Kultura mikrořas v líhních - Culture of microalgae in hatcheries

Dráhový rybník slouží k pěstování mikrořas. Voda je udržována v neustálém pohybu pomocí poháněného lopatkového kola .

Mikrořasy nebo mikroskopické řasy rostou v mořských nebo sladkovodních systémech. Jsou primárními producenty oceánů, které za přítomnosti slunečního světla přeměňují vodu a oxid uhličitý na biomasu a kyslík.

Nejstarší doložené použití mikrořas bylo před 2000 lety, kdy Číňané používali při hladomoru jako zdroj potravy sinice Nostoc . Další typ mikrořas, sinice Arthrospira ( Spirulina ), byl běžným zdrojem potravy mezi populacemi v Čadu a Aztékové v Mexiku již v 16. století.

Kultivované mikrořasy se dnes používají jako přímé krmivo pro lidi a suchozemská hospodářská zvířata a jako krmivo pro kultivované vodní druhy, jako jsou měkkýši a raná larvální stádia ryb a korýšů. Je potenciálním kandidátem na výrobu biopaliv . Mikrořasy mohou růst 20 až 30krát rychleji než tradiční potravinářské plodiny a nemají potřebu soutěžit o ornou půdu. Protože produkce mikrořas je ústředním bodem mnoha komerčních aplikací, existuje potřeba výrobních technik, které zvyšují produktivitu a jsou ekonomicky výnosné.

Běžně pěstované druhy mikrořas

Řas jsou mikroskopické formy řas , jako je tento kokolitky , které jsou mezi 5 a 100 mikrometrů napříč

Techniky líhně

V líhních se produkuje řada druhů mikrořas a pro komerční účely se používají různými způsoby. Studie odhadly hlavní faktory úspěchu systému líhní mikrořas jako rozměry kontejneru/ bioreaktoru, kde se mikrořasy kultivují, expozice světlu/ ozařování a koncentrace buněk v reaktoru.

Otevřený rybniční systém

Tato metoda se používá od padesátých let minulého století. Kultivace mikrořas pomocí systému otevřeného rybníka má dvě hlavní výhody . Za prvé, otevřený rybniční systém se snáze staví a provozuje. Za druhé, otevřené rybníky jsou levnější než uzavřené bioreaktory, protože uzavřené bioreaktory vyžadují chladicí systém. Stinnou stránkou používání otevřených rybničních systémů je snížená produktivita určitých komerčně důležitých kmenů, jako je Arthrospira sp. , kde je optimální růst omezen teplotou. To však znamená, že k kompenzaci je možné použít odpadní teplo a CO2 z průmyslových zdrojů.

Metoda vzduchového výtahu

Tato metoda se používá při venkovním pěstování a produkci mikrořas; kde se vzduch pohybuje v systému za účelem cirkulace vody, kde rostou mikrořasy. Kultura se pěstuje v průhledných trubkách, které leží vodorovně na zemi a jsou spojeny sítí trubek. Vzduch prochází trubicí tak, že vzduch uniká z konce, který spočívá uvnitř reaktoru, který obsahuje kulturu, a vytváří účinek jako míchání.

Uzavřené reaktory

Největší výhoda kultivace mikrořas v uzavřeném systému poskytuje kontrolu nad fyzickým, chemickým a biologickým prostředím kultury. To znamená, že faktory, které je obtížné kontrolovat v systémech s otevřeným jezírkem, jako je odpařování, teplotní gradienty a ochrana před kontaminací okolním prostředím, dávají uzavřeným reaktorům přednost před otevřenými systémy. Fotobioreaktory jsou primárním příkladem uzavřeného systému, kde lze ovládat abiotické faktory. Pro účely kultivace mikrořas bylo dosud testováno několik uzavřených systémů, několik důležitých je uvedeno níže:

Horizontální fotobioreaktory

Tento systém zahrnuje trubice položené na zemi, aby vytvořily síť smyček. K míchání kultury suspendované mikrořasami dochází prostřednictvím čerpadla, které kultivuje kulturu svisle v načasovaných intervalech do fotobioreaktoru . Studie zjistily, že pulzní míchání v intervalech přináší lepší výsledky než použití kontinuálního míchání. Fotobioreaktory jsou také spojovány s lepší produkcí než systémy otevřených rybníků, protože dokážou udržovat lepší teplotní gradienty. Příklad zaznamenaný ve vyšší produkci Arthrospira sp. použitý jako doplněk stravy byl přisuzován vyšší produktivitě díky vhodnějšímu teplotnímu rozmezí a prodlouženému období kultivace v letních měsících.

