Биореактор и способ культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов

Способ культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов включает создание биохимических и физических условий для их роста в питательной среде и поддержание температурного режима культивирования. Последний осуществляют в биореакторе, который погружают и поддерживают в плавучем состоянии в природном или искусственном водоеме при температуре воды, благоприятной для роста фотосинтезирующих микроорганизмов в указанном водоеме, причем в качестве питательной среды используют отфильтрованную воду водоема, в котором расположен биореактор. Изобретение относится к устройствам для выращивания одноклеточных микроорганизмов, например зеленых водорослей, в закрытых емкостях в водной суспензии при естественном или искусственном освещении. Изобретение обеспечивает повышение выхода биомассы фотосинтезирующих микроорганизмов при одновременном сокращении энергозатрат и упрощении обслуживания. Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание такого биореактора и способа культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, которые повышали бы выход биомассы фотосинтезирующих микроорганизмов и обеспечивали бы снижение энергозатрат на получение биомассы микроорганизмов за счет культивирования этих микроорганизмов в реакторе непосредственно в природном или искусственном водоеме, а также упрощали бы процесс обслуживания ферментационного оборудования. Указанный технический результат достигается тем, что в биореакторе для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, содержащем емкость с крышкой и устройство для перемешивания и аэрации микроорганизмов, включающее патрубки соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды, размещенные в крышке емкости, и выполненное с возможностью создания на поверхности суспензии закрученного потока аэрирующего газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости и осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря и кольцевую перегородку с открытыми снизу поплавками, установленную в емкости на вертикальной оси с возможностью вращения и возвратно-поступательного по ней перемещения и соосно емкости с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой перегородкой, согласно изобретению он снабжен второй или несколькими кольцевыми перегородками, выполненными и установленными на той же вертикальной оси идентично первой кольцевой перегородке на расстоянии друг от друга, а крышка и емкость реактора выполнены из светопроницаемых материалов. Биореактор снабжен средством для удержания реактора в жидкой среде на плаву. Средство для удержания реактора в жидкой среде на плаву выполнено в виде одного или нескольких поплавков, прикрепленных к крышке емкости. Биореактор снабжен источниками искусственного освещения, установленными в полостях поплавков кольцевых перегородок, выполненных из оптически прозрачного материала. Крышка емкости имеет жесткую конструкцию, а емкость выполнена в виде одноразовой или многоразовой съемной оболочки и снабжена средством для ее крепления к крышке емкости реактора. Оболочка емкости выполнена из мягкого оптически прозрачного упругоэластичного полимерного материала, или из мягкого водопроницаемого тканого или нетканого материала.
Указанный технический результат достигается также тем, что в способе культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов путем создания биохимических и физических условий для их роста в питательной среде в биореакторе, включая поддержание температурного режима процесса культивирования указанных микроорганизмов, согласно изобретению поддержание температурного режима процесса культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов осуществляют путем погружения и поддержания в плавучем состоянии биореактора в природном или искусственном водоеме при температуре воды, обеспечивающей благоприятный рост фотосинтезирующих микроорганизмов в указанном водоеме, а в качестве питательной среды используют отфильтрованную воду указанного водоема, в котором расположен биореактор. Температура воды в природном или искусственном водоеме может составлять +4,0-+98°С. Экспериментально установлено, что при неполном заполнении емкости биореактора (например, в случае слива урожая клеток при непрерывном технологическом цикле культивирования) или увеличении скорости вращения в биореакторе газового вихря свыше 1800 об/мин, снижается эффективность перемешивания при наличии одной плавающей кольцевой перегородки, т.к. последняя выталкивается на поверхность культуральной жидкости, где вновь приобретает осевую устойчивость и запирает сток культуральной жидкости. В заявляемом биореакторе при наличии нескольких кольцевых шайб, обеспечивается интенсивное перемешивание культуральной жидкости (скорость вращения в биореакторе газового вихря свыше 1800 об/мин) посредством нижней (нижними) кольцевыми шайбами в случае запирания стока жидкости верхней кольцевой перегородкой.

Из уровня техники такой конструктивный прием не известен. Снижение энергозатрат достигается за счет использования температуры окружающей воды естественного водоема (моря, озера, океана) для поддержания температурного режима процесса культивирования указанных микроорганизмов. Так как теплоемкость воздуха многократно ниже, чем теплоемкость воды, незначительные перепады температуры воздуха не будут оказывать существенное воздействие на снижение температуры воды. Предполагается также использование биореактора в экваториальной зоне с постоянной круглогодичной температурой. Резких перепадов температуры жидкости в аквареакторе в ночное время не происходит, так как прослойка воздуха под крышкой является хорошим теплоизолятором, а корпус аппарата находится в водоеме, который охлаждается постепенно. Поддержание температуры в диапазоне +4-+98°С обеспечивается температурой окружающей воды естественного водоема (источника, моря, озера, океана), в котором происходит культивирование указанных микроорганизмов. Например, горячие источники на Камчатке (+98°С) или Северное море (+4°С). Заявляемый подход к размещению плавающих аквареакторов в водоемах морей, озер и т.д. решает задачу наработки с низкой себестоимостью биомассы микроводорослей, с использованием легкодоступных природных ресурсов (морской, озерной воды в качестве культуральной жидкости) и позволяет использовать для их создания дешевые «мягкие» материалы - полимерную пленку и т.д. Корпус аппарата, выполненный из мягких тонких прозрачных материалов, может быть съемным одноразовым и легко заменяться на новый, что упрощает его обслуживание.

Преимущества заявляемого биореактора и способа культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов перед известными аналогами состоят в следующем: организован такой массообмен, при котором не травмируются клетки микроорганизмов; эффективное и равномерное освещение всего объема суспензии; минимальное зарастание светопропускающих поверхностей и стенок реактора; быстрая замена сменной стенки емкости реактора в случае ее обрастания микроорганизмами; минимальное пенообразование за счет газовихревого перемешивания; возможность культивирования различных, в том числе и без оболочных форм фотосинтезирующих микроорганизмов за счет пониженной травмируемости клеток; возможность наработки крупнотоннажных объемов биомассы; минимальные энергозатраты за счет размещения реактора непосредственно в водоеме.

Источник: Рамазанов Юрий Ахметович ,Репков Андрей Петрович. Биореактор и способ культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов с его использованием. / Патент на изобретение № 2471863. Опубликовано 10.01.2013 г.www: Ru-Patent.info