CN114015553A - 用于中试阶段的光自养生物反应器测控装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于中试阶段的光自养生物反应器测控装置及其应用方法，包括反应器主体物理结构单元、检测单元、主控单元、控制单元；所述反应器主体物理结构单元由交换柱、管式反应器、可旋转底盘组成；所述检测单元包含有溶解氧浓度检测模块、CO₂浓度检测模块、浊度检测模块、光照强度检测模块、温度检测模块、酸碱度检测模块；所述主控单元包含有通信模块、上位机；所述控制单元使装置具有执行能力，包含有供气控制模块、藻液循环控制模块、光照强度控制模块、温度控制模块、酸碱度控制模块；本发明能够检测、控制光自养生物反应器在微藻培养过程中的多种参数，为微藻类细胞的工业化培养采集数据，为优化培养打下基础。

Description

用于中试阶段的光自养生物反应器测控装置及其应用方法

技术领域

本发明属于测控装置领域，具体涉及一种用于中试阶段的光自养生物反应器测控装置及其应用方法。

背景技术

微藻类生物在食品工业、动物饲料、环境治理、生物燃料等方面已经表现出了非常好的应用前景，引起了世界各国的广泛关注，但其培养、放大技术一直是工业化生产过程中的难点，研究光自养微生物细胞工厂已成为当今生物工程技术的研究热点。微藻类细胞的培养、放大一般采用光自养生物反应器进行，但由于微藻的培养与温度、PH值、浊度、光照度等多种因素密切相关，这些因素之间相互有很强的耦合性，很难准确地得到各参数之间的关系。特别在工业化生产中，藻液容量大，不同位置的参数值差别很大，实验室小批量培养过程所得到的优化的参数无法直接应用，亟需设计一种用于中试阶段的光自养生物反应器测控装置，为微藻类细胞的工业化培养采集数据，为优化培养打下基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于藻类细胞培养中试阶段的光自养生物反应器测控装置及其使用方法，为多种微藻细胞的工业化培养采集过程参数并提高光自养生物反应器的自动化控制水平。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于中试阶段的光自养生物反应器测控装置，包括反应器主体物理结构单元、检测单元、主控单元、控制单元；所述反应器主体物理结构单元为微藻的生长过程提供场所，包括交换柱、管式反应器、可旋转底盘，交换柱、管式反应器位于可旋转底盘上，可在可旋转底盘带动下转动；所述检测单元用以获取藻类生长过程中的多个参数并记录下信息，发送至主控单元，包含有溶解氧浓度检测模块、CO₂浓度检测模块、浊度检测模块、光照强度检测模块、温度检测模块、酸碱度检测模块；所述主控单元包含有通信模块、上位机；所述控制单元用以根据主控单元的指令进行控制，包含有供气控制模块、藻液循环控制模块、光照强度控制模块、温度控制模块、酸碱度控制模块。

进一步地，交换柱为透明高硼硅玻璃制成的封闭式圆柱形反应器，透光率90％以上，顶部设有入料口、出气管、进气管、喷淋头、加酸管、加碱管，侧面上方回液管连接管式反应器出液口，侧面下方送液管连接管式反应器入液口；优选地，进气管采用倒扣漏斗形状延伸到交换柱底部；优选地，喷淋头设置为每隔N分钟自动喷射M秒。

进一步地，管式反应器为透明高硼硅玻璃制成的螺旋式双排管道反应器，透光率90％以上，管式反应器入液口连接交换柱送液管，出液口连接交换柱回液管。

进一步地，可旋转底盘可进行往返半圆周运动，用于放置交换柱、管式反应器。

进一步地，检测单元包括溶解氧电极、2个气体分析仪、浊度传感器、太阳辐射测量仪、温度传感器、酸碱度传感器，其中溶解氧电极、温度传感器、酸碱度传感器安装于管式反应器底端，第一个气体分析仪安装于交换柱的进气管，第二个气体分析仪安装于交换柱的出气管，太阳辐射测量仪安装于管式反应器顶端、浊度传感器安装于交换柱内部。

进一步地，通信模块负责与检测单元、控制单元的多个设备接口通信；上位机完成数据显示、记录以及处理功能。

进一步地，供气控制模块包括依次连通的空气压缩机、2个气体流量质量控制器、CO₂气瓶、压力调节阀以及配比气体混合器；空气压缩机的排气口与第一个气体流量质量控制器相连，CO₂气瓶与压力调节阀相连后连接第二个气体流量质量控制器，配比气体混合器的入口接2个气体流量质量控制器，出口接交换柱的进气管。

