Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. (19) BY (11) 10707
(13) U
(46) 2015.06.30
(51) МПК
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
C 12M 1/00 (2006.01)
(54) БИОРЕАКТОР ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО
ГЛУБИННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ
ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИХ МИКРООРГАНИЗМОВ
(21) Номер заявки: u 20130928
(22) 2013.11.14
(71) Заявители: Мурашко Алексей Сер-
геевич; Мурашко Сергей Петрович;
Табала Виталий Константинович;
Табала Константин Брониславович
(BY)
(72) Авторы: Мурашко Алексей Сергеевич;
Мурашко Сергей Петрович; Табала Ви-
талий Константинович; Табала Кон-
стантин Брониславович (BY)
(73) Патентообладатели: Мурашко Алексей
Сергеевич; Мурашко Сергей Петрович;
Табала Виталий Константинович; Та-
бала Константин Брониславович (BY)
(57)
1. Биореактор для промышленного глубинного культивирования фотосинтезирующих
микроорганизмов, содержащий герметичную емкость в виде осесимметричного тела вра-
щения, устройство для перемешивания, выполненное с возможностью создания над по-
верхностью суспензии микроорганизмов закрученного потока газа с полем скорости
потенциального вихря на периферии емкости, осевым противотоком в ее приосевой зоне и
перепадом давления между периферией и центром вихря, источник фотосинтетически
Фиг. 1
BY10707U2015.06.30

2. BY 10707 U 2015.06.30
2
активной радиации, расположенный на поверхности емкости, системы контроля и управле-
ния источником фотосинтетически активной радиации, газовыми, жидкими и тепловыми
потоками, отличающийся тем, что дополнительно содержит устройство для измерения
интенсивности флуоресценции, выполненное с возможностью оценки природной флуо-
ресценции пигментов клеток микроорганизмов, индуцируемой импульсом источника фо-
тосинтетически активной радиации во всем объеме суспензии с постоянным потоком
излучения, достаточным для возбуждения флуоресценции, длительностью, соответст-
вующей длительности световой фазы фотосинтеза, максимумом длины волны, располо-
женным в диапазоне от 395 до 500 нм, и адаптацией клеток к темноте перед импульсом и
после с длительностью интервала не менее длительности темновой фазы фотосинтеза.
2. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что устройство для измерения интенсивно-
сти флуоресценции содержит датчик флуоресценции, выполненный в виде фотоумножи-
теля с диапазоном детектирования фотонов, соответствующим диапазону флуоресценции
пигментов, расположенный на корпусе емкости в ее верхней части, с оптической осью,
направленной в центральную часть вихревого кольца суспензии и перпендикулярной ее
поверхности, и управляющее вычислительное устройство, при этом выход датчика соеди-
нен с входом вычислительного устройства, а выходы последнего соединены с входами
систем контроля и управления источником фотосинтетически активной радиации, газо-
выми, жидкими и тепловыми потоками.
3. Биореактор по п. 2, отличающийся тем, что датчик выполнен в виде микроканаль-
ной пластины.
4. Биореактор по п. 2, отличающийся тем, что наружная поверхность линзы датчика
флуоресценции выполнена из материала, не смачиваемого суспензией с краевым углом
смачивания водных субстратов на твердых поверхностях более 90°.
(56)
1. Патент РФ 2019565 C1, МПК C12Q 3/00, 1994.
2. Патент РФ 2019564 C1, МПК C12Q 3/00, 1994.
3. Патент РБ 9695 U, МПК C1 2М1/00, 2013.
4. Бергольц В.М. Люминесцентная микроскопия. - М.: Медгиз, 1953. - 136 с.
5. Рубин А.Б. Биофизика: в 3-х томах. Том 2: Биофизика клеточных процессов. Биофи-
зика мембранных процессов. - М.: Издательство ИПМ РАН, 2013. - 384 с.
6. Патент РБ 9660 U, МПК C12M 1/00, 2013.
Полезная модель относится к биотехнологии, преимущественно к разделу производства
наноцеллюлозы и биологического сырья для синтеза искусственного топлива, а также мо-
жет быть использована в сельском хозяйстве для производства кормов, в микробиологиче-
ской промышленности для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов (ФМ).
При интенсивном промышленном культивировании ФМ с целью максимального полу-
чения целевого продукта важную роль играет возможность проведения параметрического
управления процессами их жизнедеятельности (фотосинтетически активной радиацией,
расходом углекислого газа, расходом питательных веществ, температурой культивирова-
ния) с максимальной интенсивностью фотосинтеза.
Наибольшее распространение в системах управления процессами жизнедеятельности
ФМ получили газометрические методы измерения фотосинтеза, в основе которых лежит
определение количества поглощенного углекислого газа (CO2) или выделенного кислоро-
да (O2).
