Critical intensity of swirling flows of a suspension and productivity in batch culture of Arthrospira (Spirulina) platensis under different light conditions
##plugins.themes.ibsscustom.article.main##
Google Scholar
##plugins.themes.ibsscustom.article.details##
Abstract
The paper provides results of the experimental study of batch cultures of Arthrospira (Spirulina) platensis under conditions of critical intensity of swirling flows at different size of the working layer (the optical path). As shown, despite a 10-fold increase in the intensity of vortex mixing, the productivity of the culture decreased by 2 times, when the working layer rose by 3 times. Notably, for photosynthetic microorganisms, the key factor determining the productivity in the culture is the spatial irradiation inside cell suspension (the working layer) but with the intensity of suspension stirring taken into account. The conditions of cultivation of photosynthetic cells under which the working layer differs by 2 times, but the productivity in the culture remains the same, are experimentally demonstrated.
Authors
References
Авсиян А. Л., Лелеков А. С. Зависимость удельной скорости эндогенного расхода и валовой продуктивности культуры микроводорослей от облучённости // Вопросы современной альгологии. 2020. № 1 (22). С. 8–16. [Avsiyan A. L., Lelekov A. S. Dependence of microalgae culture specific endogenous loss rate and gross productivity on irradiance. Voprosy sovremennoi al’gologii, 2020, no. 1 (22), pp. 8–16. (in Russ.)]. https://doi.org/10.33624/2311-0147-2020-1(22)-8-16
Геворгиз Р. Г., Алисиевич А. В., Шматок М. Г. Оценка биомассы Spirulina platensis (Nordst.) Geitl. по оптической плотности культуры // Экология моря. 2005. Вып. 70. С. 96–106. [Gevorgiz R. G., Alisievich A. V., Shmatok M. G. Estimation of biomass of Spirulina platensis (Nordst.) Geitl with use of optical density of culture. Ekologiya morya, 2005, iss. 70, pp. 96–106. (in Russ.)]. https://repository.marine-research.ru/handle/299011/4711
Геворгиз Р. Г., Малахов А. С. Пересчёт величины освещённости фотобиореактора в величину облучённости : учебно-методическое пособие / РАН, Институт морских биологических исследований имени А. О. Ковалевского. Севастополь, 2018. 60 с. [Gevorgiz R. G., Malakhov A. S. Conversion of the Illumination Quantity of Photobioreactor into the Irradiance Quantity : educational methodology manual / RAS, Kovalevsky Institute of Marine Biological Research. Sevastopol, 2018, 60 p. (in Russ.)]. https://repository.marine-research.ru/handle/299011/2068
Геворгиз Р. Г., Уваров И. П., Репков А. П., Железнова С. Н. Вихревое перемешивание культур микроводорослей // Актуальные вопросы биологической физики и химии. 2021. Т. 6, № 4. С. 559–563. [Gevorgiz R. G., Uvarov I. P., Repkov A. P., Zheleznova S. N. Vortex mixing of microalgae cultures. Aktual’nye voprosy biologicheskoi fiziki i khimii, 2021, vol. 6, no. 4, pp. 559–563. (in Russ.)]. https://elibrary.ru/ewsafq
Лелеков А. С., Клочкова В. С., Гаджи А. В. Максимальная продуктивность накопительной культуры Porhyridium purpureum и Arthrospira platensis при различной освещённости // Актуальные вопросы биологической физики и химии. 2020. Т. 5, № 2. С. 253–260. [Lelekov A. S., Klochkova V. S., Gadzhi A. V. Maximum productivity of Porphyridium purpureum and Arthrospira platensis batch culture in different light conditions. Aktual’nye voprosy biologicheskoi fiziki i khimii, 2020, vol. 5, no. 2, pp. 253–260. (in Russ.)]. https://elibrary.ru/gdkref
