Способ управления процессом культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов


 


Владельцы патента RU 2458147:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия (ГОУ ВПО ВГТА) (RU)

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано при автоматизации процесса культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов. Исходную питательную среду вместе с инокулятом автотрофного микроорганизма подают из технологической емкости во входную секцию фотобиореактора с формированием на внутренней поверхности прозрачных цилиндрических трубок пленки суспензии фотоавтотрофного микроорганизма гравитационно стекающей вниз. Одновременно вовнутрь этих трубок с помощью патрубков подают смесь воздуха с углекислым газом в противоточном режиме с истечением пленки суспензии. При течении по внутренней поверхности прозрачных цилиндрических трубок суспензия фотоавтотрофного микроорганизма попадает в секцию освещения, в которой ее непрерывно освещают люминесцентной лампой. Из прозрачных цилиндрических трубок суспензия фотоавтотрофного микроорганизма стекает в выходную секцию фотобиореактора, где подвергается барботажу, который позволяет дополнительно насытить клетки углекислым газом и освещается горизонтальной тороидальной лампой. При этом внешнюю поверхность прозрачных цилиндрических трубок последовательно охлаждают охлаждающим воздухом в секции освещения и охлаждающей водой в секции охлаждения с перемещением охлаждающего воздуха охлаждающей воды по соответствующим контурам рециркуляции. В суспензию фотоавтотрофного микроорганизма на входе во входную секцию фотобиореактора непрерывно вводят питательную среду из основного и корректирующего потоков, подаваемых сначала в технологическую емкость, а затем в контур рециркуляции суспензии. Отработанную смесь воздуха с углекислым газом из фотобиореактора подают в смеситель с помощью компрессора по контуру рециркуляции смеси воздуха с углекислым газом с промежуточным сбором в газовой емкости. Пену, образовавшуюся после барботажа, непрерывно отводят из нижней части фотобиореактора в сепаратор-пеногаситель с последующим ее разделением на суспензию, направляемую во входную секцию фотобиореактора, и смесь воздуха с углекислым газом, объединяемую с отработанной смесью воздуха с углекислым газом в контуре ее регуляции с промежуточным сбором в газовой емкости и подаваемой в смеситель с дополнительным насыщением отработанной смеси воздуха с углекислым газом необходимым количеством углекислого газа. Насыщенную углекислым газом смесь воздуха с углекислым газом выводят из смесителя по двум потокам, один из которых в качестве основного потока направляют вовнутрь цилиндрических прозрачных трубок в противоточном режиме, второй - на барботаж суспензии в выходную часть фотобиореактора. Из выходной части фотобиореактора суспензию микроорганизмов выводят в контур рециркуляции суспензии с промежуточным выделением из суспензии образовавшегося в процессе культивирования кислорода с помощью десорбера и последующим отводом его посредством вентилятора и выводом другой части суспензии фотоавтотрофных микроорганизмов в сборник готовой биомассы с последующим измерением необходимых значений для создания оптимальных условий для культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов. Изобретение позволяет повысить эффективность культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов, создать возможность для встраивания предлагаемого способа в существующие производственные линии, повысить энергетическую эффективность и производительность процесса культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов. 2 пр., 1 ил.

 

Изобретение относится к автоматизации процессов микробиологических производств и может быть использовано при автоматизации процесса культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов [Патент РФ №2019564, МПК5 C12Q 3/00. Способ культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов и установка для его осуществления / В.Л.Корбут. - №2005112085; заявл. 01.11.1990; опубл. 15.09.1994. Бюл. №26], включающий регулирование температуры суспензии фотоавтотрофных микроорганизмов, подачу суспензии в фотореактор, поддержание максимального значения интенсивности фотосинтеза путем изменения температуры суспензии и совмещения фотосинтеза с управляемым теплообменом, обогащение суспензии углекислым газом в газообменнике, освещение фотобиореактора искусственным источником света, охлаждение суспензии в процессе культивирования холодным теплоносителем, удаление выделившегося в результате культивирования кислорода с помощью его разбавления воздухом, измерение концентрации кислорода в суспензии и в воздухе, температуры суспензии, регулирование расхода холодного теплоносителя.

