RU2451446C1 - Photobioreactor - Google Patents

Photobioreactor Download PDF

Info

Publication number
RU2451446C1
RU2451446C1 RU2010139943/13A RU2010139943A RU2451446C1 RU 2451446 C1 RU2451446 C1 RU 2451446C1 RU 2010139943/13 A RU2010139943/13 A RU 2010139943/13A RU 2010139943 A RU2010139943 A RU 2010139943A RU 2451446 C1 RU2451446 C1 RU 2451446C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
channels
photobioreactor
channel
suspension
ports
Prior art date
Application number
RU2010139943/13A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010139943A (en
Inventor
Анатолий Анатольевич Цыганков (RU)
Анатолий Анатольевич Цыганков
Евгений Евгеньевич Елизаров (RU)
Евгений Евгеньевич Елизаров
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Фитосила-Биос"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Фитосила-Биос" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Фитосила-Биос"
Priority to RU2010139943/13A priority Critical patent/RU2451446C1/en
Publication of RU2010139943A publication Critical patent/RU2010139943A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2451446C1 publication Critical patent/RU2451446C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to biotechnology and can be used to obtain microalgae biomass and any other life products thereof. The photobioreactor is made from translucent, chemically and biologically inert material in form of a flat panel composed of parallel channels. Below and on top, the outlets of the channels are connected by common containers made from the same material. The common containers have ports for installing sensors which measure pH, temperature and content of dissolved oxygen, and socket pieces for inlet of additives or collecting a suspension of microorganisms. Below each even channel in the light-receiving plane on one side and the odd channel on the other, there are ports for inlet of a gaseous mixture so that the suspension inside the photobioreactor moves due to air lift - upwards in half of the channels and downwards in the other half of the channels.
EFFECT: improved gas-mass exchange characteristics, low amplitude of oscillation of culturing parameters and providing a more compact design, where the photosynthesis process is combined with the gas-mass exchange process.
3 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для получения биомассы фотосинтезирующих микроорганизмов, в частности микроводорослей, создания систем поглощения углекислоты, фотосинтетического получения кислорода, регенерации воздуха в помещениях с затрудненной вентиляцией, а также для получения других ценных продуктов жизнедеятельности фотосинтезирующих микроорганизмов.The invention relates to biotechnology and can be used to obtain biomass of photosynthetic microorganisms, in particular microalgae, create carbon dioxide absorption systems, photosynthetic oxygen production, air regeneration in rooms with difficult ventilation, and also to obtain other valuable vital products of photosynthetic microorganisms.

Широко известны аппараты для выращивания микроводорослей (фотобиореакторы), состоящие из светоприемной части, выполненной в виде светопрозрачных трубок, побудителя движения жидкости (насоса или аэрлифта), а также газомассообменной системы (для обзора см. Цыганков, Лабораторные фотобиореакторы. Прикл. Биохим. Микробиол. (2001), 37, 4, с.387-397; Pulz, О., Photobioreactors: production systems for phototropic microorganisms (2001) Appl Microbiol Biotechnol 57, p.287-293).Microalgae growing apparatuses (photobioreactors) are widely known, consisting of a light-receiving part made in the form of translucent tubes, a fluid movement inducer (pump or airlift), and a gas-mass exchange system (for a review see Gypsies, Laboratory photobioreactors. Appl. Biochem. Microbiol. (2001), 37, 4, p. 387-397; Pulz, O., Photobioreactors: production systems for phototropic microorganisms (2001) Appl Microbiol Biotechnol 57, p. 287-293).

