Granéli, E.; Turner, Jefferson T. (Eds.) 2006: Ecology of Harmful Algae, Springer Amsler, Charles D. (Ed.) 2008: Algal Chemical Ecology, Springer

Transkript

1 Literatura Richmond, A. (2004): Handbook of Microalgal Culture. Biotechnology and Applied Phycology, Blackwell Publishing, 566pp. Becker, E. W. (1994): Microalgae: biotechnology and microbiology, Cambridge University Press, 293 pp. Andersen, R., ed. (2005): Algal culturing techniques, Elsevier, 578pp Cresswell, R. C.; Rees, T.A.W.; Shah, N. (1989): Algal and Cyanobacterial Biotechnology, Longman Scientific and Technical, Harlow, 341pp. Cohen, Z. (1999): Chemicals from microalgae, London, 419 pp. McHugh, D. J. (2003): A guide to seaweed industry, Canberra 65E00.HTM Maršálek, B. (1999): toxiny sinic a řas a jejich vliv na lidské zdraví Fatma, T. (1999): Cyanobacterial and Algal Metabolismus and Environmental Biotechnology, Narosa Publishing House. Rodgers, L. J. Gallon, J. R., eds. (1988): Biochemistry of the Algae and Cyanobacteria, Clarendon Press, Oxford, 374 pp. Kojima, H., Lee Y. K., eds. (2001): Photosynthetic Microorganisms in Environmental Biotechnology, Springer-Verlag.

2 Granéli, E.; Turner, Jefferson T. (Eds.) 2006: Ecology of Harmful Algae, Springer Amsler, Charles D. (Ed.) 2008: Algal Chemical Ecology, Springer Borowitzka, M. A and Moheimani N. R. (Eds.) 2013: Algae for Biofuels and Energy, Springer

3 Využití komerčně pěstovaných řas I. potraviny Proteinové doplňky v potravě podvyživených dětí a dospělých (Spirulina) II. krmiva III. potravin. doplňky IV. léčiva Proteinové a vitamínové doplňky v krmivech pro drůbež, dobytek, prasata, ryby, mlže (ústřice) Řasový prášek jako základ pro výrobu doplňků zdravé výživy (Chlorella, Spirulina) -karoten jako možný lék proti rakovině kůže. Anibiotika při hojení ran. Kyselina -linoleová stimulace tvorby prostaglandinu. Regulace syntézy cholesterolu. V. pigmenty -karoten pro barvení potravin a jako potravinový doplněk (provitamin A). Xantofyly v krmivu pro drůbež a ryby. Fykobiliny jako potravinářské barvivo, v diagnostice, kosmetice a jako chemikélie pro analýzu. VI. fykokoloidy VII. zdroj chemických látek VIII. palivo IX. hormony Algináty, agar, karagen pro použití v potravinářském průmyslu, kosmetice Glycerol, mastné kyseliny, lipidy vosky, steroly, uhlovodíky, AK, enzymy, vitamíny C a E, polysacharidy, iontoměniče. Uhlovodíky s dlouhým řetězcem, esterifikované lipidy, vodík, bioplyn Auxiny, gibereliny, cytokininy X. ostatní Biofertilizace, bioremedice, environmentální technologie

4 Historie velkoplošných kultivací Algal culture from laboratory to pilot plant (Burlew 1953) Carnegie Institution of Washington Chlorella jako potravina Je možné zajistit vysokou produktivitu, zjištěnou v laboratoři, ve větších systémech? jednotka (skleněné trubice zabírající plochu 57 m 2 ) během svého provozu - 50 kg sušené chlorelly vysoká nákladnost produkce (ca $ 520/kg). další továrny na chlorellu - Asie (Tajvan) stlačení výrobní ceny na $11 /kg (sója $0,2 /kg) preparáty z chlorelly: potravinový doplněk (prodávána v tabletách Chlorella Growth Factor ) mají své obhájce i odpůrce ne levný zdroj proteinů

5 Využití řas při čištění odpadů W. J. Oswalda, University of California Berkeley (1957) prototyp high rate algal pond - oválná nádrž míchaná lopatkou (kolesem), účinnost byla srovnatelná s biologickou oxidací (sekundárním čištěním) v klasické čistírně odpadních vod 2 hlavní problémy: 1) kolísání druhového složení během roku, 2) závěrečné odstranění řasové biomasy - finančně náročné Co s konečným produktem? obsahoval kromě řas i bakterie a detritus. Mylný předpoklad: Burlew 1953 optimalizujeme-li kultivaci pro chlorelu, bude možné poznatky využít pro všechny ostatní mikrořasy

