CC BY
27
Новое в пищевых технологиях
Н.И. Павлов,
доктор географических наук, профессор кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности ДВГТУ;
А.А Соловьев,
кандидат физико-математических наук, профессор лаборатории нетрадиционных источников энергии МГУ;
Ж.П. Павлова,
кандидат технических наук, профессор кафедры товароведения и экспертизы продовольственных товаров ДВГАЭУ;
В.П. Дедюхина,
кандидат технических наук, профессор кафедры товароведения и экспертизы продовольственных товаров ДВГАЭУ;
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА МИКРОВОДОРОСЛЕЙ НА МОРСКИХ ПЛАНТАЦИЯХ ЗАЛИВА ПЕТРА ВЕЛИКОГО
Рассматривается принципиальная схема установки «Биосоляр» и особенности ее эксплуатации в морских условиях. Показана схема выбора места постановки фотоблока в зависимости от расположения зон дивергенции волн.
В настоящее время все больше делается акцент на необходимость перехода мирового сообщества к новой цивилизации, к жизни по принципу устойчивого развития. Биосфера земли больше не в состоянии выдержать возрастающую антропогенную нагрузку. Создание эффективной, ресурсо- и энергосберегающей экономики, интегрированной в мировую, даст возможность быстрее выйти из экономического кризиса и избежать экологической катастрофы.
В использовании биологических ресурсов мирового океана важная роль принадлежит марикультуре. Несмотря на большие затраты и сложные технологии, производство марикультуры является высокорентабельным [1, 2].
Микроводоросли содержат высокий процент белка, все аминокислоты, в том числе и незаменимые. Выход белка на единицу площади биосоляра за единицу времени на 1-3 порядка превышает таковой для традиционных растительных источников (бобовые, злаки и пр.). Микроводоросли - богатейший источник витаминов, микроэлементов. Они облада-
ют лабильностью к химическому составу. В зависимости от условий выращивания в широких пределах можно варьировать содержание белка в некоторых видах до 70%, углеводов - до 40% и жиров - до 85%, а также пигментов, витаминов и микроэлементов.
Такие микроводоросли, как зеленые хлореллы и спирулина превосходит по биологически активным веществам, особенно белку, традиционные сельскохозяйственные культуры (см. таблицу)
Сравнительная характеристика содержания белка в различных с/х культурах
Культура Содержание белка, % на сухой вес
Фасоль 15-30
Пшеница 8,6-24,4
Рожь 8,3-17,6
Картофель 0,7-2,7
Хлорелла до 40
Спирулина до 70
Особый интерес представляют красные водоросли - продуценты своеобразного сульфит редуцирующего полисахарида, способного образовывать вязкие растворы и гели различной прочности, обладающего ан-титромбозным эффектом энтеросорбентными и антиоксидантными свойствами, ингибирующим легочные метастазы. Благодаря своим уникальным свойствам, каррагинан имеет достаточно широкий диапазон применения в пищевой промышленности и медицине и этим выгодно отличается от других полисахаридов морских водорослей.
Микроводоросли характеризуются наиболее высоким КПД усвоения световой энергии по сравнению с другими фотосинтезирующими объектами и поэтому способны к эффективной утилизации света низкой интенсивности. Имеют продуктивность на порядок выше продуктивности высших растений; менее зависимы от климатических условий, могут выращиваться на площадях, не пригодных для земледелия.
После Второй мировой войны в США, Японии, Чехословакии, Мексике, Германии, Таиланде, России и других странах микроводоросли изучали в качестве источников пищевых и кормовых продуктов. Начиная с 60-х годов, развернулись работы по лабораторному и промышленному культивированию пресноводных форм микроводорослей, связанных с созданием биохимических циклов в замкнутых экосистемах. Так, площадь плантаций на Тайване и Мехико достигла 12-20 га. В России, в Санкт-Петербурге площадь плантаций достигала 300 м2. В Москве в закрытом помещении в период 1980-1990 гг. выращивалась спирулина на площади в 50 м2. Как видно объем освоения марикультуры в России чрезвычайно мал.
Для массового культивирования микроводорослей характерна большая скорость размножения. Удвоение массы происходит за время от 5 до 24 часов.
Их используют в качестве пищевых и кормовых продуктов и в виде источников промышленного сырья. Известны и технологии получения из биомассы микроводорослей:
- жидкой суспензии клеток;
- липидных комплексов;
- белкового гидролизата;
- витаминов;
- лекарственных препаратов;
- красителей.
Применение микроводорослей в животноводстве повышает устойчивость животных к различным заболеваниям. Ускоряет рост и размножение, повышает объем и качество товарной продукции. Эффективным оказывается введение микроводорослей в рацион питания уток, цыплят, бройлеров, кур-несушек, свиней. Находят приминение микроводоросли в рыбном хозяйстве в качестве белково-витаминных кормовых добавок в рацион рыб.
