S+Ř: 3 – Kultivace mikroskopických sinic a řas - isb

Biotechnologie sinic a řas
„Biotechnologie – technologie využívající biologické systémy, živé organizmy nebo jejich části k
určité výrobě nebo jejich přeměně či jinému specifickému použití.“
Miloslav Kitner
Katedra botaniky PřF UP
Laboratoř molekulárních markerů
Šlechtitelů 11, Olomouc - Holice
3) Kultivace mikroskopických S+Ř
A) Využití biomasy z přírodních stanovišť
Způsoby pěstování mikroskopických
sinic a řas
• 1) Využití biomasy z přírodních stanovišť
- spojeno s přirozeným přemnožení mikrořas,
- biomasa je využita jako potravina (potravinový
doplněk, krmivo)
Jezera s výskytem vodních květů Spirulina
Mexiko (lake Texcoco)
leží blízko Mexico City
1979: export Spirulina z Mexika do USA jako
potravinové doplňky
1982: zastaveno ze strany USA pro špatnou kvalitu
(bakterie)
sterilizace produktů – prodej jako krmivo zvířat a pro
akvakultury
Barma (lake Twin Taung)
- Alkalická jezera vulkanického původu
- vodní květy Spirulina
- produkce v roce 1999: 100 tun
Lake Chad – sběr v alkalických jezerech v Čadu
Spirulina cakes (dihé) - trh v Čadu
Produkce 30tun/rok
3) Kultivace mikroskopických S+Ř
B) Komerční produkce biomasy mikroskopických S+Ř
3) Průmyslová kultivace mikroskopických S+Ř
komerční produkce monokultur mikroskopických řas
• vysoká počáteční investice a provozní náklady
• 3A) otevřené systémy = mělké nádrže
– produkce biomasy řasových monokultur, doplňky stravy (např. Chlorella, Spirulina,
Dunaliella)
• 3B) uzavřené systémy = fotobioreaktory
– Např. pro farmaceutické účely, získávání specifických chemický látek ze
selektovaných kmenů (např. Porphyridium, Spirulina, Dunaliella)
ad 3A) Kultivace mikrořas - otevřené systémy
Otevřené systémy
• přirozené nádrže
• kruhové nádrže, - míchání roztoku provádí rotující rameno
• podlouhlé nádrže - mělké jámy v zemi, překryté nepropustnou fólií
• kultivační nádrže s nakloněnou rovinou
• velké produkční jednotky (raceway ponds) – míchání lopatkovými koly
Podlouhlé nádrže a velké produkční jednotky = „Raceway ponds“
- podlouhlé nádrže v zemi pro cirkulaci roztoku s kultivovanou biomasou
- betonový nebo nezpevněný podklad s folií
- hloubka do 30cm
- pohyb řasové suspenze pomocí
lopatkových kol (zabránění sedimentace)
• levnější než fotobioreaktory
• nižší pořizovací a provozní náklady
• nižší produktivita biomasy
• biomasa je méně promíchávána
nezůstává v optimální světelné zóně
• kontaminace (řasy a další organismy)
-největší systémy 440 000 m2
(Earthrise Nutritionals, Kalifornie)
Kultivační nádrže s nakloněnou rovinou
Třeboň – Opatovický mlýn
- řasová suspenze ve dne stéká v tenké vrstvě na bioreaktorech =
nejméně dvě protisměrné meandrovitě uspořádané spádové plochy
- v noci je suspenze řas uložena ve vzdušněných sběrných nádržích
- sklizeň při hustotě cca 30 g suché hmoty na 1 litr živného roztoku
1.
2.
3.
4.
zahuštění suspenze na talířových odstředivkách
zahuštěné řasy se promývají kvalitní vodou
mechanické drcení řas (lepší stravitelnost)
sušení v rozprašovací sušárně – mikrokapičky suspenze (60°C)
- sklizeň v Třeboni za kultivační sezónu 150 dní v přepočtu na 1 ha plochy
20-25 tun suché hmoty řas
- na jihu Evropy nebo severu Afriky s kultivačním obdobím 300-320 dní v roce
stoupají výnosy na trojnásobek
Kultivační nádrže s nakloněnou rovinou
Detašované pracoviště MBÚ AV ČR v Třeboni– Opatovický mlýn
Kultivační nádrže s určitým sklonem
Detašované pracoviště MBÚ AV ČR v Třeboni – Opatovický mlýn
Sklizeň
- Filtrace řasové suspenze
- Jednoduché látkové filtry
- Pásové filtry
Sušení biomasy
• volně na vzduchu a slunci
• bubnové sušení:
– aplikace koncentrované biomasy nebo pasty do rotujícího
předehřátého bubnu.
– Materiál je vysušen během několika sekund
– Rychlá dehydratace způsobuje prasknutí BS
• sušení vstřikováním:
– koncentrovaná biomasa musí být tak řídká, aby se dala nasávat……
…biomasa je vstřikována do prostoru s horkým vzduchem ……..
....Dojde k odpaření vody a vzniku odparku biomasy ve formě prášku.
– Nejpoužívanější proces sušení pro všechny druhy mikrořas.
