WPŁYW STAŁEGO POLA MAGNETYCZNEGO NA EFEKTYWNOŚĆ PRZYROSTU BIOMASY MIKROGLONÓW W FOTOBIOREAKTORZE KOLUMNOWYM

Transkrypt

1 glony, stałe pole magnetyczne, fotobioreaktor kolumnowy Marcin DĘBOWSKI, Marcin ZIELIŃSKI, Magda DUDEK, Anna GRALA * WPŁYW STAŁEGO POLA MAGNETYCZNEGO NA EFEKTYWNOŚĆ PRZYROSTU BIOMASY MIKROGLONÓW W FOTOBIOREAKTORZE KOLUMNOWYM W pracy analizowano możliwość zastosowania magnesów stałych o indukcji magnetycznej 0,6 T na przyrost mieszanej kultury mikroglonów oraz efektywność wykorzystywania składników odżywczych z medium hodowlanego. Badania przeprowadzono z wykorzystaniem fotobioreakotów kolumnowych, których objętość czynna wynosiła 11,8 dm 3. W trakcie eksperymentów nie stwierdzono istotnego wpływu zastosowanego czynnika fizycznego na ograniczenie ostatecznych efektów technologicznych procesu namnażania biomasy glonów. W reaktorze kontrolnym tempo przyrostu biomasy wynosiło 97,00 mg s. m./dm 3 d, natomiast w reaktorze, w którym medium hodowlane poddano oddziaływaniu stałego pola magnetycznego uzyskano 84,11 mg s.m./dm 3 d. Stężenia biomasy jakie udało się osiągnąć to dla reaktora kontrolnego 1947,5 mg s. m./dm 3, natomiast w reaktorze z zastosowaniem stałego pola magnetycznego 1915,5 mg s. m./dm 3. Zastosowanie stałego pola magnetycznego wpływało istotnie na ograniczenie tempa przyrostu biomasy alg oraz efektywność wykorzystania substancji pokarmowych w układzie doświadczalnym. 1. WPROWADZENIE Badania nad możliwością wykorzystania pola magnetycznego w celu zmiany parametrów obrabianego medium rozpoczęły się już w XIX wieku [10]. Dotychczas na polu i naukowym zastosowano wiele sposobów wykorzystania metod magnetycznej obróbki płynów. Stwierdzono, iż dobrane w odpowiedni sposób parametry procesu mają wpływ na właściwości wody, ścieków oraz osadów ściekowych [5, 6, 8]. Zwrócono również uwagę na zastosowanie i wpływ pola magnetycznego na organizmy żywe oraz procesy metaboliczne w nich zachodzące. Nowym zagadnieniem jest natomiast zastosowanie tego czynnika fizycznego w hodowli mikroglonów. Zaintere- * Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Wydział Ochrony Środowiska i Rybactwa, Katedra Inżynierii Ochrony Środowiska, ul. Prawocheńskiego 1, Olsztyn.

