CN101750989A - 工业级光生物反应器远程监测控制系统 - Google Patents

工业级光生物反应器远程监测控制系统 Download PDF

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陈伟
石悦
耿金峰
王慧岭
刘敏胜
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Abstract

本发明公开了一种工业级光生物反应器远程监测控制系统。该远程监测控制系统包括温度探测器、在线pH分析仪、在线溶解氧分析仪、在线二氧化碳分析仪等检测分析终端以及远程控制平台，各个检测分析终端通过通讯网络与远程控制平台通讯。所述远程监测控制系统的各检测分析终端安装在工业级光生物反应器内，通过检测分析终端与远程控制平台之间的通讯，在培养环境发生改变时，由远程控制平台对各项理化指标进行远程调节，实现了光生物反应器和远程控制平台之间的双向互动。

Description

工业级光生物反应器远程监测控制系统
技术领域
本发明涉及远程控制系统领域，具体涉及光生物反应器的远程监测控制系统。
背景技术
利用光生物反应器生产微藻是国内外竞相研究的热点，多年来人们尝试过各种设计方案。最初的光生物反应器为跑道池结构，当时主要目标是进行微藻大量培养从而探讨微藻作为人类未来食用蛋白和燃料资源的可行性；自上世纪50年代起，人们开始研究使用封闭式光生物反应器进行微藻培养；50～80年代这一领域的发展非常缓慢，1983年Pirt S.J.等建立了光反应器的设计和操作理论及计算机控制装置，以后在以色列、意大利、西班牙、日本、美国、法国、新加坡、加拿大等国都开展了研究工作，为光生物反应器的设计、运转原理及生物工程原理奠定了基础，推动了该领域的研究进程并开发出一系列新型光生物反应器。
尽管各国研究人员在研制用于微藻培养的光生物反应器方面取得了长足进步，但是设计制造高效、可行、低成本的工业级光生物反应器目前仍然是世界性的难题。将实验室级别的小型光生物反应器系统放大后，或者光照比表面积变小，导致光限制性培养，或者通气系统不畅，导致内部藻液混合不充分，或者氧解析不能有效进行，藻体的培养效率较低。另外，在不同地域、不同气候环境下，不同微藻所适合的工业级光生物反应器也不尽相同。特别是与工业级光生物反应器配套的远程监测控制系统，自动化程度不高、测量的准确度和精确度偏低，是其最大的缺陷。寻找最适类型的大型光生物反应器、建立完善有效的远程监控系统、将包括人力成本在内的各项成本降到最低、实现微藻生产商业化是目前各国研究人员追求的目标。
微藻的高密度、大规模培养是实现微藻产品商业化的必经之路，而能否制造出高效可控的工业级光生物反应器是微藻产业的最关键环节之一，从某种意义上讲，微藻生物技术的发展在很大程度上依赖于实用化的高效自动控制工业级光生物反应器的研制与开发。
发明内容
本发明是为了实现对工业级光生物反应器的远程控制，提供一整套微藻培养理化指标在线检测、由通讯网络连接至远程控制平台的远程监测控制系统。
本发明通过下述技术方案实现：
一种工业级光生物反应器远程监测控制系统，其特征在于，包括温度探测器、在线pH分析仪、在线溶解氧分析仪、在线二氧化碳分析仪等检测分析终端以及远程控制平台，其连接方式为：温度探测器、在线pH分析仪、在线溶解氧分析仪、在线二氧化碳分析仪的显示面板均固定在光生物反应器的支架上。温度探测器的探头插入光生物反应器的光照区域及缓冲罐内部；在线pH分析仪的探头和/或在线溶解氧分析仪的探头均通过人孔插入光生物反应器的缓冲罐底部；在线二氧化碳分析仪的探头分别固定在二氧化碳气体的管路进气口与光生物反应器的排气口；温度探测器、在线pH分析仪、在线溶解氧分析仪、在线二氧化碳分析仪通过各自的RS485通讯端口与远程控制平台相连。
所述光生物反应器包括但不限于管式、平板式和柱式等形式。
所述温度探测器有若干台，一台监测缓冲罐，其它各台随机分布在光生物反应器的光照区域。
所述在线pH分析仪的探头外部套有对生物无害的塑料保护管。
所述在线溶解氧分析仪的探头外部套有对生物无害的塑料保护管。
所述在线二氧化碳分析仪一般至少为两台，分别监测进气口和排气口。
所述温度探测器、在线pH分析仪、在线溶解氧分析仪、在线二氧化碳分析仪均配有液晶显示面板。
所述温度探测器、在线pH分析仪、在线溶解氧分析仪、在线二氧化碳分析仪均配有RS485通讯端口。
所述远程控制平台包括一台电脑做主设备，通过R.J45接口传输数据，使用远程控制系统作为通讯应用程序。
所述远程控制平台可即时收到光生物反应器内培养液的温度、pH值、溶氧浓度以及进气口和排气口处的二氧化碳浓度等数据。
本发明具有下述技术效果：
1.本发明的远程监测控制系统通过温度探测器、在线pH分析仪、在线溶解氧分析仪、在线二氧化碳分析仪实现数据的采集和监测。
2.温度探测器的探头分布在光生物反应器的不同区域，便于监控该大型设备的整体温差状况。
3.在线pH分析仪、在线溶解氧分析仪可即时提供光生物反应器内培养液的pH值和溶氧浓度，能迅速查知培养内环境的改变，以便及时做出调整。
4.在线二氧化碳分析仪可提供光生物反应器进气口和排气口处的二氧化碳浓度，以便计算微藻的碳源消耗与二氧化碳的减排程度。
5.温度探测器、在线pH分析仪、在线溶解氧分析仪、在线二氧化碳分析仪均配有液晶显示面板，便于现场即时观察。
附图说明
图1为本发明远程监测控制系统在管式光反应器中应用的整体结构示意图。
图2为本发明远程监测控制系统的运行流程图。
附图标记：1-温度探测器；2-在线pH分析仪；3-在线溶解氧分析仪；4-在线二氧化碳分析仪；5-远程控制平台；6-光生物反应器；7-光反应管；8-缓冲罐；9-进气口；10-排气口。
其中，图1为摘要附图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明详细说明。
本发明远程监测控制系统的结构主要由温度探测器1、在线pH分析仪2、在线溶解氧分析仪3、在线二氧化碳分析仪4等检测分析终端以及远程控制平台5组成。其中温度探测器1有若干台，一台插入缓冲罐8内部监测缓冲罐温度，其它各台随机分布在光生物反应器6的光照区域7。在线pH分析仪2和在线溶解氧分析仪3的探头套有塑料保护套管，经人孔插入光生物反应器6的缓冲罐8，在培养液的液面以下，接近底部，以便更准确测定培养液当前的pH值与溶氧度。在线二氧化碳分析仪4的探头分别固定在光生物反应器的进气口9与排气口10，监测进出混合空气中二氧化碳的浓度。温度探测器1、在线pH分析仪2、在线溶解氧分析仪3、在线二氧化碳分析仪4通过RS485型通讯端口与远程控制平台5相连。
连续运行时，温度探测器1向远程控制平台5传送光生物反应器6的各点温度，远程控制平台5根据温度数值大小反馈调节加热或降温，将温度控制在15℃～20℃。在线pH分析仪2向远程控制平台5传送培养液的pH值，由于微藻的生理特性，培养液的pH值会随微藻细胞的代谢活动向碱性变化，远程控制平台5根据将根据碱度反馈调节加强二氧化碳的通入，使pH值保持在8～9，不超过10。在线溶解氧分析仪3向远程控制平台5传送培养液中的氧气含量，远程控制平台5根据溶氧度及时打开备用排气口或反应器内部的除气器，使溶氧浓度降低，一般控制在8mg/L以下即可。在线二氧化碳分析仪4向远程控制平台5传送光生物反应器进气口和排气口处混合气体中的二氧化碳浓度，远程控制平台5可根据此两项差值计算微藻的碳源消耗与二氧化碳的吸收量，为微藻培养提供数据参考，同时为二氧化碳的减排提供直接依据。