Мертвецов Н. П., Рамазанов Ю. А., Репков А. П., Дударев А. Н., Кислых В. И. Газовихревые биореакторы «БИОК»: использование в современной биотехнологии. Новосибирск : Наука, 2002. 118 с. [Mertvetsov N. P., Ramazanov Yu. A., Repkov A. P., Dudarev A. N., Kislykh V. I. Gazovikhrevye bioreaktory “BIOK”: ispol’zovanie v sovremennoi biotekhnologii. Novosibirsk : Nauka, 2002, 118 p. (in Russ.)]. https://elibrary.ru/ebifjn
Новикова Т. М. Влияние средней поверхностной освещённости на ростовые характеристики Tetraselmis viridis // Вопросы современной альгологии. 2017. № 1 (13). 5 с. [Novikova T. M. Effect of average surface irradiance on growth characteristics of Tetraselmis viridis. Voprosy sovremennoi al’gologii, 2017, no. 1 (13), 5 p. (in Russ.)]. https://elibrary.ru/zcdlnp
Патент 1779690 A1 SU. МПК C12M 1/04. Аппарат для культивирования клеток тканей или микроорганизмов / Бадаев Б. Н., Воробьёв И. Д., Кислых В. И., Харченко В. А., Репков А. П. ; заявитель Всесоюзный научно-исследовательский институт молекулярной биологии – № 4700908/13 ; заявл. 06.06.89 ; опубл. 07.12.92. Бюл. № 45. [Patent 1779690 A1 SU. MPK C12M 1/04. Apparatus for Cultivation of Cells of Tissues or Microorganisms / Badaev B. N., Vorob’ev I. D., Kislykh V. I., Kharchenko V. A., Repkov A. P. ; zayavitel’ Vsesoyuznyi nauchno-issledovatel’skii institut molekulyarnoi biologii – no. 4700908/13 ; zayavl. 06.06.89 ; opubl. 07.12.92. Byul. no. 45]. https://patents.google.com/patent/RU1779690C/en
Патент 2099413 C1 Российская Федерация. МПК C12M 1/04 (1995.01), C12M 3/00 (1995.01). Аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов / Кислых В. И., Репков А. П., Рамазанов Ю. А., Воробьёв И. Д. ; заявитель Кислых В. И. – № 5043856/13, заявл. 15.04.1992 ; опубл. 20.12.1997. [Patent 2099413 C1 Russian Federation. MPK C12M 1/04 (1995.01), C12M 3/00 (1995.01). Apparatus for Suspension Cultivation of Tissue Cells or Microorganisms / Kislykh V. I., Repkov A. P. Ramazanov Yu. A., Vorob’ev I. D. ; zayavitel’ Kislykh V. I. – no. 5043856/13, zayavl. 15.04.1992 ; opubl. 20.12.1997]. https://patents.google.com/patent/RU2099413C1/en
Тренкеншу Р. П., Белянин В. Н., Сидько Ф. Я. Модель светозависимого роста морских микроводорослей (с учётом фотоингибирования). Красноярск : ИФСО, 1981. 63 с. (Препринт № ИФСО-18Б). [Trenkenshu R. P., Belyanin V. N., Sidko F. Ya. Model’ svetozavisimogo rosta morskikh mikrovodoroslei (s uchetom fotoingibirovaniya). Krasnoyarsk : IFSO, 1981, 63 p. (Preprint no. IFSO-18B). (in Russ.)]
Чекушкин А. А., Авсиян А. Л., Лелеков А. С. Продуктивность культуры Arthrospira platensis Gomont 1892 в условиях естественного освещения // Труды Карадагской научной станции имени Т. И. Вяземского – природного заповедника РАН. 2022. № 4 (24). С. 33–44. [Chekushkin A. A., Avsiyan A. L., Lelekov A. S. Productivity of Arthrospira platensis Gomont 1892 culture under natural light conditions. Trudy Karadagskoi nauchnoi stantsii imeni T. I. Vyazemskogo – prirodnogo zapovednika RAN, 2022, no. 4 (24), pp. 33–44. (in Russ.)]. https://elibrary.ru/oyfgop
Штоль А. А., Мельников Е. С., Ковров Б. Г. Расчёт и конструирование культиваторов для одноклеточных водорослей. Красноярск, 1976. 96 с. [Shtol’ A. A., Mel’nikov E. S., Kovrov B. G. Raschet i konstruirovanie kul’tivatorov dlya odnokletochnykh vodoroslei. Krasnoyarsk, 1976, 96 p. (in Russ.)]
