Hodowla mikroglonów w wylęgarniach
Mikroalgi lub mikroskopijne algi rosną w systemach morskich lub słodkowodnych. Są głównymi producentami w oceanach, które przekształcają wodę i dwutlenek węgla w biomasę i tlen w obecności światła słonecznego.
Najstarsze udokumentowane użycie mikroalg miało miejsce 2000 lat temu, kiedy Chińczycy używali sinic Nostoc jako źródła pożywienia podczas głodu. Inny rodzaj mikroalg, sinice Arthrospira ( Spirulina ), był powszechnym źródłem pożywienia wśród populacji Czadu i Azteków w Meksyku już w XVI wieku.
Obecnie hodowane mikroglony są wykorzystywane jako bezpośrednia pasza dla ludzi i lądowych zwierząt gospodarskich oraz jako pasza dla hodowanych gatunków wodnych, takich jak mięczaki i wczesne stadia larwalne ryb i skorupiaków. Jest potencjalnym kandydatem do biopaliw . Mikroalgi mogą rosnąć 20 lub 30 razy szybciej niż tradycyjne rośliny spożywcze i nie muszą konkurować o grunty orne. Ponieważ produkcja mikroalg ma kluczowe znaczenie dla tak wielu zastosowań komercyjnych, istnieje zapotrzebowanie na techniki produkcji, które zwiększają produktywność i są ekonomicznie opłacalne.
Powszechnie uprawiane gatunki mikroalg
| Gatunek | Aplikacja |
|---|---|
| Chaetoceros sp. | Akwakultura |
| Chlorella pospolita | Źródło naturalnych przeciwutleniaczy |
| Dunaliella salina | Produkują karotenoidy ( β-karoten ) |
| Haematococcus sp. | Produkują karotenoidy ( β-karoten ), astaksantynę , kantaksantynę |
| Phaeodactylum tricornutum | Źródło przeciwutleniaczy |
| porfirydium cruentum | Źródło przeciwutleniaczy |
| rodella sp. | Barwnik do kosmetyków |
| Skeletonema sp | Akwakultura |
| Arthrospira maxima | Wysoka zawartość białka – Suplement diety |
| Arthrospira platensis | Wysoka zawartość białka – Suplement diety |
Techniki produkcji wylęgarni
Szereg gatunków mikroalg jest produkowanych w wylęgarniach i wykorzystywanych na różne sposoby do celów komercyjnych. W badaniach oszacowano główne czynniki sukcesu systemu wylęgarni mikroalg, takie jak wymiary pojemnika/bioreaktora, w którym hodowane są mikroglony, ekspozycja na światło/ napromieniowanie oraz stężenie komórek w reaktorze.
Otwarty system stawowy
Ta metoda jest stosowana od lat pięćdziesiątych XX wieku w całym CONUS. Istnieją dwie główne zalety hodowli mikroglonów przy użyciu otwartego stawu . Po pierwsze, system otwartego stawu jest łatwiejszy w budowie i obsłudze. Po drugie, stawy otwarte są tańsze niż bioreaktory zamknięte, ponieważ bioreaktory zamknięte wymagają systemu chłodzenia. Jednak wadą korzystania z systemów otwartych stawów jest zmniejszona produktywność niektórych ważnych handlowo szczepów, takich jak Arthrospira sp. , gdzie optymalny wzrost jest ograniczony temperaturą. To powiedziawszy, możliwe jest wykorzystanie ciepła odpadowego i CO 2 ze źródeł przemysłowych, aby to zrekompensować.
Metoda podnoszenia powietrznego
Ta metoda jest stosowana w uprawie zewnętrznej i produkcji mikroalg; gdzie powietrze jest przemieszczane w systemie w celu cyrkulacji wody, w której rosną mikroalgi. Kultura jest uprawiana w przezroczystych rurkach, które leżą poziomo na ziemi i są połączone siecią rur. Powietrze przepływa przez rurkę w taki sposób, że powietrze ucieka z końca, który spoczywa wewnątrz reaktora zawierającego kulturę i daje efekt przypominający mieszanie.
Reaktory zamknięte
Największą zaletą hodowli mikroglonów w systemie zamkniętym jest kontrola nad fizycznym, chemicznym i biologicznym środowiskiem hodowli. Oznacza to, że czynniki trudne do kontrolowania w systemach otwartych stawów, takie jak parowanie, gradienty temperatury i ochrona przed zanieczyszczeniem otoczenia, powodują, że reaktory zamknięte są preferowane w porównaniu z systemami otwartymi. Fotobioreaktory są podstawowym przykładem systemu zamkniętego, w którym można kontrolować czynniki abiotyczne. Do tej pory przetestowano kilka systemów zamkniętych na potrzeby hodowli mikroglonów, poniżej wymieniono kilka ważnych:
Fotobioreaktory poziome
System ten obejmuje rury układane na ziemi w celu utworzenia sieci pętli. Mieszanie zawieszonej kultury mikroglonów odbywa się za pomocą pompy, która podnosi kulturę pionowo w określonych odstępach czasu do fotobioreaktora . Badania wykazały, że mieszanie pulsacyjne w odstępach czasu daje lepsze wyniki niż mieszanie ciągłe. Fotobioreaktory są również kojarzone z lepszą produkcją niż systemy otwartych stawów, ponieważ mogą utrzymywać lepsze gradienty temperatury. Przykład odnotowany w wyższej produkcji Arthrospira sp. jako suplement diety przypisywano wyższą produktywność ze względu na lepiej dostosowany zakres temperatur i wydłużony okres uprawy w miesiącach letnich.
