RU2819445C1 - Способ культивирования микроводоросли Chlorella kessleri для использования в качестве биокомпонента топлива - Google Patents
Способ культивирования микроводоросли Chlorella kessleri для использования в качестве биокомпонента топлива Download PDFInfo
- Publication number
- RU2819445C1 RU2819445C1 RU2023132336A RU2023132336A RU2819445C1 RU 2819445 C1 RU2819445 C1 RU 2819445C1 RU 2023132336 A RU2023132336 A RU 2023132336A RU 2023132336 A RU2023132336 A RU 2023132336A RU 2819445 C1 RU2819445 C1 RU 2819445C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cultivation
- microalgae
- kessleri
- biomass
- nutrient medium
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 43
- 241000195646 Parachlorella kessleri Species 0.000 title claims abstract description 37
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 5
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 claims abstract description 22
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000007664 blowing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 4
- 241000195649 Chlorella <Chlorellales> Species 0.000 claims description 8
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 abstract description 31
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 25
- 150000002632 lipids Chemical class 0.000 abstract description 17
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 16
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N potassium nitrate Chemical compound [K+].[O-][N+]([O-])=O FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 20
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 19
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 10
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 9
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 230000003698 anagen phase Effects 0.000 description 6
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 description 6
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 241000195654 Chlorella sorokiniana Species 0.000 description 5
- 238000005273 aeration Methods 0.000 description 5
- 241000195493 Cryptophyta Species 0.000 description 4
- 241000195633 Dunaliella salina Species 0.000 description 3
- 230000005526 G1 to G0 transition Effects 0.000 description 3
- 239000003225 biodiesel Substances 0.000 description 3
- 238000012364 cultivation method Methods 0.000 description 3
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 240000009108 Chlorella vulgaris Species 0.000 description 2
- 235000007089 Chlorella vulgaris Nutrition 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000035508 accumulation Effects 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 2
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 2
- 230000029553 photosynthesis Effects 0.000 description 2
- 238000010672 photosynthesis Methods 0.000 description 2
- 230000000243 photosynthetic effect Effects 0.000 description 2
- 235000010333 potassium nitrate Nutrition 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- KBPHJBAIARWVSC-XQIHNALSSA-N trans-lutein Natural products CC(=C/C=C/C=C(C)/C=C/C=C(C)/C=C/C1=C(C)CC(O)CC1(C)C)C=CC=C(/C)C=CC2C(=CC(O)CC2(C)C)C KBPHJBAIARWVSC-XQIHNALSSA-N 0.000 description 2
- JKQXZKUSFCKOGQ-JLGXGRJMSA-N (3R,3'R)-beta,beta-carotene-3,3'-diol Chemical compound C([C@H](O)CC=1C)C(C)(C)C=1/C=C/C(/C)=C/C=C/C(/C)=C/C=C/C=C(C)C=CC=C(C)C=CC1=C(C)C[C@@H](O)CC1(C)C JKQXZKUSFCKOGQ-JLGXGRJMSA-N 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000195651 Chlorella sp. Species 0.000 description 1
- 241000305506 Desmodesmus Species 0.000 description 1
- 241000195663 Scenedesmus Species 0.000 description 1
- JKQXZKUSFCKOGQ-LQFQNGICSA-N Z-zeaxanthin Natural products C([C@H](O)CC=1C)C(C)(C)C=1C=CC(C)=CC=CC(C)=CC=CC=C(C)C=CC=C(C)C=CC1=C(C)C[C@@H](O)CC1(C)C JKQXZKUSFCKOGQ-LQFQNGICSA-N 0.000 description 1