Однако известный способ имеет ряд недостатков:

- не позволяет в полной мере обеспечить стабилизацию pH суспензии в процессе культивирования из-за отсутствия оперативного регулирования подачи питательной среды и создать оптимальные условия для биохимических реакций, обеспечивающих стабильность прироста клеток микроорганизмов;

- не предусматривает отвод пены, образующейся при вводе газовоздушной смеси в суспензию, что затрудняет перемещение суспензии по трубопроводам и снижает эффективность поглощения энергии освещения;

- при продувании суспензии воздухом возможно ингибирование процесса фотосинтеза кислородом вследствие его неполного удаления;

- не позволяет в полной мере увеличить скорость прироста клеток в процессе культивирования фотоавтотрофного микроорганизма, так как не поддерживает определенного соотношения между количеством молекул CO2 и количеством квантов света в соответствии с реакцией фотосинтеза за счет синхронного изменения освещенности от источника света и концентрации углекислого газа в газовоздушной смеси;

- не позволяет сократить поле допуска на температуру суспензии и сузить ее разброс в процессе культивирования, что негативно влияет на устойчивость накопления биомассы и интенсивность процесса биосинтеза для мезофильных и криофильных фотоавтотрофных микроорганизмов;

- не позволяет снизить энергозатраты на единицу получаемой биомассы из-за отсутствия точности и надежности управления технологическими параметрами в процессе культивирования фотоавтотрофного микроорганизма.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов; интенсификация синтеза биологически активных веществ; создание возможности для встраивания предлагаемого способа в существующие производственные линии при алголизации выпускаемой продукции; снижение энергетических затрат процесса культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов за счет точности и надежности управления технологическими параметрами.

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 культивирование фотоавтотрофных микроорганизмов осуществляют в пленке суспензии, стекающей по внутренней поверхности цилиндрических прозрачных трубок, установленных в фотобиореакторе, при этом наружную поверхность трубок охлаждают последовательно охлаждающим воздухом и охлаждающей водой, являющихся холодными теплоносителями; в суспензию фотоавтотрофного микроорганизма на входе в фотобиореактор непрерывно вводят питательную среду, подготовку которой осуществляют из составляющих ее основного и корректирующего потоков, подаваемых сначала в технологическую емкость, а затем в контур рециркуляции суспензии на входе в фотобиореактор; в качестве искусственного источника света используют две люминесцентные лампы; получают смесь воздуха с углекислым газом в смесителе и выводят ее из смесителя по двум потокам, один из которых направляют вовнутрь цилиндрических прозрачных трубок в противоточном режиме со стекающей пленкой суспензии фотоавтотрофного микроорганизма для осуществления абсорбции углекислого газа пленкой суспензии, а другой - на барботаж суспензии, непрерывно заполняющей нижнюю часть фотобиореактора; отработанную смесь воздуха с углекислым газом из фотобиореактора сначала выводят в газовую емкость, а затем возвращают в смеситель в режиме замкнутого цикла с дополнительной подпиткой углекислым газом; пену, возникающую при барботаже, непрерывно выводят из нижней части фотобиореактора в сепаратор-пеногаситель, где ее разделяют на суспензию, возвращаемую в фотобиореактор, и смесь воздуха с углекислым газом, которую объединяют с отработанной смесью воздуха с углекислым газом в контуре ее рециркуляции перед смесителем; после фотобиореактора из суспензии фотоавтотрофного микроорганизма выделяют образовавшийся в процессе культивирования кислород в десорбере с последующим возвратом одной части суспензии в фотобиореактор и выводом другой ее части в виде готовой биомассы в сборник урожая; дополнительно измеряют оптическую плотность суспензии фотоавтотрофного микроорганизма на выходе из фотобиореактора, расход суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в контуре рециркуляции на входе в фотобиореактор и в линии подачи в сборник урожая; расход пены из нижней части фотобиореактора в сепаратор-пеногаситель; pH суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в контуре ее рециркуляции; расходы основного и корректирующего потоков питательной среды, подаваемых в контур рециркуляции суспензии на входе в фотобиореактор; расходы углекислого газа и смеси воздуха с углекислым газом, направляемых в цилиндрические прозрачные трубки и на барботаж; расходы охлаждающего воздуха и охлаждающей воды; уровень суспензии в нижней части фотобиореактора; и осуществляют стабилизацию оптической плотности суспензии фотоавтотрофного микроорганизма на выходе из фотобиореактора в интервале заданных значений; причем при отклонении оптической плотности суспензии фотоавтотрофного микроорганизма от интервала заданных значений в меньшую сторону сначала синхронно увеличивают освещенность цилиндрических прозрачных трубок и концентрацию углекислого газа в смеси с воздухом до достижения их максимального значения, затем увеличивают расход питательной среды на входе в фотобиореактор до достижения его максимального значения и затем воздействуют на соотношение расходов суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в контуре рециркуляции суспензии и линии отвода из контура рециркуляции в сборник урожая путем увеличения расхода суспензии в контуре рециркуляции, снижая при этом производительность фотобиореактора по готовой биомассе, а при отклонении оптической плотности суспензии от интервала заданных значений в большую сторону сначала воздействуют на соотношение расходов суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в контуре рециркуляции суспензии и линии отвода из контура рециркуляции в сборник урожая путем увеличения расхода суспензии в сборник урожая, увеличивая при этом производительность фотобиореактора по готовой биомассе, затем снижают расход питательной среды и освещенность до выхода оптической плотности суспензии на верхнюю границу заданного интервала значений; подготовку питательной среды осуществляют по заданной величине pH суспензии в контуре ее рециркуляции воздействием на соотношение расходов основного и корректирующего потоков питательной среды; устанавливают расход смеси воздуха с углекислым газом по расходу суспензии на входе в фотобиореактор воздействием на расход углекислого газа, подаваемого по линии подпитки в смеситель, с коррекцией по концентрации углекислого газа в смеси воздуха с углекислым газом на выходе из фотобиореактора; при превышении максимально заданного давления смеси воздуха с углекислым газом в газовой емкости и смесителе производят сброс давления смеси воздуха с углекислым газом через предохранительные клапаны; температуру суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в фотобиореакторе регулируют изменением расходов охлаждающего воздуха и охлаждающей воды для охлаждения наружной поверхности трубок; по текущему значению концентрации растворенного в суспензии кислорода в контуре ее рециркуляции воздействуют на расход кислорода в линии отвода из десорбера; по расходу пены из нижней части фотобиореактора устанавливают мощность привода сепаратора-пеногасителя.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности культивирования вследствие интенсификации прироста биомассы и синтеза биологически активных веществ за счет повышения точности и надежности управления технологическими параметрами, а также за счет увеличения числа потенциально возможных управляющих воздействий на процесс культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов; кроме того, технический результат заключается в создании условий для встраивания предлагаемого способа в существующие производственные линии при алголизации выпускаемой продукции, а также в повышении энергетической эффективности благодаря снижению удельных энергозатрат.

