СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ФОТОАВТОТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
METHOD FOR MANAGING THE PROCESS OF PHOTOAVTOTROPHIC MICROORGANISMS CULTIVATION

Изобретение относится к автоматизации процессов микробиологических производств и может быть использовано при автоматизации процесса культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов.
7
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов [патент РФ №2458147, МПК С12Q 3/00, C12M 1/00, C12N 1/12, Способ управления процессом культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов / А.А. Шевцов, А.В. Пономарев, Е.С. Шенцова, А.В. Дранников, Н.Ю. Ситников. - №2010147435; заявл. 19.11.2010; опубл. 10.08.2012. Бюл. № 22], включающий подачу суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в фотобиореактор, обогащение суспензии фотоавтотрофного микроорганизма углекислым газом в противоточном режиме в прозрачных цилиндрических трубках и в нижней части фотобиореактора, освещение пленки суспензии фотоавтотрофного микроорганизма искусственным источником света, поддержание максимального значения интенсивности фотосинтеза путем изменения температуры суспензии и совмещения фотосинтеза с управляемым теплообменом, непрерывную подачу питательной среды в суспензию фотоавтотрофного микроорганизма на входе в фотобиореактор, охлаждение суспензии в процессе культивирования холодным теплоносителем, удаление выделившегося в результате культивирования кислорода в десорбере, измерение оптический плотности, температуры, расхода, pH суспензии фотоавтотрофного микроорганизма, расходов питательной среды, углекислого газа и смеси воздуха с углекислым газом, уровня суспензии в нижней части фотобиореактора, регулирование расхода холодного теплоносителя.
Однако известный способ имеет ряд недостатков:
- невысокая скорость прироста клеток вследствие того, что не предусмотрено использование различных видов истечения суспензии фотоавтотрофных микроорганизмов;
- не создаются условия резкого скачка роста клеток, т.к. не достигается «температурного шока» суспензии при подаче в нее горячего воздуха;
- отсутствуют условия культивирования для более широкого спектра фотоавтотрофных микроорганизмов вследствие того, что не предусмотрено использование абсорбционной холодильной машины для получения горячих и холодных теплоносителей в широком диапазоне изменения температуры;
- не устанавливает определенного диапазона оптимальной температуры суспензии в процессе культивирования, что приводит к неустойчивому накоплению биомассы и малоинтенсивному процессу биосинтеза фотоавтотрофных микроорганизмов;
- не позволяет улучшить качество готовой суспензии, т.к. не предусмотрена подача в десорбер горячего теплоносителя для вывода газообразного кислорода из суспензии;
- не предусмотрена интенсификация прироста биомассы, т.к. отсутствуют различные источники освещения, имеющие разную длину волны.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов, интенсификация прироста клеток суспензии, увеличение выхода и качества биомассы микроорганизмов.
Для решения технической задачи изобретения в способе управления процессом культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов, предусматривающем подачу суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в фотобиореактор, обогащение суспензии углекислым газом, освещение фотобиореактора искусственным источником света, охлаждение суспензии в процессе культивирования холодным теплоносителем, удаление выделившегося в результате культивирования кислорода, измерение концентрации растворенного в суспензии кислорода и температуры суспензии, регулирование расхода холодного теплоносителя, новым является то, что он предусматривает процесс культивирования в фотобиореакторе, содержащем секцию ввода суспензии, секцию кольцевого истечения суспензии с лампами накаливания, промежуточную секцию со змеевиком, секцию пленочного истечения суспензии с люминесцентной лампой и секцию вывода суспензии, снабженной барботером и рубашкой нагрева, причем для компенсации теплоты, выделяемой лампами накаливания в секции кольцевого истечения суспензии, используют абсорбционную холодильную машину, после испарителя холодный воздух делят на два потока, один из которых направляют в секцию кольцевого истечения суспензии, а другой в свою очередь разделяют на два потока, первый из которых подают в змеевик промежуточной секции, а второй - в смеситель, где он смешивается с углекислым газом, и далее полученную смесь одновременно направляют в трубки секции пленочного истечения суспензии и барботер секции вывода суспензии; отработанные потоки холодного воздуха соединяют и с помощью вентилятора возвращают в испаритель абсорбционной холодильной машины с образованием контура рециркуляции; для достижения «температурного шока» суспензии фотоавтотрофных микроорганизмов в процессе культивирования в змеевик промежуточной секции периодически направляют горячий