XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Кислород и углекислый газ являются элементами первостепенной важности для нормального развития растений. Чистый кислород необходим растению для дыхания. Потребность в кислороде проявляется с первых моментов жизни растения — прорастания семени. По мере развития корневой системы кислород почвы потребляется растением для дыхания корней. Процесс дыхания является источником энергии роста и поглощения питательных веществ из почвы. Кислород воздуха необходим также для микроорганизмов, участвующих в питании растений. Недостаток кислорода, вредно отражающийся на росте и развитии растений, наблюдается на почвах избыточного увлажнения, особенно в ранневесенний период. Недостаток кислорода воздуха наблюдается и на бесструктурных почвах при образовании корки. Также, как известно, растения в ночное время дышат кислородом, выдиляя углекислый газ. Зачастую в ночное время растениям не хватает для дыхания того количества кислорода, которое они выделили при газообмене в дневное время. Из-за всех вышеперечисленных проблем нехватки кислорода для роста и развития растений, целесообразно рассмотреть и применять утройства, генерирующие кислород.

Существует нескоько устройств, вырабатывающих кислород. Самым популярным является фотобиореактор. Есть большое разнообразие фотобиореакторов по принципу работы, по месту их эксплуатации и так далее. Далее рассмотрю некоторые из них.

Фотобиореактор ООО “Фотосила-Биос” (рис.1) состоит из светоприемной части (1), выполненной из светопрозрачного химически и биологически инертного материала (например, поликарбоната или оргстекла) в виде плоской панели, составленной из параллельных каналов. Снизу выходы из каналов соединены общей емкостью (2), а сверху - общей емкостью (3), выполненными из того же материала. В емкостях (2) и (3) расположены один или несколько портов (4) для датчиков, измеряющих значения температуры, рН, содержания растворенного кислорода в культуре фотосинтезирующих микроорганизмов, а также один или несколько штуцеров (5) для ввода необходимых жидкостных добавок или отбора проб суспензии микроорганизмов и отвода газа из фотобиореактора. Между верхней емкостью (3) и штуцером для отвода кислорода наружу (5) установлено устройство механического пеногашения (6). Кроме того, внизу каждого четного канала светоприемной плоскости с одной стороны и нечетного канала с другой стороны установлены порты (7) для ввода CO2. Внутри фотобиореактора располагают постоянный магнит (8), покрытый инертным материалом для предотвращения коррозии, а также мягким пористым материалом, используемым для протирки поверхностей (например, ткань из поливиниацетатного армированного волокна, используемая для протирки крашеных поверхностей автомобилей).

Фотобиореактор работает следующим образом. Перед началом работы в фотобиореактор устанавливают датчики, измеряющие значения температуры, рН, содержания растворенного кислорода, подсоединяют необходимые коммуникации: газовые линии, емкости для сред и приема урожая. Затем его заполняют стерилизующим раствором (например, 10-12% раствором гипохлорита) и стерилизуют. После стерилизации фотобиореактор несколько раз (обычно 3-5) промывают стерильной водой и заполняют стерильной питательной средой, специфичной для выращиваемого фотосинтезирующего микроорганизма. Затем доводят рН и температуру до требуемых значений, в каналы подают газовую смесь. Фотобиореактор освещают с одной или двух сторон любым источником освещения (например, солнечным светом, светодиодами, люминесцентными лампами и т.п.), пригодным по спектральному составу и интенсивности излучения для выращиваемого микроорганизма, и вводят суспензию микроорганизмов. Развивающаяся культура микроорганизмов насыщается углекислотой в каналах, куда подается газовая смесь, а избыток кислорода переходит из жидкости в газовую фазу. В каналах, где нет подачи газовой смеси, суспензия микроорганизмов, уже насыщенная углекислотой, движется сверху вниз за счет аэрлифта. Таким образом, предлагаемый фотобиореактор не требует дополнительно устройства газомассообмена и побудителя движения суспензии. Кроме того, в каналах, куда подается газовая смесь, газовые пузырьки, поднимаясь к поверхности, предотвращают обрастание поверхности пленкой фотосинтезирующих микроорганизмов, тем самым способствуя эффективному проникновению света внутрь фотобиореактора. [1]

Р
исунок 1 — Название: схема устройства фотобиореактра 1- светоприёмная часть; 2,3 - ёмкости; 4 - порт для датчиков, 5 - штуцер, 6 - пеногаситель, 7 - порт для ввода CO2, 8 - постоянный магнит.

