автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Стимулирование прироста микроводоросли хлореллы электростатическим полем

СУХОВСКИЙ НИКИТА АНДРЕЕВИЧ

СТИМУЛИРОВАНИЕ ПРИРОСТА МИКРОВОДОРОСЛИ ХЛОРЕЛЛЫ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ ПОЛЕМ

05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 " /-СГ 2015

005561497

Москва 2015

005561497

Работа выполнена на кафедре «Электрификация» Федерального государственного бюджетного общеобразовательного учреждения высшего профессионального образования «Ярославская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВГГО «Ярославская ГСХА»)

Научный руководитель: Шмигель Владимир Викторович,

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Электрификация».

Официальные оппоненты: Загинайлов Владимир Ильич, доктор

технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение и электротехника имени академика И.А. Будзко», Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение высшего образования «Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К.А. Тимирязева»

Иваииикова Елена Михайловна,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Инженерная экология городского хозяйства», Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я. Горина»

Защита состоится «29» сентября 2015 года в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 006.037.01, созданного на базе Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства» по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства.

Автореферат разослан « ¿^^¿>»¿2015 г. Ученый секретарь .¡/у

диссертационного совета Л ^г^/ Некрасов Алексей Иосифович

Актуальность исследования: микроскопическая водоросль хлорелла является одной из ценнейших кормовых добавок для животных.

Вопросом влияния суспензии хлореллы на животных занимались такие ученые как: Богданов Н.И., Гафаров Ш.С., Мелихов В.В., Шацких Е.В., Бояринцева Г.Г. и другие. Был обнаружен положительный эффект выпаивания суспензии хлореллы животным, в виде увеличения их продуктивности.

Из-за климатических условий, в нашей стране затруднен процесс выращивания хлореллы на открытых площадках, поэтому необходимо использовать биореакторы. Использование биореакторов на животноводческих предприятиях и внесение культуры микроводоросли в рацион животных позволит повысить усвояемость кормов и таким образом увеличить выход продукции.

В настоящее время, применяемые в отечественной и зарубежной практике биореакторы обладают рядом недостатков, основным из которых является низкий коэффициент производительности.

Увеличение производительности возможно через стимулирование культуры микроводоросли. Исследованиями стимулирования культуры хлореллы магнитными полями занимались следующие ученые: H. Wang, X. Zeng, S. Guo, F. Takahaski, T. Kamezaki, что привело к улучшению прироста биомассы на 90 %.

Процесс стимуляции хлореллы электростатическим полем на данный момент практически не изучался, наши предварительные исследования показали возможность увеличения прироста биомассы хлореллы при стимулировании электростатическим полем, поэтому разработка технологии стимулирования хлореллы в электростатическом поле является актуальной.

Цель работы — разработка способа стимулирования микроводоросли хлореллы в электростатическом поле, для увеличения производительности биореакторов.

Объект исследования — процесс стимулирования микроводоросли хлореллы электростатическим полем.

Предмет исследования — влияние различного напряжения и времени воздействия электростатического поля на микроводоросль хлореллу.

Основные задачи:

- провести анализ существующих способов и установок для выращивания хлореллы;

- исследовать распределение электростатического поля в биореакторе и структуру двойного электрического слоя на границе раздела двух сред (стекла и воды) для определения возможности стимулирования микроводоросли внешним электростатическим полем;

- предложить эквивалентную схему замещения участка мембраны клетки хлореллы, для исследования влияния внешнего электростатического поля на клетку хлореллы;

- исследовать влияние электростатического поля на микроскопическую водоросль хлореллу, путём изменения напряжения и времени стимулирования;

- разработать конструкцию электростатического биореактора для выращивания хлореллы;

- провести сравнение производительности электростатического биореактора и аналога без электростатического поля.

Методика исследований: при проведении теоретических исследований использованы методы моделирования, численного решения алгебраических уравнений, индукции и дедукции, анализа и синтеза. Экспериментальные исследования проведены с применением современных приборов и оборудования, методов статистической обработки данных.

Научная новизна:

1) предложена новая теория строения двойного электрического слоя на границе раздела двух сред — стекла и воды;

2) предложена эквивалентная схема замещения мембраны клетки хлореллы, показывающая зависимость проницаемости мембраны для ионов при изменении мембранного потенциала у клетки хлореллы;

3) разработан способ выращивания микроводоросли хлореллы в электростатическом поле, позволяющий повысить производительность биореакторов.

