CN1201826A

CN1201826A - 螺旋藻光辐射塔板式光生物反应器养殖系统及其控制方法

Info

Publication number: CN1201826A
Application number: CN 97113322
Authority: CN
Inventors: 徐明芳
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1997-06-05
Publication date: 1998-12-16

Abstract

本发明是螺旋藻光辐射塔板式光生物反应器养殖系统及其控制方法,它由光辐射塔板式光生物反应器、循环泵、超滤渗析器、低位槽、pH－T双控数显仪、溶氧测定仪、数字式照度计、计算机处理器通过各信号线及管道相连接构成;其控制方法为反应器中的传感器、探头、电极测得的养殖参数信号通过调频转送到各程控运算放大器,经放大后输到计算机界面控制器并实现A/D转换后送计算机处理。本发明适于微藻大规模高密度、高产业、大规模工业化生产,省电节能,便于实现最优化监控操作和管理,成本低。

Description

螺旋藻光辐射塔板式光生物反应器养殖系统及其控制方法

本发明是螺旋藻光辐射塔板式光生物反应器养殖系统及其控制方法，属螺旋藻等微藻高密度生物养殖设备，持别涉及光合自养食品级、医用级及基因工程微藻的培养装置。

螺旋藻和其它一些微藻都是高光效自养原核浮游水生植物，目前国内外普遍采用开放式跑道池体系进行养殖。但实践证明，这种养殖体系由于无法利用计算机来自动控制养殖过程中所需的理化和生物环境以使养殖过程最优化，因此藻细胞对光能的利用率不高，光合效率仅约为1％，藻的生物量浓度低，仅为0.1～1.0g/L，以致普遍存在单位面积产量低，仅为4～7g/m².d，产品质量不稳定，易受污染。正由于光能利用率低、低效养殖及品质差而导致成本过高，已成为目前螺旋藻等微藻产业面临的严重问题。为解决这些问题，除了设法选育优良藻种及改进生产工艺外，其关键是要研究设计新型养殖体系，以提高光能利用率，降低生产成本。特别近年来，随着藻类基因工程生物技术的发展，利用微藻作为受体或载体系统，表达一些高生物性的外源基因，如干扰素、免疫球蛋白、金属硫蛋白、防御素等，大批量生产多肽和蛋白质生物新药。因此，螺旋藻的大规模培养以及药用微藻和基因工程微藻的纯种高密度养殖，生产生物新药源，都迫切需要一种能利用计算机自动控制养殖过程、光能利用率高、抗污染力强，能保持纯种无菌培养，培养基水份蒸发量小而能维持恒定盐碱浓度、细胞繁殖速度快、能实现高密度、高产养殖的有效新型养殖系统。目前，国内外这类新型养殖系统基本上是采用密封式光生物反应器，按其接受光的形式分两类：一类是采用外部光源，如自然光或冷白炽灯、荧光灯、金属卤素灯等；另一类是采用内部光源，如卤素灯、环形荧光灯、光纤等。采用外部光源的光生物反应器，其结构为管道式或板式，管道式反应器多采用窄管径的透明管道系统组合而成，以获得高的采光表面积与体积之比，板式反应器多采用透明板材斜板式或垂直翼片式排列组成。这些装置由于受光照条件限制，大多数结构只适应形成小型单元、容量较小，且在技术操作上仍存在较多技术障碍，对微藻生长的生理因子也存在较多的生长限制因素。例如，对窄管道反应器，在进行高密度养殖时，由于藻体之间的相互遮光效应，使藻细胞受光不匀，循环不畅，易造成光能利用率低，溶氧蓄积及内温升高，导致藻的光合作用发生自锁，严重抑制藻生物量的生产；对板式组合反应器，则因结构体积庞大、藻体循环操作动力能耗大。而且采用外部自然光照，光照强度和温度昼夜变化太大，使藻体的光合作用变化不均，影响藻细胞对光能的吸收和光合产物的积累。采用内部光源的反应器则在操作上存在防漏、绝缘、光热效应后热量排除等的技术障碍；对光纤光反应器由于需增加光纤传输及光分配系统，使反应器结构复杂、耗电量大，制造成本高。

