CN102758027A - 一种用于微藻培养的生成环境控制方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于微藻培养的生成环境控制方法，该方法包括：判断微藻的种类，获取该种类微藻的所需光质，依据所需光质在LED照明设备中选择至少一种颜色的LED，指令选择的LED发光，调制出所需光质。本发明还提供一种用于微藻培养的生成环境控制系统。本发明利用各颜色的LED调制所需的光质，因各颜色LED的光质稳定，调制的混合光质也相对精确，能够满足微藻培养所需光质对精度的要求。
Description
技术领域
本发明涉及微藻培养领域，特别是涉及一种用于微藻培养的生成环境控制方法和系统。
背景技术
进入21世纪，现代社会的发展面临着资源短缺与全球气候变暖两大问题。开发利用光合自养微生物微藻，直接将太阳能及温室效应气体CO2转化成人们生产生活需要的医药、生物基化学品(如天然色素、异戊二烯等)和生物能源(如乙醇、丁醇、生物柴油等)，是解决人类目前面临的资源、能源及环境危机的潜在有效手段。
微藻是光合自养微生物，可以进行与高等植物相似的光合作用，即能通过光合作用，利用太阳能将CO2转化为有机物。虽然微藻光合作用与高等植物的光合作用相似，但微藻的光合作用效率要远高于高等植物。有研究表明，微藻可将10-20％的太阳能转化为有机物，而高等植物光合作用对太阳能转化率仅为0.5％。
国内外微藻培养的照明主要是以传统光源(如日光灯)为主的光照培养设备。该设备虽然可以满足微藻生长的基本需求，如光照时间和光照强度，但对光质的调节能力较差。该设备的光质调节方式主要有两种：一是利用人工光源，如白炽灯、日光灯等，然后用滤光片或有色聚氯乙烯薄膜来滤出所需要的光质；二是利用稀土荧光粉，通过改变荧光粉的混合比例，得到不同光质的人工光源。上述两种方式所得的光源光质并不精确，波谱范围在上百个纳米，这直接导致微藻生长周期延长，蓝藻和绿藻的培养周期要两周，而对于硅藻和甲藻的培养周期则更长，要一个月左右，使微藻的培养效率非常低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于微藻培养的生成环境控制方法，该方法能够满足微藻培养所需光质对精度的要求。
本发明一种用于微藻培养的生成环境控制方法，该方法包括：判断微藻的种类，获取该种类微藻的所需光质；依据所需光质在LED照明设备中选择至少一种颜色的LED；指令选择的LED发光，调制出所需光质。
优选的，还包括：获取上述种类微藻的所需CO2浓度和生长环境CO2浓度；控制CO2调节设备工作，使生长环境CO2浓度达到所需CO2浓度。
优选的，还包括：获取上述种类微藻的所需光强；控制发光LED的PWM的脉宽比，使发光LED达到所需光强。
优选的，还包括：获取上述种类微藻的所需光照周期；依据所需光照周期控制发光LED的光照时间。
优选的，还包括：获取上述种类微藻的所需温度和生长环境温度；控制加热器动作，使生长环境温度达到所需温度。
优选的，依据所需光质在LED照明设备中选择至少一种颜色的LED具体为：首先判断LED照明设备中是否有颜色的LED满足所需光质，如是，选择该种颜色的LED；如否，在LED照明设备中选择两种或两种以上颜色的LED。
所要解决的技术问题是提供一种用于微藻培养的生成环境控制系统，该系统能够满足微藻培养所需光质对精度的要求。
本发明一种用于微藻培养的生成环境控制系统，包括控制器，由多种颜色LED组成的LED照明设备，控制器包括微藻种类判断模块、所需光质获取模块、LED选择模块和光质调节模块：微藻种类判断模块，用于判断微藻的种类；所需光质获取模块，用于获取该种类微藻的所需光质；LED选择模块，用于依据所需光质在LED照明设备中选择至少一种颜色的LED；光质调节模块，用于指令选择的LED发光，调制出所需光质。
优选的，所述控制器还包括所需光强获取模块和光强调节模块：所需光强获取模块，用于获取上述种类微藻的所需光强；光强调节模块，用于控制发光LED的PWM的脉宽比，使发光LED达到所需光强。
优选的，系统还包括加热器，控制器还包括温度获取模块和温度控制模块：温度获取模块，用于获取上述种类微藻的所需温度和生长环境温度；温度控制模块，用于控制加热器动作，使生长环境温度达到所需温度。
优选的，系统还包括CO2调节设备，控制器还包括CO2浓度获取模块和CO2浓度控制模块：CO2浓度获取模块，用于获取上述种类微藻的所需CO2浓度和生长环境CO2浓度；CO2浓度控制模块，用于控制CO2调节设备工作，使生长环境CO2浓度达到所需CO2浓度。
优选的，所述微藻放置在箱体内，该箱体包括三层培养抽屉，各层培养抽屉之间采用可上下移动的隔板分离；控制器设置在箱体顶部，LED照明设备设置在各层培养抽屉的上部。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
相对于现有技术中采用滤光片或有色聚氯乙烯薄膜滤出所需要的光质，或通过改变荧光粉的混合比例调制光质，本发明利用各颜色的LED调制所需的光质，因各颜色LED的光质稳定，调制的混合光质也相对精确，能够满足微藻培养所需光质对精度的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为用于微藻培养的生成环境控制方法第一实施例流程图；
