Биореактор для промышленного глубинного культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ БИОРЕАКТОР ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ГЛУБИННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИХ МИКРООРГАНИЗМОВ(71) Заявители Гракович Виталий Иванович Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович(72) Авторы Гракович Виталий Иванович Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович(73) Патентообладатели Гракович Виталий Иванович Мурашко Алексей Сергеевич Мурашко Сергей Петрович(57) 1. Биореактор для промышленного глубинного культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, содержащий герметичную емкость в виде осесимметричного тела вращения с соосным телом внутри, с штуцерами для газовых и жидких потоков для установки датчиков систем контроля и управления, источник фотосинтетически активной радиации,расположенный на поверхности емкости, устройство для перемешивания, выполненное с возможностью создания над поверхностью суспензии фотосинтезирующих 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, отличающийся тем, что источник фотосинтетически активной радиации выполнен в виде сверхмощных светодиодов с длиной волны излучения, соответствующей основному максимуму ее поглощения пигментами, участвующими в фотосинтезе целевого продукта в клетке культивируемого фотосинтезирующего микроорганизма. 96952013.10.30 2. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что предельное значение энергии излучения сверхмощных светодиодов источника фотосинтетически активной радиации по спектру пропорционально доле пигмента с соответствующим основным максимумом ее поглощения, участвующего в фотосинтезе целевого продукта в клетке культивируемого фотосинтезирующего микроорганизма.(56) 1. Патент РФ 2163069 2, МПК 01 33/00,01 9/24,01 31/06, 2001. 2. Заявка РСТ 92/05245, МПК 12 1/04, 1992. 3. Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология Учебник для студ. биол. специальностей вузов. - 4-е изд. - М. Издательский центр Академия, 2003. - 466 с. 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 (ФМ). При промышленном культивировании ФМ в закрытых биореакторах с целью получения целевых продуктов важную роль играет возможность параметрического управления процессами фотосинтеза. Известна установка для выращивания микроводоросли, включающая шестиярусные блоки из нержавеющей стали вместимостью по 400 дм 3 каждый, мешалку для перемешивания культуральной среды и осветительную установку с десятью люминесцентными лампами над каждым блоком с максимумами в спектре излучения в области 611 и 450 нм 1. Недостатком этой установки является то, что размещение осветительной установки над блоком неэффективно, т.к. источники излучения находятся на удалении от поверхности суспензии микроводоросли и часть фотосинтетически активной радиации (ФАР) рассеивается. Из-за большой длины оптического пути и рассеивания части ФАР эффективность такой осветительной установки снижается в биореакторах при изменении уровня заполнения емкости суспензией ФМ, когда происходит периодический ее отбор или, когда начальный период культивирования осуществляется при малом заполнении емкости, а конечный при максимальном. Применение осветительной установки такого типа в биореакторах объемом до 30 м 3 и более не обеспечивает равномерного распределения ФАР по всему его объему суспензии ФМ. Кроме этого, в данной установке из-за хаотичного перемешивания механической мешалкой массообмен недостаточен для многих культур ФМ. В процессе перемешивания образуются высокотурбулентные зоны, вследствие чего подвод питания клеткам и отвод метаболитов осуществляется неравномерно. Культивируемые клетки гибнут из-за механического воздействия на них лопастей мешалки и возникающих возле них срезающих напряжений. 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 2. 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 вих 2 96952013.10.30 ря 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. Известно, что способность ФМ существовать за счет энергии света связана с наличием у них фоторецепторных молекул - пигментов 3. Набор пигментов характерен и постоянен для определенных групп ФМ. Соотношения между отдельными пигментами колеблются в зависимости от вида ФМ и условий их культивирования. Пигменты обеспечивают поглощение света с длиной волны в области 300-1100 нм. Все пигменты относятся к двум химическим классам соединений пигменты с тетрапиррольной структурой (хлорофиллы,фикобилипротеины) и пигменты с полиизопреноидными цепями (каротиноиды). Известно больше десяти видов хлорофиллов, но все они поглощают ФАР в видимой и инфракрасной частях спектра. Основной максимум поглощения хлорофиллом а приходится на длину волны 680-685 нм,- 650-660 нм, фикоэритрином - 565 нм, фикоцианином - 620 нм, аллофикоцианином - 654 нм, аллофикоцианином- 671 нм, каротиноидами - 400-550 нм. Поэтому применение люминесцентных ламп в качестве источника ФАР для промышленного получения целевых продуктов с помощью ФМ неэффективно. Из-за конструкторскотехнологических особенностей они не