Способ измерения интенсивности фотосинтеза микроводорослей в фотореакторе и устройство для его осуществления

 

Использование: в биотехнологии для контроля культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. Сущность: измеряют концентрацию кислорода на входе и выходе измерительной камеры, расположенной последовательно с фотореактором, измеряют концентрацию растворенного в суспензии кислорода до и после фотореактора, определяют расход суспензии, проходящей через фотореактор, расход воздуха, проходящего через измерительную камеру, и объем суспензии. На основе этой информации определяют интенсивность фотосинтеза микроводорослей. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, применяемой при измерении интенсивности фотосинтеза микроводорослей в промышленных и лабораторных условиях.

Известен способ измерения интенсивности фотосинтеза в условиях, когда на входе и выходе фотореактора микроводорослей концентрация растворенного в суспензии кислорода близка к насыщающей, а измерение осуществляют путем определения разности концентраций выделяющегося в измерительную камеру газообразного кислорода, которая образуется при создании протока воздуха через газоприемную часть измерительной камеры.

Недостатком известного способа (прототипа) является то, что измерение интенсивности фотосинтеза возможно только при определенных режимах культивирования микроводорослей (при концентрациях кислорода, растворенного в суспензии, близких к насыщающим). Это ограничивает возможные технологические режимы культивирования микроводорослей, где необходимо по технологическим условиям измерение интенсивности фотосинтеза микроводорослей.

Известен также способ измерения интенсивности фотосинтеза с помощью электродов, определяющих концентрацию растворенного в суспензии кислорода. Этот способ измерения интенсивности фотосинтеза может быть применен в случае, когда концентрация растворенного кислорода не достигает насыщающей.

Таким образом, в настоящее время нет универсального способа определения интенсивности фотосинтеза микроводорослей в любых условиях насыщения суспензии кислородом, что очень важно в случаях использования информации об интенсивности фотосинтеза при автоматизированных способах управления фотобиосинтезом микроводорослей.

Цель изобретения - cоздание способа и устройства, с помощью которого можно было бы измерять интенсивность фотосинтеза в любых технологических режимах культивирования микроводорослей независимо от степени насыщенности суспензии растворенным кислородом.

Для достижения цели изобретения на входе фотореактора и выходе измерительной камеры определяют концентрации растворенного в суспензии кислорода. Кроме того, на выходе фотореактора микроводорослей кислород, выделившийся из суспензии микроводорослей в результате фотосинтеза в газообразном виде, в измерительной камере разбавляют атмосферным воздухом, определяют расход атмосферного воздуха, подаваемого на разбавление кислорода, определяют объем суспензии, находящейся в технологической линии производства микроводорослей, измеряют концентрации кислорода в атмосферном воздухе и в воздушно-кислородной смеси после разбавления атмосферным воздухом кислорода, выделяющегося в результате фотосинтеза.

На основе материального баланса определяют интенсивность фотосинтеза по уравнению: =(F_c(pO₂вых-pO₂вх+ +F_в(C_вых-C_вх))/G_c , где - интенсивность фотосинтеза (л O₂/л_смин); Fс - расход суспензии через фотореактор (л_с/мин); F_в - расход воздуха через газоприемную часть измерительной камеры (л_в/мин); рO₂вых - концентрация растворенного кислорода в суспензии на выходе измерительной камеры (л O₂/л_c); рO₂вх - концентрация растворенного кислорода в суспензии на входе фотореактора (л O₂/л_с); С_вых - концентрация кислорода в воздушно-кислородной среде на выходе газоприемной части измерительной камеры (л O₂/л_в).

С_вх - концентрация кислорода в воздухе на входе газоприемной части измерительной камеры (л O₂/л_в), G_с - объем суспензии в технологической линии культивирования микроводорослей (л_с).

П р и м е р. Измерение интенсивности фотосинтеза микроводорослей.

В технологической линии промышленного культиватора микроводорослей (см. чертеж) находится G_c = 10000 л в суспензии микроводорослей, которая циркулирует по замкнутому контуру: фотореактор 1 ->> измерительная камера 2 ->> газообменник 3 ->> теплообменник 4 ->> побудитель расхода суспенезии 5. В газоприемную часть измерительной камеры с расходом F_в = 10 л/мин подают атмосферный воздух с концентрацией кислорода С_вх = 22 об.%, при этом на выходе измерительной камеры устанавливается концентрация С_вых = 35 об.%. Газоанализаторами 10 и 11 измеряют концентрации кислорода на входе C_вх = 22 об. % (или С_вх = 0,22 л кислорода/л воздуха) измерительной камеры и на ее выходе С_вых= = 35 об.% (или С_вых = 0,35 л кислорода/л воздуха). Одновременно расходомером 6 измеряют расход суспензии через фотореактор и расходомером 9 расход атмосферного воздуха через измерительную камеру. Датчиками растворенного кислорода 7 на входе фотореактора и датчиком 8 на выходе измерительной камеры измеряют концентрации растворенного кислорода в суспензии микроводорослей. При концентрации растворенного кислорода рО₂вх = 0,008 л О₂/л cуспензии и концентрации растворенного кислорода в суспензии на выходе измерительной камеры рO₂вых = 0,0092 л O₂/л cуспензии, расходе суспензии через фотореактор F_c = 6000 л/мин будем иметь интенсивность фотосинтеза микроводорослей: Ф = (F_c(pO₂вых - рO₂вх) +
+ F_в (С_вых - C_вх))/G_c =
= [6000 (0,0092 - 0,008) +
+ 10 (0,35-0,22)]/10000 =
= 0,00085 л О₂/л cуспензиимин
или Ф = 8,5 л О₂/мин на всю суспензию микроводорослей, находящуюся в культиваторе.

