RU2732225C1

RU2732225C1 - Method for cultivation of phototrophic microorganisms

Info

Publication number: RU2732225C1
Application number: RU2019143492A
Authority: RU
Inventors: Кирилл Викторович Горин; Павел Михайлович Готовцев; Артём Викторович Борголов; Яна Эдуардовна Сергеева; Дмитрий Николаевич Родионов
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2020-09-14

Abstract

FIELD: biotechnology.

SUBSTANCE: invention relates to the field of biotechnology, in particular to the technology of growing phototrophic microorganisms. Method for cultivation of phototrophic microorganisms includes preparation of inoculum, nutrient medium for selected type of phototrophic microorganism. Subsequent supply of atmospheric air into working chamber of photobioreactor. Thereafter, culture fluid is mixed by pumping and bubbling. Previously prepared cell suspension of phototrophic microorganisms and the reflecting plate from the hydrogel with high albedo are placed into the photobioreactor. Maintain the illumination level of 100 ± 5 mcmol/m²*s at different times of the day automatically by changing electric voltage on artificial lighting sources from 3.6 to 5 V depending on voltage change on photoresistors by formula:

where V is voltage supplied to artificial lighting sources, V; E is voltage on photoresistors, V.

EFFECT: invention ensures achievement of technical result consisting in improvement of energy efficiency and reduction of energy costs for cultivation process due to possibility of using modes of adaptive lighting and increasing level of illumination in culture liquid in photobioreactor using reflecting plate from hydrogel with high albedo.

1 cl, 3 ex, 1 tbl, 1 dwg

Description

Область техникиTechnology area

Изобретение относится к области биотехнологии, в частности, к способам культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов в изолированных и частично изолированных емкостях и может найти применение в биотехнологии для получения биомассы фототрофных микроорганизмов (ФМ) с целью последующего производства различных ценных продуктов (биотопливо, пигменты, пищевые добавки и т.д.) для нужд фармацевтической, косметической и пищевой промышленности, энергетики и сельского хозяйства.The invention relates to the field of biotechnology, in particular, to methods for the cultivation of photosynthetic microorganisms in isolated and partially isolated containers and can be used in biotechnology to obtain biomass of phototrophic microorganisms (PM) for the subsequent production of various valuable products (biofuel, pigments, food additives, etc.) etc.) for the needs of the pharmaceutical, cosmetic and food industries, energy and agriculture.

Уровень техникиState of the art

Существуют различные системы для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов как в открытых системах - пруды и бассейны, так и в закрытых - фотобиореакторы различных конструкций. Наибольшее распространение получили реакторы с трубчатой, цилиндрической и панельной конструкцией. Среди основных достоинств закрытых систем следует отметить следующие особенности - низкая вероятность контаминации, широкие возможности автоматизации и контроля технологических параметров, высокая производительность по биомассе.There are various systems for the cultivation of photosynthetic microorganisms both in open systems - ponds and swimming pools, and in closed - photobioreactors of various designs. The most widely used reactors are tubular, cylindrical and panel designs. Among the main advantages of closed systems, the following features should be noted - low probability of contamination, ample opportunities for automation and control of technological parameters, high biomass productivity.

Процесс получения биомассы ФМ является многостадийным, где основными стадиями являются стадия выращивания и стадия сбора биомассы с последующей сушкой (при необходимости). Эти стадии являются самыми энергозатратными [Slade, Bauen, 2013], поэтому задача оптимизации этих стадий с точки зрения энергетической и как следствие, технико-экономической эффективности, остается актуальной и на сегодняшний день.The process of obtaining FM biomass is a multistage process, where the main stages are the stage of growing and the stage of collecting biomass with subsequent drying (if necessary). These stages are the most energy-consuming [Slade, Bauen, 2013]; therefore, the problem of optimizing these stages from the point of view of energy and, as a consequence, technical and economic efficiency, remains relevant today.