Известна установка культивирования ФМ, в которой максимальное значение интен-
сивности фотосинтеза микроорганизмов поддерживается путем изменения интенсивности

3. BY 10707 U 2015.06.30
3
насыщения суспензии углекислотой, регулированием расхода подаваемого газа, содержа-
щего углекислоту [1]. Установка содержит фотореактор, теплообменник, газообменник,
побудитель расхода суспензии, внешний источник света и устройство для измерения фо-
тосинтеза, включающее два датчика растворенного O2, два газоанализатора концентрации
O2 и измерительную камеру, регулирующее устройство подачи обогащенного CO2 и
управляющее вычислительное устройство, причем выходы датчиков растворенного O2 и
выходы газоанализаторов концентрации O2 соединены с входами управляющего вычисли-
тельного устройства, а выход последнего соединен с регулирующим устройством подачи
обогащенного CO2.
Недостатком такой установки является то, что устройство для измерения интенсивно-
сти фотосинтеза в виде отдельной измерительной камеры с датчиками растворенного O2 и
газоанализаторов концентрации O2 значительно усложняет конструкцию установки и име-
ет низкую чувствительность и оперативность тестирования интенсивности фотосинтеза.
Кроме этого, побудитель расхода суспензии может приводить к повреждению и гибели
чувствительных клеток.
В установке применяется барботажный способ подачи CO2, который не всегда приго-
ден для культур ФМ с активной жизнедеятельностью из-за слабого подвода питания и от-
вода метаболитов. Всплывающие пузырьки газа вследствие резкого перепада давления
при контакте с чувствительными клетками губят их. При барботажном способе переме-
шивания происходит обильное пенообразование, что затрудняет перемещение суспензии
ФМ по трубопроводам и снижает эффективность поглощения энергии освещения. Для
гашения пены требуется введение в суспензию нетоксичных химических пеногасителей.
Это усложняет технологический процесс культивирования, ухудшает качество биологиче-
ского сырья. При продувании суспензии воздухом возможно ингибирование процесса фо-
тосинтеза O2 вследствие его неполного удаления.
Известна установка культивирования ФМ, в которой максимальное значение интен-
сивности фотосинтеза поддерживается путем изменения температуры суспензии и совме-
щения фотосинтеза с управляемым теплообменом за счет изменения поверхности
теплообмена суспензии с теплоносителем и температуры теплоносителя [2]. Установка
включает фотореактор, теплообменник, газообменник, побудитель расхода суспензии, на-
порный и всасывающий трубопроводы, внешний источник света. Фотореактор совмещен с
теплообменником путем погружения фотореактора в теплоноситель теплообменника, а
установка дополнительно оснащена устройством измерения интенсивности фотосинтеза,
включающим два датчика растворенного O2 и два газоанализатора концентрации O2, регу-
лирующими устройствами подачи холодного и горячего теплоносителя в теплообменник,
регулирующим устройством слива теплоносителя из теплообменника, датчиками темпе-
ратуры суспензии, расположенными на входе и выходе фотореактора, датчиком уровня
теплоносителя в теплообменнике и управляющим вычислительным устройством, причем
выходы датчиков растворенного O2, газоанализаторов концентрации O2, датчиков темпе-
ратуры и датчика уровня соединены с входами управляющего вычислительного устройст-
ва, а выходы последнего соединены с регулирующими устройствами подачи холодного и
горячего теплоносителя в теплообменник и регулирующим устройством слива теплоноси-
теля из теплообменника.
Недостатком такой установки является то, что система регулирования температуры
суспензии ФМ путем погружения фотореактора в теплоноситель теплообменника и пода-
чей теплоносителя в теплообменник и сливом теплоносителя из теплообменника имеет
высокую инерционность и удельные энергозатраты на термостатирование. Кроме этого, ее
применение неэффективно в промышленных биореакторах объемом до 30 м3
и более.
Известен биореактор для промышленного глубинного культивирования ФМ, содер-
жащий герметичную емкость в виде осесимметричного тела вращения с соосным телом
внутри, с штуцерами для газовых и жидких потоков, для установки датчиков систем кон-

4. BY 10707 U 2015.06.30
4
троля и управления, источник фотосинтетически активной радиации (ФАР), расположен-
ный на поверхности емкости, устройство для перемешивания, выполненное с возможно-
стью создания над поверхностью суспензии ФМ закрученного потока газа с полем
скорости потенциального вихря на периферии емкости, осевым противотоком в приосевой
зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря [3]. Источник ФАР вы-
полнен в виде сверхмощных светодиодов с длиной волны излучения, соответствующей
основному максимуму ее поглощения пигментами, участвующими в фотосинтезе целево-
го продукта в клетке культивируемого ФМ.
