|
|
В этом состоянии суспензии из нее
можно непрерывно отбирать нарастающую биомассу, состоящую в основном из
органических веществ, как продуктов фотосинтеза, и поддерживать суспензию на
уровне оптимальной плотности, добавляя взамен отбираемой части чистый раствор
питательных солей. Такая суспензия будет непрерывно осуществлять фотосинтез и
равномерно выдавать продукцию его в виде органического вещества ( 16).
В данном случае мы описали принцип высокопроизводительной
биологической фотосинтезирующей системы, в которую вводится энергия в виде
света, подаются исходные питательные вещества в виде углекислого газа и
минеральных солей. В такой установке с помощью автоматической системы на
выходе отбирается готовая продукция, непрерывно получаемая при оптимальном
режиме работы суспензии. Интереснейшая особенность этой системы заключается
также в том, что в ней фотоси-нтетический аппарат не только выдает нужную нам
продукцию, но и непрерывно сам сеоя обновляет, воссоздает и обеспечивает
таким образом непрерывную равномерную работу системы в течение произвольно
длительного времени.
Замечательные свойства подобной системы можно умножить. Непрерывный
высокий выход фотосинтетической продукции обеспечивается обильным питанием
азотом, поддерживающим не только интенсивный фотосинтез, а и очень энергичное
размножение клеток. В этом случае на выходе из системы получается биомасса с
высоким содержанием белков (до 50%), а белки — основа жизни и ценнейшая часть
кормов и пищи.
Но в ряде случаев выгодно или необходимо получать орга^ ничеокую
биомассу, богатую углеводами или жирами. Для этого отбираемую из первого
основного реактора суспензию с энергично растущими клетками после ее
концентрирования помещают в другой реактор с питательной средой, бедной
азотом. Здесь суспензия обильно освещается и хорошо снабжается углекислым
газом.
В этих условиях клетки энергично фогосиитезируют, но не
столь энергично размножаются. Вместо этого они сильно увеличиваются в
размерах, заполняясь углеводами и жирами, Выдержав в этих услэвиях суспензию,
можно получать биомассу, в составе которой может быть много углеводов (до
50%) или жиров (до 60%).
Таким образом, можно управлять фотосинтезом описанных систем,
не только увеличивая его КПД, но и получая продукцию разного химического
состава. В дальнейшем, путем подбора соответствующих форм водорослей и
режимов их культуры, вероятно, можно будет получать и другие
специализированные продукты, богатые витаминами, ферментами, физиологически
активными, и даже техническими веществами, необходимыми для их использования
в промышленности.
Остается выяснить, какими могут быть коэффициенты
полезного действия такой непрерывно действующей фотосинте- дарующей системы.
В очень разбавленной суспензии, когда клетки водоросли не
затеняют друг друга, как показывают графики, плато кривой фотосинтеза,
характеризующее оптимальный режим процесса, начинается при освещенности 5—10
тыс. люкс. Если суспензия в плоской кювете освещается светом, не превышающим
интенсивности в 5—10 тыс. люкс, то каждая отдельная клетка использует
поглощаемый ею свет с высоким КПД, соответствующим 20—25%.
Но пропуская большую часть света через себя, слабая
суспензия поглощает мало света. Общий КПД всей суспензии в целом низок. Отсюда
ясно, что для того чтобы повысить выход фотосинтеза и КПД, надо либо
увеличить толщину слоя {чго не всегда выгодно), либо повысить плотность
суспензии. Повышать плотность суспензии надо так, чтобы в самых глубоких ее
слоях оставался свет, интенсивность которого не спускалась бы ниже величины,
соответствующей компенсационному пункту фотосинтеза. В этом случае суспензия
могла бы работать с коэффициентом полезного действия, равным примерно 25%.
Однако при низких интенсивностях свега общая суммарная
продуктивность фотосинтеза на единицу освещаемой площади суспензии будет
низкой. Как видно, в этом случае стремление иметь высокий КПД фотосинтеза
оказалось в некотором противоречии с требованием общей высокой
производительности системы.
Для того чтобы удовлетворить и второе требование,
необходимо работать при более высоких плотностях суспензий, т. е. увеличивать
оптическую их плотность. Но если при этом не увеличить интенсивность света,
то клетки глубоких слоев не будут получать достаточного для фотосинтеза
количества света Эти клетки будут тратить органические вещества на дыхание.
Увеличивая плотность суспензии, мы должны также увеличивать и интенсивность
света.
В этих случаях самые наружные клетки будут освещаться
светом излишне высоких интенсивностей и будут работать с пониженным КПД в
зоне плато световой кривой фотосинтеза. Но в более выгодных условиях будут
находиться клетки внутренних слоев. Это повысит общий выход продукции, но
снизит коэффициент .полезного действия фотосинтеза суспензии.
В разных случаях з зависимости от задачи и цели работы, от
доступности условий приходится ориентироваться либо на необходимость получать
высокие выходы продукции с единицы освещаемой площади или объема суспензии
(но при этом приходится мириться со сниженным КПД использования света). Либо,
наоборот, приходится стремиться получать высокий КПД использования света, но
со сниженными абсолютными выходами биомассы. Отыскание условий наиболее
выгодных для тех или иных целей и техники культуры водорослей обычно
осуществляется путем математического анализа, тем более оправдывая оценку
подобных фотосинтезирую- щих систем, как систем инженерно-биологических.
Такой подход mo отысканию оптимальных вариантов культуры особенно необходим в
тех ответственных случаях, когда предполагается использование культуры
водорослей в условиях космических полетов, где они, осуществляя фотосинтез,
могут и поддерживать на нормальном уровне состав воздуха, освобождая его о г
углекислого газа и обогащая кислородом. Здесь нужна особенно высокая
производительность и надежность работы подобных систем.
Все это требует усиленной работы по улучшению конструкции
специальных аппаратов — реакторов, разработки наилучших условий освещения,
питания клеток, перемешивания суспензии и, наконец, подбора для культуры
наиболее выгодных форм водрослей. Это так называемые термофильные, тепло- лрзбивые
формы. Они легче переносят свет высоких интенсивностей и лучше на него
отзываются.
При хороших условиях можно рассчитывать на то, что
совершенные системы интенсивной культуры одноклеточных водорослей смогут
использовать энергию поглощаемого ими света с КПД в 15—20%.
|