Регистрация / Вход
Прислать материал

РАСЧЁТ КПД ФОТОБИОСИНТЕЗА В НАКОПИТЕЛЬНОЙ КУЛЬТУРЕ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ

Сведения об участнике
ФИО
Евстигнеева Анна Владиславовна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Севастопольский государственный университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Агро-, био- и производственные технологии
Раздел области наук
Земледелие и растениеводство
Тема
РАСЧЁТ КПД ФОТОБИОСИНТЕЗА В НАКОПИТЕЛЬНОЙ КУЛЬТУРЕ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ
Резюме
В наши дни микроводоросли активно культивируются по всему миру, используются в качестве пищевой добавки и самостоятельного продукта. Одной из ценных культур является Spirulina, которая хранит в себе множество веществ, необходимых человеку для оптимальной жизнедеятельности. В состав Spirulina входит более чем 2000 витаминов, минералов, ферментов. Для оценки эффективности и производительности систем культивирования важным является расчет КПД фотобиосинтеза, чему и посвящена данная работа. Для рассчета КПД фотобиосинтеза накопительной культуры был выбран линейный участок роста, который характеризуется постоянной скоростью прироста биомассы и выступает некой средней величиной.
Ключевые слова
КПД,ФОТОБИОСИНТЕЗ,НАКОПИТЕЛЬНАЯ КУЛЬТУРА,МИКРОВОДОРОСЛИ
Цели и задачи
Целью данной работы являлось определение величины КПД фотобиосинтеза накопительной культуры низших фотоавтотрофов на линейном участке роста.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследовать рост одного из биотехнологически ценных видов микроводорослей в условиях накопительной культуры;
2. Определить величину максимальной продуктивности на линейном участке роста;
3. По данному спектру ламп и освещенности определить количество световой энергии, падающей на рабочую поверхность фотобиореактора;
4. Исследовать спектр поглощения культуры, рассчитать долю поглащаемой световой энергии;
5. Определить величину КПД фотобиосинтеза.
Введение

Исследования микроводорослей были начаты около ста лет назад и к настоящему времени привели к впечатляющим успехам в области управляемого культивирования клеток. Оказалось, что микроводоросли синтезируют огромное количество уникальных биологически активных веществ, имеющих   бесценный прикладной потенциал [2]. При интенсивном культивировании микроводорослей возникает необходимость расчёта КПД фотобиосинтеза как основного критерия эффективности использования световой энергии клетками микроводорослей [1]. Также немаловажным является учёт КПД фотобиосинтеза при разработке систем культивирования, расчёта производительности системы культивирования, при использовании различного рода источников облучения суспензии клеток и т. п.

 

Методы и материалы

Объектом исследования использовалась сине-зелёная водоросль Arthrospira (Spirulina) platensis из коллекции культур ИМБИ РАН. Работа выполнена на базе лаборатории молекулярной и клеточной биофизики СГУ. В эксперименте водоросли выращивали методом накопительных культур [3]. Рабочий объём суспензии в культиваторе составлял 1 литр. Освещаемая поверхность составляла 0,059 м2. Водоросли выращивали в условиях круглосуточного одностороннего освещения, средняя освещённость рабочей поверхности культиватора составляла 6 клк. Суспензию микроводорослей барботировали воздухом со скоростью 0,5 л воздуха в минуту на 1 литра культуры. Температуру культуры в эксперименте поддерживали на постоянном уровне 27-29°С.

Для выращивания культур использовали культиватор плоско-параллельного типа из стекла, который имел форму параллелепипеда со скошенным дном. В ходе выполнения исследования нами измерялись следующие величины: 1. Пропускание на КФК-2 при длине волны 750 нм, T750, %, с переходом к величине оптической плот­ности, D750, ед, опт, пл. D750 = —log (T/100). 2. Температура, t0C, 3. Освещенность, клк.

Описание и обсуждение результатов

КПД фотобиосинтеза есть отношение двух величин: запасённой (Ех) и поглощённой клетками микроводорослей световой энергии (Еп) [1].

Величина Ех определяется произведением прироста биомассы X и её калорийностью R.