Признаками аналога по патенту [3], совпадающими с существенными признаками за-
являемой полезной модели, являются герметичная емкость в виде осесимметричного тела
вращения, источник ФАР, расположенный на поверхности емкости, устройство для пере-
мешивания, выполненное с возможностью создания над поверхностью суспензии ФМ за-
крученного потока газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости,
осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и цен-
тром вихря, системы контроля и управления.
Недостатком такого биореактора является то, что применение устройства для измере-
ния интенсивности фотосинтеза при параметрическом управления ФАР по интенсивности
и предельным значениям интенсивности облучения клеток ФМ в виде отдельной измери-
тельной камеры с датчиками растворенного O2 и газоанализаторов концентрации O2 значи-
тельно усложняет конструкцию биореакторов и имеет низкую оперативность тестирования
интенсивности фотосинтеза.
Известно, что природными флуоресцирующими пигментами клеток ФМ являются
хлорофилл, порфирин, фикоэритрин, а также клетчатка, пектин, хитин [4]. Представители
разных систематических отделов ФМ обладают различным набором хлорофиллов и фико-
билинов. Вариабельность пигментного состава клеток ФМ больше, чем у высших растений.
Спектральные характеристики пигментов в клетках ФМ, в том числе флуоресцентные, за-
висят от условий их обитания, возраста, сезона года и т.д. Специфичное для клеток ФМ
диффузное распределение пигментов вызывает флуоресценцию самих клеток (у высших
растений наблюдается флуоресценция пластид).
Современные достижения в изучении механизмов первичных процессов фотосинтеза
в клетке ФМ выявили связь показателей флуоресценции хлорофилла с характеристиками
состояния их фотосинтетического аппарата [5]. Так, при воздействии фотонов на клетку
ФМ, адаптированную к темноте, наблюдается изменение интенсивности флуоресценции
хлорофилла во времени, которое имеет насколько фаз. На участке до ~1 мкс при увеличе-
нии интенсивности облучения интенсивность флуоресценции возрастает до уровня FO
(начальная интенсивность флуоресценции). Затем, при достаточно высокой интенсивно-
сти облучения, интенсивность флуоресценции достигает максимальной величины FM
(максимальная интенсивность флуоресценции) и снижается по довольно сложной траек-
тории, пока не достигнет некоторого стационарного уровня, что обусловлено развитием
процессов фотохимического и нефотохимического тушения. График изменения интенсив-
ности флуоресценции от момента начала облучения до достижения стационарного уровня
несет информацию о состоянии фотосинтезирующего аппарата клетки ФМ. Так, отноше-
ние разности интенсивности флуоресценции хлорофилла FM при насыщающем фотосинтез
облучении и интенсивности флуоресценции хлорофилла FO при условиях, не вызывающих
изменений состояния фотосинтетического аппарата, к интенсивности флуоресценции FM
позволяет определить эффективность первичных процессов фотосинтеза. Отношение
(FM-FO)/FM = FV/FM представляет собой безразмерную энергетическую характеристику фо-
тосинтеза, аналогичную коэффициенту полезного действия и не зависящую от видовой
специфики организма ФМ. Значение FV/FM>0,5 указывает на их высокую активность, зна-
чение FV/FM<0,5 свидетельствует о неудовлетворительном состоянии, в оптимальных ус-
ловиях FV/FM близок к 0,7, у мертвых клеток FV/FM = 0.

5. BY 10707 U 2015.06.30
5
Интенсивность флуоресценции FO с высоким коэффициентом корреляции соответст-
вует суммарному содержанию пигментов в клетке и, соответственно, коррелирует с коли-
чеством биомассы ФМ. Эти свойства флуоресценции хлорофилла позволяют применить
их для оценки интенсивности фотосинтеза ФМ при параметрическом управления процес-
сами их жизнедеятельности.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является биореактор для
промышленного глубинного культивирования мезофильных микроорганизмов, содержа-
щий герметичную емкость в виде осесимметричного тела с штуцерами для газовых и
жидких потоков, для установки датчиков систем контроля и управления, и устройство для
перемешивания, выполненное с возможностью создания над поверхностью суспензии
микроорганизмов закрученного потока газа с полем скорости потенциального вихря на
периферии емкости, осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между
периферией и центром вихря [6]. Устройство для перемешивания выполнено в виде вен-
тилятора с корпусом, соединенного конфузором с отверстием в верхней части емкости, и
теплообменника, входное отверстие которого соединено с вентилятором, а выходное пат-
рубком - с боковой наружной поверхностью емкости. Теплообменник, соединенный пат-
рубком с боковой наружной поверхностью емкости, выполнен в виде жидкостно-газового
спирального теплообменника с движением в противотоке по отдельным каналам жидкого
теплоносителя от периферии к центру и газа от центра к периферии. Каналы в теплооб-
меннике для газа и патрубке выполнены с одинаковым поперечным сечением и равномер-
ным изгибом. Емкость, конфузор, корпус вентилятора и патрубок выполнены методом
ротационного формования из трехслойного термопластичного материала. Наружный слой
выполнен из полиэтилена, внутренний слой - из графт-сополимера полипропилена и сред-
ний слой - из поропласта.