Чаще всего в практике культивирования ФМ в открытых системах используется преимущественно естественное освещение, тогда как в закрытых системах в большинстве случаев имеется возможность использования как естественного, так и искусственного освещения. Следует отметить, что значительная часть энергии на стадии выращивания микроводорослей затрачивается на поддержание необходимой интенсивности освещения [Kouhia и др., 2019], что в значительной степени снижает экономическую эффективность производства биомассы из-за избыточного (перерасход электроэнергии) или недостаточного освещения (снижение выхода биомассы). Суточные и сезонные колебания уровня инсоляции определяют дискретный характер поступления фотосинтетически активной радиации (ФАР), что в значительной степени снижает эффективность производства биомассы. Значительный потенциал снижения энергозатрат на освещение заключен в оптимизации процесса выращивания микроводорослей за счет комбинированного использования естественных и искусственных источников света. Недостаток естественного освещения в современных системах культивирования фототрофных микроорганизмов восполняется за счет использования искусственного освещения с одновременным использованием систем автоматизации технологического процесса культивирования, в том числе с применением режимов адаптивного освещения. Под режимом адаптивного освещения следует понимать такой режим, который позволяет получать в режиме онлайн данные об уровне освещенности в заданной области пространства, позволяя таким образом в автоматическом режиме посредством передаточных функций регулировать уровень освещенности в той или иной части фотобиореактора. Такая система интеллектуального управления освещением позволяет значительно снизить энергозатраты без снижения производительности фотобиореактора по биомассе за счет поддержания оптимального уровня освещенности в любой части фотобиореактора.Most often, in the practice of FM cultivation in open systems, mainly natural lighting is used, while in closed systems in most cases it is possible to use both natural and artificial lighting. It should be noted that a significant part of the energy at the stage of growing microalgae is spent on maintaining the required illumination intensity [Kouhia et al., 2019], which significantly reduces the economic efficiency of biomass production due to excessive (energy waste) or insufficient lighting (decrease in biomass yield ). Daily and seasonal fluctuations in the level of insolation determine the discrete nature of the intake of photosynthetically active radiation (PAR), which significantly reduces the efficiency of biomass production. A significant potential for reducing energy costs for lighting lies in optimizing the process of growing microalgae through the combined use of natural and artificial light sources. The lack of natural light in modern systems for the cultivation of phototrophic microorganisms is compensated by the use of artificial lighting with the simultaneous use of automation systems for the technological process of cultivation, including the use of adaptive lighting modes. The adaptive lighting mode should be understood as such a mode that allows you to receive online data on the illumination level in a given area of space, thus allowing automatic control of the illumination level in one or another part of the photobioreactor using transfer functions. Such an intelligent lighting control system can significantly reduce energy costs without reducing the biomass performance of the photobioreactor by maintaining an optimal illumination level in any part of the photobioreactor.

Известно несколько способов культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов с использованием системы автоматического управления, в том числе с использованием режима адаптивного освещения.There are several known methods for the cultivation of photosynthetic microorganisms using an automatic control system, including using the adaptive lighting mode.

Известен способ RU 2508396 описывающий культивирование фотосинтезирующих организмов в фотобиореакторе, который содержит рабочую емкость с первой и второй наружными боковыми поверхностями. Емкость сформирована из эластичного прозрачного материала, непроницаемого для текучей среды и установлена в каркасе. Каркас имеет удлиненные и, по существу, вертикальные опорные компоненты. Компоненты расположены, по меньшей мере, в одном горизонтальном ряду. Причем они установлены поочередно прилегающими к первой и второй наружным боковым поверхностям рабочей емкости с возможностью их поддержки. Преимущество такой конструкции заключается в том, что во время заполнения рабочей емкости клеточной суспензией данная емкость, натягиваясь за счет давления, прилагаемого жидкостью, будет упираться в опорные компоненты. В результате в своем рабочем состоянии она с помощью опорных компонентов принимает относительно плоскую форму в вертикальном направлении и удлиненную форму в горизонтальном направлении. При этом задача, на решение которой направлено изобретение, решается посредством формирования относительно короткой длины пути света между первой и второй боковыми поверхностями рабочей емкости, причем в то же время данная емкость может удерживать в себе относительно большой объем клеточной суспензии.The known method RU 2508396 describes the cultivation of photosynthetic organisms in a photobioreactor, which contains a working container with the first and second outer side surfaces. The container is formed from an elastic, transparent material that is impermeable to a fluid and is installed in a frame. The frame has elongated and substantially vertical support components. The components are located in at least one horizontal row. Moreover, they are installed alternately adjacent to the first and second outer side surfaces of the working container with the possibility of their support. The advantage of this design is that during the filling of the working container with the cell suspension, this container, being stretched due to the pressure applied by the liquid, will abut against the supporting components. As a result, in its operational state, it assumes a relatively flat shape in the vertical direction and an elongated shape in the horizontal direction by means of the support components. In this case, the problem to which the invention is directed is solved by forming a relatively short light path length between the first and second lateral surfaces of the working container, and at the same time this container can hold a relatively large volume of cell suspension.