Теоретическая и практическая значимость работы: результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при проектировании и эксплуатации биореакторов, а также в учебном процессе: при изучении дисциплины «Электротехнологии в АПК» для студентов-бакалавров направления «Агроинженерия», профиль «Электрооборудование и электротехнологии в АПК», а так же при выполнении курсовых и выпускных квалификационных работ.

Применение электростатического биореактора на животноводческих комплексах молочного направления позволит увеличить выход готовой продукции и как следствие, повысить прибыльность сельскохозяйственных предприятий.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) новая теория строения двойного электрического слоя на границе раздела двух сред - стекла и воды;

2) эквивалентная схема замещения мембраны клетки хлореллы, показывающая зависимость проницаемости мембраны для ионов при изменении мембранного потенциала у клетки хлореллы;

3) способ стимулирования микроскопической водоросли хлореллы электростатическим полем, позволяющий повысить производительность биореакторов по сравнению с аналогом без электростатического поля в два раза.

Реализация результатов исследования: разработан электростатический биореактор для выращивания микроскопической водоросли хлореллы. Электростатический биореактор внедрен в ООО «Биостатика» при ФГБОУ ВПО «Ярославская ГСХА», г Ярославль. Биореактор для выращивания суспензии хлореллы в качестве кормовой добавки животным апробирован в

ООО «Молога», Рыбинского муниципального района, Ярославской области. Разработаны ТУ-9284-001-30976553-13 корм - «суспензия хлореллы».

По результатам исследования поданы заявки на патенты: «Способ выращивания хлореллы» заявка на патент №2013149925, получено положительное решение, «Установка для выращивания хлореллы» заявка на патент №2013149924, приоритет от 07.11.2013.

Работа выполнена при финансовой поддержке программы «СТАРТ-2012» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, на кафедре «Электрификация» ФГБОУ ВПО «Ярославская ГСХА».

Апробация работы:

Основные положения и результаты исследования доложены и обсуждены на: Межрегиональной выставке работ молодых исследователей «Шаг в будущее» (г. Ярославль, ФГБОУ ВПО «ЯГПУ им. К.Д. Ушинского», 2012); XVI Международной научно-практической конференции «Инновационные направления развития АПК и повышение конкурентоспособности предприятий, отраслей и комплексов - вклад молодых ученых» (г. Ярославль ФГБОУ ВПО «Ярославская ГСХА», 2013); V Международной научно-практической конференции «Научно-Техническое Творчество Молодежи» (г. Москва, ФГБОУ ВПО «МГСУ», 2013); Региональном этапе Всероссийской выставки молодых исследователей, изобретателей, рационализаторов «Шаг в будущее» (г. Ярославль, 2013); II Международной конференции «Инновационные разработки молодых ученых - развитию агропромышленного комплекса» (г. Ставрополь, ГНУ «СНИИЖК», 2013); Международной научно-практической конференции молодых ученых «Молодежь и инновации — 2013» (республика Беларусь, г. Горки, «БГСХА», 2013); XVII Международной научно-практической конференции аспирантов и молодых ученых «Инновационные направления развития АПК и повышение конкурентоспособности предприятий, отраслей и комплексов — вклад молодых ученых» (г. Ярославль ФГБОУ ВПО «Ярославская ГСХА», 2014); Международной научной студенческой конференции «Путь в науку» (г. Ярославль, ФГБОУ ВПО «ЯрГУ им. П.Г. Демидова», 2014); Школе молодого ученого (г. Ярославль, ФГБОУ ВПО «ЯрГУ им. П.Г. Демидова», 2014); Программе «Менделеев.PRO» в рамках федерального проекта «Зворыкинский проект» на территории Ярославской области (г. Ярославль, ФГБОУ ВПО «ЯрГУ им. П.Г. Демидова», 2014); XVIII международной научно - практической конференции аспирантов и молодых ученых «Инновационные направления развития АПК и повышение конкурентоспособности предприятий, отраслей и комплексов — вклад молодых ученых» (г. Ярославль, ФГБОУ ВПО «Ярославская ГСХА», 2015); Конкурс «Лучший проект в интересах агропромышленного комплекса Российской Федерации» XVIII Московский Международный Салон изобретений и инновационных технологий «Архимед-2015» - золотая медаль (г. Москва, КВЦ «Сокольники», 2015); Диплом 5 степени во Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых

сельскохозяйственных вузов, в номинации «Технические науки» (г. Ставрополь, ФГБОУ ВПО «СтГАУ», 2015).

