Биореактор для промышленного глубинного культивирования микроводорослей

Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ БИОРЕАКТОР ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ГЛУБИННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ(71) Заявители Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович Табала Виталий Константинович Табала Константин Брониславович(72) Авторы Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович Табала Виталий Константинович Табала Константин Брониславович(73) Патентообладатели Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович Табала Виталий Константинович Табала Константин Брониславович(57) 1. Биореактор для промышленного глубинного культивирования микроводорослей,содержащий герметичную емкость в виде осесимметричного тела вращения с соосным телом внутри, источники низкоинтенсивного неионизирующего электромагнитного излучения, устройство для перемешивания, выполненное с возможностью создания над поверхностью суспензии микроводорослей закрученного потока газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря, отличающийся тем, что источники низкоинтенсивного неионизирующего электромагнитного излучения расположены на боковых наружной, внутренней приосевой поверхностях емкости ниже максимального уровня суспензии микроводорослей и ее днище таким образом, что предельная энергия низкоинтенсивного неионизирующего электромагнитного облучения равномерно распределена по всей поверхности периферии вихревого кольца суспензии микроводорослей. 102752014.08.30 2. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что предельная энергия низкоинтенсивного неионизирующего электромагнитного облучения в центральной части вихревого кольца суспензии микроводорослей составляет не менее 50 ее значения на периферии. 3. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что диапазон частот источников низкоинтенсивного неионизирующего электромагнитного излучения составляет от 100 ГГц до 10 ТГц.(56) 1. Девятков Н.Д., Голант М.Б., Бецкий О.В. Миллиметровые волны и их роль в процессах жизнедеятельности. - М. Радио и связь, 1991. 2. Тамбиев А.Х., Кирикова Н.Н., Яковлева М.Н., Мантрова Г.М., Гусев М.В. Стимуляция роста сине-зеленых водорослей при действии электромагнитного излучения ММ диапазона низкой интенсивности. Применение ММ излучения низкой интенсивности в биологии и медицине. - М. ИРЭ АН СССР, 1986. 3. Патент РФ 2148903 1, МПК 01 7/04,01 33/00,01 61/00,01 67/00, 12 13/00, 2000. 4. Заявка РСТ 92/05245, МПК 12 1/04, 1992. Полезная модель относится к биотехнологии, преимущественно к разделу производства биологического сырья для синтеза искусственного топлива, а также может быть использована в сельском хозяйстве для производства кормов, в микробиологической промышленности для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. При интенсивном промышленном культивировании микроводорослей в закрытых биореакторах с целью получения целевого продукта важную роль играет возможность применения различных эффективных способов повышения их продуктивности. Достижение современной науки и техники в области радио- и биофизики, а именно,открытие особой биологической активности воздействия низкоинтенсивных радиоволн крайне высокой частоты на биологический объект, позволяет рассматривать его, с учетом экологических требований предельно допустимых норм параметров облучения, как эффективный способ повышения продуктивности культивирования микроводорослей 1-3. Согласно 3, воздействию низкоинтенсивным неионизирующим электромагнитным излучением (НН ЭМИ) миллиметрового диапазона длин волн (ММ-диапазона) были подвергнуты искусственные водоемы, в которых выращивались водоросли, используемые для производства пищевых добавок и фармацевтических препаратов. Воздействие НН ЭМИ ММ-диапазона проводилось на ранней стадии развития водорослей путем погружения в бассейн источника НН ЭМИ ММ-диапазона мощностью 1,0 мВт один раз в сутки в течение 10 дней. Продолжительность каждого сеанса облучения составляла 30 мин. В качестве примера приведен результат эксперимента, проведенного в отношении водоросли. Количество биомассы водорослей, подвергшихся воздействию НН ЭМИ ММ-диапазона, увеличилось вдвое по сравнению с количеством биомассы, выращенной в контрольных водоемах при прочих равных условиях. Однако при культивировании микроводорослей под открытым небом в бассейнах, лотках и других емкостях с различными способами перемешивания невозможно увеличить эффективность такого лимитирующего фактора прироста биомассы микроводорослей, как солнечный свет, трудно соблюдать гигиену их культуры, получаемая биомасса имеет нестабильный химический состав. В установках открытого типа из-за постоянно меняющихся погодных условий невозможно получать длительное время стабильный урожай микроводорослей. Кроме того,установки открытого типа для своего размещения требуют больших площадей. 102752014.08.30 Признаком аналога по патенту 3, совпадающим с существенным признаком заявляемой полезной модели, является источник НН ЭМИ. Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является аппарат для суспензионного культивирования микроорганизмов, содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и устройство для перемешивания среды, содержащее горизонтальное лопастное колесо, размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, и расположенную под ним кольцевую пластину с центральным отверстием для отвода газа, прикрепленную по периферии к стенке емкости с образованием кольцевой полости вокруг колеса 4. В кольцевой перегородке для прохода газа выполнены щелевые отверстия, расположенные равномерно по окружности под наклоном к горизонтальной плоскости. Перемешивание в аппарате осуществляется с помощью создания на поверхности суспензии микроорганизмов закрученного потока газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря. За счет трения газового вихря на границе раздела фаз газ-жидкость и разницы давления между периферией и центром обеспечивается движение суспензии в виде вихревого кольца, вращающегося относительно оси емкости с одновременным нисходящим движением на периферии емкости и восходящим в приосевой. Недостатком аппарата является то, что масштабирование конструкции устройства для перемешивания среды в виде горизонтального лопастного колеса, размещенного в верхней части емкости непосредственно под крышкой, и расположенной под ним кольцевой пластины с центральным отверстием для отвода газа, прикрепленной по периферии к стенке емкости с образованием кольцевой полости вокруг колеса и щелевыми отверстиями для прохода газа, расположенными равномерно по окружности под наклоном к горизонтальной плоскости, неэффективно для применения в биореакторах с объемом емкости до 30 м 3 и более из-за более высоких удельных энергозатрат на процесс культивирования. Кроме того, размещение источника ЭМИ в суспензии микроводорослей неэффективно, т.к. в процессе ее перемешивания нарушается стабильность вихревого кольца суспензии, образуются высокотурбулентные зоны, препятствующие равномерному подводу питания клеткам, отводу метаболитов и не позволяющие культивировать чувствительные клетки. Признаком аналога по патенту 4, совпадающим с существенным признаком заявляемой полезной модели, является герметичная емкость в виде осесимметричного тела вращения с соосным телом внутри и устройство для перемешивания, выполненное с возможностью создания над поверхностью суспензии закрученного потока газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря. Техническая задача, решаемая в настоящей полезной модели, состоит в создании условий для параметрического управления низкоинтенсивным неионизирующим электромагнитным облучением (НН ЭМО) на разных стадиях роста культуры микроводорослей по интенсивности, предельным значениям интенсивности и составу спектра облучения,периодичности и продолжительности воздействия в закрытых биореакторах для промышленного глубинного культивирования. Технический результат, получаемый при реализации настоящей полезной модели, состоит в повышении производительности процесса культивирования, уменьшении удельных энергозатрат на процесс культивирования, обеспечении возможности создания биореакторов различного объема, в том числе до 30 м 3 и более. Решение задачи достигается тем, что предлагаемый биореактор для промышленного глубинного культивирования микроводорослей, содержащий герметичную емкость в виде осесимметричного тела вращения с соосным телом внутри, источники низкоинтенсивного неионизирующего электромагнитного излучения и устройство для перемешивания, выполненное с возможностью создания над поверхностью суспензии микроводорослей за 3 102752014.08.30 крученного потока газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости,осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря, отличается тем, что источники низкоинтенсивного неионизирующего электромагнитного излучения расположены на боковых наружной, внутренней приосевой поверхностях емкости ниже максимального уровня суспензии микроводорослей и ее днище таким образом, что предельная энергия низкоинтенсивного неионизирующего электромагнитного облучения равномерно распределена по всей поверхности периферии вихревого кольца суспензии микроводорослей. Предельная энергия НН ЭМО в центральной части вихревого кольца суспензии микроводорослей составляет не менее 50 ее значения на периферии. Диапазон частот источников низкоинтенсивного неионизирующего электромагнитного излучения составляет от 100 ГГц до 10 ТГц. Полезная модель поясняется фигурой. На фигуре приведен вид биореактора для промышленного глубинного культивирования микроводорослей в разрезе. Предлагаемый биореактор для промышленного глубинного культивирования микроводорослей состоит из герметичной емкости 1 в виде осесимметричного тела вращения. Внутри емкости 1 расположено соосное тело 2. В верхней части емкости 1 имеется отверстие 3. Перемешивающее устройство выполнено в виде последовательно установленных конфузора 4, вентилятора 5 и патрубка 6, соединяющих отверстие 3 с боковой наружной поверхностью 7 емкости 1 выше максимального уровня 8 суспензии микроводорослей. Источники 9 НН ЭМИ ММ-диапазона расположены на боковой наружной поверхности 10, внутренней приосевой поверхности 11 емкости 1 ниже уровня 8 и ее днище 12. Биореактор работает следующим образом. Жидкую питательную среду через штуцер для жидких потоков заливают в емкость 