2 124 M. DĘBOWSKI i in. sowanie wzbudzają głównie informacje na temat jego korzystnego wpływu na szybkość wzrostu i namnażania biomasy fitoplanktonu w warunkach kontrolowanych [1]. Ze względu na wciąż rosnące zainteresowanie biomasą alg bogatą oraz jej wykorzystaniem poszukuje się coraz sprawniejszych i efektywniejszych technologii ich hodowli i pozyskiwania. Dotychczasowe doniesienia wskazują na pozytywny wpływ pola elektromagnetycznego na przyrost biomasy glonów z rodzaju Spirulina Platensis oraz sprawniejsze przyswajanie substancji pokarmowych z medium hodowlanego [7]. Osiągnięte przez autorów wyniki są bardzo obiecujące jednak dodatkowa energia jaką należy włożyć w związku z zastosowaniem pola elektromagnetycznego zwiększa koszty przeprowadzenia tego typu eksperymentu. Alternatywa staje się zatem wykorzystanie stałego pola magnetycznego generowanego przez magnesy stałe. Celem badań jest określenie wpływu stałego pola magnetycznego o natężeniu 0,6 T na efektywność przyrostu biomasy mieszanej kultury mikroglonów oraz stopień przyswajania substancji pokarmowych wprowadzanych do medium hodowlanego. 2. METODYKA Eksperymenty przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych. W badaniach wykorzystano modelowe reaktory rurowe o pojemności czynnej 11,8 dm 3 (rys. 1). Hodowla prowadzona była w warunkach ciągłego oświetlenia, natężenie światła padającego na powierzchnię fotobioreaktora wynosiło 1,450 Klux. Zawartość kolumn była stale napowietrzana za pomocą sprężonego powietrza doprowadzonego od spodu reaktorów. Ten zabieg technologiczny zapewniał wprowadzenie do układu ditlenku węgla oraz skuteczne mieszanie kultury glonów. Proces wzrostu przebiegał w stałej temperaturze 20 C ± 1 C oraz zawartości tlenu rozpuszczonego w fotobioreaktorach na poziomie 7,5 mgo 2 /dm 3. Eksperyment podzielono na dwa warianty technologiczne. Kryterium podziału było zastosowanie stałego pola magnetycznego w procesie hodowli i namnażania biomasy glonów. W wariancie pierwszym fotobioreaktor kolumnowy wyposażono w magnetyczne aktywatory płynów (MAP). Schemat rozmieszczenia MAP w układzie badawczym zaprezentowano na rysunku 1. Fotobioreaktor wyposażono w 8 magnetyzerów umieszczonych w czterech poziomach w dolnej jego części. Zastosowane w układzie magnetyzery to produkt firmy Magnetizer Group Ltd., o parametrach technicznych przedstawionych w tabeli 1. Stałe pole magnetyczne emitowane jest przez trwale namagnesowane spieki ceramiczne (rys. 2). Natężenie indukowanego stałego pola magnetycznego wynosiło 0,6 T. Drugi z reaktorów był reaktorem kontrolnym (rys. 1).

3 Wpływ stałego pola magnetycznego na efektywność przyrostu biomasy mikroglonów 125 D=100 mm H = 150 mm H=50mm WARIANT I WARIANT II Rys. 1. Układ badawczy fotobioreaktorów kolumnowych zastosowany w badaniach Tabela 1. Charakterystyka magnetyzerów zastosowanych w badaniach Parametr Jednostka Wartość Szerokość pierścienia (B) mm 65 Wysokość pojedynczego magnesu ceramicznego (H) mm 45 Masa pojedynczego pierścienia (M) kg 1,25 Zakres średnic nominalnych mm Natężenie indukowanego stałego pola magnetycznego T 0,6

4 126 M. DĘBOWSKI i in. obejma stalowa magnes ceramiczny Rys. 2. Schemat półpierścienia magnetycznego aktywatora płynów zastosowanego w badaniach Początkowe stężenie biomasy w obu eksploatowanych reaktorach wynosiło 1000,0 ± 54,0 mg/dm 3. Badania prowadzono do momentu zatrzymania przyrostu biomasy i uzyskania stabilnych koncentracji suchej masy w medium hodowlanym. W chwili osiągnięcia maksymalnego stężenia, zawartość komór odprowadzano poza układ technologiczny. Zarówno na początku pierwszego jak i drugiego wariantu do reaktorów dodano pożywkę syntetyczną w ilości 1,18 dm 3. Tak samo postąpiono również w drugim powtórzeniu. Pożywka była specjalnie spreparowana na bazie odczynników chemicznych a jej szczegółowy skład przedstawia tabela 2. Tabela 2. Skład chemiczny zastosowanej pożywki syntetycznej Skład chemiczny pożywki Zawartość [mg / dm 3 ] NH 4 Cl 76,1 Na 2 HPO 4 12H 2 O 46,2 NaCl 10,1 KCl 4,7 CaCl 2 2H 2 O 4,7 MgSO 4 7H 2 O 16,7 NaHCO 3 243,3 Na 2 CO 3 162,2 FeCl 3 6H 2 O <0,2 ZnSO 4, <0,2 MnSO 4 H 2 O <0,2 CuSO 4 <0,2 CH 4 N 2 O 80 CH 3 COOH 120 KH 2 PO 4 24,2

