CN105087371A

CN105087371A - 一种自动化培养微藻的光生物反应器

Info

Publication number: CN105087371A
Application number: CN201410181879.4A
Authority: CN
Inventors: 霍亮生; 吴垚
Original assignee: Beijing Technology and Business University
Current assignee: Beijing Technology and Business University
Priority date: 2014-05-04
Filing date: 2014-05-04
Publication date: 2015-11-25

Abstract

一种自动化培养微藻的光生物反应器，由光生物反应器主体、气路子系统、光源子系统、采集模块、温度控制子系统、营养液控制模块、酸碱控制模块、嵌入式中央控制器构成；光生物反应器主体包括平板式反应器；气路子系统包括气源、减压阀、气体流量控制器、进气管、出气管、气体均布器；光源子系统包括LED光源阵列、光照度功率控制；采集模块包含温度、光照度、pH值、氧、液位等传感器；营养液控制模块包括营养液进料管、微量泵、藻液卸料管；酸碱控制模块可调节酸碱度、微量泵；反应器上方设置有营养液进料管、酸调节液进料管、碱调节液进料管、气体出口管；底部设置有藻液卸料口、进气管；中央控制系统安装在平板式反应器主体的外侧面。

Description

一种自动化培养微藻的光生物反应器

技术领域

本发明涉及微藻生物工程技术领域，具体地说是一种自动化培养微藻的光生物反应器。

技术背景

随着经济社会的不断发展，全球化石燃料的消耗量正不断攀升，找到一种清洁、可再生能源成为实现世界经济可持续发展的关键。生物柴油是动、植物或微生物油脂经酯化反应后得到的长链脂肪酸烷基单酯，其在化学组成与燃烧特性方面与常规化石燃料相近，且不含有硫元素，具有替代容易、环境友好等优点，得到了世界各国的广泛关注。

微藻是单细胞、形态微小的藻类的总称，其结构简单，生长周期短，可以通过光合作用固定CO₂并在细胞内合成生物油脂(主要是三酰甘油)，并可提炼色素、多糖、蛋白和不饱和脂肪酸等高附加值产品，被视为未来最有希望的环境友好、可再生的生物质能源资源，发展潜力巨大。利用微藻生产生物柴油可利用盐碱地、荒芜地等废地进行生产，不与人争粮，不与粮争地；且具有生产效率高、可不受季节和地域限制进行连续生产的优点，在解决人类正面临的能源短缺和全球气候变暖两大难题方面具有潜在的战略意义。

用于微藻培养的光生物反应器可分为开放式光生物反应器与封闭式光生物反应器。开放式系统构建简单、成本低廉及操作简便，但受外界环境影响大，无法实现对物理量的精确控制，其生产受到地域、季节的限制。而封闭式光生物反应器可对影响微藻的若干关键因素进行精确调控，不受地域和季节限制，可人为构建一个适合微藻生长的环境，有利于对微藻进行相关的科学探究试验。

诸如温度、光照条件、pH值、O₂浓度均对微藻的生长速率及产物积累产生影响。如何准确控制影响微藻生长的关键因素，提高微藻的生长速率，成为当前微藻培养装置研究的关键所在。

发明内容

本发明的目的是为实验室提供一种自动化培养微藻的光生物反应器，能够在线检测培养过程中温度、光照强度、pH值、O₂浓度，并可实现对上述因素的自动控制。可用于探究适合微藻生长的培育条件，进行微藻培养相关的科学研究。

本发明采用的技术方案为：一种自动化培养微藻的光生物反应器，该装置由光生物反应器主体、气路子系统、光源子系统、采集模块、温度控制子系统、营养液控制模块、酸碱控制模块、嵌入式中央控制器构成；光生物反应器主体包括平板式反应器；气路子系统包括气源、减压阀、气体流量控制器、进气管、出气管、气体均布器；光源子系统包括LED光源阵列、光照度功率控制；LED光源阵列安装在平板式反应器主体的正前方，其与平板式光生物反应器的距离可调；采集模块包含温度传感器、光照强度传感器、pH值传感器、氧传感器、液位传感器；温度传感器、pH值传感器、氧传感器、液位传感器均安装在平板式反应器主体内；光照强度传感器安装在平板式光生物反应器的后壁外；营养液控制模块包括营养液进料管、微量泵、藻液卸料管；酸碱控制模块包括酸调节液进料管、碱调节液进料管、微量泵；反应器上方设置有营养液进料管、酸调节液进料管、碱调节液进料管、气体出口管；底部设置有藻液卸料口、进气管；嵌入式中央控制系统安装在平板式反应器主体的外侧面。