На фиг.1 представлена схема, реализующая предлагаемый способ управления процессом культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов.

Схема содержит фотобиореактор 1, состоящий из входной секции 2, секции освещения 3, охлаждения 4 и выходной секции 5, содержащий люминесцентные лампы: цилиндрическую 6 и тороидальную 7, прозрачные цилиндрические трубки 8, патрубки для ввода в трубки 8 смеси воздуха с углекислым газом 9 и барботер 10; сборник урожая 11 и технологическую емкость 12; ультратермостаты для регенерации охлаждающего воздуха 13 и охлаждающей воды 14; смеситель воздуха с углекислым газом 15; газовую емкость 16; десорбер кислорода 17; сепаратор-пеногаситель 18; циркуляционную помпу 19; насос 20, компрессор 21, вентиляторы 22 и 23; коллектор 24; распределители потоков 25 и 26; микропроцессор 27; контуры рециркуляции: суспензии фотоавтотрофного микроорганизма 0.1.1, смеси воздуха с углекислым газом 5.7, охлаждающего воздуха 3.2, охлаждающей воды 1.1; линии подачи: готовой биомассы в сборник урожая 0.1.2, основного 0.2.1 и корректирующего 0.2.2 потоков питательной среды, углекислого газа 5.4, смеси воздуха с углекислым газом в прозрачные цилиндрические трубки 5.7.1 и в барботер 5.7.2; линии отвода: готовой биомассы из сборника урожая 0.1.3, пены из выходной секции фотобиореактора 0.3, суспензии из сепаратора-пеногасителя 0.1.4, смеси воздуха с углекислым газом из сепаратора-пеногасителя 5.7.3, кислорода 3.7, смеси воздуха с углекислым газом из смесителя 5.7.4 и из газовой емкости 5.7.5; датчики: TE - температуры, FE - расхода, LE - уровня, pH - среды, QE - оптической плотности, CE - концентрации; И - исполнительные механизмы; ↓ - входные каналы управления; ↑ - выходные каналы управления.

Способ управления процессом культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов осуществляется следующим образом.

Исходную питательную среду фотоавтотрофного микроорганизма подают из технологической емкости 12 во входную секцию 2 пленочного фотобиореактора 1, где на внутренней поверхности прозрачных цилиндрических трубок 8 формируется пленка суспензии фотоавтотрофного микроорганизма, которая гравитационно стекает вниз. Одновременно вовнутрь прозрачных цилиндрических трубок 8 с помощью патрубков 9 подают смесь воздуха с углекислым газом в противоточном режиме с истечением пленки суспензии. При течении по внутренней поверхности прозрачных цилиндрических трубок 8 суспензия фотоавтотрофного микроорганизма попадает в секцию освещения 3, в которой ее непрерывно освещают цилиндрической люминесцентной лампой 6. В результате совместного воздействия на суспензию смеси воздуха с углекислым газом и освещения осуществляют процесс культивирования, характеризующийся абсорбцией углекислого газа из его смеси с воздухом (газовой фазы) пленкой суспензии. Абсорбция способствует перемещению молекул CO2 к клеткам фотоавтотрофного микроорганизма и их усвоению. При этом протекает реакция фотосинтеза, сопровождающаяся накоплением органического вещества в клетках, их ростом и развитием.