5 Wpływ stałego pola magnetycznego na efektywność przyrostu biomasy mikroglonów 127 W trakcie eksperymentu zastosowano mieszana kulturę glonów, której skład jakościowy stanowiły glony z rodzaju Chlorella sp. 71,0%, Scenedesmus sp. 26,0%. W kulturze notowano również bakterie nitkowate oraz pierwotniaki 3,0% W trakcie prowadzonych prac badawczych analizowano koncentracje suchej masy oraz zmiany stężenia azotu amonowego i ortofosforanów. Stężenia zawartości suchej masy mikroglonów przeprowadzono metodą mikrofalową przy wykorzystaniu analizatora zawartości wilgoci oraz części stałych CEM SMART System5TM. Natomiast analizy zawartości azotu amonowego oraz ortofosforanów wykonano metodą zminimalizowanych probówek firmy HACH przy wykorzystaniu spektrofotometru DR 5000 HACH LANGE. Analizy te wykonane były w przesączu. Analizę statystyczna uzyskanych wyników wykonano w oparciu o pakiet STATISTICA 8.0 PL. Weryfikację hipotezy dotyczącej rozkładu każdej badanej zmiennej określono na podstawie testu W. Shapiro-Wilka, o hipotezie zerowej H0: rozkład badanej zmiennej jest rozkładem normalnym. W celu stwierdzenia istotności różnic miedzy zmiennymi przeprowadzono jednoczynnikową analizę wariancji (ANOVA). Zastosowanie analizy wariancji dla klasyfikacji pojedynczej testów parametrycznych wymaga spełnienia następujących założeń: - analizowana zmienna jest mierzalna rozważanych k niezależnych badanej grupy ma rozkłady normalne rozkłady te maja jednakową wariancję W pracy do sprawdzenia jednorodności wariancji w grupach wykorzystano test Levene a. W celu sprawdzenia istotności między analizowanymi zmiennymi wykorzystano test RIR Tukeya. W testach przyjęto poziom istotności na poziomie = 0, WYNIKI Na poniższym wykresie przedstawiono wartości stężenia biomasy w poszczególnych reaktorach w trakcie trwania eksperymentu. Jak wynika z rysunku wartości te różniły się tylko nieznacznie. Końcowa koncentracja biomasy glonów w pierwszym wariancie badań dla reaktora z zastosowanym stałym polem magnetycznym wyniosła 2010 mg s.m./dm 3, natomiast w reaktorze kontrolnym osiągnięto przyrost na poziomie 2014 mg s.m./dm 3. Szybkość namnażania biomasy fitoplanktonu dla wariantów I i II, wynosiła kolejno 76,0 mg s.m./dm 3 d oraz 89,9 mg s.m./dm 3 d. Po odprowadzeniu części biomasy osiągnięto całkowitą koncentrację biomasy dla wariantu I na poziomie 1813 mg s.m./dm 3 natomiast dla wariantu II mg s.m./dm 3. Dobowy przyrost w drugim powtórzeniu był wyższy niż w pierwszym i wynosił odpowiednio 84,11 mg s.m./dm 3 d dla wariantu z zastosowanym stałym polem magnetycznym oraz 97,00 mg s.m./dm 3 d dla reaktora kontrolnego.