所述的光生物反应器主体为平板式，材料为透明的玻璃、有机玻璃或树脂材料等。

所述的气源为气泵或气瓶。通入的气体可为CO2气体、灭菌的空气或CO2与灭菌空气的混合气体。

所述的气流流量控制器，由嵌入式控制器根据藻液的情况自动控制，保证充入的气体流量适宜。

所述的气体均布器，能使充入的气体以均匀、微小的气泡形式进入装置，有利于微藻吸收利用。所采用的气体均布器可以为带气孔的PVC管、微孔管道。

所述的采集模块包括温度传感器、光照强度传感器、pH值传感器、氧传感器、液位传感器。

在装置主体的上、下两部分，具有液位传感器，可监控藻液的液位水平。既可防止泡沫过多产生过高液位，又可防止液体泄露而影响系统产量。

所述的温度控制模块有电加热装置、半导体制冷装置。可根据温度传感器采集的信息，由嵌入式中央控制器与输入的适宜值进行比较，当出现温差时，启动加热装置或半导体制冷装置，开始温度调节，保证藻液温度在适宜的温度范围内。

所述的营养液进料管，安装在装置的上方，管道由微量泵进行控制。

所述的酸调节液进料管，安装在装置的上方，管道由微量泵进行控制。

所述的碱调节液进料管，安装在装置的上方，管道由微量泵进行控制。

所述的藻液卸料管，安装在装置的底部，管道由阀门进行控制。

所述的光源子系统，采用LED光源阵列实现。所述的LED发光阵列由高亮度表贴白色LED60只焊接于最小板，可根据实际需要通过调整最小板的串联、并联实现不同的光照，其光照强度、时间、明暗变化均可由嵌入式中央控制器自动控制。

所述的LED控制电路采用嵌入式中央控制系统编程实现光强精确可控控制。具体采用PWM(脉冲宽度可调)控制技术，该技术调节光强具有安全可靠、效率较高等优点。

本发明与现有技术比较具有以下优点：

1.采用LED光源阵列作为光源，可经由嵌入式中央控制器实现光照条件的精确控制。LED光源具有节能、结构简单、使用安全、寿命长的优点。同时LED光源发出的光谱为带状光谱，可与微藻色素的吸收光谱匹配，能充分利用微藻的“闪光效应”，有利于微藻快速积累生物油脂。

2.微藻在自动培养过程中，可吸收大量CO₂气体，产生O₂，在一定程度上减少了温室气体，有利于环境保护。

3.本反应器中温度、光照强度、pH值的信息均可由传感器实时采集，并由嵌入式中央控制器进行数据处理，可将上述因素自动调节到微藻生长的适宜条件，以利于微藻生长。在节省大量人力的基础上，实现上述条件的精确控制。

4.装置带有人机交互界面，可由计算机等设备显示当前信息与历史数据情况。

5.装置结构简单。

6.采用气体均布器的通气方式，有效提升了CO₂的使用效率。

附图说明

图1是本发明的自动化培养微藻的光生物反应器结构示意图(正视图)。

图2是本发明的自动化培养微藻的光生物反应器结构示意图(侧视图)。

图中，1-上液位传感器；2-电加热装置；3-下液位传感器；4-进气管；5-气体流量控制器；6-气体均布器；7-藻液卸料管；8-阀门；9-半导体制冷器；10-嵌入式中央控制器；11-氧传感器；12-阀门；13-出气管；14-温度传感器；15-营养液进料管；16-微量泵；17-酸调节液进料管；18-碱调节液进料管；19-减压阀；20-平板式光反应器主体；21-光照强度传感器；22-pH值传感器；23-LED光源阵列。

具体实施方式

本发明的自动化培养微藻的光生物反应器，该反应器由光生物反应器主体、气路子系统、光源子系统、采集模块、温度控制子系统、营养液控制模块、酸碱控制模块、嵌入式中央控制器构成。气路子系统包括减压阀19、气体流量控制器5、进气管4、出气管13、气体均布器6；光源子系统包括LED光源阵列；采集模块包括温度传感器14、光照强度传感器21、pH值传感器22、氧传感器11、液位传感器1，3；营养液控制模块包括营养液进料管15、微量泵16、藻液卸料管7；酸碱控制模块包括酸调节液进料管17、碱调节液进料管18、微量泵16；嵌入式中央控制器10安装在反应器主体的侧面。

自动化微藻培养装置进行微藻培养生物实验前，需进行消毒，消毒方式可采用传统的消毒方法，如采用盐酸、高锰酸钾、臭氧进行多次消毒，最后用消毒过的无菌水将平板式反应器冲洗干净。

利用自动化培养微藻的光生物反应器培养微藻的具体过程如下：

(1)关闭藻液卸料管7、进气管4、排气管13，打开营养液进料管15，将配置好的营养液通过营养液进料管15输入到平板式光生物反应器主体20中。到达一定液位高度后停止进液。

