RU2788401C1 - Device for thin-layer cultivation of photosynthesizing microorganisms for utilization of carbon dioxide - Google Patents
Device for thin-layer cultivation of photosynthesizing microorganisms for utilization of carbon dioxide Download PDFInfo
- Publication number
- RU2788401C1 RU2788401C1 RU2019135207A RU2019135207A RU2788401C1 RU 2788401 C1 RU2788401 C1 RU 2788401C1 RU 2019135207 A RU2019135207 A RU 2019135207A RU 2019135207 A RU2019135207 A RU 2019135207A RU 2788401 C1 RU2788401 C1 RU 2788401C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thin
- carbon dioxide
- layer
- photobioreactor
- microorganisms
- Prior art date
Links
- 244000005700 microbiome Species 0.000 title claims abstract description 27
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 20
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 20
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 6
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 claims abstract description 6
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000000243 photosynthetic Effects 0.000 claims description 17
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 16
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 15
- 230000002093 peripheral Effects 0.000 claims description 2
- 239000008246 gaseous mixture Substances 0.000 claims 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 abstract description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 239000012530 fluid Substances 0.000 abstract description 4
- 239000000411 inducer Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 12
- 239000002609 media Substances 0.000 description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 3
- 238000005273 aeration Methods 0.000 description 3
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 2
- 241000904937 Sirenes Species 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000195493 Cryptophyta Species 0.000 description 1
- 241000005139 Lycium andersonii Species 0.000 description 1
- 238000004887 air purification Methods 0.000 description 1
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000001963 growth media Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000002054 inoculum Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области биотехнологии, в частности к устройствам для выращивания фотосинтезирующих микроорганизмов и предназначено для очистки воздуха от загрязнений широкого спектра, в том числе, углекислого газа.The invention relates to the field of biotechnology, in particular to devices for growing photosynthetic microorganisms and is intended for air purification from a wide range of contaminants, including carbon dioxide.
Известна установка для культивирования фототрофов (Патент RU №2450049, МПК C12N 1/12, С12М 1/02, С12М 1/36, С12М 1/42, опубл. 10.05.2012), где перемешивание и аэрацию суспензии фотосинтезирующих микроорганизмов осуществляют за счет возвратно-поступательного перемещения суспензии микроводорослей в горизонтальной плоскости при фиксированных условиях роста (температуре и рН). При этом культуральная жидкость освещается диодами с регулируемой частотой и длительностью светового импульса, расположенными под прозрачными днищами сосудов одинаковой формы.A plant for cultivating phototrophs is known (Patent RU No. 2450049, IPC C12N 1/12, C12M 1/02, C12M 1/36, C12M 1/42, publ. - translational movement of a suspension of microalgae in a horizontal plane under fixed growth conditions (temperature and pH). In this case, the culture liquid is illuminated by diodes with adjustable frequency and duration of the light pulse, located under the transparent bottoms of vessels of the same shape.
Недостаток данной установки заключается в том, что отношение площади освещаемой поверхности жидкости к ее объему не оптимально для высокопроизводительного культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. Поскольку увеличение слоя жидкости снижает качество перемешивания жидкости, а уменьшение - приводит к перегреву суспензии.The disadvantage of this setup is that the ratio of the area of the illuminated surface of the liquid to its volume is not optimal for high-performance cultivation of photosynthetic microorganisms. Since an increase in the liquid layer reduces the quality of the mixing of the liquid, and a decrease leads to overheating of the suspension.
Известна установка для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов (Заявка на изобретение RU №94024 5 94, МПК C12N 1/00, опубл. 10.08.1996), содержащая: трубчатый фотобиореактор с облучением микроорганизмов внешними источниками света, теплообменник, газообменник, побудитель расхода суспензии и сепаратор для отбора клеток, находящихся преимущественно в фазе светонезависимого роста.A plant for cultivating photosynthetic microorganisms is known (Application for invention RU No. 94024 5 94, IPC C12N 1/00, publ. 08/10/1996), containing: a tubular photobioreactor with irradiation of microorganisms with external light sources, a heat exchanger, a gas exchanger, a suspension flow stimulator and a separator for selection of cells that are predominantly in the phase of light-independent growth.