Публикации: основное содержание работы изложено в 11 опубликованных работах, в том числе 4 - из перечня ведущих периодических изданий рекомендованных к публикации ВАК.

Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 101 страницу, включает 45 рисунков и 15 таблиц, список литературы из 93 наименований, в том числе 25 на иностранных языках, составленный систематически - в порядке первого упоминания в тексте (ГОСТ Р 7.0.11-2011).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту диссертации, а также данные о научной новизне и практической значимости работы.

В первой главе представлена актуальность выращивания микроскопической водоросли хлореллы для использования её в качестве кормовой добавки животным.

Проанализированы существующие способы и устройства для выращивания хлореллы.

Изучены научные труды в области влияния электромагнитных полей на микроорганизмы таких ученых как: Hassan Ali Al- Barzenji, Lipiec J., Alvarez D., Tiwari S., Wang H., Zeng X., Takahaski F., Kamezaki T., Yamaoka Y., Takimura О.! Perez V.

Рассмотрены известные теоретические положения о строении двойного электрического слоя (ДЭС) на границе раздела двух сред: стекла и воды, от первого представления строения двойного электрического слоя, предложенного Г. Гемгольцем, до современного основанного на представлениях немецкого физика О. Штерна.

Проведен анализ существующих биореакторов для выращивания хлореллы, разработанных Богдановым Н.И., Кунициным М.В., Ивановым Г.Ю., Мирзоян A.B., который показал наличие существенных недостатков, таких как: сложность конструкции; использование некачественных источников освещения; низкий коэффициент производительности.

На основе вышесказанного было принято решение о разработке способа стимулирования микроскопической водоросли хлореллы в электростатическом поле.

Во второй главе проведены теоретические исследования: распределения электростатического поля в емкости биореактора и строения двойного электрического слоя на границе раздела двух сред: стекла и воды; схема замещения участка мембраны клетки хлореллы для исследования воздействия внешним электростатическим полем.

Некоторые, ученые (Nekrasov S.A.) считают, что воздействие на организмы в водном растворе электростатическим полем невозможно, так как оно будет полностью экранироваться противоионами.

Поэтому, чтобы определить возможность воздействия электростатическим полем на микроводоросль хлореллу необходимо исследовать распределение электростатического поля в емкости биореактора и структуру двойного электрического слоя на границе раздела двух сред: стекла и воды.

Строение двойного электрического слоя на границе раздела двух сред: стекла и воды, показано на рисунке 1.

Нами предложено рассматривать, что адсорбционный слой экранирующих ионов по принципу суперпозиции и с помощью Кулоновских сил, должен притягивать к себе ионы противоположного знака. Второй слой ионов должен притягивать следующий слой. Эти слои должны накладываться друг на друга и их структура должна размываться, создавая диффузный слой по

мере удаления от стеклянной стенки.

+

v-у.-J

3 i 3

~HF +

+ + +

Р®

О©

с©

с©

3®

0

© © ©

© ©

©00О5Г © 6©

©© ©©

1 - электрод, присоединенный к стеклу; 2 — потенциалопределяющие ионы; 3 - адсорбционный слой экранирующих ионов; 4 - диффузный слой экранирующих ионов.

Рисунок 1 -Модель распределения ионов на границе раздела двух сред: стекла и воды

При воздействии внешним электростатическим полем будет происходить его экранирование противоионами, следствием чего будет падение напряженности поля в водном растворе (рисунок 2). Расчет отношения напряженности поля в водном растворе и в стеклянной стенке рассчитывается по формуле:

Ест' £ст 8

Г _ст_ст___г- о(,гг ^ ч

^вод 1 АП т и,и,-)£-'ст<

вод 100

где: Ест, Евод — напряженности электрического поля в стекле и воде соответственно кВ/м; ест - диэлектрическая проницаемость стекла = 8; евод - диэлектрическая проницаемость воды, принимаем = 160.

