Сравнительная оценка эффективности работы биореактора в теплице и на улице (стр. 3 )

Биореактор  - это емкость, в которой создаются условия, обеспечивающие жизнедеятельность биологических объектов. Условия культивирования должны обеспечивать клетки:

·  необходимыми питательными веществами;

·  кислородом, а точнее необходимым газовым составом;

·  стабильным значением рН среды;

·  поддержанием осмотичности среды;

·  однородностью состава среды, так как в процессе роста клеток образуются градиенты веществ и продукты жизнедеятельности;

·  контроль температуры, так как в процессе роста микроорганизмы выделяют 10-14 кДж теплоты на 1 кг сухой массы;

·  в идеале удалять продукты жизнедеятельности клеток, т. е. обеспечивать постоянство параметров среды.

Биореактор  изготавливают из инертных материалов, которые должны удовлетворять следующим требованиям: полная герметизация, исключающая попадания посторонней микрофлоры; сохранение постоянного объема культуральной жидкости, удобство при чистке всех частей аппарата и внутренней поверхности, а также удобство стерилизации.

Принцип работы биореактора достаточно прост, а его устройство и методики сочетания необходимых условий, наоборот, сложны. До помещения в ферментер исходный рабочий продукт – необходимую биологическую культуру – хранят в специальных условиях, так сказать, в неактивном состоянии – например, замораживают. Для культивации небольшую пробу микроорганизмов наращивают в лабораторных условиях до состояния «рабочей порции» - достаточной для динамичной культивации количества. После данного асептического этапа культуру помещают в биореактор, предварительно его поверхность, воздух в камере и все соединительные отверстия стерилизуют, используя для этого водяной пар и вентиляцию. После очистки начинается этап инокуляции – когда помещенные внутрь ферментера культуры начинают активно размножаться и расти, благодаря тому, что для них создают оптимальные условия и питательную среду. Конечным продуктом подобных процессов является необходимое количество биомассы или полезные метаболиты микроорганизмов.

В зависимости от конструктивных решений, объемов и других характеристик биореакторы делят на группы.: так на основе рабочего объема биореакторы делятся на лабораторные (их емкость 0,5-100 л), пилотные (100 л-10м3) и промышленные (10-100 м3). Все биореакторы могут быть разделены по используемому принципу культивирования на закрытые и открытые. В закрытых биореакторах осуществляют периодическое культивирование, иногда его называют накопительным культивированием. Систему называют закрытой в том случае, если после начала культивирования ни один из компонентов, участвующих в процессе, не вводится и не выводится из биореактора. Естественно, что в процессе роста все параметры непрерывно изменяются и после накопления конечного (целевого) продукта, реактор разгружается и осуществляется сбор урожая, и культивирование повторяется. Так как в таких условиях истощение среды может происходить достаточно быстро, то возникла модификация этого типа культивирования, получившая название объемно-доливочной системы. В открытые системы постоянно и равномерно вводят компоненты питательной среды, которые уже использованы культурой, так что бы их концентрация оставалась постоянной, при этом постоянным сохраняется и объем питательной среды. Регулируя концентрацию субстрата, можно поддерживать концентрацию биомассы на постоянном уровне. Такой тип реактора называют турбодистатом. Обоснование выбора реактора может быть основано на знании механизмов регуляции обмена веществ культивируемых клеток.

Биотехнологический процесс обычно состоит из трёх главных стадий:

1. Подготовка питательной среды и культивируемого микроорганизма;

2. Культивирование микроорганизмов в биореакторах (также называемых ферментаторами) или культивационных установках;

3. Получение готового продукта из культивационной среды. Эта стадия включает в себя такие операции как выделение, очистка и другие процессы связанные с получением нужного товарного вида продукта.

Микроорганизмы растут в питательной среде, из которой получают всё необходимое для размножения. Дополнительным компонентом питания может быть кислород, содержащийся в подаваемом сжатом воздухе. Для успешного размножения микроорганизмов, необходимо точно соблюдать все параметры процесса, так как микроорганизмы чувствительны к условиям окружающей среды. Поэтому в биореакторе должны поддерживаться оптимальные условия. Температура не должна колебаться более чем на 1 °C. Среда должна быть кислой ровно настолько, насколько это нравится микроорганизмам.

Чем больше количество микроорганизмов, тем больше кислорода и питательной среды им необходимо. При этом все компоненты питательной среды должны быть в достаточном количестве. В противном случае микроорганизмы могут погибнуть или начать синтезировать другие продукты. При этом избыток кислорода может вызвать интоксикацию или другие нежелательные процессы.

Кроме того, биореактор должен быть надёжно герметизирован, что бы предотвратить проникновение чужеродных организмов, что может вызвать заражение и гибель культуры. Поэтому нужно позаботиться о том, чтобы система была герметична. При необходимости взять пробу, это следует сделать так, что бы в биореактор не попала инфекция.