Systemy pionowe
Reaktory te wykorzystują pionowe rękawy polietylenowe zawieszone na żelaznej ramie. Szklane rurki mogą być również stosowane alternatywnie. Mikroglony są również hodowane w pionowych panelach pęcherzykowych (VAP), które są rodzajem fotobioreaktora . Fotobioreaktor ten charakteryzuje się niską wydajnością. Jednak ten problem można przezwyciężyć, modyfikując pola powierzchni do objętości ; gdzie wyższy współczynnik może zwiększyć produktywność. mieszanie i odtlenianie , którym można zaradzić, przepuszczając powietrze w sposób ciągły przy średnim natężeniu przepływu. Dwa główne typy pionowych fotobioreaktorów to VAP przepływowy i VAP z kolumną bąbelkową.
Reaktory płaskie
Reaktory z płaską płytą (FPR) są zbudowane z wąskich paneli i są umieszczone poziomo, aby zmaksymalizować dopływ światła słonecznego do systemu. Koncepcja FPR polega na zwiększeniu stosunku powierzchni do objętości w taki sposób, aby efektywnie wykorzystać światło słoneczne. Ten system hodowli mikroglonów był pierwotnie uważany za drogi i niezdolny do cyrkulacji kultury. Dlatego uznano, że FPR są ogólnie niewykonalne w przypadku komercyjnej produkcji mikroglonów. Jednak eksperymentalny system FPR w latach 80. wykorzystywał cyrkulację w kulturze z jednostki wymiany gazowej przez poziome panele. Eliminuje to problemy z krążeniem i zapewnia zaletę otwartej jednostki przenoszenia gazu, która zmniejsza gromadzenie się tlenu. Przykłady udanego wykorzystania FPR można zobaczyć w produkcji Nannochloropsis sp. używany ze względu na wysoki poziom astaksantyny .
Reaktory typu fermentorowego
Reaktory typu fermentor (FTR) to bioreaktory, w których prowadzona jest fermentacja . FTR nie rozwinęły się znacznie w uprawie mikroalg i stanowią wadę w stosunku powierzchni do objętości oraz zmniejszoną efektywność wykorzystania światła słonecznego. FTR zostały opracowane przy użyciu kombinacji światła słonecznego i sztucznego, co doprowadziło do obniżenia kosztów produkcji. Jednak informacje dostępne na temat wielkoskalowych odpowiedników opracowywanych systemów w skali laboratoryjnej są bardzo ograniczone. Główną zaletą jest to, że można kontrolować czynniki zewnętrzne, tj. światło, i zwiększać produktywność, dzięki czemu FTR może stać się alternatywą dla produktów dla przemysłu farmaceutycznego .
Aplikacje komercyjne
Zastosowanie w akwakulturze
Mikroglony są ważnym źródłem pożywienia i są szeroko stosowane w akwakulturze innych organizmów, bezpośrednio lub jako dodatkowe źródło podstawowych składników odżywczych. Gospodarstwa akwakultury hodujące larwy mięczaków , szkarłupni , skorupiaków i ryb wykorzystują mikroalgi jako źródło pożywienia. Niska ilość bakterii i wysoka biomasa mikroglonów jest kluczowym źródłem pożywienia dla akwakultury skorupiaków.
Mikroalgi mogą stanowić początek łańcucha dalszych procesów w akwakulturze. Na przykład mikroalgi są ważnym źródłem pożywienia w akwakulturze krewetek solankowych . Krewetki solankowe wytwarzają uśpione jaja, zwane cystami , które można przechowywać przez długi czas, a następnie wylęgają się na żądanie, aby zapewnić wygodną formę żywej paszy dla akwakultury larw ryb i skorupiaków.
Inne zastosowania mikroglonów w akwakulturze obejmują zwiększanie atrakcyjności estetycznej ryb hodowanych w niewoli. Jeden taki przykład można zauważyć w akwakulturze łososia , gdzie mikroalgi są wykorzystywane do zaróżowienia miąższu łososia. Osiąga się to poprzez dodanie do diety zwierząt hodowlanych naturalnych barwników zawierających karotenoidy , takich jak astaksantyna wytwarzana z mikroalg Haematococcus . Dwa gatunki mikroalg, I. galbana i C. calcitrans, składają się głównie z białek, które służą do rozjaśniania koloru łososia i gatunków pokrewnych.
