Спосіб культивування мікроводоростей chlorella vulgaris

Реферат: Винахід належить до біотехнології стосується способу культивування мікроводоростей Chlorella vulgaris, який включає барботування культурального середовища сумішшю газів, яка містить газові викиди підприємств і, додатково, газові викиди змішують з повітрям з отриманням суміші газів зі співвідношенням газових викидів і повітря 1:(1-2) з концентрацією СО2 3-6 %, і газові викиди проходять стадію попереднього очищення від твердих домішок і містять в собі такі компоненти, як оксиди нітрогену та сульфуру. UA 112994 C2 (12) UA 112994 C2 UA 112994 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до біотехнології, а саме до біотехнології культивування мікроводоростей, і може бути використаний при виробництві біодизельного пального третього покоління, при виробництві кормових домішок для сільського господарства, що підвищують приріст маси птахів та тварин, а також у фармацевтичній галузі та харчовій промисловості. У патенті PCT, WO2007/068J9J, C12N 1/12(20060101), 2007 для інтенсифікації накопичення біомаси мікроводоростей використовують барботування середовища чистим вуглекислим газом СО2. Система не передбачає використання топкових газів для збагачення культурального середовища вуглекислим газом СО2. Недоліком цього способу є відсутність введення в систему сполук сульфуру та нітрогену, що містяться у топкових газах, які використовуються клітинами мікроводоростей як живильні речовини для прискорення швидкості росту. У патенті USА, US2007/0264708 А1, C12N 1/12, 2007 запропоновано барботування культурального середовища ферментеру чистим вуглекислим газом СО 2, або сумішшю газів в якій міститься переважно вуглекислий газ. Недоліком способу є постійне барботування газовою сумішшю зі змінною концентрацією СО2, оскільки за великої концентрації (більше 6 %) при постійному барботуванні, що пропонується, відбувається закиснення середовища, що приводить до загибелі мікроводоростей. Запропонований спосіб не передбачає використання газових викидів, у яких окрім СО2 присутні інші сполуки й оксиди сульфуру та нітрогену. В основу винаходу поставлено задачу інтенсифікації росту мікроводорості Chlorella vulgaris шляхом використання в барботажній суміші газових викидів підприємств з підвищеним вмістом як СО2 (3-6 %), так і оксидів нітрогену (IV) та сульфуру (IV). Поставлена задача вирішується тим, що у способі культивування мікроводоростей, що включає барботування культурального середовища сумішшю газів, згідно з винаходом, новим є те, що сумішшю газів є газові викиди (топкові гази) підприємств та повітря у співвідношенні 1: (02), і газові викиди проходять стадію попереднього очищення від твердих домішок і містять в собі такі компоненти як оксиди нітрогену та сульфуру. Співвідношення топочного газу та повітря визначається відсотковим вмістом СО2 у газових викидах. Концентрація СО2 у барботажній суміші повинна знаходиться у межах 3-6 %, NO2 < 0,5 % SO2 < 0,5 %. Для вирощування мікроводоростей необхідні сонячна енергія у діапазоні 400-700 нм, вода, та неорганічні поживні речовини. Серед поживних речовин визначальними є сполуки карбону, нітрогену, фосфору, сульфуру та деякі мікроелементи (K, Na, Mg, Zn, Fe тощо). У процесі фотосинтезу мікроводорості поглинають вуглекислий газ та виділяють кисень, нарощуючи біомасу. Мікроскопічні водорості здатні засвоювати СО 2 з різних джерел: атмосфери, промислових газових викидів і розчинних карбонатів (NaHCO3 або Na2CO3). Мікроводорості найкраще засвоюють карбон у формі СО2 за рівнянням: СО2+2Н2О + енергія світла → [СН2О] + О2 + Н2О. (1) За звичайного вмісту СО2 в повітрі його концентрація у воді складає 0,03 %, що недостатньо для швидкого розмноження водоростей. При цьому приріст біомаси мікроводоростей (на прикладі Chlorella vulgaris) становить близько 10 мг/л за 10-добовий період. Тому введення в культуральне середовище додаткової кількості СО2 приводить до інтенсифікації процесів поділу та росту клітин, і, відповідно, підвищених темпів