6 Jak se řasy pěstují? 1) jednoduchá biotechnologie: pěstování řasové biomasy, využita jako potravina (potravinový doplněk, krmivo) 2) sofistikovaná biotechnologie a vysoká počáteční investice otevřené systémy, selektované kmeny, dodávány minerální živiny a dodatečné zdroje C využití jako food supplement (např.chlorella, Arthrospira, Dunaliella) uzavřené systémy, buňky rostou preferenčně na autotrofních médiích, většinou pro získávání specifických chemický látek ze selektovaných kmenů (např. Porphyridium, Arthrospira, Dunaliella) systémy využívající komunální a průmyslový odpad - bioremedice, řasové populace tvořeny několika druhy, přítomny bakterie a zooplankton (Micractinium, Oocystis, Oscillatoria, Chlamydomonas, Euglena, Ankistrodesmus) pěstování Arthrospira v malých nádržích Indie

7 Kultivační média Co by mělo splňovat kultivační médium: konduktivita by měla odpovídat podmínkám původního biotopu studovaného kmene zdroj C zdroj N (amoniak, dusičnany, dusitany, močovina) zdroj dalších základních prvků (draslík, hořčík, sodík, síra sírany, fosfor fosforečnany, vápník, železo) ph stopové prvky (mangan, nikl, zinek, bor, vanad, kobalt, měď, molybden) další látky, které podporují růst (vitaminy, hormony, půdní dekokt) metal - EDTA

8 CO 2 jako zdroj uhlíku CO 2 se ve vodě nachází v následujících formách: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3-2 H + + CO 3 2- Rovnováha CO 2 / HCO 3 - /CO 3 2- je závislá na ph

9 sinice, zel.řasy sinice Chlorella Arthrospira Dunaliella N:P=45:1 4:1 6:1

10 Výběr kmenů pro velkoplošné kultury fyziologická kritéria: eurytermní kmeny kmeny s minimální fotoinhibicí kmeny s minimální respirační rychlostí za tmy kmeny tolerující vysoké koncentrace O 2 kmeny tolerující osmotický stres Arthrospira platensis

11 Růstové fáze kultury v uzavřeném systému 1) adaptace = lag fáze 2) fáze zrychleného růstu 3) exponenciální růst = log fáze 4) klesající logaritmický růst =fáze lineárního růstu 5) stacionární fáze 6) fáze zrychleného odumírání (accelerated death) 7) fáze logaritmického odumírání

12 Odhad řasové biomasy 1) turbidita (optická denzita) 2) odhad sušiny 3) packed cell volume (PCV) 4) obsah chlorofylu

13 Odhad řasové biomasy 5) koncentrace proteinů 6) počítání v komůrkách

14 7) Electrical resistance Coulter counter počítá buňky měří jejich objem (Buňky mají velký odpor nevedou elektřinu, buňky nasávány po jedné do úzké mezery mezi dvě elektrody, přerušení proudu 8) Průtoková cytometrie Buňky proudí úzkým prostorem a přerušují laserový paprsek, širší využití proteiny, DNA, chromozómy 9) Image Analysis analýza obrazu, klasifikační algoritmus

15 Schematické znázornění tubulárního fotobioreaktoru

16 Tubulární bioreaktory Caradache, Francie, 100 m 2 plochy. 5 identických jednotek, každá může být inokulována zvlášť Tubulární fotobioreaktor Florencie, Itálie. Objem 100 l na 1 m 2 osvětlené plochy. Porphyridium

17

18 Plexiglas bubble column reactor with diameter 0.2 m, heigth 2 m, working volume L Operation in batch or continuous mode Continuous nutrient and gas supply / Gas recycle system for product gas (H2) Low temperature heating and cooling system Sensors for ph, temperature, turbidity, sun light (PAR) and po2 Fully automatic control & data acquisition system

19 Otevřené nádrže lze rozdělit do čtyř typů: kruhové nádrže, agitaci provádí rotující rameno podlouhlé nádrže kultivační nádrže s určitým sklonem přirozené nádrže Kruhové nádrže míchány rotujícím ramenem, Chlorella (Taiwan)

20

21 Podlouhlé nádrže Nejjednodušší konstrukce jsou mělké jámy v zemi, překryté nepropustnou fólií. Sede Boker (Izrael) V zemi vyhloubená nádrž, překrytá polyetylenovu fólií Madras (Indie)

22 Experimentální nádrže - podlouhlé Sede Boker (Izrael) Dortmund Technion-Heifa (Izrael) Bloemfontein (JAR)

23 Velké produkční jednotky Podlouhlé nádrže na pěstování Arthrospira o celkové ploše m 2 Earthrise Company, Kalifornie

24 Cyanotech Corporation on the Big Island of Hawaii, USA

25 Kultivační nádrže s určitým sklonem Kultivační jednotky se skládají z kaskádovitě uspořádaných skleněných ploch, po kterých stéká řasová suspenze a je opět pumpována vzhůru (během dne za vysoké světelné intenzity). Během noci je řasová suspenze skladována v nádrži, provzdušňována a míchána (Třeboň) Kultivační nádrž ve svahu, řasová suspenze meandruje od nejvyššího bodu k nejnižšímu, odkud je pumpována zpět nahoru. Sausal (Peru)