- QOPRSMDTRDMBNK-RNUUUQFGSA-N Zeaxanthin Natural products CC(=C/C=C/C=C(C)/C=C/C=C(C)/C=C/C1=C(C)CCC(O)C1(C)C)C=CC=C(/C)C=CC2=C(C)CC(O)CC2(C)C QOPRSMDTRDMBNK-RNUUUQFGSA-N 0.000 description 1
- GFRMDONOCHESDE-UHFFFAOYSA-N [Th].[U] Chemical compound [Th].[U] GFRMDONOCHESDE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- OENHQHLEOONYIE-UKMVMLAPSA-N all-trans beta-carotene Natural products CC=1CCCC(C)(C)C=1/C=C/C(/C)=C/C=C/C(/C)=C/C=C/C=C(C)C=CC=C(C)C=CC1=C(C)CCCC1(C)C OENHQHLEOONYIE-UKMVMLAPSA-N 0.000 description 1
- JKQXZKUSFCKOGQ-LOFNIBRQSA-N all-trans-Zeaxanthin Natural products CC(=C/C=C/C=C(C)/C=C/C=C(C)/C=C/C1=C(C)CC(O)CC1(C)C)C=CC=C(/C)C=CC2=C(C)CC(O)CC2(C)C JKQXZKUSFCKOGQ-LOFNIBRQSA-N 0.000 description 1
- 230000003078 antioxidant effect Effects 0.000 description 1
- 235000013734 beta-carotene Nutrition 0.000 description 1
- 239000011648 beta-carotene Substances 0.000 description 1
- TUPZEYHYWIEDIH-WAIFQNFQSA-N beta-carotene Natural products CC(=C/C=C/C=C(C)/C=C/C=C(C)/C=C/C1=C(C)CCCC1(C)C)C=CC=C(/C)C=CC2=CCCCC2(C)C TUPZEYHYWIEDIH-WAIFQNFQSA-N 0.000 description 1
- 229960002747 betacarotene Drugs 0.000 description 1
- 230000000975 bioactive effect Effects 0.000 description 1
- 150000001720 carbohydrates Chemical class 0.000 description 1
- 235000014633 carbohydrates Nutrition 0.000 description 1
- 235000021466 carotenoid Nutrition 0.000 description 1
- 150000001747 carotenoids Chemical class 0.000 description 1
- 239000006285 cell suspension Substances 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 229930002875 chlorophyll Natural products 0.000 description 1
- 235000019804 chlorophyll Nutrition 0.000 description 1
- ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M chlorophyll a Chemical compound C1([C@@H](C(=O)OC)C(=O)C2=C3C)=C2N2C3=CC(C(CC)=C3C)=[N+]4C3=CC3=C(C=C)C(C)=C5N3[Mg-2]42[N+]2=C1[C@@H](CCC(=O)OC\C=C(/C)CCC[C@H](C)CCC[C@H](C)CCCC(C)C)[C@H](C)C2=C5 ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- GVJHHUAWPYXKBD-UHFFFAOYSA-N d-alpha-tocopherol Natural products OC1=C(C)C(C)=C2OC(CCCC(C)CCCC(C)CCCC(C)C)(C)CCC2=C1C GVJHHUAWPYXKBD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 235000014113 dietary fatty acids Nutrition 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000194 fatty acid Substances 0.000 description 1
- 229930195729 fatty acid Natural products 0.000 description 1
- 150000004665 fatty acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 1
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hcl hcl Chemical compound Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 239000010842 industrial wastewater Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 230000006372 lipid accumulation Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 235000012680 lutein Nutrition 0.000 description 1
- 239000001656 lutein Substances 0.000 description 1
- KBPHJBAIARWVSC-RGZFRNHPSA-N lutein Chemical compound C([C@H](O)CC=1C)C(C)(C)C=1\C=C\C(\C)=C\C=C\C(\C)=C\C=C\C=C(/C)\C=C\C=C(/C)\C=C\[C@H]1C(C)=C[C@H](O)CC1(C)C KBPHJBAIARWVSC-RGZFRNHPSA-N 0.000 description 1
- 229960005375 lutein Drugs 0.000 description 1
- ORAKUVXRZWMARG-WZLJTJAWSA-N lutein Natural products CC(=C/C=C/C=C(C)/C=C/C=C(C)/C=C/C1=C(C)CCCC1(C)C)C=CC=C(/C)C=CC2C(=CC(O)CC2(C)C)C ORAKUVXRZWMARG-WZLJTJAWSA-N 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000010841 municipal wastewater Substances 0.000 description 1
- 150000002823 nitrates Chemical class 0.000 description 1
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 1
- 239000001814 pectin Substances 0.000 description 1
- 229920001277 pectin Polymers 0.000 description 1
- 235000010987 pectin Nutrition 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 235000020777 polyunsaturated fatty acids Nutrition 0.000 description 1
- 239000004323 potassium nitrate Substances 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 230000035755 proliferation Effects 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 1
