RU2805058C2 - Method for production of microalgae biomass with high content of water-soluble protein - Google Patents
Method for production of microalgae biomass with high content of water-soluble protein Download PDFInfo
- Publication number
- RU2805058C2 RU2805058C2 RU2021129608A RU2021129608A RU2805058C2 RU 2805058 C2 RU2805058 C2 RU 2805058C2 RU 2021129608 A RU2021129608 A RU 2021129608A RU 2021129608 A RU2021129608 A RU 2021129608A RU 2805058 C2 RU2805058 C2 RU 2805058C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- concentration
- microalgae
- conditions
- suspension
- cultivation
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области биотехнологических процессов и производств, в частности, к способам культивирования биомассы микроводорослей.The invention relates to the field of biotechnological processes and production, in particular to methods for cultivating microalgae biomass.
Известен способ культивирования микроводорослей Chlorella (Патент на изобретение РФ №2644261, МПК C12N 1/12 (2006.01), 2016 г). Способ предусматривает перемешивание и аэрацию культуральной жидкости, поддержание заданных значений температуры и рН, освещение импульсным источником света с длительностью импульса 0,00001-0,001 с и длительностью интервала между импульсами 0,01-0,1 с, соответствующими длительностям световой и темновой фаз фотосинтеза для данной микроводоросли, отличающийся тем, что температурные границы, при которых происходит развитие микроводоросли Chlorella 27-29°С, освещение периодическое 3 часа утром и 4 часа вечером, с добавлением минеральной воды со скважины 69 бис железноводского месторождения с содержанием солей 2,5 г/л в культуральную жидкость при соотношении 1:1, перемешивание осуществляют круговыми движениями.There is a known method for cultivating Chlorella microalgae (RF patent for invention No. 2644261, IPC C12N 1/12 (2006.01), 2016). The method involves stirring and aerating the culture liquid, maintaining specified temperature and pH values, lighting with a pulsed light source with a pulse duration of 0.00001-0.001 s and an interval between pulses of 0.01-0.1 s, corresponding to the durations of the light and dark phases of photosynthesis for of this microalgae, characterized in that the temperature limits at which the development of microalgae Chlorella occurs is 27-29°C, periodic lighting for 3 hours in the morning and 4 hours in the evening, with the addition of mineral water from well 69 bis of the Zheleznovodsk deposit with a salt content of 2.5 g/ l into the culture liquid at a ratio of 1:1, mixing is carried out in a circular motion.
Недостатком данного способа является использованием в качестве освещения импульсного света, воздействие которого будет стрессовым и окажет влияние на процессы роста, развития и метаболизм, в частности возможно снижение количества внутриклеточных водорастворимых белков.The disadvantage of this method is the use of pulsed light as illumination, the effect of which will be stressful and will affect the processes of growth, development and metabolism, in particular, it is possible to reduce the amount of intracellular water-soluble proteins.
Известен способ культивирования микроводоросли и установка для его осуществления (патент РФ №2450049), который заключается в перемешивании и аэрации культуральной жидкости встряхиванием колб-культиваторов путем возвратно-поступательного перемещения, поддержании заданных значений температуры, рН и освещении источником света, согласно изобретению освещение осуществляется импульсным источником света с длительностью импульса 0,00001-0,001 с и длительностью интервала между импульсами 0,01-0,1 с, соответствующими длительностям световой и темновой фаз фотосинтеза для данной микроводоросли. Установка для осуществления способа включает культиваторы в виде ряда сосудов одинаковой геометрической формы с прозрачными днищами, установленных с возможностью возвратно-поступательного перемещения в горизонтальной плоскости (для аэрации и перемешивания) и снабженных источником освещения, в котором согласно изобретению источники освещения выполнены в виде набора светоизлучающих диодов, расположенных непосредственно под прозрачными днищами сосудов и соединенных с источником питания в виде генератора импульсов.There is a known method for cultivating microalgae and an installation for its implementation (RF patent No. 2450049), which consists of mixing and aerating the cultural liquid by shaking cultivator flasks by reciprocating movement, maintaining set temperature values, pH and lighting with a light source; according to the invention, lighting is pulsed a light source with a pulse duration of 0.00001-0.001 s and an interval between pulses of 0.01-0.1 s, corresponding to the durations of the light and dark phases of photosynthesis for a given microalgae. The installation for implementing the method includes cultivators in the form of a series of vessels of the same geometric shape with transparent bottoms, installed with the possibility of reciprocating movement in a horizontal plane (for aeration and mixing) and equipped with a lighting source, in which, according to the invention, the lighting sources are made in the form of a set of light-emitting diodes , located directly under the transparent bottoms of the vessels and connected to a power source in the form of a pulse generator.