图2为用于微藻培养的生成环境控制方法第二实施例流程图；
图3为用于微藻培养的生成环境控制方法第三实施例流程图；
图4为用于微藻培养的生成环境控制方法第四实施例流程图；
图5为用于微藻培养的生成环境控制系统第一实施例示意图；
图6为用于微藻培养的生成环境控制系统第二实施例示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
光合作用的机理和提高农作物光合效率是微生物培养的理论基础，而光照的光质是影响光合作用效率的重要因素。微藻作为单细胞光合自养生物，微藻的种类多样性决定了不同微藻对不同波长光源要求不同。例如，由于藻红蛋白的存在，绿光是有些微藻生长所需的最适光源。因此，用现有的植物光照培养装备培养微藻，无法满足不同微藻生长对最适光源的不同需求，使微藻的培养效率低下，进而严重限制了微藻培养及其产物的研发。本发明选用LED(或OLED)作为微藻培养的照明设备，通过选择不同颜色的LED发光，组合成所需的光质，满足各种类微藻生成所需的光质。
用于微藻培养的生成环境控制方法第一实施例。
参见图1，具体步骤如下。
步骤S101、判断微藻的种类，获取该种类微藻的所需光质。
控制器依据预先的设定或依据获取的输入信息，判断微藻的种类，例如蓝藻、绿藻、硅藻或甲藻，再依据微藻的种类在存储器中调取该种类微藻的所需光质。所需光质可为光源的波长。
步骤S102、依据所需光质在LED照明设备中选择至少一种颜色的LED。
控制器首先判断LED照明设备中各颜色的LED是否满足所需光质的要求，如是，指令该种颜色的LED发光，例如选择紫色LED、蓝色LED、红色LED、绿色LED、黄色LED或白色LED；如否，在LED照明设备中选择两种或两种以上颜色的LED，使混合光质满足所需光质。例如，选择绿色LED和黄色LED。
步骤S103、指令选择的LED发光，调制出所需光质。
本发明通过LED调制微藻所需的光质，不同颜色LED光源的波长不同。本发明优先选择单色LED发光，以满足所需的光质。在单色LED光源的光质不能满足所需光质要求的情况下，再选择两种颜色的LED发光，让两中颜色的LED光源的混合光质满足所需光质。如仍两种颜色的LED光源仍不能满足所需光质，则选择三种或三种以上的颜色的LED，直至选择的LED光源的混合光质满足所需光质。
相对于现有技术中采用滤光片或有色聚氯乙烯薄膜滤出所需要的光质，或通过改变荧光粉的混合比例调制光质，本发明利用各颜色的LED调制所需的光质，因各颜色LED的光质稳定，调制的混合光质也相对精确，能够满足微藻培养所需光质对精度的要求。
控制方法第二实施例。
步骤S201、判断微藻的种类，获取该种类微藻的所需光质。
步骤S202、依据所需光质在LED照明设备中选择至少一种颜色的LED。
步骤S203、指令选择的LED发光，调制出所需光质。
步骤S204、获取上述种类微藻的所需CO2浓度和生长环境CO2浓度。
CO2浓度也是微藻培养的关键因素之一，本发明控制器通过CO2检测器检测生长环境CO2浓度，将该生长环境CO2浓度与所需CO2浓度进行比较。
步骤S205、控制CO2调节设备工作，使生长环境CO2浓度达到所需CO2浓度。如果生长环境CO2浓度大于所需CO2浓度，指令CO2调节设备排出部分CO2；如果生长环境CO2浓度小于所需CO2浓度，指令CO2调节设备补充CO2。
本发明通过调节CO2浓度，使生长环境的CO2浓度满足微藻生长要求，进一步提高微藻的生长效率。
控制方法第三实施例。
步骤S301、判断微藻的种类，获取该种类微藻的所需光质。
步骤S302、依据所需光质在LED照明设备中选择至少一种颜色的LED。
步骤S303、指令选择的LED发光，调制出所需光质。
步骤S304、获取上述种类微藻的所需光强。
步骤S305、控制发光LED的PWM的脉宽比，使发光LED达到所需光强。
本发明通过控制发光LED的光强，使光源的光强符合微藻生长要求，进一步提高微藻的生长效率。
控制方法第四实施例。
步骤S401、判断微藻的种类，获取该种类微藻的所需光质。
步骤S402、依据所需光质在LED照明设备中选择至少一种颜色的LED。
步骤S403、指令选择的LED发光，调制出所需光质。
步骤S404、获取上述种类微藻的所需温度和生长环境温度。
步骤S405、控制加热器动作，使生长环境温度达到所需温度。
温度是微藻培养的重要因素之一，本发明通过调节微藻生长环境的温度，使其满足微藻生长要求，进一步提高微藻的生长效率。
基于上述用于微藻培养的生成环境控制方法，本发明还提供一种基于微藻培养的生成环境控制系统。
控制系统第一实施例。
参见图5，该系统包括控制器51，由多种颜色LED组成的LED照明设备52，控制器包括微藻种类判断模块511、所需光质获取模块512、LED选择模块513和光质调节模块514。
微藻种类判断模块511判断微藻的种类，发送到所需光质获取模块512。所需光质获取模块512获取该种类微藻的所需光质，发送到LED选择模块513。LED选择模块513依据所需光质在LED照明设备52中选择至少一种颜色的LED，发送到光质调节模块514。光质调节模块514指令选择的LED发光，调制出所需光质。
