Культиватор для хлореллы

КУЛЬТИВАТОР ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ХЛОРЕЛЛЫ В
ИСКУССТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ
Цель
проекта:
создание
энергоэффективного
и
автоматизированного
культиватора нового поколения для выращивания хлореллы в искусственных
условиях.
Хлорелла – это представитель рода одноклеточных зеленых водорослей. Эту
водоросль используют в животноводстве в качестве корма. Хлорелла является
активным продуцентом биомассы и содержит полноценные белки, жиры,
углеводы и витамины. Хлорелла входит в категорию «суперпродуктов». Среди
растений, хлорелла стоит на первом месте по очень многим показателям. Так,
например, в биомассе хлореллы белков составляет 40-60 %, углеводов - 30-35
%, липидов 5-10 % и до 10 % минеральных веществ [1].
Цель проекта является создание энергоэффективного и автоматизированного
культиватора нового поколения для выращивания хлореллы в искусственных
условиях.
Применение хлореллы в различных областях деятельности человека очень
широкое:

в сельском хозяйстве для подкормки растений, птиц и животных, в
пчеловодстве и рыбном хозяйстве;

в пищевой промышленности;

в медицине, косметологии и парфюмерии;

для очистки сточных вод и реабилитации водоёмов;

для производства кислорода;

для производства биотоплива.
Известно, что хлорелла благодаря своим свойствам позволяет:

увеличения среднесуточных привесов при откорме крупнорогатого скота
и свиней на 30-40%, увеличения удоев коров до 25%;
1

резкое, до 4-5 раз, сокращение падежа молодняка за счет укрепления
природного иммунитета животных;

значительное
продления
сроков
хозяйственного
использования
животных;

увеличения
непродуктивных
плодовитости
осеменений
и
родительского
сроков
стада,
сервис-периода,
сокращения
экономии
на
ветпрепаратах;