Данное устройство является довольно громоздким, поскольку площадь освещаемой поверхности увеличивается при уменьшении диаметра прозрачных труб, что повышает гидравлическое сопротивление системы и протяженность трубопроводов которые необходимо регулярно очищать от биообрастаний.This device is quite cumbersome, since the illuminated surface area increases with a decrease in the diameter of transparent pipes, which increases the hydraulic resistance of the system and the length of pipelines that must be regularly cleaned of biofouling.
Особенно выгодным представляется выращивание фототрофных микроорганизмов в фотобиореакторе, у которого отношение площади освещаемой поверхности к объему суспензии максимально, что позволяет обеспечить необходимое рассеивание света во всем объеме фотобиореактора.Particularly advantageous is the cultivation of phototrophic microorganisms in a photobioreactor, in which the ratio of the area of the illuminated surface to the volume of the suspension is maximum, which makes it possible to provide the necessary light scattering throughout the entire volume of the photobioreactor.
Наиболее близким аналогом по технической сущности является фотобиореактор "СИРЕНЬ" разработанный Институтом медико-биологических проблем (ИМБП) в котором проблема неравномерности распределения освещения решена рассеиванием интенсивного света внутри водорослевой суспензии с помощью клиновидных световодов (Цоглин Л.Н., Пронина Н.А. Биотехнология микроводорослей. М.: "Научный Мир", 2012. С. 143).The closest analogue in technical essence is the photobioreactor "SIRENE" developed by the Institute of Biomedical Problems (IMBP) in which the problem of uneven distribution of illumination is solved by scattering intense light inside the algae suspension using wedge-shaped light guides (Tsoglin L.N., Pronina N.A. Biotechnology microalgae, Moscow: Nauchny Mir, 2012, p. 143).
Недостатками фотобиореактора «СИРЕНЬ» являются: высокая стоимость изготовления световода из монолитного органического стекла, проблематичность очистки поверхности культиватора от биообрастаний, высокая концентрация углекислого газа (более 5000 ppm) на выходе из устройства при работе в номинальном режиме эксплуатации.The disadvantages of the photobioreactor "SIRENE" are: the high cost of manufacturing a light guide from monolithic organic glass, the problematic cleaning of the surface of the cultivator from biofouling, a high concentration of carbon dioxide (more than 5000 ppm) at the output of the device when operating in the nominal operating mode.
Технической задачей является повышение эффективности выращивания фотосинтезирующих микроорганизмов и уменьшении концентрации углекислого газа на выходе из культиватора, а также упрощении процесса очистки фотобиореактора от биообрастаний.The technical task is to increase the efficiency of growing photosynthetic microorganisms and reduce the concentration of carbon dioxide at the outlet of the cultivator, as well as simplify the process of cleaning the photobioreactor from biofouling.
Достигается техническая задача за счет того, что устройство тонкослойного культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов для утилизации углекислого газа содержит тонкослойный фотобиореактор, в который вложен светораспределительный узел с клиновидными световодами, рубашку водяного охлаждения, соединенную с теплообменником и расположенную внутри светораспределительного узла вокруг источника фотосинтетически активной радиации, нагнетатель газовой среды и побудитель движения жидкости, сепаратор и узел дозирования питательной среды, соединенный со смесителем жидкостей, через который сепаратор соединен с тонкослойным фотобиореактором, фильтр механической очистки газовой смеси, соединенный через нагнетатель газовой среды с концентратором углекислого газа и далее через тонкослойный фотобиореактор и водоструйный вакуумный насос с противоточным аэрофильтром, заполненным биозагрузкой с разветвленной поверхностью, причем вакуумный дегазатор соединен с водоструйным вакуумным насосом, противоточным аэрофильтром и побудителем движения жидкости.The technical problem is achieved due to the fact that the device for thin-layer cultivation of photosynthetic microorganisms for the utilization of carbon dioxide contains a thin-layer photobioreactor, in which a light distribution unit with wedge-shaped light guides is embedded, a water cooling jacket connected to a heat exchanger and located inside the light distribution unit around a source of photosynthetically active radiation, a gas blower medium and liquid motion exciter, separator and dosing unit of the nutrient medium connected to the liquid mixer, through which the separator is connected to the thin-layer photobioreactor, the filter for mechanical cleaning of the gas mixture, connected through the blower of the gaseous medium to the carbon dioxide concentrator and further through the thin-layer photobioreactor and the water-jet vacuum pump with a countercurrent air filter filled with a bioburden with a branched surface, and the vacuum degasser is connected to a water jet vacuum pump, countercurrent th air filter and fluid movement stimulator.
