Несмотря на то что микроводоросль хлорелла (Chlorella) нашла широкое применение во многих областях деятельности человека [1-3], научные работы, направленные на улучшение методов ее культивирования, продолжаются. Важным условием роста водоросли является освещение. В качестве осветительных установок в основном используются фотобиореакторы [4-6], ориентированные на получение больших объемов биомассы. Такие установки имеют большие габариты и непригодны для проведения лабораторных исследований, в которых используется несколько малообъемных емкостей с образцами, отличающимися создаваемыми в них условиями развития культуры (например, составом питательной среды), так как не обеспечивают равномерность облучения. Этот фактор снижает достоверность результатов опытов, затрудняет их интерпретацию и воспроизводимость.

Целью представляемой работы являлось конструирование LED-светильника для культивирования микроводоросли хлореллы в лабораторных условиях, обеспечивающего однородность освещенности экспериментальных образцов.

В ходе работе рассмотрены основные требования, предъявляемые к источнику излучения для культивирования микроводорослей в лабораторных условиях. В работе проведен расчет методом последовательных приближений с суммированием вклада в освещенность всех диодов установки для оценки степени однородности освещенности экспериментальных образцов. Выделено три типа расположенных на стекле точек, характерных по своему пространственному положению относительно диодов. Относительное расхождение между точками трех рассмотренных типов составляет на третьей итерации (то есть при учете соседних диодов 3-го порядка) не более 6%, в связи, с чем можно говорить о достаточной однородности освещенности рабочей области. Расчет показал, что в центральной части рабочей области относительное расхождение δ=(Emax−Emin)/<E> суммарной освещенности для точек трех типов не превышало 0,3%. Освещенность точек на периферии рабочей зоны, естественно, ниже, чем в ее центре.

Для апробации сконструирован специализированный светильник для микроводоросли хлореллы с учетом специфики лабораторного культивирования на базе лаборатории экологии и иммунологии Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН. Оптимальным представляется располагать экспериментальные образцы на самом светильнике. Специализированный светильник в данной реализации обеспечивает равномерную освещенность рабочего стола с установленными на нем образцами, что позволяет провести достоверный сравнительный анализ результатов культивирования хлореллы.

Специализированный светильник содержит блок питания, регулятор мощности и каскад диодов, габариты осветительной установки 340х220х50 мм. За счет регулятора мощности возможно управление напряжением на диодах, что позволяет изменять уровень потока фотосинтетически активной радиации (ФАР) в диапазоне 150 - 350 мкмоль/(с∙м2).

Заключение

Разработанный специализированный светильник обеспечивает высокую степень однородности освещения на своей рабочей поверхности, а также соответствует специфике лабораторного культивирования хлореллы и может быть рекомендован к использованию при проведении биологических экспериментов.

Работа выполнена в рамках государственного задания, номер государственной регистрации НИОКТР 122031100058-3. Сконструированный светильник используется в экспериментах лаборатории экологии и иммунологии Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН.

Список литературы

1. Туми А., Смятская Ю. А., Политаева Н. А. Использование биомассы микроводорослей CHLORELLA SOROKINIANA в качестве энтеросорбента // Бутлеровские сообщения. 2020. Т. 61. № 1. С. 126−132.

2. Заболотских В. В., Васильев А. В., Смахтина Л. А., Семихвостова О. В. Разработка технологических подходов к получению альтернативного биотоплива из водорослей // Академический вестник ELPIT. 2019. Т. 4. № 1 (7). С. 12−38.

3. Политаева Н. А., Смятская Ю. А., Кузнецова Т. А. Культивирование и использование микроводорослей Chlorella и высших водных растений ряска Lemna // Санкт-Петербург: Санкт-Петербургская издательско-книготорговая фирма "Наука", 2017. 87 с.

4. Яговкин А. Ю., Трофимчук О. А., Туранов С. Б., Петикарь П. В., Романенко С. А. Фотобиореактор для культивирования микроводорослей // Патент РФ № 2759450 C1. Патентообладатель ФГАОУ ВО Исследовательский Томский Политехнический Университет. 2021. Бюл. № 32.

5. Комиссарова А. В., Пантич В. Ж., Ермакова Л. С., Кудрявцева Ю. С. Фотобиореакторы для культивирования микроводорослей с целью получения из них биотоплива // Актуальные исследования. 2020. № 22 (25). С. 9−11.