Как было уже сказанно ранее, водоросли отличный биоресурс для генерирования кослорода. Поэтому и следующий генератор кислорода работает на основе зелённых водорослей. Генератор Summit, постоянно создающий кислород, был разработан инженером Эваном Макдугаллом. Небольшое устройство способно создать около 600 литров кислорода, при этом имея внутри себя только «подводный сад» из водорослей и воды. Внутри генератор устроен следующим образом: находящиеся внутри  светодиоды освещают   водоросли   и помогают им создавать кислород посредством преобразования СО2. По своей сути, внутри небольшого контейнера происходят все те же процессы, что и в природе. Компоненты данного устройства следующие (рис.2):

Ремешок (1) из TPU может быть прикреплен к Summit, что позволяет пользователю повесить изделие в местах с неровной поверхностью. Ремешок достаточно гибкий, но при этом достаточно жесткими, чтобы держите вес продукта.

Световой корпус (2) содержит все электронные компоненты изделия, состоящая из трёх плат, светодиоды, встроенный процессор, порт зарядки USB miero и память. Интерфейс понятен и лаконичен и управляется вращением внешнего кольца.

Вентиляция (3). Крышка расположена в середине двух других основных компонентов. Эта часть продукта становится зоной вентиляции, позволяет кислороду выходить, а СО2 питать водоросли внутри. Когда он помещен на дно трех компонентов, он закрывает крышку, удерживает ее в ремешке, а камера водорослей TPL для хранения продукта.

Хранение (4). Этот раздел применяется, когда Summit не используется. Это также место, где ремешок соединяется с основным корпусом.

Цилиндр с водорослями (5). Это где водоросли растут. Изготовленный из сборно-разборного ТПУ, этот компонент имеет достаточно жесткий дюрометр, чтобы стоять самостоятельно при заполнении раствором водорослей. [2]

 

Рисунок 2 — Название: схема устройства Summit. 1- ремешок; 2 - световой корпус,3 - вентилятор; 4 - хранение, 5 - цилиндр с водорослями

Генератор кислорода (OxygenFactory) является современной установкой, производящей кислород, фильтрующей фенолы и формальдегиды. Главным элементом системы являются водоросли Хлорелла. Существующие устройства для улучшения качества воздуха, такие как очистители и мойки воздуха, увлажнители очищают и улучшают существующий воздух в помещении, что не заменяет необходимость проветривания уличным воздухом, который наполнен загрязнениями или/и аллергенами. Генератор Кислорода, напротив, самостоятельно производит О₂, и что крайне важно, поглощает углекислый газ в процессе очищения воздуха от вредных химических соединений. Установлено, что морские водоросли производят от 60 до 80 % кислорода в атмосфере и поглощают порядка ¼ углекислого газа, производимого нами. Практически все морские растения являются одноклеточными, фотосинтезирующими водорослями. Колонна Генератор Кислорода производит 600 гр кислорода в сутки, что равно производительности 2 акров леса или приблизительно 12 деревьев, и удовлетворяет 100% дневного потребления кислорода одним человеком.

Преимущество каждого из данных генераторов является то, что после своей жизнедеятельности, зелённые водоросли могут служить как корм скоту, как удобрения для растений, и, наконец, как составная часть косметических средств. [3]

Также, большую роль в жизни растительного мира играет влажность воздуха. Низкая влажность воздуха увеличивает транспирацию и испарение воды из субстрата, что может привести к гибельному для растений иссушению. Чем ниже влажность воздуха, тем сильнее испарение воды листьями и почвой, тем чаще требуется полив и в особенности увлажнение воздуха в месте обитания растения.