- 150000004666 short chain fatty acids Chemical class 0.000 description 1
- 235000021391 short chain fatty acids Nutrition 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 229960001295 tocopherol Drugs 0.000 description 1
- 229930003799 tocopherol Natural products 0.000 description 1
- 235000010384 tocopherol Nutrition 0.000 description 1
- 239000011732 tocopherol Substances 0.000 description 1
- 229940088594 vitamin Drugs 0.000 description 1
- 229930003231 vitamin Natural products 0.000 description 1
- 235000013343 vitamin Nutrition 0.000 description 1
- 239000011782 vitamin Substances 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FJHBOVDFOQMZRV-XQIHNALSSA-N xanthophyll Natural products CC(=C/C=C/C=C(C)/C=C/C=C(C)/C=C/C1=C(C)CC(O)CC1(C)C)C=CC=C(/C)C=CC2C=C(C)C(O)CC2(C)C FJHBOVDFOQMZRV-XQIHNALSSA-N 0.000 description 1
- 235000010930 zeaxanthin Nutrition 0.000 description 1
- 239000001775 zeaxanthin Substances 0.000 description 1
- 229940043269 zeaxanthin Drugs 0.000 description 1
- GVJHHUAWPYXKBD-IEOSBIPESA-N α-tocopherol Chemical compound OC1=C(C)C(C)=C2O[C@@](CCC[C@H](C)CCC[C@H](C)CCCC(C)C)(C)CCC2=C1C GVJHHUAWPYXKBD-IEOSBIPESA-N 0.000 description 1
- OENHQHLEOONYIE-JLTXGRSLSA-N β-Carotene Chemical compound CC=1CCCC(C)(C)C=1\C=C\C(\C)=C\C=C\C(\C)=C\C=C\C=C(/C)\C=C\C=C(/C)\C=C\C1=C(C)CCCC1(C)C OENHQHLEOONYIE-JLTXGRSLSA-N 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области биотехнологии. Изобретение представляет собой способ, включающий перемешивание суспензии микроводоросли в биореакторе 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 при поверхностном освещении 2700±200 Лк, при этом культивированию подлежит штамм микроводоросли Chlorella kessleri, продолжительность культивирования составляет 12-13 суток, культивирование проводят в питательной среде с концентрацией KNO3 0,2 г/л при рН питательной среды 7,5-8,5. Способ культивирования микроводоросли Chlorella kessleri позволяет получить биомассу с высоким содержанием липидов до 22,3% в стрессовых условиях дефицита азота в питательной среде и скоростью поглощения СО2 в процессе культивирования до 0,156 г/л в день. 5 ил.
Description
Изобретение относится к способу культивирования микроводорослей и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности с целью получения биотоплив.
В условиях непрерывного уменьшения запасов ископаемого топлива задача поиска новых энергетических источников остается актуальной. Согласно современной классификации видов биотоплива, топливо, полученное с использованием микроводорослей, называется биотопливом третьего поколения. Основные преимущества использования микроводорослей для получения биотоплива являются их высокая скорость роста, высокая продуктивность по липидам, для их выращивания не требуется высокачественных сельскохозяйственных земель. Таким образом, Биотопливо третьего поколения имеет достаточный потенциал как альтернативный источник энергии.
Выбор условий культивирования микроводорослей определяется задачами по культивированию биомассы и качеству получаемого продукта.
Известен способ получения биомассы (патент РФ №2541446, опубл. 10.02.12015), включающий культивирование одноклеточной зеленой микроводоросли Dunaliella salina с использованием квазинепрерывного режима культивирования, при этом культуру, выращенную на модифицированной питательной среде Тренкеншу методом накопительных культур до плотности 1,5-3 г ОВ⋅л-1, переводят в квазинепрерывный режим культивирования и осуществляют дальнейшее выращивание при удельной скорости протока среды около 0,3 сут-1 при круглосуточном освещении с поверхностной освещенностью 80 Вт⋅м-2, непрерывной продувке газовоздушной смесью со скоростью 1 л смеси⋅мин-1⋅л-1 культуры, содержащей 3% СО2 и температуре 26-28°С, на модифицированной питательной среде Тренкеншу.