Недостатком данного способа является использованием в качестве освещения импульсного света, воздействие которого будет стрессовым и окажет влияние на процессы роста, развития и метаболизм, в частности возможно снижение количества внутриклеточных водорастворимых белков.The disadvantage of this method is the use of pulsed light as illumination, the effect of which will be stressful and will affect the processes of growth, development and metabolism, in particular, it is possible to reduce the amount of intracellular water-soluble proteins.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ культивирования планктонной хлореллы (Патент на изобретение №2685955 РФ, МПК 12N 1/12 (2006.01) А01Н 13/00 (2006.01) (52) СПК C12N 1/12 (2013.01) А01Н 13/00 (2013.01), 2019 год). Изобретение относится к биотехнологии, в частности способу культивирования планктонной хлореллы, используемой в качестве корма для сельскохозяйственных животных. Разработанный способ предусматривает культивирование в течение суток в режиме двух световых и одной темновой фазы, при этом температура суспензии выдерживается в пределах от 28 до 30°С. Используется питательная среда, состоящая из минеральных и органических компонентов. Культивирование проводят в три этапа, которые отличаются по количеству используемых органических компонентов питательной среды. Изобретение позволяет получать продукт, различающийся по содержанию биомассы для дифференцированного использования в качестве корма для сельскохозяйственных животных. Недостатком данного способа является использование в качестве органических компонентов питательной среды фильтрата настоя голозерного овса и фугата зерновой послеспиртовой барды применение которых без предварительной стерилизации может привести к контаминации культуры микроводорослей.The closest to the proposed solution is the method of cultivating planktonic chlorella (Patent for invention No. 2685955 of the Russian Federation, IPC
Задачей изобретения является получение биомассы микроводорослей с высоким содержанием внутриклеточного водорастворимого белка.The objective of the invention is to obtain microalgae biomass with a high content of intracellular water-soluble protein.
Решение технической задачи достигается за счет создания миксотрофных условий культивирования микроводорослей рода Chlorella, выращиваемых предварительно в автотрофных условиях.The solution to the technical problem is achieved by creating mixotrophic conditions for the cultivation of microalgae of the genus Chlorella, previously grown in autotrophic conditions.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно - следственная связь.There is the following cause and effect relationship between the distinctive features and the achieved technical result.
Технический результат достигается тем, что создание миксотрофных условий культивирования обеспечивается изменением уровня фотосинтетически активной радиации с 120-180 мкмоль фотонов/(м2⋅с) до 20-40 мкмоль фотонов/(м2⋅с) и пересевом биомассы микроводорослей рода Chlorella на питательную среду с добавлением глюкозы - источника органического углерода в количестве 5±1 г/л, а накопление комплекса внутриклеточных водорастворимых белков в биомассе обеспечивается из-за изменения метаболизма клеток и увеличения количества ферментов, катализирующих реакции усвоения глюкозы (путь Эмбдена-Мейргофа, цикл Кребса).The technical result is achieved by the fact that the creation of mixotrophic cultivation conditions is ensured by changing the level of photosynthetically active radiation from 120-180 µmol photons/(m 2 ⋅s) to 20-40 µmol photons/(m 2 ⋅s) and reseeding the biomass of microalgae of the genus Chlorella for nutritious medium with the addition of glucose - a source of organic carbon in an amount of 5±1 g/l, and the accumulation of a complex of intracellular water-soluble proteins in the biomass is ensured due to changes in cell metabolism and an increase in the number of enzymes that catalyze reactions of glucose uptake (Embden-Meirhoff pathway, Krebs cycle) .