6 128 M. DĘBOWSKI i in. Rys. 3. Analiza zawartości suchej masy w reaktorach Sucha masa [mg/dm 3 ] wariant I wariant II wariant I - 1 wariant II - 1 wariant I - 2 wariant II - 2 wariant I - 3 wariant II - 3 wariant I - 4 wariant II - 4 wariant I - 5 wariant II - 5 wariant - doba Srednia Srednia±Blad std Srednia±Odch.std Rys. 4. Analiza statystyczna zawartości suchej masy Przyswajalność składników pokarmowych okazała się dużo lepsza w drugim powtórzeniu badań zarówno dla pierwszego jak i drugiego reaktora. Fosfor został wykorzystany przez glony praktycznie w 80-90% w drugim powtórzeniu (rys. 5). Korzystniejsze okazały się warunki panujące w fotobioreaktorze kontrolnym. Podobnie sytuacja wygląda w przypadku azotu amonowego, który po odprowadzeniu biomasy został przyswojony praktycznie w 90% w obu układach (rys. 6).

7 Wpływ stałego pola magnetycznego na efektywność przyrostu biomasy mikroglonów 129 Rys. 5. Zmiany koncentracji ortofosforanów w układzie Rys. 6. Zmiany koncentracji azotu amonowego w układzie Koncentracja [mg P-PO 4 /dm 3 ] wariant I wariant II wariant I - 1 wariant II - 1 wariant I - 2 wariant II - 2 wariant I - 3 wariant II - 3 wariant I - 4 wariant II - 4 wariant I - 5 wariant II - 5 Wariant - doba Srednia Srednia±Blad std Srednia±Odch.std Rys. 7. Analiza statystyczna koncentracji ortofosforanów

8 130 M. DĘBOWSKI i in Koncentracja [mg N-NH 4 /dm 3 ] wariant I wariant II wariant I - 1 wariant II - 1 wariant I - 2 wariant II - 2 wariant I - 3 wariant II - 3 wariant I - 4 wariant II - 4 wariant I - 5 wariant II - 5 Wariant - doba Srednia Srednia±Blad std Srednia±Odch.std Rys. 8. Analiza statystyczna koncentracji amoniaku 4. DYSKUSJA Hirano i inni również skupili się na zastosowaniu pola elektromagnetycznego (EMF) do wzrostu oraz fotosyntezy Spirulina platensis ale zastosowali gęstość strumienia magnetycznego na poziomie od 0,5 Gs do 700 Gs. Badania wykazały iż najlepsze efekty uzyskano przy 100 Gs i był to 1,5 krotny wzrost zawartości suchej masy w porównaniu do najniższej zastosowanej gęstości strumienia magnetycznego wynoszącej 0,5 Gs. Powyżej 400 Gs wzrost Spirulina platensis został zahamowany i spadł poniżej wartości osiągniętej przy najniższym natężeniu pola magnetycznego. Indukcja na poziomie 100 Gs okazała się również najlepszym wariantem jeśli chodzi o wzrost zawartości fikocyjaniny oraz produkcję energii niezbędnej do syntezy cukru [4]. Jedną z bardziej ciekawych prac na temat oddziaływania pola elektromagnetycznego na przyrost biomasy jest praca Zhi-Yong Li i in., który badał wpływ natężenia pola elektromagnetycznego w zakresie od 0-0,55 T. Badania przeprowadzone zostały również w reaktorze rurowym typu Air-lift o pojemności 3,5 dm 3. Autorzy wykazali że najefektywniejszy wzrost biomasy oraz szybkość wykorzystania składników odżywczych zaobserwowano przy natężeniu 0,25 T, natomiast przy stężeniu powyżej 0,4 T zaobserwowano zahamowanie wzrostu Spirulina platensis. Poprawa przyrostu biomasy w reaktorze jest bezpośrednio związana z większą i szybszą przyswajalnością N, P i C pod wpływem zastosowanego słabego pola elektromagnetycznego, które są podstawowymi składnikami odżywczymi dla tych sinic. Podobnie jak w pracy Hiranno i inni. Przy gęstości strumienia magnetycznego na poziomie 100 Gs tak w pracy

