Kuluçkahanelerde mikroalg kültürü - Culture of microalgae in hatcheries

Raceway göleti mikroalg yetiştirmek için kullanılır. Su, güçlü bir güçle sürekli hareket halinde tutulur. kanatlı çark.

Mikroalg veya mikroskobik algler deniz veya tatlı su sistemlerinde büyür. Onlar birincil üreticiler su ve karbondioksiti dönüştüren okyanuslarda biyokütle ve güneş ışığı varlığında oksijen.[1]

Mikroalglerin belgelenmiş en eski kullanımı 2000 yıl önceydi, Çinliler siyanobakteriler Nostoc kıtlık sırasında bir besin kaynağı olarak.[2] Başka bir mikroalg türü olan siyanobakteriler Arthrospira (Spirulina ), 16. yüzyıla kadar Meksika'daki Çad ve Azteklerdeki nüfus arasında ortak bir besin kaynağıydı.[3]

Günümüzde kültürlenmiş mikroalgler, insanlar ve karada bulunan çiftlik hayvanları için doğrudan yem olarak ve yumuşakçalar ve balıkların ve kabukluların erken larva aşamaları gibi kültürlü su türleri için yem olarak kullanılmaktadır.[4] İçin potansiyel bir aday biyoyakıt üretim.[5] Mikroalgler, geleneksel gıda mahsullerinden 20 veya 30 kat daha hızlı büyüyebilir ve ekilebilir arazi için rekabet etmeye gerek yoktur.[5][6] Mikroalgal üretimi pek çok ticari uygulamanın merkezinde olduğundan, üretkenliği artıran ve ekonomik olarak karlı olan üretim tekniklerine ihtiyaç vardır.

Yaygın olarak yetiştirilen mikroalg türleri

Mikroalgler, mikroskobik formlardır. yosun, böyle kokolitofor 5 ile 100 mikrometre arasında değişen
TürlerUygulama
Chaetoceros sp.[7]Su kültürü[7]
Chlorella vulgaris[8]Doğal kaynak antioksidanlar[8]
Dunaliella salina[9]Üretmek karotenoidler (β-karoten )[9]
Hematococcus sp.[10]Üretmek karotenoidler (β-karoten ), astaksantin, kantaksantin[10]
Phaeodactylum tricornutum[8]Antioksidanların kaynağı[8]
Porphyridium cruentum[8]Kaynağı antioksidanlar[8]
Rodella sp.[7]Renklendirici makyaj malzemeleri[7]
Skeletonema sp[7]Su kültürü[7]
Arthrospira maxima[11]Yüksek protein içerik - Beslenme ek[11]
Arthrospira Platensis[11]Yüksek protein içeriği - Beslenme ek[11]

Kuluçka üretim teknikleri

Kuluçkahanelerde çeşitli mikroalg türleri üretilir ve ticari amaçlar için çeşitli şekillerde kullanılır. Çalışmalar, mikroalg kuluçka sisteminin başarısındaki ana faktörleri, mikroalglerin kültürlendiği konteynerin / biyoreaktörün boyutları, ışığa maruz kalma /ışınlama ve reaktör içindeki hücrelerin konsantrasyonu.[12]

Açık havuz sistemi

Bu yöntem 1950'lerden beri kullanılmaktadır. Mikroalgleri kültürlemenin iki ana avantajı vardır. açık havuz sistemi.[13] İlk olarak, bir açık havuz sisteminin kurulması ve çalıştırılması daha kolaydır.[13] İkinci olarak, açık havuzlar kapalı biyoreaktörlerden daha ucuzdur çünkü kapalı biyoreaktörler bir soğutma sistemi gerektirir.[13] Bununla birlikte, açık havuz sistemlerini kullanmanın bir dezavantajı, ticari olarak önemli bazı türlerin üretkenliğinin azalmasıdır. Arthrospira sp., optimum büyümenin sıcaklıkla sınırlı olduğu yerlerde.[12] Bununla birlikte, bunu telafi etmek için endüstriyel kaynaklardan atık ısı ve CO2 kullanmak mümkündür.[14][15][16][17][18]