повышения
усвояемости
кормов,
позволяющее
экономить
их
расходование до 22%.
В условиях сложившейся политической, а как вследствие, и экономической
ситуациях, появляется потребность в поднятии отечественного сельского
хозяйства, именно на это и направлен наш проект.
Также применение микроводоросли разрешает отказаться от широкого
использования синтетических препаратов, стимуляторов и антибиотиков и
ориентация животноводства на получение только экологически чистой
продукции с высокими потребительскими качествами.
Актуальностьпроекта
(решение проблемы):
в условиях
сложившихся
политической, а как вследствие, и экономической ситуаций, появляется
потребность в поднятии отечественного сельского хозяйства.
Для
культивирования
микроводорослей
применяется
специальное
устройство, обычно называемое установкой или реактором. Продуктивность
микроводорослей в основном зависит от типа и конструктивных особенностей
этих
установок. Первые
исследователями.
Они
открытые установки были созданы японскими
представляли
собой
круглый
цементированные бассейны диаметром 3-20 м с толщиной
открытые
слоя суспензии
водорослей 10-12 см. перемешивание суспензии осуществляется при помощи
насоса, который забирает жидкость из бассейна и возвращает её обратно по
трубам, которые вращает реактивная сила выбрасываемой суспензии [1].
Задачей нашего проекта является создание культиватора, который будет
обеспечивать водоросли всеми необходимыми условиями для их жизни и
2
размножения. Важнейшим параметром, который оказывает действие на процесс
роста микроводорослей, является свет.
закрытых
И в качестве источника света в
установках традиционно применяют лампы накаливания,
числе кварцевые галогенные с отражателями,
зеркальные
в том
лампы,
люминесцентные. Используют также дуговые ртутные люминесцентные,
ксеноновые, натриевые. По сравнению с естественными источниками света
искусственные источники могут создавать большую облученность,
нежели
солнечный свет.
В настоящее время, на рынке светотехники широкое внедрение получили
светодиоды, которые обладаю рядом преимуществом перед традиционными
источниками света.
Благодаря светодиодам, можно точно подобрать
параметры излучения – длину волны, мощность, спектр необходимые для
культивирования
водорослей. Современные светодиоды перекрывают весь
видимый диапазон оптического спектра: от красного до фиолетового цвета.
Диапазон длин волн излучения светодиодов в красной области спектра
составляет от 620 до 635 нм, в оранжевой - от 610 до 620 нм, в жёлтой - от 585
до 595 нм, в зелёной - от 520 до 535 нм, в голубой - от 465 до 475 нм и в синей от 450 до 465 нм. Таким образом, составляя комбинации из светодиодов разных
цветовых групп, можно получить источник света с практически любым
спектральным
составом
в
видимом
диапазоне
[2].
По
сравнению с
традиционными источниками света, светодиоды очень долговечны. Срок
службы современных светодиодов 50-100 тысяч часов при условии 30%
снижения
светового
потока.
Светодиоды
схемотехнически
просто
объединяются в последовательно - параллельные структуры, так же несложно
осуществлять управление яркостью. Неочевидным плюсом является отсутствие
излучения в ближнем ИК диапазоне. В силу своей твердотельной конструкции
светодиоды более экологически безопасны и в отличие от люминесцентных
ламп не содержат ртуть. Кроме того, светодиоды имеют максимальную
светоотдачу, обладают более высоким (до 80 %) коэффициентом полезного
использования электроэнергии по сравнению даже с люминесцентными
3
лампами, КПД которых не превышает 50 %.Кроме того,
особенности светодиодных
конструктивные
систем позволяют размещать источники света
внутри суспензии микроводорослей, что позволяет лучше утилизировать
энергию
излучения [3]. Поэтому мы поставилиперед собой задачу
использовать для нашего культиватора светодиодный источник излучения.
Прежде всего, необходимо провести ряд экспериментов, которые позволят
определить спектр чувствительности хлореллы, а также подобрать спектр
облучения, при котором прирост концентрации хлореллы в суспензии будет
максимальным.
Но
необходимо
учитывать,
что
быстрый
рост
при
монохроматичном излучении может повлиять на качественные характеристики
микроводоросли.
Форма культиватора является также важной частью проекта, т.к. это решит
проблему потерь излучения, которая существует в применяемых культиваторах
на
сегодняшний
день.
Был
произведен
анализ
формы
реактора
микроводорослей ФБР-150, которую предлагает предприятие ООО НПК
"ДЕЛО" [4].
Была проведена реконструкция ФБР-150 в программе DiaLUX, которая
наглядно
демонстрирует
предполагает
выбор
потери
наиболее
в
углах
подходящей
культиватора.
формы
для
Наш
проект
обеспечения
наименьших потерь излучения, а так же для наилучшего обеспечения
микроводорослей
концентрации
всеми
хлореллы
необходимыми
в
суспензии
условиями.
неизбежно
При
будет
увеличении
уменьшаться
коэффициент пропускания излучения. Планируется также учесть этот фактор в
проекте во время моделирования геометрических характеристик резервуара для
культиватора.
Более того, в проекте имеет место автоматизация. Прогнозируется создать
культиватор с постоянным контролем необходимых параметров для роста
водорослей. На рисунке 1 можно увидеть примерную модель аквариума.
4
Рисунок 1. Цилиндрический аквариум
Реактор будет иметь датчики фиксации данных,блок управления и
устройства для поддержания необходимых параметров. Первыми будут
являться датчики

освещенности,

O2,

рH,

температуры.
Второй обязательный элемент – блок управления (БУ), который состоит из
нескольких блоков микросхем.
Последней составляющей будут исполнительные органы культиватора, такие
как