Ест Ест

—* 0.05 Ест —а»

Рисунок 2 - Падение напряженности поля при переходе из стеклянной стенки в водный раствор

Электрокинетический потенциал — потенциал, возникающий на границе скольжения фаз при их относительном перемещении в электрическом поле. Положение границы скольжения в ДЭС не известно. Полагают, что граница скольжения проходит на расстоянии толщины плотной адсорбционной части ДЭС.

Электрокинетический потенциал в электростатическом биореакторе будет рассчитываться по формуле:

■у _ V ' Т) ' (^вод * ^ • /1СТ+£СТ • /1Вод)

^ _ р . Ц . а ' V )

с0 С'Г свод

где: V — скорость движения воды, м/с; т] - вязкость среды, Нс/м2; ^вод, £ст _ диэлектрическая проницаемость воды и стекла соответственно; Ьст — толщина стекла, м; Нвод — толщина слоя воды, м; е0 - электрическая постоянная, 8,85-10~12 Ф/м; и - подаваемое напряжение, В.

Таким образом, клетки хлореллы будут стимулироваться при попадании на стеклянную поверхность или при попадании в зону электрокинетического потенциала.

Для понимания сути влияния внешнего электростатического поля на клетку хлореллы, встала необходимость в разработке электрической схемы замещения участка мембраны клетки микроскопической водоросли хлореллы.

Принятая в научных исследованиях электрическая схема замещения мембраны или отдельного участка мембраны клетки, состоит из конденсатора емкостью С и параллельных ветвей, включающих в себя электродвижущие силы ионов Е;; проводимости диффузии - gd¡ ¡-тых ионов, перемещаемых через мембрану клетки за счет градиентов концентрации или градиента мембранного электрического потенциала; активные проводимости — gaj ]-тых ионов перемещаемых через мембрану клетки с помощью активного транспорта ионов. На основе этих данных была создана полная электрическая схема замещения мембраны клетки хлореллы (рисунок 3).

1вх=д

снаружи клетки

1 '' 1/» |Ь I'

1 выход

->0

Эр ,

У

-о

внутри клетки

Рисунок 3 - Полная электрическая схема замещения мембраны клетки хлореллы

В схеме замещения наличие проводимостей позволяет учитывать основные питательные вещества, необходимые для питания хлореллы, такие как: калий, водород, магний, фосфор, железо, азот, сера. А так же учесть такую особенность питания клетки хлореллы как то, что потребление питательных веществ у хлореллы не одинаково. Так потребление фосфора и магния через 1-2 суток заметно сокращается и стабилизируется. Включенные конденсаторы С1Г1(, и Ср дают возможность учитывать неравномерность потребления магния и фосфора у клеток хлореллы.

На основе полной схемы замещения была разработана упрощенная схема замещения мембраны клетки хлореллы (рисунок 4).

снаружи клетки

!оыход

>о

внутри клетки

Е0 - электродвижущая сила активного транспорта ионов обусловленная потерей энергии; gк,gИ - нелинейные проводимости ионов калия и водорода, зависящие от мембранного потенциала.

Рисунок 4 - Упрощенная схема замещения мембраны клетки хлореллы

Данная схема базируется на том, что основными потенциал-образующими ионами в растительных клетках являются ионы Н+и К1, при этом Ек определяется концентрацией ионов внутри и снаружи клетки и направлен

внутрь клетки, а Е„ определяется выделением водорода при химических реакциях внутри клетки и направлен наружу.

Зная зависимость проводимости различных ионов от мембранного потенциала, можно получать суспензию хлореллы с различной концентрацией определенных ионов, в зависимости от цели использования.

Известно, что мембранный потенциал определяется суммой потенциалов:

<Рм = <Рпс + <Рпер* (3)

где: фпс - постоянная составляющая мембранного потенциала, В; српер -переменная составляющая мембранного потенциала, В.

В нашем случае основной вклад в создание српс вносят ионы водорода и калия, поэтому согласно схеме замещения, формула для расчета постоянной составляющей мембранного потенциала клетки хлореллы имеет вид:

Ек\9к - Ен ' 5н

<Рпс = -——-' (4)

9 к + Зн

где: Ек, Е„ - ЭДС ионов калия и водорода соответственно; gк, -проницаемость ионов калия и водорода.

