СПОСОБ И УСТАНОВКА КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИХ МИКРООРГАНИЗМОВ Российский патент 1999 года по МПК C12Q3/00 C12M1/00 

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 поддержанием максимального значения интенсивности фотосинтеза путем изменения температуры суспензии (заявка N 4884836/13/107396, положит. решение о выдаче патента от 27.09.91), путем изменения расхода подаваемой углекислоты в фотореактор (заявка N 4884837/13/107395, положит. решение о выдаче патента от 27.09.91), а также путем поддержания максимума физиологически обоснованного критерия оптимизации, например, коэффициента использования облученности на фотосинтез (Ф/E) путем поддержания оптимального значения плотности суспензии в фотореакторе (авторское свидетельство N 1604842 "Способ культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов" по заявке N 4294874 приоритет изобретения 6 августа 1987 г.).

Упомянутый аналог (прототип а. с. N 1604842) помимо фотореактора, содержит побудитель расхода суспензии, газообменник, теплообменник и внешний источник света.

Известно также, что фотосинтетическая активность клеток в процессе онтогенеза меняется в широких пределах при постоянстве факторов внешней среды (Л. Н. Цоглин, В. Е. Семененко "Повышение продуктивности и КПД фотосинтеза микроводорослей посредством управления возрастным составом популяций". - В сб. "Роль низших организмов в круговороте веществ в замкнутых экологических системах". Материалы X Всесоюзного совещания. Канев, 1979 г.). Характер этих изменений зависит от возраста клеток: всегда в жизненном цикле имеются фазы, во время которых происходит резкое снижение активности (по некоторым данным полное выключение) фотосинтеза. Если принять, что максимальный КПД использования света достигается клеткой лишь в отдельные периоды, то в популяции всегда находится значительная доля клеток, "работающих" с меньшей эффективностью. Следовательно, продуктивность культур можно повысить выводом из популяции малоактивных клеток, т.е. управлением возрастным составом культур. Относительная численность малоактивных клеток в интервале времени онтогенеза клетки приходится на вторую половину, когда клетки имеют большой размер и доля их суммарной биомассы примерно пропорциональна отношению длительности светозависимой стадии к длительности онтогенеза. Чтобы повысить продуктивность культур, клетки, находящиеся в светонезависимой стадии развития, должны выводиться из популяции частично или полностью, а в случае полного вывода клеток для непрерывности процесса выращивания в культиватор необходимо возвращать некоторое количество автоспор после деления клеток. Число возвращаемых автоспор может быть рассчитано из условия равенства биомасс в культиваторе при обычном методе выращивания и при культивировании с управлением возрастным составом. Подобный метод культивирования легко реализуется благодаря большей весовой плотности клеток в светонезависимой стадии жизненного цикла (Цоглин Л.Н. - "Физиология растений", 1973, N 20, с. 532-536; Цоглин Л.Н., Бакулин В.А. - "Физиология растений", 1977, N 24, с. 1295-1296).

Недостатком известного способа (и устройства) культивирования микроводорослей является то, что он не обеспечивает получение дополнительной продукции за счет управления соотношением между клетками разного возраста в составе популяции в суспензии при культивировании фотосинтезирующих микроорганизмов. Недостатком известного метода управления возрастным составом популяции, основанным на расчете количества выводимых из суспензии клеток, является то, что эта методика расчета не учитывает влияние на продуктивность фотосинтеза как самих способов культивирования, так и влияние отдельных факторов среды и изменения фотосинтетической продуктивности клеток в онтогенезе, которые могут формироваться в процессе использования технологий с максимизацией физиологически обоснованных критериев оптимизации (а.с. СССР N 1604842, 1666537, 1395666 и др.).

Цель изобретения - увеличение продуктивности фотосинтезирующих микроорганизмов и коэффициента использования облученности фотосинтетически активной радиации (ФАР) на фотосинтез за счет поддержания оптимального значения плотности суспензии и соотношения в ней клеток, находящихся в светозависимой и светонезависимой фазе роста в популяции, независимо от влияния каких-либо факторов среды культивирования организмов.

