RU224755U1 - Фотобиореактор для генерации кислорода на основе микроводоросли Chlorella vulgaris - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к биотехнологии и может быть использована для генерации кислорода в помещениях. Устройство - фотобиореактор для генерации кислорода на основе микроводорослей Chlorella vulgaris представляет собой цилиндрическую емкость, состоящую из стеклянного прозрачного корпуса и непрозрачного пластикового корпуса. В центре прозрачного корпуса расположена стеклянная колба, установленная на дно корпуса, внутрь которой помещен нагревательный элемент, выполненный в виде полой алюминиевой трубки, обмотанный спиралевидно-светодиодной лентой с сине-красным спектром свечения. В нижней части непрозрачного корпуса размещены аккумулятор, соединенный с нагревательным элементом и светодиодной лентой, и компрессор, скрепленный через аэрационный шланг с распылителем воздуха, представленный в виде перфорированного круга и расположенный на дне прозрачного корпуса. Дно прозрачного корпуса залито эпоксидной смолой и отделяет прозрачный корпус от непрозрачного, оба корпуса соединяются резиновым удерживающим контуром и, при необходимости, легко разбираются. Сверху прозрачный корпус покрывает съемная крышка с отверстиями диаметром 1 мм, через нее подведен провод термометра с датчиком температуры в прозрачный корпус. Прозрачный корпус может быть выполнен любой емкости от 20 до 100 л. Полезная модель на основе культивирования микроводорослей Chlorella vulgaris позволяет генерировать кислород для восстановления необходимого баланса содержания кислорода в воздухе в домашних, офисных и производственных помещениях.

Description

Полезная модель относится к биотехнологии и может быть использована для генерации кислорода в помещениях.

В крупных городах население постоянно испытывает различные проблемы со здоровьем от недостатка чистого воздуха, особенно в центральных и индустриальных районах, где концентрация углекислого газа превышает нормы более, чем в 5 раз (Мансуров Р.Ш., Гурин М.А., Рубель Е.В. Влияние концентрации углекислого газа на организм человека. Universum: Технические науки: электронный научный журнал, 2017, №8(41)). Как следствие, возникают такие проблемы, как гипоксия, общее ухудшение состояния здоровья людей, снижение концентрации и внимания в делах и повседневной жизни, хроническая усталость. Усугубление ситуации с недостатком кислорода для человека чревато зачастую необратимыми разрушительными процессами в тканях организма и ухудшением функций органов и систем.

Вопреки распространенному мнению, основную массу кислорода на земле вырабатывают не леса, а морская флора, среди которых сине-зеленая микроводоросль хлорелла является чемпионом по оксигенерации. Установлено, что микроводоросли в процессе фотосинтеза производят от 60 до 80% кислорода в атмосфере и поглощают углекислого газа, производимого людьми (Д.А. Кривошеин и др.; Экология и безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие для вузов. Под ред. Л.А. Муравья. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000, с. 447).

Существующие устройства для улучшения качества воздуха, такие как бытовые кондиционеры, очистители, увлажнители и мойки воздуха, очищают только существующий воздух в домашних, офисных и производственных помещениях, но не увеличивают содержание кислорода в них. Для повышения уровня концентрации кислорода единственным решением является только его дополнительная генерация, которую можно достичь за счет, например, фотобиореакторов на основе микроводорослей. Фотобиореактор в ходе естественного процесса фотосинтеза производит кислород, снижает содержание углекислого газа в помещении, фильтрует фенолы и формальдегиды (Ильмутдин М.Абдулагатов и др., микроводоросли и их технологические применения в энергетике и защите окружающей среды. Экология микроорганизмов. Юг России: экология, развитие, том 13, №1, 2018 г., с. 166-183. DOI: 10.18470/1992-1098-2018-1-166-183; Ge, S., Champagne, P., at Plaxton William, C, Leite Gustavo, В., Marazzi, F. Microalgal cultivation with waste streams and metabolic constraints to triacylglycerides accumulation for biofuel production. Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 2016, V. 11, №2, p.325-343).

