PURIFAE
modułowy bioreaktor do hodowli mikroalg wykonany z biopolimeru za pomocą technik przyrostowych
Projekt nr SKN/SP/601543/2024 finansowany ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach programu „Studenckie Koła Naukowe Tworzą Innowacje”
CEL PROJEKTU
Rosnące zapotrzebowanie na zielone źródła surowcowe dla wielu gałęzi przemysłu spowodowało zwiększenie zainteresowania mikroalgami, których to biomasa wykorzystywana jest przy produkcji biopaliw, biogazu, wykorzystywana jest w przemyśle kosmetycznym i farmacji. Obecnie dostępne na rynku bioreaktory służące do hodowli alg odznaczają się niesatysfakcjonującymi wydajnościami, są trudne w utrzymaniu oraz kosztowne zarówno w produkcji, jak i późniejszym użytkowaniu. Nierozwiązany pozostaje też problem z zapewnieniem odpowiedniego poziomu naświetlenia, optymalnego do wzrostu alg, dostępu CO2 oraz efektywnego zbioru biomasy w reaktorze. Występują też problemy z czyszczeniem bioreaktora i optymalnym dostarczaniem składników odżywczych służących do wzrostu mikroalg. Dostępne bioreaktory, takie jak instalacje rurowe o bardzo dużym stosunku długości do średnicy, czy otwarte osadniki, są jednostkami bardzo dużych rozmiarów, skierowane do użytku przemysłowego, co skutecznie utrudnia dostęp mniejszym zakładom produkcyjnym, a nawet instytucjom badawczym. Przy stale rosnącym zapotrzebowaniu na zielone źródła surowcowe poszukiwanie skutecznych metod hodowli i pozyskiwania mikroalg budzi coraz większe zainteresowanie zarówno środowiska naukowego, jak i przemysłu.
Poszukiwanie odpowiedzi na powyższe wyzwania stanowią istotę wniosku Purifae, którą jest opracowanie projektu innowacyjnego, modułowego bioreaktora przepływowego do hodowli mikroalg wykonanego z biopolimerów z wykorzystaniem druku 3D. Urządzenie w założeniu będzie składać się z modułów, których ilość użytkownik będzie mógł dobierać w zależności od swoich potrzeb i możliwości, a każdy moduł to transparentny w pełni funkcjonalny bioreaktor umożliwiający wzrost biomasy mikroalg.
ETAPY PROJEKTU
1. Przygotowanie projektu bioreaktora Purifae
W ramach tego etapu opracowano trójwymiarowy model reaktora z wykorzystaniem środowiska CAD, a konkretnie programu Autodesk Fusion 360. Przygotowano dwa warianty konstrukcyjne: reaktor płaski z przegrodami oraz reaktor rurowy. Każdy z nich zaprojektowano z myślą o różnych pojemnościach roboczych – od kompaktowych układów o objętości 300 mL aż po kilka litrów. Takie podejście umożliwiło późniejsze przeprowadzenie analiz optymalizacyjnych oraz weryfikację założeń konstrukcyjnych za pomocą symulacji przepływu wykonanych w programie Ansys. Pozwoliło to m.in. ocenić rozkład przepływu wewnątrz reaktorów, zidentyfikować potencjalne obszary słabego mieszania lub nadmiernych sił ścinających i tym samym zoptymalizować konstrukcję. Szczególną uwagę poświęcono geometrii reaktora, kształtowi przegród, profilowi króćców doprowadzających i odprowadzających medium hodowlane oraz gazy, a także rozwiązaniom montażowym oświetlenia. Opracowanie projektu i wykonanie symulacji stanowiło istotny etap przygotowawczy przed dalszymi badaniami i było niezbędne do stworzenia fizycznych prototypów.