Hava kaldırma yöntemi

Bu yöntem, açık havada yetiştirme ve mikroalg üretiminde kullanılır; Mikroalglerin büyüdüğü yerde suyu sirküle etmek için havanın bir sistem içinde hareket ettirildiği yer.[13] Kültür, zeminde yatay olarak uzanan ve bir boru ağıyla birbirine bağlanan şeffaf tüplerde yetiştirilir.[13] Hava, kültürü içeren reaktörün içinde kalan uçtan hava kaçacak ve karıştırma gibi bir etki yaratacak şekilde tüp içerisinden geçirilir.[13]

Kapalı reaktörler

Mikroalgleri kapalı bir sistem içinde kültürlemenin en büyük avantajı, kültürün fiziksel, kimyasal ve biyolojik ortamı üzerinde kontrol sağlar.[12] Bu, buharlaşma, sıcaklık gibi açık havuz sistemlerinde kontrolü zor olan faktörler anlamına gelir. gradyanlar ve ortam kirliliğinden korunma, kapalı reaktörleri açık sistemlere tercih eder.[12] Fotobiyoreaktörler, abiyotik faktörlerin kontrol edilebildiği kapalı bir sistemin birincil örneğidir. Mikroalglerin kültürlenmesi amacıyla bugüne kadar birkaç kapalı sistem test edilmiştir, birkaç önemli sistem aşağıda belirtilmiştir:

Yatay fotobiyoreaktörler

Bu sistem, bir halkalar ağı oluşturmak için zemine yerleştirilmiş tüpleri içerir. Mikroalgal süspansiyon kültürünün karıştırılması, kültürü belirli aralıklarla dikey olarak yükselten bir pompa aracılığıyla gerçekleşir. fotobiyoreaktör. Çalışmalar, aralıklarla darbeli karıştırmanın sürekli karıştırma kullanımından daha iyi sonuçlar verdiğini bulmuştur. Fotobiyoreaktörler, daha iyi sıcaklık gradyanlarını koruyabildikleri için açık havuz sistemlerinden daha iyi üretimle de ilişkilendirilmiştir.[12] Daha yüksek üretimde belirtilen bir örnek Arthrospira sp. Daha uygun sıcaklık aralığı ve yaz aylarına göre daha uzun ekim süresi nedeniyle besin takviyesi olarak kullanılması daha yüksek üretkenliğe bağlanmıştır.[12]

Dikey sistemler

Bu reaktörler dikey kullanır polietilen kollu demir bir çerçeveden sarkıyordu. Alternatif olarak cam tüpler de kullanılabilir. Mikroalgler ayrıca bir tür olan dikey alveolar panellerde (VAP) kültürlenir. fotobiyoreaktör.[12] Bu fotobiyoreaktör, düşük verimlilik ile karakterizedir. Bununla birlikte, bu problemin üstesinden gelmek için yüzey alanı -e Ses oran; daha yüksek bir oranın üretkenliği artırabileceği yerlerde.[12] Karıştırma ve oksijensizleştirme bu sistemin dezavantajlarıdır ve ortalama bir akış hızında sürekli olarak hava kabarcıklandırılarak giderilebilir. Dikey fotobiyoreaktörlerin iki ana türü, Akıştan Geçişli VAP ve Kabarcık Sütun VAP'dir.[12]

Düz plakalı reaktörler

Düz plaka reaktörler (FPR), dar paneller kullanılarak oluşturulur ve sisteme güneş ışığı girişini en üst düzeye çıkarmak için yatay olarak yerleştirilir.[19] FPR'nin arkasındaki konsept, güneş ışığının verimli bir şekilde kullanılması için yüzey alanı / hacim oranını artırmaktır.[13][19] Bu mikroalg kültürü sisteminin başlangıçta pahalı olduğu ve kültürü dolaştırmaktan yoksun olduğu düşünülüyordu.[19] Bu nedenle, FPR'lerin mikroalglerin ticari üretimi için genel olarak uygulanabilir olmadığı düşünülmüştür. Bununla birlikte, 1980'lerde deneysel bir FPR sistemi kullanıldı dolaşım yatay paneller arasında bir gaz değişim ünitesinden kültür içinde.[19] Bu, dolaşım sorunlarının üstesinden gelir ve oksijen birikimini azaltan açık bir gaz transfer ünitesinin avantajını sağlar.[19] FPR'lerin başarılı kullanım örnekleri, üretimde görülebilir. Nannochloropsis sp. yüksek seviyeleri için kullanılır astaksantin.[20]