Из прозрачных цилиндрических трубок 8 суспензия фотоавтотрофного микроорганизма стекает в выходную секцию 5 фотобиореактора, где подвергается барботажу смеси воздуха с углекислым газом посредством барботера 10 и освещается горизонтальной тороидальной люминесцентной лампой 7. Наличие барботера в нижней части фотобиореактора позволяет дополнительно насытить клетки фотоавтотрофного микроорганизма углекислым газом, что совместно с освещением горизонтальной лампой дает возможность осуществлять фотосинтез клеткам и в выходной секции, а также предотвратить седиментацию клеток на внутренние стенки выходной секции фотобиореактора при использовании штаммов фотоавтотрофных микроорганизмов, не обладающих планктонными свойствами.

В результате совместной работы люминесцентных ламп 6 и 7 выделяется теплота, которую следует отводить для обеспечения необходимых условий процесса культивирования фотоавтотрофного микроорганизма и высокого качества готовой биомассы. Поэтому в способе предусмотрено последовательное охлаждение наружной поверхности прозрачных цилиндрических трубок 8 холодными теплоносителями - охлаждающим воздухом в секции освещения 3 и охлаждающей водой в секции охлаждения 4. При этом охлаждающий воздух и охлаждающая вода перемещаются по контурам рециркуляции соответственно 3.2 и 1.1 с помощью вентилятора 22 и насоса 20 с регенерацией в ультратермостатах 13 и 14.

Отработанную смесь воздуха с углекислым газом из фотобиореактора подают в смеситель 15 с помощью компрессора 21 по контуру рециркуляции смеси воздуха с углекислым газом 5.7 с промежуточным сбором в газовую емкость 16. Пену, возникающую при барботаже суспензии в секции 5 фотобиореактора, непрерывно отводят по линии 0.3 в сепаратор-пеногаситель 18. В сепараторе-пеногасителе пену разделяют на суспензию, возвращаемую в секцию 2 фотобиореактора по линии 0.1.4, и смесь воздуха с углекислым газом, которую по линии 5.7.3 направляют в контур рециркуляции смеси воздуха с углекислым газом 5.7 и тем самым объединяют с отработанной смесью воздуха с углекислым газом, выходящей из фотобиореактора в смеситель 15. В смесителе дополнительно осуществляют насыщение отработанной смеси воздуха с углекислым газом по линии 5.4 количеством углекислого газа, равным использованному при культивировании фотоавтотрофного микроорганизма в фотобиореакторе.

Из смесителя 15 полученную смесь воздуха с углекислым газом с помощью распределителя потоков 25 разделяют на два потока, один из которых направляют в качестве основного потока по линии 5.7.1 в коллектор 24 с последующим вводом вовнутрь цилиндрических прозрачных трубок, а другой по линии 5.7.2 в барботер 10. Коллектор 24 конструктивно выполнен таким образом, что позволяет разделить основной поток на равные части, количество которых соответствует числу прозрачных цилиндрических трубок 8.

Из секции 5 фотобиореактора суспензию фотоавтотрофного микроорганизма выводят в контур рециркуляции суспензии фотоавтотрофного микроорганизма 0.1.1 циркуляционной помпой 19 с выделением из суспензии в десорбере 17 образовавшегося в процессе культивирования кислорода и его отводом по линии 3.7 посредством вентилятора 23.

Одну часть суспензии возвращают в фотобиореактор по контуру рециркуляции суспензии фотоавтотрофного микроорганизма 0.1.1, а другую в качестве готовой биомассы отводят в сборник урожая 11. Отбор готовой биомассы в сборник урожая по линии 0.1.2 осуществляют с помощью распределителя потоков 26, откуда по линии 0.1.3 ее подают в основное производство (в случае встраивания предлагаемого способа в существующие производственные линии при алголизации выпускаемой продукции) или отпускают в качестве готовой продукции потребителю.

Информация о ходе процесса культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов с помощью датчиков передается в микропроцессор 27, который по заложенному в него 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 27 непрерывно сравнивает текущее значение оптической плотности суспензии фотоавтотрофного микроорганизма с интервалом заданных значений. При отклонении оптической плотности суспензии фотоавтотрофного микроорганизма от интервала заданных значений в меньшую сторону микропроцессор 27 сначала синхронно увеличивает освещенность цилиндрических прозрачных трубок 8 лампами 6, 7 и концентрацию углекислого газа в смеси с воздухом путем увеличения его расхода в смеситель 15 по линии 5.4 до достижения их максимального значения.

Синхронное увеличение освещенности цилиндрических прозрачных трубок и концентрации углекислого газа объясняется необходимым условием в реализации процесса культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов, 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 и концентрации углекислого газа не позволяет вывести текущее значение оптической плотности фотоавтотрофного микроорганизма на интервал заданных значений, то микропроцессор увеличивает расход питательной среды на входе в фотобиореактор 1 до достижения его максимального значения.