控制系统第二实施例。
参见图6，该系统包括控制器51，由多种颜色LED组成的LED照明设备52、加热器53和CO2调节设备54，控制器包括微藻种类判断模块511、所需光质获取模块512、LED选择模块513、光质调节模块514、所需光强获取模块515光强调节模块516、温度获取模块517、温度控制模块518、CO2浓度获取模块519和CO2浓度控制模块520。
所需光强获取模块515获取上述种类微藻的所需光强，发送到光强调节模块516。光强调节模块516控制发光LED的PWM的脉宽比，使发光LED达到所需光强。
温度获取模块517获取上述种类微藻的所需温度和生长环境温度，发送到温度控制模块518。温度控制模块518控制加热器53动作，使生长环境温度达到所需温度。
CO2浓度获取模块519获取上述种类微藻的所需CO2浓度和生长环境CO2浓度，发送到CO2浓度控制模块520
CO2浓度控制模块520控制CO2调节设备工作，使生长环境CO2浓度达到所需CO2浓度。
为方便微藻的培养，本发明可将微藻放置在箱体内，该箱体包括三层培养抽屉，各层培养抽屉之间采用可上线移动的隔板分离。控制器设置在箱体顶部，LED照明设备设置在各层培养抽屉的上部。每层抽屉构成单独的培养空间，可对一种藻类进行培养试验。可根据不同藻类的生长条件，隔板可向上下移动调整光源藻之间的距离进行合理的光强调配利用。
本发明用于微藻培养的环境控制方法和系统不仅可以用于微藻的培养，也可以用于植物生长和光合细菌的培养。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，也可以上述具体实施方式的进行组合，这些改进、润饰及组合形成的技术方案也应视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种用于微藻培养的生成环境控制方法，其特征在于，该方法包括：
判断微藻的种类，获取该种类微藻的所需光质；
依据所需光质在LED照明设备中选择至少一种颜色的LED；
指令选择的LED发光，调制出所需光质。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
获取上述种类微藻的所需CO2浓度和生长环境CO2浓度；
控制CO2调节设备工作，使生长环境CO2浓度达到所需CO2浓度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
获取上述种类微藻的所需光强；
控制发光LED的PWM的脉宽比，使发光LED达到所需光强。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
获取上述种类微藻的所需光照周期；
依据所需光照周期控制发光LED的光照时间。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
获取上述种类微藻的所需温度和生长环境温度；
控制加热器动作，使生长环境温度达到所需温度。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，依据所需光质在LED照明设备中选择至少一种颜色的LED具体为：
首先判断LED照明设备中是否有颜色的LED满足所需光质，如是，选择该种颜色的LED；如否，在LED照明设备中选择两种或两种以上颜色的LED。
7.一种用于微藻培养的生成环境控制系统，其特征在于，包括控制器，由多种颜色LED组成的LED照明设备，控制器包括微藻种类判断模块、所需光质获取模块、LED选择模块和光质调节模块：
微藻种类判断模块，用于判断微藻的种类；
所需光质获取模块，用于获取该种类微藻的所需光质；
LED选择模块，用于依据所需光质在LED照明设备中选择至少一种颜色的LED；
光质调节模块，用于指令选择的LED发光，调制出所需光质。
8.如权利要求7所需的系统，其特征在于，所述控制器还包括所需光强获取模块和光强调节模块：
所需光强获取模块，用于获取上述种类微藻的所需光强；
光强调节模块，用于控制发光LED的PWM的脉宽比，使发光LED达到所需光强。
9.如权利要求7所需的系统，其特征在于，系统还包括加热器，控制器还包括温度获取模块和温度控制模块：
温度获取模块，用于获取上述种类微藻的所需温度和生长环境温度；
温度控制模块，用于控制加热器动作，使生长环境温度达到所需温度。
10.如权利要求7所需的系统，其特征在于，系统还包括CO2调节设备，控制器还包括CO2浓度获取模块和CO2浓度控制模块：
CO2浓度获取模块，用于获取上述种类微藻的所需CO2浓度和生长环境CO2浓度；
CO2浓度控制模块，用于控制CO2调节设备工作，使生长环境CO2浓度达到所需CO2浓度。
11.如权利要求7、8、9或10所需的系统，其特征在于，所述微藻放置在箱体内，该箱体包括三层培养抽屉，各层培养抽屉之间采用可上下移动的隔板分离；控制器设置在箱体顶部，LED照明设备设置在各层培养抽屉的上部。
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