Микроорганизмы требовательны к материалам биореактора, в котором происходит культивация. Для их размножения подходят лишь нержавеющая сталь, химически стойкое стекло, тефлон и другие химически инертные материалы. До введения микроорганизмов в биореактор, он должен быть вычищен и вымыт. Оставшиеся нежелательные микроорганизмы должны быть уничтожены, для чего проводится обычная стерилизация.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ.

В 2015 году на «Станции юных натуралистов» г. Иркутска проводились эксперименты по использованию солодовой дробины, для оценки возможности, была разработана биоэкомодель выращивания растений на солодовой дробине на СЮН, пригодная для оценки продуктивности.

Пищевой промышленностью, перерабатывающей сырье растительного происхождения, в окружающую среду сбрасываются отходы, основным компонентом которых является органическое вещество. Возьмем, к примеру, пивоваренную промышленность, у которой значительное количество отходов и их большая сырьевая ценность делают актуальной исследовательскую работу. Пивная дробина – это биомасса, которая получается в процессе выработки ячменно-солодового сусла при пивоварении. Около 80 % всех отходов пивоварения – это солодовая дробина. Ее сброс в окружающую среду приводит к накоплению, порче и загниванию, что негативно сказывается на экологическом состоянии окружающей среды. В составе солодовой дробины большое количество питательных веществ и минералов. Ее используют как источник белка (12-15 %) в питании сельскохозяйственных животных, в производстве кондитерских изделий, а также в качестве удобрения.

В связи с этим мое исследование, нацелено на изучение влияния пивной дробины на развитие биосистем, а также на поиск способов рационального использования этого отхода.

Исследования проводили в условиях открытого грунта. Солод ячменный был внесен на опытные участки в разных пропорциях. Поскольку пивная дробина – это универсальный источник витаминов и микроэлементов, то она отлично подходит для получения качественных удобрений при выращивании растений. Доказано, что прирост урожайности достигается при внесении пивной дробины в дозах от 15 до 50 % к массе субстрата. Причем при дозе пивной дробины 50 % к массе субстрата наблюдается максимальная урожайность огурцов. Исходя из выводов проведенной исследовательской работы выяснено, что при внесении солода под перекопку происходит почвенный подогрев, который затем сказывается на приживаемости рассады тыквенных в начале сезона, а в конце на более продолжительном и обильном плодоношении. Увеличение температуры создало парниковый эффект, на участках с более повышенной температурой, рассада быстрей укоренилась. Урожай за летний период показан в таблице 1.

Таблица 1

Урожайность

Показатель	1 участок (пер+сол)	2участок (мульч.)	3 участок (солод)	4участок (перегной)
Площадь, м²	2,6м²	11,6 м²	9 м²	8,2 м²
Урожайность, кг	50,6	154,9	200,4	123,6
Урожайность, кг/м²	19,7	13,4	22,3	15,0

В холе работы были сделаны следующие выводы: изменение температуры почвы после внесения солода на 10 – 12ºС, создает парниковый эффект и происходит почвенный подогрев, рассада хорошо укореняется; мульчирование почвы обеспечивает сохранение влаги в ней на 50%, полив производится реже; перепревший солод является хорошим разрыхлителем и прекрасным удобрением, чем улучшает структуру почвы; при дозе пивной дробины 50 % к массе субстрата наблюдалась максимальная урожайность огурцов.

В тоже время, на одном из участков было отмечено образование плесени, что говорит о снижении температуры, и соответственно о задержки роста растений на небольшой период (два-три дня, пока не произошло подсыхание отходов).

Согласно нашим предположениям и литературным данным, это объясняется влиянием микроклимата, это был участок с повышенной влажностью, менее освещённый). Мульчирование почвы обеспечило сохранение влаги на 50% на этом участке, что снизило расход воды для полива за лето почти вдвое.

С целью устранения данных негативных последствий и повышения эффективности использования солодовой дробины было принято решение продолжить исследования изменений солодовой дробины в процессе ее использования. Для этого были проведены исследования с использованием лабораторного биореактора. В биореактор было заложено около 1,5 кг свежей солодовой дробины, влажностью 75%. Температурные измерения в лаборатории и в самом реакторе проводили с помощью логгеров серии 175-Т. На пятый день в биореакторе появилась плесень. Её появление было спровоцировано избытком азота, как мы предполагаем, когда микроорганизмы начинают слишком бурный рост, поглощают кислород и выделяют продукты своей жизнедеятельности, что приводит к их гибели. В реакторе произошли процессы гниения. Субстрат стал склизким, источал неприятный гнилостный запах. Избыток углерода привел к замедлению развития микроорганизмов, все процессы приостановились (см. график 1). Для развития плесени нет ничего лучше, чем повышенная влажность и не высокая температура. Рассмотренные под микроскопом биологические объекты возможно, предположить, относятся к мезофилам. Мезофильные бактерии не способны существенно повышать температуру и обладают более медленным метаболизмом по сравнению с термофильными бактериями.