Исследование и изучение оптических свойств микроводоросли Chlorella vulgaris, с целью формирования облучательных характеристик для обеспечения эффективного роста хлореллы в искусственных условиях
Введение 1
1. Обзор литературы 5
1.1 Особенности светового воздействия на объект 5
1.2 Анализ существующих систем облучения 8
1.3 Применяемые в искусственных системах источники излучения 16
1.3.1 Лампы накаливания 17
1.3.2 Люминесцентные лампы 18
1.3.3 Газоразрядные лампы высокого давления 19
1.3.4 Металлогалогенные лампы 19
1.4 Опыт использования светодиодов 20
2. Объект и методы исследования 23
2.1 Культивирование хлореллы 23
2.2 Метод подсчета клеток 26
2.3 Спектроскопические методы анализа 28
2.4 Экспериментальный метод подбора спектра облучения 31
4. Результаты проведенного исследования 38
5. Раздел «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» 40
5.1 Введение 40
5.2 Методика проведения сравнительного анализа 40
5.3 Используемые источники излучения 44
5.4 Расчеты и аналитика 45
5.5 Выводы 49
6. Раздел «Социальная ответственность» 50
6.1 Введение 50
6.2 Техногенная безопасность 51
6.2.1 Анализ вредных факторов производственной среды 51
6.2.2 Анализ опасных факторов производственной среды 55
6.3 Региональная безопасность 57
6.4 Организационные мероприятия обеспечения безопасности 57
6.5 Особенности законодательного регулирования 59
6.6 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 59
Заключение 62
Список публикаций студента
Приложение А
Раздел на иностранном языке 68
Приложение Б
Журнал эксперимента 81
В современном мире применение микроводорослей в различных областях становится все шире: в сельском хозяйстве, в пищевой промышленности, в медицине и косметологии, для очистки сточных вод, для производства кислорода и биотоплива.
Одной из разновидностей активно используемых водорослей является Chlorella vulgaris. Работы со штаммами этой культуры активно велись на протяжении последних десятилетий, но, тем не менее, не утратили своей актуальности. На данный момент ведется огромное количество разработок фотобиореакторов (ФБР), в России и за рубежом, направленных на производство биомассы микроводоросли вида Chlorella наиболее эффективным способом. Для этого необходимо учитывать целый ряд факторов, влияющих на развитие и размножение культуры, но наиболее важным из них является свет, т.к. именно он влияет на фотосинтез и развитие хроматофора - основного внутриклеточного образования хлореллы.
Конструкции современных фотобиореакторов предусматривают различные системы облучения, используются как естественные источники световой энергии, так и искусственные [1]. Искусственные источники излучения (ИИ), по сравнению с естественными, обладают рядом преимуществ, важнейшим из которых является возможность управления, позволяющая подбирать наиболее эффективные световые условия при культивировании. Как следствие, появляется возможность получать высокие скорости биосинтеза ценных веществ, входящих в состав хлореллы, что ускоряет размножение и прирост культуры. Однако все технологии, использующие искусственные ИИ, достаточно энергоёмки, что в значительной мере повышает себестоимость конечного продукта.
Оснащение фотобиореактров для микроводорослей твердотельными полупроводниковыми источниками облучения в значительной мере расширяет круг задач, решаемых при проектировании. Светодиоды схемотехнически
просто объединяются в последовательно - параллельные структуры, так же несложно осуществлять управление яркостью. Но главным преимуществом является возможность точно подобрать параметры излучения - длину волны, мощность, спектр необходимые для культивирования водорослей. Светодиоды более экологически безопасны и в отличие от люминесцентных ламп не содержат ртуть. Кроме того, светодиоды имеют максимальную светоотдачу, обладают высоким коэффициентом полезного использования электроэнергии (около 80 %) по сравнению с другими источниками, КПД которых не превышает 50 %. Кроме того, конструктивные особенности светодиодных систем позволяют размещать источники света внутри суспензии микроводорослей, что позволяет лучше утилизировать энергию излучения [3]. Поэтому светодиодные ИИ, при правильном применении, могут решить ряд проблем, возникающих при культивировании микроводоросли Chlorella vulgaris в искусственных условиях.