В патенте US 5981271 описана установка для культивирования водорослей на открытом воздухе, в которой реактор представляет собой лежащую на боку камеру с перепадом высот примерно 3% и с глубиной примерно 5 см.US Pat. No. 5,981,271 describes an outdoor algae cultivation apparatus in which the reactor is a lateral chamber with a height difference of about 3% and a depth of about 5 cm.

В патенте US 2008274494 описан фотобиореактор, выполненный из прозрачного эластичного полимерного материала, например из полиэтилена, подвешенный к каркасу и имеющий форму длинной, относительно широкой и сплющенной емкости. Данная емкость дополнительно снабжена внутренними отражателями потока, создающими турбулентность при протекании через емкость среды, культивирующей водоросли. Кроме того, эти отражатели будут удерживать постоянное расстояние между стенками емкости, не позволяя ей раздуваться при заполнении жидкостью.US2008274494 describes a photobioreactor made of a transparent elastic polymeric material, for example polyethylene, suspended from a frame and shaped like a long, relatively wide and flattened container. This tank is additionally equipped with internal flow reflectors that create turbulence when the algae cultivating medium flows through the tank. In addition, these reflectors will maintain a constant distance between the walls of the container, preventing it from swelling when filled with liquid.

Известен способ RU 2471863, который предусматривает культивирование фотосинтезирующих организмов в биореакторе, содержащем емкость с крышкой и устройство для перемешивания и аэрации микроорганизмов, включающее размещенные в крышке патрубки соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды. В емкости установлены несколько соосно расположенных и на расстоянии друг от друга кольцевые перегородки с открытыми снизу поплавками на вертикальной полой оси с возможностью вращения и возвратно-поступательного по ней перемещения с образованием зазора между стенкой емкости и кольцевыми перегородками. Крышка и емкость реактора выполнены из светопроницаемых материалов. Биореактор имеет средство для удержания реактора в жидкой среде на плаву и источники искусственного освещения, установленные в полостях поплавков кольцевых перегородок Последние выполнены из оптически прозрачного материала. Емкость выполнена в виде одноразовой или многоразовой съемной оболочки и имеет средства для ее крепления соответственно к крышке и днищу емкости.The known method RU 2471863, which provides for the cultivation of photosynthetic organisms in a bioreactor containing a container with a lid and a device for mixing and aeration of microorganisms, including located in the lid, respectively, for supplying aerating gas and removing a gaseous medium. Several coaxially located and at a distance from each other annular partitions with open bottom floats on the vertical hollow axis with the possibility of rotation and reciprocating movement along it with the formation of a gap between the tank wall and the annular partitions are installed in the tank. The lid and container of the reactor are made of translucent materials. The bioreactor has means for keeping the reactor afloat in a liquid medium and artificial lighting sources installed in the cavities of the floats of the annular partitions. The latter are made of optically transparent material. The container is made in the form of a disposable or reusable removable shell and has means for attaching it to the container lid and bottom, respectively.