本发明的目的就是为了解决开放式跑道池式反应器存在的无法控制养殖过程中所需的理化和生物环境以使养殖过程最优化，导致光能利用率低，单位面积产量低，易受污染，产品质量不稳定，成本高等的问题和克服现有光生物反应器养殖系统光能利用率低，溶氧蓄积及内温升高，影响藻的生产，或结构复杂、体积庞大、藻体循环操作动力能耗大以及操作技术障碍等的缺点，研究设计一种能利用计算机自动控制养殖过程、光能利用率高、抗污染能力强、能保持纯种无菌培养、细胞繁殖速度快、单位面积产量高、产品质量稳、成本低、适于大规模工业化生产的螺旋藻光辐射塔板式光生物反应器养殖系统及其控制方法。

本发明是通过下述结构技术方案和方法方案来实现的：螺旋藻光辐射塔板式光生物反应器养殖系统的结构组成示意图如图1所示，它由光辐射塔板式光生物反应器8、循环泵1、超滤渗析器3、低位槽10、pH-T双控数显仪13、溶氧测定仪14、自动CO₂分析仪15、数字式照度计16、计算机处理器17共同连接构成，其相互连接关系为：光辐射塔板式光生物反应器8分别通过藻液进口管5、藻液出口管9与超滤渗析器3及低位槽10相连接，装置于反应器上部的包括温度传感器19、PH电极20、溶氧电极21、CO₂传感器22在内的传感器电极组12分别通过各自信号传输线分别与PH-T双控数显仪13、溶氧测定仪14、自动CO₂分析仪15相连接，装置于反应器中上部的测光探头23通过光照信号传输线与数字式照度计16相连接。PH-T双控数显仪13、溶氧测定仪14、自动CO₂分析仪15、数字式照度计16则分别通过各自信号传输线和计算机接口与计算机处理器17相连接，循环泵1通过进口管与低位槽10的藻液出口管相连接，而泵的出口管与超滤渗析器3相连接，超滤渗析器3通过藻液进口管5与反应器8相连接，构成整个循环系统；其中：光辐射塔板式光生物反应器8由藻液进口管5、光辐射塔板6、二氧化碳CO₂多孔进气管7、藻液出口管9、包括温度传感器、pH电极、溶氧电极、CO₂传感器的传感器电极组12、排气管11共同连接构成，其相互位置及连接关系为：多块由内层为多个发光二极管集成的光发射板及外层为两块透明有机玻璃板密封构成的光辐射塔板6相隔一定间距交错固定粘接于反应器8的塔体内部，反应器塔体采用有机玻璃板卷封粘接成圆柱体，反应器8的塔体外侧设有开口，在塔体的中上部装置有CO₂多孔进气管7，在塔体的上端部固装有藻液进口管5，塔体的顶部装有排气管11和传感器电极组12，塔体底部固装有藻液出口管9；超滤渗析器3由内、外两层组合而成的双套筒超滤渗析器，外层为透明有机玻璃板卷封的壳体，内层为聚砜渗析薄膜与300目尼龙筛网的组合体，内外两层间有一定间距，超滤渗析器的上部固装有次级代谢废液出口管2、下部固装有新鲜培养液进口管4、底部固装有藻液出口管并与塔体中的藻液进口管5相连接；低位槽10内装有热交换器18，其上部固装有排气管11、下端部固装有藻液出口管9，顶端通过藻液出口管9与反应器塔体底部相连接。其作用控制原理如下：光辐射塔板式光生物反应器不仅是光能的辐射器和接收器，而且它具有一定体积的培养藻液填充空间，这是实现工业化大规模生产基本单元产率的基础。