На сегодняшний день существует достаточное количество увлажнителей воздуха, работающих по разным принципам:

1. Увлажнители традиционного типа (рис.3)

Принцип действия. Работа таких приборов основана   на холодном испарении воды   (т.е. без термического нагрева). Само увлажнение происходит за счет того, что молекулы воды улетучиваются (происходит процесс насыщения влагой). В устройстве есть специальный бак для воды, откуда она поступает в поддон, и уже с него перенаправляется на специальные испарительные приборы (это может быть картридж, фильтр, либо диск). Самые доступные по цене аппараты работают со сменными бумажными фильтрами, которые быстро выходят из строя. Их приходится часто менять. Вода в таких испарителях поднимается вверх, постепенно заполняя влагой расширительную камеру, из которой затем влага поступает уже в пространство помещения. В более дорогих моделях вместо фильтров из тонкой бумаги используют специальные пластмассовые диски, которые накапливают влагу за счет постепенного вращения внутри прибора. Далее в работу вступает кулер, который при помощи обдува испарительных элементов выгоняет увлажненный воздух в помещение. Мощность и производительность. Если говорить о производительности системы, то она будет равна 3-9 литрам в сутки. При этом расход электричества составит всего 15-60 Вт, в зависимости от мощности модели. Минусы. В первую очередь – это невозможность применения водопроводной воды. Лучше всего данные увлажнители работают на дистиллированной воде. Если использовать обычную из-под крана, то картридж будет довольно быстро забиваться отложениями, выпариваемыми из воды (менять расходники придется гораздо чаще). Впрочем, в продаже есть «умягчающие» картриджи, они легко справляются с жесткостью, хотя и стоят дороже

Рисунок 3 — Название: увлажнитель традиционного типа

2. Паровой увлажнитель (рис.4)

Конструкция и принцип действия. Данное устройство может оказаться оптимальным решением проблемы недостаточной влажности. В процессе кипячения вода начинает испаряться. Когда жидкость полностью выкипает, срабатывает специальное реле, и устройство отключается. Особенностью данного типа устройств является более высокая степень требований к безопасности. Например, включить устройство можно только при условии, что оно собрано, и электроды скрыты внутри корпуса во избежание случайного соприкосновения. Повышенные меры к пожарной безопасности делают паровые увлажнители такими же надежными, как обычные электрические чайники с автоматическим выключением. Паровой увлажнитель кислорода имеет в своей комплектации гигростат (специальный датчик измерения влажности воздуха). Этот прибор выключает устройство после того, как достигнута заданная влажность в помещении. В случае если этот датчик будет неисправен, уровень влажности в комнате может значительно превысить зону комфорта. Также паровые увлажнители комплектуются ингаляторами. Это специальные насадки, позволяющие использовать прибор в поликлиниках (или дома в терапевтических целях). Мощность и производительность: от 6 до 17 литров жидкости в сутки в зависимости от стоимости модели. Мощность такого вида аппаратов выше предшественников, порядка 200-800Вт, но и расход электроэнергии, соответственно, больше. Минусы: более высокая стоимость (по сравнению с увлажнителями на холодном пару) за счет усложнения конструкции (дополнительные датчики, керамический или металлический нагреватель). Плюсом является более быстрое увлажнение помещения за счет повышения мощности и интенсивности работы.

Рисунок 4 — Название: паровой увлажнитель

3.Ультразвуковой освежитель-увлажнитель (рис.5)

Принцип действия . Этот тип увлажнителей принято считать самым эффективным. В нем жидкость из резервуара поступает на специальную пластину, которая вибрирует в ультразвуковом диапазоне. С помощью вибрации вода распадается на мельчайшие капли, водную пыль, которая имеет малый вес и легко поднимается в воздух с помощью кулера, расположенного внутри корпуса.С виду может показаться, что пар, который вырывается из горловины прибора, является горячим, хотя на деле это не так. Он холодный, влажный, и не представляет никакого вреда для владельца.

