Содержание
Иллюстрации - 3
Таблицы и схемы - 2
Роль систем облучения в биотехнологии фототрофных микроорганизмов «Светотехника», 2024, №5

Журнал «Светотехника» №5 2024

Дата публикации 11/10/2024
Страница 4-14

Купить PDF - ₽500

Роль систем облучения в биотехнологии фототрофных микроорганизмов «Светотехника», 2024, №5
Авторы статьи:
Сергеева Яна Эдуардовна, Сухинов Даниил Владиславович, Готовцев Павел Михайлович

Сергеева Яна Эдуардовна, кандидат хим. наук. Окончила в 1998 г. Московскую государственную академию тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова. Старший научный сотрудник НИЦ «Курчатовский институт», старший преподаватель Московского физико-технического института (национального исследовательского университета). Область научных интересов: микробиология, биохимия

Сухинов Даниил Владиславович, аспирант. Окончил в 2021 г. Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет). Научный сотрудник НИЦ «Курчатовский институт». Область научных интересов: астробиология, биофизика, биохимия

Готовцев Павел Михайлович, кандидат техн. наук. Окончил в 2005 г. Московский энергетический институт (технический университет). Заведующий лабораторией НИЦ «Курчатовский институт», доцент Московского физико-технического института (национального исследовательского университета). Область научных интересов: биофизика, биоэлектроника

