CN107779384A - 一种空间微藻光照系统 - Google Patents

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    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
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Abstract

本发明公开了一种空间微藻光照系统，包括电路系统、LED灯板组件以及光源柜等等。本系统针对空间环境条件下微藻培养节能高效的特点，通过建立气升罐式光生物反应器和空间微藻光照系统，探索了光照强度、光质组合和光照周期对微藻培养的影响规律，确立了空间微藻培养的光源需求和光照方法，为我国在空间环境条件下受控生态生保系统中进行微藻培养和提高系统物质循环闭合度提供了很好的解决途径。

Description

一种空间微藻光照系统
技术领域
本发明涉及一种空间微藻光照系统，应用于载人航天等环境下小规模微藻的快速培养与研究领域。
技术背景
长时间、远距离和多乘员的载人空间飞行、深空探测和星球定居，必须依靠能实现物质闭合循环的受控生态生保系统(CELSS)提供长期的食物等生保物资供给。微藻具有光合效率高、生长迅速、营养价值高和富含抗氧化剂等特点，可以作为CELSS生物部件在大气平衡调控和食物稳定性供给等方面起到重要的补充和应急作用。因此，结合太空环境下航天器资源紧缺、生态脆弱以及CELSS对生物部件的性价比及安全可靠性要求高等特点，如何实现微藻高效培养是建立航天微藻生物部件的基础。
实现空间微藻高效培养的关键问题之一是提高微藻的光能利用效率及产品品质，然而，国内外对这一技术的改进还相对较少。微藻对不同光照强度的适用与藻种、藻液浓度及光质等有关，过高或过低的光照强度都不利于微藻的生长。微藻对不同光质有不同的利用能力，光质也能够直接影响微藻的生长和物质合成。光周期可以在一定程度影响微藻的生长繁殖。因此，必须针对微藻的生长特性进行光照培养。
近年来，LED凭借其能耗低、寿命长、散热少等特点被广泛应用到照明领域中，而其波长范围窄等特点更使其成为微藻人工光源的不二选择。然而，如何设计基于LED光源的光照系统，是建立空间微藻光生物反应器的基础。
发明内容
本发明需要解决的主要技术问题是：针对空间微藻的培养特点，设计一种光强可调、光质特定、光周期可控、节能高效的光照系统。
本发明的技术方案是：
光照系统由电路系统、灯板组件及光源柜组成；
电路系统由定时器和直流电源等组成，可通过定时器设定光周期；
灯板组件由两块镜像对称的灯板组成，组合后为包围在反应罐周围且无上下底面的中空正六棱柱体结构。每一侧面有两列、共20枚灯珠。受总光照强度、灯板调节方式限制，相对于柱形等其他多面体形状，正六棱柱形为最优选择；
通过调节灯板与反应罐的位置和角度，调控光照强度，调节范围为2～6mW/cm2。根据光照强度对微藻生长的影响以及光在藻液中的光衰减效应，共设置三个档位：光照强度为3mW/cm2的1档、光照强度为4mW/cm2的2档、光照强度为4.5mW/cm2的3档；
光源采用120枚发光功率为1W的LED灯构成，每块灯板上有60枚，分六列、每列10枚排布于灯板上。光源光质采用80％LED红灯+15％LED蓝灯+5％绿灯组成，即96枚红灯、18枚蓝灯、6枚绿灯，波长峰值分别为625nm、465nm和525nm。灯珠按照特定方式排列且方便更换；
光源柜由镜面不锈钢制成，且在灯板后方和正上方的柜面上安装风扇，为灯板散热。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1本发明根据光照强度对微藻生长的影响以及光在藻液中的光衰减效应，共设置三个档位，可以根据微藻生长需求给予合适的光照强度，避免光照不足、减少光损伤、最大限度利用电能和光能。此外，本发明采用三色LED组合光源，不同灯珠的光照强度随电压的衰减程度不同，相对于通过电压调控光照强度的传统方式，调节灯板位置的方式可以避免因电压变化带来的光质配比变化，保证光质配比恒定，减少安全隐患和灯珠寿命损耗。
2本发明根据藻胆素和叶绿素对光谱的吸收特点以及试验验证，光源光质采用80％LED红灯+15％LED蓝灯+5％绿灯组合，适应于螺旋藻等蓝藻生长需求，节能高效。灯珠更换方便，可根据需求更换。
附图说明
图1为空间微藻光照系统设计简图；
图2为光照系统的主视图和俯视图。
具体实施方式
如图1所示：(2)灯板包围在(1)反应罐两侧，(3)风扇安装在(4)不锈钢光源柜两侧及上方，正对两个灯板和培养罐顶端。
(5)红灯、(6)蓝灯、(7)绿灯在灯板上的排列如图2所示，呈六列排布。光源光质采用80％LED红灯+15％LED蓝灯+5％绿灯组成，每块灯板上有48枚红灯、9枚蓝灯、3枚绿灯。
在藻浓度较低的培养初期，将灯板安装在光照强度为3mW/cm2的1档位置，避免因光强过高造成微藻的光抑制现象。当藻液吸光度高于0.5时，将灯板安装在光照强度为4mW/cm2的2档位置，提供充足光照。当藻液吸光度高于1.0时，将灯板安装在光照强度为4.5mW/cm2的3档位置。
光质配比对螺旋藻生长的影响对比实验：
在配备该光照系统的光生物反应器中接种螺旋藻，进行A、B、C、D四组处理，培养七天收获，测定其干重、藻蓝素含量及蛋白质含量。四组处理光质条件如下：A组采用100％红光，B组采用80％红+20％蓝，C组采用80％红+15％LED蓝+5％绿，D组采用白光，调节电压使各组光照强度一致。实验中，除培养光质不同外，各处理其他操作与培养条件相同。实验结果如表1下：
表1 不同光质配比处理下螺旋藻干重、藻蓝素和蛋白质含量
从表1可以看出，80％红+20％蓝处理与80％红+15％LED蓝+5％绿处理最能实现螺旋藻快速生长，但80％红+15％LED蓝+5％绿处理不仅能耗最低，藻蓝素含量与蛋白质含量也明显高于其他处理，为高效光质组合。

Claims (4)

1.空间微藻光照系统，其特征在于：
该光照系统由电路系统、灯板组件及光源柜组成。灯板组件受有定时器的电路控制，整体位于光源柜内。
2.根据权利要求1的光照系统，其特征在于：光源由两块灯板组成，组合后为包围在反应罐周围且无上下底面的中空正六棱柱体结构。
3.根据权利要求1的光照系统，其特征在于：灯板通过位移调控光照强度，可调范围为2～6mW/cm2，共设置三个档位：光照强度为3mW/cm2的1档、光照强度为4mW/cm2的2档、光照强度为4.5mW/cm2的3档。
4.根据权利要求1的光照系统，其特征在于：光源由80％LED红灯+15％LED蓝灯+5％LED绿灯组成，并按照特定方式排列。
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