насосы для подвода и отвода воды,

клапан впуска O2,

терморегулятор,

распылитель воздуха (аэратор).
Помимо
вышеуказанных
элементов
культиватора
существует
вспомогательный – выпускной клапан, служащий для контроля давления
внутри реактора.
5
Создание модели автоматической системы даст возможность отладить
каналы связи устройств, а в будущем облегчить эксплуатацию культиватора.
План реализации проекта, смотреть таблицу 1, состоит из
нескольких
этапов:
Таблица 1. План реализации проекта
Номер
Название этапа
Результаты
1
Обзор литературы
Формулировка проблемы
2
Маркетинговые
Поиск возможных аналогов и
исследования
выявления их недостатков
Финансовый план
Выявление средств для реализации
этапа
3
проекта
Прибыльность
Срок окупаемости
Стоимость продукта
4
Форма резервуара
Нахождения путем расчетов наиболее
(культиватора)
эффективной формы и выбор его
материала
5
Источник излучения
Выбор экономичного и
энергоэффективного источника
излучения – светодиоды
6
Спектр
Подбор подходящего спектра
излучения необходимый хлорелле
7
Излучатель
По результатам предыдущих этапов –
нахождение на рынке или
проектирование самостоятельно
излучателя
6
8
Система автоматического
Проектирование схемы управления с
управления
учетом контроля необходимых
параметров
Сборник урожая
9
Создание автоматизированного
сборника
9
Закупка оборудования
Сопоставление финансового плана и
реальности
Блок управления
10
Программирование БУ с учетом
спроектированной схемы
11
Сборка
Готовый продукт
12
Поиск потенциальных
Продажа продукта
клиентов
Мы ожидаем, что наш новый фото-биоректор позволит максимально
автоматизировать выращивание микроводорослей, а так же устранить все
имеющиеся недостатки применяемых на сегодня культиваторов. Скорость
получения и качество готового продукта должны выйти на новый уровень и, в
то же самое время, сократиться затраты на электроэнергию и работу
обслуживающего персонала.
Нашими партнёрами действующими и предполагаемыми являются (см.
таблицу 2):
Таблица 2. Партнеры проекта
Партнер
Помощь партнера
(чем помогают нам)
Отдача
(чем мы помогаем)
Центр
«Опытное
производство»
(ТПУ)
Сборка установки
Денежные средства
ТПУ
 Финансирование;
 Поддержка
специалистами;
 Предоставление
 PR ТПУ;
Состояние
взаимоотноше
ний
В планах
В процессе
7




ТГУ



помещения;
Информационная
база;
PR проекта;
Партнерство с
другими ВУЗами.
Исследования в
области
«Хлорелла»;
Консультации;
Предоставление
маточной
культуры
микроводоросли;
Предоставление
питательной
среды.
 Совместные
исследования,
публикации;
 Денежные
средства;
 Информационные
ресурсы.
В планах
На сегодня существует необходимость в ресурсах таких как:
1. Кадровые