Особенностью данного устройства является то, что светораспределительный узел с клиновидными световодами выполнен с быстроразъемными соединениями, противоточный аэрофильтр может использоваться для гидропонного и аэропонного выращивания растений.A feature of this device is that the light distribution unit with wedge-shaped light guides is made with quick-release connections, the counterflow air filter can be used for hydroponic and aeroponic plant cultivation.
Светораспределительный узел с клиновидными световодами, обеспечивающими равномерное распределение освещения в объеме суспензии фотосинтезирующих микроорганизмов. Светораспределительный узел имеет две оптически прозрачные поверхности: центральную предназначенную для поглощения излучения от источника фотосинтетически активной радиации, расположенного в центральной части тонкослойного фотобиореактора, и периферийную с разветвленной (клиновидною) поверхностью, предназначенную для равномерного излучения фотосинтетически активной радиации. Охлаждение суспензии микроводорослей в тонкослойном фотобиореакторе обеспечивается циркуляцией прозрачной для фотоактивной радиации жидкостью между теплообменником и рубашкой водяного охлаждения, расположенной внутри светораспределительного узла вокруг источника фотосинтетически активной радиации. Однородное перемешивание суспензии фотосинтезирующих микроорганизмов во всем объеме тонкослойного фотобиореактора осуществляется благодаря вращательному движению жидкости среди клиновидных световодов, вследствие аэрации газовоздушной смесью с содержанием углекислого газа более 5000 ppm.Light distribution unit with wedge-shaped light guides providing uniform distribution of illumination in the volume of a suspension of photosynthetic microorganisms. The light distribution unit has two optically transparent surfaces: a central one intended for absorbing radiation from a source of photosynthetically active radiation located in the central part of a thin-layer photobioreactor, and a peripheral one with a branched (wedge-shaped) surface intended for uniform emission of photosynthetically active radiation. Cooling of the microalgae suspension in the thin-layer photobioreactor is ensured by the circulation of a liquid transparent for photoactive radiation between the heat exchanger and the water cooling jacket located inside the light distribution unit around the source of photosynthetically active radiation. Homogeneous mixing of the suspension of photosynthetic microorganisms in the entire volume of the thin-layer photobioreactor is carried out due to the rotational movement of the liquid among the wedge-shaped light guides, due to aeration with a gas-air mixture with a carbon dioxide content of more than 5000 ppm.
Конструкция устройства тонкослойного культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов поясняется чертежом, на котором приведена технологическая схема утилизации углекислого газа:The design of the device for thin-layer cultivation of photosynthetic microorganisms is illustrated by a drawing, which shows a technological scheme for the utilization of carbon dioxide:
А - Загрязненный воздухA - polluted air
В - Очищенный воздухB - Purified air
С - Питательная средаC - Nutrient medium
D - Избыточная биомасса микроорганизмовD - Excess biomass of microorganisms
Е - Отводимое тепло от тонкослойного фотобиореактора.E - Heat removed from the thin-layer photobioreactor.