Для определения количества поглощённой световой энергии используется закон Бугера-Ламберта-Бера. Для разных длин волн светового потока величина asp зависит от спектра культуры. Поэтому, чтобы найти суммарную величину необходимо просуммировать значения asp для каждой длины волны из области ФАР. Поглощённую энергию, с учётом площади освещаемой поверхности S, получим, перемножая величину интенсивности поверхностной радиации E0 и коэффициент поглощения.

Для определения максимальной продуктивности была проанализирована линейная фаза роста, которая продолжалась со вторых по шестые сутки. Аппроксимация линейного участка позволяет определить величину Pm. Максимальная продуктивность спирулины в данных условиях составляет 0,23 г сухого вещества с литра культуры в сутки.

Исходными данными для расчета Е0 является определенная ранее поверхностная освещенность культиватора площадью S=0,059 м2, равная Еv=6 клк. Также нам известно, что при культивировании спирулины в качестве источника освещения использовалась система освещения, состоящая из люминесцентных 18-ти ватных ламп Philips Daylight 54-765.

Подставляя полученное значение характеристики источника света N и величину освещённости 6000 лк рабочей поверхности культиватора, находим облученность Eв:

              Eв=1,464*10-3*N*Ev=1,464*10-3*2,2468*6000=19,735 Вт/м2.

Наконец, учитывая площадь освещаемой поверхности культиватора, имеем:

                     Ев*S=19,735*0,059=1,16 Вт.                    

Следовательно, на рабочую поверхность культиватора падает 1,16 Вт световой энергии в видимом диапазоне.

Калорийность 1 грамма абсолютно сухой биомассы S. platensis составляет 4,982 ккал. Для перевода единиц ккал в кДж используют коэффициент 4,1868 [4], т. е. калорийность 1 грамма биомассы R = 4,982 * 4,1868 = 20,859 кДж.

Таким образом, за одни сутки с учетом объема культиватора 1 л прирастает 0,23 г/сут.

Найдем запасенную за сутки культурой энергию. Для этого умножим калорийность биомассы на полученный суточный прирост:

Ex = 20.859 * 0.23 = 4,79 кДж

Поглощённая энергия Еп с учетом площади рабочей поверхности S и интенсивности поверхностной радиации Е0 равна:

Еп = Е0*S*t*α = 1,16*86400*0,781 = 78,275 кДж

где t – количество секунд в сутках.

Окончательно, КПД фотобиосинтеза получится:

КПД = 100% *4,79/78,275 = 6 %.

Таким образом, полученное значение КПД фотобиосинтеза составляет около 6%. Следует отметить, что это значение получено для линейной фазы роста, следовательно, является некоторым средним значением для накопительной культуры в данных условиях.

Используемые источники
1. Геворгиз Р. Г., Шматок М. Г., Лелеков А. С. Расчёт КПД фотобиосинтеза у низших фототрофов. 1. Непрерывная культура. // Экология моря. – 2005. – Вып. 70. – C. 31-36.
2. Одноклеточные водоросли как возобновляемый биологический ресурс: обзор / Г. С. Минюк, И. В. Дробецкая, И. Н. Чубчикова [и др.] // МЭЖ. – 2008. – Т. 8, № 2. – С. 5 – 23.
3. Тренкеншу Р. П. Простейшие модели роста микроводорослей. 1. Периодическая культура / Р. П. Тренкеншу // Экология моря. – 2005. – Т. 67. – С. 89 – 97.
4. Monod J. The growth of bacterial cultures / J. Monod // Ann. Rev. Microbiol. – 1949. – Vol. 3. – P. 371 – 394.
Information about the project
Surname Name
Evstigneeva Anna
Project title
CALCULATION OF EFFICIENCY OF PHOTOBIONTS IN THE CUMULATIVE CULTURE OF MICROALGAE
Summary of the project
In our days of active microalgae are cultivated worldwide, used as a dietary Supplement and a standalone product. One of the valuable crop is Spirulina, which keeps many substances necessary for the person for optimal functioning. The composition of the Spirulina includes more than 2000 vitamins, minerals, enzymes. To assess the efficiency and productivity of culture systems is important to calculate the efficiency of photobionts, which is devoted to this work. To calculate the efficiency of photobionts the accumulation of culture was chosen, a linear growth phase, which is characterized by a constant growth rate of biomass and acts as a kind of average value.
Keywords
EFFICIENCY,PHOTOBIONTS,CUMULATIVE CULTURE,MICROALGAE