КАМЕРА ФОТОБИОРЕАКТОРА

Область техники
Полезная модель относится к области биотехнологии, в частности, к техническим устройствам, представляющим из себя камеру фотобиореактора с адаптивным освещением. Фотобиореакторы предназначены для выращивания различных одноклеточных и многоклеточных фотосинтезирующих (фотоавтотрофных и миксотрофных) микроорганизмов (далее - ФМ) и имеют немаловажное значение при производстве биомассы ФМ для различных нужд биотехнологической, фармацевтической и топливной промышленности. Фототрофные микроорганизмы обладают значительно большей продуктивностью по сравнению с высшими растениями, что и обусловило их широкое использование для производства различных веществ и субстанций. Биомасса фотосинтезирующих микроорганизмов служит одним из основных источников различных биологических веществ, таких как липиды (производство биотоплива), белки и аминокислоты (пищевые добавки и корма), углеводы (питательные среды и др.), биологически активные вещества (пигменты - каротиноиды, производные хлорофилла и др.). Кроме того, значительная часть фармацевтических субстанций является производными веществ, продуцируемых ФМ (пептиды, аминокислоты, гормоны). Таким образом промышленное культивирование и массовое производство биомассы ФМ имеет немаловажное значение для таких отраслей промышленности как энергетика, фармацевтика, косметическая и пищевая промышленность, сельское хозяйство.
Уровень техники
Исследования и разработки различных конструкций фотобиореакторов в настоящее время активно развиваются (Placzek, М., Patyna, А., & Witczak, S. (2017). Technical evaluation of photobioreactors for microalgae cultivation. E3S Web of Conferences, 19, 1-10), что подтверждается значительным количеством публикаций по данной теме. Также велико разнообразие конструкций фотобиореакторов, где наибольшее распространение получили трубчатые, цилиндрические и плоские фотобиореакторы с различными компоновками систем искусственного освещения. Следует отметить неоспоримые преимущества фотобиореакторов по сравнению с различными системами открытого культивирования (пруды, бассейны) среди которых - низкая вероятность контаминации, широкие возможности автоматизации и контроля технологических параметров, высокая производительность по биомассе.
Известно устройство RU 167418 - установка для культивирования микроводорослей, содержащая емкость из светопрозрачного материала, снабженную системой подачи углекислого газа и источниками света, герметично закрытую крышкой с клапаном для сброса излишков газа, отличающаяся тем, что емкость установлена в каркасе с ножками, имеет сверху наружные отгибы с уплотнителями для герметизации и струбцинами для уплотнения крышки, при этом крышка снабжена манометром, а емкость - штуцером с вентилем подачи углекислого газа, с закрепленной на нем внутри емкости поперечной трубкой со штуцерами для внутренних шлангов, несущих отверстия выхода углекислого газа, штуцер с вентилем подачи питательного раствора и слива суспензии, шкафчик с герметичной дверцей, в котором наклонно установлен электродвигатель с таймером и осью, дополнительно закрепленной в подшипнике, установленном в шкафчике, наклонно проходящей сквозь расположенное выше уровня суспензии отверстие торцевой стенки емкости, несущей погруженные в суспензию винты, верхний и нижний, противоположно направляющие потоки суспензии к поверхности и дну емкости, источники света расположены сверху и снизу емкости и снабжены датчиком освещенности и таймером суточной периодичности подключения их к электросети.
Известно устройство RU 167419 U1 - ярусная установка для выращивания микроводорослей, включающая светопроницаемые емкости, установленные на металлическом каркасе одна над другой, имеющие нагреватели с терморегуляторами, и расположенные между емкостями люминесцентные лампы, отличающаяся тем, что каркас имеет ножки и поперечины для закрепления ламп, при этом число емкостей более двух, указанные емкости имеют сверху наружные отгибы с герметизирующими прокладками, закрыты герметичными светопрозрачными крышками, несут штуцера с вентилями для залива питательных сред, штуцера с вентилями для подачи углекислого газа, газовые клапаны для сброса давления, манометры давления газа, при этом люминесцентные лампы установлены выше и ниже каждой емкости; герметичный по отношению к своему внутреннему пространству и к прилегающим поперечным стенкам емкостей короб с электродвигателем, шкивами электродвигателя и шкивами емкостей, закрепленный на каркасе вдоль торцовых стенок емкостей; при этом оси шкивов емкостей проходят сквозь расположенные выше уровня суспензии отверстия в поперечных стенках емкостей и несут лопасти типа плиц, наполовину погруженные в суспензию; внутри короба установлен держатель шкива короба, состоящий из цилиндрической рукоятки и вилки; при этом рукоятка составная, включает в себя базовую часть с наружной резьбой и дополнительную часть с внутренней резьбой, навинчиваемую до определенного предела на базовую и несущую на внешнем конце свободно вращающуюся вилку с закрепленным в ней шкивом вилки; система шкивов снабжена ремнем, проходящим по шкивам емкостей змейкой, натяжение которого осуществляет держатель шкива короба.