Устройство тонкослойного культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов для утилизации углекислого газа содержит: светораспределительный узел с клиновидными световодами 1, источник фотосинтетически активной радиации 2, тонкослойный фотобиореактор 3, рубашка водяного охлаждения 4, теплообменник 5, концентратор углекислого газа 6, противоточный аэрофильтр 7, узел дозирования питательной среды 8, сепаратор 9 для избыточной биомассы микроорганизмов, фильтр механической очистки газовой смеси 10, нагнетатель газовой среды 11, побудитель движения жидкости 12, смеситель жидкостей 13, вакуумный дегазатор 14, водоструйный вакуумный насос 15, биозагрузка с разветвленной поверхностью 16.The device for thin-layer cultivation of photosynthetic microorganisms for the utilization of carbon dioxide contains: a light distribution unit with wedge-shaped light guides 1, a source of photosynthetically
Устройство работает следующим образом.The device works as follows.
Светораспределительный узел с клиновидными световодами 1 устанавливается в объеме тонкослойного фотобиореактора 3, который заполняется питательной средой и посевным материалом фотосинтезирующих микроорганизмов. Далее последовательно включаются нагнетатели газовой среды 11, источник фотосинтетически активной радиации 2 и побудитель движения жидкости 12. При этом в противоточном аэрофильтре 7 происходит выделение кислорода из культуральной среды, а сепараторе 9 удаление лишней биомассы микроводорослей. Рециркуляция охлаждающей жидкости между теплообменником 5 и проточными полостями в светораспределительном узле с клиновидными световодами 1 обеспечивает оптимальную температуру для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. Вследствие того, что поток воздуха, прошедший через фильтр механической очистки 10 первоначально нагнетается в концентратор углекислого газа 6, то аэрация тонкослойного фотобиореактора 3 производится газовоздушной средой с концентрацией углекислого газа выше 5000 ppm. Благодаря этому достигается повышение скорости роста фотосинтезирующих микроорганизмов, увеличение количества поглощаемого СО2. По мере необходимости модуль светораспределительного узла с клиновидными световодами 1 изымается из тонкослойного фотобиореактора 3 для сервисного обслуживания и удаления биопленки с поверхности пластин.A light distribution unit with wedge-shaped light guides 1 is installed in the volume of a thin-
Итак, конструктивное решение в виде тонкослойного фотобиореактора 3 обеспечивает необходимое для эффективного роста фотосинтезирующих микроорганизмов распределение света во всем объеме суспензии. Рециркуляция жидкости между рубашкой водяного охлаждения и теплообменником, уменьшает нагрев суспензии микроводорослей. Повышению КПД тонкослойного фотобиореактора 3 способствует аэрация суспензии микроорганизмов газовоздушной средой с концентрацией СО2 выше 5000 ppm, поступающей из концентратора углекислого газа. Съемная конструкция светораспределительного узла 1 упрощает процесс очистки тонкослойного фотобиореактора 3 от биообрастаний. Вакуумный дегазатор 14 удаляет растворенный кислород из суспензии фотосинтезирующих микроорганизмов, что увеличивает скорость поглощения СО2.Thus, the constructive solution in the form of a thin-
Таким образом, предлагаемая конструкция устройство тонкослойного культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов для утилизации углекислого газа позволяет повысить эффективность выращивания фотосинтезирующих микроорганизмов и увеличить количество углекислого газа, поглощаемого при этом.Thus, the proposed design of a device for thin-layer cultivation of photosynthetic microorganisms for the utilization of carbon dioxide makes it possible to increase the efficiency of growing photosynthetic microorganisms and increase the amount of carbon dioxide absorbed in this case.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019135207A RU2788401C1 (en) | 2019-11-05 | Device for thin-layer cultivation of photosynthesizing microorganisms for utilization of carbon dioxide |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019135207A RU2788401C1 (en) | 2019-11-05 | Device for thin-layer cultivation of photosynthesizing microorganisms for utilization of carbon dioxide |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2714636C1 RU2714636C1 (en) | 2020-02-18 |