Описанный способ позволяет культивировать биомассу, являющуюся источником биоактивных веществ, обладающих антиоксидантными свойствами, таких как липиды (полиненасыщенные жирные кислоты), каротиноиды (β-каротин, лютеин, зеаксантин и др.), витамины (токоферол) и др. В отличие от других водорослей, клетки D. salina лишены целлюлозной или пектиновой оболочки и окружены лишь тонкой эластичной протоплазматической мембраной (плазмалеммой), что существенно облегчает усвоение биомассы водоросли.
Однако способ культивирования при выращивании штамма Dunaliella salina не позволяет поглощать газы с высоким содержанием CO2.
Известно изобретение (патент CN 103952314) из области техники биологических источников энергии, относящееся к выращиванию водоемного сцендесмуса Desmodesmus коммун GS05 с номером консервации ССТСС М2013609. Штамм может эффективно фиксировать 0,03%-30% СО2, имеет эффективность фиксации СО2 90-370 мг/л/сутки, концентрацию биомассы (сухого веса) 700-3800 мг/л, содержание масла 20%-43%, и состав жирных кислот, в основном состоящий из короткоцепочечных жирных кислот С16 и C18, и подходит для производства биодизельного топлива. Штамм scenedesmus, предложенный в изобретении, может быть использован для снижения выбросов дымовых газов и глубокой очистки промышленных и коммунальных сточных вод путем сопряжения; скорость удаления азота и фосфора из сточных вод может достигать 95%, и можно получить высокий выход масла из микроводорослей, что значительно снижает стоимость производства масла из микроводорослей. Изобретение обеспечивает хороший производственный штамм водорослей для эффективного выброса СО2 из источника с высоким уровнем загрязнения, очистки сточных вод и получения чистой энергии.
Однако в описанном способе речь о водоемном штамме, эффективно выращиваемом в основном в открытых водоемах.
Известен способ (патент KR 20020074029) биологической фиксации углекислого газа хлореллой sp.НА-1 с использованием полунепрерывного метода культивирования в фотобиореакторе, предназначенный для удаления большого количества углекислого газа из дымовых газов. Метод фиксации углекислого газа включает этапы подачи фотосинтетического штамма в трубчатый фотобиореактор с внутренним освещением; введение в фотобиореактор диоксида углерода и облучение его светом для культивирования фотосинтетического штамма при постоянных температурных условиях; и замену соответствующего объема суспензии клеток свежей средой для культивирования, когда рост микроводорослей находится в стационарной фазе после фазы экспоненциального роста. Однако для осуществления предложенного способа требуется высокий расход воздуха при использовании трубчатого реактора, что делает данный способ энергетически затратным.
Известен способ по патенту РФ №2508398, опубл. 27.02.2014, в котором культивирование штамма микроводоросли Chlorella vulgaris А1 123 проводят в лабораторных условиях при температуре 25°С на среде ВВМ рН 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 (авт. св. №1711734, опубл. 15.02.1992). К недостаткам данного способа можно отнести низкую производительность и высокую энергозатратность.
Известен способ искусственного культивирования микроводорослей и установка для его осуществления по патенту РФ №2175013, опубл. 10.06.2001. 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 являются высокие энергозатраты, использование ядерного излучения, применение дорогостоящего компонента, являющегося прекурсором, - радиолюминофора.
Известен способ, описанный в патенте JPH 10248553, где показана возможность получения водоросли рода Chlorella, состоящей из определенного штамма, размножающегося в СО2-содержащей газовой смеси при определенной температуре, полезной для фиксации СО2 в выхлопных газах сжигания теплоэлектростанции и эффективен для предотвращения явления глобального потепления. Описанный способ позволяет культивировать микроводоросли хлореллы, состоящие из штамма Chlorella sorokiniana HAK, штамма Chlorella sorokiniana HFK, штамма Chlorella sorokiniana YSK или штамма Chlorella sorokiniana HHK и способные к пролиферации в смешанном газе, содержащем 0,03-40% СО2, при 25-40°С можно получить, культивируя хлореллу при медленной подаче СО2 и отделяя выживший штамм.
Однако, несмотря на то что в рассмотренном способе акцент сделан на разновидностях штамма Chlorella sorokiniana, наиболее активным и отличающимся высокой скоростью поглощения СО2 является Chlorella vulgaris, а Chlorella kessleri содержит большее количество липидов, чем остальные виды.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ, описанный в патенте RU 2668162, опубл. 26.09.2018 «Способ культивирования микроводоросли Chlorella», выбранный в качестве прототипа.