Известно устройство RU 168821 U1 - установка для промышленного выращивания микроводорослей, включающая расположенные одна над другой на металлическом каркасе светопроницаемые емкости, снабженные источниками освещения между емкостями, отличающаяся тем, что емкости имеют верхние отгибы стенок наружу с уплотнителями на них и снабжены герметично закрепленными на отгибах с помощью струбцин крышками с рабочими клапанами сброса давления газа; источники освещения оборудованы уголковыми отражателями и датчиком внешней освещенности с реле и таймером; в емкости у дна врезаны горизонтальные трубки для слива суспензии и залива питательного раствора и подачи водного раствора углекислого газа, при этом выступающие наружу их части снабжены вентилями и накидными гайками; в емкости выше уровня суспензии врезаны горизонтальные трубки разгерметизации с вентилями снаружи; внутри емкостей перемещаются рамки для перемешивания и сбора суспензии, состоящие из трех вертикальных трубок, к которым прикреплены вертикально средняя и горизонтально нижняя пластинки; сверху вертикальные трубки герметично входят в верхнюю горизонтальную трубку, к которой присоединен штуцером рамки внутренний шланг сбора суспензии, присоединяющийся к врезанному в стенку емкости внутреннему штуцеру; внутри каждой из емкостей установлены выше уровня суспензии вдоль противоположных продольных стенок две полочки с бортиками, при этом в одной из полочек имеется углубление для внутреннего шланга сбора суспензии; горизонтальная трубка рамки несет вертикальные и горизонтальные колесные пары для перемещения по полочкам; на горизонтальной трубке каждой рамки закреплен сверху кольцевой тросик для перемещения рамки; на противоположных стенках емкостей герметично установлены ящички и шкафчики; каждый ящичек имеет герметичную дверку, несет пассивный шкив для проведения кольцевого тросика и кнопку реверса; каждый шкафчик имеет герметичную дверку, оборудован электродвигателем с редуктором и таймером для перемещения рамки, несет активный шкив и кнопку выключения электродвигателя и включения таймера периодичности его работы; снизу в каждый шкафчик герметично входит внешняя трубка сбора суспензии рамочным способом; вдоль боковых стенок емкостей со шкафчиками проходит вертикальная трубка слива суспензии рамочным способом; вдоль боковых стенок емкостей с ящичками проходят: вертикальная трубка разгерметизации, имеющая боковые отводки с накидными гайками, с помощью которых она присоединяется к горизонтальным трубкам разгерметизации, вертикальная трубка слива суспензии и залива питательного раствора и вертикальная трубка подачи водного раствора углекислого газа.
Известно устройство RU 179216 U1 - установка для промышленного выращивания микроводорослей, которая содержит емкость для выращивания микроводорослей с крышкой с уплотнителем, источниками освещения, трубками с вентилями для залива питательного раствора и слива суспензии микроводорослей и средством для перемешивания суспензии микроводорослей, отличающаяся тем, что емкость для выращивания микроводорослей несет крышку с вентиляционными отверстиями с противопылевыми фильтрами, установленный внутри емкости для выращивания микроводорослей светильник с люминесцентными лампами, с реле времени и с уплотнителем; емкость для выращивания микроводорослей оборудована водяным насосом с реле времени для обеспечения периодического автоматического перемешивания суспензии микроводорослей и электромотором с реле времени и вентилем для периодического автоматического слива зрелой суспензии микроводорослей; установка дополнительно содержит емкость для дрожжевого брожения голозерных злаков со съемной крышкой с уплотнителем и вентиляционным отверстием с противопылевым фильтром, оборудованную теплоэлектронагревателем с терморегулятором для автоматического поддержания оптимальной температуры среды брожения и электромотором с винтом на оси и с реле времени для периодического автоматического перемешивания среды брожения и снабженную трубкой с электромотором с реле времени и вентилем для периодической автоматической подачи продуктов брожения в емкость для выращивания микроводорослей; установка дополнительно содержит емкость для минеральной питательной смеси со съемной крышкой с вентиляционным отверстием с противопылевым фильтром, оборудованную трубкой с электромотором с реле времени и вентилем для периодической автоматической подачи минеральной питательной смеси в емкость для выращивания микроводорослей.