Известен фотобиореактор, содержащий термоизоляционную снаружи, цилиндрическую емкость с загрузочным, сливным патрубками, крышкой с отверстиями и расположенным на дне барбортером с нагнетающим патрубком. Через крышку в емкость вставлена вертикальная прозрачная труба, причем указанная труба заглушена снизу и сверху, а ее выступающая из емкости верхняя часть снабжена соединенным с входом компрессора всасывающим патрубком. Нагнетающий патрубок выведен через крышку емкости наружу, соединен трубопроводом с выходом компрессора. Внутри прозрачной трубы соосно размещена труба меньшего диаметра, причем выступающий конец трубы меньшего диаметра открыт в атмосферу, а на ее внешних стенках равномерно закреплены светодиодные планки красного, синего и белого цвета. К блоку управления подключены компрессор, светодиодные планки и датчик температуры (патент РФ на изобретение №2759450, МПК A01G 33/00, C12N 3/00, 15.11.2021 Бюл. №32).

Недостатком данного устройства является отсутствие независимой системы подогрева суспензии микроводорослей. Подогрев обеспечивается только при включенном освещении от светодиодных планок внутри емкости. Также данное устройство предусматривает открытое подведение воздуха и трубопровода компрессора через верхнюю часть устройства, что снижает эксплуатационные свойства и варианты декоративного оформления корпуса.

Известен фотобиореактор для культивирования микроводорослей, состоящий из непрозрачного корпуса, в нижней части которого расположена газораспределительная магистраль, совмещенная с магистралью подачи питательной среды, и штуцера для слива суспензии микроводорослей. Крышка фотобиореактора имеет отверстия, в которые установлены осветительные блоки, с помещенными в них светодиодными элементами, выполненными из прозрачного не смачиваемого полимерного материала. Осветительные блоки располагаются друг от друга и корпуса фотобиореактора на расстоянии 50÷100 мм (патент РФ на полезную модель №151576, МПК A01G 33/00, опубл. 10.04.2015 Бюл. №10).

Недостатком этой полезной модели является непрозрачный корпус фотобиореактора, который исключает возможность освещения суспензии микроводорослей естественным источником света, дополняющим искусственное освещение.

Наиболее близким к заявляемому устройству является фотобиореактор, представляющий собой цилиндрическую емкость, выполненную из прозрачного материала, содержащую подвод для биораствора и микроводорослей, дно с отражающей поверхностью, имеющую слив готовой суспензии, и съемную крышку с отражающей поверхностью, оснащенную фотодатчиком, термометром и входом аэратора. По внешней стороне цилиндрической емкости спирально намотана лента со светодиодными источниками излучения, направленными внутрь фотобиореактора. Цилиндрическая емкость установлена на опору (патент РФ на изобретение №201397, МПК C12N 3/02, опубл. 14.12.2020 Бюл. №35).

Недостатками данного устройства являются отсутствие дополнительного естественного освещения, прохождение световых лучей через стенки емкости фотобиоректора, которые имеют достаточную толщину, чтобы сделать емкость ударопрочной, кроме того, такой материал, как оргстекло, хуже пропускает свет, чем стекло, - все это может ощутимо влиять на продукционные характеристики микроводорослей.

Задачей заявляемой полезной модели является создание нового устройства на основе культивирования микроводорослей Chlorella vulgaris, позволившего генерировать кислород для восстановления необходимого баланса содержания кислорода в воздухе в используемых помещениях.

Поставленная задача решается тем, что устройство - фотобиореактор для генерации кислорода на основе микроводорослей Chlorella vulgaris, представляющее собой цилиндрическую емкость, содержащую дно и съемную крышку с отверстиями, термометр и светодиодную ленту, согласно полезной модели, цилиндрическая емкость состоит из стеклянного прозрачного корпуса, в центре которого расположена стеклянная колба, установленная на дно корпуса, с помещенными внутрь нее нагревательным элементом, выполненным в виде полой алюминиевой трубки, обмотанного спиралевидно-светодиодной лентой с сине-красным спектром свечения, и непрозрачного пластикового корпуса, в нижней части которого расположены аккумулятор, соединенный с нагревательным элементом и светодиодной лентой, и компрессор, скрепленный с аэрационным шлангом, выполненным из силикона и полимерного материала, с распылителем воздуха, представленным в виде перфорированного круга и расположенного на дне прозрачного корпуса. Распылитель изготовлен из материала карбон-корунд с пластиковым корпусом. Дно прозрачного корпуса залито эпоксидной смолой и отделяет прозрачный корпус от непрозрачного, оба корпуса соединяются резиновым удерживающим контуром и, при необходимости, легко разбираются. Съемная крышка, покрывающая сверху прозрачный корпус, выполнена из полиуретанового материала, губчатого типа с отверстиями диаметром 1 мм, через нее подведен провод термометра с датчиком температуры в прозрачный корпус.

