CN210886016U - 一种可实现藻种快速扩培的光生物反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种可实现藻种快速扩培的光生物反应装置，所述光生物反应装置包括多个培养器和多个光源，所述培养器成排和/或分层设置，用于一次性培养多批藻种，所述光源设置在所述培养器的周围，为每个培养器提供藻种生长所需的光能；每个培养器设有进气接口和排气接口，气源通过并联或串联的方式接通每个培养器的进气接口，为藻种生长提供二氧化碳和空气。

Description

一种可实现藻种快速扩培的光生物反应装置

技术领域

本实用新型属于微藻生物工程技术领域，具体涉及一种可实现藻种快速扩培的光生物反应装置。

背景技术

微藻是一类营养丰富、光合利用度高的自养植物，其生物质含有多种生化物质，如多糖、蛋白质、油脂、碳水化合物、色素等物质，其在陆地和海洋分布广泛，在食品、医药、基因工程、液体燃料等领域具有广阔的开发前景。微藻生长速度快，环境适应性较强，可在光生物反应器中进行光合自培养。例如专利CN201610991205.X提供了一种带有藻种快速扩培器的模块化微藻培养系统，包括藻种扩培器、光生物反应器、培养基添加系统、气体输送系统和藻液输送及上清液回流系统五个模块，藻种扩培器与培养基添加系统连接，光生物反应器分别与藻种扩培器、培养基添加系统、气体输送系统和藻液输送及上清液回流系统连接，光生物反应器倾斜设置，藻种扩培器安装于光反应器的背光侧。

目前光生物反应装置与LED相结合在微藻养殖领域也有应用。例如专利CN201710886276.8公开了一种裸藻高密度培养方法，包括：首先进行裸藻藻种的扩培，扩培培养基采用生产所需的裸藻兼养培养基；然后将扩培的裸藻藻种接种到塑料薄膜光生物反应器中，裸藻兼养培养基的添加是分阶段进行的，每阶段的接种量约为30％左右，同时采用人工LED光源培养。

藻种扩培过程中，多种培养条件对扩培效果具有较大影响，例如二氧化碳补给、光照时间、光照强度、pH值、温度条件等。现有的光生物反应装置的照明光源大多采用荧光灯，在藻种扩培的过程中，根据藻种的生长情况实时调节多种培养参数方面存在困难。另外，由于现有的荧光灯或微藻灯的波长与微藻实际能够吸收的波长范围存在较大差异，不能自动调节二氧化碳补给和自动调节光照时间、光照强度，很多波长的光能无法被利用，造成浪费，也无法很好的满足微藻光合作用多光线波长和强度的需求，导致藻种不能快速扩培，累积生物质能力较差。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供了一种可实现藻种快速扩培的光生物反应装置，所述光生物反应装置具有多个培养器，同时结合LED光源，能够自动控制光照时间、光照强度及二氧化碳自动补给，能独立调节每个培养器的通气量。与普通的培养装置相比，所述光生物反应装置还具备采集、读取和控制光照强度、pH值和气体流量等实时数据的功能，同时无污染，能耗低，能够实现藻种的快速扩培，提高微藻的产量和质量。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种可实现藻种快速扩培的光生物反应装置，所述光生物反应装置包括多个培养器和多个光源，所述培养器成排和/或分层设置，用于一次性培养多批藻种，所述光源设置在所述培养器的周围，为每个培养器提供藻种生长所需的光能；每个培养器设有进气接口和排气接口，气源通过并联或串联的方式接通每个培养器的进气接口，为藻种生长提供二氧化碳和空气。

所述光生物反应装置还包括气路系统、自动控制系统和培养架，所述培养器、光源和气路系统设在培养架上，自动控制系统设在培养架的侧面。

所述培养架对所述光生物反应装置起支撑作用。优选的，所述培养架具有分层结构，所述分层便于放置所述培养器。优选的，所述培养架为框架结构，所述框架上便于设置所述光源、自动控制系统和气路系统。在本实用新型的一个具体实施方式中，所述培养架为具有3个分层的框架结构。

所述多个培养器为10-100个培养器，所述培养器成排设置，每排培养器错位放置，便于接受所述光源的光能。优选的，所述培养器的数量为20-50个，根据微藻扩种培养的实际需要，调整所述培养器的数量。