2. Produkcja bioreaktora z wykorzystaniem druku 3D
Punktem wyjścia do realizacji tego etapu były modele CAD bioreaktorów opracowane podczas działania 1. Na ich podstawie rozpoczęto produkcję prototypów, korzystając z technologii druku 3D Fused Deposition Modelling (FDM) i używając przezroczystego biopolimeru – polilaktydu (PLA). Wybór PLA wynikał z jego korzystnych właściwości, takich jak biodegradowalność, produkcja z surowców odnawialnych, niska cena, odpowiednie cechy fizyczne do druku 3D oraz bezpieczeństwo dla mikroalg. Przezroczystość materiału pozwoliła również na optymalne wykorzystanie światła słonecznego i łatwe zintegrowanie oświetlenia LED. Aby zwiększyć efektywność dostarczania dwutlenku węgla, zaprojektowano perforacje w modułach reaktora, które zapewniały równomierne rozprowadzanie gazu. Zastosowano także modyfikatory przepływu, co przyczyniło się do lepszego rozkładu CO₂ w całej objętości reaktora. Istotnym wyzwaniem okazało się dobranie odpowiednich parametrów druku, takich jak grubość ścianek, prędkość druku czy średnica dyszy. Pomimo wsparcia danymi z literatury, konieczne było przeprowadzenie licznych wydruków próbnych i testów właściwości fizycznych. Dodatkowo, aby zapobiec wyciekom, bioreaktory poddano procesowi impregnacji. Na tym etapie zmodyfikowano również podejście do zarządzania przepływem w urządzeniach – testy wykazały, że mikropompy cyrkulacyjne zapewniają większą elastyczność i równomierne działanie przy niższych kosztach, co doprowadziło do rezygnacji z centralnej pompy o większej mocy.
3. Zwiększenie wydajności bioreaktora Purifae przy jednoczesnym uproszczeniu procesu zbioru biomasy, optymalizacji dostarczania dwutlenku węgla oraz optymalizacji warunków hodowli mikroalg
W ramach trzeciego etapu projektu prowadzono prace z wykorzystaniem bioreaktorów wyprodukowanych podczas działania 2. Aby poprawić efektywność zaopatrywania hodowli w dwutlenek węgla, zaprojektowano specjalną perforację modułów reaktora, umożliwiającą równomierne rozprowadzenie gazu. Uzupełnieniem tej modyfikacji były odpowiednie elementy kierujące przepływem, które usprawniły dystrybucję CO₂ w całej objętości reaktora. Udoskonalenia konstrukcyjne szły w parze z analizą warunków hodowli. Określono optymalne parametry środowiskowe – odpowiednie stężenia składników odżywczych, intensywność oświetlenia oraz poziom CO₂. Dodatkowo zbadano wpływ rodzaju medium hodowlanego – porównano medium modelowe z rzeczywistymi ściekami – na tempo wzrostu biomasy. W eksperymentach wykorzystano mikroalgi z rodzaju Chlorella, jedne z najczęściej stosowanych w biotechnologii źródeł biomasy. Początkowo użyto szczepów referencyjnych z kolekcji Culture Collection of Baltic Algae, jednak napotkano trudności w ich uprawie w zaprojektowanych bioreaktorach. W związku z tym zamówiono inne szczepy z Culture Collection of Algae przy Uniwersytecie w Getyndze, które okazały się bardziej odpowiednie do warunków eksperymentalnych. Pod koniec projektu zdecydowano się również na zakup szczepu z rodzaju Schyzotrichium, cennego ze względu na wysoką zawartość wartościowych lipidów, z myślą o przyszłej produkcji w obecnych systemach bioreaktorowych. Jednym z kluczowych wyzwań była kwestia dostarczania CO₂. Eksperymenty wykazały, że stosowanie czystego dwutlenku węgla prowadziło do zbyt szybkiego zakwaszenia środowiska hodowli, nawet mimo prób regulacji pH przy użyciu nieorganicznych zasad. W związku z tym zdecydowano się na podawanie CO₂ w formie powietrza atmosferycznego, co pozwoliło na stabilniejsze warunki hodowli.
Zachęcamy do obejrzenia filmu o „Purifae”
ZESPÓŁ PROJEKTOWY
inż. Zuzanna Styrna
inż. Olimpia Wojciechowska
mgr inż. Adam Grzywaczyk
dr hab. inż. Wojciech Smułek