(2)将配置好的藻液通过营养液进料管15输入到平板式光生物反应器主体20中。之后用营养液冲洗营养液进料管15，将管道内剩余的藻液冲入反应器内。

(3)打开减压阀19，嵌入式中央控制器10通过气体流量控制器5控制气体流速。通入的气体经过气体均布器6进入反应器主体内，气体以均匀、微小的气泡形式，有助于微藻吸收利用。通入气体在上升过程中，能轻柔地混合液体，起到搅拌的作用。

(4)在培养过程中，嵌入式中央控制器10分别通过温度传感器14、光照强度传感器、pH传感器、氧浓度传感器11定时采集温度、光照强度、pH值、O₂浓度信息。

(5)在培养过程中，若温度传感器14采集到的温度值过高，会产生温度过高报警，嵌入式中央控制器10通过控制半导体制冷器9来进行降温操作，直到藻液温度恢复正常。若温度传感器14采集到的温度值过低，会产生温度过低报警，嵌入式中央控制器10通过加热器2来进行加热操作，直到藻液温度恢复正常。

(6)在培养过程中，若光照强度传感器21采集到的光照强度值过高，会产生光照过强报警，嵌入式中央控制器10通过减小光照度功率控制中PWM脉冲宽度来减小光源的光照强度。若光照强度传感器21采集到的光照强度值过低，会产生光强过低报警，嵌入式中央控制器10通过增加光照度功率控制中PWM脉冲宽度来提高光源的光照强度。

(7)在培养过程中，由于通入的CO₂气体及微藻不断发生的生物-化学反应，藻液的pH值会不断发生变化。若pH值传感器22采集到的pH值过高，嵌入式中央控制器10控制微量泵16，通过酸调节液进料管17通入一定量的酸调节液。若pH值传感器22采集到的pH值过低，嵌入式中央控制器10控制微量泵16，通过酸调节液进料管18通入一定量的碱调节液。

(8)在培养过程中，若氧传感器11检测的O₂浓度过高，嵌入式中央控制器10通过气体流量控制器5，增大通入气体的流速，有助于将多余O₂排出。

(9)在培养过程中，若液位传感器1检测到液位过高，可产生液位过高报警，嵌入式中央处理器10通过打开阀门8，排出一定液体。若液位传感器检3测到液位过低，可产生液位过低报警，嵌入式中央处理器10通过控制微量泵16，通入一定营养液，以保证藻液液位正常。

(10)在培养过程中，若有需要进行采样，可通过藻液卸料管7将藻液排出样本。

实验结果表明，本发明能自动调控影响微藻生长的关键因素，节省大量人力物力，给微藻提供适宜生长的条件，有效缩短微藻培养时间，可用于微藻实验研究。

Claims

1.一种自动化培养微藻的光生物反应器，其特征在于由光生物反应器主体、气路子系统、光源子系统、采集模块、温度控制子系统、营养液控制模块、酸碱控制模块、嵌入式中央控制器构成；光生物反应器主体包括平板式反应器；气路子系统包括气源、减压阀、气体流量控制器、进气管、出气管、气体均布器；光源子系统包括LED光源阵列、光照度功率控制；LED光源阵列安装在平板式反应器主体的正前方，其与平板式光生物反应器的距离可调；采集模块包含温度传感器、光照强度传感器、pH值传感器、氧传感器、液位传感器；温度传感器、pH值传感器、氧传感器、液位传感器均安装在平板式反应器主体内；光照强度传感器安装在平板式光生物反应器的后壁外；营养液控制模块包括营养液进料管、微量泵、藻液卸料管；酸碱控制模块包括酸调节液进料管、碱调节液进料管、微量泵；反应器上方设置有营养液进料管、酸调节液进料管、碱调节液进料管、气体出口管；底部设置有藻液卸料口、进气管；嵌入式中央控制系统安装在平板式反应器主体的外侧面。

2.根据权利要求1所述的自动化培养微藻的光生物反应器，其特征在于：光源为LED光源阵列，其光照强度、时间、明暗变化均可由嵌入式中央控制器控制。

3.根据权利要求1所述的自动化培养微藻的光生物反应器，其特征在于：装置可根据pH传感器信号，自动调节酸碱溶液，使pH值维持在适宜范围内。

4.根据权利要求1所述的自动化培养微藻的光生物反应器，其特征在于：装置可根据温度传感器信号，自动调节藻液温度，使温度维持在适宜范围内。

5.根据权利要求1所述的自动化培养微藻的光生物反应器，其特征在于：装置可根据氧传感器信号，调节充入装置气体流速，防止氧气浓度过高抑制微藻光合作用。

6.根据权利要求1所述的自动化培养微藻的光生物反应器，其特征在于：嵌入式中央控制器位于平板式光生物反应器的后外壁，作为数据处理及控制中心。