进一步地，藻液循环控制模块主要由循环泵和变频器组成，将电能转换为机械能，对藻液进行循环。

进一步地，转台控制模块主要由步进电机、步进电机驱动器来实现底盘的转动需求。

进一步地，光照强度控制模块包括转台控制子模块和LED光照控制子模块；转台控制子模块主要由步进电机、步进电机驱动器来实现底盘的转动需求；LED光照控制子模块主要由LED灯带、调光器来实现调光需求；优选地，LED灯带安装于螺旋式双排管道中间，用于室外，需对其做一定的防水处理。

进一步地，温度控制模块主要通过恒温机对藻液进行无污染地快速升降温。

进一步地，酸碱度控制模块主要通过酸碱蠕动泵来对PH进行调整，其作为单独的控制器件通过加酸管、加碱管与交换柱连接在一块。

本发明还提出了一种用于中试阶段的光自养生物反应器测控装置的应用方法，包括以下步骤：

步骤一：将检测单元、控制单元安装在反应器主体物理结构单元的安装架上，之后进行MODBUS总线调试，将检测单元、控制单元与主控单元进行通信连接；

步骤二：将待培养藻液通过入料口注入交换柱；

步骤三：藻液注入完毕后，测控装置即开始运行，检测单元中的溶解氧浓度检测模块、CO₂浓度检测模块、浊度检测模块、光照强度检测模块、温度检测模块、酸碱度检测模块分别开始采集溶解氧浓度、CO₂浓度、浊度、光照强度、温度、酸碱度信息，并将数据传递至主控单元；

步骤四：主控单元对接收到的数据进行显示、记录、处理；

步骤五：主控单元将指令传送给控制单元，溶解氧浓度信息、CO₂浓度信息被发送到供气控制模块，浊度信息被发送到藻液循环控制模块，光照强度信息被发送到光照强度控制模块，温度信息被发送到温度控制模块，酸碱度信息被发送到酸碱度控制模块；

步骤六：控制单元根据指令控制藻液的溶解氧浓度、CO₂浓度、浊度、光照强度、温度、酸碱度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

该应用于光自养生物反应器的测控装置及方法，通过对藻液培养过程中多种参数进行实时的检测，能够有效的了解到藻液生长状况；通过对藻液培养过程中多种参数进行准确的控制，能够为不同藻类提供合适的生长环境。

进一步地，反应器主体物理结构单元中的交换柱和管式反应器相连，在藻液循环控制模块的支持下，将藻液进行循环，以调节和均匀混合培养液，避免了藻细胞的贴壁生长、光照不均匀等问题；

进一步地，反应器主体物理结构单元中交换柱的进气管采用倒扣漏斗形状延伸到交换柱底部，在供气控制模块的支持下，使CO₂和空气形成反向流气液循环模式，增长输入气体在容器内与培养基接触的时间，提高气体的溶解率；

进一步地，反应器主体物理结构单元中交换柱的喷淋头设置为每隔N分钟自动喷射M秒，可有效减少在藻液循环时产生的过多气沫；

进一步地，反应器检测单元中的CO₂浓度检测模块通过两台气体分析仪数据的对比，获知藻类对气体的利用率，且在CO₂浓度过高时发出报警信息通知相关人员进行处理，这种设置能够有效的保证藻类生物所需的生长环境，延长其寿命；

进一步地，反应器控制单元中的转台控制子模块跟随当地太阳光照射角度旋转，使管式反应器的管道始终面向太阳，为微藻获取尽可能多的太阳光照；

进一步地，反应器控制单元中的LED光照控制子模块用于阴天和晚上给反应器补光，为微藻生长提供了充足的光照强度；

进一步地，反应器控制单元中的温度控制模块设计为藻液流过管道中预设的交换器(钛管)，用冷、热传递的原理进行温和的制冷或加热，避免直接加入热、冷水，改变PH值或其它产生有害物质、影响藻液的温控方法。

附图说明

图1为本发明实施例光自养生物反应器测控装置的框架示意图。

图2为本发明实施例光自养生物反应器测控装置的布置示意图。

图3为本发明实施例光自养生物反应器测控装置供气控制模块的布置示意图。

图2中：1、交换柱；2、管式反应器；3可旋转底盘、；4、LED灯带；5、入料口；6、出气管；7、进气管；8、喷淋头；9、加酸管；10、加碱管；11、溶解氧电极；12、气体分析仪；13、浊度传感器；14、太阳辐射测量仪；15、温度传感器；16、酸碱度传感器；17、循环泵；18、调光器；19、恒温机；20、酸碱蠕动泵。

图3中：21、空气压缩机；22、气体流量质量控制器；23、CO₂气瓶；24、压力调节阀；25、配比气体混合器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明进行详细阐述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1～3所示，本实施例提供一种用于中试阶段的光自养生物反应器测控装置，包括反应器主体物理结构单元、检测单元、主控单元、控制单元。