Vertikální systémy

Tyto reaktory používají svislé polyetylenové rukávy zavěšené na železném rámu. Alternativně lze také použít skleněné trubice. Mikrořasy se kultivují také ve vertikálních alveolárních panelech (VAP), které jsou typem fotobioreaktoru . Tento fotobioreaktor se vyznačuje nízkou produktivitou. Tento problém však lze překonat úpravou poměru povrchové plochy k objemu ; kde vyšší poměr může zvýšit produktivitu. Míchání a odkysličování jsou nevýhodami tohoto systému a lze je řešit kontinuálním probubláváním vzduchu průměrným průtokem. Dva hlavní typy vertikálních fotobioreaktorů jsou Flow-through VAP a Bubble Column VAP.

Ploché deskové reaktory

Ploché deskové reaktory (FPR) jsou konstruovány pomocí úzkých panelů a jsou umístěny vodorovně, aby maximalizovaly vstup slunečního světla do systému. Koncept FPR je zvýšit poměr povrchové plochy k objemu tak, aby bylo efektivně využíváno sluneční světlo. Tento systém kultury mikrořas byl původně považován za drahý a neschopný obíhat kulturu. Proto byly FPR považovány za celkově neproveditelné pro komerční produkci mikrořas. Experimentální systém FPR v 80. letech však využíval cirkulaci v kultuře z jednotky pro výměnu plynu přes horizontální panely. To překonává problémy s cirkulací a poskytuje výhodu otevřené jednotky pro přenos plynu, která snižuje tvorbu kyslíku. Příklady úspěšného použití FPR lze vidět při produkci Nannochloropsis sp. používá se pro vysoké hladiny astaxanthinu .

Reaktory typu Fermentor

Reaktory typu Fermentor (FTR) jsou bioreaktory, kde se provádí fermentace . FTR se v kultivaci mikrořas nevyvíjely nijak výrazně a představují nevýhodu v poměru povrchové plochy k objemu a sníženou účinnost při využívání slunečního světla. FTR byly vyvinuty pomocí kombinace slunce a umělého světla, což vedlo ke snížení výrobních nákladů. Informace o velkém měřítku protějšků vyvíjených systémů v laboratorním měřítku jsou však velmi omezené. Hlavní výhodou je, že lze ovládat vnější faktory, tj. Světlo, a zvýšit produktivitu, aby se FTR mohl stát alternativou pro výrobky pro farmaceutický průmysl.

Komerční aplikace

Použití v akvakultuře

Řas se používá ke kultuře solanky krevety , které produkují spící vejce (na obrázku). Vejce pak lze na požádání líhnout a krmit kultivovanými rybími larvami a korýši.

Mikrořasy jsou důležitým zdrojem výživy a jsou široce využívány v akvakultuře jiných organismů, a to buď přímo, nebo jako přidaný zdroj základních živin. Akvakulturní farmy chující larvy měkkýšů , ostnokožců , korýšů a ryb používají jako zdroj výživy mikrořasy. Nízký obsah bakterií a vysoká biomasa mikrořas jsou zásadním zdrojem potravy pro akvakulturu měkkýšů.

Mikrořasy mohou tvořit začátek řetězce dalších akvakulturních procesů. Například mikrořasy jsou důležitým zdrojem potravy v akvakultuře slaných krevet . Krevety solanky produkují spící vejce, nazývaná cysty , která mohou být skladována po dlouhou dobu a poté se na požádání vylíhnou, aby poskytla vhodnou formu živého krmiva pro akvakulturu larevních ryb a korýšů.

Mezi další aplikace mikrořas v akvakultuře patří zvýšení estetické přitažlivosti finfish chovaných v zajetí. Jeden takový příklad lze zaznamenat v akvakultuře lososa , kde se používají mikrořasy, aby se maso lososa stalo růžovějším. Toho je dosaženo přidáním přírodních pigmentů obsahujících karotenoidy, jako je astaxanthin produkovaný z mikrořas Haematococcus, do stravy hospodářských zvířat. Dva druhy mikrořas, I. galbana a C. calcitrans, jsou většinou složeny z bílkovin, které se používají k zesvětlení barvy lososa a příbuzných druhů.

