7.1.3.1. Культивирование микроводорослей в открытых системах

Экстенсивное культивирование микроводорослей в открытых водоемах ведется в основном для получения биомассы, а также для очистки сточных вод. Для получения биомассы используют простые и недорогие устройства.

Чаще всего это круглые, овальные или прямоугольные бассейны небольшой глубины, реже – цементированные или выстланные пленкой траншеи, различной формы лотки, цистерны. Поскольку регулирование температурных условий в открытых водоемах мало осуществимо, такое культивирование микроводорослей обычно проводят в районах, где мало облачных и дождливых дней, невелики суточные перепады температур – в тропиках и субтропиках. В некоторых случаях в холодное время применяют искусственный подогрев. Примером простейшего вида экстенсивного культивирования микроводорослей является выращивание сине-зеленой водоросли спирулины на озере Текскоко в Мексике. Площадь поверхности озера составляет 900 га. Сбор биомассы спирулины производится круглые сутки. Удвоение биомассы микроводоросли

в озере происходит каждые 3–4 суток. После фильтрации суспензия высушивается горячим воздухом и измельчается в муку. Готовый продукт используется в качестве источника белка в диетическом питании.

Открытые установки в виде круглых бассейнов диаметром до 25 м, глубиной 0,2 м эксплуатируются в Японии (рис. 8).

Рис. 8. Схема открытой установки для культивирования микроводорослей:

1 – резервуар; 2 – водорослевая суспензия; 3 – сегнерово колесо; 4 – насос; 5 – впуск смеси воздуха с углекислым газом; 6 – выгрузка суспензии

Взвесь водорослей циркулирует в бассейне при помощи насоса. Лопатки сегнерова колеса имеют отверстия, и воздух с углекислотой барботируется через эти отверстия. Лопатки приводятся во вращение реактивным движением и перемешивают взвешенные водоросли. Четыре установки обычно соединяют в батарею. После выгрузки взвесь водорослей центрифугируют и сушат в распылительной сушилке при температуре 100ºС.

На таких установках в Японии культивируют зеленую микроводоросль хлореллу для производства концентрата, применяемого для замены рыбной и соевой муки в животноводстве.

В Узбекистане в установках открытого типа культивируют хлореллу, урожай которой составляет 30–60 т сухого вещества с гектара в год. Лимитирующим фактором культивирования там является сравнительно низкая зимняя температура (2–5ºС).

В Тржебоне (Чехия) действует установка каскадного типа (рис. 9) для культивирования зеленой водоросли сценедесмус.

Установка состоит из панелей переменной площади, собранных из пластиковых желобов. Сечение желобов влияет на оседание водорослей на дне желоба. Панели защищены прозрачным покрытием, позволяющим сохранять тепло при уменьшении освещенности. Панели можно ориентировать на солнце. Стационарные панели установлены на крышах зданий, сооружений.

Рис. 9. Схема открытой установки каскадного типа:

1 – насос; 2, 4 – резервуар со взвесью водорослей; 3 – желоба; 5 – баллон с углекислотой

В Болгарии подобная установка размещена на поверхности грунта. При строительстве были учтены возможности использования местных природных ресурсов, обеспечивающих наряду с хорошей инсоляцией применение природных источников углекислоты и регулирование температуры за счет воды горячих источников.

Лабораторные испытания биомассы сине-зеленых водорослей, обитающих в Нижне-Паратунских источниках Камчатки, показали, что содержание белка в ней составляет около 50% органического вещества. Эти водоросли можно культивировать для получения кормового белка. Но продуктивность биомассы зависит от сезонных перепадов температуры. Кроме того, биомасса сине-зеленых водорослей природных источников Камчатки накапливает тяжелые металлы, соли которых содержатся в водах гидротерм. Так, по данным А.А. Ефимова и М.В. Ефимовой, в биомассе сине-зеленой водоросли рода фордимиум, отобранной в горячих источниках Паратунки, содержание меди и цинка составило 0,3 и 1,28 мг/кг сухого вещества соответственно. В биомассе водорослей горячих источников Паужетки содержание меди составило 17,5, цинка – 113,5, кадмия – 1,89, свинца – 156,0 мг/кг сухого вещества.

Основным недостатком получения белка при культивировании микроводорослей в открытых установках является зависимость от погодных условий, из-за чего невозможно длительное, стабильное снятие урожая. Другими серьезными недостатками являются подверженность инфекциям (бактерии, личинки комаров, различные виды водорослей), влияние химического состава среды на химический состав биомассы, как в случае с сине-зелеными водорослями камчатских гидротермальных источников.