Fermentör tipi reaktörler

Fermentör tipi reaktörler (FTR) biyoreaktörlerdir. fermentasyon gerçekleştirilmektedir. FTR'ler, mikroalg yetiştiriciliğinde büyük ölçüde gelişmemiştir ve yüzey alanı / hacim oranında bir dezavantaj ve güneş ışığından yararlanmada düşük bir verimlilik oluşturmaktadır.[13][19] FTR, güneş ve yapay ışığın bir kombinasyonu kullanılarak geliştirilmiş olup, üretim maliyetlerini düşürmüştür.[19] Bununla birlikte, geliştirilmekte olan laboratuvar ölçekli sistemlerin büyük ölçekli muadillerine ilişkin mevcut bilgiler çok sınırlıdır.[19] Ana avantaj, dış faktörlerin, yani ışığın kontrol edilebilmesi ve üretkenliğin artırılabilmesidir, böylece FTR, ürünler için bir alternatif olabilir. eczacılığa ait endüstri.[19]

Ticari uygulamalar

Su kültürü

Mikroalg, kültür için kullanılır tuzlu su karidesi, uykuda yumurta üreten (resimde). Yumurtalar daha sonra talep üzerine yumurtadan çıkarılabilir ve kültürlenmiş balık larvaları ve kabuklular ile beslenebilir.

Mikroalg, önemli bir beslenme kaynağıdır ve yaygın olarak su kültürü ya doğrudan ya da ek temel besin kaynağı olarak diğer organizmaların.[21] Su ürünleri yetiştiriciliği çiftlikleri yumuşakçalar, ekinodermler, kabuklular ve balık mikroalgleri beslenme kaynağı olarak kullanın.[21] Düşük bakteri ve yüksek mikroalgal biyokütle, kabuklu deniz ürünleri yetiştiriciliği için çok önemli bir besin kaynağıdır.[21]

Mikroalgler, daha sonraki kültür balıkçılığı süreçleri zincirinin başlangıcını oluşturabilir. Örneğin, mikroalg, ülkemizde önemli bir besin kaynağıdır. salamura karidesi yetiştiriciliği. Salamura karidesi uykuda yumurta üretir. kistler Uzun süreler boyunca depolanabilen ve daha sonra su ürünleri yetiştiriciliği için uygun bir canlı yem formu sağlamak üzere talep üzerine yumurtadan çıkarılabilir. larva balığı ve kabuklular.[22][23]

Su ürünleri yetiştiriciliğinde mikroalglerin diğer uygulamaları arasında estetik esaret altında yetiştirilen finfish cazibesi.[21] Böyle bir örnek, somon yetiştiriciliği, mikroalglerin somon etini pembeleştirmek için kullanıldığı yer.[21] Bu, içeren doğal pigmentlerin eklenmesiyle elde edilir. karotenoidler gibi astaksantin mikroalglerden üretilmiştir Hematococcus çiftlik hayvanlarının diyetine.[24]

Biyoyakıt üretimi

Taleplerini karşılamak için fosil yakıtlar alternatif yakıt yolları araştırılmaktadır. Biyodizel ve biyoetanol mevcut araştırmalarda önemli olan ve potansiyeli yüksek olan yenilenebilir yakıtlardır. Ancak, tarım dayalı yenilenebilir yakıtlar tamamen sürdürülebilir olmayabilir ve bu nedenle fosil yakıtların yerini alamayabilir.[1] Mikroalg yağlar açısından oldukça zengin olabilir (kuru ağırlık% 80'e kadar). biyokütle ) yakıta dönüştürmeye uygundur.[1] Dahası, mikroalgler kara kökenli tarım ürünlerinden daha üretkendir ve bu nedenle uzun vadede daha sürdürülebilir olabilir.[1] Mikroalg için biyoyakıt üretim esas olarak boru şeklinde üretilmektedir fotobiyoreaktörler.[1]