воздух, нагретый в теплообменнике горячей водой, куда подают один из ее потоков после конденсатора абсорбционной холодильной машины, а другой поток горячей воды делят на два, первый из которых направляют в рубашку нагрева секции вывода суспензии для стабилизации ее температуры, а второй - в десорбер кислорода для выделения кислорода из суспензии фотоавтотрофных микроорганизмов после фотобиореактора; отработанный горячий воздух из змеевика промежуточной секции вентилятором возвращают по замкнутому циклу на нагрев в теплообменник, а потоки отработанной горячей воды соединяют и с помощью насоса возвращают в конденсатор абсорбционной холодильной машины с образованием контура рециркуляции; после фотобиореактора одну часть суспензии фотоавтотрофных микроорганизмов циркуляционной помпой возвращают в секцию ввода суспензии с подпиткой питательной средой, а другую часть в виде готовой суспензии отводят в сборник; измеряют температуру воздуха в секции кольцевого истечения суспензии, температуру суспензии в промежуточной секции и секции вывода суспензии, расходы холодного воздуха в секции кольцевого истечения суспензии, змеевике промежуточной секции, смесителе, на входе в трубки секции пленочного истечения суспензии и в барботер, расход горячего воздуха в змеевик промежуточной секции, расходы горячей воды в теплообменник, в рубашку нагрева и десорбер кислорода, расход углекислого газа в смеситель, расход питательной среды, оптическую плотность и расход суспензии после фотобиореактора, расход готовой суспензии в сборник, давления пара в кипятильнике абсорбционной холодильной машины; по текущей температуре воздуха в секции кольцевого истечения суспензии устанавливают расход холодного воздуха в эту секцию, по текущей температуре суспензии в промежуточной секции устанавливают соотношение расходов холодного и горячего воздуха в змеевик промежуточной секции, по текущему значению температуры суспензии в секции вывода устанавливают расход горячей воды в рубашку нагрева, по текущему значению расхода холодного воздуха в смеситель устанавливают расход углекислого газа в смеситель, по текущему значению расхода смеси холодного воздуха и углекислого газа после смесителя устанавливают заданное соотношение расходов смеси в трубки секции пленочного истечения жидкости и в барботер, по текущему значению оптической плотности суспензии после фотобиореактора устанавливают ее расход в сборник готовой суспензии и расход питательной среды в контур рециркуляции суспензии.
Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов, интенсификации прироста клеток суспензии и увеличении выхода и качества биомассы микроорганизмов.
На фиг. 1 представлена схема, реализующая предлагаемый способ управления процессом культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов.
Схема содержит фотобиореактор, состоящий из секции ввода суспензии 1, секции кольцевого истечения 2, промежуточной секции 3, секции пленочного истечения 4, секции вывода 5, содержащий две лампы накаливания типа ДНаТ 6, прозрачные цилиндрические трубки 7 с закрепленными внутри них винтообразными насадками 8, змеевик 9, люминесцентную лампу 10, расположенные по окружности на одинаковом расстоянии друг от друга прозрачные цилиндрические трубки 11, на внутренней поверхности которых закреплены винтовые спирали из проволоки 12, барботер 13 и рубашку нагрева 14; вентиляторы 15, 23 и 24; десорбер кислорода 16; циркуляционную помпу 17; сборник урожая 18; смеситель воздуха с углекислым газом 19; испаритель 20; теплообменник 21; распределители потоков 22; абсорбер 25; насосы 26 и 28; терморегулирующий вентиль 27; конденсатор 29; кипятильник 30; предохранительный вентиль 31; микропроцессор 32; контуры рециркуляции: суспензии фотоавтотрофного микроорганизма 1.2, отработанного охлаждающего воздуха 3.3, отработанного горячего воздуха 3.4, отработанной горячей воды 4.2, отработанной воды после абсорбера 4.4; линии подачи: потока питательной среды 1.1 в фотобиореактор, готовой биомассы фотоавтотрофного микроорганизма 1.3 в сборник урожая 18, смеси воздуха с углекислым газом в 2.1 в цилиндрические трубки 11 и барботер 13, охлаждающего воздуха 3.1 в секцию 2 и змеевик 9, горячего воздуха 3.2 в змеевик 9, смеси углекислого газа и холодного воздуха 3.5 в смеситель 19, горячей воды 4.1 в рубашку нагрева 14 и десорбер 16; образовавшейся после конденсации рабочего пара воды 4.3 в абсорбер 25, рабочего пара 6.1 после терморегулирующего вентиля 27 в испаритель 20, абсорбента в виде бромида лития LiBr 7.1 в абсорбер 25, углекислого газа 3.5 в смеситель 19; линии отвода: готовой биомассы 1.3 из сборника урожая 18, рабочего пара 6.2 из кипятильника 30, газообразного кислорода 5.1 из суспензии фотоавтотрофного микроорганизма после фотобиореактора; датчики: TE – температуры, FE – расхода, QE – оптической плотности, PE – давления; И – исполнительные механизмы; ↓ – входные каналы управления; ↑ – выходные каналы управления.