Výživa člověka

Hlavními druhy mikrořas pěstovaných jako zdravé potraviny jsou Chlorella a Spirulina ( Arthrospira platensis ). Hlavní formy produkce se vyskytují v malých rybnících s umělými míchadly. Arthrospira platensis je modrozelená mikrořasa s dlouhou historií jako zdroj potravy ve východní Africe a předkoloniálním Mexiku. Spirulina má vysoký obsah bílkovin a dalších živin, nachází uplatnění jako doplněk stravy a při podvýživě. Daří se jí v otevřených systémech a komerční pěstitelé ji shledali vhodnou pro pěstování. Jedním z největších výrobních závodů je Lake Texcoco ve středním Mexiku. Rostliny produkují řadu živin a vysoké množství bílkovin a často se komerčně používají jako výživový doplněk. Chlorella má podobnou výživu jako spirulina a je velmi populární v Japonsku . Používá se také jako výživový doplněk s možnými účinky na rychlost metabolismu .

Produkci omega-3 mastných kyselin s dlouhým řetězcem důležitých pro lidskou výživu lze také kultivovat prostřednictvím líhní mikrořas .

Australští vědci z Flindersovy univerzity v Adelaide experimentovali s využitím mořských mikrořas k produkci bílkovin pro lidskou spotřebu a vytvářeli produkty jako „ kaviár “, veganské hamburgery, falešné maso , džemy a další potravinové pomazánky . Manipulací řas v laboratoři je protein a dalších živin by se mohla zvýšit obsah a chutí změnil tak, aby byly chutnější. Tyto potraviny zanechávají mnohem lehčí uhlíkovou stopu než jiné formy bílkovin, protože mikrořasy spíše absorbují, než produkují oxid uhličitý , který přispívá ke skleníkovým plynům .

Výroba biopaliv

Aby byly splněny požadavky na fosilní paliva , zkoumají se alternativní způsoby paliv. Bionafta a bioethanol jsou obnovitelná biopaliva s velkým potenciálem, které jsou v současném výzkumu důležité. Nicméně, zemědělství založené na obnovitelná paliva nemusí být zcela udržitelné, a proto nemusí být schopny nahradit fosilní paliva. Mikrořasy mohou být pozoruhodně bohaté na oleje (až 80% sušiny biomasy ) vhodné k přeměně na palivo. Kromě toho jsou mikrořasy produktivnější než zemědělské plodiny na pevnině, a proto by mohly být dlouhodobě udržitelnější. Mikrořasy pro výrobu biopaliv se vyrábějí hlavně pomocí tubulárních fotobioreaktorů .

Farmaceutika a kosmetika

Nové bioaktivní chemické sloučeniny lze izolovat z mikrořas jako sulfátované polysacharidy . Tyto sloučeniny zahrnují fukoidany , karagenany a ulvany, které se používají pro své prospěšné vlastnosti. Tyto vlastnosti jsou antikoagulancia , antioxidanty , protirakovinné látky, které jsou testovány lékařským výzkumem.

Červené mikrořasy se vyznačují pigmenty nazývanými fykobiliproteiny, které obsahují přírodní barviva používaná ve farmaceutikách a/nebo kosmetice .

Biohnojivo

Modrozelená řasa byla poprvé použita jako prostředek pro fixaci dusíku tím, že se v půdě rozmnožily sinice , které fungovaly jako biofertilizátor . Fixace dusíku je důležitá jako prostředek umožňující přeměnu anorganických sloučenin, jako je dusík, na organické formy, které pak mohou být použity rostlinami. Využití sinic je ekonomicky zdravá a ekologická metoda zvyšování produktivity. Tato metoda se používá pro produkci rýže v Indii a Íránu s využitím vlastností fixujících dusík volně žijících sinic k doplnění obsahu dusíku v půdách.

Jiné použití

Mikrořasy jsou zdrojem cenných molekul, jako jsou izotopy, tj. Chemické varianty prvku, který obsahuje různé neutrony. Mikrořasy mohou účinně začlenit do své biomasy izotopy uhlíku ( ¹³ C), dusíku ( ¹⁵ N) a vodíku ( ² H). ¹³ C a ¹⁵ N se používají ke sledování toku uhlíku mezi různými trofickými úrovněmi/potravinovými sítěmi. Izotopy uhlíku, dusíku a síry lze také použít k určení narušení komunit žijících na dně, které je jinak obtížné studovat.

Problémy

Křehkost buněk je největším problémem, který omezuje produktivitu uzavřených fotobioreaktorů . Poškození buněk lze přičíst turbulentnímu proudění v bioreaktoru, které je nutné k vytvoření míchání, aby bylo všem buňkám k dispozici světlo.

Viz také

• Palivo pro řasy
• Mikrobiopaliva

Reference