способ культивирования фототрофов и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ культивирования фототрофов, заключающийся в перемешивании и аэрации культуральной жидкости путем встряхивания за счет возвратно-поступательного перемещения культиваторов, поддержании заданных значений температуры, рН, освещении источником света, отличающийся тем, что освещение осуществляют импульсным источником света с длительностью импульса 0,00001-0,001 с и длительностью интервала между импульсами 0,01-0,1 с, соответствующими длительностям световой и темновой фаз фотосинтеза для данного фототрофа.

2. Установка для осуществления способа по п.1, включающая культиваторы в виде ряда сосудов одинаковой геометрической формы с прозрачными днищами, в которых перемешивание и аэрация осуществляются встряхиванием путем возвратно-поступательного перемещения в горизонтальной плоскости, и снабженных источником освещения с регулируемой интенсивностью освещения, отличающаяся тем, что источники освещения выполнены в виде набора светоизлучающих диодов, расположенных непосредственно под прозрачными днищами сосудов и соединенных с источником питания в виде генератора импульсов с регулируемой частотой и длительностью светового импульса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области биотехнологии, в частности к способам культивирования фототрофов, и может быть использован для культивирования фототрофов со снижением энергозатрат и с одновременной биологической регенерацией воздуха в системах жизнеобеспечения (СЖО), в промышленных, бытовых и сельскохозяйственных помещениях и получением биологически активных веществ (БАВ) для пищевой, косметической, химической промышленности и сельского хозяйства.

Культивирование фототрофов с наименьшими затратами на освещение, при постоянно повышающихся ценах на энергоресурсы и ухудшением экологической обстановкой является актуальной задачей мирового уровня. Одним из возможных вариантом решения проблемы является осуществление способа культивирования фототрофов с применением прерывистого (импульсного) освещения.

Известны различные методы культивирования фототрофов. Например, культивирование в открытых водоемах (Глущук Л.П. Аппаратурно-технологическое оформление процесса культивирования цианобактерий Spirulina. Автореферат диссертации, Москва, 2000). Это наиболее простой и дешевый способ, но он применим только в районах с длительным солнечным периодом и незначительными колебаниями температур.

Однако у это метода культивирования существуют недостатки:

- невозможность увеличения эффективности усвоения солнечной энергии, т.к. солнечный свет является главным лимитирующим фактором прироста биомассы;

- в бассейнах, занимающих большую площадь, для того чтобы достигнуть определенной степени перемешивания, толщина слоя суспензии микроорганизмов должна быть не более 150 мм;

- получаемый продукт имеет нестабильный химический состав.

В странах с более холодным климатом чаще применяют культивирование в фотобиореакторах. Фотобиореакторы имеют различную конструкцию. Могут представлять собой вертикальную стеклянную колонку, содержимое которой перемешивается струей воздуха, обогащенного СО₂, подаваемого через донную форсунку. Известен метод культивирования в биореакторах в виде прозрачных пластиковых или стеклянных трубок (http://www.bioprodukte-steinberg.de/index.php?op=algenfarm/ - ссылка на сайт фирмы Bioprodukte Prof. Steinberg). К преимуществам трубчатых реакторов относятся возможность интенсивного освещения, позволяющего добиться высокой плотности биомассы, возможность постоянного контроля за газообменом. В то же время конструктивное решение этих аппаратов затрудняет осуществление процесса со значительным газообменом. Отрицательное влияние этих недостатков на работу аппарата усугубляется с увеличением отношения освещенной поверхности к рабочему объему реактора. Вся световая энергия, поглощенная освещенной поверхностью аппарата и не использованная в процессе фотосинтеза, преобразуется в тепловую.

Известны способы культивирования фототрофов с применением прерывистого освещения с помощью обтюраторов (Светоимпульсная стимуляция растений. Под ред. Шахова А.А. М.: Наука, 1971 - 368 с. Статья А.А.Шахова: Теоретические аспекты преобразования световой энергии в импульсном режиме). Однако применение обтюратора не приводит к снижению затрат электроэнергии.

Наиболее близким к предлагаемой установке, осуществляющим способ культивирования фототрофов является шейкер-инкубатор New Brunswick Innova 42R (http://www.nbsc.com/flles/Innova_42.pdf - рекламный проспект фирмы New Brunswick). В шейкере-инкубаторе New Brunswick Innova 42R прозрачные культиваторы в виде ряда сосудов одинаковой геометрической формы установлены с возможностью встряхивания путем возвратно-поступательного перемещения (в целях аэрации и перемешивания) в горизонтальной плоскости и снабжены источником освещения в виде компактных люминесцентным ламп с возможностью изменения интенсивности освещения, расположенные сверху относительно культиваторов.

