Способ культивирования микроводоросли chlorella
Владельцы патента RU 2668162:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") (RU)
Изобретение относится к области культивирования микроводорослей. Предложен способ культивирования микроводоросли Chlorella. Способ включает культивирование суспензии микроводоросли в фотобиореакторе, в котором суспензию микроводоросли перемешивают в течение 13-17 минут с частотой вращения 500 об/мин через каждые 120 минут. При этом культивирование осуществляют также при непрерывной продувке воздухом с помощью барботирующего устройства с расходом 1,2-1,8 л/мин при температуре 26-30°С, непрерывном воздействии инфракрасного излучения 10900-11300 Лк и при поверхностной освещенности 2200-2800 Лк с фотопериодом 12 часов. Изобретение обеспечивает увеличение прироста биомассы при минимальных энергетических затратах. 2 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области культивирования микроводорослей, в частности к способам искусственного культивирования микроводоросли вида Chlorella.
Микроводоросль Chlorella находит широкое применение в медицине, пищевой промышленности, в качестве биодобавки в кормах скоту. На основе микроводоросли Chlorella возможно создание биосорбентов для очистки воды, а также микроводоросль может быть источником биотоплива.
Известен способ по патенту РФ № 2508398, опубл. 27.02.2014 по классам МПК C12N 1/12, C12P 7/64, C12R 1/89, в котором культивирование штамма микроводоросли Chlorella vulgaris Al 123 проводят в лабораторных условиях при температуре 25°C на среде ВВМ pH 6.8 в лимитированных по азоту условиях в течение 7 дней, в объеме среды 200 мл в колбах на 500 мл, при непрерывном барботировании суспензии стерильным воздухом со скоростью 200 мл/мин, при освещенности 120 Вт/м2 с фотопериодом 16 ч. Недостатком данного способа является низкий прирост биомассы.
Известен способ культивирования микроводоросли Chlorella, который предусматривает культивирование микроводоросли на жидкой питательной среде в условиях перемешивания и освещения при воздействии импульсного низкочастотного электромагнитного поля с магнитной индукцией 2000 Гс при частоте импульсов 10 Гц и длительностью 10 мкс (см. авт. св. № 1711734, опубл. 15.02.1992 по классам МПК A01G 33/00, C12N 13/00). К недостаткам данного способа можно отнести низкую производительность и высокую энергозатратность.
Наиболее близким аналогом является способ искусственного культивирования микроводорослей и установка для его осуществления по патенту РФ № 2175013, опубл. 10.06.2001 по классам МПК C12N 1/12, A01G 33/00. Культивирование микроводорослей осуществляется путем фотосинтеза при воздействии на них радиолюминесцентного излучения и тепла, возбуждаемого проникающими ядерными излучениями, при этом спектр радиолюминесцентного излучения может быть выбран резонансно совпадающим со спектром действия фотосинтеза. Искусственным источником энергии служит источник проникающих ядерных излучений, источником люминесцентного оптического излучения - радиолюминофор, тепло генерируется в среде источника ядерных излучений. В качестве источника ядерных излучений используется ядерный реактор, в том числе, реактор-размножитель с уран-ториевым циклом, в том числе, в виде решетки из ядерных радиолюминесцентных ламп, которые со всех сторон окружены светоприемными кюветами с суспензией культивируемых микроводорослей.
Недостатками способа по прототипу являются высокие энергозатраты, использование ядерного излучения, применение дорогостоящего компонента, являющегося прекурсором, - радиолюминофора.
Технической задачей заявляемого изобретения является разработка высокопроизводительного, экологически чистого, безопасного способа с использованием компактной высокопроизводительной установки для искусственного культивирования микроводорослей вида Chlorella в лабораторных условиях.
Технический результат – увеличение прироста биомассы при минимальных энергетических затратах.
Технический результат достигается за счет заявляемого способа культивирования микроводоросли Chlorella, заключающегося в том, что суспензию микроводоросли помещают в фотобиореактор, в котором суспензию микроводоросли перемешивают в течение 13-17 минут с частотой вращения 500 об/мин через каждые 120 минут, при этом культивирование проводят при непрерывной продувке воздухом с помощью барботирующего устройства с расходом 1,2-1,8 л/мин при температуре 26-30°С, непрерывном воздействии инфракрасного излучения 10900-11300 Лк и при поверхностной освещенности 2200-2800 Лк с фотопериодом 12 часов.
По сравнению с естественными источниками света искусственные источники могут создавать большую облученность, что способствует увеличению прироста биомассы. Инфракрасное облучение воспринимается организмами как тепло и регулирует окислительные процессы в клетке. Температура раствора суспензии поддерживается до величины 28±2°С за счет теплового воздействия инфракрасного излучения. Интенсивное барботирование атмосферным воздухом суспензии микроводоросли Chlorella позволяет интенсифицировать процессы ассимиляции СО2, что способствует интенсификации обменных процессов и размножению клеток микроводоросли Chlorella. Перемешивание при культивировании позволяет добиться деления старых клеток и образования новых.
На фиг. 1 схематично изображена установка для культивирования суспензии микроводоросли Chlorella, где 1 – фотобиореактор, 2 - магнитная мешалка, 3 — якорь магнитной мешалки, 4 - насос-аэратор, 5 — трубка подачи воздуха, 6 - инфракрасная лампа, 7 - лампы дневного света.
На фиг. 2 представлена микроскопическая фотография процесса флокуляции микроводоросли Chlorella.