所述反应器主体物理结构单元为微藻的生长过程提供场所，由交换柱1、管式反应器2、可旋转底盘3组成。

交换柱1为透明高硼硅玻璃制成的封闭式圆柱形反应器，透光率90％以上，高为1000mm，外径为300mm，体积为60L；顶部设有入料口5、出气管6、进气管7、喷淋头8，加酸管9、加碱管10、侧面上方回液管连接管式反应器2出液口，侧面下方送液管连接管式反应器2入液口；优选地，进气管7采用倒扣漏斗形状延伸到交换柱1底部；优选地，喷淋头8通过CN102单双段计时控制器设置为每隔1分钟自动喷射10秒。

管式反应器2整体采用铝型材框架，为透明高硼硅玻璃制成的螺旋式双排管道反应器，透光率90％以上，管子外径60mm，壁厚3mm，13层，每层2排，容积共计约196L；管式反应器2入液口连接交换柱1送液管，出液口连接交换柱1回液管。

可旋转底盘3可进行往返圆周运动，用于放置交换柱1、管式反应器2。

所述检测单元获取藻类生长过程中的多个参数并记录下有效、完整的信息，发送至主控单元，包含有溶解氧浓度检测模块、CO₂浓度检测模块、浊度检测模块、光照强度检测模块、温度检测模块、酸碱度检测模块。

检测单元包括溶解氧电极11(选用DO-6800工业在线溶氧仪)、俩个气体分析仪12(选用FIX800-CO2-IR-Z在线式二氧化碳气体探测器)、浊度传感器13(选用PU-200浊度传感器)、太阳辐射测量仪14(选用RS-TRA-N01-AL太阳辐射测量仪)、温度传感器15(选用HTHSM-010温度变送器)、酸碱度传感器16(选用酸碱度氧化还原在线分析仪)，其中溶解氧电极11、温度传感器15、酸碱度传感器16安装于管式反应器底端，第一个气体分析仪12安装于交换柱的进气管7，第二个气体分析仪12安装于交换柱的出气管6，太阳辐射测量仪14安装于管式反应器2顶端、浊度传感器13安装于交换柱1内部。

所述主控单元作为整个装置的“大脑”，使装置具有思考能力，包含有通信模块、上位机。通信模块负责与检测单元、控制单元的多个设备接口通信；上位机完成数据显示、记录以及处理功能。

所述控制单元使装置具有执行能力，包含有供气控制模块、藻液循环控制模块、光照强度控制模块、温度控制模块、酸碱度控制模块。每一模块均包括控制器，各控制器用以接收主控单元发出的指令，并根据指令通过各模块中的相应元器件，控制藻液的溶解氧浓度、CO₂浓度、浊度、光照强度、温度、酸碱度。

供气控制模块包括相连通的空气压缩机(空压机)21、2个气体流量质量控制器22、CO₂气瓶23、压力调节阀(压力阀)24以及配比气体混合器25；空气压缩机21的排气口与第一个气体流量质量控制器22相连，CO₂气瓶23与压力调节阀24相连后连接第二个气体流量质量控制器22，配比气体混合器25的入口接2个气体流量质量控制器22，出口接交换柱1的进气管7。

藻液循环控制模块主要由循环泵17和变频器组成，将电能转换为机械能，对藻液进行循环。

光照强度控制模块分为转台控制子模块和LED光照控制子模块；转台控制子模块主要由步进电机、步进电机驱动器来实现底盘的转动需求；LED光照控制子模块主要由LED灯带4、调光器18来实现调光需求；优选地，LED灯带4为16000Lx的白色LED灯条，每个灯条内含120个灯珠，工作电压直流24V，每条灯带长1m；管式反应器2有13层，每层2排，每一层正反面共装4条灯带，共装48条灯带；LED灯带4用于室外，对其做了一定的防水处理。

温度控制模块主要通过恒温机19对藻液进行无污染地快速升降温。

酸碱度控制模块主要通过酸碱蠕动泵20来对PH进行调整，其作为单独的控制器件通过加酸管9、加碱管10与交换柱1连接在一块。

一种用于中试阶段的光自养生物反应器测控装置的应用方法，包括以下步骤：

步骤一：将检测单元、控制单元安装在反应器主体物理结构单元的安装架上，之后进行MODBUS总线调试，将检测单元、控制单元与主控单元进行通信连接；

步骤二：将待培养藻液通过入料口5注入交换柱1；

步骤三：藻液注入完毕后，测控装置即开始于运行，检测单元中的溶解氧浓度检测模块、CO₂浓度检测模块、浊度检测模块、光照强度检测模块、温度检测模块、酸碱度检测模块分别开始采集溶解氧浓度、CO₂浓度、浊度、光照强度、温度、酸碱度信息，并将数据传递至主控单元；