IT-специалист
2. Информационные

Консультация специалистов по выращиванию хлореллы.
Учитывая небольшие размеры разработанной установки, планируется
применять фото-биореактор в сельском хозяйстве. Планируемый масштаб
реализации разработанного проекта-на данный момент на региональном
уровне. Успешно развиваясь, разработанный проект может достигнуть
межрегионального уровня.
Так как в данной разработке для освещения аквариума используются
светодиодные светильники, затраты на электричество сократятся по сравнению
с
использующимися
в
современных
фото-биореакторах
галогенных
и
люминесцентных ламп. Так же срок службы светодиодов намного больше, чем
у других ламп.
8
Учитывая, что система фото-биореактора полностью автоматизирована,
сократятся затраты персонал - для обслуживания одной или нескольких
установок будет достаточно контроля одного человека.
На основе вышесказанного, в сравнении с использующимися на данный
момент фото-биореакторами, данная установка по культивированию хлореллы
может
получить
сельскохозяйственных
масштабное
развитие
производствах,
увеличивается
продуктивность
использовании
суспензии
но
не
и
на
только
в
малых
фермах,
сельскохозяйственных
хлореллы.
Более
того,
больших
животных
хлорелла,
т.к.
при
являясь
пробиотиком, позволяет отказаться от кормовых антибиотиков.
В началемы планируем распространить установку в Томской области,
целевой аудиторией могут стать предприятия производящие мясо и молочные
продукты, а также яйца, эти компании представлены в таблице 3.
9
Таблица 3. Целевая аудитория Томской области
Фирма
Электронный адрес
Производимая продукция
Используемый корм
http://xn----
Один из крупнейших производителей
Экологически чистые корма без
«Межениновская
7sbbaecuadfxddvhsubt
мяса цыплят-бройлеров в Западной
использования гормональных
птицефабрика»
yzn1a4c8b8p.xn--p1ai/
Сибири
препаратов и антибиотиков.
Свиноводческий
http://www.sibagrogro
комплекс ЗАО
up.ru/production/factor
производитель
ООО
"Сибирская Аграрная
Обеспечивает производство 30 тыс.
Силос, комбикорма, добавки.
тонн свинины в год
ies/?ID=801
Группа"
Птицефабрика
http://www.sibagrogro
Производство промышленного яйца,
«Томская» ЗАО
up.ru/production/factor
производство мяса бройлеров
"Сибирская Аграрная
Комбикорма, добавки.
ies/?ID=1887
Группа"
ООО «Деревенское
молочко», г. Северск
http://derevenskoe-
Молочные продукты
Силос, сено, добавки.
molochko.ru/
10
Ценность нашего проекта для потребителей в том, что простота и надежность
технологии культивирования хлореллы позволяет получать ее в условиях
хозяйств, круглый год стабильно высокого качества в необходимом объеме.
Для нее не применительно понятие срока хранения. Хлорелла скармливается
животным в свежеприготовленном виде, что гарантирует полную сохранность в
ее составе особо ценных веществ, имеющих по своей природе минимальные
сроки хранения.
В РФ хлореллу создают едва отдельные компании и то, по большей части,
для собственных нужд. И в Иркутске имеется в нынешнее время опытно–
экспериментальная агрегат по выращиванию хлореллы в ИГОО “Экологическая
группа”, где по мере потенциала, вследствие неизменной нехватки средств,
проводятся исследования и разрабатываются новейшие методики и технологии.
Научно-производственная компания "ДЕЛО" является родоначальником
внедрения инновационной биотехнологии хлореллы в животноводство.
Культивирование хлореллы ведётся не стерильно, поэтому требования к
используемым помещениям просты: минимальная температура в зимний
период должна быть не ниже 15 градусов Цельсия, наличие водопровода и эл.
питания 220 В.
Для выращивания хлореллы используются:
- установки серии КМК (культиватор маточной культуры) - КМК-150,
представленный на рисунке 2, производительностью 50 литров суспензии в
сутки;
Потребляемая эл. мощность КМК-150 – 0,3 кВт/ч. Размеры установки
1,5*0,5*1,1 метра.
11
Рисунок 2. КМК-150
-
установки
серии
ФБР
(рисунок
3)
-
ФБР-150
и
ФБР-250,