Известен плоскостной фотобиореактор, состоящий из светоприемной части, побудителя движения жидкости и газомассобменной системы, у которого светоприемная часть выполнена в виде плоской панели из прозрачного материала, состоящей из параллельных каналов, расположенных в 2 ряда (О.Пульц. Плоскостной биореактор закрытого типа для продукции биомассы микроводорослей. Физиол. Раст. (1994), 41(2), с.292-298). Эти каналы соединяются параллельно или последовательно друг с другом, образуя единую трубчатую систему, по которой суспензия микроводорослей движется за счет побудителя движения. Последовательно со светоприемной частью устанавливают газомассообменную систему. Недостатком такой системы является пространственное разделение процессов фотосинтеза и отделения избытка кислорода/насыщения суспензии углекислотой. В результате культура фотосинтезирующих микроорганизмов в таком аппарате находится в циклически изменяющихся условиях (содержание кислорода и углекислоты, рН, окислительно-восстановительный потенциал, освещенность). Кроме того, светоприемная поверхность при длительном культивировании обрастает пленкой микроводорослей. Для очистки стенок светоприемной части трубчатых фотобиореакторов применяют поролоновые пыжи, которые собирают в пыжеуловителе и при необходимости пропускают по трубкам светоприемной части (Лукашин и др. А.с. СССР №1083944, 1984, бюл. №28, с.15-16). К сожалению, такой способ неприменим для плоскостных фотобиореакторов, в которых форма сечения каналов не является окружностью.Known planar photobioreactor, consisting of a light receiving part, a motive fluid and a gas exchange system, in which the light receiving part is made in the form of a flat panel of transparent material consisting of parallel channels arranged in 2 rows (O. Pulz. Closed-type planar bioreactor for biomass production microalgae, Fiziol, Rast. (1994), 41 (2), pp. 292-298). These channels are connected in parallel or sequentially with each other, forming a single tubular system through which the suspension of microalgae moves due to the motive agent. In series with the light receiving part, a gas-mass exchange system is installed. The disadvantage of this system is the spatial separation of the processes of photosynthesis and separation of excess oxygen / saturation of the suspension with carbon dioxide. As a result, the culture of photosynthetic microorganisms in such an apparatus is in cyclically changing conditions (oxygen and carbon dioxide content, pH, redox potential, illumination). In addition, during long-term cultivation, the light-receiving surface is surrounded by a film of microalgae. To clean the walls of the light receiving part of the tubular photobioreactors, foam wads are used, which are collected in a dust collector and, if necessary, passed through the tubes of the light receiving part (Lukashin et al. Of the USSR AS No. 1083944, 1984, bull. No. 28, p.15-16). Unfortunately, this method is not applicable for planar photobioreactors in which the channel cross-sectional shape is not a circle.

Ближайшим аналогом изобретения является фотобиореактор, описанный в патенте CN 101838606 A, опубл. 22.09.2010, который состоит из светоприемной части, освещаемой с одной или двух сторон и выполненной из светопрозрачного химически и биологически инертного материала, составленный из параллельных каналов, причем снизу и сверху выходы из каналов соединены общими емкостями, выполненными из того же материала, и в них расположены один или несколько штуцеров для ввода добавок или отбора суспензии микроорганизмов и вывода газа из фотобиореактора, а внизу части каналов установлены порты для ввода газовой смеси, чтобы суспензия внутри фотобиореактора двигалась за счет аэрлифта как вверх, так и вниз. К недостаткам указанного фотобиореактора следует отнести недостаточную равномерность подачи углекислоты и отбора избытка кислорода.The closest analogue of the invention is the photobioreactor described in patent CN 101838606 A, publ. 09/22/2010, which consists of a light-receiving part illuminated from one or two sides and made of translucent chemically and biologically inert material, made up of parallel channels, the bottom and top of the channel exits are connected by common containers made of the same material, and they have one or more fittings for introducing additives or taking a suspension of microorganisms and removing gas from the photobioreactor, and ports for introducing the gas mixture are installed at the bottom of the channels so that the suspension inside the photobioreact pa due aerlifta moved both up and down. The disadvantages of this photobioreactor include insufficient uniformity in the supply of carbon dioxide and the selection of excess oxygen.

Целью настоящего изобретения является устранение недостатков прототипа и достижение технического результата, состоящего в улучшении газомассообменных характеристик, снижении амплитуды колебаний параметров культивирования и обеспечении более компактной структуры, где процесс фотосинтеза совмещен с процессом газомассообмена.The aim of the present invention is to eliminate the disadvantages of the prototype and to achieve a technical result consisting in improving gas and gas exchange characteristics, reducing the amplitude of oscillation of the cultivation parameters and providing a more compact structure, where the photosynthesis process is combined with the gas and gas exchange process.

Указанный технический результат достигается в фотобиореакторе, содержащем светоприемную поверхность, освещаемую с одной или двух сторон и выполненную из светопрозрачного химически и биологически инертного материала, составленном из параллельных каналов, причем снизу и сверху выходы из каналов соединены общими емкостями, выполненными из того же материала, и в них расположены один или несколько штуцеров для ввода добавок или отбора суспензии фотосинтезирующих микроорганизмов и вывода газа из фотобиореактора, а внизу части каналов установлены порты для ввода газовой смеси, чтобы суспензия внутри фотобиореактора двигалась за счет аэрлифта как вверх, так и вниз, согласно изобретению, выполненном в виде плоской панели, в общих емкостях фотобиореактора расположены один или несколько портов для датчиков, измеряющих температуру, рН и содержание растворенного кислорода в суспензии фотосинтезирующих микроорганизмов, при этом порты для ввода газовой смеси установлены внизу каждого четного канала светоприемной поверхности с одной стороны и нечетного канала с другой стороны, что обеспечивает аэрлифтное движение в половине каналов вверх, а в половине каналов вниз.The specified technical result is achieved in a photobioreactor containing a light receiving surface illuminated from one or two sides and made of a translucent chemically and biologically inert material composed of parallel channels, the bottom and top of the channel exits are connected by common containers made of the same material, and they contain one or several fittings for introducing additives or taking a suspension of photosynthetic microorganisms and for removing gas from the photobioreactor, and at the bottom of the channels The ports for introducing the gas mixture have been updated so that the suspension inside the photobioreactor moves up and down, according to the invention, made in the form of a flat panel, in the common capacities of the photobioreactor there are one or more ports for sensors that measure temperature, pH and dissolved content oxygen in a suspension of photosynthetic microorganisms, while ports for introducing a gas mixture are installed at the bottom of each even channel of the light receiving surface on the one hand and the odd channel on the other side which provides airlift movement in half of the channels up, and in half of the channels down.