Питательная среда, используемая на автотрофном этапе культивирования микроводорослей является стерильной и содержит азот в виде нитрата калия 3-5 г/л, фосфор в виде дигидрофосфата калия в концентрации 0,2 - 2 г/л, серу в виде сульфата магния и гептагидрата сульфата железа в концентрации 0,125 - 1,25 г/л и 0,01-0,015 г/л соответственно, а также 0,5-1,5 мл раствора микроэлементов, который содержит катионы марганца (II) в виде тетрагидрата хлорида марганца (И) в концентрации 1,0-2,0 г/л, катионы цинка в виде гептагидрата сульфата цинка- 0,1-0,3 г/л, катионы меди (II) в виде сульфата меди (II) - 0,01-0,2 г/л, оксид молибдена (IV) в концентрации 0,01-0,02 г/л, борная кислота в концентрации 2-3 г/л, ванадат аммония в концентрации 0,01-0,02 г/л. После 4-5 суток культивирования микроводорослей с использованием данной питательной среды при следующих условиях: 1) количество вносимого посевного материала (клеток микроводорослей), выращенного в стерильных условий и отобранного в конце логарифмической стадии роста, составляло -8-12% от общего объема суспензии, таким образом, начальная концентрация биомассы в суспензии составляет 0,05-0,1 г/л; 2) температура 30±2°С; 3) уровень фотосинтетически активной радиации 120-180 мкмоль фотонов/(м2⋅с)); 4) уровень рН. 6.2-8.0; 3) аэрация суспензии (60-100 л/ч) стерильной газовоздушной смесью с содержанием диоксида углерода 0,02-0,5%; концентрация биомассы микроводорослей в суспензии достигает величины 0,5-1 г/л, а содержание внутриклеточного водорастворимого белка - 40-50 мг/л.The nutrient medium used at the autotrophic stage of microalgae cultivation is sterile and contains nitrogen in the form of potassium nitrate 3-5 g/l, phosphorus in the form of potassium dihydrogen phosphate at a concentration of 0.2-2 g/l, sulfur in the form of magnesium sulfate and ferrous sulfate heptahydrate at a concentration of 0.125 - 1.25 g/l and 0.01-0.015 g/l, respectively, as well as 0.5-1.5 ml of a solution of trace elements, which contains manganese (II) cations in the form of manganese (I) chloride tetrahydrate in concentrations 1.0-2.0 g/l, zinc cations in the form of zinc sulfate heptahydrate - 0.1-0.3 g/l, copper (II) cations in the form of copper (II) sulfate - 0.01-0, 2 g/l, molybdenum (IV) oxide at a concentration of 0.01-0.02 g/l, boric acid at a concentration of 2-3 g/l, ammonium vanadate at a concentration of 0.01-0.02 g/l. After 4-5 days of cultivating microalgae using this nutrient medium under the following conditions: 1) the amount of introduced seed (microalgae cells), grown under sterile conditions and selected at the end of the logarithmic growth stage, was -8-12% of the total volume of the suspension, thus, the initial concentration of biomass in the suspension is 0.05-0.1 g/l; 2)
Миксотрофное культивирование полученной биомассы микроводорослей для изменения заключается в использовании на втором этапе культивирования питательной среды, которая содержит источник органического углерода в виде глюкозы в концентрации 5±1 г/л г/л, азот в виде нитрат калия 3-5 г/л, фосфор в виде дигидрофосфата калия в концентрации 0,2 - 2 г/л, серу в виде сульфата магния и гептагидрата сульфата железа в концентрации 0,125 - 1,25 г/л и 0,01-0,015 г/л соответственно, а также 0,5-1,5 мл раствора микроэлементов, который содержит катионы марганца (II) в виде тетрагидрата хлорида марганца (II) в концентрации 1,0-2,0 г/л, катионы цинка в виде гептагидрата сульфата цинка- 0,1-0,3 г/л, катионы меди (II) в виде сульфата меди (II) - 0,01-0,02 г/л, оксид молибдена (IV) в концентрации 0,01-0,02 г/л, борная кислота в концентрации 2-3 г/л, ванадат аммония в концентрации 0,01-0,02 г/л. После 4-5 суток культивирования микроводорослей с использованием данной питательной среды при следующих условиях: 1) температура 30±2°С; 3) уровень фотосинтетически активной радиации 20-40 мкмоль фотонов/(м2⋅с)); 4) уровень рН. 6.2-8.0; 3) аэрация суспензии (80-120 л/ч) стерильной газовоздушной смесью с содержанием диоксида углерода 0,02-0,5%; концентрация биомассы