Kozmetik ve sağlık yararları

Sağlıklı gıda olarak yetiştirilen ana mikroalg türleri Chlorella sp. ve Spirulina sp. Ana üretim biçimleri, yapay karıştırıcılı küçük ölçekli havuzlarda gerçekleşir.[9] Roman biyoaktif kimyasal bileşikler, sülfatlanmış gibi mikroalglerden izole edilebilir polisakkaritler.[25] Bu bileşikler şunları içerir: fukoidanlar, İrlanda yosunu ve Ulvanlar faydalı özellikleri için kullanılan. Bu özellikler antikoagülanlar, antioksidanlar, antikanser araştırmada test edilen ajanlar.[25] Kırmızı mikroalgler, fikobiliproteinler Farmasötik ve / veya kozmetikte kullanılan doğal renklendiriciler içerenler.[26] İki mikroalg türü, I. galbana ve C. calcitrans çoğunlukla somon ve ilgili türlerin rengini aydınlatmak için kullanılan proteinlerden oluşur.[27] Uzun zincir üretimi omega-3 Çoklu doymamış yağ asitleri insan beslenmesi için önemli olan mikroalgal yoluyla da kültürlenebilir kuluçkahane sistemleri.[28]

Biyo gübre

Mavi yeşil alg, ilk olarak siyanobakterilerin toprakta çoğalmasına izin vererek nitrojeni sabitleme aracı olarak kullanılmıştır. Azot fiksasyonu izin vermenin bir yolu olarak önemlidir inorganik bileşikler gibi azot dönüştürülecek organik daha sonra bitkiler tarafından kullanılabilen formlar.[29] Siyanobakterilerin kullanımı, verimliliği artırmanın ekonomik olarak sağlam ve çevre dostu bir yöntemidir.[30] Hindistan ve İran'daki pirinç üretimi, topraktaki nitrojen içeriğini desteklemek için serbest yaşayan siyanobakterilerin nitrojen sabitleme özelliklerini kullanan bu yöntemi kullandı.[29][30]

Diğer kullanımlar

Mikroalgler, aşağıdakiler gibi değerli moleküllerin kaynağıdır izotoplar yani, farklı nötronlar içeren bir elementin kimyasal varyantları. Mikroalgler, aşağıdaki izotopları etkin bir şekilde karbon (13C), azot (15N) ve hidrojen (2H) biyokütlelerine.[31] 13C ve 15N, farklı trofik seviyeler / besin ağları arasındaki karbon akışını izlemek için kullanılır.[32] Karbon, nitrojen ve kükürt izotoplar, altta yaşayan topluluklara yönelik aksi takdirde incelenmesi zor olan rahatsızlıkları belirlemek için de kullanılabilir.[32]