Odżywianie
Głównymi gatunkami mikroalg uprawianych jako zdrowa żywność są Chlorella i Spirulina ( Arthrospira platensis ). Główne formy produkcji występują w małych stawach ze sztucznymi mieszadłami. Arthrospira platensis to niebiesko-zielona mikroalga o długiej historii jako źródło pożywienia w Afryce Wschodniej i przedkolonialnym Meksyku. Spirulina jest bogata w białko i inne składniki odżywcze, dzięki czemu znajduje zastosowanie jako suplement diety i przy niedożywieniu. Rozwija się w systemach otwartych, a hodowcy komercyjni uznali, że dobrze nadaje się do uprawy. Jednym z największych zakładów produkcyjnych jest jezioro Texcoco w środkowym Meksyku. Rośliny wytwarzają różnorodne składniki odżywcze i duże ilości białka i są często stosowane komercyjnie jako suplement diety. Chlorella ma podobne właściwości odżywcze do spiruliny i jest bardzo popularna w Japonii . Jest również stosowany jako suplement diety , z możliwym wpływem na tempo przemiany materii .
Produkcja długołańcuchowych kwasów tłuszczowych omega-3, ważnych dla diety człowieka, może być również hodowana w systemach wylęgarni mikroglonów .
Australijscy naukowcy z Flinders University w Adelajdzie eksperymentowali z wykorzystaniem mikroalg morskich do produkcji białek przeznaczonych do spożycia przez ludzi, tworząc produkty takie jak „ kawior ”, wegańskie burgery, sztuczne mięso , dżemy i inne produkty do smarowania . Manipulując mikroalgami w laboratorium , można zwiększyć zawartość białka i innych składników odżywczych oraz zmienić smaki, aby uczynić je bardziej smacznymi. Te pokarmy pozostawiają znacznie mniejszy ślad węglowy niż inne formy białka, ponieważ mikroalgi raczej pochłaniają niż wytwarzają dwutlenek węgla , który przyczynia się do emisji gazów cieplarnianych .
Produkcja biopaliw
Aby sprostać wymaganiom paliw kopalnych , badane są alternatywne sposoby pozyskiwania paliw. Biodiesel i bioetanol to odnawialne biopaliwa o dużym potencjale, które są ważne w obecnych badaniach. Jednak paliwa odnawialne oparte na rolnictwie mogą nie być w pełni zrównoważone, a zatem mogą nie być w stanie zastąpić paliw kopalnych. Mikroalgi mogą być niezwykle bogate w oleje (do 80% suchej masy biomasy ) nadające się do przetworzenia na paliwo. Ponadto mikroalgi są bardziej produktywne niż uprawy rolne na lądzie i dlatego w dłuższej perspektywie mogą być bardziej zrównoważone. Mikroalgi do biopaliw produkowane są głównie w fotobioreaktorach rurowych .
Farmaceutyki i kosmetyki
Z mikroalg można wyizolować nowe bioaktywne związki chemiczne, takie jak siarczanowane polisacharydy . Związki te obejmują fukoidany , karageniny i ulwany , które są wykorzystywane ze względu na ich korzystne właściwości. Te właściwości to antykoagulanty , przeciwutleniacze , środki przeciwnowotworowe , które są testowane w badaniach medycznych.
Czerwone mikroalgi charakteryzują się pigmentami zwanymi fikobiliproteinami , które zawierają naturalne barwniki stosowane w farmaceutykach i/lub kosmetykach .
Bionawóz
Niebieskozielone algi zostały po raz pierwszy użyte jako środek wiążący azot, umożliwiając namnażanie się sinic w glebie, działając jako bionawóz . Wiązanie azotu jest ważne, ponieważ umożliwia przekształcanie związków nieorganicznych, takich jak azot, w formy organiczne , które mogą być następnie wykorzystywane przez rośliny. Wykorzystanie cyjanobakterii jest ekonomicznie uzasadnionym i przyjaznym dla środowiska sposobem na zwiększenie produktywności. Metodę tę stosowano do ryżu w Indiach i Iranie, wykorzystując właściwości wiązania azotu wolno żyjących sinic w celu uzupełnienia zawartości azotu w glebie.
Inne zastosowania
Mikroalgi są źródłem cennych cząsteczek, takich jak izotopy , czyli chemiczne warianty pierwiastka zawierające różne neutrony. Mikroglony mogą skutecznie włączać do swojej biomasy izotopy węgla ( 13 C), azotu ( 15 N) i wodoru ( 2 H ). 13 C i 15 N są wykorzystywane do śledzenia przepływu węgla między różnymi poziomami troficznymi/sieciami pokarmowymi. Izotopy węgla, azotu i siarki można również wykorzystać do określenia zakłóceń w społecznościach zamieszkujących dno, które w inny sposób są trudne do zbadania.
Kwestie
Kruchość komórek jest największym problemem ograniczającym produktywność zamkniętych fotobioreaktorów . Uszkodzenie komórek można przypisać turbulentnemu przepływowi w bioreaktorze , który jest wymagany do wymieszania, tak aby światło było dostępne dla wszystkich komórek.
