автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Комбинированное использование энергии Солнца и искусственного света в многосекционной установке по выращиванию микроводорослей

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КЛИМАТА, ОПРЕДЕЛЯЮЩЕГО ВОЗМОЖНОСТИ ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ В ТУРКМЕНСКОЙ ССР

§ I.I. Условия роста микроводорослей

§ 1.2. Температурный и радиационный режимы

Туркменской ССР

§ 1.3. Краткий обзор существующих работ по светообеспечению микроводорослей

§ 1.4. Особенности режима использования хлореллы различными потребителями

ГЛАВА П. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСВЕЩЕННОСТИ КОМБИНИРОВАННОГО ФОТОРЕАКТОРА ПРИ ЕСТЕСТВЕННОМ И ИСКУССТВЕННОМ ИСТОЧНИКЕ ЭНЕРГИИ

§ 2.1. Облучение многосекционной установки искусственными источниками

§ 2.2. Расчет радиации, приходящей на комбинированную фотоприемную многогранную поверхность при естественном облучении

§ 2.3. Расчет мощности искусственного освещения и расположения ламп освещения

ГЛАВА Ш. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСВЕЩЕННОСТИ КОМБИНИРОВАННОЙ УСТАНОВКИ и возможности ПРОИЗВОДСТВА МИКРОВОДОРОСЛЕЙ КРУГЛЫЙ ГОД

§ 3.1. Описание экспериментальной установки

§ 3.2. Методика проведения экспериментов

§ 3.3. Экспериментальное исследование облученности комбинированной установки

§ 3.4. Экспериментальные исследования по культивированию хлореллы на установке с использованием комбинированного освещения

§ 3.5. Анализ экспериментальных данных

ГЛАВА 1У. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ТЕХНЖ0-ЭК0Н0МИЧЕСК0Г0 ОБОСНОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННОЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ ПО ВЫРАЩИВАНИЮ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ

§ 4.1. Анализ потребления продуктов фотосинтеза

§ 4.2. Анализ основных эксплуатационных показателей комбинированной установки

§ 4.3. Выработка рекомендаций для проектирования промышленной установки с использованием естественного и искусственного освещения III

ВЫВОДЫ ИЗ

Продовольственная программа, выдвинутая Майским (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС, ставит определенную задачу перед наукой -разработать высокоэффективные устройства, позволяющие более полно обеспечить сельскохозяйственных животных полноденными сбалансированными кормами и повысить продуктивность животноводства.

В ряде хозяйств хлопкосеющей, рисосеющей, свеклосеющей и других зон для кормления крупного рогатого скота, овец и птицы используют хлопковую шелуху, шрот, ботву, лузгу и иные отходы промышленной переработки растительного сырья. При скармливании таких кормов, особенно молодым животным, у них возникают нарушения белкового и минерального обмена, появляются признаки авитаминоза и других заболеваний, вследствие чего животные плохо растут, дают малые привесы, что приводит к повышению расхода кормов на I кг животноводческой продукции.

Известно, что из-за нарушения технологии и несвоевременности уборки качество ежегодно заготовляемых грубых кормов,се— нажа и силоса значительно снижается. При этом имеют место большие потери каротина, протеина, минеральных и других питательных веществ.

Для повышения продуктивности скота и птицы советскими и зарубежными учеными разрабатываются различные способы обогащения кормов: микробным белком, витаминами, микроэлементами,разными ферментными добавками, стимуляторами роста, способствующими лучшему усвоению питательных веществ рациона.

В последнее время внимание ученых все больше привлекает одноклеточная водоросль - хлорелла. Эта водоросль при благоприятных условиях может быстро размножаться и создавать большую биомассу, богатую различными питательными веществами. В биомассе хлореллы (в сухом веществе) содержится 40-50 % белка, 30-35 % углеводов, 7-10 % жира. В состав клеток этой водоросли входят 23 аминокислоты, многие из которых незаменимы в питании животных.

