Дозирующее устройство подачи углекислого газа в фотобиореактор

Полезная модель относится к области биотехнологии, в частности к техническим устройствам, предназначенным для поддержания условий развития фотосинтезирующих микроорганизмов, таких как микроводоросли (МВ) при их искусственном разведении в производственных или научных целях и может быть использовано в пищевой промышленности, фармацевтике, сельском хозяйстве. Задачей предполагаемой полезной модели является создание автоматического энергоэффективного, быстродействующего, удобного в обслуживании, устройства подачи углекислого газа в фотобиореактор (ФБР). В результате использования предполагаемой полезной модели обеспечивается точность дозированной подачи углекислого газа в ФБР в соответствии с фактической потребностью растущих клеток фотосинтезирующих организмов, благодаря чему исключается непродуктивный расход данного материала, и реализуется возможность управления продуктивностью культивируемых микроорганизмов путем регулирования в широких пределах количества углекислого газа, поступающего в водную среду. Указанный технический результат достигается тем, что дозирующее устройство подачи углекислого газа в фотобиореактор включает последовательно соединенные между собой трубопроводом баллон высокого давления, наполненный углекислым газом, вентиль, редуктор с манометрами на его входе и выходе, и мерный сосуд с входным и выходным электромагнитными клапанами, а также микропроцессорный блок управления, соединенный сигнальными кабелями с входным и выходным электромагнитными клапанами мерного сосуда.

Полезная модель относится к области биотехнологии, в частности к техническим устройствам, предназначенным для поддержания условий развития фотосинтезирующих микроорганизмов, таких как микроводоросли (MB) при их искусственном разведении в производственных или научных целях и может быть использовано в пищевой промышленности, фармацевтике, сельском хозяйстве.

В известных устройствах подачи углекислого газа в биореактор по культивированию растительных клеток, в большинстве случаев, не оснащены дозирующими о устройствами (например, патент РФ 2099413, C12M 1/00, C12M 3/00, опубл. 20.12.1997 или пат. США N 4259449, кл. C12N 5/02, опубл. 1981), что не позволяет эффективно управлять процессом роста фотосинтезирующих организмов, которые, как известно (Росс М.Ю., Стребков Д.С. Биодизельное топливо из водорослей / Под ред. д-ра хим. наук, проф. Щекочихина Ю.M. - М: ГНУ ВИЭСХ, 2008. - 252 с), характеризуются высокой чувствительностью к недостатку или избытку углекислоты, растворенной в культуральной среде.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по своей технической сути является система дозирования углекислого газа, включающий баллон со сжатым газом, трубопровод, термостатированный мерный сосуд, в котором дозирование газа осуществляют за счет изменения количества растворенного газа в воде путем изменения температуры в мерном сосуде (патент SU 1408228 G01F 11).

К принципиальным недостаткам известного устройства следует отнести необходимость применения термостатирующей системы, оснащенной нагревателем, потребляющим электроэнергию, а также высокую инерционность рабочей характеристики устройства при изменении требуемого количества углекислого газа, подаваемого в биореактор. В результате возможен непроизводительный расход углекислого газа в переходных режимах. Кроме того, известное устройство неудобно в обслуживании поскольку дополнительно содержит нагреватель мерного сосуда и термостат, вследствие чего оно энергетически неэффективно и имеет малый диапазон регулирования скорости подачи газа в ФБР.

Задачей предлагаемой полезной модели является создание автоматического энергоэффективного, быстродействующего, удобного в обслуживании, устройства подачи углекислого газа в фотобиореактор (ФБР). В результате использования предполагаемой полезной модели обеспечивается точность дозированной подачи углекислого газа в ФБР в соответствии с фактической потребностью растущих клеток фотосинтезирующих организмов, благодаря чему исключается непродуктивный расход данного материала, и реализуется возможность управления продуктивностью культивируемых микроорганизмов путем регулирования в широких пределах количества углекислого газа, поступающего в водную среду.

Указанный технический результат достигается тем, что дозирующее устройство подачи углекислого газа в фотобиореактор включает последовательно соединенные между собой трубопроводом баллон высокого давления, наполненный углекислым газом, вентиль, редуктор с манометрами на его входе и выходе, и мерный сосуд с входным и выходным электромагнитными клапанами, а также микропроцессорный блок Управления, соединенный сигнальными кабелями с входным и выходным электромагнитными клапанами мерного сосуда.