Известны способы CN 103974511 A и CN 103966086 A, в которых авторы предлагают использовать для интеллектуального управления освещением фотобиореактора алгоритм нечеткой логики (fuzzy logic). Управление осуществляется с использованием сенсоров освещенности, расположенных на корпусе фотобиореактора, которые передают соответствующие показания на микроконтроллер, в котором с использованием алгоритма нечеткой логики рассчитывается уровень освещенности и производится соответствующее регулирование уровня яркости светодиодов, а также цветовой состав освещения.Known methods CN 103974511 A and CN 103966086 A, in which the authors propose to use a fuzzy logic algorithm for intelligent control of the photobioreactor lighting. The control is carried out using light sensors located on the photobioreactor housing, which transmit the corresponding readings to the microcontroller, in which, using a fuzzy logic algorithm, the illumination level is calculated and the corresponding regulation of the LED brightness level, as well as the color composition of the lighting.

Наиболее близким является способ RU 2550266, выбранный за прототип, в котором в качестве дополнительного источника освещения предлагается использовать гранулы люминофора. Люминофор вносят в культуральную среду в количестве 10-30% по объему, что позволяет экономить электрическую энергию на освещение и повышает эффективность производства биомассы фотосинтезирующих микроорганизмов. По окончании культивирования гранулы с люминофором отделяются от культуральной жидкости с помощью сетчатого фильтра.The closest is the method RU 2550266, chosen as a prototype, in which it is proposed to use phosphor granules as an additional source of illumination. The phosphor is introduced into the culture medium in an amount of 10-30% by volume, which saves electric energy for lighting and increases the efficiency of biomass production of photosynthetic microorganisms. At the end of the cultivation, the granules with the phosphor are separated from the culture liquid using a mesh filter.

Недостатками вышеописанных систем культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов является высокие удельные затраты электроэнергии не единицу биомассы фототрофных микроорганизмов.The disadvantages of the above-described systems for the cultivation of photosynthetic microorganisms is the high specific power consumption per unit of biomass of phototrophic microorganisms.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение энергетической эффективности фотобиореакторов.The technical problem to be solved by the claimed invention is to increase the energy efficiency of photobioreactors.

Технический результат заявленного изобретения заключается в использовании режимов адаптивного освещения и повышения уровня освещенности в культуральной жидкости за счет использования отражающей пластины из гидрогеля с высоким альбедо.The technical result of the claimed invention consists in the use of adaptive lighting modes and an increase in the level of illumination in the culture fluid due to the use of a reflective hydrogel plate with a high albedo.

Технический результат достигается тем, что предложен способ включающий приготовление посевного материала, питательной среды для выбранного вида фототрофного микроорганизма, подачу атмосферного воздуха в рабочую камеру фотобиореактора, осуществление перемешивания культуральной жидкости перекачиванием помпой и барботированием, при этом заранее подготовленную клеточную суспензию фототрофных микроорганизмов и отражающую пластину из гидрогеля с высоким альбедо помещают в фотобиореактор, поддержание освещенности на уровне 100±5 мкмоль/м2*с в разное время суток осуществляют автоматически путем изменения электронапряжения на источниках искусственного освещения от 3,6 до 5 В в зависимости от изменения напряжения на фоторезисторах по формуле:The technical result is achieved by the fact that the proposed method includes the preparation of inoculum, a nutrient medium for the selected type of phototrophic microorganism, supplying atmospheric air to the working chamber of the photobioreactor, mixing the culture liquid by pumping with a pump and bubbling, while a previously prepared cell suspension of phototrophic microorganisms and a reflecting plate made of a hydrogel with a high albedo is placed in a photobioreactor, maintaining the illumination at a level of 100 ± 5 μmol / m2 * s at different times of the day is carried out automatically by changing the voltage at artificial lighting sources from 3.6 to 5 V, depending on the voltage change on the photoresistors according to the formula:

где V - напряжение, подаваемое на источники искусственного освещения, В; Е - напряжение на фоторезисторах, В.where V is the voltage supplied to the artificial lighting sources, V; E is the voltage across the photoresistors, V.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что значительно сокращаются энергозатраты в процессе культивирования при сохранении концентрации биомассы.The combination of the above essential features leads to a significant reduction in energy consumption during cultivation while maintaining the concentration of biomass.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