Способ управления процессом культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов осуществляется следующим образом.
Исходная питательная среда фотоавтотрофного микроорганизма поступает в секцию для ввода суспензии 1 в фотобиореактор, где на внутренней поверхности прозрачных цилиндрических трубок 7 формируется пленка суспензии фотоавтотрофного микроорганизма, которая гравитационно стекает вниз. Насадки 8 с лентой в форме винта, вращаясь под действием сил гравитации, способствуют интенсификации процесса массообмена в противотоке, образующегося при стекании вниз по внутренней поверхности трубок 7 кольцевого слоя суспензии со смесью углекислого газа и воздуха, поступающей из промежуточной секции 3. При стекании вниз в прозрачных цилиндрических трубках 7 суспензия фотоавтотрофного микроорганизма дополнительно нагревается двумя лампами типа ДНаТ 6, максимальный световой поток которых вместе со смесью углекислого газа и воздуха создает необходимые условия проведения процесса культивирования.
После секции кольцевого истечения суспензии 5 суспензия фотоавтотрофного микроорганизма стекает в промежуточную секцию 3 и далее поступает в прозрачные цилиндрические трубки 11, на внутренней поверхности которых закреплены винтовые спирали из проволоки 12, секции пленочного истечения суспензии 4. В виде пленки она стекает по спирали 12 вниз в противотоке со смесью углекислого газа и воздуха, при этом интенсивно перемешиваясь и освещаясь люминесцентной лампой 10. Отработанная смесь углекислого газа и воздуха из трубок 11 выводится в промежуточную секцию 3 и далее в трубки 7 секции 2.
На выходе из цилиндрических трубок 11 насыщенная углекислым газом суспензия фотоавтотрофного микроорганизма поступает в секцию для вывода суспензии 5, снабженную рубашкой нагрева 14, где дополнительно насыщается углекислым газом с помощью барботажного устройства 13. При этом повышается суммарный коэффициент массообмена и тем самым интенсифицируется процесс культивирования.
После культивирования суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в фотобиореакторе одну ее часть из секции 5 по контуру рециркуляции 1.2 циркуляционной помпой 17 возвращают в секцию ввода суспензии 1 вместе с добавлением питательной среды, вводимой по линии 1.1. Другую часть суспензии в виде готовой биомассы отводят по линии 1.3 в сборник урожая 18.
Для увеличения КПД ламп 6 и 10 внутренние боковые поверхности секций 2 и 4 покрыты отражающим материалом, что дает возможность равномерного освещения суспензии со всех сторон.
В результате совместной работы ламп накаливания ДНаТ 6 в секции кольцевого истечения суспензии 2 выделяется теплота, которую необходимо отводить для обеспечения необходимых условий процесса культивирования фотоавтотрофного микроорганизма и высокого качества готовой биомассы. Для компенсации теплоты, выделяемой лампами ДНаТ 6, в способе предусмотрено использование абсорбционной холодильной машины, включающей последовательно установленные кипятильник 30, конденсатор 29, терморегулирующий вентиль 27, испаритель 20, абсорбер 25, насос 26. С помощью абсорбционной холодильной машины происходит охлаждение наружной поверхности прозрачных цилиндрических трубок 7 охлаждающим воздухом.