Если по результату сравнения текущая величина оптической плотности суспензии не выйдет на интервал заданных значений, то микропроцессор воздействует на соотношение расходов суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в контуре рециркуляции суспензии 0.1.1 и линии отвода 0.1.2 из контура рециркуляции в сборник урожая 11 путем увеличения расхода суспензии в контуре рециркуляции, снижая при этом производительность фотобиореактора по готовой биомассе.

При отклонении оптической плотности суспензии фотоавтотрофного микроорганизма от интервала заданных значений в большую сторону микропроцессор 27 сначала воздействует на соотношение расходов суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в контуре рециркуляции суспензии 0.1.1 и линии отвода из контура рециркуляции в сборник урожая 0.1.2 путем увеличения расхода суспензии в сборник урожая, увеличивая при этом производительность фотобиореактора по готовой биомассе, затем снижает расход питательной среды в линиях 0.2.1 и 0.2.2, освещенность и концентрацию углекислого газа в смеси с воздухом до выхода оптической плотности суспензии фотоавтотрофного микроорганизма на верхнюю границу заданного интервала значений.

Соотношение расходов основной и корректирующей питательных сред соответственно в линиях 0.2.1 и 0.2.2 устанавливают по текущему значению pH суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в контуре рециркуляции 0.1.1. Оптимальной для большинства фотоавтотрофных микроорганизмов является нейтрально-щелочная или слабощелочная среда. В процессе их культивирования, как правило, происходит «защелачивание» суспензии, поэтому основная питательная среда должна иметь щелочную реакцию, а корректирующая - кислую. В качестве корректирующей среды используют нитрат аммония NH4NO3.

Микропроцессор 27 по текущему расходу основного потока питательной среды в линии 0.2.1 устанавливает расход смеси воздуха с углекислым газом в контуре ее рециркуляции 5.7.

По текущему значению расхода суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в контуре рециркуляции 0.1.1 микропроцессор 27 устанавливает расход отработанной газовоздушной смеси в смеситель 15 по контуру рециркуляции 5.7 воздействием на регулируемый привод компрессора 21 с коррекцией по текущим расходам газовоздушной смеси в линиях подачи на барботаж 5.7.2 и в цилиндрические прозрачные трубки 5.7.1.

Микропроцессор устанавливает расход углекислого газа в смеситель 15 по линии 5.4 по текущему значению расхода отработанной газовоздушной смеси в контуре рециркуляции 5.7 с коррекцией по текущему значению концентрации в смеси углекислого газа.

При превышении максимально заданного давления смеси воздуха с углекислым газом в газовой емкости 16 и смесителе 15 осуществляется аварийный сброс давления смеси воздуха с углекислым газом через предохранительные клапаны соответственно по линиям 5.7.5 и 5.7.4. Установка газовой емкости 16 обусловлена необходимостью обеспечения устойчивой и бесперебойной совместной работы всех элементов схемы, в случае возмущающих внутренних и внешних воздействий.

Температуру суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в фотобиореакторе микропроцессор регулирует изменением расходов охлаждающего воздуха и охлаждающей воды соответственно в контурах рециркуляции 3.2 и 1.1 воздействием на регулируемые приводы вентилятора 22 и насоса 20.

Применение охлаждающего воздуха и охлаждающей воды в качестве холодных теплоносителей в различных секциях фотобиореактора обусловлено его конструктивными особенностями, в частности наличие в секции освещения люминесцентной лампы не позволяет цилиндрические трубки охлаждать водой.

По текущему значению концентрации растворенного в суспензии кислорода в контуре рециркуляции 0.1.1 микропроцессор устанавливает мощность регулируемого привода вентилятора 23 в линии 3.7 отвода газообразного кислорода из десорбера 17.

По текущему значению расхода пены в линии 0.3 микропроцессор устанавливает необходимую мощность регулируемого привода сепаратора-пеногасителя 18.

В случае превышения верхнего заданного значения уровня суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в секции 5 фотобиореактора микропроцессор отключает подачу питательной среды из технологической емкости 12 в контур рециркуляции 0.1.1, а при достижении нижнего заданного значения уровня суспензии в секции 5 осуществляет соответствующее увеличение расхода питательной среды из емкости 12 в контур рециркуляции 0.1.1.

Примеры реализации способа.

Способ управления процессом культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов реализован в опытно-промышленных условиях на территории Воронежского экспериментального комбикормового завода.