На Фиг. 1 показан способ культивирования фототрофных микроорганизмов в фотобиореакторе: 1 - рабочая камера с суспензией фотосинтезирующих микроорганизмов, 2 - камера для размещения источника искусственного освещения, 3 - помпа для перемешивания культуральной среды, 4 - источник искусственного света, 5 - датчик интенсивности естественного света, 6 - контроллер, 7 - ПК с программным обеспечением, 8 - светоотражающая пластина из гидрогеля с наночастицами, 9 - источник естественного света, 10 - компрессор воздушныйFIG. 1 shows a method for culturing phototrophic microorganisms in a photobioreactor: 1 - a working chamber with a suspension of photosynthetic microorganisms, 2 - a chamber for placing an artificial light source, 3 - a pump for stirring a culture medium, 4 - a source of artificial light, 5 - a natural light intensity sensor, 6 - controller, 7 - PC with software, 8 - reflective hydrogel plate with nanoparticles, 9 - natural light source, 10 - air compressor

Осуществление и примеры реализации изобретенияImplementation and examples of implementation of the invention

Заявляемый способ культивирования фототрофных микроорганизмов заключается в использовании фотобиореактора закрытого типа по фиг. 1 состоящего из основной камеры (оргстекло) 1, перекачивающей водяной помпы 3, системы адаптивного освещения, состоящую из светодиодного источника света 4, датчиков интенсивности естественного света (фоторезисторов), контроллера 6 и компьютера с программным обеспечением 7, в основную камеру заливают культуральную жидкость, с предварительно инокулированным посевным материалом, и помещают в нее отражающую пластину из гидрогеля с наночастицами диоксида титана 8. Отражающая пластина, расположенная в основной камере имеет высокий показатель отражательной способности (альбедо) и служит для более эффективного распределения света по толще клеточной суспензии. Режим адаптивного освещения реализуется следующим образом: свет от естественных источников поступает на установленные на корпусе ФБР датчики освещенности, которые в зависимости от интенсивности освещения меняют свое сопротивление. Каждый из датчиков независимо друг от друга включен в электрическую цепь через контроллер, при этом на контроллере фиксируется падение или повышение напряжения в зависимости от интенсивности освещения. Таким образом происходит сбор данных об уровне освещенности в освещаемой части фотобиореактора. С использованием программного обеспечения через контроллер происходит присвоение передаточных функций к соответствующему уровню освещения и на выходе реализуется управляющий алгоритм, который позволяет изменить напряжение, подаваемое на светодиоды в соответствии с уровнем освещенности. Регулирование напряжения на светодиодах производится по следующему алгоритму:The inventive method for culturing phototrophic microorganisms consists in using a closed-type photobioreactor according to FIG. 1 consisting of a main chamber (plexiglass) 1, a pumping water pump 3, an adaptive lighting system consisting of an LED light source 4, natural light intensity sensors (photoresistors), a controller 6 and a computer with software 7, culture liquid is poured into the main chamber, with pre-inoculated inoculum, and a reflecting plate made of hydrogel with nanoparticles of titanium dioxide 8 is placed in it. The reflecting plate located in the main chamber has a high reflectance index (albedo) and serves for more efficient light distribution over the thickness of the cell suspension. The adaptive lighting mode is implemented as follows: light from natural sources enters the light sensors installed on the FBI body, which, depending on the light intensity, change their resistance. Each of the sensors is independently connected to the electrical circuit through the controller, while a voltage drop or increase is recorded on the controller, depending on the light intensity. Thus, data is collected on the level of illumination in the illuminated part of the photobioreactor. With the use of software through the controller, the transfer functions are assigned to the corresponding lighting level and a control algorithm is implemented at the output, which allows you to change the voltage supplied to the LEDs in accordance with the lighting level. Voltage regulation on LEDs is performed according to the following algorithm:

Приведенные ниже примеры иллюстрируют вариант заявленного изобретения, но не ограничивает его.The examples below illustrate a variation of the claimed invention, but do not limit it.

