CN103031249A

CN103031249A - 生物微藻反应容器参数监测及调控系统

Info

Publication number: CN103031249A
Application number: CN2012105304381A
Authority: CN
Inventors: 李斌; 黄文倩; 王庆艳
Original assignee: Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture
Current assignee: Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-12-10
Also published as: CN103031249B

Abstract

本发明涉及生物微藻养殖技术领域，具体涉及一种生物微藻反应容器参数监测及调控系统。该监测及调控系统，包括分别与反应容器连接的环境监测单元以及浓度监测单元、与所述环境监测单元连接的环境调控模块以及与所述浓度监测单元连接的浓度调控模块；本发明通过利用环境监测单元实时监测生物微藻生长环境变化信息，并通过环境调控模块对生物微藻生长环境进行调控；通过利用浓度监测单元实时监测生物微藻浓度信息，并通过浓度调控模块调控反应容器中生物微藻浓度；使得反应容器内的生物微藻处于最佳生长环境和繁殖浓度，保持良好的营养供给和高效的繁殖效率，从而为大规模的生物微藻养殖以及高效生产提供技术支持。

Description

生物微藻反应容器参数监测及调控系统

技术领域

本发明涉及生物微藻养殖技术领域，具体涉及一种生物微藻反应容器参数监测及调控系统。

背景技术

生物微藻是一种个体较小的单细胞或群体自养型低等植物，种类繁多，目前有约2万余种，广泛分布于温带至热带的淡水池塘及湖泊水域。生物微藻生长的适应性强，海水、淡水都可以养殖，生物微藻农场可设于任何地点，可以在盐碱地、粘土地、滩涂以及浅海、湖泊养殖，不与粮争地，不与人争粮。繁殖迅速，具有生物量大、生长周期短、易培养等优点，据估计，生物微藻生物质产量可达到陆地植物的300倍。太阳能转化效率约3.5%，比一般植物要高，葡萄藻直接产生的碳氢化合物可达到其干重的75%，化学成分接近柴油。生物微藻制油技术已经被很多国家高度关注，生物微藻制油的原理是利用生物微藻光合作用，将化工生产过程中产生的二氧化碳转化为生物微藻自身的生物物质从而固定了碳元素，再通过诱导反应使生物微藻自身的碳物质转化为油脂，然后利用物理或化学方法把生物微藻细胞内的油脂转化到细胞外，再进行提炼加工，从而生产出生物柴油。即通过藻类的光合作用，将废水中的营养物质和空气中的二氧化碳转化为生物燃料、蛋白质。“这是一个变废为宝的产业，而且还可以生产更多的下游产品。”在石油价格大幅上升，粮食短缺问题日渐突出的今天，该产业有着广阔的发展前景。

生物微藻被视为未来重要的可再生能源，在石化能源的替代方面具有非常大的发展潜力。重视生物微藻优秀品种培育、高效繁殖与柴油转化技术显得尤为重要。生物微藻的繁殖生长过程中，受环境因素影响较大，这些参数主要包括光照、二氧化碳浓度、温度等，现有的开放式养殖存在明显不足，比如，易受外界环境影响，难以保持较适宜的温度与光照，易受污染；如果在海边，容易受到台风的严重侵袭等，所以需要有针对性的采取必要措施。近年来，封闭式养殖成为一种趋势。研究结果表明，当生物微藻处于最佳的生长繁殖环境时，具有非常高的繁殖效率。因此运用先进信息传感和自动调控技术，进行封闭式反应容器内生物微藻生长环境关键参数的监测、调控和优化，对于实现生物微藻的高效繁殖，大规模提高其繁殖产量，有着重要的现实意义。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种生物微藻反应容器参数监测及调控系统，用于对反应容器内生物微藻生长环境关键参数进行监测、调控和优化，从而实现生物微藻的高效繁殖，大规模提高生物微藻的繁殖产量。

（二）技术方案

本发明技术方案如下：

一种生物微藻反应容器参数监测及调控系统，包括分别与反应容器连接的环境监测单元以及浓度监测单元、与所述环境监测单元连接的环境调控模块以及与所述浓度监测单元连接的浓度调控模块；所述环境调控模块根据环境监测单元实时监测到的环境变化信息调控生物微藻生长环境；所述浓度调控模块根据浓度监测单元实时监测到的生物微藻浓度信息调控反应容器中生物微藻浓度。