7.1.3.2. Культивирование микроводорослей в закрытых системах

Условия культивирования микроводорослей можно улучшить путем использования закрытых установок с естественным освещением. В этом случае микроводоросли выращивают в прозрачных трубах или специально сконструированных культиваторах, в которых предусмотрено поддержание оптимальных условий культивирования. Установки закрытого типа позволяют в 1,5–2 раза увеличить урожай водоросли с единицы объема среды и снизить себестоимость биомассы.

Для повышения скорости роста биомассы в закрытых установках через среду продувают воздух, обогащенный диоксидом углерода. Газовую смесь вводят в культуру с помощью компрессора через перфорированные трубки или с током суспензии клеток через центробежный насос.

При массовом культивировании в закрытых системах используются или обычные минеральные питательные среды, или специально сбалансированные, учитывающие расходование основных компонентов в процессе роста биомассы.

Иногда в целях снижения стоимости получаемой биомассы для приготовления питательных сред применяют минеральные удобрения или естественную минеральную воду. Возможно ведение процесса в миксотрофных условиях при добавлении к минеральной среде органических веществ. Это позволяет получить большую биомассу при относительно низкой интенсивности света. Экономически выгодным оказалось использование сточных вод некоторых производств, в частности сахарных и гидролизных заводов.

В Южной Италии построена фабрика, где выращивается спирулина на площади 2 га в закрытой системе – трубчатом реакторе (рис. 10). Трубы одновременно служат солнечным коллектором и тем самым позволяют продлить продуктивный сезон. Эксперименты во Флоренции показали, что если размножение спирулины в прудах, озерах продолжается с июля по сентябрь, в трубах реактора оно начинается в апреле и заканчивается в середине октября. При этом урожай биомассы спирулины в 10 раз превышал урожай пшеницы, а выход белка был в 10 раз выше, чем у соевых бобов.

Реактор состоит из 50-метровой прозрачной стеклянной трубки диаметром 1 см. Культура микроводоросли подвергается рециклированию под действием насоса. Сообщество представлено одной водорослью и тремя бактериями; оно является устойчивым к заражению. В состав среды входит аммиак, минеральные соли, углекислота. В процессе культивирования выделяется чистый кислород. В полученной биомассе содержится до 50% белка, липиды, крахмал, глицерин.

Такой реактор называют фотореактором, так как он позволяет решить задачу контроля роста биомассы за счет использования солнечной

энергии и углекислоты, т. е. прирост биомассы микроводоросли происходит за счет фотосинтеза.

Рис. 10. Схема трубчатой закрытой установки для культивирования спирулины

В настоящее время разработаны установки и аппараты интенсивного управляемого культивирования фотосинтезирующих микроводорослей в полностью контролируемых условиях с автоматической стабилизацией оптимальных условий и непрерывной автоматической регистрацией физиологических функций культуры: скорости роста, интенсивности фотосинтеза и др.

В зависимости от конструкции установок ведут периодическое, проточное или комбинированное выращивание биомассы; процесс может быть одноили многоступенчатым. Наиболее совершенным считается проточное выращивание микроводорослей, при котором по сигналам, поступающим от самой культуры, осуществляется автоматический отбор прирастающих клеток, подача свежей питательной среды и стабилизация оптической плотности культуры.

Для культивирования используют высокопродуктивные штаммы микроводорослей, полученные в результате селекции или под действием мутагенов. Чаще всего в качестве продуцентов используют термофи-

лы – светолюбивые формы, сохраняющие высокую скорость роста в плотных популяциях.

При интенсивном культивировании микроводорослей продуктивность достигает 80–100 г сухой биомассы с 1 м 2 освещаемой поверхности в сутки. Максимальная продуктивность культуры является главным

преимуществом этого метода. Однако в связи с большими затратами электроэнергии стоимость продукции высока. По этой причине интенсивное культивирование не используется для производства белка одноклеточных организмов в промышленных масштабах.

Для производства белка микроорганизмов разработаны технологии, различающиеся видом и назначением готового продукта, видом продуцента, исходным материалом, типом процесса. Выбор технологии производства белка одноклеточных организмов во многом определяется экономикой процессов. Произведенный готовый продукт должен успешно конкурировать с другими источниками белка. Например, продажная цена кормового белка одноклеточных организмов в 1979 г. составляла 0,39–0,50 долл. США за 1 кг; продажная цена 1 кг соевой муки составляла 0,2–0,22 долл.; 1 кг мясо-костной муки – 0,24–0,25 долл. США.