9 Wpływ stałego pola magnetycznego na efektywność przyrostu biomasy mikroglonów 131 Zhi-Yonga i inni. odnotowano wzrost zawartości barwnika takiego jak chlorofil co wiąże się z poprawą zdolności S. platensis do pochłaniania światła [7]. W prezentowanych badaniach ze względu na koszty jakie są związane z stosowaniem EMF sprawdzono czy zastosowanie pola magnetycznego generowanego przez magnesy stałe będzie miało podobne działanie jak w przypadku badań przeprowadzonych przez Zhi-Yong Li i in.. Zastosowanie stałego pola magnetycznego nie wpłynęło na poprawienie tempa przyrostu biomasy mikroglonów oraz przyswajanie substancji odżywczych. Nie poprawiło ono w żaden sposób parametrów hodowli i namnażania glonów. Inni autorzy wykorzystali proces magnetycznej separacji mikroglonów B. braunii i C. ellipsoidea przy użyciu nanocząstek Fe 3 O 4. Efektywność odzysku biomasy jaką udało się autorom osiągnąć była na poziomie ponad 98%. Odzyskanie biomasy i zebranie jej po procesie hodowli jest dosyć trudnym zadaniem i wymaga dodatkowych środków oraz pracy. Tego typu magnetyczna technologia separacji może stanowić ogromny potencjał ze względu na prostotę i aspekt ekonomiczny tej metody [10]. Harker i in. Również przeprowadzili proces hodowli glonów w reaktorze rurowym typu Air-lift. Badanym przez nich substratem były glony z rodzaju H. pluvialis. Autorzy osiągnęli wysokie tempo przyrostu glonów i zawartość suchej masy komórek na poziomie 2,7% co świadczy o wysokiej skuteczności tego typu systemów zamkniętych w hodowli glonów [3]. W badaniach wykorzystano reaktory, które dosyć szeroko są opisywane w literaturze, ze względu na osiągane w nich wysokie stężenia biomasy przy jednoczesnej łatwej eksploatacji. Jednocześnie spróbowano jeszcze poprawić parametry prowadzonej hodowli poprzez zastosowanie stałego pola magnetycznego. Stężenia biomasy jakie udało się uzyskać w tego typu systemach były na średnim poziomie 1947,5 oraz 1915,5 mg s. m./dm 3. Inni z autorów również przeprowadzili badania na reaktorach wykorzystujących pęcherzyki powietrza do odpowiedniego wymieszania i oświetlenia kultury, które bardzo dobrze się sprawdzają w hodowlach mikroorganizmów [6]. Także Camacho F. G. i In. potwierdzają skuteczność wykorzystania tego typu systemów w hodowlach alg. Głównie ze względu na dobre warunki hodowli, zapewnione poprzez powietrzne mieszanie a głównie równomierny dostęp światła do wszystkich komórek oraz zapobieganie ich zniszczeniu, co następuje często przy zastosowaniu mechanicznego mieszania [2, 9]. 5. PODSUMOWANIE Stężenia biomasy jakie udało się osiągnąć to dla reaktora kontrolnego 1947,5 mg s. m./dm 3, natomiast w reaktorze z zastosowaniem stałego pola magnetycznego 1915,5 mg s. m./dm 3. Zastosowanie stałego pola magnetycznego nie wpły-

