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, расположенный на поверхности емкости, 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. 2. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что сверхмощные -светодиоды расположены на поверхности емкости таким образом, что предельная энергия облучения фотосинтетически активной радиацией равномерно распределена по всей поверхности периферии вихревого кольца суспензии микроводорослей. 99052014.02.28 3. Биореактор по п. 2, отличающийся тем, что предельное значение энергии облучения фотосинтетически активной радиацией в центральной части вихревого кольца суспензии микроводорослей составляет не менее 50 ее значения на периферии.(56) 1. Патент РФ 2268923 1, МПК 12 3/02,01 33/00,12 1/12, 2006. 2. Патент РФ 2035505 1, МПК 12 1/00, 1995. 3. Патент РФ 2163069 2, МПК 01 33/00,01 9/24,01 31/06, 2001. 4. Заявка РСТ 92/05245, МПК 12 1/04, 1992. 5. Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология Учебник для студ. биол. специальностей вузов. 4-е изд. - М. Издательский центр Академия, 2003. - 466 с. 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 интенсивном промышленном культивировании микроводорослей в закрытых биореакторах с целью получения целевого продукта важную роль играет возможность эффективно проводить параметрическое управление таким лимитирующим фактором, как фотосинтетически активная радиация (ФАР). Известна установка для выращивания микроводорослей, в частности хлореллы, включающая размещенную на каркасе емкость для суспензии микроводорослей, в которой вертикально установлены цилиндрические стеклянные обечайки со стационарно размещенными в них лампами. Емкость снабжена вентиляторами, установленными под обечайками и служащими для подачи воздуха внутрь последних при достижении температуры суспензии, превышающей оптимальную температуру культивирования 1. Недостатком этой установки является то, что источник ФАР в виде вертикально установленных в емкости цилиндрических стеклянных обечаек со стационарно размещенными в них лампами не эффективен для биореакторов объемом до 30 м 3 и более, т.к. не обеспечивает равномерное распределение ФАР по всему объему суспензии микроводорослей и с увеличением отношения освещенной поверхности к ее объему вся энергия, поглощенная освещенной поверхностью и не использованная в процессе фотосинтеза, преобразуется в тепловую. Кроме этого, при длительном культивировании на поверхности стеклянных обечаек скапливается масса наросших микроводорослей. Это приводит к снижению освещенности суспензии микроводорослей, а следовательно, и эффективности процесса фотосинтеза, к увеличению трудозатрат и сроков на смывку и очистку установки. Известен биореактор для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов,преимущественно одноклеточных водорослей, содержащий емкость с теплообменником,перемешивающее устройство, водоохлаждаемый источник света, систему подвода питательных веществ и слива готового продукта 2. Перемешивающее устройство состоит из двух соосных дисков, верхнего и нижнего, по периферии которых размещены лопасти,установленные с возможностью регулирования положения относительно оси вращения,при этом на нижнем диске выполнен перевернутый стакан, внутри которого размещена опора перемешивающего устройства, а источник света расположен в полости между дисками. Недостатком этого биореактора является то, что механическая мешалка из-за хаотичного перемешивания не обеспечивает достаточный массообмен для многих культур микроводорослей. В процессе перемешивания образуются турбулентные зоны, вследствие чего подвод питания клеткам и отвод метаболитов осуществляется неравномерно. Культивируемые микроводоросли с нежными клеточными стенками гибнут из-за механического воздействия на них лопастей мешалки и возникающих возле них срезающих напряжений. 2 99052014.02.28 Известна установка для выращивания микроводоросли, включающая шестиярусные блоки из нержавеющей стали вместимостью по 400 дм 3 каждый, мешалку для перемешивания культуральной среды и осветительную установку с десятью люминесцентными лампами над каждым блоком с максимумами в спектре излучения в области 611 и 450 нм 3. Недостатком этой установки является то, что источник ФАР в виде люминесцентных ламп над каждым блоком не эффективен для биореакторов объемом до 30 м 3 и более из-за большой длины оптического пути и рассеивания части энергии, неравномерного ее распределения по всему объему суспензии микроводорослей. 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 4. 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 применение в нем люминесцентных ламп в качестве источника ФАР для промышленного получения целевых продуктов с помощью микроводорослей неэффективно, т.