Известно, что при воздействии на клетку хлореллы внешним электростатическим полем будет происходить изменение мембранного потенциала, которое в свою очередь будет оказывать воздействие на проницаемость ионов через мембрану клетки хлореллы. Можно предположить, что увеличение проницаемости ионов через мембрану клетки хлореллы приведет к увеличению прироста количества клеток хлореллы в суспензии.

В третьей главе представлены: программа и методики исследования, а также оборудование, использованное в работе: аппарат АКИ-50, использованный в качестве источника постоянного тока высокого напряжения, для исследования распределения электростатического поля; ВИП-40-5, использованный для исследований по влиянию различного напряжения и времени воздействия электростатическим полем на суспензию хлореллы; электронный микроскоп МИКМЕД-6, использованный для подсчета клеток микроскопической водоросли хлореллы с использованием камеры Горяева; спектрофотометр СФ-46, использованный для построения калибровочной кривой.

Для проведения исследований распределения электростатического поля в биореакторе в уменьшенную копию биореактора (высота - 5 см; ширина - 6 см; глубина - 4 см) наливался электролит и насыпались волосы размером 1-10"2м, которые затем перемешивались в емкости. От источника постоянного тока на электроды подавалось напряжение 30 кВ, после чего анализировался рисунок, расположения волос, находящихся в электролите. Для достоверности эксперимента опыт повторялся с пятикратной повторностью, с обязательной заменой стеклянной емкости, электролита и волос.

Для проведения исследований структуры двойного электрического слоя, нами была разработана и изготовлена физическая модель. На непроводящей поверхности располагались заряженные объекты и заряженная поверхность. В качестве заряженной поверхности была использована медная пластина,

ю

подключенная к источнику постоянного тока - АКИ-50. На данную пластину подавался потенциал, равный -30 кВ. В качестве заряженных объектов было предложено использовать диэлектрические шарики, предварительно покрытые графитом и заряженные в поле коронного разряда. После зарядки шарики высыпались в емкость с заряженной пластиной, и анализировался рисунок их построения. Для достоверности эксперимента опыт повторялся с пятикратной повторностью.

Исследования прироста биомассы микроводоросли хлореллы, в зависимости от подаваемого на электроды напряжения (напряженности электростатического поля), проводились на уменьшенных копиях биореактора (высота - 10 см; ширина - 40 см; глубина - 20 см) (рисунок 5).

Рисунок 5 - Исследование прироста микроводоросли хлореллы в зависимости от подаваемого на электроды напряжения и времени воздействия

Исходным материалом для исследований служила суспензия микроскопической водоросли хлореллы. Суспензия наливалась в уменьшенные копии биореактора, к боковым поверхностям которых подсоединялись электроды. На электроды от источника постоянного тока ВИП-40-5 подавалось напряжение от 5 кВ до 45 кВ с шагом в 5 кВ. Время обработки суспензии составляло 5 минут.

Каждая позиция имела три повторности, в виде одинаковых емкостей. Контрольная группа не обрабатывалась электростатическим полем. По окончании обработки, суспензия выливалась из уменьшенной копии биореактора в стеклянные цилиндрические емкости объемом 100 мл для дальнейшего выращивания. Все группы суспензии выращивались в одинаковых условиях. Эффективность роста определялась по оптической плотности суспензии. Замеры оптической плотности проводились по истечении первых, вторых и третьих суток выращивания на спектрофотометре СФ-46, с использованием калибровочной кривой.

После нахождения наиболее эффективного напряжения для стимулирования микроскопической водоросли хлореллы, по аналогичной методике находилось наиболее эффективное время воздействия на суспензию

микроводоросли. В процессе эксперимента время воздействия составляло 1, 5, 10, 15,30, 4320 минут.

В дальнейшем были проведены исследования влияния перемешивания суспензии на прирост биомассы хлореллы. Суспензия хлореллы разливалась в стеклянные емкости с прикрепленными к ним электродами, подключенными к источнику постоянного тока высокого напряжения. На электроды подавалось напряжение 15 кВ (усредненная напряженность электростатического поля при этом составляла 75 кВ/м). В три емкости опускались шланги воздушного компрессора и помпы для перемешивания суспензии. Контрольная группа не перемешивалась. Замеры проводились на спектрофотометре СФ-46, по истечении первых, вторых и третьих суток выращивания.