Рост популяции неизбежно связан с образованием осадка клеток водорослей, при этом отмечена флокуляция клеток (фиг. 2), что препятствует интенсивному размножению клеток. Перемешивание позволяет уменьшить интенсивность флокуляции, что способствует сохранению интенсивных обменных процессов в клетках и увеличению скорости размножения микроводоросли Chlorella.
Условия культивирования были подобраны авторами экспериментально.
Способ культивирования микроводоросли Chlorella реализуется следующим образом.
Суспензия микроводорослей представляет собой раствор микроводоросли в питательной среде. Состав питательной среды для культивирования микроводоросли Chlorella был подобран экспериментально (таблица 1).
Таблица 1. Состав питательной среды
| Наименование вещества | Концентрация, мг/л |
| ZnSO4·7H2O | 100 |
| CuSO4·5H2O | 10 |
| CoSO4·7H2O | 100 |
| MnCl2·4H2O | 500 |
| H3BO3·WF | 50 |
| Na2MoO4·2H2O | 100 |
| FeCl3·6H2O | 4,000 |
| Na2EDTA·2H2O | 6,000 |
| KNO3 | 3,03 |
| KH2PO4 | 0,32 |
| MgSO4·7H2O | 2,4 |
Приготовленную суспензию микроводоросли помещают в фотобиореактор 1 объемом 500 мл. В процессе культивирования осуществляют перемешивание в течение 13-17 минут через каждые 120 минут с помощью магнитной мешалки 2 и якоря 3, расположенного на дне фотобиореактора 1. Частота вращения якоря 3 магнитной мешалки 2 при перемешивании составляла 500 об/мин. На протяжении всего периода культивирования суспензию микроводоросли непрерывно продувают атмосферным воздухом с помощью барботирующего устройства, состоящего из насоса-аэратора 4 и трубки подачи 5 атмосферного воздуха, с расходом 1,2-1,8 л/мин при температуре 26-30°С. Культивирование проводили под непрерывным воздействием инфракрасного (ИК) излучения 10900-11300 Лк, а поверхностная освещенность лампами дневного света (ЛД) составляла 2200-2800 Лк с фотопериодом 12 часов. Для проведения экспериментов была использована лампа с инфракрасным излучением ИКЗК- 250.
В таблице 2 представлены параметры условий культивирования микроводоросли Chlorella и оптическая плотность выращенных образцов.
Таблица 2. Значения основных факторов условий культивирования
| № п/п | Факторы | Образец № 1 | Образец № 2 | Образец № 3 |
| 1 | Инфракрасное излучение, Лк | 10900 | 11100 | 11300 |
| 2 | Температура, °С | 26 | 28 | 30 |
| 3 | Освещенность (ЛД), Лк | 2200 | 2500 | 2800 |
| 4 | Время перемешивания, мин | 13 | 15 | 17 |
| 5 | Продувка воздухом, л/мин | 1,2 | 1,5 | 1,8 |
| 6 | Оптическая плотность на 2-е сутки, Б | 0,521 | 0,580 | 0,538 |
| 7 | Оптическая плотность на 7-е сутки, Б | 1,491 | 1,560 | 1,510 |
Культивирование микроводоросли Chlorella предпочтительно проводить при значениях рН от 6,0 до 9,0.
Прирост биомассы оценивался по изменению оптической плотности суспензии микроводоросли. Измерение оптической плотности проводилось с помощью спектрофотометра UNICO 1208. Начальная оптическая плотность суспензии микроводоросли составляла 0,200 Б при длине волны 750 нм.
За двое суток оптическая плотность биомассы увеличилась с 0,200 до 0,521 Б при температуре 26°С, а при максимальной температуре, равной 30°С, оптическая плотность увеличилась с 0,200 до 0,538 Б. На седьмые сутки культивирования оптическая плотность выращенной биомассы составила 1,560 при температуре раствора 28°С. При одновременном воздействии инфракрасного излучения выше 11300 Лк и освещенности выше 2800 Лк происходит гибель клеток микроводоросли вследствие увеличения температуры суспензии выше 30°С. При одновременном воздействии инфракрасного излучения ниже 10900 Лк и освещенности ниже 2200 Лк и температуре суспензии ниже 26°С биомасса микроводоросли увеличивается с меньшей скоростью. Суммарная освещенность от 13100 до 14100 Лк обеспечивает максимальную интенсивность фотосинтеза и приводит к образованию хлорофилла. Режим освещенности лампами дневного света с фотопериодом 12 часов позволяет имитировать естественные условия освещенности при культивировании микроводорослей. Отключение освещения в течение последующих 12 часов способствует энергосбережению без существенного снижения прироста биомассы.
Таким образом, заявляемый способ культивирования микроводоросли Chlorella позволяет получить существенный прирост биомассы за 7 дней при изменении оптической плотности от 0,200 до ~1,670 Б.
Способ культивирования микроводоросли Chlorella, заключающийся в том, что суспензию микроводоросли помещают в фотобиореактор, в котором суспензию микроводоросли перемешивают в течение 13-17 минут с частотой вращения 500 об/мин через каждые 120 минут, при этом культивирование проводят при непрерывной продувке воздухом с помощью барботирующего устройства с расходом 1,2-1,8 л/мин при температуре 26-30°С, непрерывном воздействии инфракрасного излучения 10900-11300 Лк и при поверхностной освещенности 2200-2800 Лк с фотопериодом 12 часов.