Claims (10)

1.一种工业级光生物反应器远程监测控制系统，包括：温度探测器(1)、在线pH分析仪(2)、在线溶解氧分析仪(3)和在线二氧化碳分析仪(4)终端以及远程控制平台(5)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，温度探测器(1)的探头插入光生物反应器(6)的光照区域(7)及缓冲罐(8)内部。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，连续运行时，远程控制平台(5)根据温度探测器(1)测量的温度数值大小反馈调节加热或降温，将温度控制在15℃～20℃。
4.根据权利要求1～3所述的任意一种系统，其特征在于，在线pH分析仪(2)的探头和/或在线溶解氧分析仪(3)的探头插入光生物反应器的缓冲罐(8)底部。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述在线pH分析仪(2)和/或在线溶解氧分析仪(3)的探头外部套有保护管。
6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，连续运行时，远程控制平台(5)根据在线pH分析仪(2)传送的培养液酸碱度反馈调节二氧化碳的通入量，使pH值保持在10以下。
7.根据权利要求4、5或6所述的任意一种系统，其特征在于，连续运行时，远程控制平台(5)根据在线溶解氧分析仪(3)传送的培养液的氧气含量调节溶氧浓度，将溶氧浓度控制在8mg/L以下。
8.根据权利要求1～7所述的任意一种系统，其特征在于，在线二氧化碳分析仪(4)的探头分别固定在二氧化碳气体的管路进口(9)与光生物反应器的排气口(10)。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，连续运行时，远程控制平台(5)根据在线二氧化碳分析仪(4)传送的二氧化碳浓度计算微藻的碳源消耗与二氧化碳的吸收量。
10.根据权利要求1～9所述的任意一种系统，其特征在于，所述光生物反应器为管式、平板式或柱式。
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