СПОСОБ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИХ МИКРООРГАНИЗМОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК C12Q3/00 

Изобретение относится к способам и установкам управляемого культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, которые могут быть использованы в сельском хозяйстве и микробиологической промышленности.

Известен способ и устройство культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, которые реализованы в фотореакторе, где обеспечивают повышение производительности биосинтеза фотосинтезирующих микроорганизмов путем периодического чередования световых и темновых интервалов облучения суспензии. Упомянутый аналог (прототип), помимо специального фотореактора, содержит побудитель расхода суспензии, газообменник, теплообменник и внешний источник света.

Недостатком известного способа и устройства является то, что оно не обеспечивает получение дополнительной продукции за счет более качественного управления температурой суспензии фотосинтезирующих микроорганизмов в соответствии с изменяющейся во времени максимальной точкой температурой кривой фотосинтеза. Кроме того, недостатком известного устройства является и то, что теплообменник конструктивно отделен от собственно фотореактора, что создает в устройстве температурный градиент в разных точках культиватора микроводорослей по мере движения суспензии в контуре, в результате чего клетки попадают в разные температурные условия: в фотореакторе суспензия нагревается потоком облучения, а в теплообменнике охлаждается до заданной температуры. В результате градиент колебания температуры суспензии тем больше, чем больше облученность фотореактора, его длина до темплообменника и плотность суспензии фотосинтезирующих микроорганизмов. Попадая в разные температурные условия (отличающиеся от максимальной точки температурной кривой фотосинтеза), клетки микроорганизмов реагируют на это снижением биосинтеза. Задаваемые значения температуры не должны быть фиксированы, а должны динамически изменяться во времени в зависимости от физиологического состояния микроорганизмов.

Цель изобретения состоит в том, чтобы увеличить производительность культивирования фотосинтезирующих микроорганимов за счет уменьшения температурного градиента суспензии в контуре культиватора микроорганизмов и управления температурой суспензии таким образом, чтобы интенсивность фотосинтеза микроорганизмов была максимальной.

Цель достигается тем, что для уменьшения температурного градиента, возникающего по ходу движения суспензии в культиваторе, фотореактор погружают в теплоноситель теплообменника, что резко уменьшает температурный градиент суспензии микроорганизмов.

Для достижения другой цели - регулирования температуры таким образом, чтобы интенсивность фотосинтеза была максимальной, осуществляют следующие действия:
- устанавливают температуру суспензии равной Т^оС1;
- измеряют интенсивность фотосинтеза по скорости выделения кислорода микроорганизмами при Т^оС1;
- устанавливают температуру суспензии равной Т^оС2;
- измеряют интенсивность фотосинтеза по скорости выделения кислорода микроорганизмами при Т^оС2;
- определяют частную производную интенсивности фотосинтеза по температуре между двумя значениями температуры
∂Ф/ ∂Т^оС= (Ф_To-ФТ^оС₁)/(Т^оС₂-Т^оС₁), где Т^оС₂ - последующее измерение температуры;
Т^оС₁ - предыдущее измерение температуры;
Ф_To - интенсивность фотосинтеза при температуре Т^оС₂;
ФТ^оС₁ - интенсивность фотосинтеза при температуре Т^оС₁;
- увеличивают температуру суспензии, если:
∂Ф/ ∂Т^оС=(ФТ^оС₂-ФТ^оС₁)/(Т^оС₂-Т^оС₁)>0
- уменьшают температуру суспензии, если
∂Ф/∂ Т^оС=
= (ФТ^оС₂-ФТ^оС₁)/(Т^оС₂-Т^оС₁) ≅0
Следует иметь в виду, что температура суспензии Т^оС₁ по отношению к температуре суспензии Т^оС₂ является предыдущей по времени, и после следующего шага изменения температуры суспензии Т^оС₂ становится Т^оС₁.

Установка, реализующая способ культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, состоит из фотореактора 1, который представляет собой стеклотрубный змеевик в виде непрерывной трубы или собранный из U-образных стеклянных двойных отводов. Фотореактор может состоять из множества таких змеевиков, объединенных через общий коллектор. Фотореактор погружен в теплоноситель (вода) теплообменника 2 (см. фиг.). После фотореактора 1 в контуре культиватора расположена измерительная камера 3 устройства измерения интенсивности фотосинтеза, в которое входят газоанализаторы концентраций кислорода 4 и 5, датчики концентрации растворенного кислорода 6 на входе фотореактора и датчик растворенного кислорода 7 на выходе измерительной камеры 3. Выходы датчиков 4, 5, 6, 7 соединены со входами управляющего вычислительного устройства 8. После измерительной камеры 3 расположен газообменник 9 для насыщения углекислотой суспензии микроорганизмов. После газообменника через всасывающий трубопровод 10 суспензия поступает в побудитель расхода суспензии 11, который по напорному трубопроводу 12 подает суспензию в фотореактор 1. Фотореактор облучается внешним источником света 13, который может быть искусственным или естественным (солнце). В устройство регулирования температуры суспензии входят датчик температуры суспензии 14 на входе фотореактора и датчик температуры 15 на выходе фотореактора, при этом выходы датчиков температуры соединены со входами управляющего вычислительного устройства 8, выходы которого соединены со входами регулирующих заслонок подачи холодного теплоносителя 16 и подачи горячего теплоносителя 17 в теплообменник 2. Для ограничения уровня теплоносителя в теплообменнике служит датчик уровня 18, выход которого соединен со входом управляющего вычислительного устройства 8, которое управляет регулирующим вентилем 19 для слива избытка теплоносителя из теплообменника 2.

Установка работает следующим образом.

