Результат интеллектуальной деятельности: Способ культивирования микроводоросли Chlorella

Изобретение относится к области культивирования микроводорослей, в частности к способам искусственного культивирования микроводоросли вида Chlorella.

Микроводоросль Chlorella находит широкое применение в медицине, пищевой промышленности, в качестве биодобавки в кормах скоту. На основе микроводоросли Chlorella возможно создание биосорбентов для очистки воды, а также микроводоросль может быть источником биотоплива.

Известен способ по патенту РФ № 2508398, опубл. 27.02.2014 по классам МПК C12N 1/12, C12P 7/64, C12R 1/89, в котором культивирование штамма микроводоросли Chlorella vulgaris Al 123 проводят в лабораторных условиях при температуре 25°C на среде ВВМ pH 6.8 в лимитированных по азоту условиях в течение 7 дней, в объеме среды 200 мл в колбах на 500 мл, при непрерывном барботировании суспензии стерильным воздухом со скоростью 200 мл/мин, при освещенности 120 Вт/м² с фотопериодом 16 ч. Недостатком данного способа является низкий прирост биомассы.

Известен способ культивирования микроводоросли Chlorella, который предусматривает культивирование микроводоросли на жидкой питательной среде в условиях перемешивания и освещения при воздействии импульсного низкочастотного электромагнитного поля с магнитной индукцией 2000 Гс при частоте импульсов 10 Гц и длительностью 10 мкс (см. авт. св. № 1711734, опубл. 15.02.1992 по классам МПК A01G 33/00, C12N 13/00). К недостаткам данного способа можно отнести низкую производительность и высокую энергозатратность.

Наиболее близким аналогом является способ искусственного культивирования микроводорослей и установка для его осуществления по патенту РФ № 2175013, опубл. 10.06.2001 по классам МПК C12N 1/12, A01G 33/00. Культивирование микроводорослей осуществляется путем фотосинтеза при воздействии на них радиолюминесцентного излучения и тепла, возбуждаемого проникающими ядерными излучениями, при этом спектр радиолюминесцентного излучения может быть выбран резонансно совпадающим со спектром действия фотосинтеза. Искусственным источником энергии служит источник проникающих ядерных излучений, источником люминесцентного оптического излучения - радиолюминофор, тепло генерируется в среде источника ядерных излучений. В качестве источника ядерных излучений используется ядерный реактор, в том числе, реактор-размножитель с уран-ториевым циклом, в том числе, в виде решетки из ядерных радиолюминесцентных ламп, которые со всех сторон окружены светоприемными кюветами с суспензией культивируемых микроводорослей.

Недостатками способа по прототипу являются высокие энергозатраты, использование ядерного излучения, применение дорогостоящего компонента, являющегося прекурсором, - радиолюминофора.

Технической задачей заявляемого изобретения является разработка высокопроизводительного, экологически чистого, безопасного способа с использованием компактной высокопроизводительной установки для искусственного культивирования микроводорослей вида Chlorella в лабораторных условиях.

Технический результат – увеличение прироста биомассы при минимальных энергетических затратах.

Технический результат достигается за счет заявляемого способа культивирования микроводоросли Chlorella, заключающегося в том, что суспензию микроводоросли помещают в фотобиореактор, в котором суспензию микроводоросли перемешивают в течение 13-17 минут с частотой вращения 500 об/мин через каждые 120 минут, при этом культивирование проводят при непрерывной продувке воздухом с помощью барботирующего устройства с расходом 1,2-1,8 л/мин при температуре 26-30°С, непрерывном воздействии инфракрасного излучения 10900-11300 Лк и при поверхностной освещенности 2200-2800 Лк с фотопериодом 12 часов.

По сравнению с естественными источниками света искусственные источники могут создавать большую облученность, что способствует увеличению прироста биомассы. Инфракрасное облучение воспринимается организмами как тепло и регулирует окислительные процессы в клетке. Температура раствора суспензии поддерживается до величины 28±2°С за счет теплового воздействия инфракрасного излучения. Интенсивное барботирование атмосферным воздухом суспензии микроводоросли Chlorella позволяет интенсифицировать процессы ассимиляции СО₂, что способствует интенсификации обменных процессов и размножению клеток микроводоросли Chlorella. Перемешивание при культивировании позволяет добиться деления старых клеток и образования новых.