Актуальность выполненной выпускной квалификационной работы заключается в решении проблемы увеличения энергопотребления при использовании искуственных ИИ, за счет исследования и оптимизации спектральных характеристик облучения, которые возможны благодаря использованию светодиодных облучателей. Область исследования представлена множеством научных коллективов, вот некоторые из них:
1. Вильнюсский университет, факультет естественных наук, кафедра биохимии и молекулярной биологии, Литва.
2. Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве, г. Тамбов.
3. Университет Уэльва, факультет химических наук и материаловедения, кафедра альгобиотехнологий, Испания.
4. Вагенингенский Университет, кафедра технологий биопроцессов, Нидерланды.
5. Институт морских биологических исследований имени А. О. Ковалевского РАН, г. Севастополь.
6. Институт Физиологии Растений РАН им. К.А. Тимирязева, г.Москва.
7. Некоммерческое учреждение «Научно-исследовательский институт альгобиотехнологии», совместно с ООО НПК «ДЕЛО», г. Пенза.
8. Университет Джорджии, факультет высшего образования, США.
Решение проблемы, положенной в основу данной ВКР, имеет значимость для развития проектов и разработок по созданию фотобиореакторов, т.к. область исследования испытывает дефицит работ, направленных на изучение процесса культивирования со светотехнической стороны.
Целью работы является исследование и изучение оптических свойств микроводоросли Chlorella vulgaris, с целью формирования облучательных характеристик для обеспечения эффективного роста хлореллы в искусственных условиях. А также выбор источника излучения, наиболее оптимального не только с технической, но и с экономической точки зрения.
Объектом исследования является процесс культивирования микроводорослей. Понятие культивирование включает в себя управляемое разведение, выращивание растений, злаков, растительных клеток, микроводорослей, тканей, микроорганизмов, а также животных,
подразумевающее использование не свойственных, для естественной среды, условий, обеспечиваемых различными технологическими решениями [4].
Предмет исследования - реакция приемника, на различные оптические характеристики источников излучения, основной из которых является спектральный состав. В данной ситуации имеется в виду частный случай культивирования микроводорослей, а именно Chlorella vulgaris, которые используются в качестве биологического приемника.
Личный вклад автора заключается в поиске методов для достижения цели работы и решения возникающих задач, в планировании и проведении экспериментов, обработке и анализе полученных данных. Постановка задач, а также обсуждение методов для их решения осуществлялись совместно с
научным руководителем и соавторами, указанными в публикациях по теме данной работы.
Структура и объем работы: работа состоит из введения, 6 глав, заключения, затем идет список публикаций (4 шт.) и список использованной литературы, включающий ХХ наименований. Работа изложена на ХХ страницах, содержит ХХ таблиц, ХХ рисунка и Х приложения.
Целью работы являлось исследование и изучение оптических свойств микроводоросли Chlorella vulgaris, с целью формирования облучательных характеристик для обеспечения эффективного роста хлореллы в искусственных условиях. А также выбор источника излучения, наиболее оптимального не только с технической, но и с экономической точки зрения.
Работа содержит результаты исследований по всем необходимым пунктам. Предпочтительными источниками излучения являются светодиодные модулей, которые имеют возможность подстройки спектра облучения, под различные требования. Выбор обоснован как с технической (Глава 4), так и с экономической точки зрения (Глава 5).
Расчеты показали, что переход на светодиодные облучатели имеет кротчайший срок окупаемости, который составил от 7 до 13 часов для рассматриваемого примера фотобиореактора. Если сравнивать между собой типовые светодиодные облучатели и облучатели с избирательным подходом к спектру излучения, можно сделать вывод, об экономической целесообразности использования установленных спектральных характеристик.
По результатам работы сделан вывод, о влиянии строения клеток микроводоросли Chlorella Vulgaris на оптимальные спектральные характеристики облучателя, определен наиболее эффективный, из рассмотренных, спектр облучения. Также выявлена закономерность зависимости эффективного спектра от фазы развития объекта, которая требует проведения большего количества экспериментальных исследований для своего подтверждения. Необходимо подробнее изучить вопрос возможности хлореллы подстраиваться под заданные световые условия. Работа над этой проблемой планируется в дальнейших исследованиях.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