При культивировании водорослей можно использовать непригодные для земледелия площади, осуществлять это круглогодично, независимо от погодных условий, культиваторы строить на крышах жилых домов, сельскохозяйственных и промышленных объектов, на поверхности водоемов.

Известно, что урожайность люцерны доходит до 150-200 д с I га. В составе этой культуры содержится в среднем 18 % белка. Следовательно, с каждого га люцерны можно получить до 2700 -3600 кг белка. В хлорелле содержится в среднем 40-50 % белка. При урожайности 300-500 ц биомассы с I га водной поверхности она может дать 12000-25000 кг/га белка, т.е. в 6-8 раз больше, чем люцерна. Это говорит о том, что хлорелла по питательной и кормовой ценности,по урожайности превосходит все известные сельскохозяйственные растения.

В настоящее время широко распространены в нашей стране /27, 33, 36, 46/ и за рубежом /18/ два типа установок по производству хлореллы - открытый и закрытый. Открытый тип установок по производству хлореллы менее эффективен из-за низкой плотности суспензии (20x10^ кл/мл) /35, 37, 43-45/. Закрытый способ производства устраняет все недостатки установок открытого типа и позволяет повышать плотность получаемой суспензии минимум на порядок (200x10е кл/мл) за счет изоляции культуры от атмосферы, интенсивного и равномерного освещения всех клеток хлореллы, более полноценного использования углекислого газа и поддержания стабильных температурных и радиационных режимов в установке /3,13,16/. Разработанные установки по производству хлореллы с использованием солнечной энергии позволяют получать стабильный урожай в течение 6 месяцев (май ■— октябрь), Белково-витамин-ный дефицит в рационе сельскохозяйственных животных наблюдается в зимний период (ноябрь-апрель).

Целью данной работы является разработка метода расчета облученности, экспериментальное исследование влияния радиационных и температурных характеристик на производительность фотореакторов по культивированию хлореллы с использованием комбинированных источников лучистой энергии, на основе которого возможна разработка практических рекомендаций по использованию установок для производства суспензии хлореллы.

- 7

выводы

1. Впервые создан многосекционный культиватор закрытого типа с трубчатыми фотоприемниками с использованием комбинированного освещения для выращивания микроводорослей, новизна которого защищена авторским свидетельством J& 959697 от 21 мая 1982 года.

2. Разработаны основные закономерности расчета облученности многогранной вертикальной фотоприемной поверхности с трубчатыми лучевосцринимающими поверхностями как при естественном, так и цри искусственном освещении.

3. Экспериментально исследованы радиационные и температурные режимы и производительность многогранного культиватора,работающего с использованием комбинированных источников энергии.Показано, что комбинированный культиватор в течение года имеет стабильную производительность, которая колеблется только в переходном периоде от использования искусственной энергии к естественному освещению.

4. В результате эксплуатации комбинированного культиватора в течение 2,5 года установлено, что среднесуточная ПРОИЗВОДИТЕ тельность составляет 0,62 м суспензии хлореллы с плотностью ЮОхЮ6 клеток в мл. Культиватор эксплуатируется по сей день для производства суспензии хлореллы в течение всего года и для пуска промышленных солнечных установок, имеющихся в республике.

5. На основании технико-экономических расчетов доказана эффективность применения комбинированного культиватора по производству суспензии хлореллы в народном хозяйстве. Экономический эффект от использования комбинированной установки на промышленной основе в Геок-Тепинском откормочном комплексе Туркменской ССР чистая прибыль будет составлять 227 тыс.руб.в год.

- 114

6. На основании выполненной работы дана рекомендация для проектирования промышленной комбинированной установки по выращиванию хлореллы.

- 115

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Авторское свидетельство (СССР) # 959697. Установка для выращивания микроводорослей. 21 мая 1982.

2. Аманов Ч.А., Байрамов Р.Б., Альбицкая О.Н., Курбанни-язов Ч.С., Курбанниязова Г.К. Выращивание микроводорослей с использованием солнечной энергии. Известия АН ТССР, серия ФТХиГ наук, 1981, Ш 2. с.42-45.