Сравнение кормового белка одноклеточных организмов с основными белковыми кормовыми продуктами показывает, что кормовой микробный белок неконкурентоспособен по цене.

Основные затраты при производстве белка одноклеточных организмов связаны со стоимостью субстрата (этанола, метанола, н-алканов, гидролизатов и т. д.). Они составляют 43,6–77,0% всех затрат; 12,0–36,6% составляют затраты на тепло- и энергоснабжение.

В связи с этим производство кормового белка из биомассы микроводорослей представляет особый интерес. Для этих организмов не требуется специфический субстрат. Источником углерода для фототрофных микроорганизмов является углекислый газ атмосферы. Некоторым из них не требуются питательные азотсодержащие добавки, так как они являются азотфиксирующими организмами. При этом значительно снижается основная статья расходов.

Итак, культивирование микроводорослей для производства белка одноклеточных организмов является особенно перспективным в тех случаях, когда:

– возникают значительные транспортные расходы при доставке кормов к местам потребления;

– нет сырья (парафины, гидролизаты древесины) для производства белка одноклеточных организмов другими способами;

– климатические условия не позволяют выращивать традиционные кормовые культуры;

– имеются природные условия, подходящие для культивирования микроводорослей.

При культивировании сине-зеленых водорослей гидротерм Камчатки отпадет необходимость в закупке и доставке субстрата. Вода гидротерм может являться источником необходимых минеральных веществ, микроэлементов. Предельно уменьшается потребность в топливе, так как для обеспечения производства теплом, энергией можно

использовать энергию термальных источников. Возможна организация круглогодичного производства. Высокие температуры (60–75,7ºС) и использование термофильных сине-зеленых водорослей позволит вести процесс в нестерильных условиях. Учитывая все недостатки культивирования микроводорослей в открытых водоемах, можно организовать массовое культивирование в закрытой системе. Это не потребует высоких капитальных затрат при использовании для обогрева закрытых реакторов энергии горячих источников.

7.2. ПОЛУЧЕНИЕ БЕЛКОВО-УГЛЕВОДНОГО КОМПЛЕКСА ИЗ ХЛОРЕЛЛЫ

Потребление природной биомассы хлореллы без химической обработки исключено из-за наличия в ней токсичных и аллергенных веществ

в липидной фракции. Одним из перспективных методов удаления этих веществ является перекисное окисление липидов с последующей экстракцией продуктов окисления органическими растворителями (ацетоном, этиловым спиртом).

Хлорелла – зеленая микроводоросль – богатый источник жирорастворимых витаминов, которые извлекаются органическими растворителями, но под действием пероксида водорода теряют свою биологическую активность. Для сохранения этих веществ проводят предварительную экстракцию пастообразной биомассы с содержанием влаги до 80% органическими растворителями.

Для получения белково-углеводного комплекса используют биомассу хлореллы в виде пасты после фильтрации и в виде порошка влажностью 6–8% после сушки в муфельной печи.

В процессе обработки продукт обогащается белком, выход которого составляет 75% исходного количества белка хлореллы. Липиды удаляются почти полностью, содержание нуклеиновых кислот снижается

Белково-углеводный комплекс содержит все незаменимые аминокислоты. Исключение составляет триптофан, который в процессе обработки разлагается. По аминокислотному составу и содержанию растворимых белков полученный из хлореллы белково-углеводный комплекс занимает промежуточное положение между белками говяжьего мяса и белками пшеницы. При добавлении к 1 кг белково-углеводного комплекса 5 г триптофана можно получить сбалансированный белковый продукт.

Жирные кислоты представлены в белково-углеводном комплексе в основном пальмитиновой кислотой.

Основной частью экстрактов являются биологически активные вещества. Содержание каротина в экстрактах ниже его содержания в свежей хлорелле.

Окисление хлореллы с предварительной экстракцией органическим растворителем обладает рядом преимуществ перед обработкой без предварительной экстракции: сокращается продолжительность окисления и расход пероксида водорода; исключается возможность воздействия пероксида на ценные биологически активные вещества, что создает условия для более полного и эффективного использования биомассы хлореллы.

7.3. ПОЛУЧЕНИЕ БЕЛКА ДРОЖЖЕЙ

7.3.1. Технология производства белка дрожжей на растительном субстрате

В качестве продуцентов белка используются штаммы кормовых дрожжей видов Candida skotti и Candida tropicalis . Основным субстра-

том являются гидролизаты растительного сырья, сульфитные щелоки. Технологическая схема производства белка дрожжей имеет вид: