Очерк эволюции фотобиореакторов

На самых ранних этапах развития современной микробиологии, когда естествоиспытатели стали работать с чистыми культурами микроорганизмов, они обратили внимание на внешние – фенотипические – изменения колоний изучаемых объектов, связанные с изменениями условий их культивирования. Скажем, цвет отдельных колоний некоторых бактерий и грибов изменялся, если микроорганизмы выращивались (или инкубировались после выращивания) не в темноте термостата, а на свету.

По мере развития микробиологии до промышленного уровня накопилось множество данных, позволявших использовать дополнительное интенсивное освещение на благо экспериментаторов и производственников. Две основных мотивировки использования освещения при культивировании микроорганизмов можно сформулировать как:

а) подведение дополнительной энергии клеткам выращиваемых культур, и/или

б) стимуляция конкретных метаболических светозависимых биосинтетических процессов.

В любом случае человек стал создавать приемлемую и по возможности более эффективную систему освещения биотехнологического объекта в аппаратных условиях.

Как же происходила эволюция принципов или способов освещения культивируемых микроорганизмов?

Сначала (особенно на уровне исследовательских лабораторий) всё было просто – рядом с чашкой Петри, пробиркой или колбой ставили лампы и включали их в сеть. Разумеется тут же обнаружили, что есть эффект дозы – при неравномерном освещении отдельных объектов о сопоставлении получаемых результатов не могло быть и речи.

Вскоре появились два логически оправданных решения проблемы – следить за симметричным расположением объектов относительно источника света или тупо увеличивать освещённость (рис.1). До сих пор во множестве лабораторий в мире поклонники первого пути ежедневно перемещают свои чашки Петри или колбы в зоне освещения. Второй путь потребовал перерасхода электроэнергии. Например, в одной из наших установок среди рекомендуемых для освещения водорослей ламп – металлогалогеновых, галогеновых и натриевых высокого давления – была выбрана лучшая, ДНат-400. В 10-литровом аппарате для культивирования хлореллы она «съедает» 82% энергии (на перемешивание остаётся 18%). Но энерготраты, особенно в лабораторных условиях, не так важны, как задача борьбы с перегревом живых клеток.

Проблемы стали острее с переходом на полупромышленный и промышленный уровни получения целевых продуктов в светозависимых технологических процессах. Началась эра разработки аппаратов для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, получивших гордое трёхэтажное название фотобиореакторов (ФБР).

Посыпались патенты, статьи, регламенты… Но до сих пор разработка фотобиореакторов для автотрофного и гетеротрофного культивирования светочувствительных микроорганизмов остаётся актуальной проблемой.

При этом следует решить три основные задачи:

а) добиться требуемого уровня освещения клеток культивируемого микроорганизма,

б) добиться требуемого уровня аэрации культуры,

в) обеспечить максимальную степень однородность обеспечения каждой клетки культуры по этим двум параметрам.

Наиболее традиционным методом конструктивного решения данных задач является использование рабочих ёмкостей аппаратов, изготовленных из прозрачных материалов с расположением требуемого количества источников света снаружи. В таких случаях перемешивание и аэрация культуры производятся традиционными способами.

До сих пор разнокалиберные плоские конструкции (рис.2) очень популярны в лабораториях, занимающихся исследованием, например, галобактерий.


Частным случаем подобных конструкций являются трубчатые аппараты, в том числе использующие солнечное освещение (рис.3).


Существовали даже «мобильные ФБР», смонтированные на грузовиках и предназначенные для перемещения по просторам земли с целью выявления мест, обеспечивающих наилучший режим инсоляции и, следовательно, максимальной биологической продуктивности.


К этому же классу фотобиореакторов можно отнести металлические аппараты, оборудованные фотоячейкой – выносным прозрачным освещаемым объёмом, через который постоянно прокачивается культуральная жидкость с клетками выращиваемого микроорганизма.

Появление лазерных источников освещения в конце прошлого века породило множество исследований, нацеленных на определение перспективности использования когерентного излучения в биотехнологии. С точки зрения систематики фотобиореакторов, аппараты, оснащённые лазерами, можно отнести к всё тому же первому типу – ФБР с внешним источником.

Но эволюция способов подведения света к клеткам биологических объектов продолжалась. Появилось много конструкций аппаратов с источниками света, расположенными непосредственно внутри рабочих ёмкостей. В этих ФБР вертикальные трубчатые лампы искусственного света установлены непосредственно в рабочей ёмкости и дополнительно служат отражательными перегородками (рис.4). В качестве примера давно и эффективно используемой конструкции можно привести отечественный аппарат, защищённый авторским свидетельством SU 1570678 А1 (1979). Обычные лопастные мешалки обеспечивают высокую кратность обновления освещённого слоя суспензии за счёт увеличения числа Рейнольдса (отношения сил инерции к силам вязкости) в перемешиваемой жидкости, в результате чего режим течения из ламинарного становится турбулентным.

