Using of algorithm of superposition micropulse lighting for cultivation of phototrophic microorganisms

Abstract

The authors analyzed light sources and lighting modes for the cultivation of phototrophic microorganisms. Preliminary studies on the application of the superposition mode of illumination are conducted.

Full Text

Большая часть используемых на практике источников энергии сопровождается выделением углекислого газа. Проблема чрезмерной концентрации CO2 и снижения её уровня в атмосфере привлекает все больше внимания. Для решения этой проблемы был предложен ряд методов абсорбции углекислого газа из атмосферы, часть проектов была успешно реализована, но поглощение, транспортировка и хранение CO2 оказываются весьма затратными и подрывают всякую рентабельность данных проектов. Привлекательным выглядит метод биологического поглощения CO2 через фотосинтез. Одним из методов утилизационного фотосинтеза для сокращения уровня CO2 является пропуск выхлопного газа через фотобиореактор, содержащий водоросли. Последние в дальнейшем можно использовать для получения коммерческой выгоды [3, 7, 8]. В настоящее время в мире существует всего несколько крупномасштабных производств: закрытого типа [11, 13, 14, 15, 16, 17], например, Ökologische Produkte GmbH, Германия (биореакторы трубчатого типа) – производство биомассы микроводоросли хлорелла; открытого типа, например, Aquasearch Inc, США, Гаваи – производство биомассы гематококкуса для получения астаксантина и биомассы спирулины; Cyanotech, США, Гаваи – производство биомассы гематококкуса для получения астаксантина и биомассы спирулины [5, 12, 18, 20]. Использование открытых водоёмов для культивирования микроорганизмов в условиях географического положения стран Северной Европы и России невозможно, вследствие низких температур в зимние месяцы и короткой продолжительности светового дня. Поэтому в этих регионах могут быть рекомендованы к использованию лишь закрытые системы культивирования. Однако использование искусственных систем сталкивается с: высокими энергетическими затратами на освещение. Причём данные, известные из литературы очень отличаются друг от друга. Так, например, в статье Мельникова С.С. и Мананкиной Е.Е. «Использование хлореллы в кормлении сельскохозяйственных животных» [9], где описываются положительные эффекты применения хлореллы в животноводстве в виде суспензии с содержанием нескольких граммов сухого вещества в 1 л, приводятся следующие данные по получению ценной биомассы хлореллы с применением бассейна объёмом 2 м3. В данной установке использовали 6 люминесцентных ламп TL-D 36 W/54-765 (мощность каждый лампы 36 Вт, световой поток 2500 лм). В статье Богданова Н.И «Использование хлореллы для выращивания и откорма сельскохозяйственных животных» [2] описана установка КХ-60 с ежедневной продукцией суспензии хлореллы 60 л. В этой установке используют 2 лампы мощностью 250 Вт. Из других работ по исследованию известно о применении более мощных источников освещения, которые влекут за собой более высокие затраты электроэнергии на получение единицы готового продукта. В своих исследованиях А.А. Ничипорович и В.Е Семененко [4] применяли установку УИВ-1 с лампой ДРЛ-750 (мощность 750 Вт) для ферментации в 60 стеклянных культуральных сосудах с рабочим объёмом 250 мл. Таким образом, одной из наиболее актуальных проблем культивирования фототрофных организмов в искусственных системах (пригодных для использования в наших широтах) является проблема осуществления освещения. Для всех выше перечисленных примеров характерны достаточно высокие энергетические затраты на освещение. Одним из возможных вариантов решения проблемы освещения использование наиболее энергоэффективных источников света. В частности, в настоящее время используются газоразрядные лампы различных типов, для которых характерна высокая светоотдача, которая составляет около 140 – 200 лм/Вт. Принцип действия основан на электролюминесценции (к ним относят ртутные газоразрядные лампы, которые используют газовый разряд в парах ртути для получения света и натриевые лампы используют газовый разряд в парах натрия для получения света). [1, 10]. Ртутные и натриевые лампы обладают инерционностью зажигания и имеют высокую температуру на поверхности при работе. При применении их в глубинных фотобиореакторах необходима дополнительная система охлаждения. Люминесцентная лампа также является газоразрядным источником света, однако световой поток которого определяется в основном свечением люминофоров (за счёт фотолюминесценции). Лампы обладают высокой светоотдачей – до 100 лм/Вт. Находят всё более широкое применение лампы на основе светодиодных источников света (СД) (полупроводниковые оптические приборы). Для СД ламп также характерна высокая светоотдача (до 100 лм/Вт). Однако, и эти источники света не лишены недостатков – высокая цена (которая в настоящее время имеет тенденцию снижаться) и необходимость отвода тепла, который осуществляется за счёт использования радиаторов. Один из вариантов снижения энергетических затрат при культивировании фототрофов является применение импульсного освещения. Для реализации импульсного освещения по своим техническим характеристикам могут применены только СД. Из литературных источников известно, что процесс фотосинтеза происходит в два этапа – световой и темновой [19]. Причём, световая фаза имеет длительность протекания порядка 0,00001 с, а темновая 0,001 