производительностью соответственно 150 и 250 литров суспензии в сутки.
Рисунок 3. ФБР-150
Потребляемая эл. мощность ФБР-150 – 0,7 кВт/ч. Размеры установки
1,5*1,0*1,1 метра.
Потребляемая эл. мощность ФБР-250 – 1,0 кВт/ч. Размеры установки
2,2*1,0*1.1 метра. Стоимость ФБР-250 – 285 тыс. рублей. Стоимость
реактивов на год для ФБР-150 – 7,5 тыс. рублей, ФБР-250 – 10,5 тыс. рублей.
Культиватор хлореллы КХ-60 (рисунок 4) представляет собой модульную
установку с производительностью суспензии хлореллы 60 литров в сутки и
плотностью клеток 50- 60 млн/мл.
12
Рисунок 4. КХ-60
Культиватор хлореллы КХ-60 состоит из одной емкости, двух светильников в
стеклянных колпаках и сетчатой крышки [4].
Для сравнения в зарубежных фотобиореакторов закрытого типа, представлен
на рисунке 5, для промышленного выращивания микроводорослей хлорелла
(Chlorellavulgaris) и спирулина (Spirulinaplatensis), в качестве исходного сырья
для продуктов питания и как функциональное дополнение, например, в
молочных продуктах, напитках, хлебобулочных и макаронных изделиях, а
также используемые в пищу и в качестве биологически активной добавки
(БАД) или как биодобавки в кормах [5].
Рисунок 5. Реактор закрытого типа
Более конкретно онкуренты по культивированию хлореллы представлены в
таблице 4.
13
Таблица 4. Конкурентные компании
Конкурентные
компании
ООО «Дело»
Контакты(адрес, сайт)
www.хлорелла.рф
ОАО
«АгроСервер»
http://www.agroserver.ru
ООО “ Легион
Центр”
http://www.b2bsky.ru/com
panies/legion_centr_ooo_3
348105
Немецкие
фотобиореакторы
фирмы AEN
EngineeringGmbH
&Co. KG
Установка (ки)
Преимущества
конкурентных
установок
Культиватор маточной Минимальная
культуры - КМК-150
температура жидкости
Объем – 50 л.
15оC, в связи с
большим
объемом,
Фото-биореактор выращивание
ФБР-150
большего количества
Объем – 150 л.
суспензии хлореллы
Производство
биомассы
микроводорослей как
на основе отходов
Биореактор КХ – 60
агропромышленного
комплекса, так и на
стандартных
питательных средах
Фотобиореакторы
http://agroday.ru/companie
закрытого типа
s/aen_engineering_gmbh_
выращивания
_co_kg/announcements/
микроводорослей
Преимущества
нашей
разработанной
установки
Меньшая
стоимость
установки, полная
автоматизация,
меньший
расход
электроэнергии.
Примечания
Стоимость от
85 тыс. руб.
Стоимость от
185 тыс. руб.
Автоматизация,
меньший
расход
Стоимость от
энергии
за
счет
27 тыс. руб.
освещения
светодиодами
Выращивание
хлореллы для
собственных
нужд
Автоматизация
процесса,
Меньшая стоимость,
для
Стоимость 70
стерильность в связи с меньший
расход
тыс. евро
закрытым
типом электроэнергии.
фотобиореактора
14
Наш
проект
имеет
преимущества
в
энергоэффективности
и
ресурсоэффективности в отличие от конкурентов. Учитывая, что в Томской
области сельское хозяйство на высоком уровне, данный проект получит быстрое
развитие и популярность среди ферм больших и малых. При этом существуют
возможные риски, которые стоит учесть, они отображены в таблице 5.
Таблица 5. Возможные риски
Маркетинговые риски
Последствия
Пути решения
Риски
Вероятность
убытков, а так же
перерасход
денежных средств
Снижение
реализации
продукта
Конкуренция
Пути избегания
Анализ реализации
продукта на рынке,
расчет
благоприятного
момента.
1. Участие в
презентациях и
конференциях;
2. Подготовка
видеоматериала,
Не востребованность
реклама;
установки
3. Подробная
информация об
установке в свободном
доступе (сайт
производителя и т.п.).
Увеличение
времени
внедрения
продукта на
рынок
Анализ ситуациина
рынке, финансовая
подготовленность,
отслеживание
ситуации на рынке.
Увеличение затрат,
конкуренция
Финансовые риски
Отсутствие
финансирования
Невозможность
реализации
проекта
Поиск инвесторов
15
Несвоевременное
финансирование
Оборотные риски
Простой
Заключение договоров
с четкими сроками
Простой
Качественное
планирование доходов
и расходов.
Социальные риски
Скептическое
отношение к
данной
установке
Отсутствие
навыков работы
с установкой на
стадии
приобретения
Заимствование
технологически