所述培养器包括培养瓶、瓶盖、气管接口和过滤器。所述培养器的顶部设有瓶盖，用于密封培养器的瓶口，起密封隔绝作用，使得所述培养瓶的内部形成独立的封闭空间，防止其他微生物污染，为微藻生长提供理想的空间，优选的，所述瓶盖的材质为硅胶，硅胶耐久性强，密封效果好。

所述气管接口包括进气接口和排气接口，所述进气接口和排气接口贯穿所述瓶盖，通过瓶盖联通培养瓶内部与气路系统，为所述培养器中的微藻提供生长所需的气体，所述气管接口的数量至少为2个，分别用于所述培养瓶的进气和排气，维持培养瓶内气压稳定。优选的，所述气管接口的数量为2-5个，用于连接所述气路系统通向培养器的多条气路。在本实用新型的一个具体实施方式中，所述气管接口的数量为2个，分别为进气接口和出气接口。

所述进气接口外接过滤器，用于过滤消毒进入培养器的气体，保证培养瓶内部纯净的微藻生长环境，有利于提高微藻数量和质量。优选的，所述过滤器为除菌过滤器。

所述培养瓶为微藻扩种培养提供生长环境，所述培养瓶为透明材质，使得所述光源的光线能够通过培养瓶照射到内部的微藻，微藻吸收光能用于自身的生长代谢。优选的，所述培养瓶的中下部为圆形，底部为平底，能够为微藻提供更大的空间，同时均衡培养瓶内部的微藻分布，避免微藻过于聚集而引起光能、气体供给不足，甚至导致微藻大量死亡的情况。在本实用新型的一个具体实施方式中，所述培养瓶为透明圆形平底玻璃培养瓶，顶部设有开口，用于连接所述瓶盖和气管接口。

所述光源设置在所述培养器的周围，所述光源提供的光能透过培养瓶照射微藻，为微藻提供光能。优选的，所述多个光源为多个LED灯，更优选的，所述光源为条形LED灯。

优选的，所述LED灯设置在培养器的上方和/或下方，所述LED灯数量为1-100个。根据实际需要，可以调整所述LED灯的数量。

所述LED灯发出的波长范围与微藻所能吸收的波长范围相符，光能利用率高，有利于提高微藻的数量和质量。

在本实用新型的一个具体实施方式中，所述光源为LED灯，所述LED灯设置在培养器的上方，即所述LED灯设置在每层培养架的顶部，LED灯的下方为所述培养器。

所述气路系统设置在所述培养架的框架上，气路系统包括进气管、通气管和和排气管，所述进气管包括第一进气管和第二进气管，所述第一进气管连接二氧化碳气源，所述第二进气管连接压缩空气气源，所述第一进气管和第二进气管通过所述自动控制系统后，合并为通气管，二氧化碳和压缩空气在所述通气管中混合均匀。

所述通气管在培养架上设置并联和/或串联的支路气路，满足每个培养器的供气需求。在本实用新型的一个具体实施方式中，所述第一进气管和第二进气管通过所述自动控制系统后，合并为通气管，所述通气管分为并联的3根支路气路，所述3根支路气路分别设置在每层培养架的顶部边缘。

优选的，所述通气管通向每个所述培养器的支路气路上设有气量调节阀，所述气量调节阀用于技术人员根据每个培养器中微藻的不同生长情况，调节单个培养器的供气量。

所述支路气路连接对应的培养器气管接口的进气接口，将二氧化碳和压缩空气送入培养瓶中，为微藻生长和代谢提供养分。

所述排气管连接所述培养器的排气接口，将培养瓶中的多余气体导出，保持培养瓶内气压稳定。所述排气管可以连接废气储罐，也可以联通空气，使培养瓶中的多余气体外排到外界环境中。

所述自动控制系统包含pH控制模块、气体控制模块、光源控制模块和PLC控制器。所述pH控制模块包括pH电极和pH控制器，所述pH电极设在所述培养瓶中，pH电极的线路通过瓶盖连接pH控制器。所述气体控制模块包括二氧化碳流量计、压缩空气流量计和二氧化碳开关，所述二氧化碳流量计和压缩空气流量计分别显示并控制二氧化碳和压缩空气的流量，保证所述培养器中供气适量，使得培养瓶中的pH值保持在合适的范围，有利于微藻生长。所述光源控制模块包括光照开关。所述pH控制模块、气体控制模块和光源控制模块连接所述PLC控制器。

