Биореактор для промышленного глубинного культивирования микроводорослей

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ БИОРЕАКТОР ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ГЛУБИННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ(71) Заявители Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович Табала Виталий Константинович Табала Константин Брониславович(72) Авторы Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович Табала Виталий Константинович Табала Константин Брониславович(73) Патентообладатели Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович Табала Виталий Константинович Табала Константин Брониславович(57) 1. Биореактор для промышленного глубинного культивирования микроводорослей,содержащий герметичную емкость в виде осесимметричного тела вращения с соосным телом внутри, с штуцерами для газовых и жидких потоков, для установки датчиков систем контроля и управления, источник фотосинтетически активной радиации, устройство для перемешивания, выполненное с возможностью создания над поверхностью суспензии микроводорослей закрученного потока газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря, отличающийся тем, что источник фотосинтетически активной радиации выполнен в виде сверхмощных светодиодов, равномерно расположенных на боковых наружной, внутренней приосевой поверхностях емкости ниже максимального уровня суспензии микроводорослей и ее днище. 2. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что линзы сверхмощных светодиодов непосредственно контактируют с суспензией микроводорослей. 3. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что мощность излучения каждого сверхмощного светодиода составляет 100 Вт и более. Полезная модель относится к биотехнологии, преимущественно к разделу производства биологического сырья для синтеза искусственного топлива, а также может быть использована в сельском хозяйстве для производства кормов, в микробиологической промышленности для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. При промышленном культивировании микроводорослей важную роль играет параметрическое управление процессами их жизнедеятельности. Известно два способа культивирования микроводорослей под открытым небом и в закрытых биореакторах. Способ культивирование микроводорослей под открытым небом в бассейнах, лотках и других емкостях с различными способами перемешивания, подачей 2 и использованием солнечного света является наиболее простым и дешевым 1. Недостатками этого способа является то, что невозможно увеличить эффективность такого лимитирующего фактора прироста биомассы микроводорослей как солнечный свет, трудно соблюдать гигиену их культуры, получаемая биомасса имеет нестабильный химический состав. Культивирование микроводорослей под открытым небом характеризуется низким коэффициентом их размножения. Практически это экстенсивный процесс, когда получение большого количества биомассы обеспечивается использованием больших площадей. В установках открытого типа из-за постоянно меняющихся погодных условий невозможно получать длительное время стабильный урожай микроводорослей, что приближает этот способ к возделыванию высших растений, когда урожай зависит от погодных условий. Оптимальные условия культивирования микроводорослей можно создать только в закрытых биореакторах. Известна установка для получения биомассы фотосинтезирующих микроорганизмов,содержащая светопрозрачный трубчатый реактор в виде змеевика с патрубками для подвода и отвода суспензии микроорганизмов, источники света, при этом витки змеевика образуют вертикальный цилиндр, а источники света установлены внутри и снаружи этого цилиндра 2. Внутри указанного цилиндра установлены люминисцентные лампы, а снаружи криптоновые лампы накаливания. Недостатком этой установки является то, что с увеличением отношения освещенной поверхности к рабочему объему реактора вся световая энергия, поглощенная освещенной поверхностью и не использованная в процессе фотосинтеза, преобразуется в тепловую. Источники света находятся на удалении от трубчатого реактора, поэтому часть световой энергии рассеивается. При длительном культивировании на внутренней поверхности трубчатого реактора скапливается масса наросшей культуры, что приводит к снижению освещенности суспензии фотосинтезирующих микроорганизмов и эффективности процесса фотосинтеза, к увеличению трудозатрат и сроков на смывку и очистку реактора. Применяемые в данной установке в качестве источника света люминисцентные лампы и криптоновые лампы накаливания в силу их конструкторских и технологических особенностей не позволяют применять экономичный импульсный режим освещения фотосинтезирующих микроорганизмов. Кроме этого, люминесцентные и криптоновые лампы имеют 97792013.12.30 невысокий срок службы и низкий КПД. Наличие в составе люминесцентных ламп ртути создает проблему их утилизации. Кроме этого, применение биореакторов трубчатого типа для промышленного культивирования микроводорослей объемом до 30 м 3 и более для своего размещения требует больших площадей. Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является аппарат для суспензионного культивирования микроорганизмов, содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и устройство для перемешивания среды, содержащее горизонтальное лопастное колесо, размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, и расположенную под ним кольцевую пластину с центральным отверстием для отвода газа, прикрепленную по периферии к стенке емкости с образованием кольцевой полости вокруг колеса 3. В кольцевой перегородке для прохода газа выполнены щелевые отверстия, расположенные равномерно по окружности под наклоном к горизонтальной плоскости. Перемешивание в аппарате осуществляется с помощью создания на поверхности суспензии микроорганизмов закрученного потока газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря. За счет трения газового вихря на границе раздела фаз газ-жидкость и разницы давления между периферией и центром обеспечивается движение суспензии в виде вихревого кольца, вращающегося относительно оси емкости с одновременным нисходящим движением на периферии емкости и восходящим в приосевой. Недостатком этого аппарата является то, что в нем невозможно проводить эффективное параметрическое управление интенсивностью и предельным значением интенсивности фотосинтетически активной радиации (ФАР). Сложный вихревой характер течения суспензии в данном аппарате приводит к тому,что согласно законам гидродинамики часть клеток микроводорослей концентрируется в центральном вихревом шнуре, образуя зону повышенной плотности. При размещении источника ФАР с наружи боковой поверхности емкости происходит многократное уменьшение интенсивности излучения от источника к центру емкости, появление зон с минимальным облучением и даже с их отсутствием. Это приводит к снижению эффективности фотосинтеза, т.к. суммарная фотосинтетическая продуктивность суспензии микроводорослей в каждый отрезок времени определяется работой клеток только в зоне их облучения и клетки, находящиеся вне этой зоны, не дают вклад в общий фотосинтез популяции. Техническая задача, решаемая в настоящей полезной модели, состоит в повышении эффективности фотосинтеза микроводорослей за счет создания условий для параметрического управления ФАР по интенсивности и предельным значениям интенсивности облучения, минимизации длины оптического пути и потерь излучения. Технический результат, получаемый при реализации настоящей полезной модели, состоит в повышении ее эффективности за счет уменьшения энергозатрат на процесс культивирования, повышения производительности процесса культивирования, в обеспечении возможности создания биореакторов для промышленного глубинного культивирования микроводорослей различного объема, в том числе до 30 м 3 и более. Решение задачи достигается тем, в предлагаемом биореакторе для промышленного глубинного культивирования микроводорослей, содержащем герметичную емкость в виде осесимметричного тела вращения с соосным телом внутри, с штуцерами для газовых и жидких потоков, для установки датчиков систем контроля и управления, устройство для перемешивания, выполненное с возможностью создания над поверхностью суспензии микроводорослей закрученного потока газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря, источник ФАР выполнен в виде сверхмощных светодиодов. Сверхмощные светодиоды равномерно расположены на боковых наружной, внутренней 3 97792013.12.30 приосевой поверхностях емкости ниже максимального уровня суспензии микроводорослей и ее днище. Мощность излучения каждого сверхмощного светодиода составляет 100 Вт и более. Линзы светодиодов непосредственно контактируют с суспензией микроводорослей. Полезная модель поясняется фигурами. На фиг. 1 приведен вид биореактора для промышленного глубинного культивирования микроводорослей в разрезе. На фиг. 2 - вид биореактора сверху. Предлагаемый биореактор для промышленного глубинного культивирования микроводорослей состоит из герметичной емкости 1 в виде осесимметричного тела вращения с соосным телом 2 внутри. В верхней части емкости 1 имеется отверстие 3. Конфузор 4 соединяет отверстие 3 с входным отверстием вентилятора 5. Выходное отверстие вентилятора 5 соединено патрубком 6 с