Поставленная цель достигается тем, что при достижении максимума физиологически обоснованного критерия оптимизации фотосинтетической продуктивности (удельной скорости роста, коэффициента использования облученности ФАР на фотосинтез и др.) осуществляют уменьшение плотности суспензии удалением преимущественно клеток, находящихся в светонезависимой фазе роста, путем сепарации динамически рассчитываемых значений количеств суспензии с переменным расходом суспензии, подаваемой для сепарации. При этом доля удаляемых при сепарации клеток, находящихся в светонезависимой стадии роста (более тяжелых клеток), от всего объема удаляемой при сепарации биомассы будет зависеть от количества сепарируемой суспензии и времени пребывания суспензии в сепараторе, которое связано с расходом суспензии через него. При этом обеспечивают такое соотношение клеток, находящихся в стадиях светозависимого и светонезависимого роста, которое соответствует максимуму выбранного критерия оптимизации.

Рассмотрим вариант осуществления способа при максимизации коэффициента использования ФАР на фотосинтез (Ф/E)
где:
Ф - интенсивность фотосинтеза;
E - облученность фотореактора.

Для этого осуществляют следующие действия:
1) измеряют интенсивность фотосинтеза Ф по скорости выделения кислорода микроорганизмами;
2) определяют облученность фотосинтетически активной радиации (ФАР) микроводорослей E;
3) определяют значение критерия оптимизации (Ф/E);
4) определяют отношение приращения критерия оптимизации через заданный промежуток времени (t₂-t₁) к этому промежутку времени:

Если Δ(Ф/E)/Δt < 0 при t₂ > t₁,
то значит, что максимум критерия оптимизации пройден. Поэтому необходимо понизить плотность суспензии на величину, пропорциональную величине отклонения критерия оптимизации от максимума, для чего определяют идентификатор:
5) db=(Ф/E)t₂/(Ф/E)t₁
6) вычисляют дозу слива суспензии для сепарации в случае полного сепарирования суспензии:
dsl=(1-db)
7) запоминают значение максимума критерия оптимизации (Ф/E)_max1;
8) сепарируют количество суспензии, равное K•dsl, при расходе подаваемой суспензии на сепарацию, равной P_n•K
где: K - коэффициент кратности,
P_n - номинальный расход суспензии подаваемой на сепарацию (расход при котором отделяются все клетки от жидкой фазы).

В расчетной дозе (dsl) содержится столько биомассы, сколько ее необходимо удалить (при завершении полной сепарации), чтобы вернуться к оптимальной плотности суспензии. Чтобы осуществить отбор биомассы равного количества, но крупных клеток, находящихся в стадии светонезависимого роста, увеличивают расход суспензии, подаваемой на сепарацию, в K раз, одновременно увеличивают дозу сепарируемой суспензии в K раз относительно дозы слива суспензии, рассчитанной для случая полного сепарирования. При этом будет отсепарировано примерно столько же биомассы, сколько ее было в рассчитанной дозе в случае полной сепарации, но в отсепарированной биомассе будет клеток более тяжелых (в светонезависимой фазе роста) больше примерно в K раз, а в фугате, возвращаемом в культиватор, будет находиться мелких фотосинтетически активных клеток в количестве, примерно равном количеству биомассы отсепарированных крупных клеток;
9) повторяем действия 1 - 6;
10) запоминаем значение максимума критерия оптимизации (Ф/E)_max2;
11) сравниваем значения двух последних максимумов критерия оптимизации
если (Ф/E)_max2 > (Ф/E)_max1, то коэффициент кратности K увеличивают на некоторую величину и повторяют действие 8.

Это означает, что абсолютное значение максимума критерия оптимизации увеличилось за счет относительно большего количества молодых, интенсивно фотосинтезирующих клеток в суспензии. Следовательно, необходимо продолжить действия в том же направлении, для чего необходимо увеличить коэффициент кратности K.

Если (Ф/E)_max2 < (Ф/E)_max1, то коэффициент кратности K уменьшают на некоторую величину и повторяют действие 8.