с. Однако, как показали эксперименты [6], применение импульсного освещения с длительностями, соответствующими длительностям фаз фотосинтеза не показало каких-либо положительных результатов. Рисунок 1. Схема получения суперпозиционного освещения: 1 – импульсный режим низкой частоты – «медленный импульс»; 2 – импульсный режим высокой частоты – «быстрый импульс»; 3 – суперпозиционный режим освещения Были исследованы и другие длительности прерывистого освещения. Оказалось, что имеет смысл поиск прерывистого типа освещения с длительностью светового импульса не менее 0,01 с [7, 8]. С другой стороны, применение прерывистого освещения в качестве ночной подсветки, показало достаточно высокие результаты по энергосбережению [6, 7, 8]. Такой тип освещения (прерывистое в ночной период, постоянное – в дневной) можно назвать частным случаем «суперпозиционного» освещения, т.е. при суперпозиционном режиме существуют два вида микроимпульсного освещения – низкочастотное и высокочастотное. В суперпозиционном режиме «темновые» периоды низкочастотного цикла замещаются на импульсный режим более высокой частоты, что может быть наглядно представлено на рисунке 1. Эта идея, однако, наталкивается на очень короткие длительности циклов световой фазы фотосинтеза. Это требует осуществления импульсности с высокой частотой (можно реализовать с помощью генераторов импульса). Другая сложность – важно, чтобы столь короткие подачи электрической энергии на осветители быстро превращалась в импульс света (инерционность выдачи света приводит к «смазыванию» и понижению величины амплитуды света с «размазанными» потоками света, а нужны просто яркие короткие импульсы света. Проведённые нами исследования [7] показали, что этот недостаток можно устранить за счёт использования светодиодов, которые обычно имеют «высокие» светодинамические характеристики и позволяют реализовывать высокочастотное чередование импульсов. Конечно, при циркадных циклах (соизмеримых с длительностями суточного чередования света-темноты величина медленного низкочастотного цикла В настоящей работе исследована возможность снижения удельных энергозатрат с помощью использования суперпозиционного импульсного освещения. Таблица 1 Эксперименты по влиянию длительностей световых и темновых интервалов № Быстрая фаза, с Медленная фаза, с Относительные удельные энергозатраты Т1 (свет) Т2 Т3 (свет) Т4 1. 0,01 0,5 0, 1 3 2,52 2. 0,03 0,5 0, 5 5 1,60 3. 0,05 0,5 1 10 1,20 4. 0,02 0,5 0, 25 7 3,83 5. 0,01 2 0, 5 10 2,89 6. 0,03 2 0, 1 7 4,20 7. 0,05 2 0, 25 3 3,38 8. 0,02 2 1 5 1,44 9. 0,01 3 1 7 2,82 10. 0,03 3 0, 25 10 5,07 11. 0,05 3 0, 1 5 1,59 12. 0,02 3 0, 5 3 2,05 13. 0, 01 1 0, 25 5 2,68 14. 0,03 1 1 3 0,82 15. 0,05 1 0, 5 7 1,97 16. 0,02 1 0, 1 10 4,35 Материалы и методы Объектом для исследований была выбрана культура Chlorella sp. Культивирование проводили в чашках Петри на агаризированной среде Тамия [3] в течение 10 суток на специальной установке при температуре +25 °С. Концентрацию биомассы, после смыва её с поверхностного слоя питательной среды в чашках Петри, определяли фотометрическим способом на фотоэлектроколориметре КФК-2 (длина волны 750 нм). Для этого предварительно строили калибровочный график зависимости экстинции от концентрации биомассы. Для реализации прерывистого освещения использовали светодиодные источники света, обеспечивающие малую инерционность зажигания и затухания светового импульса в сочетании со специально сконструированным генератором импульсов. Для экспериментального определения параметров суперпозиционного освещения использована схема ортогональных латинских прямоугольников для 4 факторов на 4 уровнях. В ходе эксперимента варьировали длительность темнового периода и светового импульса низкочастотного освещения («медленной фазы») и высокочастотного освещения («быстрой фазы») (см. табл. 1). Для технической реализации суперпозиционного освещения использовано специально разработанное программное обеспечение на основе компьютерной программы LabVIEW для регулирования длительности импульсов и интервалов между ними на универсальной многоканальной установке. Культивирование вели на чашках Петри, при условиях, описанных выше в течение 5 суток. Освещённость во всех опытных и контрольных образцах 5 клк. Начальная оптическая плотность Dн = 0,01. По окончанию опыта делали смыв биомассы с чашек Петри и определяли оптическую плотность. Результаты и обсуждения Условия проведения опыта (длительности светотемновых периодов), а также затраты относительные удельные энергозатраты (постоянного освещения) приведены в таблице 1. В этих экспериментах затраты электроэнергии в каждой вариантов опытов (в каждой строчке) оценивались как доля к постоянному режиму освещения, а накопление биомассы в опыте с постоянным освещением. Относительные удельные энергозатраты определяли как частное от деления этих двух величин (представлены в последнем столбце таблицы – безразмерная величина). Результаты показывают, что некоторые режимы суперпозиционного импульсного освещения (при длительностях Т1 = 0,03, Т2 =2,0, Т3=1 с, Т4=3 с) позволяют получить снижение удельных энергозатрат на 18%, что уже является довольно существенной величиной. Это показывает перспективность суперпозиционного режима освещения и целесообразность его проверки при других наборах соотношений длительностей световых импульсов и интервалов между ними, а также на других штаммах светозависимых микроорганизмов.