Известный способ заключается 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. Способ обеспечивает увеличение прироста биомассы при минимальных энергетических затратах.
Однако указанный способ не позволяет получить максимально возможное содержание липидов в биомассе, достигаемое дефицитом азота, вовлеченного в процесс культивирования. К тому же предложенный способ осуществляется при непрерывном воздействии ИК излучения, что влечет дополнительные энергозатраты.
Задачей данного изобретения является разработка эффективного способа культивирования микроводорослей, сочетающих повышенное содержание липидов и высокую динамику поглощения CO2 и пригодных для использования в качестве биокомпонента топлива.
Новым техническим результатом предлагаемого способа является повышение содержания липидов в микроводорослях, высокий прирост биомассы и динамика поглощения СО2 при минимальных энергетических затратах.
Заявленный технический результат достигается предлагаемым способом культивирования микроводоросли Chlorella для использования в качестве биокомпонента топлива, включающий перемешивание суспензии микроводоросли в биореакторе 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 при поверхностном освещении 2700±200 Лк, при этом культивированию подлежит штамм микроводоросли Chlorella kessleri, продолжительность культивирования составляет 12-13 суток, культивирование проводят в питательной среде с концентрацией KNO3 0,2 г/л при рН питательной среды 7,5-8,5.
Технический результат, достигаемый предлагаемым способом, обусловлен его новыми свойствами, обнаруженными при проведении исследований.
В ходе проведенных исследований поставленная задача была решена путем выявления оптимальных условий культивирования микроводоросли Chlorella kessleri (далее C. kessleri), обладающей высоким потенциалом в фиксации углекислого газа от различных источников с максимальным потенциалом по получению липидного масла, являющегося биокомпонентом для биотоплив.
Результаты экспериментов показали, что оптимальными условиями, необходимыми для максимального прироста биомассы микроводоросли C. kessleri и, следовательно, и максимального поглощения СО2, являются:
- рН=8,0±0,5;
- интенсивность освещения - 2700±200 Лк;
- температура 28±2°С;
- аэрация не менее 1,2-1,8 л/мин;
- питательная среда с концентрацией KNO3 - 0,2 г/л. Максимальная скорость поглощения СО2 - 0,156 г/л в день. Продолжительность культивирования - 12-13 суток.
Максимальный объем СО2, утилизированный за 1 сутки - 5,17 л при Т=26-30°С и освещенности 2700±200 Лк.
В период культивирования микроводоросли C. kessleri по предложенному способу максимальное поглощения CO2 происходит в период фазы экспоненциального роста (12-13 сутки).
В период культивирования микроводоросли С. kessleri по предложенному способу максимальное поглощения CO2 происходит в период фазы экспоненциального роста (12-13 сутки).
Изученный вид микроводоросли С. kessleri, полученный по предложенному способу, способен поглощать газы с высоким содержанием CO2 (более 25%).
Продолжительность культивирования
В ходе проведения экспериментов была изучена зависимость фазы роста С. kessleri при постоянной аэрации 1,2-1,8 л/мин, освещенности 2700±200 Лк и температуре (26-30)°С. Установлено, что кривую роста биомассы микроводорослей (Фиг. 1) можно разделить на три стадии: лаг-фаза (0-2 суток); экспоненциальная фаза роста (3-9 суток) и стационарная фаза (начиная с 10 суток), образующие S-образную кривую.
Установлено, что наиболее оптимальное время сбора биомассы С. kessleri приходится на 12-13 сутки культивирования, т.е. в начале стационарной фазы. В это же время происходит максимальное поглощение CO2.
Количество клеток микроводорослей определяли по оптической плотности, измеренной на спектрофотометре КФК-3 КМ при длине волны λ=750 нм.
Температура культивирования
В данном исследовании определили температурный интервал, оптимальный для роста С. kessleri. Культивирование С. kessleri осуществлялось в течение 12 суток в фото биореакторах (ФБР), где поддерживалась определенная температура питательной среды (22°С, 24°С, 26°С, 28°С, 30°С, 32°С). Суспензию барботировали атмосферным воздухом со скоростью 1,2-1,8 л/мин при непрерывном освещении лампами дневного света при интенсивности 2700±200 Лк. Результаты исследования влияния температуры на скорость роста биомассы представлены на Фиг. 2.