Аннотация
В настоящее время в мире активно развивается направление биотехнологии, связанное с использованием биомассы фототрофных микроорганизмов (микроводорослей и цианобактерий), из которой можно получать множество различных продуктов – от фармацевтических и косметических субстанций до моторных биотоплив и удобрений. Немаловажен и тот факт, что фототрофные микроорганизмы в процессе роста потребляют углекислый газ и производят кислород, причём делают это эффективнее высших растений. Таким образом, технологии с их использованием оказывают существенное позитивное влияние на климат. Источник энергии для жизнедеятельности фототрофных микроорганизмов – оптическое излучение, естественное и/или искусственное. Использование искусственного облучения в качестве основного или в комбинации с естественным позволяет повышать эффективность процессов культивирования фототрофных микроорганизмов. В данной статье рассмотрены основные решения по созданию фотобиореакторных систем, использующих искусственное облучение. Представлены данные по основным облучательным устройствам, используемым в данных системах, и базовая информация о требованиях к ним с учётом специфики культивируемых микроорганизмов и содержащихся в них пигментов. Показано, что на сегодня современные решения в области светотехники могли бы повысить эффективность фотобиореакторных систем, особенно при их применении в городских условиях.
Список использованной литературы
1. Masojídek J., Lhotský R., Štěrbová K., Zittelli G.C., Torzillo G. Solar bioreactors used for the industrial production of microalgae // Applied Microbiology and Biotechnology. – 2023. – Vol. 107. – P. 6439–6458.
2. Tanvir R.U., Zhang J., Canter T., Chen D., Lu J., Hu Z. Harnessing solar energy using phototrophic microorganisms: A sustainable pathway to bioenergy, biomaterials, and environmental solutions // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2021. – Vol. 146. – 11181.
3. Sukhinov D.V., Gotovtsev P.M., Sergeeva Y.E. Phototrophic microorganisms in bioregenerative life support systems for long-term crewed expeditions: Prospects and challenges // Acta Astronautica. – 2023. – Vol. 211. – P. 518–538.
4. Xiao L., He Z. Applications and perspectives of phototrophic microorganisms for electricity generation from organic compounds in microbial fuel cells // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2014. – Vol. 37 – P. 550–559.
5. Bezerra R.P., Montoya E.Y.O., Sato S., Perego P., de Carvalho J.C.M., Converti A. Effects of light intensity and dilution rate on the semicontinuous cultivation of Arthrospira (Spirulina) platensis. A kinetic Monod-type approach // Bioresource Technology. – 2011. – Vol. 102(3). – P. 3215–3219.
6. Wan Mahari W.A., Wan Razali W.A., Waiho K., Wong K.Y., Foo S.S., Kamaruzzan A.S., Derek C.J.C., Ma N.L., Chang J.S., Dong C. Di, Chisti Y., Lam S.S. Light-emitting diodes (LEDs) for culturing microalgae and cyanobacteria // Chemical Engineering Journal. – 2024. – Vol. 485–149619.
7. Carvalho A.P., Silva S.O., Baptista J.M., Malcata F.X. Light requirements in microalgal photobioreactors: An overview of biophotonic aspects // Applied Microbiology and Biotechnology. – 2011. – Vol. 89(5). – P. 1275–1288. DOI: 10.1007/s00253‑010‑3047‑8.
8. Béchet Q., Shilton A., Guieysse B. Modeling the effects of light and temperature on algae growth: State of the art and critical assessment for productivity prediction during outdoor cultivation // Biotechnology Advances. – 2013. – Vol. 31(8). – P. 1648–1663.
9. Dagnino-Leone J., Figueroa C.P., Castañeda M.L., Youlton A.D., Vallejos-Almirall A., Agurto-Muñoz A., Pavón Pérez J., Agurto-Muñoz C. Phycobiliproteins: Structural aspects, functional characteristics, and biotechnological perspectives // Computational and structural biotechnology journal. – 2022. – Vol. 20. – P. 1506–1527.
10. Guedes V.C., Palma G.M., Horta A.C.L. An evaluation of light wavelengths, intensity and control for the production of microalgae in photobioreactors: a review // Brazilian Journal of Chemical Engineering. – 2023.
11. Furmaniak M.A., Misztak A.E., Franczuk M.D., Wilmotte A., Waleron M., Waleron K.F. Edible cyanobacterial genus Arthrospira: Actual state of the art in cultivation methods, genetics, and application in medicine // Frontiers in Microbiology. – 2017. – Vol. 8.
12. Zarrouk C. Contribution to the study of a cyanophyceae: influence of various physical and chemical factors on the growth and photosynthesis of Spirulina maxima / University of Paris Thesis. – Université de Paris, 1966. – 109 p.
13. Kumar M., Kulshreshtha J., Singh G.P. Growth and biopigment accumulation of cyanobacterium Spirulina platensis at different light intensities and temperature. // Brazilian journal of microbiology. – 2011. – Vol. 42(3). – P. 1128–1135.
14. Markou G., Chatzipavlidis I., Georgakakis D. Effects of phosphorus concentration and light intensity on the biomass composition of Arthrospira (Spirulina) platensis // World journal of microbiology & biotechnology. – 2012. – Vol. 28(8). – P. 2661–2670.
15. Chen C.Y., Kao P.C., Tsai C.J., Lee D.J., Chang J.S. Engineering strategies for simultaneous enhancement of C-phycocyanin production and CO2 fixation with Spirulina platensis // Bioresource Technology. – 2013. – Vol. 145. – P. 307–312.