Известна установка для непрерывного получения загущенной суспензии хлореллы по полезной модели RU 189331 U1, выбранная за прототип, включающая биореактор в виде емкости из прозрачного материала с источником искусственного освещения, патрубок подвода исходной суспензии, патрубок отвода загущенной биомассы хлореллы и емкость для осаждения хлореллы, при этом емкость биореактора несет герметичную крышку с уплотнителем по краям, снабженную струбцинами для уплотнения, манометром и клапаном сброса избыточного давления, емкость биореактора содержит проходящие через нее две горизонтальные трубки: трубку с мелкими отверстиями для подачи углекислого газа, питательной среды и исходной порции хлореллы и трубку из светопрозрачного материала с люминесцентными лампами внутри в качестве источника искусственного освещения, при этом емкость биореактора с одной стороны соединена с емкостью отфильтровывания клеток хлореллы через помпу, подающую суспензию в емкость отфильтровывания клеток хлореллы, имеющую герметичную крышку и содержащую фильтр в каркасе со шнуром для его извлечения; указанная емкость для отфильтровывания клеток хлореллы соединена трубкой с расположенной по другую сторону биореактора емкостью мембраны обратного осмоса для разделения чистой воды и концентрированной культуральной среды хлореллы; указанная емкость мембраны обратного осмоса имеет герметичную крышку, патрубок с вентилем подачи чистой воды в емкость биореактора и патрубок с вентилем слива концентрированной культуральной среды хлореллы.
Недостатками вышеописанных систем культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов являются: значительная трудоемкость изготовления камеры фотобиореактора, высокая стоимость компонентов, а также низкая энергоэффективность.
Раскрытие полезной модели
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является значительное улучшение энергетической эффективности процесса культивирования фототрофных микроорганизмов в фотобиореакторах.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в
повышении эффективности фотобиореакторов для культивирования фототрофных микроорганизмов за счет использования адаптивного освещения и отражающих пластин гидрогеля с высоким альбедо.
Технический результат полезной модели состоит в том, что камера фотобиореактора для культивирования фототрофных микроорганизмов, изготовленная из оптически прозрачного материала, с патрубками ввода и вывода, источниками искусственного освещения, содержит основной отсек с Г-образной крышкой с гребнем, расстояние зазоров между зубцами гребня составляет 10,75±0,5 мм, отсек сенсоров, сообщающийся с основным отсеком через зазоры гребня Г-образной крышки, и светодиодный отсек с размещенными светодиодными лентами, используемыми в качестве источника искусственного освещения, при этом дно основного отсека выполнено с уклоном от 2° до 5° в направлении к отсеку сенсоров, светодиодный отсек, расположен снизу основного отсека, отверстие для отвода клеточной суспензии ФМ расположено снизу отсека сенсоров, отверстие ввода в верхней части основного отсека, на дне основного отсека расположена с возможностью всплытия светоотражающая пластина из гидрогеля, кроме того корпус камеры фотобиореактора содержит датчики освещенности, которые выполнены с возможностью, в зависимости от интенсивности освещения, изменения своего сопротивления, где каждый из датчиков независимо друг от друга включен в электрическую сеть через контроллер, при этом контроллер выполнен с возможностью падения или повышения напряжения в зависимости от интенсивности освещения и через резистор изменять подаваемое на светодиодную ленту напряжение.
В предпочтительном варианте:
- расстояние от дна основного отсека до дна светодиодного отсека составляет по меньшей мере 22 мм;
- дно отсека сенсоров имеет уклон относительно дна камеры на 2° до 5°.