х решений и
принципов
конкурентами
Консерватизм
потенциальных
покупателей,
приверженность
традиционным
методам
Участие в
выставках и
демонстрациях
1. Разработка
обучающего
материала
находящегося в
свободном доступе
(сайт
производителя);
2. Создание
подробной
инструкции,
прилагающийся к
установке.
Возможны
неисправности при
ненадлежащей
эксплуатации, и в
следствии,
отсутствие
запланированного
результата
Конкуренция,
снижение
потребительского
спроса
Оформления
патента,
Конфиденциальнос
ть относительно
особенностей
конструкции
установки
Заключительным разделом описания нашего проекта служит финансовый план.
Он включает в себя описание необходимых для реализации проекта средств,
расходную часть, а также оценку экономической эффективности проекта,
доступную на данном этапе реализации проекта.
16
В таблице 6 представлены инвестиционные расходы, включающие в себя все
необходимые материальные и технические ресурсыдля создания прототипа
установки культиватора.
Таблица 6. Инвестиционныерасходы
Наименование
Количество
Цена
Стоимость, руб.
Резервуар
1 шт.
17 500 руб.
17 500
Датчик CO2
1 шт.
8 000 руб.
8 000
Датчик PH
1 шт.
2 000 руб.
2 000
Термостат
1 шт.
700 руб.
700
Датчик освещенности
2 шт.
750 руб.
1 500
Перепускной клапан
1 шт.
700 руб.
700
Кран с сервоприводом
2 шт.
4000 руб.
8 000
Аэратор
1 шт.
3500 руб.
3 500
Баллон
1 шт.
3000 руб.
3 000
Клапан впуска
1 шт.
550 руб.
550
Тэн
1 шт.
500 руб.
500
Твердотельное реле
2 шт.
1000 руб.
2 000
Блок питания
1 шт.
1000 руб.
1 000
Облучатель
1 шт.
15 000 руб.
15 000
Питательная среда
150 л.
30 руб./л.
4 500
Маточная культура
микроводоросли
-
1 000руб.
1 000
итого
69 450
Инвестиционные вложения в проект составляют 69 450 рублей и направлены
на приобретение необходимых составляющих для создания опытного образца.
Большинство позиций таблицы 6 представлены на рисунке 1. Также в
инвестиционные расходы включена питательная среда, необходимая для прироста
хлореллы, и маточная культура хлореллы, помещающаяся в питательную среду.
17
Расходы на фонд оплаты труда (ФОТ), представлены в таблице 7, составляют
86 тыс. руб. в месяц при среднесписочной численности персонала 8 человек.
Таблица 7. ФОТ
Наименование
3/п, руб.
Численность, чел.
ФОТ, руб.
Руководитель проекта
12250
1
12250
Инженеры-светотехники
10 750
2
21500
Инженеры-конструкторы
10 750
2
21500
It-специалист
9 250
1
9 250
Маркетолог
10 750
1
10 750
Бухгалтер
10 750
1
10 750
8
86 000
Итого
Текущие расходы проекта в месяц представлены в таблице 8.
Таблица 8. Текущие расходы
Наименование
Вид затрат
Стоимость, руб.
Закупка питательной среды
Сырье и материалы
5 000*
Затраты на электричество
Эксплуатационные затраты
1 500*
Аренда помещения
Эксплуатационные затраты
10 000*
Закупка баллона CO2
Сырье и материалы
500
Банковские расходы
Эксплуатационные затраты
500
Итого*
16 500
Итого
1000
*Расходы планируется компенсировать посредством участия ВУЗов-партнеров.
По предварительным расчетам на реализацию проекта требуется 952 450 руб., с
учетом работы над реализацией проекта в течении 9 месяцев и непредвиденных
расходов (100 тыс. руб.).
Дальнейшие планы нашего проекта состоят в следующем:
1. Получение патента
18
2. Создание дочерней компании НИ ТПУ
3. Выход на рынок Томска
4. Томской области.
Список используемой литературы:
1. Музафаров
А.М.
Таубаев
Т.Т.
Культивирование
и
применение
микроводорослей. – Т.: ФАН Узбекской ССР, 1984. – 122 с.
2. Бахарев И., Прокофьев А., Туркин А., Яковлев А. Применение светодиодных
светильников для освещения теплиц: реальность и перспективы // Современные
технологии автоматизации.
3. Геворгиз
микроводорослей
Р.Г.,
Щепачёв
в условиях
С.Г.
Предельная
оценка
продуктивности
естественного и искусственного освещения //
Экология моря. – 2010. – Вып. 80. – С. 29-33. 17
4. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.xn--80ajrbapo1b.xn--p1ai –
14.09.14
5. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.agroserver.ru/– 17.09.14
19