Наиболее высокая скорость роста биомассы была достигнута при температуре (30±1)°С. Принимая во внимание устойчивость микроводоросли С. kessleri к различным температурным условиям, характеризуемую способностью расти в температурном диапазоне (25±5)°С, рекомендованными значениями температуры для культивирования является температурный интервал 26-30°С. При данных температурах происходит максимальное поглощение CO2.
Этот результат был подтвержден и при проведении экспериментов при условии скорости барботирования (1,2; 1,4; 1,7; 1,8) л/мин и с различными условиями интенсивности освещения (2500, 2600, 2800, 2900) Лк.
Состав питательной среды для культивирования
В ходе проведения экспериментов для культивирования микроводорослей С. kessleri использовалась питательная среда, взятая из прототипа (табл. 1).
Однако при использовании данный среды не были получены положительные результаты по содержанию липидов.
Одним из наиболее важных питательных веществ, влияющих на рост микроводорослей, является содержание азота. Недостаток азота вызывает уменьшение прироста биомассы. При этом увеличивается средний сухой вес клетки, а в органическом веществе уменьшается содержание хлорофилла и белка, но увеличивается количество углеводов и липидов, относящихся к безазотистым соединениям.
В ходе экспериментов было изучено влияние уменьшения концентрации KNO3 в питательной среде на накопление липидов. Для этого микроводоросли культивировали в 5 ФБР, содержащих следующие концентрации KNO3 (0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4) г/л при постоянной аэрации 1,2-1,8 л/мин и температуре 26-30°С. Рост биомассы оценивали ежедневно в течение продолжительности периода культивирования (12-13) суток. Обнаружено, что стрессовые условия дефицита азота способствуют накоплению липидов. Эксперимент проводился в трехкратной повторности. Результаты влияния концентрации нитрата калия на рост С. kessleri представлены на Фиг. 3.
Наибольший выход биомассы был получен при концентрации KNO3 0,3 г/л. В отсутствии нитратов прирост биомассы С. kessleri был наименьшим. В таблице 2 приведено влияние концентрации KNO3 на выход липидов, полученных из биомассы С. kessleri.
Согласно полученным результатам, концентрация 0 г/л KNO3 позволила получить выход липидов до 25%, но с минимальным приростом биомассы (Фиг. 3). Максимальный выход биомассы был отмечен с использованием концентрации KNO3 0,3 г/л, а максимальное содержание липидов обеспечила концентрация 0,2 г/л KNO3 наряду с небольшим снижение скорости роста микроводорослей. На основании этого в предлагаемом способе используется концентрация KNO3 равная 0,2 г/л.
Уровень освещенности при культивировании
Известно, что освещенность играет важную роль в росте и усвоении питательных веществ микроводорослями. В исследовании изучалось влияние различной интенсивности света на рост С. kessleri. Для реализации данной цели применяли ФБР объемом 1000 мл, содержащих 500 мл суспендированной микроводоросли С. kessleri в питательной среде при начальной концентрации клеток 2 млн клеток/мл. ФБР располагали на разных расстояниях от источника света - ламп дневного света (ЛДС) до достижения эффективной интенсивности света. С. kessleri культивировали в течение 12 суток при постоянной аэрации со скоростью 1,2-1,8 л/мин и температуре 26-30°С. Результаты исследования представлены на Фиг. 4.
Согласно результатам, прирост биомассы микроводоросли был наибольшим при освещенности 2700±200 Лк.
При культивировании в течение 13 суток указанный результат повторился.
рН питательной среды, используемой при культивировании
Значение рН среды культивирования микроводорослей оказывает большое влияние на накопление биомассы. С целью определения рН, оптимального для роста микроводоросли С. kessleri, штамм культивировали в шести параллельных ФБР, содержащих по 500 мл питательной среды с различными значениями рН (7,0; 7,5; 8,0; 8,5; 9,0). Величина рН в каждом ФБР поддерживали добавлением растворами гидроксида натрия NaOH 0,1 М (для повышения рН) и соляной кислоты HCl 1М (для снижения рН). Культуры непрерывно аэрировали и перемешивали барботированием с разными скоростями (1,2; 1,4; 1,5; 1,7; 1,8) л/мин при температуре 26°С. Количество клеток на 12-13 сутки культивирования в каждой среде представлено на Фиг. 5.