боковой наружной поверхностью 7 емкости 1 выше максимального уровня суспензии микроводорослей 8. Сверхмощные светодиоды 9 равномерно расположены на боковых наружной 10, внутренней приосевой 11 поверхностях емкости 1 ниже уровня 8 и ее днище 12. Линзы 13 сверхмощных светодиодов 9 непосредственно контактируют с суспензией микроводорослей. Биореактор работает следующим образом. Жидкую питательную среду, содержащую необходимые компоненты, заливают в емкость 1 через штуцер для жидких потоков. Поток газа из верхней части емкости 1 через отверстие 3 и конфузор 4 направляется вентилятором 5 по патрубку 6 через боковую наружную поверхность 7 емкости 1 в ее внутреннюю периферию. Над поверхностью жидкости образует закрученный поток газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости 1, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря. Закрученный поток газа за счет трения на границе раздела фаз газ-жидкость и разницы давления между периферией и центром газового вихря обеспечивает движение жидкости в виде вихревого кольца, вращающегося относительно оси емкости 1 с одновременным нисходящим движением на ее периферии и восходящим в приосевой зоне. Затем в жидкую питательную среду вводят суспензию микроводорослей до достижения необходимой исходной плотности клеток. При этом происходит эффективное перемешивание без образования пены, гидроударов, кавитации, высокотурбулентных и застойных зон. Предлагаемый биореактор применяется при различных способах глубинного культивирования микроводорослей периодическом, полунепрерывном и непрерывном. При периодическом культивировании микроводорослей внесение посевного материала в питательную среду производится в начале процесса и получение культуры по достижении заданной фазы развития популяции. При полунепрерывном культивировании полная загрузка и разгрузка биореактора осуществляются однократно, однако в процессе роста культуры часть ее сливается, а освободившийся объем заливается свежей питательной средой. В отличие от периодического культивирования в непрерывных процессах питательная среда подается непрерывно, удаление биомассы и продуктов ее жизнедеятельности также осуществляется непрерывно. Равномерное расположение сверхмощных светодиодов на боковых наружной и внутренней приосевой поверхностях емкости ниже максимального уровня суспензии микроводорослей, ее днище, направление всех сверхмощных светодиодов внутрь емкости и контактирование их линз непосредственно с суспензией микроводорослей позволяет минимизировать длину оптического пути и потери излучения, повысить эффективность воздействия ФАР на процессы фотосинтеза. Интенсивность излучения сверхмощного светодиода зависит от протекающего через его кристалл электрического тока. Поэтому применение сверхмощных светодиодов мощ 4 97792013.12.30 ностью 100 Вт и более позволяет проводить параметрическое управление ФАР по интенсивности и предельным значениям интенсивности облучения в зависимости от конкретного этапа развития микроводоросли в биореакторах различного объема, в том числе до 30 м и более. Сверхмощные светодиоды представляют собой особый класс твердотельных полупроводниковых источников ФАР. Они обладают самым высоким энергетическим КПД, имеют эксплуатационный ресурс до 100000 ч, высокую яркость свечения и широкий угол рассеивания, низкое рабочее напряжение. Безынерционность сверхмощных светодиодов позволяет применять импульсный режим освещения микроводорослей, что способствует экономии электроэнергии на процесс культивирования. Сверхмощные светодиоды экологичны, т.к. не содержат ртути. Отсутствие в конструкции сверхмощных светодиодов нитей накаливания и стеклянных колб обеспечивает высокую их надежность и механическую прочность. Миниатюрность сверхмощных светодиодов позволяет создавать удобные в установке,компактные источники ФАР. Движение суспензии микроводорослей в виде вихревого кольца, вращающегося относительно оси емкости с одновременным нисходящим движением на ее периферии и восходящим в приосевой зоне, позволяет предотвратить осаждение клеток микроводорослей на внутренней поверхности емкости, а также линзах светодиодов, повысить эффективность процесса фотосинтеза, уменьшить трудозатраты и сроки на смывку и очистку биореактора. Таким образом, предлагаемый по полезной модели биореактор для промышленного глубинного культивирования микроводорослей позволяет повысить производительность процесса культивирования, уменьшить энергозатраты на процесс культивирования, обеспечить возможность создания биореакторов различного объема, в том числе до 30 м 3 и более. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5