Осветительное устройство для выращивания микроводорослей в фотобиореакторе
Полезная модель относится к технологии экспериментального и промышленного культивирования в искусственных условиях фотосинтезирующих организмов, в частности микроводорослей (MB), для фармацевтического, пищевого, кормового или биотопливного назначения. Задачей предлагаемой полезной модели является создание энергоэффективного осветительного устройства для выращивания микроводорослей в ФБР с регулировкой спектральной характеристики. В результате использования предполагаемой полезной модели снижается энергопотребление устройства за счет исключения из спектра излучения составляющих, непосредственно не участвующих в фотосинтезе, обеспечивается возможность управления компонентным составом произведенной фитомассы MB путем настройки соотношения основных полос спектра ФАР. Указанный технический результат достигается тем, что осветительное устройство для выращивания микроводорослей в фотобиореакторе включает две группы светодиодов с полосами излучения, соответствующими двум максимумам ФАР в красной и синей областях спектра, соединенные кабелями питания с регулируемыми источниками напряжения, микропроцессорный блок управления, и двухсекционный фотодатчик с диапазонами чувствительности каждой из секций, совпадающими с диапазонами излучения соответствующих групп светодиодов, соединенный сигнальным кабелем с микропроцессорным блоком управления, при этом источники напряжения соединены с микропроцессорным блоком управления кабелями цепи управления.
Полезная модель относится к технологии экспериментального и промышленного культивирования в искусственных условиях фотосинтезирующих организмов, в частности микроводорослей (MB), для фармацевтического, пищевого, кормового или биотопливного назначения.
Источник света для фотобиореактора (ФБР) по культивированию фотосинтезирующих организмов обеспечивает поступление электромагнитной энергии определенного спектрального состава к клеткам развивающейся культуры. Энергетическая эффективность такого источника определяется тем, в какой степени спектральное распределение излучения соответствует спектру фотонов, непосредственно участвующих в фотосинтезе. Этот спектр называют «фотосинтетически активной радиацией» (ФАР). Экспериментально установлено наличие в спектре ФАР двух полос - на длинноволновом (красном) и коротковолновом (синем) участках солнечного излучения. В то же время, оптимальное соотношение интенсивности этих полос, обеспечивающее максимальную продуктивность клеток, определяется природой конкретного вида растений. Также известно, что отклонение спектральной интенсивности от оптимальной может приводить не только к замедлению роста клеток, но и изменению их химического (компонентного) состава. Данное свойство растений не следует рассматривать как безусловно отрицательное, поскольку его можно использовать в целях производства биомассы с требуемым соотношением белков, жиров и углеводов, при допустимом снижении общего объема произведенного биологического продукта.
В то же время, при разработке конструкций ФБР уделяется недостаточно внимания аспектам, относящимся к энергообеспечению процесса фотосинтеза; Зачастую разработчики и вовсе не считают нужным включать описание устройств освещения в формулу (патент RU 2010139943, A01G 33/00, опубл.: 10.04.2012), (Патент RU 2508396, C12M 1/00, C12M 1/04, C12M 1/24, C12M 3/00, C12N 1/00, C12N 1/12, опубл.: 20.10.2013).
Известна универсальная автоматизированная установка для культивирования фотозависимых микроорганизмов, содержащая «специальное» осветительное устройство, снабженное источником света (Патент RU 71118, С12М 1/36, С12М 1/42, опубл.: 27.02.2008).
Недостатком известного устройства является низкая энергетическая эффективность источника, чем обусловлено применение дополнительной системы водяного охлаждения.
Кроме того, в подавляющем большинстве известных конструкций ФБР не предусмотрено регулирование интенсивности или/и спектрального состава излучения, что не позволяет использовать их в экспериментальных системах по изучению фотосинтезирующих микроорганизмов с целью повышения их продуктивности и управления химическим составом произведенной фитомассы несубстратными методами (т.е., не путем варьирования состава питательной среды).
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить эффективность работы осветительного устройства в процессе выращивания микроводорослей с обеспечением возможности регулирования спектральной характеристики.