3. Аманов Ч.А., Келов К.К., Курбанниязов Ч.С. Расчет основных параметров установок по культивированию микроводорослей. Известия АН ТССР, серия ФТХ и Г наук, 1981, Ш 5, с.120-123.

4. Аманов Ч.А., Курбанниязов Ч.С. Выращивание хлореллы с использованием солнечной энергии. Сельское хозяйство Туркменистана, 1981» № 4. с.24.

5. Аманов Ч.А., Курбанниязов Ч.С., Рогов Б.М. Условия облучения фотореактора искусственными источникам. Известия АН ТССР, серия ФТХ и Г наук, 1983, JS 6, с.57-62.

6. Аманов Ч.А., Туйллев О.Х., Курбанниязов Ч.С. Культивирование хлореллы с использованием источников искусственной энергии. Информационный листок Госплана Туркменской ССР, 82-25, серия 44.37, 1983, с.1-4.

7. Аманов Ч.А.,Туйлиев О.Х., Курбанниязов Ч.С. Сезонное испытание шестисекционной установки по культивированию хлореллы с использованием солнечной энергии. Информационный листок Госплана Туркменской ССР, серйя 44.37, JS 82-23, 1982, с.1-4.

8. Байрамов Р.Б., Аманов Ч.А., Курбанниязов Ч.С., Мындыев Н., Кравченко В.Л. Приход радиации на комбинированную фотоприемную поверхность при естественном облучении. Известия АН ТССР, серия ФТХ и Г наук, 1983, № 5, с.45-48.

- 116

9. курбанниязов Ч.С. Производство суспензии хлореллы с использованием комбинированных источников лучистой энергии для обогащения рационов сельскохозяйственных животных. Тезисы докладов научно-практической конференции "Об использовании солнечной энергии в народном хозяйстве и возможные социально-бытовые преобразования села в условиях Туркменской ССР". Ашхабад, Ылым, 1983, с.25-26.

10. Курбанниязов Ч.С., Аманов А., Клименко Н.В. Технико-экономические характеристики комбинированной установки по выращиванию микроводорослей круглогодичного действия. Тезисы докладов научно—практической конференции "Об использовании солнечной энергии в народном хозяйстве и возможные социально-бытовые преобразования села в условиях Туркменской ССР". Ашхабад,Ылым, 1983, с.130-131.

1. Авторское свидетельство 1.506962 (СССР). Питательная среда для выращивания хлореллы.20.04.74.

2. Авторское свидетельство 1 959697. (СССР). Установка для выращивания микроводорослей. 21.05.82.

3. Аманов А., Туйлиев О.Х., Рогов Б.М. Установка по выращиванию хлореллы с ориентацией на Солнце. Информационный листок ТуркменНИИНТИ Госплана Туркменской ССР, серия 68.03, 1982, 82-19.

4. Аманов Ч.А. Исследование комбинированного использования энергии Солнца и природного холода для опреснения соленой воды, диссертация на соискание кандидата технических наук. Ашхабад, 1977.

5. Аманов Ч.А. Перераспределение потока радиации в фотореакторе. Известия АН ТССР, серия ФТХ и Г наук, 1982, Ш 3, с.47-49.

6. Аманов Ч.А. Формирование радиационных режимов трубчатых коллекторов. Известия АН ТССР, серия ФТХ и Г наук, 1982, $ 3, с.50-55.

7. Аманов Ч.А., Байрамов Р.Б., Альбицкая О.Н., Курбанния-зов Ч.С., Курбанниязова Г.К. Выращивание микроводорослей с использованием солнечной энергии. Известия АН ТССР, серия ФТХ и Г наук, 1981, Ш 2, с.42-45.

8. Аманов Ч.А., Келов Г.К., Курбанниязов Ч.С. Расчет основных параметров установок по культивированию микроводорослей. Известия АН ТССР, серия ФТХ и Г наук, 1981, ■№ 5, с.120-123.