16. Vonshak A., Tomaselli L. Arthrospira (Spirulina): Systematics and EcophysioIogy / The Ecology of Cyanobacteria. / ed. Whitton B.A., Potts M. – Dordrecht: Springer, 2000. – P. 505–522.
17. Kirk J.T.O. Light and Photosynthesis in Aquatic Ecosystems. 2nd ed. – Cambridge University Press, 1994. – 401 p.
18. Meseck S.L., Alix J.H., Wikfors G.H. Photoperiod and light intensity effects on growth and utilization of nutrients by the aquaculture feed microalga, Tetraselmis chui (PLY429) // Aquaculture. – 2005. – Vol. 246(1–4). – P. 393–404.
19. Levasseur W., Perré P., Pozzobon V. A review of high value-added molecules production by microalgae in light of the classification // Biotechnology Advances. – 2020. – Vol. 41–107545.
20. Wang C.Y., Fu C.C., Liu Y.C. Effects of using light-emitting diodes on the cultivation of Spirulina platensis // Biochemical Engineering Journal. – 2007. – Vol. 37(1). – P. 21–25.
21. Prates D. da F., Radmann E.M., Duarte J.H., Morais M.G. de, Costa J.A.V. Spirulina cultivated under different light emitting diodes: Enhanced cell growth and phycocyanin production // Bioresource Technology. – 2018. – Vol. 256 – P. 38–43.
22. Chen H.B., Wu J.Y., Wang C.F., Fu C.C., Shieh C.J., Chen C.I., Wang C.Y., Liu Y.C. Modeling on chlorophyll a and phycocyanin production by Spirulina platensis under various light-emitting diodes // Biochemical Engineering Journal. – 2010. – Vol. 53(1). – P. 52–56.
23. Markou G. Effect of various colors of light-emitting diodes (LEDs) on the biomass composition of Arthrospira platensis cultivated in semi-continuous mode // Applied Biochemistry and Biotechnology. – 2014. – Vol. 172(5). – P. 2758–2768.
24. Apel A.C., Weuster-Botz D. Engineering solutions for open microalgae mass cultivation and realistic indoor simulation of outdoor environments // Bioprocess and Biosystems Engineering. – 2015. – Vol. 38(6). – P. 995–1008.
25. Tredici M.R. Mass Production of Microalgae: Photobioreactors / Handbook of Microalgal Culture: Biotechnology and Applied Phycology. / ed. A. Richmond. – Blackwell Science Ltd, 2007. – P. 178–214.
26. Posten C. Design principles of photo-bioreactors for cultivation of microalgae // Engineering in Life Sciences. – 2009. – Vol. 9(3). – P. 165–177.
27. Masojídek J., Lhotský R., Štěrbová K., Zittelli G.C., Torzillo G. Solar bioreactors used for the industrial production of microalgae // Applied Microbiology and Biotechnology. – 2023. – Vol. 107. – P. 6439–6458.
28. Glemser M., Heining M., Schmidt J., Becker A., Garbe D., Buchholz R., Brück T. Application of light-emitting diodes (LEDs) in cultivation of phototrophic microalgae: current state and perspectives // Applied Microbiology and Biotechnology. – 2016. – Vol. 100(3). – P. 1077–1088.
29. de Mooij T., de Vries G., Latsos C., Wijffels R.H., Janssen M. Impact of light color on photobioreactor productivity // Algal Research. – 2016. – Vol. 15 – P. 32–42.
30. Kumar S., Cheng J., Ali Kubar A., Guo W., Song Y., Liu S., Chen S., Tian J. Orange light spectra filtered through transparent colored polyvinyl chloride sheet enhanced pigment content and growth of Arthrospira cells // Bioresource Technology. – 2021. – Vol. 319–124179.
31. Heining M., Sutor A., Stute S.C., Lindenberger C.P., Buchholz R. Internal illumination of photobioreactors via wireless light emitters: a proof of concept // Journal of Applied Phycology. – 2015. – Vol. 27(1). – P. 59–66.
32. Fasaei F., Bitter J.H., Slegers P.M., van Boxtel A.J.B. Techno-economic evaluation of microalgae harvesting and dewatering systems // Algal Research. – 2018. – Vol. 31 – P. 347–362.
33. Koller A.P., Wolf L., Brück T., Weuster-Botz D. Studies on the scale-up of biomass production with Scenedesmus spp. in flat-plate gas-lift photobioreactors // Bioprocess and Biosystems Engineering. – 2018. – Vol. 41(2). – P. 213–220.
34. Razzak S.A., Bahar K., Islam K.M.O., Haniffa A.K., Faruque M.O., Hossain S.M.Z., Hossain M.M. Microalgae cultivation in photobioreactors: Sustainable solutions for a greener future // Green Chemical Engineering. – 2023. DOI: 10.1016/j.gce.2023.10.004.
35. Demmig-Adams B., Stewart J.J., Burch T.A., Adams W.W. Insights from placing photosynthetic light harvesting into context // Journal of Physical Chemistry Letters. – 2014. – Vol. 5(16). – P. 2880–2889.
36. Cuaresma M., Janssen M., Vílchez C., Wijffels R.H. Horizontal or vertical photobioreactors? How to improve microalgae photosynthetic efficiency // Bioresource Technology. – 2011. – Vol. 102(8). – P. 5129–5137.
37. Qiang H., Zarmi Y., Richmond A. Combined effects of light intensity, light-path and culture density on output rate of Spirulina platensis (Cyanobacteria) // European Journal of Phycology. – 1998. – Vol. 33(2). – P. 165–171.
38. Ovchinnikova A.M., Sukhinov D.V., Romanov A.O., Pozhidaev V.M., Gotovtsev P.M. A Study of the Processes of the Cultivation and Useful Products Accumulation by the Microalgae Chlorella vulgaris in a Photobioreactor with a Fiber-Optic Lighting System // Nanobiotechnology Reports. – 2023. – Vol. 18(1). – P. 98–104.