Sorunlar

Hücre kırılganlığı, üretkenliği kapalı durumdan sınırlayan en büyük sorundur. fotobiyoreaktörler.[33] Hücrelere verilen hasar, içindeki türbülanslı akışa bağlanabilir. biyoreaktör Karışımı oluşturmak için gerekli olan ışık, tüm hücreler için kullanılabilir.[33]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b c d e Yusuf Chisti (2008). "Mikroalglerden elde edilen biyodizel, biyoetanolü yener" (PDF). Biyoteknolojideki Eğilimler. 26 (3): 126–131. doi:10.1016 / j.tibtech.2007.12.002. PMID  18221809.
  2. ^ Pauline Spolaore; Claire Joannis-Cassan; Elie Duran; Arsène Isambert (2006). "Mikroalglerin ticari uygulamaları" (PDF). Biyobilim ve Biyomühendislik Dergisi. 101 (2): 87–96. doi:10.1263 / jbb.101.87. PMID  16569602. Arşivlenen orijinal (PDF) 2012-04-03 tarihinde. Alındı 2011-10-13.
  3. ^ Whitton, B. ve M. Potts. 2000. Siyanobakterilerin ekolojisi: zaman ve mekandaki çeşitliliği s. 506, Kluwer Academic. ISBN  978-0-7923-4735-4.
  4. ^ Barnabé, Gilbert (1994) Su ürünleri yetiştiriciliği: kültür türlerinin biyolojisi ve ekolojisi s. 53, Taylor ve Francis. ISBN  978-0-13-482316-4.
  5. ^ a b Greenwell HC, Laurens LML, Shields RJ, Lovitt RW, Flynn KJ (2010). "Mikroalgleri biyoyakıt öncelik listesine yerleştirmek: teknolojik zorlukların bir incelemesi". J. R. Soc. Arayüz. 7 (46): 703–726. doi:10.1098 / rsif.2009.0322. PMC  2874236. PMID  20031983.CS1 bakım: birden çok isim: yazarlar listesi (bağlantı)
  6. ^ McDill, Stuart (2009-02-10). "Algler yine dünyayı kurtarabilir mi?". Reuters. Alındı 2009-02-10.
  7. ^ a b c d e f John Milledge (2011). "Biyoyakıtlar dışındaki mikroalglerin ticari uygulaması: kısa bir inceleme". Çevre Bilimi ve Biyo / Teknoloji İncelemeleri. 10 (1): 31–41. doi:10.1007 / s11157-010-9214-7. S2CID  85366788.
  8. ^ a b c d e f Ignacio Rodriguez-Garcia; Jose Luis Guil-Guerrero (2008). "Besin takviyeleri olarak ve gıdaların korunmasında kullanılmak üzere üç mikroalgal türünün antioksidan aktivitesinin değerlendirilmesi". Gıda Kimyası. 108 (3): 1023–1026. doi:10.1016 / j.foodchem.2007.11.059. PMID  26065767.
  9. ^ a b c Michael A. Borowitzka (1999). "Mikroalglerin ticari üretimi: havuzlar, tanklar, tüpler ve fermentörler". Biyoteknoloji Dergisi. 70 (1–3): 313–321. doi:10.1016 / S0168-1656 (99) 00083-8.
  10. ^ a b Laurent Dufossé; Patrick Galaup; Anina Yaron; Shoshana Malis Arad; Philippe Blanc; Kotamballi N. Chidambara Murthy; Gökare A. Ravishankar (2005). "Gıda kullanımı için pigment kaynakları olarak mikroorganizmalar ve mikroalg: bilimsel bir tuhaflık mı yoksa endüstriyel bir gerçeklik mi?" Gıda Bilimi ve Teknolojisindeki Eğilimler. 16 (9): 389–406. doi:10.1016 / j.tifs.2005.02.006.
  11. ^ a b c d Avigad Vonshak; Luisa Tomaselli (2000). "Arthrospira (Spirulina): sistematiği ve ekofizyoloji ". Brian A. Whitton'da; Malcolm Potts (editörler). Siyanobakterilerin Ekolojisi: Zaman ve Mekandaki Çeşitlilikleri. Boston: Kluwer Academic Publishers. sayfa 505–522. ISBN  978-0-7923-4735-4.
  12. ^ a b c d e f g h ben M. Tredici; R. Materassi (1992). "Açık havuzlardan dikey alveolar panellere: fototrofik mikroorganizmaların toplu olarak yetiştirilmesi için reaktörlerin geliştirilmesinde İtalyan deneyimi". Journal of Applied Phycology. 4 (3): 221–231. doi:10.1007 / BF02161208. S2CID  20554506.
  13. ^ a b c d e f g h Amos Richmond (1986). Mikroalgal Kitle Kültürü El Kitabı. Florida: CRC Basın. ISBN  978-0-8493-3240-1.
  14. ^ CO2'den mikroalgal biorefineri ve Mavi Ekonomi altındaki etkiler
  15. ^ CO2'den mikroalgal biorefinery ve Mavi Ekonomi altındaki etkiler: pdf indir
  16. ^ Mikroalg Spirulina platensis kültürü Alternatif besin kaynaklarında