Совокупность описанных выше существенных признаков позволяет обеспечить энергоэффективный процесс культивирования ФМ за счет возможности использования естественного и искусственного освещения, а также равномерного распределения искусственного освещения в клеточной суспензии от светоотражающей пластины из гидрогеля с высоким альбедо.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется фигурами.
На Фиг. 1 приведена камера фотобиореактора, где цифрами обозначены:
1 - пластина передняя светодиодного отсека, 2 - крепление заднее основного отсека, 3 - крепление переднее основного отсека, 4 - крепление основного отсека (2 шт.), 5 - пластина задняя камеры, 6 - пластина нижняя камеры, 7 - пластина передняя отсека сенсоров, 8 - пластина боковая камеры (2 шт.), 9 - крышка основного отсека, 10 - пластина нижняя основного отсека, 11 - крепление крышки основного отсека (2 шт.), 12 - крепление пластины нижней основного отсека (2 шт.), 13 - крышка отсека сенсоров, 14 - пластина нижняя отсека сенсоров, 15 - крепление верхнее отсека сенсоров (2 шт.), 16 - крепление нижнее отсека сенсоров (2 шт.).
На Фиг. 2 приведена камера фотобиореактора, вид сбоку, где цифрами обозначены:
17 - отсек сенсоров, 18 - шланг, 19 - основной отсек, 20 - помпа погружная, 21 - гидрогелевая пластина, 22 - светодиодный отсек.
На Фиг. 3 и Фиг. 4 приведена Г-образная крышка с гребнем - вид сбоку и вид спереди соответственно
Осуществление и примеры реализации
Камера фотобиореактора имеет форму параллелепипеда, что значительно упрощает и удешевляет процесс его изготовления. Камера фотобиореактора фиг. 2 изготовлена из оптически прозрачного материала, например органического стекла, и состоит из отсеков: основного 19, сенсоров 17, светодиодного 22, последний располагается под основным отсеком 19. Основной отсек 19 и отсек сенсоров 17 содержат крышки 9 и 13, а также состоят из пластин фиг. 1: пластина передняя светодиодного отсека 1, пластина задняя 5, пластина нижняя являющаяся общим дном камеры 6, пластина передняя отсека сенсоров 7, пластина боковая 8 (2 шт.), пластина нижняя основного отсека 10, пластина нижняя отсека сенсоров 14, скрепленных между собой винтовыми и/или клеевыми соединениями (креплениями) 2, 3, 4, 11, 12, 15, 16 Фиг. 1. Основной отсек, в котором происходит освещение клеточной суспензии, расположен в верхней части камеры фотобиореактора, имеет прозрачную Г-образную крышку 9 с гребнем, отделяющим его от отсека сенсоров 17 (датчики рН, растворенный кислород и углекислый газ). Кроме того, основной отсек 19 герметично отделен прозрачным дном 10 от светодиодного отсека 22, причем дно 10 основного отсека, имеет наклон от 2° до 5°, обеспечивающий самопроизвольное стекание клеточной суспензии в отсек сенсоров. Нижняя пластина отсека сенсоров 14 имеет уклон на 2° до 5° к одной из боковых пластин 8. На дне основного отсека расположена светоотражающая пластина 21 из гидрогеля имеющая размеры меньше крышки 9 основного отсека для возможности всплытия. Светоотражающая пластина 21 служит для равномерного распределения светового потока по толще суспензии за счет отражения света от искусственных и естественных источников в толщу клеточной суспензии. Кроме того, расстояние от дна основного отсека 10 до источников искусственного освещения выбрано от 2 до 4 см соответственно, учитывая толщину светодиодных лент от 2.2 до 5.5 мм расстояние от дна основного отсека 10 до нижней пластины (дно) 6 светодиодного отсека 22 (камеры) выбрано 2.2 до 4,55 см, что также обеспечивает эффективное проникновение светового потока в толщу суспензии. Соответственно при использовании других более объемных источников освещения расстояние от дна основного отсека до дна камеры должно быть больше. Использование светоотражающей пластины 21 дополнительно сокращает световой путь, что также позволяет повысить эффективность поглощения световой энергии и как результат - повысить выход биомассы ФМ.