По заказу ООО «Биостатика» при ФГБОУ ВПО «Ярославская ГСХА» был разработан электростатический биореактор для выращивания микроводоросли хлореллы (рисунок 6).

Рисунок 6 - Схема электростатического биореактора для выращивания микроводоросли хлореллы

Электростатический биореактор состоит из двух стеклянных емкостей (высота-20 см; ширина-100 см; глубина-40 см) (1) расположенных друг над другом на металлическом каркасе (2). У каждой емкости есть стеклянные крышки, которые пропускают свет, но защищают суспензию от попадания грязи. В качестве источника освещения используются люминесцентные лампы Flora Osram (3), расположенные между емкостями, для освещения как верхней, так и нижней емкости. Помпы (4) находящиеся внутри емкостей обеспечивают непрерывное перемешивание суспензии микроводоросли, что позволяет уменьшить нарастание суспензии на стенках емкостей и обеспечить более равномерный доступ клеток хлореллы к освещению и стимулированию. Для поддержания оптимальной температуры выращивания 30 ± 2 °С в емкостях находятся нагреватели с терморегулятором (5). В крышке каждой емкости находится отверстие для подачи воздуха (6) в суспензию и барботирования (7). Каждая емкость имеет сливной кран, для удобства сбора готовой суспензии (8). К стенкам емкостей снаружи прикреплены электроды (9), подключенные к источнику постоянного тока высокого напряжения. Для безопасного обслуживания рекомендуется закрыть электроды изоляционным материалом.

Рисунок 7 - Электростатический биореактор

В четвертой главе представлены результаты исследования: распределения электростатического поля в биореакторе; структуры двойного электрического слоя; получения калибровочной кривой зависимости оптической плотности суспензии от количества клеток хлореллы; влияния различных типов газоразрядных источников искусственного освещения на прирост биомассы микроскопической водоросли хлореллы; влияния различного напряжения (напряженности поля) и времени воздействия электростатического поля на прирост микроскопической водоросли хлореллы; влияние перемешивания на прирост биомассы хлореллы.

На рисунке 8 показано расположение волос в электролите после подачи напряжения на электроды.

Рисунок 8 - Расположение волос в электролите после подачи напряжения

Как видно из рисунка 8, в электростатическом биореакторе электростатическое поле внутри суспензии будет очень мало или практически отсутствовать. Таким образом, стимулирование клеток хлореллы будет проходить на пограничном участке со стеклянными поверхностями.

Результаты исследования структуры двойного электрического слоя на физической модели представлены на рисунке 9.

Отрицательно

заряженные

шарики

Рисунок 9 — электрического слоя на

Из рисунка 9 видно, что первый адсорбционный слой «ионов» притягивает к себе «ионы» противоположного знака, тем самым создавая набор из нескольких слоев адсорбционных «ионов», что в первом приближении подтверждает предложенную теорию о смещении зарядов к заряженным поверхностям и образовании заряженных слоев.

Для более удобной оценки полученных результатов была построена калибровочная кривая (рисунок 10), отношения количества клеток к оптической плотности суспензии. Количество клеток считалось на электронном микроскопе МИКМЕД-6 с помощью камеры Горяева.

Рисунок 10 — Зависимость количества клеток хлореллы от оптической плотности суспензии

В результате исследования влияния различного напряжения (напряженности поля) и времени воздействия электростатического поля на прирост микроскопической водоросли хлореллы были получены следующие результаты (рисунки 11, 12).

Положительно

заряженные

шарики

Отрицательно

заряженная

пластина

Результаты исследования структуры двойного физической модели

Напряжение элеткростатического поля, кВ

Рисунок 11 - Оптическая плотность суспензии хлореллы в зависимости от различного напряжения электростатического поля при I = 5 мин

контроль 1 5 10 15 30 4320

Время воздействия электростатическим полем, мин.

Рисунок 12 - Оптическая плотность суспензии хлореллы в зависимости от различного времени воздействия электростатическим полем на культуру микроводоросли при и = 15 кВ (75 кВ/м)

Исходя из вышесказанного видно, что наилучшим напряжением для стимулирования суспензии хлореллы является 15 кВ (напряженность 75 кВ/м), а временем воздействия - весь период выращивания (72 ч).