Преимуществом данного типа увлажнителей является высокая точность влажности в помещении, которой трудно добиться с традиционными моделями. К тому же, температура пара, который выходит из устройства, приблизительно равна 40 градусам, и это значение является самым приемлемым. Среди плюсов можно отметить низкий шум при эксплуатации.

В комплектацию некоторых моделей освежителей-увлажнителей воздуха добавляют не только гигростат, но и панель управления (в отдельных случаях она может быть сенсорной). Встречаются устройства с пультом ДУ, правда, все эти новшества негативно сказываются на стоимости самого устройства.
В данный тип приборов следует заливать только дистиллированную воду. Объем используемой жидкости равен 6-13 литрам в сутки при довольно низкой мощности потребления электроэнергии (всего 30-60 Вт).

Рисунок 5 — Название: ультразвуковой увлажнитель

4.Атомайзер (прибор распылительного типа)

Адиабатический увлажнитель, или атомайзер, встречается   только в промышленности. Принцип распределения влаги под давлением через специальные форсунки позволяет обрабатывать довольно большие помещения, поэтому надобность использования его в домашних условиях отпадает. Капля водяной пыли, попавшая в воздух из горловины атомайзера, имеет объем всего 3-9 мкм. Она полностью преобразуется в пар, находясь на расстоянии 20-50 см от работающей под давлением форсунки (прямо возле ее сопла).

Мощность атомайзера превосходит все перечисленные выше аналоги вместе взятые, и составляет от 50 до 250 литров в час. Это позволяет насыщать влагой целый цех или складское помещение, в случае, если хранение требует особых условий.Габариты адиабатический увлажнитель кислорода имеет небольшие, имеется возможность крепления его на стену. Главным, и, возможно, единственным минусом является его цена, она измеряется тысячами долларов (в зависимости от дополнительных пакетов опций, которыми производители могут оснащать свои модели).

Из преимуществ данного вида увлажнителей можно отметить возможность эксплуатации круглый год (и в жару, и в мороз) и относительно низкое энергопотребление. Адиабатные приборы имеют широкие возможности по комплектации, множество опций может быть установлено в процессе сборки по желанию пользователя, тогда как в традиционных и ультразвуковых аппаратах такой возможности нет. [4]

На 2018 год, самыми популярными (список основан на соотношении цена/качество продукта, отзывы покупателей, функциональность и многое другое) увлажнителями являются:

1. увлажнитель традиционного типа Boneco W2055A

2. ультразвуковой увлажнитель Ballu UHB310

3. паровой увлажнитель Stadler Form Fred F‐005EH/F

4. адиабатический увлажнитель Breezart 16000 HumiAqua

Таким образом, можно придти к выводу, что для нормальной жизнедеятельности растений необходим как кислород, так и увлажнение воздуха. Вследсвие чего разумно использовать дома, в тепличном комплексе и т.п. и генераторы кислорода и увлажнители кислорода. Самым оптимальным генератором воздуха является фотобиореактор ООО “Фотосила-Биос”, а увлажнитель воздуха приемлемо использовать адиабатический. Но, чтобы добиться более лучшего результата и иметь большую производительную экономию, целесообразнее создать устройство, которое будет одновременно генерировать кислород и увлажнять его.

Л .и.т.е.р.а.т.у.р.а

Елизаров Е.Е., Цыганков А.А. Фотобиореактор // Новые патенты культиваторов зелённых водорослей . 2012. №245.

Павел Ермаченко Краудфандинг на свежий воздух // РостовНовости. 2017. 19.09. Ст. 36.

Генератор кислорода Summit производит кислород с помощью водорослей // econet-включи сознание URL: https://econet.ru/articles/146035-generator-kisloroda-summit-proizvodit-kislorod-s-pomoschyu-vodorosley (дата обращения: 30.01.2019).

П. Изельт, У. Арндт, М. Вильке Увлажнение воздуха. Системы и применение. М: Техносфера, Евроклимат, 2007.

Код для цитирования: Скопировать