1. Вентилятор 5 направляет поток газа из верхней части емкости 1 через отверстие 3 и конфузор 4 по патрубку 6 через боковую наружную поверхность 7 емкости 1 в ее внутреннюю периферию. Равномерный поток газа на выходе патрубка 6 создает стабильный, без турбулентных зон, закрученный поток газа над поверхностью суспензии с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости 1, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря. Закрученный поток газа за счет трения на границе раздела фаз газ-жидкость и разницы давления между периферией и центром газового вихря обеспечивает движение жидкости в виде вихревого кольца, вращающегося относительно оси емкости 1 с одновременным нисходящим движением на ее периферии и восходящим в приосевой зоне. Затем в жидкую питательную среду вводят суспензию микроводорослей, при этом происходит их эффективное перемешивание без образования пены, гидроударов, кавитации, высокотурбулентных и застойных зон. Одновременно источники 9 облучают клетки микроводорослей в непрерывном, периодическом и импульсном режимах. Биореактор работает при периодическом, полунепрерывном и непрерывном способах глубинного культивирования микроводорослей. Расположение источников 9 на поверхностях 10, 11 и днище 12 ниже уровня 8 обеспечивает микроводорослями 100 конверсию энергии НН ЭМО. При этом применение источников 9 с разной мощностью излучения и разными углами излучения позволяет управлять формой и размером облучаемой поверхности 13 и оптимизировать их установленную мощность. Верхним энергетическим порогом нетепловых биологических эффектов считается НН ЭМО с плотностью мощности не более 10 мВт/см 2, при этом общий нагрев облучаемого вещества является несущественным и составляет величину порядка 0,1 С. Поэтому рас 4 102752014.08.30 положение источников 9 на поверхности емкости 1 таким образом, что предельная энергия НН ЭМО равномерно распределена по всей поверхности 13 и в центральной части 14 ее значение составляет не менее 50 ее значения на периферии, обеспечивает равномерное облучение суспензии по всему объему с максимальной эффективностью и позволяет проводить параметрическое управление по интенсивности облучения на разных стадиях роста культуры микроводорослей. Диапазон частот НН ЭМИ от 100 ГГц до 10 ТГц (длина волны от 3 мм до 30 мкм) включает в себя коротковолновую часть ММ-диапазона, весь субмиллиметровый и дальний инфракрасный диапазон. На этом диапазоне частот проявляется отклик как физических, так и биологических сред, при этом энергия кванта на порядок больше, чем в крайне высокочастотном диапазоне, и, следовательно, реакционная способность молекул на воздействие ЭМИ существенно выше. Поэтому применение в биореакторе источников 9 в диапазоне частот от 100 ГГц до 10 ТГц позволяет проводить параметрическое НН ЭМО суспензии микроводорослей по составу спектра облучения на разных стадиях роста культуры с максимальной эффективностью. НН ЭМИ с диапазоном частот от 100 ГГц до 10 ТГц свободно проходит через пластики, что позволяет располагать их источники на поверхности емкости биореактора, изготовленного из термопластичных материалов, при этом, в отличие от рентгеновского, не наносит вреда живым организмам. Такое экологически безопасное НН ЭМИ используется в биомедицинской физике, радиолокации, неразрушающем контроле, для просвечивания пассажиров и груза в аэропортах. НН ЭМИ ММ-диапазона сильно поглощается водой и водными средами. Однако конструкция емкости в виде осесимметричного тела вращения с соосным телом внутри, позволяющая размещать источники 9 на ее боковых наружной, внутренней приосевой поверхностях и днище, и перемешивающего устройства, обеспечивающая движение суспензии микроводорослей в виде вихревого кольца, вращающегося относительно оси емкости с одновременным нисходящим движением на периферии емкости и восходящим в приосевой, позволяет проводить НН ЭМО культуры микроводорослей с максимальной эффективностью. Кроме того, известные резонансные окна прозрачности в водных средах в диапазоне частот от 0,4 до 0,5 ТГц позволяют снизить энергозатраты на процесс облучения. Таким образом, предлагаемый по полезной модели биореактор для промышленного глубинного культивирования микроводорослей позволяет повысить эффективность процесса культивирования микроводорослей за счет создания условий для параметрического управления НН ЭМО по интенсивности, предельным значениям интенсивности, составу спектра облучения, периодичности и продолжительности воздействия на разных стадиях роста культуры микроводорослей и, следовательно, повысить производительность процесса культивирования, уменьшить энергозатраты на процесс культивирования, обеспечить возможность создания биореакторов различного объема, в том числе до 30 м 3 и более. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5

МПК / Метки

МПК: C12M 1/00

Метки: биореактор, промышленного, микроводорослей, глубинного, культивирования

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/5-u10275-bioreaktor-dlya-promyshlennogo-glubinnogo-kultivirovaniya-mikrovodoroslejj.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Биореактор для промышленного глубинного культивирования микроводорослей</a>

Похожие патенты