Устройство, реализующее способ измерения интенсивности фотосинтеза, устанавливают в контуре культивирования микроводорослей, содержащем фотореактор 1, измерительную камеру 2, газообменник 3, теплообменник 4, побудитель расхода суспензии 5. В контуре дополнительно устанавливают расходомер суспензии, датчик растворенного кислорода на входе фотореактора 6 и 7 и после измерительной камеры датчик растворенного кислорода 8, на входе воздуха в измерительную камеру устанавливают расходомер воздуха 9. На входе и выходе газоприемной части измерительной камеры установлены газоанализаторы концентраций кислорода 10 и 11. Выходы датчиков растворенного в суспензии кислорода 7 и 8, датчиков расхода суспензии 6 и расхода воздуха 9 соединены со входами вычислительного устройства 12. В вычислительное устройство 12 также вводится информация об объеме суспензии, находящейся в технологической линии производства микроводорослей.

Измерительное устройство работает следующим образом. В суспензии микроводорослей датчиком 7 измеряют концентрацию кислорода. Суспензия микроводорослей, проходя через фотореактор 1, в результате фотосинтеза насыщается кислородом до полного насыщения, причем, если после насыщения кислородом суспензия еще проходит часть фотореактора, то кислород, образующийся за это время, выделяется в газовую фазу и в виде пузырей попадает в измерительную камеру 2. В измерительной камере кислород, выделившийся из суспензии, разбавляется атмосферным воздухом, который подается в газоприемную часть измерительной камеры. Расход подаваемого воздуха измеряется расходомером 9. После измерительной камеры в суспензии измеряют концентрацию растворенного кислорода датчиком 8. На входе и выходе газоприемной части измерительной камеры 2 газоанализаторами 10 и 11 измеряют концентрации кислорода в воздухе. Сигналы датчиков растворенного в суспензии кислорода 7 и 8, расхода суспензии через фотореактор 6, расхода воздуха, подаваемого в измерительную камеру 9, концентрации кислорода на входе и выходе воздуха измерительной камеры 10 и 11 подаются в вычислительное устройство 12, где в соответствии с вышеприведенной формулой осуществляют вычисление интенсивности фотосинтеза микроводорослей.

Следует заметить, что, если в результате фотосинтеза концентрация растворенного кислорода в суспензии не достигнет насыщенного значения и в газовую фазу не выделится газообразный кислород, то второе слагаемое в числителе формулы будет равно нулю и интенсивность фотосинтеза будет определена только на основании показаний датчиков концентрации растворенного в суспензии кислорода.

В случае использования многоточечного газоанализатора кислорода или газоанализатора с переключением подачи газовой пробы по очереди с входа измерительной камеры и с ее выхода возможно использование в системе измерения интенсивности фотосинтеза микроводорослей одного газоанализатора концентраций кислорода.

Формула изобретения

1. Способ измерения интенсивности фотосинтеза микроводорослей в фотореакторе, включающий измерение концентраций кислорода в воздухе до и после разбавления им кислорода, выделяющегося в газообразном виде из суспензии микроводорослей, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения интенсивности фотосинтеза и возможности его измерения независимо от степени насыщения кислородом суспензии микроводорослей, одновременно измеряют концентрации растворенного в суспензии кислорода до и после фотореактора, определяют расход суспензии, проходящей через фотореактор, и расход воздуха, подаваемого на разбавление кислорода, выделяющегося из суспензии в газообразном виде, определяют объем суспензии и на основе этой информации определяют интенсивность фотосинтеза микроводорослей.

2. Устройство для измерения интенсивности фотосинтеза микроводорослей в фотореакторе, включающее измерительную камеру, расположенную после фотореактора, два газоанализатора кислорода для измерения его концентрации на входе воздуха в измерительную камеру и на выходе, а также вычислительное устройство, к двум входам которого подсоединены выходы газоанализаторов кислорода, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измерения интенсивности фотосинтеза и возможности его измерения независимо от степени насыщения кислородом суспензии микроводорослей, оно дополнительно содержит расходомер суспензии, поступающей в фотореактор, расходомер воздуха, поступающего в измерительную камеру, датчики растворенного кислорода, один из которых установлен на входе фотореактора, а выходы расходомеров и датчиков растворенного кислорода соединены с соответствующими входами вычислительного устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1