способ культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, включающий насыщение углекислым газом суспензии фотосинтезирующих микроорганизмов, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности фотосинтеза микроорганизмов, поддерживают максимальное значение интенсивности фотосинтеза микроорганизмов путем изменения интенсивности насыщения суспензии микроорганизмов углекислотой, регулированием расхода подаваемого газа, содержащего углекислоту.

2. Установка для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, включающая фотореактор, теплообменник, газообменник, побудитель расхода суспензии и внешний источник света, отличающаяся тем, что, с целью повышения производительности установки, она дополнительно оснащена устройством для измерения фотосинтеза, включающего два датчика растворенного кислорода, два газоанализатора концентрации кислорода и измерительную камеру, регулирующим устройством подачи обогащенного углекислотой газа и управляющим вычислительным устройством, причем выходы датчиков растворенного кислорода и выходы газоанализаторов концентрации кислорода соединены с входами управляющего вычислительного устройства, а выход последнего соединен с регулирующим устройством подачи обогащенного углекислотой газа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам и установкам управляемого культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, которые могут быть использованы в сельском хозяйстве и микробиологической промышленности.

Известен способ и устройство культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, которые реализованы в фотореакторе, где обеспечивают повышение производительности биосинтеза фотосинтезирующих микроорганизмов путем периодического чередования световых и темновых интервалов облучения суспензии. Упомянутый аналог (прототип), помимо специального фотореактора, содержит побудитель расхода суспензии, газообменник, теплообменник и внешний источник света.

Недостатком известного способа и устройства является то, что оно не обеспечивает получение дополнительной продукции за счет такого управления насыщением суспензии микроорганизмов углекислотой, при котором была бы достигнута максимальная интенсивность фотобиосинтеза микроорганизмов. Из физиологии растений известно, что увеличение поглощения углекислоты (интенсивность фотосинтеза) по мере возрастания концентрации растворенной углекислоты происходит до определенного предела. Однако этот предел изменяется по уровню в зависимости от внешних и внутренних факторов культивирования микроорганизмов, например, от облученности и плотности суспензии микроорганизмов. Кроме того, при излишней насыщенности суспензии углекислотой наблюдается снижение продуктивности фотобиосинтеза и подавляется деление клеток. По этим причинам необходимо изменять уровень насыщенности углекислотой в каждый момент времени так, чтобы фотобиосинтез был бы на максимальном уровне.

Цель достигается тем, что интенсивность насыщения углекислотой суспензии изменяют регулированием расхода подаваемого в суспензию обогащенного углекислотой воздуха (обычно топочные газы, содержащие до 12% углекислоты) или чистой углекислоты в таком количестве, чтобы обеспечивался максимальный уровень интенсивности фотосинтеза микроорганизмов. Для этого осуществляют следующие действия:

- устанавливают расход газовоздушной смеси (ГВС) обогащенного углекислотой воздуха, равной F₁;

- измеряют интенсивность фотосинтеза по скорости выделения кислорода микроорганизмами при расходе ГВС F₁;

- устанавливают расход газовоздушной смеси (ГВС) обогащенного углекислотой воздуха, равной F₂;

- измеряют интенсивность фотосинтеза по скорости выделения кислорода микроорганизмами при расходе ГВС F₂;

- определяют частную производную интенсивности фотосинтеза по расходу подаваемой газовоздушной среды (ГВС):

Ф/ F=(ФF₂-ФF₁)/(Ft₂-Ft₁), где ФF₂ - интенсивность фотосинтеза при расходе ГВС, равным F₂ в момент времени t₂;

ФF₁ - интенсивность фотосинтеза при расходе ГВС, равным F₁ в момент времени t₁;

Ft₂ - расход ГВС через газообменник в момент времени t₂;

Ft₁ - расход ГВС через газообменник в момент времени t₁;

- увеличивают расход ГВС, если:

Ф/ F=(ФF₂-ФF₁)/(Ft₂-Ft₁)>0

при t₂> t₁

- уменьшают расход ГВС, если

Ф/ F=(ФF₂-ФF₁)/(Ft₂-Ft₁) 0

при t₂> t₁.

Следует иметь в виду, что расход F₁ по отношению к расходу F₂ является предыдущим по времени, и после следующего шага изменения расхода ГВС F₂ становится F₁.