  17. ^ Bölüm 9 - Mikroalgal kültürü için açık havuz sistemleri
  18. ^ Bölüm 18 - Mikroalglerden Gelen Sıvı Biyoyakıtlar: Son Eğilimler
  19. ^ a b c d e f g h ben Ana P. Carvalho; Luís A. Meireles; F. Xavier Malcata (2006). "Mikroalgal reaktörler: kapalı sistem tasarımlarının ve performanslarının gözden geçirilmesi". Biyoteknoloji İlerlemesi. 22 (6): 1490–1506. doi:10.1021 / bp060065r. hdl:10400.14/6717. PMID  17137294. S2CID  10362553.
  20. ^ Amos Richmond; Zhang Cheng-Wu (2001). "Düz plakalı cam reaktörün seri üretimi için optimizasyonu Nannochloropsis sp. açık havada ". Biyoteknoloji Dergisi. 85 (3): 259–269. doi:10.1016 / S0168-1656 (00) 00353-9. PMID  11173093.
  21. ^ a b c d e Arnaud Muller-Feuga (2000). "Mikroalglerin kültür balıkçılığındaki rolü: durum ve eğilimler" (PDF). Journal of Applied Phycology. 12 (3): 527–534. doi:10.1023 / A: 1008106304417. S2CID  8495961.
  22. ^ Martin Daintith (1996). Rotiferler ve Artemia Denizde Su Ürünleri Yetiştiriciliği için: Eğitim Rehberi. Tazmanya Üniversitesi. OCLC  222006176.
  23. ^ Odi Zmora; Muki Shpigel (2006). "Yoğun seri üretim Artemia devridaim sistemi içinde ". Su kültürü. 255 (1–4): 488–494. doi:10.1016 / j.aquaculture.2006.01.018.
  24. ^ R. Todd Lorenz; Gerald R. Cysewski (2000). "İçin ticari potansiyel Hematococcus doğal bir astaksantin kaynağı olarak mikroalg " (PDF). Biyoteknolojideki Eğilimler. 18 (4): 160–167. doi:10.1016 / S0167-7799 (00) 01433-5. PMID  10740262.
  25. ^ a b Isuru Wijesekara; Ratih Pangestuti; Se-Kwon Kim (2010). "Deniz yosunlarından elde edilen sülfatlanmış polisakkaritlerin biyolojik aktiviteleri ve potansiyel sağlık yararları". Karbonhidrat Polimerleri. 84 (1): 14–21. doi:10.1016 / j.carbpol.2010.10.062.
  26. ^ S. Arad; A. Yaron (1992). "Kırmızı mikroalglerden besinlerde ve kozmetiklerde kullanılmak üzere doğal pigmentler". Gıda Bilimi ve Teknolojisindeki Eğilimler. 3: 92–97. doi:10.1016 / 0924-2244 (92) 90145-M.
  27. ^ Natrah, F. M. I .; Yusoff, F. M .; Shariff, M .; Abas, F .; Mariana, N. S. (Aralık 2007). "Malezya yerli mikroalglerinin antioksidan özellikler ve besin değeri açısından taranması". Journal of Applied Phycology. 19 (6): 711–718. doi:10.1007 / s10811-007-9192-5. ISSN  0921-8971. S2CID  42873936.
  28. ^ W. Barclay; K. Yetersiz; J. Abril (1994). "Uzun zincirli omega-3 yağ asitlerinin, yosun ve yosun benzeri mikroorganizmaları kullanarak heterotrofik üretimi". Journal of Applied Phycology. 6 (2): 123–129. doi:10.1007 / BF02186066. S2CID  8634817.
  29. ^ a b H. Saadatnia; H. Riahi (2009). "İran'daki çeltik tarlalarından siyanobakteriler, pirinç bitkilerinde biyo gübre olarak" (PDF). Bitki, Toprak ve Çevre. 55 (5): 207–212. doi:10.17221 / 384-PSE.[kalıcı ölü bağlantı ]
  30. ^ a b Upasana Mishra; Sunil Pabbi (2004). "Siyanobakteriler: pirinç için potansiyel bir biyo gübre" (PDF). Rezonans. 9 (6): 6–10. doi:10.1007 / BF02839213. S2CID  121561783.
  31. ^ Richard Radmer; Bruce Parker (1994). "Alglerin ticari uygulamaları: fırsatlar ve kısıtlamalar". Journal of Applied Phycology. 6 (2): 93–98. doi:10.1007 / BF02186062. S2CID  9060288.
  32. ^ a b B. J. Peterson (1999). "Bentik besin ağlarında organik madde girişi ve aktarımının izleyicileri olarak kararlı izotoplar: bir inceleme". Açta Oecologica. 20 (4): 479–487. Bibcode:1999AcO .... 20..479P. doi:10.1016 / S1146-609X (99) 00120-4.
  33. ^ a b Claude Gudin; Daniel Chaumont (1991). "Hücre kırılganlığı - kapalı fotobiyoreaktörlerde mikroalg seri üretiminin temel sorunu". Biyolojik kaynak teknolojisi. 38 (2–3): 145–151. doi:10.1016 / 0960-8524 (91) 90146-B.