Процесс культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов осуществлялся по описанному выше способу с использованием пленочного фотобиореактора [Патент РФ №2363728, МПК7 C12M 1/04, C12M 1/06, B01D 3/28. Пленочный аппарат / А.А.Шевцов, Е.С.Шенцова, А.В.Дранников, А.В.Пономарев - №2008118450; заявл. 13.05.2008; опубл. 10.08.2009, Бюл №22] со следующими техническими характеристиками:

температура культивирования 20…50°С

оптическая плотность суспензии фотоавтотрофного микроорганизма:

исходной суспензии 0,2…0,4 ед. опт. пл.
готовой суспензии 1,5…2,0 ед. опт. пл.
производительность по готовой суспензии 400…600 дм3/сут

расход смеси воздуха с углекислым газом:

в прозрачные цилиндрические трубки 0,30 м3/(ч·л)
на барботаж 0,07 м3/(ч·л)
концентрация углекислого газа в смеси с воздухом 3…8%
начальная освещенность 10…50 клк
расход питательной среды 5 дм3
начальный расход охлаждающего воздуха 1,0…1,5 м3
начальный расход охлаждающей воды 0,05…0,15 м3

габаритные размеры корпуса:

высота 3,2 м
диаметр 1,1 м

характеристики цилиндрических прозрачных трубок:

высота 2,5 м
диаметр 0,07 м

Процесс культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов заключался в дозированной подаче основного и корректирующего потоков питательной среды, смеси воздуха с углекислым газом, охлаждающего воздуха и охлаждающей воды для компенсации тепловых выделений от ламп. Из контура рециркуляции суспензии фотоавтотрофного микроорганизма отводили кислород, образующийся в процессе фотосинтеза клеток. При достижении суспензией фотоавтотрофного микроорганизма заданного значения оптической плотности вследствие увеличения числа клеток микроорганизма в суспензии ее часть - «готовая суспензия» отводили в сборник урожая с одновременным подводом эквивалентного по объему количества питательной среды.

Стабилизация температуры суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в процессе культивирования осуществлялась следующим образом. Единственным фактором, вызывавшим дестабилизацию температурного режима, являлся нагрев суспензии фотоавтотрофного микроорганизма люминесцентными лампами, поэтому отклонение текущего значения температуры суспензии, как правило, происходило только в большую сторону от интервала заданных значений. Для охлаждения использовались охлаждающий воздух и охлаждающая вода с температурой 10°С. Известно, что колебания температуры суспензии в пределах 5°С благоприятно сказываются на интенсивности прироста биомассы [Константинов А.С. и др. // Вестник Моск. ун-та (сер. биология). - 1998. - №1. - С.47-50].

Пример №1. В качестве объекта культивирования использована зеленая микроскопическая водоросль Chlorella vulgaris (штамм УА-1-20).

В белке Chlorella vulgaris содержатся все незаменимые аминокислоты, различные микроэлементы, природный антибиотик хлореллин, арахидоновая кислота (условно незаменимая, нормализует репродуктивную функцию), хлон «А» (индуцирует выработку интерферона). Для клеток Chlorella vulgaris нормой является выделение в суспензию различных полезных продуктов обмена веществ (экзаметаболитов) [Станчев П. // Гидробиология. - 1980. - №10. - С.70-77.].

В качестве питательной среды для культивирования Chlorella vulgaris использовалась среда Тамия (в модификации Кузнецова и Владимировой), имевшая следующий состав, г/л:

1. KNO3 5,0
2. MgSO4·7H2O 2,5
3. KH2PO4·3H2O 1,25
4. Na2EDTA 0,037
5. FeSO4·7H2O 0,009

6. Микроэлементы - 1 мл

Состав раствора микроэлементов, г/л:

6.1. H3BO3 2,860
6.2. MnCl2·4Н2О 1,810
6.3. ZnSO4·7H2O 0,222
6.4. MoO3 0,015
6.5. NH4VO3 0,023

Культивирование зеленой микроскопической водоросли Chlorella vulgaris проводилось по предлагаемому способу управления со следующими технологическими параметрами:

заданный интервал значений температуры культивирования 20…37°С

оптическая плотность суспензии:

исходной суспензии 0,4 ед. опт. пл.
готовой суспензии 1,5…1,7 ед. опт. пл.
начальная освещенность 10…15 клк
начальный расход охлаждающего воздуха 1,3…1,5 м3
начальный расход охлаждающей воды 0,10…0,15 м3

Выход суспензии микроскопической водоросли Chlorella vulgaris (штамм УА-1-20) по предлагаемому способу составил 470…510 дм3/сут при концентрации абсолютно сухих веществ 3,5…3,7 г/л.

Пример №2. В качестве объекта культивирования использована цианобактерия Spirulina platensis (Nordst.) Geitl. (спирулина).

Биомасса Spirulina platensis, получаемая из ее суспензии, используется в качестве пищевой добавки в рационе человека и животных. Клетки Spirulina platensis - богатый источник микроэлементов (йод, селен и пр.). Спирулина используется в медицине, косметике, животноводстве, птицеводстве и т.д. Из биомассы Spirulina platensis получают аминокислоты, протеин, углеводы, липиды, пигменты, витамины и т.д. [Берестов В.А. Спирулина: вчера, сегодня, завтра. - С.-Пб.: Лань, 2002].