к. они не позволяют проводить параметрическое управление интенсивностью и предельным значением интенсивности ФАР на разных стадиях роста культуры. Известно, что все фоторецепторные пигменты в клетках микроводорослей относятся к двум химическим классам соединений пигменты стетрапиррольной структурой (хлорофиллы, фикобилипротеины) и пигменты с полиизопреноидными цепями (каротиноиды). Известно также более десяти видов хлорофиллов, и все они поглощают ФАР видимой и инфракрасной частей спектра. Основной максимум поглощения хлорофилломприходится на длину волны 680-685 нм,- 650-660 нм, фикоэритрином - 565 нм, фикоцианином - 620 нм, каротиноидами - 400-550 нм 5. Люминесцентные лампы из-за своих конструкторско-технологических особенностей не позволяют получать различные по составу спектры излучения с максимумами, оптимальными для эффективного их поглощения фоторецепторными пигментами на разных стадиях роста культуры. Кроме этого, люминесцентные лампы не позволяют создать экономичный импульсный режим освещения суспензии микроводорослей, имеют низкие КПД и срок службы,наличие в их составе ртути создает проблему утилизации. Техническая задача, решаемая в настоящей полезной модели, состоит в повышении эффективности фотосинтеза микроводорослей за счет создания условий для параметрического управления ФАР по интенсивности, предельным значениям интенсивности и составу спектра облучения на разных стадиях роста культуры. 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. 99052014.02.28 Решение задачи достигается тем, что 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 расположены на поверхности емкости таким образом,что предельная энергия облучения ФАР равномерно распределена по всей поверхности периферии вихревого кольца суспензии микроводорослей. Предельное значение энергии облучения ФАР в центральной части вихревого кольца суспензии микроводорослей составляет не менее 50 ее значения на периферии. 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. Внутри емкости 1 расположено соосное тело 2. В верхней части емкости 1 имеется отверстие 3. Конфузор 4 соединяет отверстие 3 с входным отверстием вентилятора 5. Патрубок б соединяет выходное отверстие вентилятора 5 с боковой наружной поверхностью 7 емкости 1 выше максимального уровня суспензии микроводорослей 8. Сверхмощные -светодиоды 9 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 через штуцер для жидких потоков заливают в емкость 1. Вентилятор 5 направляет поток газа из верхней части емкости 1 через отверстие 3 и конфузор 4 по патрубку 6 через боковую наружную поверхность 7 емкости 1 в ее внутреннюю периферию. Равномерный поток газа на выходе патрубка 6 создает стабильный без турбулентных зон закрученный поток газа над поверхностью суспензии 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, при этом происходит их эффективное перемешивание без образования пены, гидроударов, кавитации, высокотурбулентных и застойных зон. Биореактор работает при периодическом, полунепрерывном и непрерывном способах глубинного культивирования микроводорослей. Расположение сверхмощных -светодиодов на боковых наружной и внутренней приосевой поверхностях емкости ниже максимального уровня суспензии микроводорослей, ее днище позволяет минимизировать длину оптического пути и обеспечить 100 конверсию ФАР в процессы фотосинтеза. 4 99052014.02.28 Сверхмощные -светодиоды разной мощности излучения и с различным углом светоотдачи позволяют управлять формой и размером освещаемой поверхности вихревого кольца суспензии. Расположение сверхмощных -светодиодов на поверхности емкости таким образом, что предельная энергия облучения равномерно распределена по всей поверхности периферии вихревого кольца суспензии 14 и в центральной его части 15 предельное значение энергии облучения составляет не менее 50 ее значения на периферии,обеспечивает равномерное облучение суспензии по всему объему с максимальной эффективностью использования ФАР на процессы фотосинтеза. Кристаллы сверхмощных -светодиодов обеспечивают монохроматическое излучение с длинами волн в красной области спектра в диапазоне 620-635 нм, в зеленой - 520535 нм, в синей - 450-475 нм. Используя -технологию, сверхмощные -светодиоды дают возможность создавать источник ФАР с любым спектральным составом на разных стадиях роста культуры. Это позволяет эффективно проводить фотосинтез целевого продукта. Интенсивность излучения сверхмощного светодиода зависит от величины протекающего через его кристалл электрического тока. Поэтому, изменяя ток в сверхмощных светодиодах, можно проводить параметрическое управление ФАР по интенсивности облучения на разных стадиях роста культуры. Минимальная теплоотдача сверхмощных -светодиодов мощностью 100 Вт и более позволяет создать конструкцию биореактора с высокой облученностью различного объема, в том числе до 30 м 3 и более, проводить параметрическое управление ФАР по предельным значениям интенсивности облучения на разных стадиях роста культуры. Применение импульсного режима питания сверхмощных -светодиодов существенно экономит электроэнергию в процессе культивирования микроводорослей. Из всех искусственных источников света сверхмощные светодиоды обладают самым высоким энергетическим КПД. Таким образом, предлагаемый по полезной модели биореактор для промышленного глубинного культивирования микроводорослей позволяет повысить эффективность фотосинтеза микроводорослей за счет создания условия для параметрического управления ФАР по интенсивности, предельным значениям интенсивности и составу спектра облучения на разных стадиях роста культуры микроводорослей и, следовательно, 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