Фотобиореакторы для микроводорослей

Культура водорослей — хемостат с необычным субстратом: фотонами. Их нельзя запасти, нельзя сконцентрировать в жидкости, и подаются они через поверхность, а не подмешиваются в объём. Всё своеобразие конструкции фотобиореактора вытекает отсюда.

Реактор — это световой путь#

Свет, входящий в плотную суспензию, поглощается и рассеивается, и его интенсивность падает с глубиной приблизительно экспоненциально: соотношение Бугера–Ламберта–Бера, где показатель ослабления задан содержанием пигментов и концентрацией биомассы. Поскольку спад экспоненциальный, полезная глубина мала и уменьшается по мере роста культуры. Поднимите плотность ради объёмной продуктивности — и тем же самым механизмом укоротите освещённый слой, так что освещённый объём сжимается ровно с той скоростью, с какой растёт число клеток. Поэтому плоскопанельные аппараты делают толщиной в сантиметр-другой, а трубчатые собирают из труб малого диаметра: геометрия существует ради короткого светового пути.

Поэтому же объёмная продуктивность в граммах на литр в сутки — обманчивая величина для водорослевой системы. Фотоны приходят на единицу освещённой площади, так что физически осмысленная мера — продуктивность с площади, граммы сухой биомассы на квадратный метр земли или коллектора в сутки; объёмный показатель реактор способен улучшить простым утоньшением, не произведя ни граммом больше на ту же солнечную энергию.

Слишком много света и слишком мало — в одном сосуде#

Фотосинтез насыщается заметно ниже полного солнца. За порогом насыщения лишние фотоны не просто пропадают: избыточное возбуждение повреждает фотосистему II, прежде всего белок реакционного центра D1, и хотя клетка непрерывно ведёт цикл репарации, чистое фотоингибирование наступает, когда повреждение обгоняет починку. В работающем аппарате поверхностный слой поэтому нередко перенасыщен светом и угнетён, а ядро в нескольких сантиметрах от него находится ниже точки компенсации и дышит. Примиряет их перемешивание — нужное не ради однородности по питательным веществам, а ради того, чтобы клетки курсировали между двумя зонами достаточно быстро и получали прерывистую, усреднённую по времени освещённость. Отсюда и значение турбулентности и кратности циркуляции, несопоставимое с гетеротрофной ферментацией.

Закрытые системы создают затем проблему, которой нет у открытых. Фотосинтез выделяет кислород, и в длинной трубе без свободной поверхности его растворённая концентрация уходит намного выше равновесия с воздухом. Высокий кислород смещает работу рибулозобисфосфаткарбоксилазы в сторону оксигеназной активности, фотодыхание срезает чистую фиксацию, а культура делается уязвимее к окислительному повреждению. Трубчатым конструкциям поэтому нужны дегазационные колонны через определённые промежутки, что и ограничивает длину сплошного участка трубы; диоксид углерода при этом приходится подавать непрерывно, преодолевая схожее ограничение переноса.

Почему открытые пруды никуда не делись#

Проточные пруды уступают закрытым аппаратам по продуктивности с площади, хуже держат температуру и беззащитны перед выедающими организмами и конкурентами. Живут они потому, что на порядок дешевле в постройке, почти не требуют энергии на циркуляцию и дегазируются сами. Задачу контаминации здесь решают биологически, а не механически: коммерчески состоятельное открытое культивирование держится на организмах, которые сами создают себе селективную среду, — спирулина при высокой щёлочности, дуналиелла при высокой солёности, где мало кто способен выжить. Если для нужного продукта такого экстремофила нет, за герметичность приходится платить.