9. Аманов Ч.А., Курбанниязов Ч.С. Выращивание хлореллы с использованием солнечной энергии. Сельское хозяйство Туркменистана, 1981, № 4, с.24.

10. Аманов Ч.А., Курбанниязов Ч.С., Рогов Б.М. Условия облучения фотореактора искусственными источниками. Известия АН

11. ТССР, серия ФТХ и Г наук, 1983, № 6, с.57-62.

12. Аманов Ч.А., Туйлиев О.Х., Курбанниязов Ч.С. Сезонное испытание шестисекционной установки по культивированию хлореллы с использованием солнечной энергии. Информационный листок Турк-менНИИНТИ Госплана ТССР, серия 44.37, 1982, J6 82-23.

13. Аманов Ч.А., Туйлиев О.Х., Курбанниязов Ч.С. Культивирование хлореллы с использованием источников искусственной энергии. Информационный листок ТуркменНИИНТИ Госплана ТССР, серия 44.37, 1982, •№ 82-25.

14. Анисимов О.Л., Беркович Ю.А., Мискилев В.Ф., Бородин М.Д., Мещерякова А.Л. Промышленные установки для культивирования микроводорослей, Главмикробиопром, М., 1973, с.34.

15. Анисимов О.Л., Филиповский Ю.Н. и др. Фотоэнергетические характеристики биосинтеза хлореллы в опытно-промышленных культиваторах. В сб. Микробиологический синтез. Процессы и аппараты и автоматизированные системы управления. М, 1978, с.129--147.

16. Байрамов Р.Б., Аманов Ч.А., Анисимов О.Л., Сейтгель-дыев Н., Музалевская А.Н. Исследование различных конструкций культиваторов по выращиванию микроводорослей с использованием солнечной энергии. Известия АН ТССР, серия ФТХ и Г наук, 1980, Ш 4, с.25-27.

17. Байрамов Р.Б., Аманов Ч.А., Курбанниязов Ч.С., Мындыев Н., Кравченко В.Л. Приход радиации на комбинированную фотопри- 119 емную поверхность при естественном облучении. Известия АН ТССР, серия ФТХ и Г наук, 1983,№ 5, с.45-48.

18. Байрамов Р., Анисимов О.Л., Карпов A.M., Аманов Ч.А.

19. О создании новой сырьевой базы для получения кормовых и пищевых продуктов с использованием солнечной энергии. Известия АН ТССР, серия ФТХ и Г наук, 1981, № I, с.58-62.

20. Бартенева О.Д., Полякова Е.А., Русин Н.П. Режим естественной освещенности на территории СССР, Л, Гидрометеоиздат, 1971, с.67.

21. Белянин В.Н., Сидько Ф.Я., 1£енкеншу А.П. Энергетика фотосинтезирующей культуры микроводорослей. Новосибирск, Наука, 1980, с.13.

22. Васигов Т. Протококковые водоросли и их значение для отгонного животноводства. Ташкент, ФАН., 1974.

23. Володкой Н.В.Светотехника. М., Стройиздат, 1979,с.38-41.

24. Гидрогеология СССР, т.38, М, Недра, 1972, с.22-26.

25. Годнев Г.Н., Ляхнович Я.П., Орловская К.И. Световая адаптация хлореллы к повышенной интенсивности света при постоянном усилении светового потока. В сб. Физиологические особенности культивируемых растений. Минск, 1964, с.3-10.

26. Гуторов М.М. Основы светотехники и источники света. М. Энергия, 1968, с.28.

27. Дитчберн Р. Физическая оптика. М. Наука, 1965, с.ЮЗ.

28. Дохненко Ю., Чубаров Г. Цех по производству суспензии хлореллы. Свиноводство, 1973, 5, с.17-18.

29. Кнорринг Г.М. Проектирование осветительных установок. М-Л., Госэнергоиздат, 1956, с.12-17.