Расстояние между зубцами гребня Г-образной крышки 10,75±0,5 мм подобрано таким образом, что обеспечивает беспрепятственное стекание клеточной суспензии из основного отсека в сенсорный, одновременно предотвращая попадание пластины из гидрогеля в отсек сенсоров.
В процессе культивирования основной отсек 19 заполняется клеточной суспензией ФМ, в него помещается светоотражающая пластина 21 и закрывается Г-образной крышкой 9 с гребнем, изготовленная из прозрачного оргстекла, которая не позволяет отражающей пластине 21 перемещаться в отсек сенсоров 17.
Нижняя пластина отсека сенсоров 14 имеет уклон относительно дна камеры на 2° до 5°, что обеспечивает стекание клеточной суспензии к одной из сторон камеры сенсоров, где устанавливается помпа 20.
Погружная помпа 20 в отсеке сенсоров снабжена шлангом 18, проходящим по боковой грани камеры фотобиореактора и соединяющим основной отсек 19 с отсеком сенсоров 17 через штуцеры и отверстия (на чертежах не показаны). В нижней части отсека сенсоров 17 и в верхней части основного отсека 19 расположено отверстие наружу камеры для выхода и входа соответственно шланга 18 для перекачки клеточной суспензии микроводорослей. В отсеке сенсоров 17 размещаются датчики рН, растворенного кислорода и углекислого газа, а также гидравлическая погружная помпа 20, обеспечивающая перекачку через шланг 18 клеточной суспензии микроводорослей из нижней части сенсорного отсека 17 в верхнюю часть основного отсека 19. Благодаря этому в основном отсеке 19 обеспечивается циркуляция слоя клеточной суспензии оптимальной высоты, обеспечивающей равномерное поглощение света от светодиодов и естественного источника света. Светодиодный отсек 22 отделен воздушной прослойкой от прозрачного дна 10 основного отсека 19 и служит для размещения в ней светодиодных лент на клеевом соединении. В торцевой части светодиодного отсека 22 в соответствующие отверстия диаметром 40 мм монтируются на винтовые крепления два кулера для охлаждения светодиодных лент. Через прозрачную крышку 9 основного отсека камеры фотобиореактора, обеспечивается поступление света от естественных источников, тогда как снизу через прозрачное дно основного отсека 10 обеспечивается искусственное освещение от светодиодов.
В отсек сенсоров 17 в специальные пазы устанавливаются сенсорные датчики (рН, датчики растворенного кислорода и углекислого газа), датчики подключаются к соответствующим контроллерам, а те в свою очередь подключаются к компьютеру с установленным программным обеспечением.
Конструкция камеры фотобиореактора для культивирования фототрофных микроорганизмов представлена на чертежах. На фиг. 1 изображен общий вид камеры фотобиореактора; на фиг. 2 изображена гидравлическая схема, вид сбоку; на фиг. 3 и фиг. 4 изображена Г-образная крышка основного отсека с гребенкой.
Свет от естественных источников поступает на установленные на корпусе камеры фотобиореактора датчики освещенности, которые в зависимости от интенсивности освещения меняют свое сопротивление. Каждый из датчиков независимо друг от друга включен в электрическую цепь через контроллер, при этом на контроллере фиксируется падение или повышение напряжения в зависимости от интенсивности освещения. Таким образом, происходит сбор программным обеспечением на компьютере данных об уровне освещенности.
При регистрации фоторезисторами пониженного уровня освещенности напряжение в канале контроллера изменяется. Контроллер через резистор изменяет напряжение, подаваемое на соответствующую светодиодную ленту, в результате чего происходит компенсация недостатка освещения в клеточной суспензии за счет искусственного источника света - светодиодной ленты.
Таким образом, благодаря программному обеспечению на компьютере реализуется управляющий алгоритм, который позволяет регулировать интенсивность освещения за счет изменения напряжения на светодиодах.
Использование светоотражающей пластины, изготовленной из гидрогеля с высоким альбедо, позволяет уменьшить фотический слой и увеличить светорассеивание в толще клеточной суспензии.
Использование заявляемой камеры фотобиоректора для выращивания фототрофных микроорганизмов иллюстрируется примерами.
