УСТАНОВКА И СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ ПЛАНКТОННЫХ ШТАММОВ ХЛОРЕЛЛЫ
INSTALLATION AND METHOD FOR CHLORELLA PLANCTON STRAINS CULTIVATION

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к конструкции установки для обеспечения роста одноклеточных водорослей, преимущественно планктонных, например хлореллы, и способу ее выращивания, нуждающейся в источнике света, питательной среде и поддержании оптимальных температурных условий, предназначенной для выпаивания сельскохозяйственным животным, проведения альголизации водоемов и получения биомассы.
Известна установка для выращивания планктонных водорослей, в частности хлореллы, выполненная в виде аквариума из прозрачного материала, в котором вертикально установлены светильники со стационарно размещенными в них лампами, под которыми расположены вентиляторы для регулирования температуры в процессе культивирования микроводорослей (патент РФ на изобретение №2268923, опубл. 21.01.2016). Устройство имеет низкую производительность и высокие затраты ручного труда для обеспечения работоспособности установки.
Известна установка для выращивания планктонных водорослей, в частности хлореллы, содержащая каркас с установленной на нем емкостью, а также светильник, выполненный в виде стеклянной трубы с размещенными внутри лампами и вентилятором под трубой. Каждая из емкостей представлена аквариумом, выполненным в виде прямоугольного параллелепипеда из прозрачного стекла с одним отверстием на нижней плоскости для слива готовой суспензии и по меньшей мере тремя отверстиями в верхней плоскости для размещения датчиков внутри аквариума, установки трубопроводов для подачи питательной среды и санитарного обслуживания. Светильники расположены между аквариумами и опираются на них пластинами, закрепленными в верхней части каждого светильника. Система обслуживания автоматизирована (патент РФ на изобретение №2485174, опубл. 20.06.2013).
Одним из недостатков этой установки является невысокая производительность в силу конструктивных особенностей расположения светильников между аквариумами, которые затрудняют их обслуживание. Существенным недостатком этой установки является необходимость введения в аквариумы исходной маточной культуры после завершения каждого цикла культивирования, который составляет четверо суток; в то же время для получения маточной культуры необходимо иметь дополнительный аквариум с отдельным обслуживанием.
Известна установка (прототип) для непрерывного выращивания планктонных водорослей, преимущественно хлореллы. Установка состоит из двух аквариумов для суспензии, светильников, емкости для приготовления питательного раствора, а также емкости для сбора и хранения готовой суспензии, соединенной с аквариумами трубопроводом. Аквариумы для суспензии микроводорослей установлены на каркасе и соединены между собой в нижней части вертикальных стенок трубопроводом для уравновешивания объема суспензии в обоих аквариумах. Каждый аквариум имеет два сливных отверстия, одно из них находится в нижней части боковой стенки для слива готовой суспензии хлореллы и ее отвода по трубопроводу в емкость для сбора и хранения суспензии, а второе отверстие расположено в нижней плоскости и предназначено для удаления донных осадков и обмывочных вод. Светильники в каждом аквариуме расположены эксцентрично по отношению к продольной оси. Светильник, размещенный между аквариумами, крепится на отдельной раме независимо от каркаса и аквариумов с возможностью свободного перемещения и съема при переходе на солнечное освещение. Емкость для питательного раствора размещена по уровню выше аквариумов и имеет два отверстия, расположенных в вертикальной боковой стенке, первое из которых находится на уровне 0,5 от объема, а второе - в придонном слое с возможностью присоединения к ним трубопроводов для слива питательного раствора в аквариумы. Возможность выращивания маточной культуры в аквариумах обеспечивается единым биотехнологическим процессом (патент РФ на изобретение №2571939, опубл. 27.12.2015).
Одним из недостатков этой установки является то, что лампы в аквариумах заключены в стеклянные обечайки. Данная конструкция крепления ламп внутри аквариума отличается трудоемкостью исполнения, а также значительно уменьшает уровень потока света, в результате чего снижается производительность установки. Существенным недостатком установки является работа только в одном режиме культивирования, предназначенном для получения биомассы.