6. Романенко С. А., Геворгиз Р. Г. Конструктивные особенности портативных фотобиореакторов для микроводорослей // Актуальные вопросы биологической физики и химии. 2019. Т. 4. № 2. С. 289−294.

In spite of the fact that chlorella microalgae have been widely used in many fields of human activity [1-3] research works aimed at the improvement of cultivation methods are carried out. An important condition for algae growth is lighting. Photobioreactors [4-6], oriented to produce large amounts of biomass, are mainly used as illumination units. Such units have large dimensions and are unsuitable for laboratory studies in which several low-volume vessels with samples differing in the conditions of culture development created in them (for example, composition of nutrient medium) are used, since they do not provide uniformity of irradiation. This factor reduces the validity of test results, complicates their interpretation and reproducibility.

The aim of the presented work was to design a LED-light for cultivation of chlorella microalgae in laboratory conditions, providing uniformity of illumination of experimental samples.

In this work the basic requirements for a radiation source for cultivation of microalgae in the laboratory were considered. The calculation by the method of successive approximations with summation of the contribution to the illumination of all diodes of the installation to assess the degree of homogeneity of illumination of experimental samples was carried out in the work. Three types of points located on the glass, characterized by their spatial position relative to the diodes, were distinguished. The relative divergence between the points of the three considered types is not more than 6% at the third iteration (i.e. when taking into account the neighboring 3rd order diodes), in connection with what we can say about sufficient uniformity of illumination of the working area. Calculation showed that in the central part of the working area relative discrepancy δ=(Emax-Emin)/<E> of total illumination for points of three types did not exceed 0.3%. Illumination of points on the periphery of the working area, of course, is lower than in its center.

For approbation a specialized light fixture for chlorella microalgae was realized taking into account specifics of laboratory cultivation on the basis of Laboratory of Ecology and Immunology of the Institute of Ecology and Genetics of Microorganisms, Ural Branch of Russian Academy of Sciences. It seems optimal to place experimental samples on the luminaire itself. The specialized luminaire in this realization provides a uniform illumination of the working table with the samples installed on it, which allows to conduct a reliable comparative analysis of the results of cultivation of chlorella.

Specialized lamp contains a power unit, power regulator and a cascade of diodes, the dimensions of the lighting installation 340x220x50 mm. Through the power regulator is possible to control diode voltage, which allows to vary photosynthetically active flux (PAR) in the range of 150 - 350 μmol/(s∙m2).

Conclusion

Developed specialized lamp provides a high degree of uniformity of illumination on its working surface, and also corresponds to the specifics of laboratory cultivation of chlorella and can be recommended for use in biological experiments.

The work was carried out within the framework of the state task, state registration number R&D 122031100058-3. The implemented lamp is used in the experiments of the Laboratory of Ecology and Immunology of the Institute of Ecology and Genetics of Microorganisms UB RAS.

References

1. Tumi A., Smyatskaya Yu. A., Politaeva N. A. The use of biomass of microalgae CHLORELLA SOROKINIANA as an enterosorbent // Butlerov Сommunications. 2020. Т. 61. № 1. P. 126-132.

2. Zabolotskikh V. V., Vasiliev A. V., Smakhtina L. A., Semikhvostova O. V. Development of technological approaches to obtaining alternative biofuels from algae // ELPIT Academic Bulletin. 2019. Т. 4. № 1 (7). P. 12-38.

3. Politaeva N. A., Smyatskaya Yu. A., Kuznetsova TA Cultivation and use of microalgae Chlorella and higher aquatic plants coryska Lemna // St. Petersburg: St. Petersburg Publishing and Book Trade Company "Science", 2017. 87 p.

4. Yagovkin A. Y., Trofimchuk O. A., Turanov S. B., Petikar P. V., Romanenko S. A. Photobioreactor for cultivation of microalgae // RF patent No. 2759450 C1. Patent holder - Research Tomsk Polytechnic University. 2021. Bulletin No. 32.

5. Komissarova A. V., Pantich V. J., Ermakova LS, Kudryavtseva Y. S. Photobioreactors for cultivation of microalgae to produce biofuels from them // Actual Studies. 2020. № 22 (25). P. 9-11.

6. Romanenko S. A., Gevorgiz R. G. Design features of portable photobioreactors for microalgae // Actual issues of biological physics and chemistry. 2019. Т. 4. № 2. P. 289-294.