Признаками аналога по патенту [6], совпадающими с существенными признаками за-
являемой полезной модели, являются герметичная емкость в виде осесимметричного тела
вращения, конфузор, вентилятор, теплообменник и патрубок, установленные последова-
тельно и соединяющие отверстие в верхней части емкости с ее боковой наружной поверх-
ностью.
Недостатком биореактора является то, что применение в нем устройства для измере-
ния интенсивности фотосинтеза при изменении температуры суспензии микроорганизмов
в виде отдельной измерительной камеры с датчиками растворенного O2 и газоанализато-
ров концентрации O2 значительно усложняет конструкцию установки и имеет низкую
оперативность тестирования интенсивности фотосинтеза.
Техническая задача, решаемая в настоящей полезной модели, состоит в повышении
оперативности оценки интенсивности фотосинтеза клеток ФМ при параметрическом
управлении процессами их жизнедеятельности.
Технический результат, получаемый при реализации настоящей полезной модели, со-
стоит в повышении производительности процесса культивирования и уменьшении удель-
ных энергозатрат на процесс культивирования, в возможности создания биореакторов для
промышленного глубинного культивирования ФМ различного объема, в том числе до
30 м3
и более.
Решение задачи достигается тем, что предлагаемый биореактор для промышленного
глубинного культивирования ФМ, содержащий герметичную емкость в виде осесиммет-
ричного тела вращения, устройство для перемешивания, выполненное с возможностью
создания над поверхностью суспензии микроорганизмов закрученного потока газа с по-
лем скорости потенциального вихря на периферии емкости, осевым противотоком в ее
приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря, источник
ФАР, расположенный на поверхности емкости, системы контроля и управления источни-
ком ФАР, газовыми, жидкими и тепловыми потоками, дополнительно содержит устройст-
во для измерения интенсивности флуоресценции, выполненное с возможностью оценки

6. BY 10707 U 2015.06.30
6
природной флуоресценции пигментов клеток микроорганизмов, индуцируемой импуль-
сом источника ФАР во всем объеме суспензии с постоянным потоком излучения, доста-
точным для возбуждения флуоресценции, длительностью, соответствующей длительности
световой фазы фотосинтеза, максимумом длины волны, расположенным в диапазоне от
395 до 500 нм, и адаптацией клеток к темноте перед импульсом и после с длительностью
интервала не менее длительности темновой фазы фотосинтеза.
Устройство для измерения интенсивности флуоресценции содержит датчик флуоресцен-
ции, выполненный в виде фотоумножителя с диапазоном детектирования фотонов, соот-
ветствующим диапазону флуоресценции пигментов, расположенный на корпусе емкости в
ее верхней части, с оптической осью, направленной в центральную часть вихревого коль-
ца суспензии и перпендикулярной ее поверхности, и управляющее вычислительное уст-
ройство, при этом выход датчика соединен с входом вычислительного устройства, а
выходы последнего соединены с входами систем контроля и управления источником ФАР,
газовыми, жидкими и тепловыми потоками.
Как вариант, датчик может быть выполнен в виде микроканальной пластины.
Как вариант, наружная поверхность линзы датчика флуоресценции может быть вы-
полнена из материала, не смачиваемого суспензией с краевым углом смачивания водных
субстратов на твердых поверхностях более 90°.
Полезная модель поясняется фигурами.
На фиг. 1 приведен вид биореактора для промышленного глубинного культивирова-
ния ФМ в разрезе, на фиг. 2 - вид биореактора с устройством для измерения интенсивно-
сти флуоресценции и системами контроля и управления источником ФАР, газовыми,
жидкими и тепловыми потоками, на фиг. 3 - вид биореактора сверху.
Биореактор содержит герметичную емкость 1, перемешивающее устройство, системы
контроля и управления источником ФАР, газовыми, жидкими и тепловыми потоками,
устройство для измерения интенсивности флуоресценции.
Емкость 1 выполнена в виде осесимметричного тела вращения. Внутри емкости 1 рас-
положено соосное тело 2, соединяющее ее дно с верхом. В верхней части емкости 1 в при-
осевой зоне имеется отверстие 3.
Перемешивающее устройство содержит конфузор 4, вентилятор 5, жидкостно-газовый
спиральный теплообменник 6 и патрубок 7. Конфузор 4, вентилятор 5, теплообменник 6 и
патрубок 7 установлены последовательно и соединяют отверстие 3 с боковой наружной
поверхностью 8 емкости 1 выше максимального уровня поверхности 9 суспензии ФМ.