В результате использования предполагаемой полезной модели снижается энергопотребление устройства за счет исключения из спектра излучения составляющих, непосредственно не участвующих в фотосинтезе, обеспечивается возможность управления компонентным составом произведенной фитомассы MB путем настройки соотношения основных полос спектра ФАР.
Указанный технический результат достигается тем, что осветительное устройство для выращивания микроводорослей в фотобиореакторе включает две группы светодиодов с полосами излучения, соответствующими двум максимумам ФАР в красной и синей областях спектра, соединенные кабелями питания с регулируемыми источниками напряжения, микропроцессорный блок управления, и двухсекционный фотодатчик с диапазонами чувствительности каждой из секций, совпадающими с диапазонами излучения соответствующих групп светодиодов, соединенный сигнальным кабелем с микропроцессорным блоком управления, при этом источники напряжения соединены с микропроцессорным блоком управления кабелями цепи управления.
Состав и принцип работы предлагаемого осветительное устройство для выращивания микроводорослей в фотобиореакторе поясняются чертежом, на котором представлена общая схема устройства.
Осветительное устройство для выращивания микроводорослей в фотобиореакторе включает две группы светодиодов 1, 2 с полосами излучения, соответствующими двум максимумам спектра ФАР в красной и синей областях (например, 450 и 660 нм), соединенные с регулируемыми источниками напряжения 5 и 6 кабелями питания 3 и 4, соответственно, микропроцессорный блок управления 9, и двухсекционный фотодатчик 10 с диапазоном чувствительности одной из секций, совпадающим с диапазоном излучения группы светодиодов 1, а второй секции - с диапазоном излучения группы светодиодов 2. Двухсекционный фотодатчик соединен сигнальным кабелем 11 с микропроцессорным блоком управления. При этом источники напряжения 5, 6, соединены с микропроцессорным блоком управления кабелями цепи управления 7 и 8, соответственно. Для коротковолновой области могут быть использованы широкополосные светодиоды, имеющие «хвост» излучения, распространяющийся в зеленую область спектра.
Осветительное устройство для выращивания микроводорослей в фотобиореакторе работает следующим образом.
На двухканальный вход микропроцессорного блока управления (МБУ) 9 по сигнальному кабелю 11 с двухсекционного фотодатчика 10 поступают сигналы, величина которых зависит от интенсивности световых потоков, попадающих от светодиодов 1 и в среду культивирования, находящуюся в фотобиореакторе 12. В зависимости от установленных оператором значений параметров настройки, МБУ поддерживает требуемую интенсивность обоих световых потоков, подавая сигналы управления по кабелям 7 и 8 в регулируемые источники напряжения 5 и 6, соответственно. Если интенсивность излучения одной из групп светодиодов (1 или 2) меньше установленного оператором требуемого значения, то МБУ повышает выходное напряжение соответствующего источника (5 или 6). Соответственно, если интенсивность излучения одной из групп светодиодов (1 или 2) больше установленного оператором требуемого значения, то МБУ понижает выходное напряжение соответствующего источника. Задавая определенное соотношение интенсивности излучения одной обеих групп, оператор имеет возможность регулировать общую спектральную характеристику осветительного устройства в соответствии с программой эксперимента, и тем самым влиять на продуктивность и компонентный состав MB.
Осветительное устройство для выращивания микроводорослей в фотобиореакторе, характеризующееся тем, что включает две группы светодиодов с полосами излучения, соответствующими двум максимумам фотосинтетически активной радиации в красной и синей областях спектра, соединенные кабелями питания с регулируемыми источниками напряжения, микропроцессорный блок управления, и двухсекционный фотодатчик с диапазоном чувствительности каждой из секций, совпадающим с диапазоном излучения соответствующей группы светодиодов в красной и синей областях фотосинтетически активной радиации, соединенный сигнальным кабелем с микропроцессорным блоком управления, имеющим функцию регулирования интенсивности световых потоков обеих групп светодиодов, для чего источники напряжения соединены с микропроцессорным блоком управления кабелями цепи управления.