3
2
2
2
3
3
2
4
2
2
2
3
2
3
2
2
-2
-1
Пример 1. Для культивирования была выбрана культура Chlorella sp.из коллекции НИЦ «Курчатовский институт». Приготовление посевного материала проводилось на питательной среде следующего состава: KNO, 1,25; KHPO4, 1,25; MgSO4⋅7HO, 1; CaCl, 0,0835; HBO, 0,1142; FeSO4⋅7HO, 0,0498; ZnSO⋅7HO, 0,0882; MnCl⋅4HO, 0,0144; MoO, 0,0071; CuSO4⋅5HO, 0,0157; Co(NO)⋅6HO, 0,0049; EDTA⋅2Na, 0,5. Среда стерилизовалась в автоклаве при 121°С 15 минут, рН питательной среды доводился до 7. Выращивание посевного материала проводилось в колбах Эрленмейера объемом 250 мл при постоянном освещении в люминостате с использованием ламп дневного света мощностью 20 Вт при интенсивности света 50-60 мкмоль ФАР м с. Перемешивание осуществлялось за счет барботирования атмосферным воздухом. Температура при культивировании поддерживалась на уровне 22±2°С путем кондиционирования воздуха в помещении. Питательная среда того же состава для культивирования в фотобиореакторе, что и в случае приготовления посевного материала, готовилась на дистиллированной воде и стерилизовалась в автоклаве при 121°С 15 минут, рН питательной среды доводился до 7. В полученную питательную среду объемом 5 литров инокулировался посевной материал и полученная смесь заливалась в основной отсек камеры фотобиореактора.
Перемешивание осуществлялось за счет циркуляции среды с помощью помпы и пропускания атмосферного воздуха. Температуру при культивировании (22°С) поддерживали путем кондиционирования воздуха в помещении. Благодаря тому, что расстояние между зубцами гребня г-образной крышки составляло 10,75±0,5 мм клеточная суспензия микроводорослей беспрепятственно перемещалась из основного отсека в отсек сенсоров.
Культивирование проводилось в условиях помещения при наличии искусственного освещения (светодиодов, расположенных в нижней части камеры фотобиореактора (светодиодная лента smd 2835, 120 диодов/метр, IP23) и естественного освещения (из оконного проема). Уровень искусственного освещения поддерживался постоянным - 100 мкмоль/м2*с. Выход биомассы и удельные затраты приведены в табл.
Пример 2. В основной отсек камеры фотобиореактора помещалась светорассеивающая пластина из гидрогеля (ПВС/ксантан) с содержанием частиц диоксида титана от 0,3 до 0,7 масс.%, приготовленная по методике, описанной в работе (Badranova et al., 2016). Пластина размером 200 * 200 мм помещалась в культуральную среду и обеспечивала эффективное светорассеяние в толще жидкости, как от естественных источников освещения, так и от искусственных. Благодаря пористой структуре светорассеивающая пластина из гидрогеля всплывала и находилась на расстоянии около 0,5+0,1 см от светодиодного отсека. Культивирование проводилось в условиях помещения при наличии искусственного освещения (светодиодов, расположенных в нижней части фотобиореактора (светодиодная лента smd 2835, 120 диодов/метр, IP23) и естественного освещения (из оконного проема).Уровень искусственного освещения поддерживался постоянным - 100 мкмоль/м2*с. Выход биомассы и удельные затраты приведены в табл.
Пример 3. Культивирование проводилось в тех же условиях что и в примере 1, с тем лишь отличием, что суспензия микроводорослей в процессе роста освещалась до достижения заданного уровня освещенности в 100 мкмоль/м2*с, компенсируя недостаток естественного освещения постепенным увеличением яркости светодиодного освещения.
Выход биомассы и удельные затраты приведены в табл.
Пример 4. Культивирование проводили с одновременным использованием светорассеивающей пластины из гидрогеля (ПВС/ксантан) с содержанием частиц диоксида титана от 0,3 до 0,7 масс. %. Режим освещения использовался как и в примере 3. Выход биомассы и удельные затраты приведены в табл.
Конструкция камеры фотобиореактора обеспечивает энергоэффективный процесс культивирования за счет возможности использования естественного и искусственного освещения, а также обеспечивает равномерное распределение освещения в клеточной суспензии от светоотражающей пластины из гидрогеля с высоким альбедо.