Это будет означать, что оптимальное соотношение между фотосинтетически активными молодыми клетками и старыми клетками, находящимися в стадии светонезависимого роста, пройдено и дальнейшее увеличение отбора крупных клеток создает их дефицит, вследствие чего возникает их нехватка для регенерации молодых клеток в результате деления старых клеток. В этом случае следует уменьшать коэффициент кратности;
12) повторяем действия 1 - 6;
13) запоминаем значение максимума критерия оптимизации (Ф/E)_max3;
14) сравниваем значения двух последних максимумов критериев оптимизации
если (Ф/E)_max3 > (Ф/E)_max2, то коэффициент кратности K увеличивают на некоторую величину и повторяют действие 8
если (Ф/E)_max3 < (Ф/E)_max2, то коэффициент кратности K уменьшают на некоторую величину и повторяют действие 8.

Далее идет повторение описанного цикла, что в результате позволяет постоянно поддерживать оптимальное соотношение возрастного состава клеток в популяции фотосинтезирующих микроорганизмов и приводит к значительному увеличению производительности культиватора и коэффициента использования ФАР на фотосинтез микроорганизмов.

Установка, реализующая способ культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов (см. чертеж), состоит из фотореактора (1), который представляет собой батарею из стеклянных труб, облучаемых с двух сторон источниками света, которые собраны в стойки (2). На входе в фотореактор установлены теплообменники "труба в трубе" для регулирования температуры суспензии микроорганизмов (3). После фотореактора (1) в контуре культиватора размещается измерительная камера (4) устройства измерения фотосинтеза, в которое, кроме того, входят: газоанализаторы концентраций кислорода (5 и 6), датчики концентрации растворенного кислорода (7) на входе фотореактора и датчик концентраций растворенного кислорода (8) на выходе измерительной камеры (4).

Выходы датчиков (5, 6, 7, 8) соединены с входами управляющего вычислительного устройства (9). После измерительной камеры (4) размещен газообменник (10) для десорбции кислорода из суспензии и для насыщения суспензии микроорганизмов двуокисью углерода. После газообменника через всасывающий трубопровод (11) суспензия поступает в побудитель расхода суспензии (12), который по напорному трубопроводу (13) подает суспензию в фотореактор (1).

Параллельно основному циркуляционному контуру устанавливается контур, который состоит из управляемой электрозаслонки (14) и одного или нескольких сепараторов (15).

Установка работает следующим образом.

Суспензия, обогащенная углекислотой в газообменнике (10), побудителем расхода суспензии (12) подается в фотореактор (1), на входе которого датчиком (7) и на выходе измерительной камеры датчиком (8) измеряют концентрации растворенного в суспензии кислорода. После фотореактора (1) суспензия попадает в измерительную камеру (4), в которой выделяющийся в результате фотосинтеза газообразный кислород разбавляется воздухом, продуваемым через измерительную камеру с постоянным расходом. На входе и выходе измерительной камеры газоанализаторами (5 и 6) определяют концентрации кислорода в воздухе. Сигналы газоанализаторов подаются в управляющее вычислительное устройство (9). В вычислительное устройство (9) также подаются сигналы датчиков растворенного в суспензии кислорода (7 и 8). После измерительной камеры суспензия попадает в газообменник (10) для насыщения ее двуокисью углерода и десорбции кислорода. В управляющем вычислительном устройстве определяют интенсивность фотосинтеза по формуле:
Ф = (F_с•(pO₂вых - pO₂вх) = F_в•(C_вых - C_вх))/G_с
где: Ф - интенсивность фотосинтеза (ЛO₂/Л_с•мин)
F_с - расход суспензии через фотореактор (Л_с/смин)
F_в - расход воздуха через газоприемную часть измерительной камеры (Л_в/мин)
pO₂вых - концентрация растворенного кислорода в суспензии на выходе измерительной камеры (ЛO₂/Л_с)
pO₂вх - концентрация растворенного кислорода в суспензии на входе фотореактора (ЛO₂/Л_с)
C_вых- концентрация кислорода в воздушно-кислородной среде на выходе газоприемной части измерительной камеры (ЛO₂/Л_в)
C_вх - концентрация кислорода в воздушно-кислородной среде на входе газоприемной части измерительной камеры (ЛO₂/Л_в)
G_с - объем суспензии в технологической линии культивирования микроводорослей (Л_с).