Sušení biomasy v sušárně
ad 3B) Kultivace mikrořas - uzavřené systémy:
fotobioreaktory
Kultivace mikrořas v uzavřených systémech fotobioreaktory
Uzavřený systém plastových nebo skleněných trubic, válců nebo desek,
ve kterém dochází ke kultivaci biomasy
Uzavřené systémy - fotobioreaktory
• Kultivace jednodruhových kultur mikrořas
• biomasa cyklicky cirkuluje v transparentních trubicích
(popř. vacích) ze skla nebo plastu (obyčejně průměr do
10 cm)
• produkce vysoce čisté biomasy (nutraceutika, farmacie)
• Často se používají pro vytvoření inokula pro „raceway
ponds“
Uzavřené systémy - fotobioreaktory
Uzavřené systémy – fotobioreaktory
Deskové reaktory
Uzavřené systémy - fotobioreaktory
• Max. využití plochy
hemispherical photobioreactors
BioDome™ Reactor (Fuji Co., Hawaii) (~1
meter diameter).
Algatechnologies, Ltd., Izrael
100 m long, 5 cm diameter
Visící plastové pytle a rukávy
Německo
Německo
Uzavřené systémy - fotobioreaktory
Uzavřené systémy – fotobioreaktory
Horizontální trubice a plastové rukávy
KULTIVACE MIKROSKOPICKÝCH ŘAS v
České Republice
Nové Hrady
Nové Hrady
Nové Hrady
Detašované pracoviště MBÚ AV ČR v Třeboni– Opatovický mlýn
-Výzkumné účely
- vliv kultiv. podmínek na produkci významných látek
- selekce kmenů
ŘASY ve vesmíru
Spirulina + Chlorella - zdroj potravy na vesmírných stanicích, čištění vody
http://www.biq-wilhelmsburg.de/
BIQ – Das Algenhaus, Hamburg, Germany
http://www.biq-wilhelmsburg.de/
Hlavní KOMERČNĚ pěstované druhy
mikroskopických S + Ř
Nejčastěji pěstované druhy mikroskopických řas
Dunaliella salina
Haematococcus
Spirulina
Chlorella
Pulz & Gross 2004 Appl. Microbiol. Biotechnol. 65
Dunaliella salina
-Chlorophyceae
- exrémně halofilní zelená řasa
- často se vyskytuje v mělkých evaporačních nádržích na produkci soli
- ochrana proti extrémnímu záření produkcí β-karotenu (až 4% sušiny)
- produkce glycerolu – ochrana proti hypertonickému prostředí
- ekonomicky významná je produkce β-karotenu – Izrael, Austrálie
- technologicky je proveditelný i zisk glycerolu, ale není to komerčně výhodné
Dunaliella salina
Dunaliella salina open pond cultivation, Hutt Lagoon,
Western Australia, by Congnis Nutrition and Health. The
largest ponds are about 250 ha in area.
Dunaliella salina in salt production facility on the
Atlantic (so-called Skeleton Coast) coast of the
Namib Desert in Namibia
South San Francisco Bay, California.
Haematococcus pluvialis
- Chlorophyta
- produkce astaxantinu (1,5-3% suché hmoty)
- farmacie, kosmetika, akvakultury
- tvoří se v klidovém stadiu životního cyklu řasy:
ochrana cyst před UV-zářením
- podmínky pro tvorbu astaxathinu:
vysoká salinita, vysoké osvětlení nebo málo
živin v médiu
- Dvě fáze kultivace:
A) „green phase“ – buňky 10-15um
- kultivace biomasy v růstovém médiu za optimálních
podmínek
(dostatek živin, světla, pH, teplota)
B) „red phase“ – buňky až 50um v průměru
aplikace stresového faktoru
(nedostatek živin, okyselení, Fe, salinita, teplota…)
- 2-3 dny po aplikaci stresu buňky ztratí bičíky zvětší
se, jsou těžší …
Za dalších 3-5 dnů sklizeň sedimentací a centrifugací
Haematococcus pluvialis
-producenti: Izrael, Hawai (USA), Švédsko, Německo
- world market US $234 million (source: BBC Inc.)
BioDome™ Reactor
Maui, Hawaii, USA
Izrael
Gustavsberg, Sweden
Izrael
Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and
Biotechnology IGB, Stuttgart
Spirulina platensis , Spirulina maxima
-vláknité sinice (Cyanophyta)
- alkalické vody = vysoké pH
- dlouholetá tradice ve výživě člověka
- doplňky zdravé výživy
- vysoký obsah proteinů: 55-70% sušiny
- podporuje imunitní systém
- prevence virových onemocnění a rakoviny
- vytvoření hormonální rovnováhy dospělých lidí
- producenti: USA, Indie, Čína
USA: Cyanotech Corporation (Hawai)
a Earthrise Nutritionals (Kalifornie)
„Raceway“ ponds used for the culture of Spirulina platensis by Earthrise in Calipatria, California
Chlorella spp.
Výhledy MASOVÉ KULTIVACE MIKROSKOPICKÝCH ŘAS
Problémy:
Řasová biomasa je stále příliš drahá na to, aby mohla konkurovat klasickým rostlinám
jako potrava pro člověka či zvířata.
- zavádění výrobků na trh v oblastech tam, kde řasy nejsou tradiční součástí jídelníčku
- vysoký obsah bílkovin v řasách je z hlediska správné výživy spíše závadou
V současnosti je výzkum silně podporován ze strany nadnárodních firem a států
- produkce bionafty – v současnosti nejvíce podporované
- fixace CO2 z průmyslové výroby
- čištění odpadních vod
- zemědělství - fixace vzdušného dusíku – půdní kondicionéry
- reálné výhledy: průmyslová produkce výrobků z mikrořas jako funkčních potravin a
krmiv pro zvířata
Děkuji za pozornost