Так, в Японии, размножая в пресных водоемах одноклеточную водоросль хлореллу, добились выхода около 16 т белка с 1 га. С такой же площади травяного покрова можно взять 637 кг белка, а с посевов арахиса - около 471 кг белка. Скармливая траву скоту, с 1 га имеют только 100 кг белка в молоке и только 61 кг в мясе.
В МГУ для разведения водорослей на морских плантациях разработана и успешно эксплуатируется энергосистема биоконверсии солнечной энергии «Биосоляр» с морским базированием. Основной элемент «Биосоляра» - плавучий модуль, так называемый фотосинтезирующий блок (ФБ). Основным отличием ФБ от других аналогичных систем является гибкость его конструкции. Благодаря этому создаются условия для полной обработки волновых движений разной интенсивности. Существенно снижается сопротивление к волновым и ветровым нагрузкам [3].
В соответствии с задачами, которые выполняет фотосинтезирую-щий блок системы «Биосоляр», его конструкция включает в себя следующие элементы: гибкую подложку - нижнее основание, выполненную из резины или полимерной пленки, капроновую делисетку - средний слой; внутреннюю перегородку и боковые стенки из велотермов; верхнюю резиновую оболочку. Фотосинтетический блок представляет собой частично заглубленное тело без остаточных деформаций. Основные требования к фотоблоку определяются устойчивостью к внешним ветровым и волновым нагрузкам, остойчивостью, длительностью автономного действия, отработкой нагрузок при транспортировке и постановке на море, способностью демфировать сопротивления при смывании. Конструктивные части фотоблока предусматривают оптимальные решения эксплута-ционных задач, включающих выбор системы якорного крепления, взаимодействия с плавучими системами, которые осуществляют набор биомасс и загрузку питательных веществ для микроводорослей. К числу эксплуатационных задач относятся также включение в конструкцию элементов, максимально способствующих предотвращению аварийных ситуаций, и возможности транспортировки.
Установка "Биосоляр" обеспечивает эффективное массовое культивирование двух типов микроводорослей - спирулины и хлореллы. Спи-рулина и хлорелла относятся к отделу зеленых водорослей. Они хорошо растут при температуре 18-30 градусов Цельсия и интенсивности света 20-30 клк. Предел продуктивности хлореллы 140 гр. вещества на 1 м2 в сутки, спирулины - 40 г на м2 в сутки. Для закрытых установок с искусственным освещением теоретическая продуктивность хлореллы может приближаться к значениям порядка 100-140 г/м2 сутки. Это соответствует 360-500 т/га в год. Если же исходить из среднесуточной продуктивности 40 г/м2 в сутки и продолжительности вегетационного периода 6 месяцев, то среднегодовая продуктивность плантации в 1 га должна составить величину в 70т/га (в сухой массе) за год. При средней солнечной радиации 2000 кВт/м2 для данной продуктивности можно с плантации в 70м2 получить тонну условного топлива.
Для выполнения исследовательских функций и контроля за состоянием системы фотоблок должен быть снабжен средствами передачи информации и измерительными датчиками. Фотоблок системы «Биосоляр» представляет собой гибкую притопленную ванну с бортами и внутренними перегородками. В конструкции фотоблоков были использованы пластинчатые материалы: резина, полиэтиленовая пленка и прорезиненная ткань. Борта и внутренние перегородки блоков изготовлялись из гибкого, в форме пластин или трубок, материала с плотностью 50 кг/см3. Этот материал обеспечивает положительную плавучесть, гибкость и устойчивость конструкции.
В состав установки входят следующие элементы:
- фотосинтезирующий блок (модель) заданной площади;
- сканирующая система сбора урожая биомассы на воде;
- система, обеспечивающая поступление питательных элементов к развивающимся микроводорослям;
- береговой пункт получения сухой биомассы;
- малое предприятие по изготовлению медицинских лекарственных препаратов, витаминов, белков.
Затраты на капитальное строительство, питательные растворы, зарплату и расходы на эксплуатацию установки «Биосоляр» составляет примерно 27% от стоимости урожая.
Благоприятные климатические условия для выращивания микроводорослей имеются в Приморском крае. В заливе Петра Великого, по данным академика О.Г. Кусакина, имеются более 800 видов водорослей. В прибрежной полосе до глубины 10-15 м весьма распространены зеленые водоросли - кладофлора, улотрикс и т.д. Бурые и красные водоросли произрастают главным образом у скалистых берегов [1, 2]. Температура поверхности воды достигает 23 °С, а в полузакрытых бухтах она повышается до 25-26 °С. На глубине 20 м при слабом перемешивании вод температура воды на 5-6 °С ниже, чем на поверхности. В некоторые годы теплое цусимское течение доходит до залива Петра Великого, в результате чего 1 °С воды значительно повышается. Выход циклонов и тайфунов в северную часть Японского моря и Приморский край вызывает значи-
тельное перемешивание вод, волнение, сгоннонагонное и дрейфовое течение, опреснение приустьевых районов залива.
