 с.
4. Войнов Н.А., Сугак Е.В. Пленочные биореакторы. -Красноярск: БОГРЕС, 2001. - 252 с.
5. Грачев Ю.П. Математические методы планирования экспериментов. - М.: Пищевая пром-сть, 1979. - 199 с.
6. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. - М.: Наука, 1976. - 344 с.
Поступила 22.05.08 г.
RESEARCH OF PROCESS OF MASS CULTIVATION MICROSEAWEED CHLORELLA VULGARIS METHODS OF PLANNING THE EXPERIMENT
A.A. SHEVTSOV, E.S. SHENTSOVA, A.V. DRANNIKOV, A.V. PONOMAREV
Voronezh State Technological Academy,
19, Revolution Avenue, Voronezh, 394000; ph. : (4732) 55-65-11, e-mail: drannikov@list. ru
The description micro seaweed Chlorella Vulgaris from a position of nutritiousness for animals. Are given the descriptions and principle of work of experimental installation of cultivation. The accounts of optimization of parameters of process cultivation micro seaweed are carried.
Key words: microseaweed, biomass, cultivation of microorganisms, reactor, planning of experiment, optimization of process.