Аккумулятор имеет напряжение 5 В.

Нагревательный элемент способствует нагреву и поддержанию постоянной температуры внутри фотобиореактора с микроводорослями до 28°С (±5%), необходимой для их культивирования.

Светодиодная лента имеет гибкую водонепроницаемую (IP65) поверхность из прозрачного полимерного материала, со встроенными светодиодами Шоттки в SMD корпусах, светодиодами типа SMD 5050, расположенными с плотностью 60 шт./метр ленты, на расстоянии 30 мм друг от друга. Освещение суспензии микроводорослей происходит как изнутри, благодаря размещению светодиодной ленты внутри фотобиореактора, так и дополнительно снаружи естественным источником света, за счет прозрачной конструкции верхней части фотобиореактора. Также спиралевидная намотка вокруг нагревательного элемента увеличивает полезную площадь использования светодиодной ленты. Таким образом, обеспечивается равномерное освещение всего объема суспензии микроводорослей на уровне 25-35 КЛк и повышается прирост биомассы, тем самым усиливая интенсивность процесса фотосинтеза. Кроме того, светодиодная лента сине-красного спектра свечения пригодна по спектральному составу и интенсивности излучения для выращиваемой культуры микроводорослей Chlorella vulgaris, поскольку хлорофиллы, содержащиеся в микроводорослях и являющиеся катализаторами фотосинтеза, хорошо поглощают светло-голубую и красно-оранжевую длину волн при освещении. Использование светодиодной ленты менее энергозатратно, чем, например, использование ламп накаливания и люминесцентных ламп.

Стеклянная колба позволяет отделить суспензию микроводорослей от светодиодной ленты и нагревательного элемента.

Компрессор, установленный в фотобиореакторе, используется для барботажа суспензии микроводорослей воздушной смесью, с его помощью обеспечивается равномерное перемешивание клеток микроводорослей и исключается образование застойных зон.

Термометр представляет собой электронное устройство, имеющее

электронный дисплей (2,9-дюймовый ЖК-экран), соединенный через провод с датчиком температуры, подведенного через верхнюю крышку прозрачного корпуса в суспензию микроводорослей. Рабочее напряжение устройства 5В. Ток покоя: 30 мА. Диапазон измерения температуры: от -19 до 60°С, ±0,3°С. Материал корпуса термометра: АБС пластик.

Производительность кислорода происходит в прозрачном корпусе, где культивируются микроводоросли. Прозрачный корпус может быть выполнен любой емкости от 20 до 100 л. При емкости прозрачного корпуса 20 литров, полностью заполненного суспензией микроводорослей, производится 343,2 л/сут. кислорода, при условии работы освещения и воздуха круглосуточно, что достаточно для поддержания жизнеспособности одного человека (Ed. I.R. Fomina, KY. Biel, V.G. Soukhovolsky. Complex biological systems: adaptation and tolerance to extreme environments. Hoboken: John Wiley & Sons, 2018, p.606).

Использовать фотобиореактор возможно в домашних, офисных и производственных помещениях различной площади, в зависимости от количества находящихся в них человек.

На фиг.1 схематически изображено предлагаемое устройство.