В частных случаях воплощения, для очистки светоприемных поверхностей от биопленки внутри фотобиореактора располагают постоянный магнит сечением, примерно равным сечению каналов, покрытый мягким пористым химически и биологически инертным материалом и приводимый в движение внешним магнитным полем, при этом переход между светоприемной панелью и емкостями не имеет ступенек и резких изменений угла наклона плоскости для облегчения движения магнита.In particular cases of embodiment, to clean the light-receiving surfaces from the biofilm inside the photobioreactor, a permanent magnet with a cross section approximately equal to the cross-section of the channels is coated with a soft porous chemically and biologically inert material and set in motion by an external magnetic field, while the transition between the light-receiving panel and the containers does not have steps and sudden changes in the angle of inclination of the plane to facilitate the movement of the magnet.

Кроме того, для одновременной очистки нескольких светоприемных поверхностей каналов от биопленки внутри фотобиореактора располагают магниты по числу, равному или меньшему количества каналов, одновременно приводимые в движение внешним многополюсным магнитом, выполненным в виде полосы, у которой чередуются южные и северные полюса с шагом, равным сечению канала.In addition, for simultaneous cleaning of several light receiving surfaces of the channels from the biofilm inside the photobioreactor, magnets are placed in the number equal to or less than the number of channels, simultaneously driven by an external multipole magnet made in the form of a strip, in which the south and north poles alternate with a step equal to the cross section channel.

На фиг.1 схематично изображено устройство фотобиореактора, на фиг.2 - график изменения рН при вводе кислоты, на фиг.3 - график изменения содержания растворенного кислорода при смене подаваемой газовой смеси с воздуха на аргон, на фиг.4-5 - макет фотобиореактора после 3-х недель культивирования хлореллы, фиг.6-7 - очистка макета фотобиореактора с помощью магнита.Figure 1 schematically shows the photobioreactor device, figure 2 is a graph of the change in pH when adding acid, figure 3 is a graph of the change in dissolved oxygen when changing the supplied gas mixture from air to argon, figure 4-5 is a model of a photobioreactor after 3 weeks of cultivation of chlorella, Fig.6-7 - cleaning the layout of the photobioreactor using a magnet.

Фотобиореактор (фиг.1) состоит из светоприемной части (1), выполненной из светопрозрачного химически и биологически инертного материала (например, поликарбоната или оргстекла) в виде плоской панели, составленной из параллельных каналов. Снизу выходы из каналов соединены общей емкостью (2), а сверху - общей емкостью (3), выполненными из того же материала. В емкостях (2) и (3) расположены один или несколько портов (4) для датчиков, измеряющих значения температуры, рН, содержания растворенного кислорода в культуре фотосинтезирующих микроорганизмов, а также один или несколько штуцеров (5) для ввода необходимых жидкостных добавок или отбора проб суспензии микроорганизмов и отвода газа из фотобиореактора. Между верхней емкостью (3) и штуцером для отвода газа (5) установлено устройство механического пеногашения (6). Кроме того, внизу каждого четного канала светоприемной плоскости с одной стороны и нечетного канала с другой стороны установлены порты (7) для ввода газовой смеси. Внутри фотобиореактора располагают постоянный магнит (8), покрытый инертным материалом для предотвращения коррозии, а также мягким пористым материалом, используемым для протирки поверхностей (например, ткань из поливиниацетатного армированного волокна, используемая для протирки крашеных поверхностей автомобилей).The photobioreactor (Fig. 1) consists of a light-receiving part (1) made of a translucent chemically and biologically inert material (for example, polycarbonate or plexiglass) in the form of a flat panel composed of parallel channels. The bottom of the channel exits are connected by a common tank (2), and from the top by a common tank (3) made of the same material. In containers (2) and (3) there are one or several ports (4) for sensors that measure temperature, pH, dissolved oxygen in a culture of photosynthetic microorganisms, as well as one or more fittings (5) for introducing the necessary liquid additives or selection samples of a suspension of microorganisms and gas removal from the photobioreactor. A mechanical defoaming device (6) is installed between the upper tank (3) and the gas outlet (5). In addition, at the bottom of each even channel of the light-receiving plane on one side and the odd channel on the other side, ports (7) are installed for introducing the gas mixture. Inside the photobioreactor there is a permanent magnet (8) coated with an inert material to prevent corrosion, as well as a soft porous material used for wiping surfaces (for example, a fabric made of polyvinyl acetate reinforced fiber used for wiping painted surfaces of cars).

Фотобиореактор работает следующим образом. Перед началом работы в фотобиореактор устанавливают датчики, измеряющие значения температуры, рН, содержания растворенного кислорода, подсоединяют необходимые коммуникации: газовые линии, емкости для сред и приема урожая. Затем его заполняют стерилизующим раствором (например, 10-12% раствором гипохлорита) и стерилизуют. После стерилизации фотобиореактор несколько раз (обычно 3-5) промывают стерильной водой и заполняют стерильной питательной средой, специфичной для выращиваемого фотосинтезирующего микроорганизма. Затем доводят рН и температуру до требуемых значений, в каналы подают газовую смесь. Фотобиореактор освещают с одной или двух сторон любым источником освещения (например, солнечным светом, светодиодами, люминесцентными лампами, газоразрядными лампами на основе ртути или натрия и т.п.), пригодным по спектральному составу и интенсивности излучения для выращиваемого микроорганизма, и вводят суспензию микроорганизмов. Развивающаяся культура микроорганизмов насыщается углекислотой в каналах, куда подается газовая смесь, а избыток кислорода переходит из жидкости в газовую фазу. В каналах, где нет подачи газовой смеси, суспензия микроорганизмов, уже насыщенная углекислотой, движется сверху вниз за счет аэрлифта. Таким образом, предлагаемый фотобиореактор не требует дополнительно устройства газомассообмена и побудителя движения суспензии. Кроме того, в каналах, куда подается газовая смесь, газовые пузырьки, поднимаясь к поверхности, предотвращают обрастание поверхности пленкой фотосинтезирующих микроорганизмов, тем самым способствуя эффективному проникновению света внутрь фотобиореактора.Photobioreactor works as follows. Before starting work, sensors are installed in the photobioreactor that measure temperature, pH, dissolved oxygen content, and the necessary communications are connected: gas lines, containers for media, and crop reception. Then it is filled with a sterilizing solution (for example, 10-12% hypochlorite solution) and sterilized. After sterilization, the photobioreactor is washed several times (usually 3-5) with sterile water and filled with sterile nutrient medium specific for the growing photosynthetic microorganism. Then the pH and temperature are adjusted to the required values, a gas mixture is fed into the channels. The photobioreactor is illuminated from one or two sides with any light source (for example, sunlight, LEDs, fluorescent lamps, gas discharge lamps based on mercury or sodium, etc.) suitable for the spectral composition and radiation intensity for the grown microorganism, and a suspension of microorganisms is introduced . The developing culture of microorganisms is saturated with carbon dioxide in the channels where the gas mixture is supplied, and the excess oxygen passes from the liquid to the gas phase. In channels where there is no supply of a gas mixture, a suspension of microorganisms, already saturated with carbon dioxide, moves from top to bottom due to airlift. Thus, the proposed photobioreactor does not additionally require a gas-mass transfer device and a slurry stimulator. In addition, in the channels where the gas mixture is supplied, gas bubbles, rising to the surface, prevent the surface of the film from fouling with a film of photosynthetic microorganisms, thereby facilitating the effective penetration of light into the photobioreactor.