Показано, что рН=8,0±0,5 является наиболее подходящим для культивирования С. kessleri с максимальным поглощением CO2. Сдвиг рН в сторону более кислых или щелочных значений отрицательно влияет на рост микроводорослей.
Повторение эксперимента при температурах 27°С и 30°С показало аналогичный результат.
Динамика поглощения СО2 микроводорослью С. kessleri
Оценка динамики поглощения CO2 биомассой микроводорослей в исследовании проводилась в герметичных фотобиореакторах-биофильтрах (ФБРБ), вместимостью 100 л, оснащенных системой аэрирования, освещения, подачи углекислого газа, системой измерения состава газовой смеси, системой удаления суспензии биомассы микроводорослей и температурными датчиками.
Отдельно была изучена динамика поглощения CO2 суспензией микроводорослей С. kessleri при культивировании в стрессовых условиях дефицита азота (концентрация KNO3 - 0,2 г/л). Выявлено, что поглощение CO2 суспензией микроводорослей С. kessleri в стрессовых условиях, наиболее активно происходит в период до 13 суток. Фаза привыкания клеток к среде (лаг-фаза) в стрессовых условиях протекает в течение первых часов. Оптическая плотность суспензии увеличивалась на протяжении всего эксперимента, однако, отмечалась быстрая седиментация биомассы.
В таблице 3 представлена сравнительная характеристика образцов микроводоросли С. kessleri по различным факторам ее культивирования.
В ходе эксперимента был изучен период от максимальной подачи CO2 32% до полного его поглощения, что заняло 2,8 суток. При последующей подаче СО2 в максимальной концентрации 32% полное поглощение произошло в течение времени до 13 суток от момента начала эксперимента, далее скорость поглощения снизилась, что соответствовало снижению роста массы микроводорослей.
Таким образом, заявляемый способ культивирования позволяет получить микроводоросль С. kessleri с максимальной скоростью поглощения CO2 - 0,156 г/л в день, при Т=30°С и освещенности 2900 Лк. Предпочтительно ведение процесса культивирования в стрессовых условиях для получения биомассы С. kessleri с большим содержанием липидов, рекомендованной для получения биодизеля. Подтверждено, что максимальное поглощение CO2 происходит в период фазы экспоненциального роста (12-13 сутки). Микроводоросли С. kessleri способны поглощать газы с высоким содержанием CO2 содержащим 32%.
Способ культивирования микроводоросли С. kessleri реализуется следующим образом.
Суспензию микроводорослей, представляющую раствор микроводоросли в питательной среде, помещают в фотобиореактор необходимых объемов. Перемешивание суспензии во время культивирования производят в течение 13-17 минут через каждые 120 минут. Перемешивание осуществляют с помощью магнитной мешалки, частота вращения которой составляет 500 об/мин. Культивирование биомассы проводят при непрерывной продувке воздухом с помощью барботирующего устройства при поверхностной освещенности в диапазоне от 2500 до 2900 Лк. Для освещения используются искусственные источники света, например ламп дневного света, создающие большую облученность. Температуру раствора суспензии поддерживают в диапазоне от 26 до 30°С за счет терморегуляторов. Процесс культивирование проводят при значении рН=8,0±0,5.
Интенсивное барботирование газами с высоким содержанием CO2 (15-39%) суспензии микроводоросли С. kessleri позволило интенсифицировать процессы поглощения CO2 биомассой микроводорослей, рН раствора поддерживался в пределах от 7,5 до 8,5.
Таким образом, заявляемый способ культивирования микроводоросли Chlorella kessleri позволяет получить биомассу с высоким содержанием липидов до 22,3% в стрессовых условиях дефицита азота в питательной среде и скоростью поглощения CO2 в процессе культивирования до 0,156 г/л в день.
Микроводоросль С. kessleri, культивированная предложенным способом, содержит большее количество липидов, чем остальные виды штаммов микроводорослей Chlorella и рекомендуется для использования при получении биодизеля.