30. Кнорринг Г.М. Светотехнические расчеты в установках искусственного освещения, Л, Энергия, 1973, с.117-146.- 120

31. Кошкин Н.и. и Ширхевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М, Наука, 1976, с.241-242.

32. Махматбеков С., Хаитова Л.Г. Продуктивность хлореллыи перспективы ее использования в хозяйственных целях. В кн.Физиология растений сельскому хозяйству. Душанбе, Изд.АН Тадж.ССР, 1965, с.55.

33. Мещерякова А.Л. Влияние концентрации С02 на скорость роста и фотосинтез хлореллы в условиях интенсивной культуры. Автореферат диссертации на соискание степени к.б.н. М, 1975.

34. Милоградова Е.Н., Музафаров АЛЛ. Массовое культивирование хлореллы в Узбекистане и использование ее в народном хозяйстве. В кн. О производственной культуре одноклеточных водорослей. Ташкент, ФАН, 1966, с.9-45.

35. Музафаров A.M., Таубаев Т.Т. Хлорелла, Ташкент, ФАН,1974.- 121

36. Нескубо П.М., Гончаренко А.И. Промышленная установка для выращивания микроводорослей. Животноводство, 1972, Ш 2, с.36-38.

37. Николаев В.Н. Природные кормовые ресурсы Туркменистана. Ашхабад, Ылым, 1972.

38. Николаев В.Н. Пустынные пастбища, их кормовая оценка и бонитировка. М, Наука, 1977, с.69-101.

39. Николаев В.Н., и др. Химический состав, питательность и биологическая полноценность пастбищных Каракумов. Ашхабад, Ылым, 1980, с.136-155.

40. Ничипорович А.А., 0 производственной культуре одноклеточных водорослей. М, Знание, 1961, с.15-25.

41. Овсянникова М.Н.,0сетрова А.Я, Скотникова Г.С. Новый мутантный штамм хлореллы с укороченным световым периодом в цикле развития. В кн. Химический мутагенез и иммунитет. М., Наука, 1980, C.II0-II3.

42. Пиневич В.В., Верзилин Н.Н. Культивирование протококковых водорослей в установках под открытым небом. Вестник ЛГУ, серия биология, 1963. $ 15, вып.З, с.75-97.

43. Пиневич В.В., Верзилин Н.Н., Степанов С.К. Типовая установка для массового культивирования одноклеточных водорослей. Физиология растений, 1964, т.2, вып.6, с.1084-1089.

44. Понировский Н.Г., Нурназаров А. Влияние суспензии хлореллы на молокоотдачу и привёс крупного рогатого скота. В сб. Культивирование водорослей и высших водных растений в Узбекистане. Ташкент, 1972, с.65-67.

45. Росляков А.К., Нескубо П.М. Способы получения и хозяйственного использования хлореллы в кормлении животных и птицы. Алма-Ата., Кайнар, 1976, с.9.- 122

46. Русин Н.П. Прикладная актинометрия. Л., Гидрометео-издат, 1979, с.71-74.

47. Сальникова М.Я. Кормовые достоинства хлореллы. Свиноводство, 1965, J& 6, с.28-29.

48. Сальникова М.Я. Хлорелла новый вид корма. М., Колос,1977.

49. Сальникова М.Я., Хабибуллин Х.Х. Суспензия хлореллы в рационах телят-молочников. Животноводство, 1972, № 10, с.20-22.

50. Сейтгельдыев Н. Выбор оптимального варианта установки закрытого типа по выращиванию микроводорослей с использованием солнечной энергии. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Ашхабад, 1982, с.22.

51. Сэледжану Н. В сб. Материалы 1У координационного собрания и научного симпозиума по теме У1-5.5. СЭВ, Краков, 1966.

52. Сэледжану Н. В сб. Материалы yi координационного совещания и научного симпозиума по теме У1-5.5. СЭВ, София, 1968.