Технический результат изобретения заключается в оптимизации освещения культуры путем выноса ламп, объединенных в светильник, за пределы емкостей и выполнении различных режимов культивирования для получения продукции.
Для достижения данного технического результата в предлагаемой установке для выращивания хлореллы, включающей подставку с установленными на нее аквариумами для суспензии микроводорослей, лампы располагают вертикально между боковыми аквариумами и горизонтально над центральной емкостью, при этом все лампы объединяют в светильник, состоящий из единой рамы, и закрепляют на каркасе с возможностью ее перевода в вертикальное положение при обслуживании аквариумов и переходе на солнечное освещение. Для получения продукции используются различные режимы культивирования, для каждого из которых применяются отдельные планктонные штаммы и питательные растворы.
При сравнительном анализе заявленного изобретения и известного по RU 2571939 С1, 27.12.2015 можно вывести следующие существенные признаки:
- установка состоит из трех аквариумов, при этом суммарный объем двух боковых равен объему центрального, которые неравноценны не только по функциональной нагрузке, но и разнятся по конструктивному устройству, а также способу культивирования в них хлореллы;
- каждый аквариум имеет по три сливных отверстия: два расположены в нижней части боковой стенки аквариума, одно из которых служит для слива готовой суспензии, второе для уравновешивания объемов суспензии в аквариумах; третье расположено в нижней плоскости и предназначено для удаления донных осадков и обмывочных вод при мойке аквариума;
- лампы располагаются вертикально между боковыми аквариумами и горизонтально над центральной емкостью, при этом все лампы объединены в светильник, состоящий из единой рамы, закрепленной на каркасе подставки, с возможностью ее перевода в вертикальное положение при обслуживании аквариумов и переходе на солнечное освещение;
- достижение оптимального освещения в начальный период культивирования осуществляется путем включения вертикально расположенных ламп, находящихся между аквариумами; в процессе роста клеток и увеличения оптической плотности культуры подключают горизонтальные лампы, расположенные над центральным аквариумом;
- емкости для приготовления питательного раствора выставлены по уровню выше аквариумов, при этом каждый аквариум имеет отдельную емкость с соответствующим ему объемом и отверстием в нижней стенке каждой емкости, к которым присоединены трубопроводы для слива питательного раствора;
- культура, достигшая нормативной оптической плотности, сливается попеременно: один раз из центрального аквариума, в следующий раз из двух боковых емкостей;
- в освободившийся аквариум после слива культуры через соединительный трубопровод перетекает исходная культура, в результате уравновешиваются объемы во всех аквариумах, после чего добавляется питательный раствор;
- получение маточной культуры встроено в единый биотехнологический процесс, который осуществляется попеременно в центральной или боковых емкостях;
- установка позволяет использовать различные режимы культивирования, при этом для каждого режима культивирования предназначены свой планктонный штамм и питательный раствор;
- каждый режим культивирования предназначен для получения отдельного вида продукции, которая используется по различным направлениям хозяйственной деятельности.
Наличие перечисленных выше отличительных признаков в совокупности с признаками, общими для известного и заявленного технических решений, является достаточным и необходимым в достижении технического результата при реализации заявленного изобретения.
Изобретение поясняется чертежами, на которых: фигура 1 - схематическое изображение общего вида установки, фигура 2 - расположение ламп светильника, фигура 3 - вертикальное положение светильника.
Установка для выращивания планктонных штаммов хлореллы - фигура 1 - включает размещенные на каркасе 1 аквариумы 2, выполненные из прозрачного материала. В состав установки входит три аквариума - два боковых и один расположенный в центре, при этом объем центрального аквариума равен суммарному объему двух боковых. Освещение аквариумов 2 достигается двумя категориями ламп - одни установлены вертикально (ДНаТ) 3 и находятся между аквариумами 2, другие над центральным аквариумом в горизонтальном положении (ДНаЗ) 4. Все лампы крепятся на отдельной независимой от аквариумов раме 5, образуя единый светильник (фигура 2).
