КОМБИНИРОВАННЫЙ ФОТОБИОРЕАКТОР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОМАССЫ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ РАЗНЫХ ВИДОВ

Полезная модель относится к технологиям получения растительного сырья из микроводоросли для последующего использования в биотопливной энергетике, пищевой промышленности, сельском хозяйстве и для производства препаратов для научных исследований.
Биомасса фотосинтезирующих микроорганизмов широко используется в качестве сырья растительного происхождения для приготовления пищевых и кормовых добавок, косметических средств. В последние десятилетия интенсивно ведутся работы по созданию технологий производства из микроводорослей биотоплив третьего поколения для использования на транспорте и в энергетике.
Себестоимость биомассы, произведенной в искусственных условиях, определяется, главным образом, энергетическими затратами, поскольку процесс фотосинтеза характеризуется высокой энергоемкостью. Так, для синтеза 1 кг биомассы микроводоросли (MB) поглощают порядка 15 МДж солнечной энергии в специфическом диапазоне ФАР (фотосинтетически активная радиация).
Общим недостатком известных устройств является низкая эффективность использования искусственного излучения и, следовательно, высокая стоимость единицы произведенного сырья.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности использования светового потока при проведении процесса фотосинтеза биомассы микроводорослей.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает повышение энергоэффективности фотобиореактора за счет более полного использования световой энергии при его последовательном пропускании через одновременно выращиваемые культуры микроводорослей, имеющие различия в спектральном составе фотосинтетической активной радиации за счет использования двух секций в последовательном пропускании через них светового потока.
Технический результат достигается тем, что комбинированный фотобиореактор для производства биомассы микроводорослей разных видов состоит из корпуса, имеющего внешнюю цилиндрическую стенку, разделенного соосно вложенными в него средней и внутренней цилиндрическими стенками на внешнюю, среднюю и внутреннюю секции, внешняя и средняя секции герметизированы посредством общих, верхнего и нижнего, торцевых фланцев и имеют отдельные, расположенные на нижнем и верхнем фланце входные и выходные патрубки, соответственно, для пропускания через секции рабочей жидкости, внутренняя и средняя цилиндрические стенки выполнены из светопроницаемого материала, а на внутреннюю сторону внешней цилиндрической стенки нанесено светоотражающее покрытие, во внутренней секции расположен излучатель в виде группы светодиодов со спектром излучения в видимом диапазоне, оси потоков излучения светодиодов направлены радиально от центра корпуса к его периферии и имеют равномерное угловое распределение в плоскости проекции, перпендикулярной общей оси секций, светодиоды соединены кабелем с управляемым блоком питания.
Сущность полезной модели поясняется фиг 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 представлена общая схема комбинированного фотобиореактора.
На фиг. 2 представлена схема распределения осей потоков излучения светодиодов.
Комбинированный фотобиореактор для производства биомассы микроводорослей разных видов содержит корпус 1, имеющий внешнюю цилиндрическую стенку 2, разделенного соосно вложенными в него средней 3 и внутренней 4 цилиндрическими стенками на внешнюю 5, среднюю 6 и внутреннюю 7 секции, внешняя и средняя секции герметизированы посредством двух общих торцевых фланцев 8 и 9. На нижнем фланце 8 установлены входные патрубки 10 и 11 внешней и средней секции, соответственно. На верхнем фланце 9 установлены выходные патрубки 12 и 13 внешней и средней секции, соответственно. Патрубки служат для пропускания рабочей жидкости через внешнюю и среднюю секции. Внутренняя 4 и средняя 3 цилиндрические стенки выполнены из светопроницаемого материала (например, стекла, поликарбоната и др.). На внутреннюю сторону внешней цилиндрической стенки 2 нанесено светоотражающее покрытие 14, во внутренней секции расположен излучатель 15 в виде группы светодиодов 16 со спектром излучения в видимом диапазоне. Оси 17 потоков излучения светодиодов направлены радиально от центра корпуса к его периферии и имеют равномерное угловое распределение, т.е. повернуты на один и тот же угол 20 относительно друг друга, в плоскости проекции, перпендикулярной общей оси секций, светодиоды соединены кабелем 18 с управляемым блоком питания 19.
Работа фитобиореактора на примере культивирования микроводоросли Chlorella vulgaris биотопливного и кормового назначения в едином процессе с микроводорослью Porphyridium cruentum с высоким содержанием фикоэритрина для приготовления пищевых красителей осуществляется следующим образом.
Из управляемого блока питания 19 по кабелю 18 подают требуемое напряжение на светодиоды 16 излучателя 15, расположенного во внутренней секции 7. Оси 17 потоков излучения светодиодов направлены радиально от центра корпуса к его периферии и равномерно распределены в проекции, перпендикулярной общей оси, образуя равные углы 20 относительно друг друга, что обеспечивает равномерность освещения культивируемых микроводорослей, которые подают через входные патрубки 10 и 11 в секции 5 и 6 корпуса 1 фотобиореактора. Через входной патрубок 10 во внешнюю секцию 5 подают рабочую жидкость, содержащую взвешенный инокулят культуры Porphyridium cruentum а, в среднюю секцию 6 через входной патрубок 11 подают рабочую жидкость, содержащую взвешенный инокулят культуры Chlorella vulgaris. Рабочая жидкость также содержит растворенные биогенные компоненты (соединения элементов N, P, Mg и др., обычно используемые при культивировании соответствующих видов микроводоросли, или стандартные смеси биогенных компонентов такие как, широко применяемая среда Тамия). Одновременно с рабочей жидкостью в секции 5 и 6 подают углекислый газ, который поднимается вверх и, растворяясь, питает клетки микроводоросли. Протекающая через секции 5 и 6 рабочая жидкость находится под действием излучения, поступающего от светодиодов 16 через светопроницаемые цилиндрические стенки 4 и 3, в результате чего происходит одновременный фотосинтез биомассы обоих культур. Выращенную биомассу Porphyridium cruentum и Chlorella vulgaris, выводят из фотобиореактора вместе с рабочей жидкостью через выходные патрубки 12 и 13, соответственно. При этом эффективность использования световой энергии и, соответственно, энергии, потребляемой фотобиореактором, обеспечивается за счет того, что излучение, которое не было поглощено клетками Chlorella vulgaris в секции 6, проходит в секцию 5 и активизирует процессы фотосинтеза клеток Porphyridium cruentum, находящихся в секции 5. В результате удельная энергоемкость производства биомассы микроводорослей в расчете на единицу произведенной биомассы возрастает не менее чем на 25%, по сравнению с обычным фотобиореактором, предназначенным для производства одной культуры микроводоросли. Кроме этого, как показывают эксперименты (Roth P., et al. Isolation and application of phycoerythrin from Porphyridium cruentum // Zentralbl. Mikrobiol. - 1989. - 144, No 7. - P. 517-529), выбор пары культур, рассматриваемой в данном примере, обеспечивает 50-процентное увеличение выхода фикоэритрина из биомассы Porphyridium cruentum, который является ценным натуральным сырьем для пищевой промышленности.