микроводорослей в суспензии составит 1,5-2,0 г/л, а содержание внутриклеточного водорастворимого белка - 70-120 мг/л.Mixotrophic cultivation of the resulting biomass of microalgae for modification consists in using, at the second stage of cultivation, a nutrient medium that contains a source of organic carbon in the form of glucose at a concentration of 5±1 g/l g/l, nitrogen in the form of potassium nitrate 3-5 g/l, phosphorus in the form of potassium dihydrogen phosphate in a concentration of 0.2 - 2 g/l, sulfur in the form of magnesium sulfate and ferrous sulfate heptahydrate in a concentration of 0.125 - 1.25 g/l and 0.01-0.015 g/l, respectively, as well as 0.5 -1.5 ml of a solution of trace elements, which contains manganese (II) cations in the form of manganese (II) chloride tetrahydrate in a concentration of 1.0-2.0 g/l, zinc cations in the form of zinc sulfate heptahydrate - 0.1-0, 3 g/l, copper (II) cations in the form of copper (II) sulfate - 0.01-0.02 g/l, molybdenum (IV) oxide in a concentration of 0.01-0.02 g/l, boric acid in concentration 2-3 g/l, ammonium vanadate at a concentration of 0.01-0.02 g/l. After 4-5 days of cultivating microalgae using this nutrient medium under the following conditions: 1)
Длительность последовательных стадий культивирования в автотрофных и миксотрофных условиях составляют 4-5 суток каждая. В подаваемой для культивирования в автотрофных условиях стерильной питательной среде (табл. 1, 2) присутствуют все макро- и микроэлементы необходимые для роста фотосинтетического микроорганизма (источник неорганического углерода - диоксид углерода подается в составе стериальной газовоздушной смеси). Для культивирования в миксотрофных условиях в полученная биомасса микроводорослей пересевается на новую стерильную питательную среду в составе которой содержится источник органического углерода - глюкоза (табл.3).The duration of successive stages of cultivation in autotrophic and mixotrophic conditions is 4-5 days each. The sterile nutrient medium supplied for cultivation under autotrophic conditions (Tables 1, 2) contains all the macro- and microelements necessary for the growth of a photosynthetic microorganism (the source of inorganic carbon - carbon dioxide is supplied as part of a sterile gas-air mixture). For cultivation under mixotrophic conditions, the resulting biomass of microalgae is reseeded on a new sterile nutrient medium that contains a source of organic carbon - glucose (Table 3).
В качестве посевного материала для получения биомассы микроводорослей с высоким содержанием белка используются микроорганизмы рода Chlorella. Культивирование микроводорослей сначала осуществляется на стерильной питательной среде (табл.1), содержащей необходимые для осуществления процессов метаболизма неорганические соли, при аэрации стерильной газовоздушной смесью с содержанием диоксида углерода 0,02-0,5% (60-100 л/ч) и уровне фотосинтетически активной радиации 120-180 мкмоль фотонов/(м2⋅с)) в течение 4-5 суток. Это позволяет обеспечить активный прирост биомассы за счет активного процесса фотосинтеза. Создание миксотрофных условий в течение последующих 4-5 суток активирует перестройку метаболизма клеток микроводорослей и позволяет повысить концентрацию внутриклеточных водорастворимых белков.Microorganisms of the genus Chlorella are used as seed material to obtain microalgae biomass with a high protein content. Cultivation of microalgae is first carried out on a sterile nutrient medium (Table 1), containing inorganic salts necessary for metabolic processes, with aeration with a sterile gas-air mixture containing 0.02-0.5% carbon dioxide (60-100 l/h) and photosynthetically active radiation 120-180 µmol photons/(m 2 ⋅s)) for 4-5 days. This allows for active biomass growth due to the active process of photosynthesis. The creation of mixotrophic conditions over the next 4-5 days activates the restructuring of the metabolism of microalgae cells and makes it possible to increase the concentration of intracellular water-soluble proteins.
