УСТРОЙСТВО ТОНКОСЛОЙНОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИХ МИКРООРГАНИЗМОВ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА
DEVICE FOR THIN-LAYER CULTIVATION OF PHOTOSYNTHESIZING MICROORGANISMS FOR UTILIZATION OF CARBON DIOXIDE

Изобретение относится к области биотехнологии, в частности к устройствам для выращивания фотосинтезирующих микроорганизмов и предназначено для очистки воздуха от загрязнений широкого спектра, в том числе, углекислого газа.
Известна установка для культивирования фототрофов (Патент RU №2450049, МПК C12N 1/12, С12М 1/02, С12М 1/36, С12М 1/42, опубл. 10.05.2012), где перемешивание и аэрацию суспензии фотосинтезирующих микроорганизмов осуществляют за счет возвратно-поступательного перемещения суспензии микроводорослей в горизонтальной плоскости при фиксированных условиях роста (температуре и рН). При этом культуральная жидкость освещается диодами с регулируемой частотой и длительностью светового импульса, расположенными под прозрачными днищами сосудов одинаковой формы.
Недостаток данной установки заключается в том, что отношение площади освещаемой поверхности жидкости к ее объему не оптимально для высокопроизводительного культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. Поскольку увеличение слоя жидкости снижает качество перемешивания жидкости, а уменьшение - приводит к перегреву суспензии.
Известна установка для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов (Заявка на изобретение RU №94024 5 94, МПК C12N 1/00, опубл. 10.08.1996), содержащая: трубчатый фотобиореактор с облучением микроорганизмов внешними источниками света, теплообменник, газообменник, побудитель расхода суспензии и сепаратор для отбора клеток, находящихся преимущественно в фазе светонезависимого роста.
Данное устройство является довольно громоздким, поскольку площадь освещаемой поверхности увеличивается при уменьшении диаметра прозрачных труб, что повышает гидравлическое сопротивление системы и протяженность трубопроводов которые необходимо регулярно очищать от биообрастаний.
Особенно выгодным представляется выращивание фототрофных микроорганизмов в фотобиореакторе, у которого отношение площади освещаемой поверхности к объему суспензии максимально, что позволяет обеспечить необходимое рассеивание света во всем объеме фотобиореактора.
Наиболее близким аналогом по технической сущности является фотобиореактор "СИРЕНЬ" разработанный Институтом медико-биологических проблем (ИМБП) в котором проблема неравномерности распределения освещения решена рассеиванием интенсивного света внутри водорослевой суспензии с помощью клиновидных световодов (Цоглин Л.Н., Пронина Н.А. Биотехнология микроводорослей. М.: "Научный Мир", 2012. С. 143).
Недостатками фотобиореактора «СИРЕНЬ» являются: высокая стоимость изготовления световода из монолитного органического стекла, проблематичность очистки поверхности культиватора от биообрастаний, высокая концентрация углекислого газа (более 5000 ppm) на выходе из устройства при работе в номинальном режиме эксплуатации.
Технической задачей является повышение эффективности выращивания фотосинтезирующих микроорганизмов и уменьшении концентрации углекислого газа на выходе из культиватора, а также упрощении процесса очистки фотобиореактора от биообрастаний.
Достигается техническая задача за счет того, что устройство тонкослойного культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов для утилизации углекислого газа содержит тонкослойный фотобиореактор, в который вложен светораспределительный узел с клиновидными световодами, рубашку водяного охлаждения, соединенную с теплообменником и расположенную внутри светораспределительного узла вокруг источника фотосинтетически активной радиации, нагнетатель газовой среды и побудитель движения жидкости, сепаратор и узел дозирования питательной среды, соединенный со смесителем жидкостей, через который сепаратор соединен с тонкослойным фотобиореактором, фильтр механической очистки газовой смеси, соединенный через нагнетатель газовой среды с концентратором углекислого газа и далее через тонкослойный фотобиореактор и водоструйный вакуумный насос с противоточным аэрофильтром, заполненным биозагрузкой с разветвленной поверхностью, причем вакуумный дегазатор соединен с водоструйным вакуумным насосом, противоточным аэрофильтром и побудителем движения жидкости.
Особенностью данного устройства является то, что светораспределительный узел с клиновидными световодами выполнен с быстроразъемными соединениями, противоточный аэрофильтр может использоваться для гидропонного и аэропонного выращивания растений.