Обработка суспензии хлореллы в течение всего периода выращивания позволила увеличить количество клеток хлореллы в 2 раза по сравнению с контролем на третий день выращивания (рисунок 13).

Анализируя диаграмму рисунка 13 видно, что при стимулировании хлореллы электростатическим полем, уже после первых суток выращивания можно получить концентрацию клеток хлореллы в суспензии равной концентрации клеток на третьи сутки выращивания без стимулирования.

Без стимулирования

При постоянном стимулировании

Рисунок 13 - Сравнение оптической плотности суспензии со стимулированием и без стимулирования

Таким образом, постоянное стимулирование суспензии хлореллы электростатическим полем позволяет увеличить производительность биореактора в 2 раза.

Помимо обнаруженного увеличения количества клеток микроводоросли, было так же отмечено увеличение размеров самих клеток хлореллы при стимулировании напряжением 15 кВ (75 кВ/м) по сравнению с другими напряжениями (рисунок 14).

1 1 .............................

Я—ш—В—ft—Ш

и ■ ■ I

20

25

30

35

-

Jdfc

40

Напряжение электростатического поля, кВ

45

Размер клеток хлореллы при различном напряжении электростатического поля, мкм

Рисунок 14 - Размер клеток хлореллы при различном напряжении электростатического поля

Проведя исследования с помощью индикаторной бумаги обнаружено различие в концентрации ионов водорода у контрольной суспензии (меньше) и у суспензии подвергшейся стимулированию электростатическим полем (больше). На аппарате Siemens Diagnostics 348 проведены исследования количества ионов калия в водном растворе у контрольной суспензии и обработанной электростатическим полем (контроль — 3,42 ммоль/л; опыт (15 кВ) - 3,54 ммоль/л).

По результатам исследования прироста биомассы хлореллы в зависимости от наличия перемешивания получена диаграмма (рисунок 15).

0,45

0,4

Л г, 0,35

о

X 0,3

о

с 0,25

к

ас 0,2

и

У 5 0,15

С О од

0,05

0

0,377

0,281

0,190

0,310

0,428

0,206

■ 1 день

■ 2 день 3 день

Без перемешивания

С перемешиванием

Рисунок 15 - Влияние перемешивания на прирост биомассы клеток хлореллы, подвергающихся стимулированию

Данная диаграмма показывает необходимость перемешивания суспензии в биореакторе для увеличения её биомассы.

Следует отметить, что у клеток хлореллы, прошедших стимуляцию электростатическим полем, отсутствует мутагенность.

В пятой главе проведен сравнительный анализ комплекса электростатических биореакторов и комплекса биореакторов без электростатического поля, который показал, что электростатический биореактор на третьи сутки выращивания дает в 2 раза больше готовой суспензии хлореллы, чем аналог без поля.

Потребляемая мощность биореактора без электростатического поля -0,3 кВт/ч, с электростатическим полем - 0,311 кВт/ч.

Удельная цена на производство 1 л суспензии хлореллы составит:

• комплекс биореакторов без электростатического поля - 6,84 руб./л;

• комплекс электростатических биореакторов - 3,29 руб./л.

Таким образом, затраты на создание 1 литра суспензии микроводоросли хлорелла в комплексе электростатических биореаткоров в два раза ниже затрат на производство хлореллы в аналоге без электростатического поля.

Заключение

1. В результате проведенного анализа существующих способов и установок для выращивания микроскопической водоросли хлореллы, установлена целесообразность разработки технологии выращивания хлореллы в электростатическом поле.

2. Исследование наличия электростатического поля в биореакторе показало отсутствие электростатического поля в объеме суспензии. Таким образом, воздействие на клетки хлореллы будет происходить на границе раздела двух сред: стекла и воды. Установлено, что структура двойного электрического слоя:

стекла и воды, состоит из нескольких слоев адсорбционных ионов, которые притягиваются друг к другу.

3. Получены полная и упрощенная эквивалентные схемы замещения участка мембраны клетки хлореллы, показывая зависимость проницаемости различных ионов от мембранного потенциала клетки.

4. Для стимулирования микроскопической водоросли хлореллы рекомендуется использовать напряжение 15 кВ (75 кВ/м), и время стимулирования 72 часа, что позволит увеличить производительность биореактора в 2 раза.

