УСТРОЙСТВО АЭРАЦИИ И ЦИРКУЛЯЦИИ ЖИДКОСТИ ДЛЯ ФОТОБИОРЕАКТОРА ПРОТОЧНОГО ТИПА

Полезная модель относится к области микробиологии, в частности к устройствам обеспечения жизнедеятельности фотосинтезирующих микроорганизмов, например микроводорослей (МВ) при искусственном культивировании в научных или производственных целях и может быть использовано в биотехнологии, пищевой промышленности, фармацевтике, и сельском хозяйстве.
Известен биореактор для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов (патент РФ №2471863 МПК C12M 1/04, опубл. 10.01.2013 г.), содержащий устройство для перемешивания и аэрации, включающее патрубки для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды. Существенным недостатком известного устройства является наличие вращающихся элементов и необходимость применения электромеханической системы для их активации, что снижает надежность работы устройства в целом.
Также известен биореактор для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов (патент РФ 2299903, МПК C12M 1/04, опубл. 27.05.2007 г.), содержащий устройство для перемешивания и аэрации микроорганизмов, включающее патрубки соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды, размещенные в крышке рабочей емкости, в котором насыщение культуральной среды углекислым газом осуществляется путем создания закрученного потока аэрирующего газа на поверхности суспензии. В описанном устройстве эффективность использования углекислого газа относительно невысока ввиду его интенсивного выделения и испарения в атмосферу, особенно из областей с пониженным давлением жидкости.
Кроме того, известные устройства не позволяют реализовать режим перемещения культуральной среды, близкий к режиму идеального замещения, обеспечивающий пространственное разделение последовательных стадий развития культуры микроорганизмов для их одновременного изучения.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание автоматизированного устройства аэрации и циркуляции культуральной жидкости для фотобиореактора (ФБР) по выращиванию фотосинтезирующих микроорганизмов, в котором движение жидкой среды осуществляется за счет избыточного давления газов, образующихся в процессе фотосинтеза.
В результате использования предлагаемой полезной модели реализуется режим, близкий к режиму идеального замещения, позволяющий минимизировать смешивание локальных объемов культуральной жидкости, содержащих культуру MB в различных фазах ее развития, повышается содержание растворенного углекислого газа, что способствует более интенсивному росту микроорганизмов, обеспечивается высокая точность поддержания заданной скорости жидкости вдоль рабочего объема ФБР, что позволяет контролировать его производительность в широких пределах.
Устройство реализует режим, близкий к режиму идеального замещения, позволяющий исследовать протекание биохимического процесса на всех его стадиях одновременно.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство аэрации и циркуляции жидкости для фотобиореактора проточного типа включает расходную емкость для культуральной жидкости с обратным клапаном, присоединенную через входной электромагнитный клапан к верхней части рабочей камеры фотобиореактора, приемную емкость, присоединенную к нижней части рабочей камеры через электромагнитный клапан, газовый инжектор и микропроцессорный блок управления соединенный кабелями с электромагнитными клапанами расходной и приемной емкостей.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена общая схема устройства аэрации и циркуляции жидкости для фотобиореактора проточного типа.
Устройство аэрации и циркуляции жидкости для фотобиореактора проточного типа включает расходную емкость для культуральной жидкости 2 с обратным клапаном 7, присоединенную через входной электромагнитный клапан 4 к верхней части рабочей камеры 1 фотобиореактора, приемную емкость 3, присоединенную к нижней части рабочей камеры через электромагнитный клапан 5, газовый инжектор 6 и микропроцессорный блок управления 8, соединенный кабелями 9 и 10, соответственно, с электромагнитными клапанами расходной 4 и приемной 5 емкостей.
Устройство аэрации и циркуляции жидкости функционирует следующим образом.
Перед началом работы в расходную емкость 2 заливают свежую культуральную жидкость, содержащую инокулят культуры микроводорослей (MB), предназначенных для выращивания или/и исследования, а также субстратные компоненты питательной среды, содержащие необходимые для роста MB элементы (азот, фосфор, магний и др.). После этого из микропроцессорного блока управления 8 по кабелю 9 подают сигнал на открывание электромагнитного клапана 4 и заполняют рабочую камеру 1 ФБР культуральной жидкостью, постепенно вытесняя из нее воздух, который поднимается вверх и собирается в верхней части расходной емкости 2.
Заполнив рабочую камеру культуральной жидкостью, устройство переводят в нормальный режим. В нормальном режиме работу устройства осуществляют следующим образом: посредством газового инжектора 6 в рабочую камеру 1 подают углекислый газ, который, поднимаясь вверх, растворяется в культуральной жидкости и поглощается за счет фотосинтеза растущими клетками MB. В процессе фотосинтеза MB образуется свободный кислород, который, вместе с не растворившимся углекислым газом, поднимается вверх и поступает в расходную емкость 2 через открытый электромагнитный клапан 4. Пока клапаны 5 и 7 закрыты, избыточное давление смеси газов внутри расходной емкости постепенно возрастает и достигает определенного (установленного в программе блока управления) порогового уровня (например, превышающего атмосферное давление на 0,01 МПа), при котором автоматически открывается обратный клапан 7, и накопившиеся в ней газы частично сбрасываются в атмосферу. Этот процесс постоянно повторяется
по мере накопления газов, благодаря чему в рабочей камере поддерживается постоянный уровень избыточного давления. Это обеспечивает заданную повышенную растворимость углекислого газа в культуральной жидкости при заданной температуре.
Микропроцессорный блок управления, с установленной в программе эксперимента периодичностью, открывает клапан 5 и держит его в открытом состоянии в течение определенного интервала времени с тем, чтобы под действием избыточного давления требуемый объем свежей культуральной жидкости (например, 20 мл на 1 л объема рабочей камеры) поступил из расходной емкости 2 на вход рабочей камеры ФБР, вытеснив из нее равный объем культуральной жидкости, прошедший полный цикл культивирования, в приемную емкость 3. После закрывают клапан 5, подав на него соответствующий сигнал из БУ по кабелю 10. Описанную выше последовательность автоматически выполняемых операций повторяют, обеспечивая, с одной стороны, подачу углекислого газа, с другой стороны - поступательное движение культуральной жидкости через рабочий объем ФБР по направлению к приемной емкости 3 с заданной средней скоростью, определяемой объемом культуральной жидкости, подаваемым в рабочий объем из расходной емкости за время открытого состояния клапана 5, и частотой повторения этого цикла. Регулирование скорости материального потока осуществляют путем изменения количества жидкости, вводимой в рабочий объем ФБР в течение одного цикла при постоянной периодичности, либо путем изменения периода цикла при постоянном объеме жидкости вводимой в единичном цикле. Ввиду относительно небольшого объема жидкости, подаваемой в рабочий объем в течение одного цикла, устройство позволяет минимизировать смешивание локальных объемов культуральной жидкости, содержащих культуру MB в различных фазах ее развития, в результате чего реализуется режим, близкий к режиму идеального замещения, позволяющий исследовать протекание биохимического процесса на всех его стадиях одновременно.