Использование в качестве посевного материала микроводорослей рода Chlorella и питательной среды приведенного в табл.1-3 состава, позволяет обеспечить получение биомассы микроводорослей концентрацией 1,5-2,0 г/л с содержанием внутриклеточного водорастворимого белка - 70-120 мг/л.The use of microalgae of the genus Chlorella and the nutrient medium of the composition given in Tables 1-3 as seed material makes it possible to obtain microalgae biomass with a concentration of 1.5-2.0 g/l with an intracellular water-soluble protein content of 70-120 mg/l.
В качестве примера может быть рассмотрен технологический процесс производства пищевой добавки на основе биомассы микроводорослей с высоким содержанием водорастворимого белка (фиг.1). Технологический процесс производства начинается с культивирования микроводорослей на стерильной питательной среде в автотрофных условиях в течение 4-5 суток: 1) количество вносимого посевного материала (клеток микроводорослей), выращенного в стерильных условий и отобранного в конце логарифмической стадии роста, составляло -8-12% от общего объема суспензии, таким образом, начальная концентрация биомассы в суспензии составляет 0,05-0,1 г/л; 2) температура 30±2°С; 3) уровень фотосинтетически активной радиации 120-180 мкмоль фотонов/(м2⋅с)); 4) уровень рН. 6.2-8.0; 3) аэрация суспензии (60-100 л/ч) стерильной газовоздушной смесью с содержанием диоксида углерода 0,02-0,5%. В результате концентрация биомассы микроводорослей в суспензии достигает величины 0,5-1 г/л, а содержание внутриклеточного водорастворимого белка - 40-50 мг/л. Затем полученная биомасса пересевается на новую питательную среду, содержащую источник органического углерода -глюкозу и культивируется в миксотрофных услових в течение 4-5 суток в следующих условиях: 1) температура 30±2°С; 3) уровень фотосинтетически активной радиации 20-40 мкмоль фотонов/(м2⋅c));As an example, the technological process for the production of a food additive based on microalgae biomass with a high content of water-soluble protein can be considered (Fig. 1). The technological production process begins with the cultivation of microalgae on a sterile nutrient medium in autotrophic conditions for 4-5 days: 1) the amount of introduced seed material (microalgae cells), grown in sterile conditions and selected at the end of the logarithmic stage of growth, was -8-12% of the total volume of the suspension, thus, the initial concentration of biomass in the suspension is 0.05-0.1 g/l; 2)
4) уровень рН. 6.2-8.0; 3) аэрация суспензии (80-120 л/ч) стерильной газовоздушной смесью с содержанием диоксида углерода 0,02-0,5%. Концентрация биомассы микроводорослей в суспензии достигает величины 1,5-2,0 г/л, а содержание внутриклеточного водорастворимого белка - 70-120 мг/л (стадия 1). Затем центрифугированием от биомассы микроводорослей отделяется большая часть культуральной жидкости (стадия 2), в результате чего получается паста микроводорослей влажностью от 55-98%. Клетки микроводорослей, содержащиеся в полученной пасте микроводорослей, подвергаются дезинтеграции для увеличения биодоступности внутриклеточных белковых компонентов (стадия 3). На следующем этапе производства паста микроводорослей с разрушенными клетками подвергается сушке до остаточной влажности 10% (стадия 4). Подтверждением эффективности предлагаемого метода являются результаты культивирования штаммов Chlorella vulgaris Beijer IPPAS C-l (Chlorella sorokiniana), Chlorella vulgaris Beijer IPPAS C-2, Chlorella kessleri Fott et Nov C-9 (Parachlorella kessleri), приведенные в табл.4-6 и на фиг.2-4.4) pH level. 6.2-8.0; 3) aeration of the suspension (80-120 l/h) with a sterile gas-air mixture containing 0.02-0.5% carbon dioxide. The concentration of microalgae biomass in the suspension reaches 1.5-2.0 g/l, and the content of intracellular water-soluble protein is 70-120 mg/l (stage 1). Then, by centrifugation, most of the culture liquid is separated from the microalgae biomass (stage 2), resulting in a microalgae paste with a moisture content of 55-98%. The microalgae cells contained in the resulting microalgae paste undergo disintegration to increase the bioavailability of intracellular protein components (step 3). At the next stage of production, the microalgae paste with destroyed cells is dried to a residual moisture content of 10% (stage 4). The effectiveness of the proposed method is confirmed by the results of cultivating the strains Chlorella vulgaris Beijer IPPAS C-l (Chlorella sorokiniana), Chlorella vulgaris Beijer IPPAS C-2, Chlorella kessleri Fott et Nov C-9 (Parachlorella kessleri), shown in Tables 4-6 and in Fig. 2-4.