приросту біомаси. Для уникнення пошкодження клітин пухирцями газу система подачі топочних газів містить аероліфтну систему. Барботування культурального середовища повітрям, збагаченим СО2 (3-6 %), пропонується для рівномірного розподілу енергії світла між клітинами культури (згідно рівняння 1), оскільки інтенсивність освітлення різко знижується зі збільшенням товщини шару води, що приводить до зниження інтенсивності приросту біомаси. Барботування також використовується для підвищення швидкості масообмінних процесів у реакторі і збільшення надходження поживних речовин до клітини. Пропонується використання газових викидів як теплоносія і як джерела СО2. При цьому концентрація СО2 у барботажному повітрі підтримується на рівні 3-6 %. Виходячи з концентрації СО2, у газових викидах дозується подача повітря при утворенні барботажної суміші газів. При концентрації СО2 у газовому викиді 3-6 %, не відбувається його розведення повітрям, тобто співвідношення газовий викид-повітря складає 1:0. При підвищенні концентрації СО 2 у газовому викиді відбувається його розведення повітрям до концентрації у 6 %, наприклад, при концентрації СО2 у викиді 12 % співвідношення СО2 - повітря складає 1:1. Збільшення концентрації концентрації СО2 приводить до збільшення повітря у барботажній суміші і співвідношення газові викиди повітря досягає 1:2. Такий режим подачі та склад барботажної суміші інтенсифікує процес нарощування біомаси мікроводоростей, а також накопичення ними ліпідної фракції. Очищення викидів перед введенням їх до складу барботажної суміші відбувається тільки від твердих частинок, оскільки їх наявність у культуральному середовищі впливає на надходження 1 UA 112994 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 енергії світла до клітин. Домішки NO2 та SO2 у газових викидах використовуються як поживні речовини для вирощування біомаси водоростей. Основний лімітуючий фактор росту клітин - Нітроген, як один з основних елементів протеїнів, нуклеїнових кислот, фосфоліпідів, обов'язково повинен надходити до клітин з мінеральними речовинами. Нестача нітрогену значно уповільнює ріст біомаси культури. Введення збільшеної кількості нітрогену у вигляді солей приводить до підвищення солоності у культуральному середовищі, що негативно впливає на розмноження культури. Асиміляція нітрогену тісно пов'язана зі зміною рН середовища. У випадку використання амонію, як основного джерела нітрогену, рН середовища може швидко зменшуватись до рівня 3,0, що приводить до призупинення росту мікроводоростей. У випадку використання нітрат-іонів як єдиного джерела нітрогену, їх споживання веде до зростання рН середовища, тому використання оксидів нітрогену, що містяться у газовому викиді, є поживною речовиною і стабілізує значення рН разом з СО2. При взаємодії оксидів з водою відбуваються реакції: + 4NO2+2Н2О + О2 → 4HNO3 ↔ H + NO3 + СО2 + Н2О ↔ Н2СО3 ↔ Н + НСО3 , (2) що приводить до зниження значення рН. Середній склад газових сумішей підприємств містить до 0,2 % NO2, концентрація якого не впливає на швидкість приросту біомаси водоростей. В той же час нітрат-іони, що одержуємо, слугують поживною речовиною. Сульфур входить до складу білків, ферментів, пептидів, сірковмісних амінокислот мікроводоростей, а також є компонентом багатьох інших органічних сполук клітини. Фізіологічна роль сульфуру в клітинах пов'язана з процесами поділу клітин. Потреби у цьому елементі забезпечуються головним чином за допомогою введення у поживне середовище неорганічного сульфату. Таким чином введення з барботажним повітрям SO2, який слугує поживною речовиною, підвищує продукування біомаси. Введення безпосередньо сульфат-іонів зменшує надходження іонів лужних металів, надлишок яких негативно впливає на розмноження мікроводоростей. Використання газових викидів дозволяє окрім насичення культурального середовища СО 2 та сполуками нітрогену та сульфуру, які необхідні для процесів росту та фотосинтезу культури, проводити постійний підігрів середовища до температури 30±2 °C за