步骤四：主控单元对接收到的数据进行显示、记录、处理；

步骤五：主控单元将“行动”指令传送给控制单元，溶解氧浓度信息、CO₂浓度信息被发送到供气控制模块，浊度信息被发送到藻液循环控制模块，光照强度信息被发送到光照强度控制模块、，温度信息被发送到温度控制模块，酸碱度信息被发送到酸碱度控制模块；

步骤六：控制单元根据指令控制藻液的溶解氧浓度、CO₂浓度、浊度、光照强度、温度、酸碱度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种用于中试阶段的光自养生物反应器测控装置，其特征在于，包括反应器主体物理结构单元、检测单元、主控单元、控制单元；所述反应器主体物理结构单元为微藻的生长过程提供场所，包括交换柱(1)、管式反应器(2)、可旋转底盘(3)，交换柱(1)、管式反应器(2)位于可旋转底盘(3)上，可在可旋转底盘(3)带动下转动；所述检测单元用以获取藻类生长过程中的多个参数并记录下信息，发送至主控单元，包含有溶解氧浓度检测模块、CO₂浓度检测模块、浊度检测模块、光照强度检测模块、温度检测模块、酸碱度检测模块；所述主控单元包含有通信模块、上位机；所述控制单元用以根据主控单元的指令进行控制，包含有供气控制模块、藻液循环控制模块、光照强度控制模块、温度控制模块、酸碱度控制模块。

2.根据权利要求1所述的用于中试阶段的光自养生物反应器测控装置，其特征在于，反应器主体物理结构单元中的交换柱(1)和管式反应器(2)相连，在藻液循环控制模块的支持下，将藻液进行循环。

3.根据权利要求1所述的用于中试阶段的光自养生物反应器测控装置，其特征在于，反应器主体物理结构单元中交换柱(1)的进气管(7)采用倒扣漏斗形状延伸到交换柱底部，在供气控制模块的支持下，使CO₂和空气形成反向流气液循环模式，提高气体溶解率。

4.根据权利要求1所述的用于中试阶段的光自养生物反应器测控装置，其特征在于，反应器主体物理结构单元中交换柱(1)设有喷淋头(8)，喷淋头(8)设置为每隔N分钟自动喷射M秒。

5.根据权利要求1所述的用于中试阶段的光自养生物反应器测控装置，其特征在于，反应器检测单元中的CO₂浓度检测模块通过两台气体分析仪数据的对比，获知藻类对气体的利用率，且在CO₂浓度过高时发出报警信息通知相关人员进行处理。

6.根据权利要求1所述的用于中试阶段的光自养生物反应器测控装置，其特征在于，光照强度控制模块包括转台控制子模块，转台控制子模块通过控制可旋转底盘(3)的转动，使交换柱(1)、管式反应器(2)跟随当地太阳光照射角度旋转，使管式反应器(2)的管道始终面向太阳，为微藻获取尽可能多的太阳光照。

7.根据权利要求1所述的用于中试阶段的光自养生物反应器测控装置，其特征在于，光照强度控制模块包括LED光照控制子模块，LED光照控制子模块用于阴天和晚上给反应器补光，为微藻生长提供了充足的光照强度。

8.根据权利要求1所述的用于中试阶段的光自养生物反应器测控装置，其特征在于，反应器控制单元中的温度控制模块为藻液流过管道中预设的交换器，用冷、热传递的原理进行温和的制冷或加热，避免直接加入热、冷水，改变PH值或其它产生有害物质、影响藻液的温控方法。

9.一种用于如权利要求1至8中任一所述的中试阶段的光自养生物反应器测控装置的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将检测单元、控制单元安装在反应器主体物理结构单元上，之后进行网络调试，将检测单元、控制单元与主控单元进行通信连接；

步骤二：将待培养藻液通过入料口(5)注入交换柱(1)；

步骤三：藻液注入完毕后，测控装置开始运行，检测单元中的溶解氧浓度检测模块、CO₂浓度检测模块、浊度检测模块、光照强度检测模块、温度检测模块、酸碱度检测模块分别开始采集溶解氧浓度、CO₂浓度、浊度、光照强度、温度、酸碱度信息，并将数据传递至主控单元；

步骤四：主控单元对接收到的数据进行显示、记录、处理；

步骤五：主控单元将指令传送给控制单元，溶解氧浓度信息、CO₂浓度信息被发送到供气控制模块，浊度信息被发送到藻液循环控制模块，光照强度信息被发送到光照强度控制模块，温度信息被发送到温度控制模块，酸碱度信息被发送到酸碱度控制模块；

步骤六：控制单元根据指令控制藻液的溶解氧浓度、CO₂浓度、浊度、光照强度、温度、酸碱度。

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