Управление отбором клеток осуществляют в соответствии с действиями способа, описанного выше. При необходимости изменения (увеличения или уменьшения) расхода суспензии через сепаратор (15) изменяют величину сечения прохода суспензии путем открытия (закрытия) заслонки (14).

Пример. Культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов.

При культивировании Chlorella vulgaris штамм ЛАРГ-3 в культиваторе микроводорослей (см. чертеж) осуществляли отбор микроводорослей при разном расходе суспензии через сепаратор. Облученность фотореактора - 500 Вт ФАР/м². Суточный объем сепарируемой суспензии в номинальном режиме (при полной сепарации) 50,4 м³/сутки, что составляет номинальный расход через сепаратор 35 л/мин. Проведем поиск оптимального возрастного состава с переменным шагом поиска. Критерий оптимизации коэффициент использования ФАР - (Ф/E).

Результаты представлены в таблице.

Как видно из примера, максимум абсолютного значения критерия оптимизации (Ф/E)_max за счет управления возрастным составом популяций клеток абсолютно возрастает в 1.49 раза. При этом количество сепарируемой суспензии возрастает в 3 раза, а доля крупных клеток (находящихся в фазе светонезависимого роста) в суспензии снижается примерно с 36% до 8-12% (по сухой биомассе).

Способ включает регулирование с максимизацией физиологически обоснованного критерия оптимизации фотосинтетической продуктивности посредством отбора из суспензии клеток, находящихся в фазе светонезависимого роста. Установка содержит замкнутый контур, включающий фотореактор с прерывистым или непрерывным облучением микроорганизмов внешними источниками света, теплообменник, газообменник, побудитель расхода суспензии, напорный и всасывающий трубопроводы. Кроме того, установка содержит систему измерения фотосинтеза, включающую два датчика растворенного кислорода, газоанализаторы концентрации кислорода и вычислительное устройство. Дополнительно установка содержит контур управления отбором клеток, преимущественно находящихся в фазе светонезависимого роста. Контур состоит из сепаратора и управляемой вычислительным устройством заслонки, которая изменяет расход суспензии, подаваемой в сепаратор. Выходы датчиков растворенного кислорода и газоанализаторов концентрации кислорода соединены с входами управляющего вычислительного устройства, а выходы последнего соединены с управляемой заслонкой, изменяющей расход суспензии, подаваемой в сепаратор. Использование данного способа и устройства культивирования микроорганизмов позволяет увеличить производительность культиватора в 1,4-1,6 раза. 2 с. п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, включающий максимизацию физиологически обоснованного критерия оптимизации фотосинтетической продуктивности, отличающийся тем, что поддерживают максимальное значение физиологический обоснованного критерия оптимизации фотосинтетической продуктивности путем преимущественного отбора клеток, находящихся в фазе светонезависимого роста, с увеличением за счет этого отбора в суспензии доли клеток, находящихся в фазе светозависимого роста. 2. Установка культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов в виде циркуляционного контура, включающая фотореактор с прерывистым или непрерывным облучением микроорганизмов внешними источниками света, теплообменник, газообменник, побудитель расхода суспензии, напорный и всасывающий трубопроводы, систему измерения фотосинтеза, включающую два датчика растворенного кислорода, газоанализаторы концентрации кислорода и вычислительное устройство, отличающаяся тем, что в культиватор дополнительно введен параллельно циркуляционному контуру контур управления отбором клеток, находящихся в фазе светонезависимого роста, состоящий из сепаратора и управляемой вычислительным устройством заслонки, которая изменяет расход суспензии, подаваемой в сепаратор, причем выходы датчиков растворенного кислорода и газоанализаторов концентрации кислорода соединены с входами вычислительного устройства, выходы последнего соединены с управляемой заслонкой, причем выход сепаратора подключен с возможностью возврата фугата в циркуляционный контур.