Полученные данные позволяют заключить, что предлагаемый способ культивирования микроводорослей позволяет получить биомассу с повышенным содержанием водорастворимого белка.The data obtained allow us to conclude that the proposed method of cultivating microalgae makes it possible to obtain biomass with a high content of water-soluble protein.
Claims (1)
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2021129608A RU2021129608A (en) | 2023-04-11 |
RU2805058C2 true RU2805058C2 (en) | 2023-10-11 |
Family
ID=
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2685955C1 (en) * | 2018-02-02 | 2019-04-23 | Николай Иванович Богданов | Method of cultivation of plankton chlorella |
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2685955C1 (en) * | 2018-02-02 | 2019-04-23 | Николай Иванович Богданов | Method of cultivation of plankton chlorella |
Non-Patent Citations (1)
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
de Alva et al. | Carbon, nitrogen, and phosphorus removal, and lipid production by three saline microalgae grown in synthetic wastewater irradiated with different photon fluxes | |
Deamici et al. | Static magnetic fields in culture of Chlorella fusca: Bioeffects on growth and biomass composition | |
RU2010101310A (en) | GOLD ALGAE AND PRODUCTION METHOD | |
KR101694711B1 (en) | Culturing method of microalgae for increasing lipid productivity | |
Sukumaran et al. | Potential of fresh POME as a growth medium in mass production of Arthrospira platensis | |
CN104152357A (en) | High-density culture method for improving chlorophyll and protein content of chlorella at same time | |
CN108587920B (en) | Method for mixotrophic culture of microalgae by using acetic acid/sodium acetate | |
KR101287384B1 (en) | Method for increasing growht and lipid content of microalgae using mixture of led light | |
Fakhri et al. | Biomass, pigment production, and nutrient uptake of Chlorella sp. under different photoperiods | |
RU2805058C2 (en) | Method for production of microalgae biomass with high content of water-soluble protein | |
KR20120110295A (en) | Composition of culture medium for algae and method of culturing algae | |
Rukminasari et al. | Effects of increasing temperature and nitrate concentration on cell abundance, growth rate, biomass and free fatty acid of Tetraselmis sp | |
CN85108913A (en) | Microbial plant growth promoter and yield enhancer | |
Lathifah et al. | Effect of commercial NPK fertilizer on growth and biomass of Navicula sp. and Nannochloropsis sp | |
CN109722407B (en) | Method for compensating growth of microalgae by starting at ice temperature | |
KR101684254B1 (en) | Method for high concentration cultivation of microalgae using mud-clay extracts or humic acid | |
Tókos et al. | Automation control system of an equipment for ELF stimulated phototrophic microalgae production | |
E Ezeani et al. | Commercial Microalgae Culture in Inorganic Fertilizer Media | |
CN116496967B (en) | Promoter for improving content of microalgae active substances and application thereof | |
CN112574889B (en) | Method for rapidly propagating bait microalgae biomass by means of polyculture culture | |
EP3596198A1 (en) | Method for the production of microalgae | |
KR101106198B1 (en) | Curture Method of Chlolella-Starter Having High CGF Content and The Chlolella-Starter Thereof | |
KR102647562B1 (en) | Culturing method of microalga Graesiella emersonii GEGS21 for increasing xanthophyll and fatty acids productions | |
CN114736937B (en) | Method for promoting growth and lipid production of scenedesmus obliquus by using plant hormone salicylic acid | |
Sarma et al. | Optimization of nutrient media for enhanced production of bioactive compounds in Spirulina fusiformis Voronichin |