Прибрежные зоны морей характеризуются, как правило, сложными и неоднородными условиями рельефа склона. Известно, что большое значение при этом имеет выбор места постановки фотоблока (рис. 1). Гидродинамическая обстановка в такой ситуации в большой мере определяется рефракцией волн. В ряде случаев штормовые волны подвержены рефракции из-за наличия значительных впадин и хребтов на подводном склоне. Последствия рефракции волн при ураганных ветрах, особенно вызываемых тропическими циклонами, имеют зачастую катастрофический характер.
Рис. 1. Схема выбора места постановки фотоблока по расположению зон дивергенции волн В и ЮЗ румбов
Рефракция морских волн проявляется в искривлении (дивергенции) и расхождении (конвергенции) волновых лучей, приводит к перераспределению потока волновой энергии открытого моря в береговой зоне. В соответствии с требованием размещения фотоблоков в прибрежной зоне необходим учет энергетического воздействия волн на конструкцию и, соответственно, минимизация этого воздействия. Один из критериев при разработке схем размещения фотоблоков - выяснение распределения по району зон дивергенции волн штормообразных румбов. Количественная оценка влияния процесса рефракции на высоту волн сводится к определению коэффициентов рефракции. Для оценки рефракции волн в реальных условиях прибрежной зоны аналитические методы расчетов не применимы из-за сложности рельефа подводного склона. В таких случаях
целесообразно построение планов рефракции с использованием графоаналитических методов.
Путем наложения планов рефракции волн преобладающих румбов волнения можно выделить области, представляющие собой дивергенции волновых лучей штормового волнения. Энергия воздействия штормовых волн на конструкции в этих областях будет меньше в сравнении с другими участками, где происходит конвергенция волн или же рефракция не оказывает влияния на высоту волн.
Для постановки экспериментального фотоблока выбирается район на пересечении зон дивергенции волновых лучей (рис. 1).
Эффективность работы «Биосоляра» в значительной мере зависит от волнения, вызванного тайфунами, выходящими на Приморский Край.
Зависимость между высотой волны и максимальной скоростью ветра в тайфуне можно представить виде:
Ь = 0.00125Ут2 + 6 для Ут >= 25 м/с, (1)
где Ь - высота волны в метрах; Ут - максимальная скорость ветра в ТЦ в м/с.
Эта зависимость между высотой волны и давлением в центре ТЦ получена по данным заякоренных буев и имеет нелинейный характер. Распределение скорости ветра в тайфуне можно записать в виде:
V = (Ут - У»)(г2/г2т)е2(1"г/гт) + Уда + С8те, (2)
где Ут - максимальная скорость ветра в тайфуне, V - скорость ветра на периферии тайфуна (фоновая скорость ветра); С - скорость перемещения тайфуна;
е - угол между направлением перемещения тайфуна и вектором, проходящим от центра тайфуна до месторасположения "Биосоляра" в тайфуне; г - радикальное расстояние; гт - радиус максимального ветра в тайфуне.
Подставив в (2) в (1), получаем:
Н = 0,00125[(Ут - Уда)(г2/г2т) е2(1_г/гт) + Уда + Сзше] + 6. (3)
Из (3) следует, что наибольшая высота волнения будет наблюдаться в правой части тайфуна, а значит и воздействие на установку "Биосо-ляр" в правой части тайфуна будет сильнее, чем в левой.
Период июль - сентябрь на Дальнем Востоке называют сезоном тайфунов. В июле траектории тайфунов, оказывающих влияние на Российский Дальний Восток, наиболее удалены к западу. В этом месяце тайфуны выходят на Приморье со стороны Китая или же смещаются через Желтое море и Корею на юг Приморского края. В августе тайфуны иногда смещаются в меридиональном направлении с юга на север, выходя на север Приморского края. От августа к ноябрю отмечается постепенное удаление траекторий тайфунов на восток (в сторону Японии и восточнее Японии). Несмотря на воздействие тайфунов и циклонов Приморский край является перспективным для массового культивирования водорослей на морских плантациях.
Для дальнейшего увеличения сбора культивируемых микроводорослей необходимо создать в Хасанском районе микроводорослевый центр со своей инфраструктурой, включая специализированный флот. Культивирование водорослей - весьма рентабельная отрасль и затраты на развитие быстро окупятся.
Литература
1. Айздайчер Н.А. Морфологические и экологические особенности микроводорослей в монокультурах // Вестник ДВО РАН. 1993. № 3 С.71-75.
2. Ермак И.М., Дедюхина В.И., Павлова Ж.П. Использование каррагина-на из морских водорослей в качестве антиоксидантов // У Международная конференция Биоантиоксидант. - М., 1998. - С. 308.
3. Спектрова Л.В., Паньков С.Л., Панькова С.А. Производство микроводорослей и коловраток для марихозяйства // Рыбное хозяйство. 1988. С. 71-74.