Пример 1. Для культивирования была выбрана культура Chlorella sp. из коллекции НИЦ «Курчатовский институт». Приготовление посевного материала проводили на питательной среде следующего состава: KNO₃, 1,25; KH₂PO4, 1,25; MgSO₄⋅7H₂O, 1; CaCl₂, 0,0835; H₃BO₃, 0,1142; FeSO₄⋅7H₂O, 0,0498; ZnSO₄⋅7H₂O, 0,0882; MnCl₂⋅4H₂O, 0,0144; MoO₃, 0,0071; CuSO₄⋅5H₂O, 0,0157; Co(NO₃)₂⋅6H₂O, 0,0049; EDTA⋅2Na, 0,5. Среду стерилизовали в автоклаве при 121°С 15 минут, рН питательной среды доводили до 7. Выращивание посевного материала проводили в колбах Эрленмейера объемом 250 мл при постоянном освещении в люминостате с использованием ламп дневного света мощностью 20 Вт при интенсивности света 50-60 мкмоль ФАР м^-2с^-1. Перемешивание осуществлялось за счет барботирования атмосферным воздухом. Температуру при культивировании поддерживали на уровне 22±2°С путем кондиционирования воздуха в помещении. Питательную среду того же состава для культивирования в фотобиореакторе, что и в случае приготовления посевного материала, готовили на дистиллированной воде и стерилизовали в автоклаве при 121°С 15 минут, рН питательной среды доводили до 7. В полученную питательную среду объемом 5 литров инокулировали посевной материал и заливали в рабочую камеру фотобиореактора.Example 1. For cultivation was selected culture Chlorella sp. from the collection of the National Research Center "Kurchatov Institute". The preparation of inoculum was carried out on a nutrient medium of the following composition: KNO ₃ , 1.25; KH ₂ PO4, 1.25; MgSO ₄ ⋅7H ₂ O, 1; CaCl ₂ , 0.0835; H ₃ BO ₃ , 0.1142; FeSO ₄ ⋅7H ₂ O, 0.0498; ZnSO ₄ 7H ₂ O, 0.0882; MnCl ₂ ⋅ 4H ₂ O, 0.0144; MoO ₃ , 0.0071; CuSO ₄ ⋅5H ₂ O, 0.0157; Co (NO ₃ ) ₂ 6H ₂ O, 0.0049; EDTA-2Na, 0.5. The medium was sterilized in an autoclave at 121 ° C for 15 minutes, the pH of the culture medium was adjusted to 7. The inoculum was grown in 250 ml Erlenmeyer flasks under constant illumination in a luminostat using fluorescent lamps with a power of 20 W at a light intensity of 50-60 μmol PAR m ^-2 s ^-1 . Stirring was carried out by bubbling with atmospheric air. The culture temperature was maintained at 22 ± 2 ° C by air conditioning the room. A nutrient medium of the same composition for cultivation in a photobioreactor as in the case of preparation of inoculum was prepared in distilled water and sterilized in an autoclave at 121 ° C for 15 minutes, the pH of the nutrient medium was adjusted to 7. The inoculum was inoculated into the resulting nutrient medium with a volume of 5 liters. and poured into the working chamber of the photobioreactor.

Перемешивание осуществлялось за счет циркуляции среды с помощью помпы и пропускания атмосферного воздуха. Температуру при культивировании (22°С) поддерживали путем кондиционирования воздуха в помещении.Stirring was carried out by circulating the medium using a pump and passing atmospheric air. The culture temperature (22 ° C) was maintained by air conditioning the room.

Культивирование проводилось в условиях помещения при наличии искусственного освещения - светодиодов, расположенных в нижней части фотобиореактора (светодиодная лента smd 2835, 120 диодов/метр, IP23) и естественного освещения (из оконного проема). Уровень искусственного освещения поддерживался постоянным - 100 мкмоль/м²*с. Выход биомассы и удельные затраты приведены в таблице.The cultivation was carried out under indoor conditions in the presence of artificial lighting - LEDs located in the lower part of the photobioreactor (smd 2835 LED strip, 120 diodes / meter, IP23) and natural light (from the window opening). Level of artificial lighting was kept constant - 100 micromoles / m ² * s. Biomass yield and unit costs are shown in the table.