26 Velkoplošné kultivace MBÚ AVČR Třeboň Opatovický Mlýn

27 Přírodní nádrže Jezero Twin Taung, Barma jezero Texcoco, Mexiko Stará mapa (1720) jezera Texcoco

28 Lake Texcoco, detail from 1847 Bruff/Disturnell map

29 An illustration from the Florentine Codex ( ) showing how the Aztecs harvested Spirulina (Arthrospira) off lakes by skimming the surface with ropes and then drying the algae into square cakes that would be eaten as a nourishing condiment.

30 Lake Chad is a large, shallow lake in Africa Spirulina may have an even longer history in Chad, as far back as the 9th century Kanem Empire. It is still in daily use today, dried into cakes called Dihé which are used to make broths for meals, and also sold in markets. The Spirulina is harvested from small lakes and ponds around Lake Chad

31

32 Biologické principy velkoplošné kultivace Světlo

33 koncentrace buněk ovlivňuje světelný režim OCD (optimal cell density) optimální koncentrace buněk

34 ozářenost

35 Evaporace Míchání (agitace) Míchání zajišťuje: stejnoměrné ozáření buněk, homogenní distribuci živin, lepší využití CO 2 ; zamezuje: tvorbě gradientů kolem jednotlivých buněk (živiny, plyny) sedimentaci a teplotní stratifikaci; jak dlouho buňky v osvětlené horní vrstvě Různé metody míchání: 1. lopatkové kolo (koleso) poháněné elektrickou energií 2. probublávání vzduchem nebo vzduchem syceným CO 2 3. ostatní (ruční míchání, využití energie větru, solární energie) Nádrž míchaná probubláváním vzduchu

36

37 Agitace

38 Přísun CO 2 probublávání Plovoucí CO 2 dávkovač vynalezen v Peru (Vasquez et Heussler, 1985) kostra z PVC trubek potažená průhlednou fólií, vznáší se nad povrchem, prostor naplněn čistým CO 2. Regulace jak moc je ponořen, tlaku CO 2 v absorpčním prostoru. Nevýhoda: CO 2 v absorpčním prostoru je postupně ředěn dalšími plyny (především O 2 produkovaným řasami při fotosyntéze a N 2 z atmosféry). Čím větší objem, tím déle je udržena dostatečná koncentrace CO 2. Vliv ph

39 Kontaminanty velkoplošných kultivací - houby jiné řasy Chytridium sp. Geotrichum candidum Ascomycota, Saccharomycetales Chytridiomycota bakterie: Bacillus, Micrococcus, E.coli, Staphylococcus

40 Kontaminanty velkoplošných kultivací - zooplankton Brachionus Colpidium Vorticella Moina

41 Kontaminanty velkoplošných kultivací - hmyz Ephydra hians Chironomus - larvy kontaminuje kultury Arthospira - larva schopná žít v prostředí s vysokým ph a konduktivitou

42 Nejjednodušší zařízení pro filtraci používaná především v rozvojových zemích a c a, b: jednoduché látkové filtry pro separaci Spirulina (Indie) c: víceposchoďový filtr pro separaci Spirulina (Indie) d: svažitý filtr pro separaci Spirulina (Taiwan) b d

43 Harvesting (sklizeň) Schematický nákres pásového filtru: filtrační buben pokrytý polyesterovým filtračním pásem (velikost pórů 5-12 m). Suspenze je přiváděna vně bubnu. Hladina vně je vyšší než uvnitř vzniká diferenciální tlak, který žene suspenzi skrz filtrační pás. Pás se posunuje, v horní části jsou z něj řasy odsávány a je čištěn tlakovou vodou.

44 Sušení Solární sušička: levný způsob sušení, zkracuje dobu sušení na slunci. Většinou dřevěná krabice, vevnitř natřená na černo, překrytá sklem s větracími otvory (Indie). Zahuštěná biomasa Arthospira je nanesena na plastovou fólii vloženou do hliníkových táců a exponována na bezprašném místě.

45 Technologicky vyspělejší způsoby sušení bubnové sušení: aplikace koncentrované biomasy nebo pasty do rotujícího předehřátého bubnu. Materiál je vysušen během několika sekund, tato rychlá dehydratace způsobuje prasknutí BS. sušení vstřikováním: koncentrovaná biomasa musí být tak řídká, aby se dala nasávat. Stravitelnost produktu je nižší v porovnání s bubnovým sušením. Nejpoužívanější proces sušení pro všechny druhy mikrořas. zařízení pro sušení vstřikováním

46 Sušení

47 Výtěžek