39. Sathinathan P., Parab H.M., Yusoff R., Ibrahim S., Vello V., Ngoh G.C. Photobioreactor design and parameters essential for algal cultivation using industrial wastewater: A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2023. – Vol. 173, Is. C. DOI: 10.1016/j. rser.2022.113096.
40. Pham H.M., Kwak H.S., Hong M.E., Lee J., Chang W.S., Sim S.J. Development of an X-Shape airlift photobioreactor for increasing algal biomass and biodiesel production // Bioresource Technology. – 2017. – Vol. 239. – P. 211–218.
41. Sirohi R., Kumar Pandey A., Ranganathan P., Singh S., Udayan A., Kumar Awasthi M., Hoang A.T., Chilakamarry C.R., Kim S.H., Sim S.J. Design and applications of photobioreactors-a review // Bioresource Technology. – 2022. – Vol. 349. DOI: 10.1016/j.biortech. 2022.126858
42. Hu J.Y., Sato T. A photobioreactor for microalgae cultivation with internal illumination considering flashing light effect and optimized light-source arrangement // Energy Conversion and Management. – 2017. – Vol. 133 – P. 558–565.
43. de Mooij T., de Vries G., Latsos C., Wijffels R.H., Janssen M. Impact of light color on photobioreactor productivity // Algal Research. – 2016. – Vol. 15 – P. 32–42.
44. Wagner I., Braun M., Slenzka K., Posten C. Photobioreactors in life support systems // Advances in Biochemical Engineering/ Biotechnology. – 2016. – Vol. 153 – P. 143–184.
45. Borella L., Ortolan D., Barbera E., Trivellin N., Sforza E. A multiwavelength model to improve microalgal productivity and energetic conversion in a red-blue light emitting diodes (LEDs) continuous photobioreactor // Energy Conversion and Management. – 2021. – Vol. 243. – 114330.
46. Öncel S., Köşe A., Öncel D. Façade integrated photobioreactors for building energy efficiency / Start-Up Creation: The Smart Eco-Efficient Built Environment, 2016. – P. 237–299. DOI:10.1016/b978‑0‑08‑100546‑0.00011‑x.
47. Vishnevskaya M.V., Gotovtsev P.M., Lukanina K.I., Parunova Y.M., Sharikova N.A., Zhiianova M.P., Grigoriev T.E., Vasilov R.G. Photobiofuel Cells, Current State of Research and Practical Application // Nanobiotechnology Reports. – 2022. – Vol. 17(6). – P. 739–746.
48. Rosenbaum M., He Z., Angenent L.T. Light energy to bioelectricity: photosynthetic microbial fuel cells // Current Opinion in Biotechnology. – 2010. – Vol. 21(3). – P. 259–264.
49. Gotovtsev P. How IoT Can Integrate Biotechnological Approaches for City Applications – Review of Recent Advancements, Issues, and Perspectives // Applied Sciences. – 2020. – Vol. 10(11). – P. 3990.
50. Gotovtsev P.M., Dyakov A.V. Biotechnology and Internet of Things for green smart city application / 2016 IEEE 3rd World Forum on Internet of Things, WF-IoT 2016. – 2016. – P. 542–546.
51. Goldman J.C. Physiological aspects in algal mass cultures // Algae biomass: production and use. / ed. Shelef G., Soeder C.J. – Elsevier/North–Holland Biomedical Press, 1980. – P. 343–359.
52. Ma S., Huang Y., Zhang B., Zhu X., Xia A., Zhu X., Liao Q. Comprehensive modeling and predicting light transmission in microalgal biofilm // Journal of Environmental Management. – 2023. – Vol. 326. – 116757.
53. Ma S., Huang Y., Zhu X., Xia A., Zhu X., Liao Q. Growth-based dynamic light transmission modeling and optimization in microalgal photobioreactors for high efficiency CO2 fixation // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2024. – Vol. 197. – 114414.
54. Qiang H., Richmond A., Zarmi Y. Combined effects of light intensity, light-path and culture density on output rate of spirulina platensis (cyanobacteria) // European Journal of Phycology. – 1998. – Vol. 33(2). – P. 165–171.
55. Martin J., Keppler J., Detrell G., Helisch H., Ewald R., Fasoulas S. Microalgae-based Photobioreactors for a Life Support System of a Lunar Base / 49th International Conference on Environmental Systems, Boston, 2019.
56. Adessi A., De Philippis R. Photobioreactor design and illumination systems for H2 production with anoxygenic photosynthetic bacteria: A review // International Journal of Hydrogen Energy. – 2014. – Vol. 39(7). – P. 3127–3141.
57. Heining M., Buchholz R. Photobioreactors with internal illumination – A survey and comparison // Biotechnology Journal. – 2015. – Vol. 10(8). – P. 1131–1137.
58. Poughon L., Laroche C., Creuly C., Dussap C.G., Paille C., Lasseur C., Monsieurs P., Heylen W., Coninx I., Mastroleo F., Leys N. Limnospira indica PCC8005 growth in photobioreactor: model and simulation of the ISS and ground experiments // Life Sciences in Space Research. – 2020. – Vol. 25 – P. 53–65.
59. Helisch H., Keppler J., Detrell G., Belz S., Ewald R., Fasoulas S., Heyer A.G. High density long-term cultivation of Chlorella vulgaris SAG 211–12 in a novel microgravity-capable membrane raceway photobioreactor for future bioregenerative life support in SPACE // Life Sciences in Space Research. – 2020. – Vol. 24 – P. 91–107.
60. Naira V.R., Das D., Maiti S.K. A novel bubble-driven internal mixer for improving productivities of algal biomass and biodiesel in a bubble-column photobioreactor under natural sunlight // Renewable Energy. – 2020. – Vol. 157. – Р. 605–615.
Ключевые слова
Выберите вариант доступа к этой статье

Купить

Рекомендуемые статьи