Пример 2. В рабочую камеру фотобиореактора помещали светорассеивающую пластину из гидрогеля (ПВС/ксантан) с содержанием частиц диоксида титана от 0,3 до 0,7 масс. %, приготовленного по методике, описанной в работе [Badranova и др., 2016]. Пластина размером 200*200 мм помещалась в культуральную среду и обеспечивала эффективное светорассеяние в толще жидкости, как от естественных источников освещения, так и от искусственных. Культивирование проводилось в условиях помещения при наличии искусственного освещения - светодиодов, расположенных в нижней части фотобиореактора (светодиодная лента smd 2835, 120 диодов/метр, IP23) и естественного освещения (из оконного проема). Уровень искусственного освещения поддерживался постоянным - 100 мкмоль/м²*с. Выход биомассы и удельные затраты приведены в таблице.Example 2. In the working chamber of the photobioreactor was placed a light-scattering plate made of hydrogel (PVA / xanthanum) containing titanium dioxide particles from 0.3 to 0.7 wt. % prepared according to the method described in [Badranova et al., 2016]. A plate 200 * 200 mm in size was placed in the culture medium and provided effective light scattering in the thickness of the liquid, both from natural light sources and from artificial ones. The cultivation was carried out under indoor conditions in the presence of artificial lighting - LEDs located in the lower part of the photobioreactor (smd 2835 LED strip, 120 diodes / meter, IP23) and natural light (from the window opening). Level of artificial lighting was kept constant - 100 micromoles / m ² * s. Biomass yield and unit costs are shown in the table.

Пример 3. Культивирование проводили в тех же условиях что и в примере 1, с тем лишь отличием, что применялся адаптивный режим освещения. Суспензию микроводорослей в процессе роста освещали до достижения заданного уровня освещенности в 100 мкмоль/м2*с, компенсируя недостаток естественного освещения постепенным увеличением яркости светодиодного освещения по алгоритму, реализуемому с помощью компьютера по формуле:Example 3. The cultivation was carried out under the same conditions as in example 1, with the only difference that an adaptive lighting mode was used. The suspension of microalgae in the process of growth was illuminated until a predetermined illumination level of 100 μmol / m2 * s was achieved, compensating for the lack of natural lighting by gradually increasing the brightness of LED lighting according to an algorithm implemented using a computer according to the formula:

где V - напряжение, подаваемое на светодиоды, В; Е - напряжение на фоторезисторе, В.where V is the voltage supplied to the LEDs, V; E is the voltage across the photoresistor, V.

Выход биомассы и удельные затраты приведены в таблице.Biomass yield and unit costs are shown in the table.

Пример 4. Культивирование проводили с одновременным использованием гидрогеля (ПВС/ксантан) с содержанием частиц диоксида титана от 0,3 до 0,7 масс. % и режима адаптивного освещения. Режим освещения осуществляли как и в примере 3. Выход биомассы и удельные затраты приведены в таблице.Example 4. The cultivation was carried out with the simultaneous use of a hydrogel (PVA / xanthan) with a content of titanium dioxide particles from 0.3 to 0.7 wt. % and adaptive lighting mode. The lighting regime was carried out as in example 3. The biomass yield and unit costs are shown in the table.

Таким образом, наибольшая энергетическая эффективность культивирования достигается при одновременном использовании режима адаптивного освещения и отражающего гидрогеля.Thus, the highest energy efficiency of cultivation is achieved with the simultaneous use of the adaptive lighting mode and reflective hydrogel.

Claims

A method for the cultivation of photosynthetic microorganisms in a photobioreactor, including the preparation of inoculum, a nutrient medium for a selected type of phototrophic microorganism, supplying atmospheric air to the working chamber of the photobioreactor, stirring the culture liquid by pumping a pump and bubbling, characterized in that a previously prepared cell suspension of phototrophic microorganisms and a reflecting plate hydrogel with high albedo placed in a photobioreactor, maintaining illumination at 100 ± 5 micromoles / m ² * s at different times of the day automatically performed by changing the voltage sources of artificial illumination at from 3.6 to 5, depending on the voltage variation according to photoresistors formula:

where V is the voltage supplied to the artificial lighting sources, V; E is the voltage across the photoresistors, V.