5. Электростатический биореактор внедрен в ООО «Биостатика» при ФГБОУ ВПО «Ярославская ГСХА», г Ярославль. Биореактор для выращивания суспензии хлореллы в качестве кормовой добавки животным апробирован в ООО «Молога» Рыбинского муниципального района Ярославской области.

6. Производительность электростатического биореактора в два раза больше производительности известных аналогов. Использование комплекса электростатических биореакторов позволит сократить удельную цену за литр готовой суспензии с 6,84 руб./л до 3,29 руб./л.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Журналы, указанные в перечне ВАК:

1. Шмигель, В.В., Суховский, H.A. Модель участка мембраны клетки хлореллы для исследования воздействия внешнего электростатического поля на клетку хлореллы [Текст] / В.В. Шмигель, H.A. Суховский // Международный научный журнал. - 2014. -№ 5. - С. 71-77.

2. Шмигель, В.В., Суховский, H.A. Строение двойного электрического слоя [Текст] / В.В. Шмигель, H.A. Суховский // Международный технико-экономический журнал. - 2014. - № 5. - С. 59-63.

3. Шмигель, В.В., Суховский, H.A. Распределение зарядов у клетки хлореллы находящейся на заряженной диэлектрической поверхности' [Текст] / В.В. Шмигель, H.A. Суховский // Международный научный журнал. — 2015. — № 1. — С. 70-75.

4. Богданова, A.A., Суховский, H.A. Оценка токсикологических и токсикогенетических показателей суспензии хлореллы при технологии выращивания в электростатическом поле / A.A. Богданова, H.A. Суховский, A.JI. Фираго и др. И Международный технико-экономический журнал. - 2015. -№ 1. — С. 64-68.

Публикации в журналах, сборниках научных трудов и конференции: 1. Суховский, H.A. Создание установки для производства микроводоросли (хлореллы) [Текст] / H.A. Суховский, A.A. Богданова // Вестник АПК

Верхневолжья. - Ярославль: ФГБОУ ВПО «Ярославская ГСХА». - 2012. - № 4. -С. 90-94.

2. Суховский, H.A. Наличие электростатического поля в электростатическом биореакторе [Текст] / H.A. Суховский // Вестник АПК Верхневолжья. - Ярославль: ФГБОУ ВПО «Ярославская ГСХА». - 2015. - № 1. -С. 92-95.

3. Суховский, H.A., Богданова, A.A. Технология производства суспензии микроводоросли штамма ИФР № С-111 в условиях животноводческих комплексов // Сборник материалов Международной научно-практической конференции молодых ученых «Молодежь и инновации — 2013». - Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия. - 2013. - С. 287-290.

4. Богданова, A.A. Суховский, H.A. Создание оптимальных условий для культивирования микроводоросли хлореллы // Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях : сборник докладов Пятой Международной научно-практической конференции Министерства образования и науки Российской Федерации / ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет». — Москва : МГСУ, 2013. - 696 с.

5. Суховский, H.A. Расчет установки по выращиванию хлореллы для крестьянских фермерских хозяйств // Сборник научных трудов по материалам XVI Международной научно-практической конференции «Инновационные направления развития АПК и повышение конкурентоспособности предприятий, отраслей и комплексов - вклад молодых ученых». - Ярославль: ФГБОУ ВПО «Ярославская ГСХА», 2013. - С. 35-40.

6. Суховский, H.A., Богданова, A.A. Влияние электростатического поля на клетку хлореллы // Материалы II международной конференции «Инновационные разработки молодых ученых - развитию агропромышленного комплекса»: Сборник научных трудов. - Ставрополь: ГНУ СНИИЖК, 2013. -С. 274-277.

7. Богданова, A.A., Суховский, H.A. Влияние различного напряжения и времени воздействия электростатического поля на морфофизиологические показатели CHLORELLA VULGARIS ИФР № С-111 // XXI Всероссийская молодежная научная конференция «Актуальные проблемы биологии и экологии» (посвященная 70-летию А.И. Таскаева). Материалы докладов. -Сыктывкар: УрО РАН, 2014. - 372 с.

Подписано в печать 06.07.2015 г. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать ризографическая. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 22.

Отпечатано в типографии ФГБОУ ВПО «Ярославская ГСХА». 150042, г. Ярославль, Тутаевское шоссе, 58.