藻液从藻液进口管5进入反应器塔体中，依次通过交错安装于塔体内的光辐射塔板6，充分吸收光辐射塔板上传播的连续稳定的光能，二氧化碳通过CO₂多微孔进气管7进入到藻液中，不仅能提供藻体生长的有效碳源，而且使藻液的PH值维持恒定，使藻液在不断循环中，通过对光能的吸收连续进行光合固碳作用，促进光合产物形成及生物量的增长，光合放氧(氧气或溶解氧D.O) 则通过装于反应器塔体顶部的排气管11以及真空泵的抽吸作用除去，有效地克服溶氧蓄积导致的光呼吸和光抑制现象，藻液在反应器中经光合作用和排除溶氧后，在重力作用下流到低位槽中，通过装于槽中间的间壁式热交换器的调温作用，使藻液温度始终控制在25～35℃范围内，以保证最适宜的生长条件。藻液在循环泵1的作用下，连续不断泵入超滤渗析器3中，从废液出口管2排除去一部分藻类生长次级代谢废液；从新鲜培养液进口管4可以及时补充新鲜营养液，以保证养殖系统的连续培养过程，这是实现高密度养殖的有效方法。因此，整个养殖系统在泵的作用下，连续不断循环流动，不仅增加气液传质、能量传递，而且促进溶氧的排出，有效地控制养殖过程的理化及生物环境。整个系统控制原理框图如图2所示，系统的在线培养参数通过温度传感器19、PH电极20、溶氧电极21、CO₂传感器22、测光探头23、测定的信号经多路开关24输入至调频传送器25，再输送至多路输入程控运算放大器26进行信号放大后，利用A/D模数转换器27及串行I/O接口28输送至计算机处理器29处理后，再经串行I/O接口分别输送D/A数模转换器33和输入及量程控制器39，经数模转换器33转换后的模拟信号经多路控制继电器34分别去控制热交换控制阀35、CO₂供给调节阀36、新鲜培养液液泵37、真空泵调节阀38，以保证光生物反应器内有最合适的温度及含碳、含氧量的新鲜培养液。有需要时可通过打印机30打印和显示器31进行显示。整个过程可以实现计算机自动监控管理，实现最优化的养殖过程。计算机自动监控程序流程图如图3所示。其监控方法为：设置在光辐射塔板式光生物反应器中的温度传感器、CO₂传感器、测光探头、pH电极和溶氧电极测得养殖参数电信号，通过多路开关输送至调频传送器传送至多路输入程控集成运算放大器，再经运算放大器将信号放大，放大后信号经A/D转换后通过I/O串行接口进入计算机处理器处理后，分别再通过串行I/O接口和D/A数模转换器输送至多路控制继电器调节控制CO₂供给调节阀、热交换控制阀、新鲜培养液液泵、真空泵调节阀等来调节光辐射塔板式光生物反应器内的CO₂含量、温度，进而调节培养液的pH值，完成养殖参数的自动监控，实现养殖过程最优化；其自动监控的原理如下：在微藻光合自养的养殖过程中，为了提高藻的生物量浓度，应最大限度地提高光能利用率。藻的生物量浓度不仅反映光合作用的效果及培养效率的高低，而且是衡量光生物反应器性能的主要技术参数和经济技术指标；在连续操作的光生物反应器中，藻的生物量生成速率可用如下的质量平衡方程来表达：