优选的，所述环境监测单元包括设置于反应容器内并分别与所述环境调控模块连接的温度传感器、光强传感器以及CO₂浓度传感器。

优选的，所述环境调控模块包括与所述环境监测单元连接的第一控制单元、分别与所述第一控制单元连接的温度调节单元、光强调节单元以及CO₂浓度调节单元。

优选的，所述温度调节单元包括罩在反应容器外部的保温玻璃箱以及设置于所述保温玻璃箱内、反应容器外并与所述第一控制单元连接的空调。

优选的，所述浓度监测单元包括与所述浓度调控模块连接的光谱测试仪。

优选的，反应容器为柱体，其外壁上套设有垂直于所述反应容器轴线的固定环，所述光谱测试仪的发射端和接收端分别固定于所述固定环一条直径的两端。

优选的，所述浓度调控模块包括与所述浓度监测单元连接的第二控制单元以及与所述第二控制单元连接的浓度调节单元；所述第二控制单元根据浓度监测单元实时监测到的生物微藻浓度信息控制浓度调节单元对反应容器中生物微藻浓度进行调控。

优选的，所述浓度调节单元包括分别与反应容器连接的生物微藻排出装置以及营养液注入装置；所述生物微藻排出装置以及营养液注入装置分别与所述第二控制单元连接。

优选的，所述第二控制单元包括与所述浓度监测单元连接的计算机以及与所述计算机连接的数据控制设备，所述数据控制设备分别与所述生物微藻排出装置以及营养液注入装置连接。

优选的，还包括电磁搅拌器，所述电磁搅拌器的主体设置于反应容器底部，所述电磁搅拌器的转子在磁力的作用下悬浮在反应容器内。

（三）有益效果

本发明通过利用环境监测单元实时监测生物微藻生长环境变化信息，并通过环境调控模块对生物微藻生长环境进行调控；通过利用浓度监测单元实时监测生物微藻浓度信息，并通过浓度调控模块调控反应容器中生物微藻浓度；使得反应容器内的生物微藻处于最佳生长环境和繁殖浓度，保持良好的营养供给和高效的繁殖效率，从而为大规模的生物微藻养殖以及高效生产提供技术支持。

附图说明

图1是本发明的一种生物微藻反应容器参数监测及调控系统结构示意图；

图2是图1中监测及调控系统的环境监测单元以及环境调控模块示意图；

图3是图1中监测及调控系统的浓度监测单元以及浓度调控模块示意图；

图4是图3中浓度调控模块的工作流程图。

其中，1：补光灯；2：CO₂充气罐；3：第一控制单元；4：空调；5：光谱测试仪；6：计算机；7：新鲜培养液；8：入蠕动泵；9：出蠕动泵；10：反应容器；11：环境监测单元；12：固定环；13：电磁搅拌器的主体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1中所示的一种生物微藻反应容器参数监测及调控系统，主要适用于封闭式生物微藻反应容器，本实例中的反应容器优选为由便于光线入射的透明材质制成的封闭式柱形容器，可以为圆柱体或者多面柱体，其顶部开设有两个小孔，便于反应时需要的气体和产生的气体流通，同时针对后续的生物微藻浓度的光谱特征测量，要求该反应容器对生物微藻的特征吸收波段的光谱呈现较弱的吸收特性；反应容器参数监测及调控系统包括与反应容器10连接的环境监测单元11以及与环境监测单元11连接的环境调控模块，其如图2中所示；环境监测单元11用于实施监测各种环境参数变化如：生物微藻生长环境的温度、光照强度、CO₂浓度等信息并发送至环境调控模块，环境调控模块根据环境监测单元11实时监测到的环境变化信息调控生物微藻生长环境，保持反应容器10内的生物微藻时刻处于最佳的生长环境；还包括与反应容器10连接的浓度监测单元以及与浓度监测单元连接的浓度调控模块，其如图3中所示；在适宜的环境条件和营养供给下，生物微藻具有较高的繁殖效率，一段时间后，反应容器10内生物微藻的繁殖数量会大大增加，造成生物微藻溶液浓度变大，其中的营养液不足以供给生物微藻的高效繁殖；而本发明中的浓度监测单元主要用于实时监测反应容器10中生物微藻浓度的信息，浓度调控模块根据浓度监测单元实时监测到的生物微藻浓度信息调控反应容器10中生物微藻浓度，可以保持反应容器10内的生物微藻时刻处于最佳的繁殖浓度。

其中，环境监测单元11包括设置于反应容器10内并分别与环境调控模块连接的温度传感器、光强传感器以及CO₂浓度传感器等；优选的光强传感器、温度传感器、二氧化碳浓度传感器均安装在反应容器10靠近顶部的内壁上，位于反应溶液液位以上，便于实时监测反应容器10内的光照强度大小、二氧化碳浓度大小及环境温度高低信息，并传输到环境调控模块。