В качестве питательной среды для культивирования Spirulina platensis использовалась среда Зарукка, имевшая следующий состав, г/л:

1. NaHCO3 16,8
2. K2HPO4·3H2O 0,66
3. NaNO3 2,5
4. K2SO4·4H2O 1,0
5. NaCl 1,0
6. Na2EDTA 0,08
7. FeSO4·7H2O 0,01
8. CaCl4·2H2O 0,04
9. MgSO4·7H2O 0,2
10. Раствор микроэлементов по 1 мл

Состав растворов микроэлементов, г/л:

Раствор 1. Раствор 2.
10.1. H3BO3 2,860 10.6. NiSO4·7H2O 0,045
10.2. MnCl2·4H2O 1,810 10.7. NH4VO3 0,023
10.3. ZnSO4·7H2O 0,222 10.8. Na2WO4·2H2O 0,018
10.4. CuSO4·5H2O 0,080 10.9. CoCl2·6H2O 0,044
10.5. MoO3 0,015 10.10. K2Cr2(SO4)2·24H2O 0,096

Культивирование цианобактерии Spirulina platensis (Nordst.) Geitl проводилось по предлагаемому способу управления со следующими технологическими параметрами:

температура культивирования:

заданный интервал значений температуры культивирования 29…43°С

оптическая плотность суспензии:

исходной суспензии 0,2 ед. опт. пл.
готовой суспензии 1,9…2,1 ед. опт. пл.
начальная освещенность 25…30 клк
начальный расход охлаждающего воздуха 1,0…1,1 м3
начальный расход охлаждающей воды 0,05…0,10 м3

Выход суспензии цианобактерии Spirulina platensis по предлагаемому способу составил 400…415 дм3/сут при концентрации 4,0…4,3 г А.С.В./л.

Таким образом, предлагаемый способ управления процессом культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов позволяет:

- создать оптимальные условия для прироста клеток микроорганизмов за счет стабилизации pH суспензии в процессе культивирования;

- улучшить перемещение суспензии по трубопроводам и повысить эффективность поглощения энергии освещения вследствие отвода пены, образующейся при вводе газовоздушной смеси в суспензию;

- увеличить скорость прироста клеток в процессе культивирования фотоавтотрофного микроорганизма за счет синхронного изменения освещенности от источника света и концентрации углекислого газа в газовоздушной смеси;

- обеспечить устойчивость накопления биомассы и интенсивность процесса биосинтеза для мезофильных и криофильных фотоавтотрофных микроорганизмов за счет сужения поля допуска на температуру суспензии и уменьшения ее разброса в процессе культивирования;

- снизить удельные энергозатраты на 10…12% за счет повышения точности и надежности управления технологическими параметрами в процессе культивирования фотоавтотрофного микроорганизма;

- встраивать предлагаемую технологию в состав имеющихся производственных линий.