На чертеже показана установка реализующая способ культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. Она состоит из контура циркуляции суспензии, в который входят: фотореактор 1, измерительная камера 2 устройства измерения интенсивности фотосинтеза, в которое входят газоанализаторы концентраций кислорода 3 и 4, датчики концентраций растворенного в суспензии кислорода на входе в фотореактор 5 и на выходе измерительной камеры 6, далее расположен газообменник 7, в который через управляемый вентиль 8 подается газовоздушная смесь с повышенной концентрацией углекислоты (или чистая углекислота). Расход ГВС измеряют расходомером 9. В случае подачи чистой углекислоты она может подаваться непосредственно на вход фотореактора. После газообменника расположен побудитель расхода суспензии 10, теплообменник 11 и расходомер суспензии 12. На входе воздуха в измерительную камеру 2 установлен расходомер 13. Фотореактор облучается внешним источником света 14. Выходы датчиков растворенного кислорода 5 и 6, выходы газоанализаторов 3 и 4 и выходы расходомеров 9, 12, 13 соединены со входами управляющего вычислительного устройства 15, а выход управляющего вычислительного устройства соединен со входом управляемого вентиля 8.

Установка работает следующим образом.

Суспензия побудителем расхода суспензии 10 подается в теплообменник 11, где доводится до нужной температуры и подается в фотореактор 1. Расход суспензии измеряют расходомером 12. На входе фотореактора датчиком 5 и на выходе измерительной камеры 2 датчиком 6 измеряют концентрации растворенного кислорода, сигналы датчиков растворенного кислорода поступают в управляющее вычислительное устройство 15. Суспензия из фотореактора 1 поступает в измерительную камеру 2, в которой выделившийся в результате фотосинтеза из суспензии газообразный кислород попадает в газоприемную часть измерительной камеры, через которую с постоянным расходом продувается атмосферный воздух, расход которого измеряют расходомером 13. На входе и выходе газоприемной части измерительной камеры газоанализаторами 3 и 4 измеряют концентрации кислорода, сигналы газоанализаторов подаются в управляющее вычислительное устройство 15. Из измерительной камеры 2 суспензия подается в газообменник 7 для насыщения углекислотой до необходимой концентрации. Необходимая концентрация углекислоты в суспензии устанавливается в соответствии с вышеописанными действиями способа изменения расхода ГВС (воздуха, обогащенного углекислотой или чистой углекислотой), подаваемого в газообменник. При этом его расход измеряют расходомером 9, а изменение расхода ГВС осуществляют с помощью управляемого вентиля 8, который управляется управляющим вычислительным устройством 15 в зависимости от интенсивности фотосинтеза микроорганизмов.

Интенсивность фотосинтеза определяют с помощью управляющего вычислительного устройства 15 по формуле:

Ф=(F_c x (pO₂вых-pO₂вх) +

+ F_в (C_вых-C_вх))/G_c, где Ф - интенсивность фотосинтеза (лО₂/л_с мин)

F_c - расход суспензии через фотореактор (л_с/мин);

F_в - расход воздуха через газоприемную часть измерительной камеру (л_в/мин);

pO₂вых - концентрация растворенного кислорода в суспензии на выходе измерительной камеры (лО₂/л_с);

pO₂вх - концентрация растворенного кислорода в суспензии на входе фотореактора (лО₂/л_с);

С_вых - концентрация кислорода в воздушно-кислородной среде на выходе газоприемной части измерительной камеры (лО₂/л_в);

С_вх - концентрация кислорода в воздухе на входе газоприемной части измерительной камеры (лО₂/л_в);

G_с - объем суспензии в технологической линии культивирования микроводорослей (л_с).

П р и м е р. Культивированиe фотосинтезирующих микроорганизмов.

При выращивании Chlortlla vulgaris штамм ЛАРГ-3 в культиваторе микроводорослей в газообменник 7 подается воздух, обогащенный углекислотой с концентрацией СО₂=2 об.%. При температуре 39^оС, концентрации суспензии хлореллы 2 г. АСВ/л_с, постоянной дозе слива 0,4 л_с/л_с и изменяющемся расходе обогащенного СО₂ в воздухе были получены следующие результаты.

При шаге квантования расхода воздуха, обогащенного углекислотой в 10 л_в/л_с оптимальный расход 90 л_в/л_с, колебания расхода в пределах 80-100 л_в/л_с. При уменьшении шага квантования точность поддержания оптимума будет возрастать. При движении точки оптимума под действием физиологических и внешних факторов, влияющих на продуктивность фотосинтеза, будет изменяться расход воздуха в соответствии с положением оптимальной точки.