Тем не менее, в каналах, где не подается газовая смесь, а также в каналах с газовой смесью, возможно образование зон с ламинарным потоком суспензии, где происходит обрастание стенок биопленкой. Для снятия биопленки используют магнит (магниты) (8), приводя их в движение по каналу с помощью внешнего магнита (электромагнита) (на фиг.1 не указан) с достаточным для приведения в движение магнита (8) магнитным полем. Магнит (8), покрытый мягким химически и биологически инертным материалом, проходит по каналу и снимает биопленку. Сечение магнита должно быть близко к сечению канала по форме, а сечение магнита с учетом покрывающего материала должно быть примерно равно сечению канала. Если используется только один магнит, он при помощи внешнего магнита переводится из канала в канал вручную и последовательно очищает все каналы от биопленки. Если используется система магнитов, они располагаются на переходной поверхности между светоприемной поверхностью (1) и емкостью (3). Магниты (8) удерживаются на этой поверхности внешним многополюсным магнитом, выполненным в виде полоски с попеременным расположением северных и южных полюсов с шагом, равным ширине каналов. При необходимости очистить светоприемные поверхности, внешний многополюсный магнит вручную перемещают вдоль каналов, увлекая за ним магниты (8). После очистки поверхностей внешний многополюсный магнит возвращают в исходное положение, возвращая магниты (8), причем внешний многополюсный магнит не требует специальной фиксации, поскольку удерживается в исходном положении силой взаимодействия с магнитами (8). Для осуществления возможности очистки светоприемных поверхностей в процессе работы фотобиореактора без его разборки переходная поверхность между светоприемной поверхностью (1) и емкостями (2) и (3) не должна иметь ступенек и резких изменений угла наклона.Nevertheless, in the channels where the gas mixture is not supplied, as well as in the channels with the gas mixture, it is possible to form zones with a laminar flow of the suspension, where biofilm wall fouling occurs. To remove the biofilm, a magnet (magnets) (8) is used, driving them along the channel using an external magnet (electromagnet) (not shown in Fig. 1) with a magnetic field sufficient to set the magnet (8) in motion. A magnet (8) coated with soft chemically and biologically inert material passes through the channel and removes the biofilm. The cross section of the magnet should be close to the cross section of the channel in shape, and the cross section of the magnet, taking into account the covering material, should be approximately equal to the cross section of the channel. If only one magnet is used, it is manually transferred from one channel to another using an external magnet and sequentially cleans all the channels from the biofilm. If a system of magnets is used, they are located on the transition surface between the light receiving surface (1) and the capacitance (3). Magnets (8) are held on this surface by an external multi-pole magnet made in the form of a strip with alternating arrangement of the north and south poles with a step equal to the width of the channels. If it is necessary to clean the light receiving surfaces, the external multipolar magnet is manually moved along the channels, dragging magnets behind it (8). After cleaning the surfaces, the external multipolar magnet is returned to its original position, returning the magnets (8), and the external multipolar magnet does not require special fixing, since it is held in the initial position by the force of interaction with the magnets (8). To realize the possibility of cleaning the light-receiving surfaces during the operation of the photobioreactor without disassembling it, the transition surface between the light-receiving surface (1) and the containers (2) and (3) should not have steps and sharp changes in the angle of inclination.

Пример 1Example 1

Для проверки массообменных характеристик фотобиореактора был изготовлен его макет на основе промышленно выпускаемого сотового поликарбоната толщиной 16 мм с прямоугольным сечением сот, расположенных в 2 ряда. Использовали отрезок из 35 пар сот с высотой 90 см, присоединив к панели нижнюю (2, фиг.1) и верхнюю (3, фиг.1) емкости объемом 0,9 л каждая. В нижней части панели из сотового поликарбоната установлены порты для ввода газа (в четные соты - каналы с одной стороны, и в нечетные - с другой). Созданный таким образом макет фотобиореактора с полезным объемом 10,24 л заполняли питательной средой для выращивания микроводорослей, содержащей (г/л): NH4Cl - 0,5; MgSO47H2O - 0,02; СаСl22O - 0,01; KН2РО4 - 0,77; K2НРО4 - 1,44; NaHCO3 - 0,5; ЭДТА - 0,05; ZnSO47H2O - 0,022; H3BO3 - 0.0114; МnСl22O - 0,00506; FeSO47H2O - 0,00499; СаСl22О - 0,00161; CuSO45H2O - 0,00157; (NH4)6Mo7O244H2O - 0,0011. pH полученной среды без титрования составлял 10,7. При подаче воздуха в качестве газовой фазы обнаружено, что устойчивое истечение воздуха из всех каналов начиналось при скорости его подачи 0,7 л/мин. При увеличении скорости подачи газовой фазы выше 2 л/мин обнаружено, что в некоторых каналах газовая фаза занимала почти полностью весь канал по высоте, то есть происходило неэффективное перемешивание газа и жидкости. Таким образом, рабочая скорость подачи газовой фазы лежит в диапазоне примерно 0,7-2,0 л/мин. Если в газовую фазу кратковременно (10 сек) добавить углекислый газ до 10% по объему, то рН смещался до значения 5,5 в течение около 30 сек после добавления (данные не приведены). Для проверки эффективности горизонтального перемешивания в реакторе в центр реактора снизу вводили датчик рН, а добавку кислоты (1 мл 1 N раствора) делали в нижнюю часть крайнего канала. Ход изменения рН приведен на фиг.2, из него видно, что более чем 95% ответ на такую несимметричную добавку достигался менее чем за 1700 сек. При этом изменения рН были монотонными, без осцилляции, что выгодно отличает описанный макет от петлевого фотобиореактора, у которого такая добавка приводила к осцилляциям рН в течение более чем 2000 сек (Цыганков, Лабораторные фотобиореакторы. Прикл. Биохим. Микробиол. (2001), 37, 4, с.387-397).To verify the mass transfer characteristics of the photobioreactor, a mock-up was made on the basis of 16 mm thick commercially available cellular polycarbonate with a rectangular section of cells located in 2 rows. A segment of 35 pairs of honeycombs with a height of 90 cm was used, attaching to the panel the lower (2, Fig. 1) and upper (3, Fig. 1) containers of 0.9 l each. At the bottom of the honeycomb polycarbonate panel there are ports for gas entry (in even cells - channels on the one hand, and in odd ones on the other). The photobioreactor model thus created with a useful volume of 10.24 l was filled with a nutrient medium for growing microalgae containing (g / l): NH 4 Cl - 0.5; MgSO 4 7H 2 O - 0.02; CaCl 2 2H 2 O - 0.01; KH 2 PO 4 - 0.77; K 2 NRA 4 - 1.44; NaHCO 3 - 0.5; EDTA - 0.05; ZnSO 4 7H 2 O - 0.022; H 3 BO 3 0.0114; MnCl 2 4H 2 O - 0.00506; FeSO 4 7H 2 O - 0.00499; CaCl 2 6H 2 O - 0.00161; CuSO 4 5H 2 O - 0.00157; (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 4H 2 O - 0.0011. The pH of the obtained medium without titration was 10.7. When supplying air as a gas phase, it was found that a steady outflow of air from all channels began at a flow rate of 0.7 l / min. With an increase in the feed rate of the gas phase above 2 l / min, it was found that in some channels the gas phase occupied almost the entire channel in height, i.e. there was an ineffective mixing of gas and liquid. Thus, the working flow rate of the gas phase lies in the range of about 0.7-2.0 l / min. If carbon dioxide is added to the gas phase for a short time (10 sec) to 10% by volume, then the pH is shifted to a value of 5.5 within about 30 sec after addition (data not shown). To test the effectiveness of horizontal mixing in the reactor, a pH sensor was introduced into the center of the reactor from below, and an acid addition (1 ml of 1 N solution) was made to the lower part of the extreme channel. The course of the pH change is shown in figure 2, it can be seen that more than 95% of the response to such an asymmetric additive was achieved in less than 1700 seconds. Moreover, the pH changes were monotonic, without oscillation, which favorably distinguishes the described model from the loop photobioreactor, in which such an additive led to pH oscillations for more than 2000 sec (Tsygankov, Laboratory photobioreactors. Prikl. Biochemical. Microbiol. (2001), 37 4, p. 387-397).