Светильник (фигура 2) подключен к источнику питания 6 (фигура 1) и крепится к каркасу 1 (фигура 1) с возможностью перевода его в вертикальное положение (фигура 3).
Емкости для приготовления питательного раствора 7 выставлены по уровню выше аквариумов 2 и в нижней плоскости имеют отверстия, к которым присоединены трубопроводы 8 для слива питательного раствора в аквариумы 2, при этом каждый аквариум имеет отдельную емкость.
Аквариумы 2 соединены между собой через отверстия в нижней части вертикальных стенок трубопроводом с краном 9.
Аквариумы 2 имеют по два сливных отверстия, при этом одно расположено в нижней части боковой стенки 10 и предназначено для слива суспензии хлореллы, второе расположено в нижней плоскости 14 и предназначено для удаления донных осадков и обмывочных вод при санитарной обработке полости аквариума.
Аквариумы и емкость для сбора и хранения готовой продукции соединены между собой трубопроводом. Готовая суспензия по трубопроводу 11 насосом 12 перекачивается в емкость 13.
Способ культивирования планктонных штаммов хлореллы осуществляется с помощью предлагаемой установки следующим образом. Маточной культурой хлореллы заливают центральный аквариум. Открывают кран трубопровода, соединяющий аквариумы, и уравновешивают в емкостях суспензию. Предлагаемая установка предназначена для культивирования планктонных штаммов на оптимальной для каждого из них питательной среде, которая содержит необходимые компоненты, состоящие из двух блоков: первый блок, включает минеральные вещества, второй - органические. Для каждого режима культивирования предназначена своя питательная среда из расчета на 1 л водопроводной воды:
Питательную среду вводят в каждый аквариум в соответствии с режимом культивирования из емкостей по трубопроводу. Температура суспензии в заправленных таким образом аквариумах должна соответствовать оптимальной - 28-30°С, оптическая плотность от 1,0 до 1,2 D (440).
Оптимальное освещение осуществляется путем рационального использования светильника, подбора необходимых ламп: например, лампы ДНаТ устанавливают в вертикальное положение между аквариумами, лампы ДНаЗ размещают горизонтально над центральным аквариумом. Увеличение светоотдачи ламп достигается за счет свободного крепления к раме как вертикальных, так и горизонтальных источников света.
Такое устройство светильника позволяет на начальной стадии культивирования, когда свет проходит через всю толщу суспензии, включать вертикальные лампы, находящиеся между аквариумами. По мере роста клеток и возрастания оптической плотности для увеличения освещенности включаются лампы, расположенные горизонтально над центральным аквариумом. Таким образом достигается освещение, соответствующее оптимальным физиологическим потребностям клеток в процессе культивирования. Освещение культуры лампами составляет 12 часов в сутки. При использовании солнечного света процесс культивирования длится в течение светового дня, при этом требуется соблюдать оптимальный термический режим суспензии, не допуская ее перегрева. За счет такого режима освещения достигается значительная экономия электроэнергии и оптимальная освещенность культуры.
В процессе выращивания водорослей в аквариумах как при искусственном, так и при естественном освещении в дневное время поддерживается оптимальная температура 28-30°С, в ночное от 23 до 25°С, что соответствует биологии развития и способствует интенсивности роста и размножения клеток.
При культивировании по Режиму I культура достигает оптической плотности от 1,4 до 1,8 D (440) (далее - нормативной оптической плотности) за четырехсуточный период выращивания, при этом ежесуточно в суспензию хлореллы добавляется раствор углекислого газа по блоку 2.
При культивировании по Режиму II культура достигает нормативной оптической плотности за двое суток, при этом в суспензию хлореллы на вторые сутки, как и в первые, добавляется раствор углекислого газа по блоку 2.
При культивировании по Режиму III культура достигает нормативной оптической плотности за одни сутки при однократном добавлении раствора углекислого газа по блоку 2.