Для управления температурой суспензии система контроля и управления тепловыми
потоками содержит управляющее вычислительное устройство 10, датчик 11 температуры
потока газа, датчик 12 температуры суспензии, регулируемое запорное устройство (ЗУ) 13
подачи горячего теплоносителя, регулируемое ЗУ 14 подачи холодного теплоносителя и
штуцер 15 подачи теплоносителя. Датчик 11 расположен на выходе патрубка 7, датчик 12 -
на теле 2 ниже минимального уровня поверхности 9, штуцер 15 - на входе канала для теп-
лоносителя теплообменника 6. Благодаря такому размещению датчика 12 регистрируется
наиболее точная температура суспензии (на выходе вихревого кольца суспензии на по-
верхность 9). Регулируемые ЗУ 13 и 14 установлены параллельно и соединены с штуце-
ром 15. Входы управляющего вычислительного устройства 10 соединены с датчиками 11
и 12, а выходы - с входами регулируемых ЗУ 13 и 14.
Для управления жидкими потоками система контроля и управления жидкими потока-
ми содержит управляющее вычислительное устройство 16, регулируемое ЗУ 17 подачи
питательных веществ, регулируемое ЗУ 18 подачи жидкости, датчик 19 потока питатель-
ных веществ, датчик 20 потока жидкости, штуцер 21 жидких потоков. Датчики 19 и 20 ус-
тановлены на входе регулируемых ЗУ 17 и 18, штуцер 21 - на наружной поверхности
емкости 1 ниже минимального уровня поверхности 9. Регулируемые ЗУ 17 и 18 установ-
лены параллельно и соединены с штуцером 21. Входы управляющего вычислительного
устройства 16 соединены с датчиками 19 и 20, а выходы - с регулируемыми ЗУ 17 и 18.

7. BY 10707 U 2015.06.30
7
Для управления подачей CO2 система контроля и управления газовыми потоками со-
держит управляющее вычислительное устройство 22, регулируемое ЗУ 23 подачи CO2,
датчик 24 потока CO2 и штуцер 25 подачи CO2. Датчик 24 установлен на выходе регули-
руемого ЗУ 23, штуцер 25 - на входе вентилятора 5. Регулируемое ЗУ 23 соединено с шту-
цером 25. Вход управляющего вычислительного устройства 22 соединен с датчиком 24, а
выход - с регулируемым ЗУ 23.
Источник ФАР выполнен в виде светодиодов 26 с разной мощностью излучения (до
100 Вт и более). Светодиоды 26 имеют разные углы светоотдачи и максимумы длин волн,
соответствующие основным максимумам их поглощения пигментами, участвующими в
фотосинтезе целевого продукта. Расположены светодиоды 26 на боковой наружной по-
верхности 27, внутренней приосевой поверхности 28 емкости 1 ниже минимального уров-
ня поверхности 9 и ее днище 29.
Для управления источником ФАР система контроля и управления источником ФАР
содержит управляющее вычислительное устройство 30. Выход управляющего вычисли-
тельного устройства 30 соединен с светодиодами 26.
Устройство для измерения интенсивности флуоресценции содержит управляющее вы-
числительное устройство 31 и датчик 32 флуоресценции. Датчик 32 выполнен в виде фо-
тоумножителя с диапазоном детектирования фотонов, соответствующим диапазону
флуоресценции пигментов. Расположен датчик 32 в верхней части емкости 1. Оптическая
ось 33 датчика 32 направлена в центральную часть вихревого кольца суспензии ФМ и
перпендикулярна поверхности 9. Входы управляющего вычислительного устройства 31
соединены с датчиком 32 и выходом управляющего вычислительного устройства 30, а вы-
ходы - с входами управляющих вычислительных устройств 10, 16, 22 и 30. Промышлен-
ностью выпускаются фотоумножители с диапазоном детектирования фотонов от 115 до
1700 нм. Как вариант, датчик 32 может быть выполнен в виде микроканальной пластины.
По сравнению с фотоумножителем микроканальная пластина имеет лучшие временные
характеристики, меньшую чувствительность к магнитным полям и небольшие габариты.
Наружные поверхности линз светодиодов 26 и датчика 32 выполнены из светопро-
зрачного материала с краевым углом смачивания водных субстратов на твердых поверх-
ностях 9 более 90°. Такой материал благодаря закрученному потоку газа над поверх-
ностью 9 предотвращает осаждение капель суспензии на поверхности линзы датчика 32 и
благодаря движению вихревого кольца суспензии вдоль линз светодиодов 26 предотвра-
щает нарастание биомассы ФМ на их поверхностях.