Для измерения газомассообменных характеристик (KLa) газовую фазу при скорости ее подачи 1 л/мин меняли с воздуха на аргон и измеряли кинетику изменения содержания растворенного кислорода (фиг.3, кривая в виде точек). Аппроксимацию полученной кривой (кривая в виде линии на фиг.3) проводили в соответствии с уравнениемTo measure the gas-mass transfer characteristics (K L a), the gas phase at a feed rate of 1 l / min was changed from air to argon and the kinetics of changes in the dissolved oxygen content was measured (Fig. 3, a curve in the form of dots). The approximation of the obtained curve (curve in the form of a line in figure 3) was carried out in accordance with the equation

dOi/dt=KLa(C*-OL),dO i / dt = K L a (C * -O L ),

где OL - концентрация растворенного кислорода, выраженная в микромолях, в данный момент;where O L is the concentration of dissolved oxygen, expressed in micromoles, at the moment;

С* - концентрация растворенного кислорода в начальный момент (232 мкМ);C * is the concentration of dissolved oxygen at the initial moment (232 μM);

KLa - коэффициент массопереноса из жидкости в газовую фазу.K L a - mass transfer coefficient from a liquid to a gas phase.

Полученное путем аппроксимации значение KLa составляло 0.0036±0.00005 сек-1. Это значение примерно вдвое выше, чем описанное для трубчатого фотобиореактора 0,0015 (Tsygankov AA, Borodin VB, Rao KK, et al. Н2 photoproduction by batch culture of Anabaena variabilis ATCC 29413 and its mutant PK84 in a photobioreactor. Biotechnology And Bioengineering 1999 64(6):709-715), что подтверждает преимущества предлагаемого фотобиореактора.The value of K L a obtained by approximation was 0.0036 ± 0.00005 sec -1 . This value is approximately twice as high as that described for the tubular photobioreactor 0.0015 (Tsygankov AA, Borodin VB, Rao KK, et al. H 2 photoproduction by batch culture of Anabaena variabilis ATCC 29413 and its mutant PK84 in a photobioreactor. Biotechnology And Bioengineering 1999 64 (6): 709-715), which confirms the advantages of the proposed photobioreactor.