Состав и принцип работы предлагаемого дозирующего устройства подачи углекислого газа в фотобиореактор поясняются чертежом, на котором представлена общая схема устройства.

Дозирующее устройство подачи углекислого газа в фотобиореактор состоит из баллона высокого давления 1, наполненного углекислым газом, вентиля 2, редуктора 3 с манометрами 4 и 5 на его входе и выходе, соответственно и мерного сосуда 6 с входным 7 и выходным 8 электромагнитными клапанами (ЭМК), соответственно и микропроцессорного блока управления (МБУ) 10, соединенного сигнальными кабелями 11 и 12, соответственно с входным 7 и выходным 8 ЭМК мерного сосуда 6. При этом баллон высокого давления, вентиль, редуктор и мерный сосуд, соединены последовательно между собой трубопроводом 9.

Дозирующее устройство подачи углекислого газа в фотобиореактор работает следующим образом. В исходном состоянии вентиль 2, редуктор 3, а также ЭМК 7 и 8 находятся в закрытом положении. Непосредственно перед началом работы открывают вентиль 2 и по показанию манометра 4 убеждаются в наличии необходимого количества углекислого газа в баллоне 1. Затем по показанию манометра 5 устанавливают требуемое постоянное давление P_OUT на выходе редуктора 3 в диапазоне 0,21,0 МПа.

Чтобы начать подачу углекислого газа в ФБР 13, в МБУ запускают описанную ниже циклическую процедуру. А именно, с установленной в рабочей программе МБУ периодичностью по кабелю 11 подают сигнал на открытие ЭМК 7, чтобы по трубопроводу 9 запустить в мерный сосуд 6 очередную порцию газа под давлением, равным P_OUT, после чего из МБУ по кабелю 11 подают сигнал на закрытие ЭМК 7. После того как ЭМК 7 закроется, по кабелю 12 из МБУ подают сигнал на открытие ЭМК 8, чтобы выпустить по трубопроводу 9 порцию газа, накопленную в мерном сосуде, в ФБР. Выпустив порцию газа из мерного сосуда, из МБУ по кабелю 12 подают сигнал на закрытие ЭМК 8, чтобы отсечь мерный сосуд от ФБР на время запуска в нее очередной порции сжатого газа.

Скорость А (нл/мин) подачи углекислого газа в ФБР регулируют путем изменения периода описанного выше цикла в соответствии с выражением:

A=×V₀×P_OUT/(P_ATM +P_BR),

где V₀ - емкость мерного сосуда (л), включая объем сообщающихся с ним элементов (отрезки трубопровода 9 и соответствующие полости ЭМК). Емкость мерного сосуда может быть определена с достаточно высокой точностью путем непосредственного измерения помещающегося в нем объема жидкости;

P_ATM - атмосферное давление;

P_BR - давление в рабочей камере ФБР;

- частота цикла заполнения и опорожнения мерного сосуда (мин^-1).

(В приведенной выше формуле «нл» обозначает единицу объема 1 л при нормальном давлении.)

Для примера, рассчитаем частоту цикла для удельного расхода углекислого газа 0,1 нл/мин с учетом коэффициента использования углекислоты, равного 0,5. Пусть выходное давление редуктора Роит установлено на уровне 0,2 МПа, а давление в рабочем объеме ФБР поддерживается равным 0,01 МПа. Если при этом емкость мерного сосуда равна 0,02 л, то частота , рассчитанная по приведенной формуле, равна 2,75 мин ^-1, что соответствует периоду 21,8 с.

Дозирующее устройство подачи углекислого газа в фотобиореактор, характеризующееся тем, что включает последовательно соединенные между собой трубопроводом баллон высокого давления, наполненный углекислым газом, вентиль, редуктор с манометрами на его входе и выходе, и мерный сосуд с входным и выходным электромагнитными клапанами, а также микропроцессорный блок управления, соединенный сигнальными кабелями с входным и выходным электромагнитными клапанами мерного сосуда.

РИСУНКИ