Automation of stand complex for studying phototrophs and analysis of possibilities to improve the efficiency of the process

Abstract

How to build a bench automation systems to study the complex fototrofov. The analysis of the possibilities for reducing energy consumption.

Full Text

В традиционных процессах культивирования аэробных микроорганизмов основные энергозатраты приходятся на: – перемешивание культуральной среды (для обеспечения массобмена с подаваемым на аэрацию воздухом, при этом среда может обладать значительной вязкостью); – стерилизацию (как правило – термическую) аппаратов, питательных сред и подпиток; – компримирование аэрирующего воздуха (расход аэрирующего воздуха примерно равен 1 объёму воздуха на 1 объём культуральной среды в минуту, при стерильном проведении процесса его приходится сжимать до 1,5–2,2 атм, которые теряются при прохождении стерилизующих фильтров и культуральной среды); – стабилизацию температуры культуральной среды (как правило, путём подачи охлаждающей воды в рубашку аппарата). При проведении фотозависимых процессов появляются дополнительные энергозатраты на освещение культуральной среды, которые можно существенно снизить, выбрав оптимальный режим освещения. Изменение уровня освещённости среды течении процесса может быть целесообразным при периодическом культивировании фототрофных микроорганизмов – микроводорослей: при увеличении концентрации микроводорослей повышается оптическая плотность среды и на одну клетку микроводослей в среднем приходится меньше световой энергии, необходимой для фотосинтеза органических веществ из углекислого газа. Соответственно, имеет смысл увеличивать освещённость в ходе процесса. Аналогичные соображения применимы для фотозависимых микроорганизмов (биосинтез в которых зависит от уровня освещённости), например дрожжей Phaffia rhodozyma [1]. При выборе режима освещения нужно учитывать, что высокий уровень освещённости может угнетать микроорганизмы и разрушать накопленные в культуральной среде продукты биосинтеза. Другим способом снижения затрат на освещение является применение импульсных режимов [2]. Известно, что в процессе фотобиосинтеза можно выделить несколько стадий – протекающие только при облучении светом и способные протекать в темноте. Длительность стадий может составлять порядка долей секунды. Понятно, что с помощью традиционных средств освещения (люминесцентные источники света, лампы накаливания) крайне трудно или вообще невозможно организовать подобный закон освещения. С появлением сверхъярких светодиодов, обладающих недостижимыми ранее параметрами светоотдачи и динамическими характеристиками, стало возможным кардинально решить проблемы с теплоотводом, управлять изменением освещённости и спектрального состава светового потока. Развитие светодиодных систем освещения, стремительное уменьшение их стоимости и повышение надёжности, открывает новые перспективы в использовании в промышленности фотозависимых микроорганизмов. Для исследования открывающихся новых возможностей создан лабораторный стенд, состоящий из лабораторного фотобиореактора и установки для изучения влияния импульсного освещения на фототрофные микроорганизмы (на колбах и чашках Петри). Стенд позволяет осуществлять подбор оптимальных технологических режимов, изучать биохимические процессы фотозависимых микроорганизмов, обучать студентов соответствующих специальностей. На установке для изучения влияния импульсного освещения можно одновременно исследовать несколько режимов освещения, на лабораторном фотобиореакторе можно исследовать влияние остальных режимов проведения процесса. Установка, схема которой изображена на рисунке 1, вмещает 32 колбы (или чашки Петри) с культурой фототрофов, разделённых светонепроницаемыми перегородками и подсвечиваемых снизу. В качестве источников света используются светодиодные лампы с рефлектором. Каждая лампа содержит 12 светоизлучающих диодов белого цвета типа RL – 3W744 (световой поток до 5 лм, потребляемая мощность – 0,05 Вт). В установке используются компьютер (для генерации формы импульсов), от которого поступают управляющие сигналы по интерфейсу USB на блок дискретного ввода-вывода 6501 NI, выходы которого соединены с твердотельными реле PVA1352, замыкающими/размыкающими линию подачи 12 VDC от батареи блоков питания (1 блок обслуживает 4 реле к которым подключено 8 светодиодных ламп). Вся конструкция помещена в термостатированную комнату, изолированную от постороннего освещения. В установке реализовано 16 независимых каналов освещения, каждый из которых обслуживает 2 колбы (для повышения достоверности результатов). Рисунок 1. Схема установки изучения для изучения влияния импульсного освещения Как показал эксперимент [3], установка обеспечивает импульсы длительностью 10 мс и длиннее с точностью до 2 мс. Для управления экспериментальной установкой с помощью среды разработки LabVIEW 8.5 создана программа, рассчитанная на 16 дискретных выходов (с возможностью расширения до 24 выходов), в которой реализован заданный алгоритм освещения, включающий «быструю» и «медленную» фазу. Быстрая фаза освещения – вспышки длительностью 0,01..0,1 сек с интервалом 0,5-2 с; медленная фаза освещения – 0,25 до 2 секунд с интервалом от 3 до 10 секунд. Возможности установки можно расширить, если начать управлять потоком света от светодиодов. Для этого была исследована зависимость освещённости, создаваемой светодиодной лампой