Индуцирование флуоресценции осуществляется после адаптации к темноте клеток
всей суспензии ФМ импульсом всех светодиодов 26. Длительность интервала адаптации
составляет не менее длительности темновой фазы фотосинтеза. Импульс имеет постоянный
поток излучения, достаточный для возбуждения флуоресценции, и длительность, соответ-
ствующую длительности световой фазы фотосинтеза. После импульса осуществляется
адаптация клеток к темноте, длительность интервала которой соответствует длительности
темновой фазы фотосинтеза. Такая адаптация полностью разгружает электронно-транс-
портная цепь фотосинтеза от электронов и отключает механизмы, регулирующие первич-
ные процессы фотосинтеза. При включении импульса запускаются как световые, так и
темновые реакции, регулирующие фотосинтетические процессы. Чем короче импульс, тем
меньше время, через которое можно подавать следующий импульс без изменения фото-
синтетического аппарата. Максимум длины волны импульса расположен в диапазоне от
395 до 500 нм, так как при ультрафиолетовом облучении многие природные флуоресци-
рующие вещества (витамины A, B2 и др.) и пигменты (липофусцины, хлорофилл и др.)
претерпевают фотохимические изменения и перестают флуоресцировать.
Биореактор работает следующим образом.
Управляющее вычислительное устройство 16 с помощью датчика 20 и регулируемого
ЗУ 18 в заданном количестве вводит подготовленную воду в емкость 1, затем с помощью

8. BY 10707 U 2015.06.30
8
датчика 19 через регулируемое ЗУ 17 вводит жидкую питательную среду, содержащую
необходимые питательные компоненты, и устанавливает заданный расход питательной
жидкости.
Вентилятор 5 направляет поток газа из верхней части емкости 1 через отверстие 3,
конфузор 4, теплообменник 6, патрубок 7 и поверхность 8 на внутреннюю периферию ем-
кости 1. Над поверхностью 9 образует закрученный поток газа, который за счет трения на
границе раздела фаз газ - жидкость и разницы давления между периферией и центром га-
зового вихря обеспечивает движение жидкости в виде вихревого кольца с одновременным
нисходящим направлением на ее периферии и восходящим в его приосевой зоне.
Управляющее вычислительное устройство 10 с помощью регулируемых ЗУ 13,14 и
датчика 11 подает теплоноситель на вход теплообменника 6 с таким расходом и темпера-
турой, чтобы температура потока газа на выходе патрубка 7 соответствовала заданной
температуре суспензии ФМ. Необходимая для нагрева жидкости энергия подводится по
всей поверхности 9 и за счет трения на границе раздела фаз газ - жидкость обеспечивает
эффективный теплообмен. Жидкость нагревается до заданной температуры культивиро-
вания ФМ, которая контролируется датчиком 12.
Затем управляющее вычислительное устройство 16 с помощью регулируемого ЗУ 18 и
датчика 20 в заданном количестве вводит в емкость 1 суспензию ФМ до достижения не-
обходимой исходной плотности. Происходит перемешивание.
Управляющее вычислительное устройство 22 с помощью регулируемого ЗУ 23 и дат-
чика 24 устанавливает заданный расход CO2 и подает его на вход вентилятора 5. Вентиля-
тор 5 равномерно смешивает CO2 с проходящим газовым потоком и направляет его в
теплообменник 6. В теплообменнике 6 CO2 нагревается до заданной температуры культи-
вирования суспензии ФМ. Далее газовый вихрь переносит CO2 к поверхности 9 и за счет
трения на границе раздела фаз газ - жидкость обеспечивает его высоэффективный массо-
обмен непосредственно с клетками ФМ, при этом отводит выделяемый клетками 02.
Управляющее вычислительное устройство 30, изменяя ток, проходящий через кри-
сталлы светодиодов 26, устанавливает заданную интенсивность излучения ФАР в виде
импульсов с заданной длительностью, при этом между ними подается импульс для индук-
ции флуоресценции в клетках ФМ. Этот импульс осуществляется всеми светодиодами 25
с максимумом длины волны излучения в диапазоне от 395 до 500 нм. После импульса для
индукции флуоресценции осуществляется адаптация клеток к темноте. Такая адаптация
полностью разгружает электронно-транспортную цепь фотосинтеза от электронов и от-
ключает механизмы, регулирующие первичные процессы фотосинтеза. При включении
импульса ФАР запускаются как световые, так и темновые реакции, регулирующие фото-
синтетические процессы. Момент начала и окончания импульса для индукции флуорес-
ценции управляющее вычислительное устройство 30 передает на управляющее
вычислительное устройство 31.