53. Справочник по климату СССР, выпуск 30, часть I, Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние. Гидроме-теоиздат, I, 1966, с.64.

54. Справочник по климату СССР, выпуск 30, часть П, Температура воздуха и почвы, Гидрометеоиздат, Л, 1967, с.245.

55. Томинг X. и Нийлиска X. Фитоактинометрические исследования растительного покрова, Таллин, Валгус, 1967, с.140-149.

56. Штоль А.А., Мельников Е.С., Ковров В.Г. Расчет и конструирование культиваторов для одноклеточных водорослей. Красноярск, Красноярское книжное издательство, 1976, с.25.

57. Aach H.G. Arch. Microbiol, 17, 123-46, 1952.

58. Barley; G.ii., ed. (1953). Alcal culture frou laboratory to pilot plant. Carnegie lust, of Washington i-'ubl. 600, V/achin^ton, P.O.

59. Carnegie Inst. Washington Publication, 600,1953.

60. Casey H.P., Zubitx G.A. , Benoit A.G., Weissuann B.G. et al. "Pood Peciinol.", 1963, 15 ,85.

61. Davit, b.A. , Dedrick G. , French С.Ь. et al. Carnegie Inst. Washington Publ. к 600, Io5-53, 1953.

62. Kiaer о on it., Arnold W.G. Gen. Paysiology, 10, 1932.64. kvenari iu. , »<iay e r A. Ы. Carnegie Institution of Washington Publ., 600 , 1953.

63. Pinlc 1.1.Л. Uoerdie biologische &i,»er>s qualitat vein ein-zelligen n.lgen, katurwiss, 1955, V 42, p. 616.

64. Pisher А .V/. and Bar lew G.S. kutritional value oP microscopic algal. Carnegie Inst. oP Wasnington, Publ., 600,1953,p. 303-310.

65. Geognegan k.G. ^arnegie Inst, waahin. Publ. к 600, 182-89, 1953.

66. Geoghegan Ы.О. Unicellular algae as a source oP Pood. "Wold crops", 1954, V 6, к lo, p. 413-416.

67. Microbiol. (Soldo). V 4, h 3, 195В, pp 135-158.

68. Кок В. Acta Bo'tun heerle, I, 445-67, 1952.

69. Lrauau it. .7. Aiaer. G. Bot., 49, ii <1 , 196?, pp 425-433.

70. Ыауег A.LI. Ei^enberg and Evenari (1956-) Gtudie»on deep wass culture оГ algae in Israel. The 3ci. Monthly, 83,I9B.

71. Layer A.r.I. ЬИ^епЪег**; A., Evenari k. Trun» of the International Conference on the иле of Uolar energy. Photochemical processes. Ariz. Univ. Arizona. Presfj, 195b, 4, 55.

72. Meffert , Stratniann II. "^bl. Bakt" , 1954, II, Abt. 108. 154.78. iiakaiiiyra II. Reports Japan Microbioalgae Inct. V2, L I, 1961, pp I-I2.

73. Phillips Q.xi. and Liayer G. Plant Phyciol. , 29, 3, 152-61, 1954.8u. Lipoehr II.A. , uilner ii.W. Production of protein, lopides and сurbonydrates by culture of algae. (Carnegie Institute of Warning ton) 1956, Pat. ЬЬА, 2, 732, 661, 47.

74. Tajuiya h. Annual revie-л of plant Physiology, 1957.82. la.uiya ii. , iioriiuura G. et al. Plant a ceil. Phy;-. , 2, L 4, 383, 1961.

75. Taiuiya II., iiaue E. et al. Carnegie InsjL. V/aoh. Publ. ii600, 204-32, 1953.

76. Taiaua Ii. , Jjaaa T. et al. Gen. Appl. Microbiol (Tokio-), I, 298-307, 1955.85. «VassiriK E.G. , Кок B. and Cortichot G. Van Carneg. Inst. iVauh. Publ. 1,600, 55-62, 1953.