或

式(1)中：X为藻生物量浓度g/L(克/升)；t为时间h(小时)；μ为比生长速度(h^-1)；V为养殖藻液的体积m³(米³)；F为收获藻液体积流量m³/h(米³/小时)；D为稀释率

。当藻的生物量浓度达到恒定时，

，则质量平衡方程μ.x-Dx＝0，即μ＝D，这表明在连续养殖过程中，只要确定藻的比生长速度μ，利用μ＝D的关系式，通过调节补给光反应器的营养物质的量就可控制培养过程。在此条件下，生物量浓度X和藻液体积流量F与μ无关，而仅取决于需要多长的养殖时间才能达到所需的生物量浓度。因此，只要设定和维持藻的生物量浓度X在持定值，通过调节D，使藻处于最适合的理化和生物环境中培养，实现养殖过程最优化。通过调节D补充光反应器营养物质的量，实现藻的养殖的最优化自动监控管理。

本发明与现有技术相比有如下优点和有益效果：(1)本发明从结构和控制方法上有效地解决了藻的养殖过程中光能利用的技术难题，从而实现藻类养殖系统的藻类连续生产操作的最优化自动监控管理，保证了高密度、高产量、无菌纯种的藻类养殖；(2)本发明不仅适合螺旋藻的大规模工业化生产，而且对具有很高经济价值的药用微藻、基因工程微藻等光合自养藻类的大量养殖、生产生物新药源，具有广阔的应用前景；(3)由于本发明装置利用了高光辐射强度、窄光谱、低发热、低能耗的发光二极管构成的光辐射光电塔板作为光生物反应器的内部光源交叉间隔安装在反应器壳体上，它不仅是反应器的内部光源，而且能支撑藻体循环折流。当藻液在重力作用下从上而下流经光辐射光电塔板时，能使藻体在两塔板间均匀、稳定地受光，由于光传播路经短、光能衰减很小，这一方面可促使藻细胞进行高光能转化率的光合作用，使光合产物得以广泛的积累，另一方面也能使藻细胞的暗呼吸消耗性碳损失减低到最低程度。而且由与于光辐射塔板中的光电板的光强度大小可控制，从而可有效地控制光照强度以防光照超饱和及光抑制的发生，使本发明装置的光能转化率和光合产物积累明显提高；(4)由于光辐射塔板是由两层有机玻璃板固定在反应器中，而内层光电板则从光生物反应器壳体外侧插入两层相隔2cm的有机玻璃板中，体积小、重量轻、便于加工安装，灵活可拆，便于检修、更新及防漏、绝缘，操作简便，容易掌握；(5)由于发光二极管(LED)具有体积小、重量轻，单个LED仅需1.8V/20mA电能，节能省电，很好地克服和解决了现有技术采用的全光谱光源存在的问题，如耗电量大、能耗高、设备结构复杂、体积庞大、成本高等的缺点和问题。本发明节能效果显著，成本大大降低；(6)由于本系统采用了超滤渗析器，使藻体生长过程中次级代谢废液不断除去，新鲜营养培养液连续不断补充，有效地促进藻类高密度养殖。而且排出的废液经适当处理，便可循环使用，降低生产成本，经济有效地提高投入/产出的比例；(7)本发明的在线培养参数，如温度、pH值、光照强度、溶氧DO等，通过传感器或电极的信号测定，可实现计算机自监控管理，实现养殖过程的最优化；(8)由于本光生物反应器中的光辐射塔板加工安装方便，使塔体结构可放大、缩小及多塔并串联组合，而且其基本部件采用标准件，装配与拆卸灵活、方便，非常适合大规模工业化生产。因此，本发明采用光辐射塔板作为光反应器内部光源，并采用计算机自动控制的密封式光生物反应器，这对于光合自养微藻的大规模工业化生产、加工、管理养殖过程，延长生产时间，打破季节性、地域性以及昼夜的限制，蕴藏巨大的经济潜力。

下面对说明书附图进一步说明如下：图1为螺旋藻光辐射塔板式光生物反应器养殖系统的结构组成示意图；图2为本发明系统的控制原理方框图；图3为本发明系统的计算机处理器的自动控制程序流程图。图中：1为循环泵、2为次级代谢废液出口管、3为超滤渗析器、4为新鲜培养液进口管、5为藻液进口管、6为光辐射塔板、7为CO₂多微孔进气管、8为光生物反应器、9为藻液出口管、10为低位槽、11为排气管、12为传感器电极组、13为pH-T双控数显仪、14为溶氧测定仪、15为自动CO₂分析仪、16为数字式照度计、17为计算机处理器、18为间壁式热交换器。

本发明的实施方式如下：可按图1、图2所示，设计、加工、制造或选购本系统各组成部件。(1)如：温度传感器19可选购3TC-Pt100型，pH电极20可选购E-201型塑复pH电极，溶氧电极可选DO-24型，CO₂传感器可选Mettler Toledo CO₂传感器，测光探头可选GK型光电传感器，数字式照度计可选ZDS-10型，循环泵1可选DBY-20电动隔膜泵，新鲜培养液液泵31可选QBY-20气动隔膜泵—KY-T空气压缩机，pH-T双控数显仪14可选购PHS-3TC精密数显温度—酸度计，溶氧测定仪可选DO-ZZ型。调频传送器可选TA7640APFM调频器，模数转换器可选AD7701型，多路开关可选MOSFET型，程控集成运算放大器可选F101型，串行I/O接口可选RS-232C型，计算机处理器可选8098单片机，D/A数模转换器可选AD667型12位D/A转换器，控制继电器可选JGD多功能固态继电器；(2)采用一般的机加工方法或制造现有反应器的常规方法，加工本系统中的光辐射塔板式光生物反应器的组成部件，然后按图1所示并按上面说明书所述的连接关系进行安装，便能实现本光生物反应器，发明人建议光辐射塔板由两层有机玻璃板密封套粘接在反应器塔体内，交错粘接的间距可为5～6cm，反应器塔体外侧设有开口，以便装拆、检修光发射板，光发射板是由多个发光二极管LED并联构成的印刷电路板，发光二极管可选GaAIAS-LED型，反应器塔体可用5mm的有机玻璃板卷封粘接而成；(3)低位槽10内的热交换器可选用不锈钢或玻璃螺旋管间壁式热交换器；(4)超滤渗析器3可为内外二层组成的双套筒超滤渗析器，外层可选5mm厚的透明有机玻璃板卷封，内层可选用聚砜薄膜与300目尼龙筛网进行组合，内外两层间距可为10～15cm；(5)上述的本系统的各大部件选购和加工制造好后，按图1、图2所示以及上面说明书所述的连接关系进行连接安装，便能实施本发明系统。然后按上面说明书所述的自动控制方法，按图3所示编制软件程序，再结合上面所述的本发明的作用原理和控制原理进行运行调试和试验，便能较好实现本发明。