Управляющее вычислительное устройство 31 с помощью датчика 32 регистрирует фо-
тоны флуоресценции клеток ФМ в течение всей длительности импульса для индукции
флуоресценции, определяет начальную интенсивность флуоресценции FO, максимальную
интенсивность флуорисценции FM, рассчитывает отношение FV/FM при каждом импульсе
и передает информацию на управляющие вычислительные устройства 10, 16, 22 и 30.
Управление температурой суспензии ФМ, потоком CO2, интенсивностью излучения
ФАР и потоком питательной среды, осуществляется следующим образом.
Управление температурой суспензии.
Шаг 1. Управляющее вычислительное устройство 10 устанавливает температуру сус-
пензии T1, при этом расход CO2, интенсивность излучения ФАР и расход питательной
среды постоянны.
Шаг 2. Управляющее вычислительное устройство 31 рассчитывает отношение
(FMT1-FOT1)/FMT1 = FVT1/FMT1,

9. BY 10707 U 2015.06.30
9
где FOT1 - начальная интенсивность флуоресценции при температуре суспензии T1, FMT1 -
максимальная интенсивность флуоресценции при температуре суспензии T1.
Шаг 3. Управляющее вычислительное устройство 10 устанавливает температуру сус-
пензии T2, при этом расход CO2, интенсивность излучения ФАР и расход питательной
среды постоянны.
Шаг 4. Управляющее вычислительное устройство 31 рассчитывает отношение
(FVT1-FMT2)/FMT2 = FOT2/FMT2,
где FOT2 - начальная интенсивность флуоресценции при температуре суспензии T2; FMT2 -
максимальная интенсивность флуоресценции при температуре суспензии T2.
Шаг 5. Управляющее вычислительное устройство 31 рассчитывает частную производ-
ную
∂(FV/FM)/∂T = (FVT2/FMT2-FVT1/FMT1)/(T2-T1),
где ∂(Fv/FM)/∂T - частная производная отношения разности максимальной интенсивности
флуоресценции FM и начальной интенсивности флуоресценции FO к максимальной интен-
сивности флуоресценции FM по температуре.
Шаг 6. Управляющее вычислительное устройство 10 изменяет температуру суспензии
так, чтобы фотосинтез был на максимальном уровне: увеличивает температуру суспензии,
если частная производная ∂(FV/FM)/∂T > 0, уменьшает температуру суспензии, если част-
ная производная ∂(FV/M)/∂T ≅ 0, при этом температура суспензии T1 по отношению к тем-
пературе суспензии T2 является предыдущей по времени, и после следующего шага
изменения температура суспензии T2 становится T1.
Управление расходом CO2.
Шаг 1. Управляющее вычислительное устройство 22 устанавливает расход CO2 q1, при
этом температура суспензии, интенсивность излучения ФАР и расход питательной среды
постоянны.
Шаг 2. Управляющее вычислительное устройство 31 рассчитывает отношение
(FVq1/FMq1)=(FMq1-FOq1)/FMq1,
где FOq1 - начальная интенсивность флуоресценции при расходе CO2 q1; FMql - максималь-
ная интенсивность флуоресценции при расходе CO2 q1.
Шаг 3. Управляющее вычислительное устройство 22 устанавливает расход CO2 q2, при
этом температура суспензии, интенсивность излучения ФАР и расход питательной среды
постоянны.
Шаг 4. Управляющее вычислительное устройство 31 рассчитывает отношение
(FVq2/FMq2)=(FMq2-FOq2)/FMq2,
где FOq2 - начальная интенсивность флуоресценции при расходе CO2 q2; FMq2 - максималь-
ная интенсивность флуоресценции при расходе CO2 q2.
Шаг 5. Управляющее вычислительное устройство 31 рассчитывает частную производ-
ную
∂(Fv/FM)/∂q = (FVq2/FMq2-FVql/FMq1)/(q2-q1),
где ∂(Fv/FM)/∂q - частная производная отношения разности максимальной интенсивности
флуоресценции FM и начальной интенсивности флуоресценции FO к максимальной интен-
сивности флуоресценции FM по расходу CO2.
Шаг 6. Управляющее вычислительное устройство 22 изменяет расход CO2 так, чтобы
фотосинтез был на максимальном уровне: увеличивает расход CO2, если частная произ-
водная ∂(FV/FM)/∂q > 0, уменьшает расход CO2, если частная производная ∂(FV/FM)/∂q ≅ 0,
при этом расход CO2 q2 по отношению к расходу CO2 q2 является предыдущим по време-
ни, и после следующего шага изменения расход CO2 q2 становится q1.
Управление интенсивностью излучения ФАР.
Шаг 1. Управляющее вычислительное устройство 30 устанавливает интенсивность из-
лучения ФАР I1, при этом температура суспензии, расход CO2 и расход питательной среды
постоянны.