Claims (1)
- Способ культивирования микроводоросли Chlorella для использования в качестве биокомпонента топлива, включающий перемешивание суспензии микроводоросли в биореакторе 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 при поверхностном освещении 2700±200 Лк, отличающийся тем, что культивированию подлежит микроводоросль Chlorella kessleri, продолжительность культивирования составляет 12-13 суток, культивирование проводят в питательной среде с концентрацией KNO3 0,2 г/л при рН питательной среды 7,5-8,5.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2819445C1 true RU2819445C1 (ru) | 2024-05-21 |
Family
ID=
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2668162C1 (ru) * | 2017-12-06 | 2018-09-26 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Способ культивирования микроводоросли Chlorella |
RU2726111C1 (ru) * | 2019-07-04 | 2020-07-09 | Михаил Александрович Коротенин | Планктонный штамм parachlorella kessleri, предназначенный для получения пищевой продукции |
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2668162C1 (ru) * | 2017-12-06 | 2018-09-26 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Способ культивирования микроводоросли Chlorella |
RU2726111C1 (ru) * | 2019-07-04 | 2020-07-09 | Михаил Александрович Коротенин | Планктонный штамм parachlorella kessleri, предназначенный для получения пищевой продукции |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
WONG Y.K. et al. Cultivation of Chlorella vulgaris in column photobioreactor for biomass production and lipid accumulation, Water Environment Research., 2016, vol. 88. Issue 1. Рр. 40-46. DOI: 10.2175/106143015X14362865227553. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Khalili et al. | Influence of nutrients and LED light intensities on biomass production of microalgae Chlorella vulgaris | |
Qiao et al. | Effect of carbon source on growth and lipid accumulation in Chlorella sorokiniana GXNN01 | |
Yeesang et al. | Low-cost production of green microalga Botryococcus braunii biomass with high lipid content through mixotrophic and photoautotrophic cultivation | |
US20100028977A1 (en) | Enclosed photobioreactors with adaptive internal illumination for the cultivation of algae | |
KR101694711B1 (ko) | 지질 생산성을 증가시키는 미세조류의 배양방법 | |
Gupta et al. | Mixotrophic cultivation of microalgae to enhance the quality of lipid for biodiesel application: effects of scale of cultivation and light spectrum on reduction of α-linolenic acid | |
Simonazzi et al. | Use of waste carbon dioxide and pre-treated liquid digestate from biogas process for Phaeodactylum tricornutum cultivation in photobioreactors and open ponds | |
Magdaong et al. | Effect of aeration rate and light cycle on the growth characteristics of Chlorella sorokiniana in a photobioreactor | |
Mahmood et al. | Experimental study for commercial fertilizer NPK (20: 20: 20+ TE N: P: K) in microalgae cultivation at different aeration periods | |
Choi et al. | Optimum conditions for cultivation of Chlorella sp. FC-21 using light emitting diodes | |
Ren et al. | Enhanced photoautotrophic growth of Chlorella vulgaris in starch wastewater through photo-regulation strategy | |
KR101287384B1 (ko) | Led 광파장의 혼합을 이용한 미세조류의 성장 및 지질함량 향상 방법 | |
Rezić et al. | Photo-mixotrophic cultivation of algae Euglena gracilis for lipid production | |
RU2819445C1 (ru) | Способ культивирования микроводоросли Chlorella kessleri для использования в качестве биокомпонента топлива | |
WO2012006302A1 (en) | Cultivation of green algae chlorococcum pamirum for production of biofuel | |
KR20120110295A (ko) | 조류 배양용 배지 조성물 및 조류 배양 방법 | |
CA2852815C (en) | Method and system for the culture of microalgae | |
JP3181237B2 (ja) | 微細藻クロレラ及び微細藻クロレラを用いたco2固定化法 | |
Velichkova | Effect of different nitrogen sources on the growth of microalgae Chlorella vulgaris cultivation in aquaculture wastewater. | |
Badar et al. | Growth evaluation of microalgae isolated from palm oil mill effluent in synthetic media | |
KR101670703B1 (ko) | 지질 함량이 증진된 미세조류의 배양방법 | |
WO2017141318A1 (ja) | 油脂の製造方法 | |
Durmaz et al. | Performance of industrial-scale tubular photobioreactor in marine hatchery | |
Al-amshawee et al. | Influence of light emitting diode (LED) on microalgae | |
RU2555519C2 (ru) | ШТАММ МИКРОВОДОРОСЛИ Chlorella vulgaris, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ И СПИРТОВЫХ ПРОИЗВОДСТВ |