Пример 2Example 2

Для демонстрации возможности очистки фотобиореактора с помощью магнита, расположенного внутри, описанный в примере 1 фотобиореактор использовали для культивирования хлореллы. Выращивание проводили в среде, описанной выше. рН среды (7,3) поддерживали с помощью внешнего регулятора рН, установив в фотобиореактор датчик рН Mettler Toledo InPro 3030 и подавая в среду углекислоту при повышении рН выше заданного значения. Освещение (50 Вт/м2) при культивировании осуществляли с помощью панели светодиодов на основе световой ленты RoHS Dreamled 3528. Температуру регулировали автоматическим включением вентиляторов (30°С). После 3 недель культивирования (при разбавлении культуры каждые 3 дня свежей средой) культуру слили и заполнили фотобиореактор дистиллированной водой. Каналы фотобиореактора, в которые не подавали газовую фазу, покрылись пленкой из микроводорослей (фиг.4-5). В фотобиореактор был установлен магнит в виде диска толщиной 2 мм и диаметром 20 мм, покрытый искусственным материалом, используемым для протирки крашеных поверхностей автомобилей. При помощи внешнего магнита внутренний магнит вводили внутрь каналов и проводили вдоль них (фиг.5). В результате после прохода магнита поверхность канала очистилась, и в канале образовалась суспензия микроводорослей (фиг.6). Это свидетельствует о достижении полезного эффекта от использования постоянного магнита.To demonstrate the ability to clean the photobioreactor using a magnet located inside, the photobioreactor described in Example 1 was used to cultivate chlorella. Cultivation was carried out in the medium described above. The pH of the medium (7.3) was maintained using an external pH regulator by installing a Mettler Toledo InPro 3030 pH sensor in the photobioreactor and supplying carbon dioxide to the medium with an increase in pH above a specified value. Illumination (50 W / m 2 ) during cultivation was carried out using an LED panel based on a RoHS Dreamled 3528 light strip. The temperature was controlled by automatically turning on the fans (30 ° C). After 3 weeks of cultivation (diluting the culture every 3 days with fresh medium), the culture was drained and the photobioreactor was filled with distilled water. The channels of the photobioreactor into which the gas phase was not supplied were covered with a film of microalgae (Figs. 4-5). A magnet in the form of a disk with a thickness of 2 mm and a diameter of 20 mm, coated with artificial material used to wipe painted surfaces of cars, was installed in the photobioreactor. Using an external magnet, an internal magnet was introduced into the channels and carried along them (Fig. 5). As a result, after the passage of the magnet, the channel surface was cleaned, and a suspension of microalgae formed in the channel (Fig. 6). This indicates the achievement of the beneficial effect of using a permanent magnet.

Claims (3)

1. Фотобиореактор, состоящий из светоприемной поверхности, освещаемой с одной или двух сторон и выполненной из светопрозрачного химически и биологически инертного материала, составленный из параллельных каналов, причем снизу и сверху выходы из каналов соединены общими емкостями, выполненными из того же материала, и в них расположены один или несколько штуцеров для ввода добавок или отбора суспензии фотосинтезирующих микроорганизмов и вывода газа из фотобиореактора, а внизу части каналов установлены порты для ввода газовой смеси, чтобы суспензия внутри фотобиореактора двигалась за счет аэрлифта как вверх, так и вниз, отличающийся тем, что выполнен в виде плоской панели, в емкостях также расположены один или несколько портов для датчиков, измеряющих температуру, рН и содержание растворенного кислорода в суспензии фотосинтезирующих микроорганизмов, при этом порты для ввода газовой смеси установлены внизу каждого четного канала светоприемной поверхности с одной стороны и нечетного канала с другой стороны, что обеспечивает аэрлифтное движение в половине каналов вверх, а в половине каналов - вниз.1. A photobioreactor, consisting of a light receiving surface illuminated from one or two sides and made of translucent chemically and biologically inert material, composed of parallel channels, the bottom and top of the channel exits are connected by common containers made of the same material, and in them one or more fittings are located for introducing additives or taking a suspension of photosynthetic microorganisms and for removing gas from the photobioreactor, and ports for introducing the gas mixture are installed at the bottom of the channels the suspension inside the photobioreactor moved due to airlift both up and down, characterized in that it is made in the form of a flat panel, the containers also have one or more ports for sensors that measure temperature, pH and the content of dissolved oxygen in the suspension of photosynthetic microorganisms, ports for entering the gas mixture are installed at the bottom of each even channel of the light receiving surface on one side and the odd channel on the other side, which ensures airlift movement in the channel half up, and in half of the channels - down. 2. Фотобиореактор по п.1, отличающийся тем, что для очистки светоприемных поверхностей от биопленки внутри него располагают постоянный магнит сечением, примерно равным сечению каналов, покрытый мягким пористым химически и биологически инертным материалом и приводимый в движение внешним магнитным полем, при этом переход между светоприемной панелью и емкостями не имеет ступенек и резких изменений угла наклона плоскости для облегчения движения магнита.2. The photobioreactor according to claim 1, characterized in that for cleaning the light-receiving surfaces of the biofilm, a permanent magnet is arranged inside it with a cross section approximately equal to the cross-section of the channels, coated with a soft, porous chemically and biologically inert material and set in motion by an external magnetic field, with the transition between the light-receiving panel and capacitors do not have steps and sharp changes in the angle of inclination of the plane to facilitate the movement of the magnet. 3. Фотобиореактор по п.2, отличающийся тем, что для одновременной очистки нескольких светоприемных поверхностей каналов от биопленки внутри него располагают магниты по числу, равному или меньше количества каналов, и одновременно приводимые в движение внешним многополюсным магнитом, выполненным в виде полосы, у которой чередуются южные и северные полюса с шагом, равным сечению канала. 3. The photobioreactor according to claim 2, characterized in that for simultaneous cleaning of several light-receiving surfaces of the channels from the biofilm, magnets are arranged inside it in a number equal to or less than the number of channels, and simultaneously driven by an external multipolar magnet made in the form of a strip, in which the south and north poles alternate in increments equal to the cross section of the channel.
RU2010139943/13A 2010-09-29 2010-09-29 Photobioreactor RU2451446C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010139943/13A RU2451446C1 (en) 2010-09-29 2010-09-29 Photobioreactor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010139943/13A RU2451446C1 (en) 2010-09-29 2010-09-29 Photobioreactor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010139943A RU2010139943A (en) 2012-04-10
RU2451446C1 true RU2451446C1 (en) 2012-05-27