Claims

1、一种包含有循环泵、低位槽的螺旋藻光辐射塔板式光生物反应器养殖系统，其特征在于：它由光辐射塔板式光生物反应器(8)、循环泵(1)、超滤渗析器(3)、低位槽(10)、pH-T双控数显仪(13)、溶氧测定仪(14)、自动CO₂分析仪(15)、数字式照度计(16)、计算机处理器(17)共同连接构成，其相互连接关系为：光辐射塔板式光生物反应器(8)分别通过藻液进口管(5)、藻液出口管(9)与超滤渗析器(3)及低位槽(10)相连接，装置于反应器上部的包括温度传感器(19)、PH电极(20)、溶氧电极(21)、CO₂传感器(22)的传感器电极组(2)分别通过各自信号传输线分别与PH-T双控数显仪(13)、溶氧测定仪(14)、自动CO₂分析仪(15)相连接，装置于反应器中上部的测光探头(23)通过光照强度信号线与数字式照度计(16)相连接，PH-T双控数显仪(13)、溶氧测定仪(14)、自动CO₂分析仪(15)、数字式照度计(16)则分别通过各自信号传输线及计算机I/O接口与计算机处理器(17)相连接，循环泵(1)通过其进口管与低位槽(10)的藻液出口管相连接，而泵的出口管与超滤渗析器(3)相连接，超滤渗析器(3)通过反应器的藻液进口管(5)与反应器(8)相连接，构成整个完整的循环系统；其中：光辐射塔板式光生物反应器(8)由藻液进口管(5)、光辐射塔板(6)、CO₂多微孔进气管(7)、藻液出口管(9)、包括温度传感器、pH电极、溶氧电极、CO₂传感器的传感器电极组(12)、排气管(11)共同连接构成，其相互位置及连接关系为：多块由内层为多个发光二极管集成的光发射板及外层为两块透明有机玻璃板密封构成的光辐射塔板(6)相隔一定间距交错固定粘接于反应器(8)的塔体内部，反应器塔体采用有机玻璃板卷封粘接成圆柱体，反应器塔体外侧设有开口，在反应器塔体的中上部装置有CO₂多孔进气管(7)，在塔体的上端部固装有藻液进口管(5)，塔体的顶部装有排气管(11)和传感器电极组(12)，塔体底部固装有藻液出口管(9)；超滤渗析器(3)为由内、外两层组合而成的双套筒超滤渗析器，外层为透明有机玻璃板卷封的壳体，内层为聚砜渗析薄膜与300目尼龙筛网的组合体，两层间有一定间距，超滤渗析器的上部固装有次级代谢废液出口管(2)、下部固装有新鲜培养液进口管(4)、底部固装有藻液出口管并与反应器塔体中的藻液进口管(5)相连接；低位槽(10)内装有热交换器(18)，其上部固装有排气管(11)，下端部固装有藻液出口管(9)，顶部通过藻液出口管(9)与反应器塔体底部相连接。

2、一种螺旋藻光辐射塔板式光生物反应器养殖系统的控制方法，其特征在于：设置在光辐射塔板式光生物反应器中的温度传感器、CO₂传感器、测光探头、PH电极和溶氧电极测得养殖参数电信号，通过多路开关输送至调频传送器传送至多路输入程控集成运算放大器，再经各程控运算放大器将信号放大放大后信号经A/D转换后，通过输入输出串行接口进入计算机处理器处理后，分别再通过串行I/O和D/A数模转换器输送至多路控制继电器调节控制CO₂供给调节阀、热交换器控制阀、新鲜培养液液泵、真空泵调节阀等来调节光辐射塔板式光生物反应器内的CO₂含量、温度，进而调节培养液的pH值，完成养殖参数的自动监控，实现养殖过程最优化。