Настоящим прорывом в деле конструирования фотобиореакторов явилась разработка также отечественного аппарата – SU 1828660 А3 (1981), исходно предназначенного для выращивания водоросли с нежными клеточными стенками – спирулины.

Принципиальное отличие аппарата, разработанного под руководством В.А.Жаворонкова, состоит в использовании гибких мешалок, закреплённых между двумя горизонтально расположенными дисками (рис.5).

Вращение такого перемешивающего устройства обеспечивает образование воздушной полости в центре ёмкости аппарата за счёт усиления центробежного перемещения культуральной жидкости. В этой полости располагаются электрические лампы, заключённые в светопрозрачный двустенный кожух. В полости между двойными стенками циркулирует жидкость, служащая хладагентом для мощных натриевых ламп. В настоящее время фотобиореакторы с гибкими мешалками успешно используются при культивировании различных микроводорослей и светочувствительных бактерий. Вместе с тем, хотя полостные ФБР такой конструкции и признаны наиболее экономичными, нельзя не отметить относительную сложность конструкции системы освещения и охлаждения ламп, а также ограничения рабочих объёмов при использовании режима высокоплотного культивирования.

Следующий скачок в эволюции ФБР связан с появлением светодиодов и их широчайшими потенциальными возможностями. Очевидно, что светодиоды являются реальной альтернативой традиционным источникам света, в том числе и для переноса световой энергии к клеткам микроорганизмов в процессе их культивирования. Осветительные устройства на базе светодиодов обладают уникальными технологическими преимуществами. Их размер составляет лишь несколько миллиметров; типичный светодиод потребляет ток 15-20мА при рабочем напряжении несколько вольт постоянного тока.

За последние годы эффективность светодиодов существенно возросла: в декабре 2006 года фирма Nichia анонсировала новые светодиоды белого свечения с эффективностью светоотдачи 150 люмен/ватт. У ламп накаливания этот показатель на порядок ниже – 10-15 лм/Вт, у люминесцентных ламп – 90 лм/Вт. Даже у лучшего по эффективности среди традиционных источников света, натриевых ламп высокого давления, максимальная светоотдача – около 130 лм/Вт. Телесные углы светодиодов также растут. Монохроматическое излучение светодиодов способствует высокой насыщенности цвета, коэффициент цветопередачи Ra у белых светодиодов превышает 80 (у идеального светильника, полностью имитирующего солнечный спектр, Ra=100, у галогенных и лучших образцов люминесцентных ламп Ra>90).

Все эти замечательные свойства светодиодов пришлись как нельзя более кстати для использования в биотехнологии. В настоящее время строится полупромышленный фотобиореактор с перемешивающим устройством, основанным на модифицированной конструкции Жаворонкова – два параллельных диска, между которыми натянуты эластичные прозрачные пластиковые трубки, содержащие цепочки светодиодов (световые жгуты), подключённых к электропитанию постоянным током.

При вращении перемешивающего устройства световые жгуты постоянно находятся в толще культуральной жидкости. Применение световых жгутов позволяет подводить требуемое освещение непосредственно к клеткам выращиваемой культуры. Количество световых жгутов, количество и типы светодиодов в них подбираются в соответствии с «пожеланиями» объекта культивирования и другими необходимыми технологическими условиями. Дополнительные световые жгуты могут быть расположены также на внутренней поверхности рабочей камеры ФБР. При этом вертикальное расположение световых жгутов несколько улучшает перемешивание культуральной жидкости за счёт усиления центробежного перемещения части циркулярного потока. Важным достоинством данной конструкции является отсутствие необходимости использовать сложные и хрупкие конструкции в светопрозрачных защитных кожухах, как у предшественников.

А что дальше? Не можем же мы считать, что последняя конструкция идеальна! Полагаю, эволюция ФБР продолжится в направлении миниатюризации источников света. В самом деле, для равномерного подведения света к каждой клетке в требуемом количестве удобно использовать источники, равномерно распределённые в культуральной жидкости. Представьте себе прозрачные полимерные «горошины», несущие светодиоды на поверхности и миниатюрные аккумуляторы внутри – на правах автора назовём эти штучки светосферами. Они могут перемещаться во всей толще культуральной жидкости и освещать клетки вокруг себя. По-видимому, при необходимости можно будет перенастраивать цвет светодиодов на требуемую длину волны (или выключать одни и включать другие). Поскольку размер светосфер существенно больше размеров клеток, их разделение не вызовет проблем. Стерилизация поверхности светосфер и подзарядка аккумуляторов – также дело техники.

И, кроме того, «…это красиво…».

Об авторе:
Складнев Дмитрий Анатольевич – доктор биологических наук, окончил биологический факультет МГУ, 33 года работает в ГосНИИгенетика (ранее – Всесоюзный НИИ генетики промышленных микроорганизмов). В настоящее время занимается вопросами биотехнологии стабильных изотопов, а также культур галобактерий для получения промышленно полезных продуктов, в частности – бактериородопсина.

Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/