Family

ID=46031322

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010139943/13A RU2451446C1 (en) 2010-09-29 2010-09-29 Photobioreactor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2451446C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2610672C2 (en) * 2011-06-21 2017-02-14 Дэниэл С. РЕДФОРД Aquatic-based microalgae production apparatus
RU2611177C1 (en) * 2015-10-15 2017-02-21 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве" (ФГБНУ ВНИИТиН) Plant for microalgae cultivation

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2610672C2 (en) * 2011-06-21 2017-02-14 Дэниэл С. РЕДФОРД Aquatic-based microalgae production apparatus
RU2611177C1 (en) * 2015-10-15 2017-02-21 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве" (ФГБНУ ВНИИТиН) Plant for microalgae cultivation

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010139943A (en) 2012-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5204315B2 (en) Photobioreactor for mass culture of marine microalgae using semipermeable membrane
CN107012072B (en) Optical biomembrane reactor and application thereof in sewage treatment, carbon fixation and microalgae collection
KR101148194B1 (en) Photobioreactor with Transparent Film
JP5992451B2 (en) Method and bioreactor for culturing microorganisms
CN102134553B (en) Tubular photobioreactor and system and method for culturing microalgae cells
WO2015131830A1 (en) Photosynthetic organism cultivation device
CN102382754B (en) Optical fiber photobioreactor for making full use of 'flash effect' of microalgae
Yan et al. A novel low-cost thin-film flat plate photobioreactor for microalgae cultivation
Catarina Guedes et al. Photobioreactors for cyanobacterial culturing
KR102124119B1 (en) Windows for cultivation of microalgae for bio-energy production
RU2451446C1 (en) Photobioreactor
Tsygankov Laboratory scale photobioreactors
Naqqiuddin et al. Development of simple floating photobioreactor design for mass culture of Arthrospira platensis in outdoor conditions: effects of simple mixing variation
KR101403464B1 (en) Marine microalgae culturing system for enhancing the lipid and sugar composition
CN106635768A (en) Biological microalgae photosynthesis reactor and application method thereof
KR100399977B1 (en) A modular photobioreactor used in large-scale microalgal cultures
Gluszcz et al. Experimental evaluation of a helical laboratory photobioreactor for cultivation of thermophilic cyanobacteria–Hydrodynamics and mass transfer studies
Plengsakul et al. Plastic media reduced algal wall-growth of Chlorococcum humicola for the cultivation in internal-loop airlift photobioreactor
CN104789451B (en) A kind of photosynthetic organism culture apparatus
KR20120083746A (en) Photo-bioreactor for culturing micro algae
Rinanti et al. Screening of potential photosynthetic microalgae from wastewater treatment plant for carbon dioxide capture and storage (CCS)
Magar et al. Operational Strategies for Cost Effective Mass Cultivation of Halophilic Microalgal Strain Pseudanabaena limnetica in 1000 L Flat Panel Photobioreactor
CN206799648U (en) A kind of algae culture and toxicological test device
KR101415553B1 (en) Device for culturing micro algae
Rinanti et al. Preliminary study on biomitigation green house gas carbon dioxide in closed system bubble photobioreactor: relationship among the mass transfer rate and CO2 removal efficiency in high level of CO2

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180930