10 132 M. DĘBOWSKI i in. wało istotnie na poprawienie tempa przyrostu biomasy alg oraz efektywność wykorzystania substancji pokarmowych w układzie doświadczalnym. Badane formy azotu i fosforu zostały przyswojone przez glony w podobnych ilościach dla każdego z wariantów. Stałe pole magnetyczne nie przyniosło spodziewanych rezultatów i nie wpłynęło na poprawę parametrów hodowli mikroglonów. Opisane badania były finansowane z budżetu Zadania Badawczego nr 4 pt. "Opracowanie zintegrowanych technologii wytwarzania paliw i energii z biomasy, odpadów rolniczych i innych" w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych pt.: "Zaawansowane technologie pozyskiwania energii" realizowanego ze środków NCBiR i ENERGA S.A. LITERATURA [1] ERYGIN G.D., PCHELKINA V.V., KULIKOVA A.K., RURINOVA N.G., BEZBORODOV A.M., GOGOLEV M.N., Influence of nutrition medium treatment of micro-organisms by magnetic field on the growth and development, Prikladnaya Biokhimiya i Mikrobiologiya, 1988, Vol. 24, [2] GARCIA CAMACHO F., CONTRERAS GOMEZ A., ACIEN FERNANDEZ F. G., FERNANDEZ SEVILLA J., MOLINA GRIMA E., Use of concentric-tube airlift photobioreactors for microalgal outdoor mass cultures, Department of Chemical Engineering, University of Almeria, Almeria, Spain [3] HARKER M., TSAVALOS A. J., YOUNG A. J., Autotrophic Growth and Carotenoid Production of Haematococcus pluvialis in a 30 Liter Air-Lift Photobioreactor, Journal of Fermentation and Bioengineering, 1996, Vol. 82, No. 2, [4] HIRANO M., OHTA A., ABE K., Magnetic Field Effects on Photosynthesis and Growth of the Cyanobacterium Spirulina platensis, Journal of Fermentation and Bioengineering, 1998, Vol. 86, No. 3, [5] KRZEMIENIEWSKI M., DĘBOWSKI M., JANUCZKOWICZ W., PESTA J., Effect of the constant magnetic field on composition dairy wastewater and municipal sewage. Pol. J. Env. Stud., 2004a, Vol. 13, No. 10, [6] KRZEMIENIEWSKI M. ZIELIŃSKI M. BEDNARSKI W., PŁODZIEŃ T., Badanie skuteczności podczyszczania ścieków mleczarskich metodą pogłębionego utleniania, Przegląd Mleczarski, Vol. 11, [7] LI Z-Y., GUO S-Y., LI L., CAI M-Y., Effects of electromagnetic field on the batch cultivation and nutritional composition of Spirulina platensis in an air-lift photobioreactor, Bioresource Technology, 2007, Vol. 98, [8] ŁEBKOWSKA M., Wpływ stałego pola magnetycznego na biodegradację związków organicznych, Prace naukowe, Inżynieria Sanitarna i Wodna, Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, Zeszyt 13, Warszawa [9] MOLINA E., FERNANDEZ J., ACIEN F. G., CHISTI Y., Tubular photobioreactor design for algal cultures, Journal of Biotechnology, 2001, Vol. 92, [10] SANCHEZ M. A., CERON G. M. C., GARCIA CAMACHO F., MOLINA E., CHISTI Y., Growth and biochemical characterization of microalgal biomass produced in bubble column and airlift photobioreactors: studies in fed-batch culture, Enzyme and Microbial Technology, 2002, Vol. 31,

11 Wpływ stałego pola magnetycznego na efektywność przyrostu biomasy mikroglonów 133 [11] SZCZYPIOROWSKI A., NOWAK W., Badania nad zastosowaniem pola magnetycznego do intensyfikacji procesów oczyszczania ścieków, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 1996, 2. [12] XU L., GUO C., WANG F., ZHENG S., LIU C-Z., A simple and rapid harvesting method for microalgae by in situ magnetic separation, Bioresource Technology, 2011, Vol. 102, EFFECT OF MAGNETIC FIELD ON THE STANDING EFFECTIVENESS MICROALGAE BIOMASS CULTIVATION IN TUBULAR PHOTO BIOREACTOR The study analyzed the possibility of permanent magnet having a remanence of 0.6 T on a mixed culture of microalgae growth and efficient use of nutrients from the culture medium. The study was conducted using fotobioreakotów pipe, which was active volume of 11.8 dm 3. During the experiments had a significant influence of the physical medium used to reduce the effects of technological process, the final multiplication of algae biomass. The reactor control biomass growth rate was mg sm/dm 3 d, while in the reactor, where the influence of culture medium was subjected to a constant magnetic field was obtained mg sm/dm 3 d. Use a constant magnetic field significantly affected the rate of reduction increase in algal biomass and nutrient use efficiency in the experimental system.