其中，环境调控模块包括与环境监测单元11连接的第一控制单元3、分别与第一控制单元3连接的温度调节单元、光强调节单元以及CO₂浓度调节单元。温度调节单元主要包括罩在反应容器10外部的玻璃箱以及设置于保温玻璃箱内、反应容器10外并与第一控制单元3连接的空调4；本实例中玻璃箱尺寸根据反应容器10外观进行相应的设计，选用玻璃或其他透明材质便于外界阳光直射进入，为生物微藻生产提供自然光能，节省能量消耗，同时该箱保持密闭，便于保持恒温；第一控制单元3接收温度传感器监测到的温度信息并控制空调4调节生物微藻生长环境的温度。光强调节单元主要包括设置在反应容器10外并与第一控制单元3连接的补光灯1，补光灯1可以在阴天和晚上光强不够的时候，由第一控制单元3控制开启，白天可以充分利用自然光；为了达到较好的补光效果，针对不同的生物微藻种类，补光灯1可以选择不同波长的光源进行有效补光。CO₂浓度调节单元主要包括通过管道连通到反应容器10内并与第一控制单元3连接的CO₂充气罐2，第一控制单元3接收CO₂浓度传感器监测到的CO₂浓度信息并控制CO₂充气罐2向反应容器10中补充CO₂，调节生物微藻生长环境的CO₂浓度。第一控制单元3可以为单片机、STM32微处理器等，本实施例中优选STM32微处理器，因为其具有高性能、低成本、低功耗等优点；同时STM32微处理器可实现关键环境参数数据的液晶显示，并根据采集数据进行环境监控；一旦某一个或者几个参数达到设置的阈值，STM32微处理器将自动控制补光灯1、CO₂充气罐2、空调4等设备阀开启与关闭，进行反应容器10环境参数的调控，使得反应容器10保持最优环境条件。

其中，浓度监测单元包括与浓度调控模块连接的光谱测试仪5，现有研究表明，生物微藻呈现特定的光谱特征峰值，随着浓度的增大，吸收特性呈线性增加，而光谱测量仪可以产生反应容器10中繁殖的生物微藻在电磁波谱上对应的特征吸收波长的光谱；在反应容器10中部位置的外壁上套设有垂直于反应容器轴线的固定环12，光谱测试仪5的发射端和接收端分别固定于固定环12一条直径的两端，用于保持信号的有效接收；工作时光谱信号由发射端发出，穿过反应容器10中的溶液，经接收端接收，然后通过光纤传输，连接到浓度调控模块。

其中，浓度调控模块包括与浓度监测单元连接的第二控制单元以及与第二控制单元连接的浓度调节单元。浓度调节单元包括分别与反应容器10连接的生物微藻排出装置以及新鲜营养液注入装置；生物微藻排出装置以及新鲜营养液注入装置分别与第二控制单元连接。在反应容器10内生物微藻浓度较大时，通过生物微藻排出装置将含较高浓度生物微藻的部分反应溶液排出反应容器10，进行后续的加工处理，紧接着通过营养液注入装置注入新鲜培养液7；生物微藻排出装置主要包括通过管道连接到反应容器10内的出蠕动泵9，营养液注入装置主要包括通过管道连接到反应容器10内的入蠕动泵8，选择蠕动泵是由于其输送流体非常平稳。第二控制单元包括与浓度监测单元连接的计算机6以及与计算机6连接的数据控制设备；光谱测试仪5采集的数据，会实时显示在计算机6的LABVIEW软件界面中，并不断与初始设定溶液浓度的阈值T相比较；数据控制设备分别与生物微藻排出装置以及营养液注入装置连接，出蠕动泵9以及入蠕动泵8都受数据控制设备控制，其控制过程流程图如图4中所示；反应容器10内液面高度控制在整个反应容器10的五分之四处，已知蠕动泵的导管抽取速度v，在软件界面设置有反应容器10的容量V，需要替换的溶液百分比（p%），计算机6根据这些数值计算出具体替换的体积数V₁和替换所用的时间t；在这些参数作用下，当反应容器10内反应溶液浓度达到阈值T时，光谱测试仪5停止采集溶液浓度新鲜，同时自动开启出蠕动泵9，泵出V₁体积的生物微藻溶液，t时刻后，关闭出蠕动泵9，瞬间开启入蠕动泵8，泵入V₁体积的新鲜培养液7，t时刻后，关闭入蠕动泵8，同时开启光谱测试仪5，继续对反应容器10内溶液浓度进行光谱测量监控，持续运行。其中，各参数关系表达式如下：V₁=0.8*V*p%；t=V₁/v；p为1-100之间的数值，优选取50附近的值；V，V₁单位为毫升（ml），v单位为毫升/秒（ml/s），t单位为秒（s）。

进一步的，本发明的生物微藻反应容器参数监测及调控系统还包括电磁搅拌器，电磁搅拌器的主体13设置于反应容器10底部，电磁搅拌器的转子在磁力的作用下悬浮在反应容器10内的溶液中，并且可以在电磁搅拌器的主体13控制下转动而搅拌反应容器10内的溶液，用于保持生物藻类与营养液的充分接触，也可以促使反应容器10内原有溶液与新注入新鲜培养液7的均匀混合，达到各处溶液浓度均匀。