Светораспределительный узел с клиновидными световодами, обеспечивающими равномерное распределение освещения в объеме суспензии фотосинтезирующих микроорганизмов. Светораспределительный узел имеет две оптически прозрачные поверхности: центральную предназначенную для поглощения излучения от источника фотосинтетически активной радиации, расположенного в центральной части тонкослойного фотобиореактора, и периферийную с разветвленной (клиновидною) поверхностью, предназначенную для равномерного излучения фотосинтетически активной радиации. Охлаждение суспензии микроводорослей в тонкослойном фотобиореакторе обеспечивается циркуляцией прозрачной для фотоактивной радиации жидкостью между теплообменником и рубашкой водяного охлаждения, расположенной внутри светораспределительного узла вокруг источника фотосинтетически активной радиации. Однородное перемешивание суспензии фотосинтезирующих микроорганизмов во всем объеме тонкослойного фотобиореактора осуществляется благодаря вращательному движению жидкости среди клиновидных световодов, вследствие аэрации газовоздушной смесью с содержанием углекислого газа более 5000 ppm.
Конструкция устройства тонкослойного культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов поясняется чертежом (фиг 1), на котором приведена технологическая схема утилизации углекислого газа.
А - Загрязненный воздух
В - Очищенный воздух
С - Питательная среда
D - Избыточная биомасса микроорганизмов
Е - Отводимое тепло от тонкослойного фотобиореактора
Устройство тонкослойного культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов для утилизации углекислого газа содержит: светораспределительный узел с клиновидными световодами 1, источник фотосинтетически активной радиации 2, тонкослойный фотобиореактор 3, рубашка водяного охлаждения 4, теплообменник 5, концентратор углекислого газа 6, противоточный аэрофильтр 7, узел дозирования питательной среды 8, сепаратор 9 для избыточной биомассы микроорганизмов, фильтр механической очистки газовой смеси 10, нагнетатель газовой среды 11, побудитель движения жидкости 12, смеситель жидкостей 13, вакуумный дегазатор 14, водоструйный вакуумный насос 15, биозагрузка с разветвленной поверхностью 16.
Устройство работает следующим образом.
Светораспределительный узел с клиновидными световодами 1 устанавливается в объеме тонкослойного фотобиореактора 3, который заполняется питательной средой и посевным материалом фотосинтезирующих микроорганизмов. Далее последовательно включаются нагнетатели газовой среды 11, источник фотосинтетически активной радиации 2 и побудитель движения жидкости 12. При этом в противоточном аэрофильтре 7 происходит выделение кислорода из культуральной среды, а сепараторе 9 удаление лишней биомассы микроводорослей. Рециркуляция охлаждающей жидкости между теплообменником 5 и проточными полостями в светораспределительном узле с клиновидными световодами 1 обеспечивает оптимальную температуру для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. Вследствие того, что поток воздуха, прошедший через фильтр механической очистки 10 первоначально нагнетается в концентратор углекислого газа 6, то аэрация тонкослойного фотобиореактора 3 производится газовоздушной средой с концентрацией углекислого газа выше 5000 ppm. Благодаря этому достигается повышение скорости роста фотосинтезирующих микроорганизмов, увеличение количества поглощаемого СО2. По мере необходимости модуль светораспределительного узла с клиновидными световодами 1 изымается из тонкослойного фотобиореактора 3 для сервисного обслуживания и удаления биопленки с поверхности пластин.
Итак, конструктивное решение в виде тонкослойного фотобиореактора 3 обеспечивает необходимое для эффективного роста фотосинтезирующих микроорганизмов распределение света во всем объеме суспензии. Рециркуляция жидкости между рубашкой водяного охлаждения и теплообменником, уменьшает нагрев суспензии микроводорослей. Повышению КПД тонкослойного фотобиореактора 3 способствует аэрация суспензии микроорганизмов газовоздушной средой с концентрацией СО2 выше 5000 ppm, поступающей из концентратора углекислого газа. Съемная конструкция светораспределительного узла 1 упрощает процесс очистки тонкослойного фотобиореактора 3 от биообрастаний. Вакуумный дегазатор 14 удаляет растворенный кислород из суспензии фотосинтезирующих микроорганизмов, что увеличивает скорость поглощения СО2.
Таким образом, предлагаемая конструкция устройство тонкослойного культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов для утилизации углекислого газа позволяет повысить эффективность выращивания фотосинтезирующих микроорганизмов и увеличить количество углекислого газа, поглощаемого при этом.