2
После испарителя 20 полученный холодный воздух делят на два потока, один из которых по линии 3.1 делят на два потока, один из которых возвращают в секцию кольцевого истечения суспензии 2, а другой в свою очередь разделяют на два потока, первый из которых подают в змеевик 9 промежуточной секции 3, а второй - в смеситель 19, в котором холодный воздух насыщается углекислым газом СО в количестве, равном использованному при культивировании фотоавтотрофного микроорганизма в фотобиореакторе. Полученную смесь воздуха и углекислого газа с помощью распределителя потока 22 разделяют на два потока, один из которых по линии 2.1 направляют в цилиндрические трубки 11 секции пленочного истечения суспензии 4, а другой по линии 2.1 - в барботер 13 секции вывода суспензии 5.
Отработанные потоки охлаждающего воздуха соединяют и по контуру рециркуляции 3.3 с помощью вентилятора 23 возвращают в испаритель 20 абсорбционной холодильной машины.
Для достижения «температурного шока» суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в процессе культивирования в змеевик 9 промежуточной секции 3 периодически по линии 3.2 направляют горячий воздух, который нагревается в теплообменнике 21 горячей водой, куда подают один из ее потоков по линии 4.1 после конденсатора 29 абсорбционной холодильной машины, а другой поток горячей воды делят в свою очередь на два, первый из которых по линии 4.1 направляют в рубашку нагрева 14 секции вывода суспензии 5 для стабилизации ее температуры, а второй по линии 4.1 - в десорбер кислорода 16 для выделения кислорода из суспензии фотоавтотрофного микроорганизма после фотобиореактора. Отвод кислорода из десорбера 16 производят с помощью вентилятора 15 по линии 5.1.
Отработанный горячий воздух из змеевика 9 промежуточной секции 3 фотобиореактора с помощью вентилятора 24 возвращают по контуру рециркуляции 3.4 на нагрев в теплообменник 21, а потоки отработанной горячей воды соединяют и насосом 28 по контуру рециркуляции 4.2 возвращают в конденсатор 29 абсорбционной холодильной машины.
Для поддержания работы конденсатора 29 из кипятильника 30 по линии 6.2 подается рабочий пар. После нагрева воды рабочий пар из конденсатора 29 через терморегулирующий вентиль 27 по линии 6.1 направляется в испаритель 20, конденсируется там, а затем в виде конденсата по линии 4.3 подается в абсорбер 25. Также в абсорбер 25 по линии 7.1 подается абсорбент в виде бромида лития LiBr. После взаимодействия воды и абсорбента в абсорбере 25 холодильной машины полученная отработанная вода по линии рециркуляции 4.4 возвращается в кипятильник 30.
Для поддержания необходимого давления в кипятильнике 30 предусмотрен предохранительный вентиль 31, который по линии 6.2 осуществляет сброс лишнего рабочего пара в атмосферу.
Информация о ходе процесса культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов с помощью датчиков передается в микропроцессор 32, который по заложенному в нем программно-логическому алгоритму осуществляет оперативное управление технологическими параметрами посредством исполнительных механизмов с учетом накладываемых на них ограничений, обусловленных как интенсивным получением биомассы, так и экономической целесообразностью.
Микропроцессор 32 непрерывно сравнивает текущее значение оптической плотности суспензии фотоавтотрофного микроорганизма и ее расхода с помощью датчиков, расположенных на линии выхода суспензии из фотобиореактора 1.2, с интервалом заданных значений. При отклонении оптической плотности суспензии фотоавтотрофного микроорганизма от интервала заданных значений в меньшую сторону микропроцессор 32 сначала синхронно увеличивает освещенность цилиндрических прозрачных трубок 7 и 11 лампами 6 и 10 соответственно, а затем концентрацию углекислого газа в смеси с воздухом путем увеличения его расхода в смесителе 19 по линии 2.1 до достижения их максимального значения.
Синхронное увеличение освещенности цилиндрических прозрачных трубок 11 и концентрации углекислого газа в смеси с воздухом объясняется необходимым условием в реализации процесса культивирования фотоавтотрофного микроорганизма, в основе которого лежит реакция фотосинтеза [Мокроносов А.Т. и др. Фотосинтез. Физиолого-экологические и биохимические аспекты. – 2006. – 448 с.].
Если синхронное увеличение освещенности цилиндрических прозрачных трубок 7 и 11 и концентрации углекислого газа в смеси с воздухом не позволяет вывести текущее значение оптической плотности фотоавтотрофного микроорганизма на интервал заданных значений, то микропроцессор 32 увеличивает расход питательной среды, на линии ее подачи 1.1, на входе в фотобиореактор до достижения его максимального значения.