为了消除不稳定的噪声等因素带来的实验误差影响，本实施例中的浓度调控模块可以通过四种方法来降低实验室误差的影响：1、在硬件上，采用电磁搅拌器，在光谱测量同时，保持转子快速运转，实现反应容器内溶液的均匀性，保持采集数据的有效性；2、在测量前进行标定，采集空置反应容器的光谱数据作为背景，在后续的实验中数据测量值中减去该背景数值，用于减小暗电流和背景噪声的影响；3、采集特征光谱峰值附近的20个波长的平均值作为当前特征光谱峰值，用于消除“漂移”等现象带来的影响；4、将连续时间顺序取得的前后各10个数据平均值作为该时刻的采集数值，用于从时序方面减小采集数据带来的误差。

本发明涉及的一种生物微藻反应容器参数监测及调控系统，通过在反应容器内装备多种传感器，实时监测反应容器内生物微藻关键生长环境因子，主要是光照强度、二氧化碳浓度、温度等参数，然后基于STM32微处理器控制二氧化碳充气罐、补光灯及空调等设备阀，不断调控、优化反应容器内光强、二氧化碳浓度、温度等环境参数；同时，通过光谱测量仪器实时监测反应容器内生物微藻溶液浓度，LABVIEW软件编程采集有效光谱数据并与初始设定阈值比较，通过数据采集设备控制蠕动泵，根据设置参数首先开启出蠕动泵泵出生物微藻，一定时间后，停止泵出，再开启入蠕动泵泵入等量新鲜培养液后停止，如此运转，使得反应容器内生物微藻处于最佳生长环境和繁殖浓度，并且借助电磁搅拌器的搅拌作用使得溶液保持均匀，保持生物微藻良好的营养供给和高效的繁殖效率，从而为大规模的生物微藻生产提供技术支持。另外，本发明也可适用于其他封闭式反应容器生长参数的监测和调控。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims

1.一种生物微藻反应容器参数监测及调控系统，其特征在于，包括分别与反应容器连接的环境监测单元以及浓度监测单元、与所述环境监测单元连接的环境调控模块以及与所述浓度监测单元连接的浓度调控模块；所述环境调控模块根据环境监测单元实时监测到的环境变化信息调控生物微藻生长环境；所述浓度调控模块根据浓度监测单元实时监测到的生物微藻浓度信息调控反应容器中生物微藻浓度。

2.根据权利要求1所述的监测及调控系统，其特征在于，所述环境监测单元包括设置于反应容器内并分别与所述环境调控模块连接的温度传感器、光强传感器以及CO₂浓度传感器。

3.根据权利要求1或2所述的监测及调控系统，其特征在于，所述环境调控模块包括与所述环境监测单元连接的第一控制单元、分别与所述第一控制单元连接的温度调节单元、光强调节单元以及CO₂浓度调节单元。

4.根据权利要求3所述的监测及调控系统，其特征在于，所述温度调节单元包括罩在反应容器外部的保温玻璃箱以及设置于所述保温玻璃箱内、反应容器外并与所述第一控制单元连接的空调。

5.根据权利要求1所述的监测及调控系统，其特征在于，所述浓度监测单元包括与所述浓度调控模块连接的光谱测试仪。

6.根据权利要求1或5所述的监测及调控系统，其特征在于，反应容器为柱体，其外壁上套设有垂直于所述反应容器轴线的固定环，所述光谱测试仪的发射端和接收端分别固定于所述固定环一条直径的两端。

7.根据权利要求1或5所述的监测及调控系统，其特征在于，所述浓度调控模块包括与所述浓度监测单元连接的第二控制单元以及与所述第二控制单元连接的浓度调节单元；所述第二控制单元根据浓度监测单元实时监测到的生物微藻浓度信息控制浓度调节单元对反应容器中生物微藻浓度进行调控。

8.根据权利要求7所述的监测及调控系统，其特征在于，所述浓度调节单元包括分别与反应容器连接的生物微藻排出装置以及营养液注入装置；所述生物微藻排出装置以及营养液注入装置分别与所述第二控制单元连接。

9.根据权利要求8所述的监测及调控系统，其特征在于，所述第二控制单元包括与所述浓度监测单元连接的计算机以及与所述计算机连接的数据控制设备，所述数据控制设备分别与所述生物微藻排出装置以及营养液注入装置连接。

10.根据权利要求1-2、4-5、8-9任意一项所述的监测及调控系统，其特征在于，还包括电磁搅拌器，所述电磁搅拌器的主体设置于反应容器底部，所述电磁搅拌器的转子在磁力的作用下悬浮在反应容器内。