10. BY 10707 U 2015.06.30
10
Шаг 2. Управляющее вычислительное устройство 31 рассчитывает отношение
(FVI1/FMI1)=(FMI1-FOI1)/FMI1,
где FOI1 - начальная интенсивность флуоресценции при интенсивности излучения ФАР I1;
FMI1 - максимальная интенсивность флуоресценции при интенсивности излучения ФАР I1.
Шаг 3. Управляющее вычислительное устройство 30 устанавливает интенсивность из-
лучения ФАР I2, при этом температура суспензии, расход СО2 и расход питательной среды
постоянны.
Шаг 4. Управляющее вычислительное устройство 31 рассчитывает отношение
(FVI2/FMI2)=(FMI2-FOI2)/FMI2,
где FOI2 - начальная интенсивность флуоресценции при интенсивности излучения ФАР I2;
FMI2 - максимальная интенсивность флуоресценции при интенсивности излучения ФАР I2.
Шаг 5. Управляющее вычислительное устройство 31 рассчитывает частную производ-
ную
∂(FV/FM)/∂I = (FVI2/FMI2-FVI1/FMI1)/(I2-I1),
где ∂(FV/FM)/∂I - частная производная отношения разности максимальной интенсивности
флуоресценции FM и начальной интенсивности флуоресценции FO к максимальной интен-
сивности флуоресценции FM по интенсивности излучения ФАР.
Шаг 6. Управляющее вычислительное устройство 30 изменяет интенсивность излуче-
ния ФАР так, чтобы фотосинтез был на максимальном уровне: увеличивает интенсивность
излучения ФАР, если частная производная ∂(FV/FM)/∂I > 0, уменьшает интенсивность из-
лучения ФАР, если частная производная ∂(FV/FM)/∂I ≅ 0, при этом интенсивность излуче-
ния ФАР I1 по отношению к интенсивности излучения ФАР I2 является предыдущим по
времени, и после следующего шага изменения интенсивность излучения ФАР I2 становит-
ся I1.
Управление расходом питательной среды.
Шаг 1. Управляющее вычислительное устройство 16 устанавливает расход питатель-
ной среды p1, при этом температура суспензии, интенсивность излучения ФАР и расход
CO2 постоянны.
Шаг 2. Управляющее вычислительное устройство 31 рассчитывает отношение
(FVp1/FMp1)=(FMp1-FOp1)/FMp1,
где FOp1 - начальная интенсивность флуоресценции при расходе питательной среды p1;
FMp1 -максимальная интенсивность флуоресценции при расходе питательной среды p1.
Шаг 3. Управляющее вычислительное устройство 16 устанавливает расход питатель-
ной среды p2, при этом температура суспензии, интенсивность излучения ФАР и расход
CO2 постоянны.
Шаг 4. Управляющее вычислительное устройство 31 рассчитывает отношение
(FVp2/FMp2)=(FMp2-FOp2)/FMp2,
где FOp2 - начальная интенсивность флуоресценции при расходе питательной среды р2;
FMp2 - максимальная интенсивность флуоресценции при расходе питательной среды p2.
Шаг 5. Управляющее вычислительное устройство 31 рассчитывает частную производ-
ную
∂(Fv/FM)/∂p = (FVp2/FMp2-FVp1/FMq1)/(p2-p1),
где ∂(FV/FM)/∂p - частная производная отношения разности максимальной интенсивности
флуоресценции FM и начальной интенсивности флуоресценции FO к максимальной интен-
сивности флуоресценции FM по расходу питательной среды.
Шаг 6. Управляющее вычислительное устройство 16 изменяет расход питательной
среды так, чтобы фотосинтез был на максимальном уровне: увеличивает расход питатель-
ной среды, если частная производная ∂(FV/FM)/∂p > 0, уменьшает расход питательной сре-
ды, если частная производная ∂(FV/FM)/∂p ≅ 0, при этом расход питательной среды p1 по
отношению к расходу питательной среды p2 является предыдущим по времени, и после
следующего шага изменения расход питательной среды p2 становится p1.

11. BY 10707 U 2015.06.30
11
Таким образом устройство для измерения интенсивности флуоресценции позволяет
оперативно с высокой чувствительностью без какого-либо повреждения диагностировать
состояние клеток ФМ непосредственно в среде их обитания и поддерживать максималь-
ное значение интенсивности фотосинтеза путем управления температурой суспензии ФМ,
интенсивностью излучения ФАР, потоками CO2 и питательной жидкости.
Биореактор работает при периодическом, полунепрерывном и непрерывном способах
глубинного культивирования ФМ.
Таким образом, предлагаемый по полезной модели биореактор для промышленного
глубинного культивирования ФМ позволяет повысить производительность процесса их
культивирования, уменьшить энергозатраты на процесс культивирования, позволяет соз-
давать биореакторы различного объема, в том числе до 30 м3
и более.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.