| RU2788401C1 true RU2788401C1 (en) | 2023-01-18 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU201137A1 (en) * | BIOLOGICAL REACTOR | |||
| RU94024594A (en) * | 1994-06-30 | 1996-08-10 | Корбут В.Л. | Method and installation cultivating photosynthesizing micro-organisms |
| RU2537858C2 (en) * | 2013-02-18 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗ ГУ) | Complex method and device for cleaning and utilisation of flue gases with conversion of carbon dioxide to oxygen |
| RU155094U1 (en) * | 2015-06-19 | 2015-09-20 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства" (ФГБНУ ВИЭСХ) | COMBINED PHOTOBIOR REACTOR FOR THE PRODUCTION OF BIOMASS OF MICROALGAE OF DIFFERENT TYPES |
| RU2622081C1 (en) * | 2016-04-28 | 2017-06-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет инженерных технологий" (ФГБОУ ВО "ВГУИТ"). | Method for managing the process of photoavtotrophic microorganisms cultivation |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU201137A1 (en) * | BIOLOGICAL REACTOR | |||
| RU94024594A (en) * | 1994-06-30 | 1996-08-10 | Корбут В.Л. | Method and installation cultivating photosynthesizing micro-organisms |
| RU2537858C2 (en) * | 2013-02-18 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗ ГУ) | Complex method and device for cleaning and utilisation of flue gases with conversion of carbon dioxide to oxygen |
| RU155094U1 (en) * | 2015-06-19 | 2015-09-20 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства" (ФГБНУ ВИЭСХ) | COMBINED PHOTOBIOR REACTOR FOR THE PRODUCTION OF BIOMASS OF MICROALGAE OF DIFFERENT TYPES |
| RU2622081C1 (en) * | 2016-04-28 | 2017-06-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет инженерных технологий" (ФГБОУ ВО "ВГУИТ"). | Method for managing the process of photoavtotrophic microorganisms cultivation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9688951B2 (en) | Algae growth system | |
| US8586352B2 (en) | Reactor system and method for processing a process fluid | |
| US20070155006A1 (en) | Photobioreactor | |
| KR101282625B1 (en) | Photo-bioreactor for culturing micro algae using hollow fiber membrane | |
| US10865371B2 (en) | Large scale mixotrophic production systems | |
| WO2017019984A1 (en) | Light emitting diode photobioreactors and methods of use | |
| WO2007129327A1 (en) | A photo bio-reactor for cultivating and harvesting a bio-mass and a method thereof | |
| JP2007061086A (en) | Photosynthesis reactor for plant algae/microorganism | |
| US8986985B2 (en) | Photobioreactor | |
| CN101899391A (en) | Special spectrum airlift photobioreactor | |
| US9523069B2 (en) | Photobioreactor for microalgae cultivation having arc-type partition structure for forming vortices | |
| KR101856678B1 (en) | Photobioreactor | |
| Torzillo | Tubular bioreactors | |
| KR20100113179A (en) | Tubular-type apparatus for cultivating spirulina sp | |
| JP3085393B2 (en) | Culture method and culture apparatus for photosynthetic organisms | |
| KR101670129B1 (en) | Photoreactive Apparatus and method for culturing microalgae | |
| RU2788401C1 (en) | Device for thin-layer cultivation of photosynthesizing microorganisms for utilization of carbon dioxide | |
| RU2714636C1 (en) | Device for thin-layer cultivation of photosynthesizing microorganisms for utilization of carbon dioxide | |
| JP5324532B2 (en) | Circulating photobioreactor | |
| US20210002595A1 (en) | Culture tank | |
| JP3049183B2 (en) | Culture device for photosynthetic organisms | |
| CN109251847B (en) | Device and method for culturing photosynthetic microorganisms by using sunlight | |
| CN1760358A (en) | Vegetal alga, and system and method of microbe potosynthesis reaction | |
| JPH07289239A (en) | Method for culturing photosynthetic organism | |
| Chavada | Optimization of vertical photobioreactors |