Если по результатам сравнения текущая величина оптической плотности суспензии не выйдет на интервал заданных значений, то микропроцессор 32 воздействует на соотношение расходов суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в контуре рециркуляции суспензии 1.2 и линии подачи готовой биомассы фотоавтотрофного микроорганизма из контура рециркуляции 1.3 в сборник урожая 18 путем увеличения расхода суспензии в контуре рециркуляции, снижая при этом производительность фотобиореактора по готовой биомассе.
Микропроцессор 32 устанавливает расход углекислого газа в смеситель 19 по линии 3.1 по текущему значению расхода отработанного охлаждающего воздуха в контуре рециркуляции 3.3 с коррекцией по текущему значению концентрации в смеси углекислого газа. При необходимости уменьшения количества воздуха в газо-воздушной смеси из смесителя 19 с помощью исполнительного механизма отводится холодный воздух, расход которого соответственно измеряется датчиком, на линию подачи охлаждающего воздуха 3.1.
Также по текущему значению расхода смеси холодного воздуха и углекислого газа после смесителя 19 микропроцессор 32 устанавливает заданное соотношение расходов смеси в цилиндрические трубки 11 секции пленочного истечения жидкости 4 и в барботер 13 по линиям подачи 2.1.
Расход охлаждающего воздуха в секции кольцевого истечения суспензии 2, направляемый по линии подачи 3.1, устанавливается по текущей температуре воздуха в этой секции, а соотношение расходов холодного и горячего воздуха, подаваемых в змеевик 9 промежуточной секции 3 фотобиореактора по линиям подачи 3.1 и 3.2 соответственно, устанавливают по текущей температуре суспензии в данной секции. Расход горячей воды, направляемый в рубашку нагрева 14 из конденсатора 29 по линии подачи 4.1, также устанавливается по текущему значению температуры суспензии в секции вывода 5.
Температура суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в секциях 2, 3 и 5 измеряется с помощью датчиков температуры ТЕ. Расходы холодного воздуха в секции кольцевого истечения суспензии 2, смеси воздуха и углекислого газа на входе в прозрачные цилиндрические трубки 11 секции пленочного истечения суспензии 4 и барботер 13, холодного или горячего воздуха в змеевике 9 промежуточной секции 3, горячей воды, подаваемой в теплообменник 21, рубашку нагрева 14 и в десорбер кислорода 16 измеряют датчики расхода FE. Значения всех полученных измерений отправляются на микропроцессор 32.
2
По текущему значению концентрации растворенного в суспензии кислорода О в контуре рециркуляции 1.2 микропроцессор 32 устанавливает мощность регулируемого привода вентилятора 15 в линии отвода газообразного кислорода 5.1 из десорбера 16.
Таким образом, предлагаемый способ управления процессом культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов позволяет:
- получить оптимальные условия для интенсивного прироста клеток микроорганизма за счет использования различных видов истечения суспензии фотоавтотрофных микроорганизмов;
- создать условия резкого скачка роста клеток за счет обеспечения продолжительности «температурного шока» суспензии при подаче в нее горячего воздуха;
- культивировать более широкий спектр фотоавтотрофных микроорганизмов благодаря наличию абсорбционной холодильной машины, которая позволяет получить потоки теплоносителей с различными температурными значениями;
- установить определенный диапазон оптимальной температуры суспензии культивирования, что способствует стабилизации процесса накопления биомассы и интенсификации процесса биосинтеза фотоавтотрофных микроорганизмов;
- повысить качество получаемой биомассы за счет точной и оперативной регулировки режимных параметров работы фотобиореактора, а также за счет отвода излишнего кислорода из полученной суспензии фотоавтотрофного организма десорбером кислорода;
- увеличить скорость прироста клеток в процессе культивирования фотоавтотрофного микроорганизма благодаря синхронному изменению освещенности от источника света и концентрации углекислого газа в газовоздушной смеси;
- снизить удельные энергетические затраты на 12…15 % за счет использования тепловой энергии абсорбционной холодильной машины и повышения точности и надежности управления технологическими параметрами в процессе культивирования фотоавтотрофного микроорганизма;
- использовать предлагаемую технологию управления процессом культивирования микрокультуры в имеющихся производственных линиях.