ДОЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ПОДАЧИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В ФОТОБИОРЕАКТОР

Полезная модель относится к области биотехнологии, в частности к техническим устройствам, предназначенным для поддержания условий развития фотосинтезирующих микроорганизмов, таких как микроводоросли (MB) при их искусственном разведении в производственных или научных целях и может быть использовано в пищевой промышленности, фармацевтике, сельском хозяйстве.
В известных устройствах подачи углекислого газа в биореактор по культивированию растительных клеток, в большинстве случаев, не оснащены дозирующими о устройствами (например, патент РФ №2099413, C12M 1/00, C12M 3/00, опубл. 20.12.1997 или пат. США N 4259449, кл. C12N 5/02, опубл. 1981), что не позволяет эффективно управлять процессом роста фотосинтезирующих организмов, которые, как известно (Росс М.Ю., Стребков Д.С. Биодизельное топливо из водорослей / Под ред. д-ра хим. наук, проф. Щекочихина Ю.M. - М: ГНУ ВИЭСХ, 2008. - 252 с), характеризуются высокой чувствительностью к недостатку или избытку углекислоты, растворенной в культуральной среде.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по своей технической сути является система дозирования углекислого газа, включающий баллон со сжатым газом, трубопровод, термостатированный мерный сосуд, в котором дозирование газа осуществляют за счет изменения количества растворенного газа в воде путем изменения температуры в мерном сосуде (патент SU 1408228 G01F 11).
К принципиальным недостаткам известного устройства следует отнести необходимость применения термостатирующей системы, оснащенной нагревателем, потребляющим электроэнергию, а также высокую инерционность рабочей характеристики устройства при изменении требуемого количества углекислого газа, подаваемого в биореактор. В результате возможен непроизводительный расход углекислого газа в переходных режимах. Кроме того, известное устройство неудобно в обслуживании поскольку дополнительно содержит нагреватель мерного сосуда и термостат, вследствие чего оно энергетически неэффективно и имеет малый диапазон регулирования скорости подачи газа в ФБР.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание автоматического энергоэффективного, быстродействующего, удобного в обслуживании, устройства подачи углекислого газа в фотобиореактор (ФБР). В результате использования предполагаемой полезной модели обеспечивается точность дозированной подачи углекислого газа в ФБР в соответствии с фактической потребностью растущих клеток фотосинтезирующих организмов, благодаря чему исключается непродуктивный расход данного материала, и реализуется возможность управления продуктивностью культивируемых микроорганизмов путем регулирования в широких пределах количества углекислого газа, поступающего в водную среду.
Указанный технический результат достигается тем, что дозирующее устройство подачи углекислого газа в фотобиореактор включает последовательно соединенные между собой трубопроводом баллон высокого давления, наполненный углекислым газом, вентиль, редуктор с манометрами на его входе и выходе, и мерный сосуд с входным и выходным электромагнитными клапанами, а также микропроцессорный блок Управления, соединенный сигнальными кабелями с входным и выходным электромагнитными клапанами мерного сосуда.
Состав и принцип работы предлагаемого дозирующего устройства подачи углекислого газа в фотобиореактор поясняются чертежом, на котором представлена общая схема устройства.
Дозирующее устройство подачи углекислого газа в фотобиореактор состоит из баллона высокого давления 1, наполненного углекислым газом, вентиля 2, редуктора 3 с манометрами 4 и 5 на его входе и выходе, соответственно и мерного сосуда 6 с входным 7 и выходным 8 электромагнитными клапанами (ЭМК), соответственно и микропроцессорного блока управления (МБУ) 10, соединенного сигнальными кабелями 11 и 12, соответственно с входным 7 и выходным 8 ЭМК мерного сосуда 6. При этом баллон высокого давления, вентиль, редуктор и мерный сосуд, соединены последовательно между собой трубопроводом 9.
OUT
Дозирующее устройство подачи углекислого газа в фотобиореактор работает следующим образом. В исходном состоянии вентиль 2, редуктор 3, а также ЭМК 7 и 8 находятся в закрытом положении. Непосредственно перед началом работы открывают вентиль 2 и по показанию манометра 4 убеждаются в наличии необходимого количества углекислого газа в баллоне 1. Затем по показанию манометра 5 устанавливают требуемое постоянное давление P на выходе редуктора 3 в диапазоне 0,2…1,0 МПа.
OUT
Чтобы начать подачу углекислого газа в ФБР 13, в МБУ запускают описанную ниже циклическую процедуру. А именно, с установленной в рабочей программе МБУ периодичностью по кабелю 11 подают сигнал на открытие ЭМК 7, чтобы по трубопроводу 9 запустить в мерный сосуд 6 очередную порцию газа под давлением, равным P, после чего из МБУ по кабелю 11 подают сигнал на закрытие ЭМК 7. После того как ЭМК 7 закроется, по кабелю 12 из МБУ подают сигнал на открытие ЭМК 8, чтобы выпустить по трубопроводу 9 порцию газа, накопленную в мерном сосуде, в ФБР. Выпустив порцию газа из мерного сосуда, из МБУ по кабелю 12 подают сигнал на закрытие ЭМК 8, чтобы отсечь мерный сосуд от ФБР на время запуска в нее очередной порции сжатого газа.
Скорость А (нл/мин) подачи углекислого газа в ФБР регулируют путем изменения периода описанного выше цикла в соответствии с выражением:
0
OUT
ATM
BR
A=ϕ×V×P/(P+P),
0
где V - емкость мерного сосуда (л), включая объем сообщающихся с ним элементов (отрезки трубопровода 9 и соответствующие полости ЭМК). Емкость мерного сосуда может быть определена с достаточно высокой точностью путем непосредственного измерения помещающегося в нем объема жидкости;
ATM
P - атмосферное давление;
BR
P - давление в рабочей камере ФБР;
-1
ϕ - частота цикла заполнения и опорожнения мерного сосуда (мин).
(В приведенной выше формуле «нл» обозначает единицу объема 1 л при нормальном давлении.)
-1
Для примера, рассчитаем частоту цикла для удельного расхода углекислого газа 0,1 нл/мин с учетом коэффициента использования углекислоты, равного 0,5. Пусть выходное давление редуктора Роит установлено на уровне 0,2 МПа, а давление в рабочем объеме ФБР поддерживается равным 0,01 МПа. Если при этом емкость мерного сосуда равна 0,02 л, то частота ϕ, рассчитанная по приведенной формуле, равна 2,75 мин, что соответствует периоду 21,8 с.