Биотехнология культивирования хлореллы независимо от выбранного режима не предусматривает отдельной установки для выращивания маточной культуры, так как слив готовой суспензии хлореллы по истечению периода выращивания осуществляется поочередно (один раз из центрального аквариума, второй - из боковых), и все действия повторяются, тем самым обеспечивая необходимый режим получения суспензии хлореллы.
Пример 1. Предлагаемую установку используют по Режиму I как описано выше. Исходной суспензией хлореллы с оптической плотностью от 1,4 до 1,8 D (440) на основе штамма Chlorella vulgaris ИФР № С-111 (RU 1751981) заполняют центральную емкость и открываю краны в остальные аквариумы для уравновешивания суспензии во всех емкостях. Заливают питательную среду из емкостей, по уровню расположенных выше аквариумов, каждая из которых предназначена для своего аквариума. Светильник переводят в горизонтальное положение и включают свет на 12 часов. В процессе выращивания в аквариумах поддерживают температуру 28-30°С в дневное и 23-25°С в ночное время. Выращивают культуру в течение четырех суток, при этом ежесуточно добавляют раствор углекислого газа. Готовность суспензии хлореллы устанавливают по оптической плотности, которая должна достигнуть нормативной. Готовую суспензию в количестве 0,5 от общего объема сливают из центрального или боковых аквариумов. Освободившиеся емкости моют, и процесс повторяется. Культура, выращенная таким образом, используется для выпаивания сельскохозяйственным животным.
Пример 2. Предлагаемую установку используют по Режиму II как описано выше. Исходной суспензией хлореллы с нормативной оптической плотностью на основе штамма Chlorella vulgaris BIN (RU 2192459) заполняют центральную емкость и открывают краны в остальные аквариумы для уравновешивания суспензии во всех аквариумах. Заливают питательную среду из емкостей, по уровню расположенных выше аквариумов, каждая из которых предназначена для своего аквариума. Светильник переводят в горизонтальное положение и включают свет на 12 часов. В процессе выращивания в аквариумах поддерживают температуру 28-30°С в дневное и 23-25°С в ночное время. Выращивают культуру в течение двух суток. Готовность суспензии хлореллы устанавливают по оптической плотности, которая должна соответствовать нормативной. Готовую суспензию в количестве 0,5 от общего объема поочередно сливают из центрального или боковых аквариумов. Освободившиеся емкости моют и процесс повторяется. Культура, выращенная таким образом, используется для альголизации водоемов и очистки сточных вод.
Пример 3. Предлагаемую установку используют по Режиму III как описано выше. Исходной суспензией хлореллы с нормативной оптической плотностью на основе штамма Chlorella kessleri ВКПМ Al-12 (RU 2613424) заполняют центральную емкость и открывают краны в остальные аквариумы для уравновешивания суспензии во всех аквариумах. Заливают питательную среду из емкостей, по уровню расположенных выше аквариумов, каждая из которых предназначена для своего аквариума и имеет трубопровод, соединяющий емкость с питательной средой с аквариумом. Светильник переводят в горизонтальное положение и включают свет на 10 часов, далее отключают свет на 2 часа и повторно включают на 10 часов. Выращивают культуру в течение одних суток. В процессе выращивания в аквариумах поддерживают температуру 28-30°С в дневное и 23-25°С в ночное время. Готовность суспензии хлореллы устанавливают по показанию оптической плотности, которая должна соответствовать нормативной. Готовую суспензию в количестве от 0,5 общего объема поочередно сливают из центрального или боковых аквариумов. Освободившиеся емкости моют, и процесс повторяется. Культура, выращенная таким образом, используется для получения биомассы.
Надежность работы и удобство обслуживания установки обусловлены конструктивными особенностями, которые облегчают осуществление биотехнологического процесса. Установка не нуждается в дополнительном приборном оформлении или программном управлении и экономно расходует электроэнергию.
Предлагаемая установка расширяет спектр использования планктонных штаммов хлореллы за счет приспособленных под каждый штамм режимов культивирования, а также позволяет применять установку для получения продукции, которая используется в различных направлениях хозяйственной деятельности.