рахунок температури топкових газів, які надходять до фотореактора через аероліфтну систему. При постійному барботуванні оптимальна концентрація СO2 у газовій суміші складає 4-6 %. В залежності від режиму подачі топкових газів швидкість накопичення біомаси збільшується до 10 разів. Чим триваліше процес культивування, тим більша швидкість приросту біомаси відносно контролю. Споживчі властивості винаходу, пов'язані з технічним результатом - збільшення швидкості накопичення біомаси мікроводоростей до 10 разів в залежності від режиму подачі топкових газів, скорочення тривалості культивування, зменшення кількості мінеральних речовин, що вносяться до поживного середовища, і, як наслідок, зменшення антропогенного навантаження на довкілля. Спосіб реалізується за схемою, суть якої представлено на кресленні. Спосіб реалізується наступним чином. Газові викиди від трубопроводу підприємства відводяться за допомогою газопроводу 1, який містить фільтр грубого очищення повітря 2, який очищає викиди тільки від твердих залишків, оскільки наявність їх у культуральному середовищі знижує доступ енергії світла до клітин мікроводоростей. Очищені від твердих домішок газові викиди подаються до теплообмінника 3, де відбувається їх охолодження до температури 55±5 °C або 40 °C в залежності від концентрації СО2 у газових викидах, і надходять через дозатор 4 до змішувача 5 газових викидів з повітрям. Співвідношення газових викидів з повітрям 1:(0-2) контролюється за допомогою аналізатора оксидів карбону, сульфуру та нітрогену у топкових газах та суміші і визначається концентрацією СO2 в межах 3-6 % у газовій суміші. Компресором 6 суміш газів надходить до аератора 7 у фотореакторі 9, який містить аероліфтну систему. Суміш газів підігріває середовище фотореактора і здійснює його перемішування, що покращує доступ поживних речовин до клітин та забезпечує їх рівномірне освітлення. Відпрацьований газ, збагачений киснем, надходить до повітропроводу для відведення газу 8. Для реалізації постійного освітлення використовуються люмінесцентні лампи 10. Для забезпечення мікроводоростей поживними речовинами у блоці підготовки поживного середовища 11 відбувається змішування розчинів поживних речовин з урахуванням концентрації оксидів нітрогену та сульфуру у топкових газах. Поживні речовини через дозатор 12 надходять до фотореактора 9. Після нарощування біомаси мікроводоростей культуральне середовище через трубопровід 13 подається до накопичувального резервуара 14 і далі за допомогою компресора 15 до 2 UA 112994 C2 центрифуги 16. Після відокремлення рідкої фракції від біомаси мікроводоростей культуральна рідина за допомогою трубопроводу 17 подається на подальшу переробку, а біомаса - до резервуара для накопичення біомаси 18, з якого надходить на подальшу переробку з метою одержання біодизельного пального та/або інших корисних речовин. 5 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 Спосіб культивування мікроводоростей Chlorella vulgaris, що включає барботування культурального середовища сумішшю газів, який відрізняється тим, що газові викиди від трубопроводу підприємства відводять за допомогою газопроводу 1, який містить фільтр грубого очищення повітря 2, очищують від твердих домішок, подають до теплообмінника 3, де відбувається їх охолодження, направляють через дозатор 4 до змішувача 5, де визначають за допомогою аналізатора оксидів карбону, сульфуру та нітрогену концентрацію СO 2 у газових викидах і, додатково, газові викиди змішують з повітрям з отриманням газової суміші зі співвідношенням газових викидів і повітря 1:(1-2) з концентрацією СО2 3-6 %, яка містить оксиди нітрогену та сульфуру, далі компресором 6 газову суміш подають до аератора 7 у фотореакторі 9, де вказаною сумішшю газів підігрівають середовище фотореактора і здійснюють його перемішування під час культивування мікроводоростей Chlorella vulgaris, а відпрацьований газ, збагачений киснем, подають до повітропроводу для відведення газу 8. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3