Фотобиореактор состоит из верхнего прозрачного корпуса 1, заполненного суспензией микроводорослей 2, в центре которого размещена стеклянная колба 3, установленная на дно 4 корпуса 1, с помещенными внутрь нее нагревательным элементом 5 и, спиралевидно намотанной вокруг него, светодиодной лентой 6, и из непрозрачного корпуса 7, в нижней части которого установлен аккумулятор 8 и компрессор 9. Аккумулятор 8 с помощью проводов 10 соединен с нагревательным элементом 5 и светодиодной лентой 6. Компрессор 9 скреплен через аэрационный шланг 11 с распылителем воздуха 12, расположенном на дне 4 корпуса 1. Оба корпуса 1 и 7 соединяются между собой резиновым удерживающим контуром (на чертеже не указан). Сверху фотобиореактор имеет съемную крышку с отверстиями 13, через которую в корпус 1 подведен провод термометра 14 с датчиком температуры 15.

Устройство функционирует следующим образом.

Заселение культуры микроводорослей Chlorella vulgaris в фотобиореактор осуществляется путем снятия крышки и заливки питательной среды и суспензии микроводорослей сверху в прозрачный корпус. Далее подключают компрессор, осуществляющий барботирование суспензии микроводорослей воздушной смесью, и аккумулятор, питающий нагревательный элемент, от которого суспензия микроводорослей прогревается до 28°С, и светодиодную ленту, осуществляющую освещение прозрачного корпуса изнутри со всех сторон. Провод с датчиком температуры, подведенный через верхнюю крышку прозрачного корпуса в суспензию микроводорослей, передает данные температуры, которые отображаются на электронном дисплее термометра, позволяя контролировать поддержание температуры суспензии микроводорослей на заданных цифрах.

Культура микроводорослей насыщается углекислотой из воздушной смеси, которая подается через компрессор по аэрационному шлангу в прозрачный корпус, заполненный микроводорослями, и выходит через распылитель. В результате естественного процесса фотосинтеза образуется кислород, избыток которого из жидкой фазы переходит в газообразный и выходит из прозрачного корпуса через отверстия в крышке фотобиореактора в воздушную среду используемого помещения.

Путем снятия крышки периодически осуществляется слив части суспензии микроводорослей и ее подпитка - внесение в прозрачный корпус той же емкости свежеприготовленной питательной среды Тамия, согласно существующей рецептуре.

Claims (8)

1. Фотобиореактор для генерации кислорода на основе микроводоросли Chlorella vulgaris, содержащий цилиндрическую емкость, имеющую дно, съемную крышку с отверстиями, термометр и светодиодную ленту, отличающийся тем, что цилиндрическая емкость состоит из прозрачного корпуса, в центре которого расположена стеклянная колба, установленная на дно прозрачного корпуса, с помещенным внутрь нее нагревательным элементом, выполненным в виде полой алюминиевой трубки, обмотанным спиралевидно-светодиодной лентой с сине-красным спектром свечения, и непрозрачного корпуса, в нижней части которого расположены аккумулятор, соединенный с нагревательным элементом и светодиодной лентой, и компрессор, скрепленный через аэрационный шланг с распылителем воздуха, представленным в виде перфорированного круга и размещенного на дне прозрачного корпуса, через съемную крышку в прозрачный корпус подведен провод термометра с датчиком температуры.

2. Фотобиореактор по п. 1, отличающийся тем, что прозрачный корпус выполнен из стекла.

3. Фотобиореактор по п. 1, отличающийся тем, что непрозрачный корпус выполнен из пластика.

4. Фотобиореактор по п. 1, отличающийся тем, что дно прозрачного корпуса залито эпоксидной смолой и отделяет прозрачный корпус от непрозрачного корпуса, оба корпуса соединяются резиновым удерживающим контуром и, при необходимости, легко разбираются.

5. Фотобиореактор по п. 1, отличающийся тем, что аэрационный шланг выполнен из силикона и полимерного материала.

6. Фотобиореактор по п. 1, отличающийся тем, что распылитель воздуха изготовлен из материала карбон-корунд с пластиковым корпусом.

7. Фотобиореактор по п. 1, отличающийся тем, что крышка выполнена из полиуретанового материала губчатого типа с отверстиями диаметром 1 мм.

8. Фотобиореактор по п. 1, отличающийся тем, что прозрачный корпус может быть выполнен емкостью от 20 до 100 л.

Images