Эта статья (адаптирована и кратко изложена из оригинальной публикации в Revista Acuacultura – Cámara Nacional de Acuacultura, №123, июнь 2018) описывает различные системы производства микроводорослей и их относительные преимущества и недостатки.
По сравнению с традиционными системами выращивания водорослей на открытом воздухе, у закрытых и контролируемых систем есть очевидные преимущества, однако остаются технические и экономические трудности.
Существует большая потребность в промышленных производственных системах с доступными инвестиционными затратами. Несмотря на относительно высокие расходы на оборудование для непрерывного производства, уже достигнуты значительные технологические успехи, обеспечивающие стабильное производство, высокую плотность (10⁶ клеток/мл) и высокое качество питания.
Микроводоросли как живой корм
Микроводоросли обладают характеристиками, которые делают их ценным источником живого питания. Каждая клетка — это солнечная «фабрика», синтезирующая сахара и другие биоактивные соединения, которые служат питанием, особенно для личиночных стадий рыб и креветок.
Все микроводоросли являются фототрофами. Для роста им нужны только источники ультрафиолетового света, углекислый газ (CO₂) и неорганические питательные вещества. У них простое строение: клеточная стенка, вакуоль и ядро.
Эта простота обеспечивает быстрый рост и размножение. Почти вся энергия света (400–700 нм) используется для синтеза углеводов, белков и липидов. Такая эффективность делает микроводоросли идеальным источником питания.
Открытые системы производства
Традиционно для выращивания водорослей использовались естественные водоёмы: озёра и лагуны. Эти системы зависят от солнечного света и требуют минимальных инвестиций.
Однако у них есть серьёзные недостатки:
- высокая вероятность заражения конкурентными, хищными или патогенными организмами;
- климатические колебания;
- сложности с обеспечением CO₂ и неорганических питательных веществ.
Сегодня коммерческое применение открытых систем ограничено ситуациями, где не требуется стерильность, но важны низкие затраты на запуск.
Пример: на аэрофотоснимках креветочных ферм видно различие в цвете прудов, что отражает разнообразие микроводорослей в открытых системах и трудности поддержания монокультур.
Сравнение открытых и закрытых систем
| Параметр | Открытые системы | Закрытые системы |
|---|---|---|
| Риск заражения | Высокий | Очень низкий |
| Потери CO₂ | Высокие | Низкие |
| Потери воды (испарение) | Высокие | Низкие |
| Эффективность использования света | Низкая | Высокая |
| Необходимая площадь | Большая | Небольшая |
| Инвестиционные затраты | Низкие | Высокие |
| Возможность увеличения производства | Легко | Сложно |
Коммерческое использование открытых систем
Открытые системы включают бассейны, танки и каналы глубиной 15–45 см (до 1 м).
За последние 50 лет применялись разные методы, но сейчас чаще используют:
- круглые резервуары с осевыми потоками (для равномерности);
- каналы-«raceways» с продольными потоками (экономия пространства).
Преимущества: доступ к солнечному свету, простота строительства.
Недостатки:
- ограниченное число видов микроводорослей подходит для таких систем;
- низкая эффективность усвоения CO₂;
- ограниченная плотность клеток;
- высокая трудоёмкость и энергозатраты;
- качество конечного продукта нестабильно;
- частые заражения патогенами;
- высокие потери воды из-за испарения.
Несмотря на инновации (контроль температуры, добавки микроэлементов, инъекции CO₂, механическое перемешивание), продуктивность открытых систем остаётся низкой по сравнению с фотобиореакторами.
Закрытые системы (фотобиореакторы)
Закрытые системы обеспечивают стерильные условия и защиту от загрязнений. Хотя промышленное применение ещё в процессе развития, уже показана их эффективность в производстве личинок морских рыб и двустворчатых моллюсков в Европе и США.
Фотобиореакторы освещаются УФ-лампами (400–700 нм). Их можно устанавливать внутри помещений, где условия стабильнее. Это позволяет поддерживать высокую плотность клеток и однородный питательный состав.
Современные фотобиореакторы
Современные фотобиореакторы (ФБР):
- обеспечивают полную автоматизацию;
- дают очень высокую плотность клеток (>10⁶ клеток/мл);
- производят микроводоросли с высоким питательным качеством;
- могут иметь сопоставимые или даже более низкие эксплуатационные расходы, чем традиционные системы;
- полностью исключают загрязнение.
Главное преимущество — биобезопасность. Это снижает экономические риски. В открытых системах патогены переносятся вместе с микроводорослями в личиночные культуры, что приводит к болезням и убыткам.
Как отмечают представители Pride Farms (Галисия, Испания):
«Закрытые реакторы обеспечивают биобезопасную среду, уменьшая вероятность заражения культуры. Контроль микробной среды крайне важен, так как он влияет на выживаемость и прибыльность производства».
Перспективы
Для креветочных инкубаторов Эквадора внедрение технологий непрерывного производства микроводорослей в закрытых и полностью контролируемых условиях напрямую повлияет на качество личинок и объём производства.
В регионах с высокой заболеваемостью креветок и низким уровнем биобезопасности закрытые системы могут стать эффективной инвестицией, несмотря на высокую стоимость запуска.