Способ управления процессом культивирования фотоавтотрофных микроорганизмов, предусматривающий 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, отличающийся тем, что культивирование фотоавтотрофных микроорганизмов осуществляют в пленке суспензии, стекающей по внутренней поверхности цилиндрических прозрачных трубок, установленных в фотобиореакторе, при этом наружную поверхность трубок охлаждают последовательно охлаждающим воздухом и охлаждающей водой, являющихся холодными теплоносителями, в суспензию фотоавтотрофного микроорганизма на входе в фотобиореактор непрерывно вводят питательную среду, подготовку которой осуществляют из составляющих ее основного и корректирующего потоков, подаваемых сначала в технологическую емкость, а затем в контур рециркуляции суспензии на входе в фотобиореактор, в качестве искусственного источника света используют две люминесцентные лампы, получают смесь воздуха с углекислым газом в смесителе и выводят ее из смесителя по двум потокам, один из которых направляют вовнутрь цилиндрических прозрачных трубок в противоточном режиме со стекающей пленкой суспензии фотоавтотрофного микроорганизма для осуществления абсорбции углекислого газа пленкой суспензии, а другой - на барботаж суспензии, непрерывно заполняющей нижнюю часть фотобиореактора, отработанную смесь воздуха с углекислым газом из фотобиореактора сначала выводят в газовую емкость, а затем возвращают в смеситель в режиме замкнутого цикла с дополнительной подпиткой углекислым газом, пену, возникающую при барботаже, непрерывно выводят из нижней части фотобиореактора в сепаратор-пеногаситель, где ее разделяют на суспензию, возвращаемую в фотобиореактор, и смесь воздуха с углекислым газом, которую объединяют с отработанной смесью воздуха с углекислым газом в контуре ее рециркуляции перед смесителем, после фотобиореактора из суспензии фотоавтотрофного микроорганизма выделяют образовавшийся в процессе культивирования кислород в десорбере с последующим возвратом одной части суспензии в фотобиореактор, и выводом другой ее части в виде готовой биомассы в сборник урожая, дополнительно измеряют оптическую плотность суспензии фотоавтотрофного микроорганизма на выходе из фотобиореактора, расход суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в контуре рециркуляции на входе в фотобиореактор и в линии подачи в сборник урожая, расход пены из нижней части фотобиореактора в сепаратор-пеногаситель, pH суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в контуре ее рециркуляции, расходы основного и корректирующего потоков питательной среды, подаваемых в контур рециркуляции суспензии на выходе в фотобиореактор, расходы углекислого газа и смеси воздуха с углекислым газом, направляемых в цилиндрические прозрачные трубки и на барботаж, расходы охлаждающего воздуха и охлаждающей воды, уровень суспензии в нижней части фотобиореактора, и осуществляют стабилизацию оптической плотности суспензии фотоавтотрофного микроорганизма на выходе из фотобиореактора в интервале заданных значений, причем при отклонении оптической плотности суспензии фотоавтотрофного микроорганизма от интервала заданных значений в меньшую сторону сначала синхронно увеличивают освещенность цилиндрических прозрачных трубок и концентрацию углекислого газа в смеси с воздухом до достижения их максимального значения, затем увеличивают расход питательной среды на входе в фотобиореактор до достижения его максимального значения, и затем воздействуют на соотношение расходов суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в контуре рециркуляции суспензии и линии отвода из контура рециркуляции в сборник урожая путем увеличения расхода суспензии в контуре рециркуляции, снижая при этом производительность фотобиореактора по готовой биомассе, а при отклонении оптической плотности суспензии от интервала заданных значений в большую сторону сначала воздействуют на соотношение расходов суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в контуре рециркуляции суспензии и линии отвода из контура рециркуляции в сборник урожая путем увеличения расхода суспензии в сборник урожая, увеличивая при этом производительность фотобиореактора по готовой биомассе, затем снижают расход питательной среды и освещенность до выхода оптической плотности суспензии на верхнюю границу заданного интервала значений, подготовку питательной среды осуществляют по заданной величине рН суспензии в контуре ее рециркуляции воздействием на соотношение расходов основного и корректирующего потоков питательной среды, устанавливают расход смеси воздуха с углекислым газом по расходу суспензии на входе в фотобиореактор воздействием на расход углекислого газа, подаваемого по линии подпитки в смеситель, с коррекцией по концентрации углекислого газа в смеси воздуха с углекислым газом на выходе из фотобиореактора, при превышении максимально заданного давления смеси воздуха с углекислым газом в газовой емкости и смесителе производят сброс давления смеси воздуха с углекислым газом через предохранительные клапаны, температуру суспензии фотоавтотрофного микроорганизма в фотобиореакторе регулируют изменением расходов охлаждающего воздуха и охлаждающей воды для охлаждения наружной поверхности трубок, по текущему значению концентрации растворенного в суспензии кислорода в контуре ее рециркуляции воздействуют на расход кислорода в линии отвода из десорбера, по расходу пены из нижней части фотобиореактора устанавливают мощность привода сепаратора-пеногасителя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к биотехнологии, биохимии, технической микробиологии и, в частности, может использоваться для измерения теплопродукции микроорганизмов в исследовательских и лабораторных ферментерах.
Изобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано при управлении периодическим воздушно-приточным биотехнологическим процессом в биореакторе.

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к производству хлебопекарных дрожжей. .

Изобретение относится к фармацевтическому и биотехнологическому производству, а также может быть использовано при очистке сточных вод, на производствах с применением процессов сбраживания и ферментации.

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к способам автоматического управления процессом выращивания микроорганизмов. .

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано в сельском хозяйстве для управления процессом ферментации органического сырья.

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к способам автоматического управления процессом выращивания микроорганизмов, и может быть использовано при производстве дрожжей хлебопекарных.
Изобретение относится к микробиологическому контролю и может быть использовано в микроэлектронике, био- и медицинской технологии для контроля содержания бактерий в ультрачистой воде.

Изобретение относится к экологии и сельскому хозяйству. .

Изобретение относится к области биотехнологии. .
Изобретение относится к области биохимии. .
Изобретение относится к области биотехнологии. .

Изобретение относится к биотехнологии. .

Изобретение относится к микроводорослевой биотехнологии и представляет собой новый ранее не описанный, стабильный по морфологическим признакам штамм сине-зеленой водоросли/цианобактерии Arthrospira platensis (Nordst.) Geitl.

Изобретение относится к пищевой, микробиологической промышленности, а именно к способам извлечения биологических препаратов из цианобактерий, и может быть использовано для обогащения пищевых продуктов и получения биологически активных веществ.

Изобретение относится к области биохимии, в частности к способам и устройствам для получения окрашивающих веществ, и может быть использовано в пищевой и косметической промышленности, а также при проведении различного рода биологических исследований.
Изобретение относится к области биотехнологии и пищевой промышленности, в частности к способу получения аналитического устройства - биосенсорного электрода, который может быть использован для определения содержания моно- и полисахаридов в углеводсодержащем растительном сырье и промежуточных продуктах на разных стадиях технологического процесса.
Наверх