позволяют получить спектр излучения с максимумами, оптимальными для эффективного поглощения пигментами, участвующими в фотосинтезе целевых продуктов. Техническая задача, решаемая в настоящей полезной модели, состоит в повышении эффективности фотосинтеза ФМ за счет создания условий для параметрического управления ФАР по спектру излучения. Технический результат, получаемый при реализации настоящей полезной модели, состоит в повышении ее эффективности за счет уменьшения энергозатрат на процесс культивирования, повышения производительности процесса культивирования, в обеспечении возможности создания биореакторов для промышленного глубинного культивирования ФМ различного объема, в том числе до 30 м и более. Решение задачи достигается тем, в предлагаемом биореакторе для промышленного глубинного культивирования ФМ, содержащем герметичную емкость в виде осесимметричного тела вращения с соосным телом внутри, с штуцерами для газовых и жидких потоков для установки датчиков систем контроля и управления, устройство для перемешивания,выполненное с возможностью создания над поверхностью суспензии ФМ закрученного потока газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря,источник ФАР выполнен в виде сверхмощных светодиодов с длиной волны излучения,соответствующей основному максимуму ее поглощения пигментами, участвующими в фотосинтезе целевого продукта в клетке культивируемого ФМ. Предельное значение энергии излучения сверхмощных светодиодов источника ФАР по спектру пропорционально доле пигмента с соответствующим основным максимумом ее поглощения, участвующего в фотосинтезе целевого продукта в клетке культивируемого ФМ. На фиг. 1 приведен вид биореактора для промышленного глубинного культивирования ФМ в разрезе. На фиг. 2 - вид биореактора сверху. Предлагаемый биореактор для промышленного глубинного культивирования ФМ состоит из герметичной емкости 1 в виде осесимметричного тела вращения. Внутри емкости находится соосное тело 2, соединяющее дно емкости 1 с ее верхом. В верхней части емкости 1 имеется отверстие 3. Перемешивающее устройство содержит конфузор 4, вентилятор 5 и патрубок 6. Конфузор 4 соединяет отверстие 3 с входным отверстием вентилятора 5. Выходное отверстие вентилятора 5 соединено патрубком 6 с боковой наружной поверхностью 7 емкости 1 выше максимального уровня суспензии ФМ 8. 3 96952013.10.30 Сверхмощные светодиоды 9 расположены на боковых наружной 10, внутренней приосевой 11 поверхностях емкости 1 ниже уровня 8 и днище 12. Биореактор работает следующим образом. Через штуцер для жидких потоков в емкость 1 заливают жидкую питательную среду. Поток газа над поверхностью жидкости из верхней части емкости 1 через отверстие 3 и конфузор 4 направляется вентилятором 5 по патрубку 6 через боковую наружную поверхность 7 в ее внутреннюю периферию. Над поверхностью жидкости образуется закрученный поток газа 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 ФМ, при этом происходит эффективное ее перемешивание без образования пены, гидроударов, кавитации, турбулентных и застойных зон. Предлагаемый по полезной модели биореактор применяется при периодическом, полунепрерывном и непрерывном способах глубинного культивирования ФМ. Сверхмощные светодиоды способны излучать ФАР в широком диапазоне максимумы длин волн в красной области спектра составляет 620-635 нм, в оранжевой - 610-620 нм, в желтой - 585-595 нм, в зеленой - 520-535 нм, в голубой - 465-475 нм и в синей - 450-465 нм. Таким образом, составляя комбинации из сверхмощных светодиодов разных цветовых групп, можно получить источник ФАР с практически любым спектральным составом. Интенсивность излучения сверхмощного светодиода зависит от протекающего через его кристалл электрического тока. Поэтому изменяя ток в сверхмощных светодиодах с разными значениями длины волны излучения можно проводить параметрическое управление ФАР по интенсивности спектра излучения. Распределение предельного значения энергии излучения сверхмощных светодиодов источника ФАР по спектру пропорционально доле участвующих в фотосинтезе целевого продукта пигментов с соответствующим основным максимумом ее поглощения, позволяет получать различные по составу спектры излучения, оптимальные для конкретного этапа развития ФМ в биореакторах различного объема, в том числе до 30 м 3 и более. Сверхмощные светодиоды имеют самый высокий энергетический КПД и эксплуатационный ресурс (до 100000 ч), высокую яркость свечения, широкий угол рассеивания и низкое рабочее напряжение. Благодаря безинерционности сверхмощных светодиодов возможно применение экономичного импульсного режима излучения ФАР. Конструкция источника ФАР в предлагаемом биореакторе для промышленного глубинного культивирования ФМ выполнена таким образом, что за счет правильного расположения и подбора спектров сверхмощных светодиодов достигается максимальная эффективность использования излучения на процессы фотосинтеза. Таким образом, предлагаемый по полезной модели биореактор для промышленного глубинного культивирования ФМ позволяет 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