На фиг. 1 схематично изображена установка для культивирования суспензии микроводоросли Chlorella, где 1 – фотобиореактор, 2 - магнитная мешалка, 3 — якорь магнитной мешалки, 4 - насос-аэратор, 5 — трубка подачи воздуха, 6 - инфракрасная лампа, 7 - лампы дневного света.

На фиг. 2 представлена микроскопическая фотография процесса флокуляции микроводоросли Chlorella.

Рост популяции неизбежно связан с образованием осадка клеток водорослей, при этом отмечена флокуляция клеток (фиг. 2), что препятствует интенсивному размножению клеток. Перемешивание позволяет уменьшить интенсивность флокуляции, что способствует сохранению интенсивных обменных процессов в клетках и увеличению скорости размножения микроводоросли Chlorella.

Условия культивирования были подобраны авторами экспериментально.

Способ культивирования микроводоросли Chlorella реализуется следующим образом.

Суспензия микроводорослей представляет собой раствор микроводоросли в питательной среде. Состав питательной среды для культивирования микроводоросли Chlorella был подобран экспериментально (таблица 1).

Таблица 1. Состав питательной среды

Приготовленную суспензию микроводоросли помещают в фотобиореактор 1 объемом 500 мл. В процессе культивирования осуществляют перемешивание в течение 13-17 минут через каждые 120 минут с помощью магнитной мешалки 2 и якоря 3, расположенного на дне фотобиореактора 1. Частота вращения якоря 3 магнитной мешалки 2 при перемешивании составляла 500 об/мин. На протяжении всего периода культивирования суспензию микроводоросли непрерывно продувают атмосферным воздухом с помощью барботирующего устройства, состоящего из насоса-аэратора 4 и трубки подачи 5 атмосферного воздуха, с расходом 1,2-1,8 л/мин при температуре 26-30°С. Культивирование проводили под непрерывным воздействием инфракрасного (ИК) излучения 10900-11300 Лк, а поверхностная освещенность лампами дневного света (ЛД) составляла 2200-2800 Лк с фотопериодом 12 часов. Для проведения экспериментов была использована лампа с инфракрасным излучением ИКЗК- 250.

В таблице 2 представлены параметры условий культивирования микроводоросли Chlorella и оптическая плотность выращенных образцов.

Таблица 2. Значения основных факторов условий культивирования

Культивирование микроводоросли Chlorella предпочтительно проводить при значениях рН от 6,0 до 9,0.

Прирост биомассы оценивался по изменению оптической плотности суспензии микроводоросли. Измерение оптической плотности проводилось с помощью спектрофотометра UNICO 1208. Начальная оптическая плотность суспензии микроводоросли составляла 0,200 Б при длине волны 750 нм.

За двое суток оптическая плотность биомассы увеличилась с 0,200 до 0,521 Б при температуре 26°С, а при максимальной температуре, равной 30°С, оптическая плотность увеличилась с 0,200 до 0,538 Б. На седьмые сутки культивирования оптическая плотность выращенной биомассы составила 1,560 при температуре раствора 28°С. При одновременном воздействии инфракрасного излучения выше 11300 Лк и освещенности выше 2800 Лк происходит гибель клеток микроводоросли вследствие увеличения температуры суспензии выше 30°С. При одновременном воздействии инфракрасного излучения ниже 10900 Лк и освещенности ниже 2200 Лк и температуре суспензии ниже 26°С биомасса микроводоросли увеличивается с меньшей скоростью. Суммарная освещенность от 13100 до 14100 Лк обеспечивает максимальную интенсивность фотосинтеза и приводит к образованию хлорофилла. Режим освещенности лампами дневного света с фотопериодом 12 часов позволяет имитировать естественные условия освещенности при культивировании микроводорослей. Отключение освещения в течение последующих 12 часов способствует энергосбережению без существенного снижения прироста биомассы.

Таким образом, заявляемый способ культивирования микроводоросли Chlorella позволяет получить существенный прирост биомассы за 7 дней при изменении оптической плотности от 0,200 до ~1,670 Б.