Можно назвать следующие недостатки данного способа. В прототипе применяются люминесцентные лампы, в состав которых входит ртуть, что создает проблему утилизации этих ламп. Люминесцентные лампы имеют меньший срок службы и меньший КПД по сравнению со светодиодными источниками освещения. Источник света в данном способе находится на некотором удалении, освещая не только культуру фототрофов, но и среду вокруг нее, что снижает общий КПД всей установки.

К недостаткам следует также отнести невозможность использования в подобной установке импульсного режима освещения, света с длительностью импульса 0,00001-0,001 с и длительностью интервала между импульсами 0,01-0,1 с, соответствующими длительностям световой и темновой фаз фотосинтеза для данного фототрофа, ввиду технологических характеристик люминесцентных ламп.

Задачей изобретения является достижение технического результата - снижение энергетических затрат при культивировании фототрофов. Поставленная задача решается тем, что в способе культивирования фототрофов, заключающемся в перемешивании и аэрации культуральной жидкости встряхиванием колб-культиваторов путем возвратно-поступательного перемещения, поддержании заданных значений температуры, рН и освещении источником света, согласно изобретению освещение осуществляется импульсным источником света с длительностью импульса 0,00001-0,001 с и длительностью интервала между импульсами 0,01-0,1 с, соответствующими длительностям световой и темновой фаз фотосинтеза для данного фототрофа. Установка для осуществления способа включает культиваторы в виде ряда сосудов одинаковой геометрической формы с прозрачными днищами, установленных с возможностью возвратно-поступательного перемещения в горизонтальной плоскости (для аэрации и перемешивания) и снабженных источником освещения, в котором согласно изобретению, источники освещения выполнены в виде набора светоизлучающих диодов, расположенных непосредственно под прозрачными днищами сосудов и соединенных с источником питания в виде генератора импульсов.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и 2, где на фиг.1 изображен прототип, на фиг.2 - заявленная установка. Установка включает в себя культиватор 1, источник импульсного освещения (светоизлучающие диоды) 2, шейкер 3 (для перемешивания и аэрации встряхиванием путем возвратно-поступательного перемещения платформы с культиваторами), источник электропитания - генератор импульсов 4.

Возможность осуществления заявляемого изобретения показана следующими примерами.

Пример 1. Эксперимент проводили на установке, схема которой изображена на фиг.2. Объектом для исследований была выбрана Chlorella sp., культивирование проводили на среде Тамия в течение 10 суток при температуре 35°С. Ферментацию вели в культиваторах (1) - колбах Эрленмейера с номинальным объемом 250 мл, с объемом культуральной жидкости 50 мл. Перемешивание и аэрация суспензии осуществлялись встряхиванием путем возвратно-поступательного перемещения культиваторов шейкером (3). Прирост биомассы определяли на фотоколориметре КФК-2. Подсветка осуществлялась снизу. Каждый источник импульсного освещения (2) содержит 12 светодиодов, потребляемая мощность каждого составляет около 0,08 Вт. Осветители соединены с источником питания - генератором импульсов (4).

В эксперименте были изучены следующие виды освещения: контрольный (постоянное освещение, получаемое от люминесцентных ламп) и экспериментальные (прерывистые), имеющие длительность светового импульса 0,00001 с и длительность интервала между импульсами света 0,01 с.

В результате эксперимента на получение 1 г биомассы в контрольном образце на освещение было затрачено 8,21 Вт·ч, в экспериментальном - 0,06 Вт·ч.

Пример 2. Эксперимент проведен в условиях, аналогичных примеру 1, только длительность светового импульса составила 0,001 с, длительность интервала между импульсами составила 0,1 с. В результате эксперимента на получение 1 г биомассы в контрольном образце было затрачено 8,21 Вт·ч, в экспериментальном - 3,49 Вт·ч.

Таким образом, способ и установка, реализующая его, позволяет значительно сократить затраты электроэнергии на освещение при культивировании фототрофов и соответственно снизить стоимость конечного целевого продукта. Технический результат заключается в снижении энергетических затрат до 0,06-3,49 Вт·ч при получении 1 г биомассы фототрофов.