Bitog J. P. P., Lee I.-B., Oh H.-M., Hong S.-W., Seo I.-H., Kwon K.-S. Optimised hydrodynamic parameters for the design of photobioreactors using computational fluid dynamics and experimental validation. Biosystems Engineering, 2014, vol. 122, pp. 42–61. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2014.03.006
Garcı́a Camacho F., Contreras Gómez A., Mazzuca Sobczuk T., Molina Grima E. Effects of mechanical and hydrodynamic stress in agitated, sparged cultures of Porphyridium cruentum. Process Biochemistry, 2000, vol. 35, iss. 9, pp. 1045–1050. https://doi.org/10.1016/S0032-9592(00)00138-2
Jaouen P., Vandanjon L., Quéméneur F. The shear stress of microalgal cell suspensions (Tetraselmis suecica) in tangential flow filtration systems: The role of pumps. Bioresource Technology, 1999, vol. 68, iss. 2, pp. 149–154. https://doi.org/10.1016/S0960-8524(98)00144-8
Kubar A. A., Ali A., Kumar S., Huo S., Ullah M. W., Alabbosh K. F. S., Ikram M., Cheng J. Dynamic foam characteristics during cultivation of Arthrospira platensis. Bioengineering, 2022, vol. 9, iss. 6, art. no. 257 (11 p.). https://doi.org/10.3390/bioengineering9060257
Mazzuca Sobczuk T., García Camacho F., Molina Grima E., Chisti Y. Effects of agitation on the microalgae Phaeodactylum tricornutum and Porphyridium cruentum. Bioprocess and Biosystems Engineering, 2006, vol. 28, iss. 4, pp. 243–250. https://doi.org/10.1007/s00449-005-0030-3
Naumov I. V., Gevorgiz R. G., Skripkin S. G., Tintulova M. V., Tsoi M. A., Sharifullin B. R. Experimental study of the topological flow transformations in an aerial vortex bioreactor with a floating washer. Biotechnology Journal, 2023a, vol. 18, iss. 8, art. no. 2200644 (7 p.). https://doi.org/10.1002/biot.202200644
Naumov I. V., Gevorgiz R. G., Skripkin S. G., Tintulova M. V., Tsoy M. A., Sharifullin B. R. Topological flow transformations in a universal vortex bioreactor. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2023b, vol. 191, art. no. 109467 (12 p.). https://doi.org/10.1016/j.cep.2023.109467
Patent EP 1120460 B1. Apparatus for the Suspension of Cultured Cells from Tissues and Micro-organisms / Kislykh V. I., Ramazanov Ju. A., Repkov A. P. ; zayavitel’ Zakrytoe aktsionernoe obschestvo “Sayany”, Biozex Technologies Corp. – no. 98963676.6 ; zayavl. 22.09.1998 ; opubl. 26.11.2003. Byul. no. 2003/48. https://patents.google.com/patent/EP1120460B1
Patent EP 27446382 A1. Vortex Bioreactor / Ramazanov Yu. A., Repkov A. P. ; zayavitel’ Obshchestvo s ogranichennoi otvetstvennostyu “Tsentr vykhrevykh teknology” – no. 11870985.6 ; zayavl. 13.08.2011 ; opubl. 25.06.2014. Byul. no. 2014/26. https://patents.google.com/patent/EP2746382A1
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, iss. 2, pp. 165–171. https://doi.org/10.1080/09670269810001736663
Richmond A. Microalgal biotechnology at the turn of the millennium: A personal view. Journal of Applied Phycology, 2000, vol. 12, iss. 3–5, pp. 441–451. https://doi.org/10.1023/A:1008123131307
Silva H. J., Cortifas T., Ertola R. J. Effect of hydrodynamic stress on Dunaliella growth. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 1987, vol. 40, iss. 1, pp. 41–49. https://doi.org/10.1002/jctb.280400105
Torzillo G., Sacchi A., Materassi R., Richmond A. Effect of temperature on yield and night biomass loss in Spirulina platensis grown outdoors in tubular photobioreactors. Journal of Applied Phycology, 1991, vol. 3, iss. 2, pp. 103–109. https://doi.org/10.1007/BF00003691
Vandanjon L., Rossignol N., Jaouen P., Robert J. M., Quéméneur F. Effects of shear on two microalgae species. Contribution of pumps and valves in tangential flow filtration systems. Biotechnology and Bioengineering, 1999, vol. 63, iss. 1, pp. 1–9. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-0290(19990405)63:1<1::AID-BIT1>3.0.CO;2-K
Ye Q., Cheng J., Guo W., Xu J., Li H., Zhou J. Numerical simulation on promoting light/dark cycle frequency to improve microalgae growth in photobioreactor with serial lantern-shaped draft tube. Bioresource Technology, 2018a, vol. 266, pp. 89–96. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.06.055
Ye Q., Cheng J., Yang Z., Yang W., Zhoua J., Cena K. Improving microalgal growth by strengthening the flashing light effect simulated with computational fluid dynamics in a panel bioreactor with horizontal baffles. RSC Advances, 2018b, vol. 8, iss. 34, pp. 18828–18836. https://doi.org/10.1039/C8RA02863J
Xu J., Cheng J., Lai X., Zhang X., Yang W., Park J.-Y., Kim H., Xu L. Enhancing microalgal biomass productivity with an optimized flow field generated by double paddlewheels in a flat plate photoreactor with CO2 aeration based on numerical simulation. Bioresource Technology, 2020, vol. 314, art. no. 123762 (8 p.). https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123762
Wang L., You X. Y. Light-gradient mixing performance improvement of the flat plate photobioreactor with waved baffles. Chemical and Biochemical Engineering Quarterly, 2013, vol. 27, no. 2, pp. 211–218.
Zarrouk C. Contribution à l’étude d’une cyanophycée. Influence de divers facteurs physiques et chimiques sur la croissance et la photosynthèse de Spirulina maxima (Setch et Gardner) Geitler. PhD thesis. Paris, 1966, 114 p. (A la faculté des sciences de l’université de Paris).