в ячейке установки, от подводимого напряжения. Рисунок 2. Зависимость освещённости объекта от подводимого к светодиодной лампе напряжения Как видно из приведённых на рисунке 2 результатов, в диапазоне 6 – 12 В наблюдается практически линейное возрастание освещённости с 9 до 15 Лкс. Диапазон 4,5 – 6 В характеризуется сильной нелинейностью и для его использования требуется дополнительное исследование стабильности характеристики светодиодов во времени и разброс параметров характеристики для различных светодиодов. Представленные на рынке доступные блоки аналогового вывода имеют диапазоны 0 – 1 В, 0 – 5 В, 0 – 10 В и не могут быть полезны в рассматриваемой установке (разумеется они могут быть применены для управления светодиодами номинального напряжения 5 В). Для создания источника питающего напряжения 6 – 12 В можно воспользоваться имеющимся в наличии источником питания 12 В, блоком дискретного вывода с ШИМ-режимом работы и сглаживающей выходное напряжение RC-цепочкой, см. рисунок 3. Поскольку длительность процесса культивирования составляет несколько суток, то для упрощения программы управления можно ограничиться ступенчатым изменением подаваемого на светодиоды напряжения по временному закону. Модули дискретного вывода целесообразно использовать на базе ПЛК, настраиваемого с ПЭВМ с по интерфейсу Ethernet. Для калибровки системы управления напряжением следует при включённых в режим мерцания дискретных выводах DO варьировать скважность (0 – 100%) работающего в режиме ШИМ дискретного вывода, контролируя подаваемое на работающие светодиодные лампы напряжение. Составив таблицу соотвествия «скважность – напряжение» для каждой линии, её следует использовать для программирования управляющего дискретными выходами контроллера. При необходимости более точного управления освещённостью можно оснастить контроллер блоком аналогового входа 0 – 10 В. Введя в контроллер 4 контура регулирования по каналам «скважность – напряжение» по ПИ-закону можно добиться точного управления в диапазоне 6 – 10 В. Рисунок 3. Модифицированная схема генерации световых испульсов Другой составной частью стенда является фотобиореактор. Лабораторный фотобиореактор объёмом 3 л оснащён мешалкой с регулируемым числом оборотов, системами подачи охлаждающей воды, титрующего агента (раствор NaOH), воздуха. Существует возможность управления освещённостью (используется лампа накаливания, подаваемое напряжение на которую варьируется с помощью лабораторного автотрансформатора). Температура культуральной среды стабилизируется подачей охлаждающей воды по релейному закону с гистерезисом (в качестве датчика температуры используется первичный преобразователь ТСМ50, в качестве регулятора – измеритель-регулятор ТРМ202). На созданном стенде исследовался процесс синтеза астаксантина клетками дрожжей Phaffia. В ходе процесса культивирования дрожжи размножаются и выделяют в культуральную среду продукты биосинтеза, которые окрашивают среду в красный цвет, при этом оптическая плотность среды увеличивается. Измеряя её, можно судить о протекании процесса. Для контроля оптической плотности были опробованы фотоэлементы площадью 3 см2 и 25 см2, выход (фото Э.Д.С.) с которых подаётся на измеритель ТРМ-200, настроенный на вход 0..1 В и -50..50 мВ. Эксперимент показал, что фотоэлемент 3 см2 не информативен, т.к. в начале процесса (при почти прозрачной среде) выдаёт Э.Д.С. порядка 80 мВ (слишком большое для диапазона -50..50 мВ), в середине и конце процесса около 1 мВ (что сравнимо с погрешностью измерения – 0,5 мВ). Был выбран фотоэлемент площадью 25 см2 и диапазон 0..1 В, что позволило контролировать практически весь ход процесса с минимальной погрешностью. С помощью люксметра была построена статическая характеристика фотопреобразователей по каналу (освещённость, Лкс – фото Э.Д.С., мВ), которая оказалась близкой к линейному закону. Информация с ТРМ200 по протоколу RS-485 подаётся на преобразователь AC-4, и по каналу USB подаётся в компьютер с установленной SCADA системой Owen Process Manager, которая осуществляет индикацию, представление трендов и архивацию показаний. Разработанная технология может быть дешёвой альтернативой использования выносных камер для определения оптической плотности. На рисунке 4 представлена схема управления освещённостью в лабораторном фотобиореакторе. Некоторым недостатком её является то, что на оптическую плотность влияют концентрации как клеток микроорганизма, так и продуктов биосинтеза. В случае с ярко окрашшеным продуктом, как например выделяемым дрожжами Phaffia rhodozyma (они же – Xanthophyllomyces dendrorhous) каратиноидом астаксантином, который характеризуется насыщенным красным цветом, – целесообразно дополнить схему ещё одним фотоэлементом, снабжённым цветным светофильтром, пропускающим только свет с частотой, соответствующей продукту. В результате представляется возможным оценивать как концентрацию продукта, так и клеток продуцента в режиме on-line. Разумеется, погрешность такого измерения существенно выше, чем у лабораторного анализа, но с учётом его корректировок может быть полезным инструментом. Рисунок 4. Схема управления освещённостью в лабораторном фотобиореакторе Работа выполнена в рамках выполнения государственного задания высшим учебным заведениям в части проведения научно-исследовательских работ, проект № 7.6102.2011 по теме: «Разработка систем энергоэффективного управления процессами биосинтеза».