Суспензия, обогащенная углекислотой в газообменнике 9, побудителем расхода суспензии 11 подается в фотореактор 1, на входе которого датчиками 6 и 14 измеряют концентрацию растворенного в суспензии кислорода и температуру суспензии. В фотореакторе 1 суспензия нагревается в той части трубы фотореактора, которая облучается источником света и охлаждается частью трубы фотореактора, которая погружена в теплоноситель теплообменника 2. На выходе фотореактора датчиком температуры 15 измеряют температуру суспензии. После фотореактора 1 суспензия попадает в измерительную камеру 3, в которой выделившийся в результате фотосинтеза газообразный кислород разбавляется воздухом, продуваемым через измерительную камеру с постоянным расходом. На входе и выходе измерительной камеры газоанализаторами 4 и 5 определяют концентрации кислорода в воздухе. Сигналы газоанализаторов подаются в управляющее вычислительное устройство 8. В вычислительное устройство 8 также подаются сигналы датчиков растворенного в суспензии кислорода 6 и 7. После измерительной камеры суспензия попадает в газообменник 9 для насыщения ее углекислым газом. В управляющем вычислительном устройстве определяют интенсивность фотосинтеза по формуле
Ф=(F_c^. (pO₂вых-pO₂вх)+
+ F_в (С_вых-С_вх)/G_с, где Ф - интенсивность фотосинтеза (лО₂/л_с х мин);
F_c - расход суспензии через фотореактор (л_с/мин);
F_в - расход воздуха через газоприемную часть измерительной камеры (л_в/мин);
pO₂вых - концентрация растворенного кислорода в суспензии на выходе измерительной камеры (лО₂/л_с);
pO₂вх - концентрация растворенного кислорода в суспензии на входе фотореактора (лО₂/л_с);
С_вых - концентрация кислорода в воздушно-кислородной среде на выходе газоприемной части измерительной камеры (лО₂/л_в);
С_вх - концентрация кислорода в воздухе на входе газоприемной части измерительной камеры (лО₂/л_в);
G_c - объем суспензии в технологической линии культивирования микроводорослей (л_с).

Управление температурой осуществляют в соответствии с действиями способа, описанного выше. Если требуется уменьшить температуру суспензии, по сигналу управляющего вычислительного устройства 8 открывается заслонка 16 и добавляется холодный теплоноситель до достижения необходимой температуры суспензии. Это происходит до тех пор, пока датчик уровня 18 не зафиксирует максимального уровня теплоносителя в теплообменнике 2. При достижении максимального уровня часть теплоносителя по команде управляющего вычислительного устройства 8 сливается через вентиль 19, что дает возможность продолжать долив холодного теплоносителя. В случае необходимости увеличения температуры это осуществляют сливом теплоносителя, по команде управляющего вычислительного устройства, через вентиль 19 до достижения заданной температуры. Это происходит до тех пор, пока датчик уровня 18 не зафиксирует минимально допустимый уровень теплоносителя в теплообменнике 2. При достижении минимального уровня теплоносителя увеличение температуры производят подачей горячего теплоносителя до достижения заданной температуры. Такое регулирование температуры суспензии микроорганизмов позволяет достигнуть желаемого быстродействия изменения температуры в сочетании с наиболее эффективным использованием энергоресурсов (горячей воды и теплового излучения источника света)
П р и м е р. Культивирование фотосинтезирующих микроорганизмов.

При культивировании Chlorella vulgaris штамм ЛАРГ-3 в культиваторе микроводорослей (см. фиг.) насыщали суспензию микроводорослей углекислотой с расходом 90 л_в/л_с в 1 ч и концентрацией углекислоты в воздухе 2 об.%, облученности фотореактора 300 Вт/м² ФАР (фотосинтетически активной радиации), постоянном сливе суспензии микроводорослей 0,4 л_с/л_с в культиваторе и концентрации биомассы в суспензии 2 г АСВ/л_с и изменении температуры суспензии были получены следующие результаты:

Использование: в биотехнологии для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. Сущность: в установке, содержащей фотореактор, теплообменник, газообменник и побудитель расхода суспензии, поддерживают максимальное значение интенсивности фотосинтеза микроорганизмов путем изменения температуры суспензии и совмещения фотосинтеза с управляемым теплообменом за счет изменения поверхности теплообмена суспензии с теплоносителем и температуры теплоносителя. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, включающий регулирование температуры суспензии микроорганизмов, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности фотосинтеза микроорганизмов, поддерживают максимальное значение интенсивности фотосинтеза путем изменения температуры суспензии и совмещения фотосинтеза с управляемым теплообменом за счет изменения поверхности теплообмена суспензии с теплоносителем и температуры теплоносителя. 2. Установка для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, включающая фотореактор, теплообменник, газообменник, побудитель расхода суспензии, напорный и всасывающий трубопроводы, внешний источник света, отличающаяся тем, что, с целью повышения производительности, фотореактор совмещен с теплообменником путем погружения фотореактора в теплоноситель теплообменника, а установка дополнительно оснащена устройством измерения интенсивности фотосинтеза, включающего два датчика растворенного кислорода и два газоанализатора концентрации кислорода, регулирующими устройствами подачи холодного и горячего теплоносителя в теплообменник, регулирующим устройством слива теплоносителя из теплообменника, датчиками температуры суспензии, расположенными на входе и выходе фотореактора, датчиком уровня теплоносителя в теплообменнике и управляющим вычислительным устройством, причем выходы датчиков растворенного кислорода, газоанализаторов концентрации кислорода, датчиков температуры и датчика уровня соединены с входами управляющего вычислительного устройства, а выходы последнего соединены с регулирующими устройствами подачи холодного и горячего теплоносителя в теплообменник и регулирующим устройством слива теплоносителя из теплообменника.