所述自动控制系统还包含自动控制箱、总开关、工作信号指示灯和显示屏。优选的，所述pH控制模块、气体控制模块、光源控制模块和PLC控制器设在自动控制箱上，所述总开关和工作信号指示灯设在自动控制箱外表面，所述自动控制箱设在所述培养架的侧面。所述pH控制模块、气体控制模块、光源控制模块、总开关和工作信号指示灯连接所述PLC控制器，采集、存储和控制各个模块的数据，实现各种控制功能，为微藻培养提供适宜的生长代谢环境。

所述总开关连接并控制所述光生物反应装置的电源。所述工作信号指示灯指示各控制模块的工作情况。所述显示屏显示所述光生物反应装置的pH值、二氧化碳流量、压缩空气流量、光照强度(即光源的功率值)的参数。

优选的，自动控制系统还可以包括温度控制模块，所述温度控制模块包括温度感应器和温度控制器，所述温度感应器设在所述培养瓶中，温度感应器的线路管过瓶盖连接温度控制器，温度控制模块连接所述PLC控制器，温度数据显示在显示屏上。

使用时，所述总开关控制所述光生物反应装置的电源供应，所述pH电极在培养瓶中测量微藻培养液的pH值，pH控制器采集、读取pH值，所述pH值显示在显示屏上，当pH值较低或较高时，所述PLC控制器自动调节二氧化碳流量计减少或加大二氧化碳流量；开启所述二氧化碳开关，调节所述二氧化碳流量计和压缩空气流量计，调节二氧化碳和压缩空气的流量，所述二氧化碳和压缩空气的流量显示在显示屏上；打开所述光照开关，所述光源亮起，所述PLC控制器自动调节光源的光照强度，得到理想的光照强度，所述光照强度由PLC控制器控制、采集并显示在显示屏上；所述温度感应器在培养瓶中测量微藻培养液的温度，温度控制器采集、读取温度数据并显示在显示屏上，PLC控制器自动调节微藻培养液的温度；所述工作信号指示灯设有分别对应所述pH控制模块、气体控制模块、光源控制模块和温度控制模块的单个指示灯，当控制模块工作时，对应的指示灯亮起。技术人员通过所述自动控制系统能够实时监测并自动控制所述光生物反应装置的运行情况，自动化程度较高，保证微藻的扩种产量和质量。

本实用新型还提供所述光生物反应装置的使用方法，优选的，所述使用方法包括以下步骤：

(1)将藻种和培养液加入所述培养瓶中，在培养瓶中设置所述pH电极和温度感应器，密封所述瓶盖，检查所述气路系统；

(2)开启所述总开关、二氧化碳开关和光照开关，所述pH控制模块、气体控制模块、光源控制模块和温度控制模块开始工作，对应的工作信号指示灯亮起；

(3)所述光源亮起，PLC控制器调节合适的光照强度，照射培养器；

(4)通过所述PLC控制器、二氧化碳流量计和压缩空气流量计调节二氧化碳和压缩空气的流量，二氧化碳和压缩空气分别从所述第一进气管和第二进气管进入气路系统，并在通气管混合，混合气体通过所述培养器的进气接口进入培养瓶，供微藻生长和代谢所需，培养瓶中多余气体从排气接口排出到外界大气环境中；

(5)所述PLC控制器和温度控制模块实时监测并调节培养瓶里培养液的温度，所述pH控制模块实时监测培养瓶里培养液的pH值，通过PLC控制器调节二氧化碳流量计和压缩空气流量计保持合适的pH值；

(6)微藻扩种完成后，关闭所述二氧化碳开关、光照开关和总开关，打开瓶盖，取出微藻。

本实用新型的有益效果：所述光生物反应装置能够自动控制光照时间、光照强度及二氧化碳自动补给，能独立调节每个培养瓶的通气量，能够采集、读取和控制光照强度、pH值和气体流量的实时数据，结合所述LED灯，满足全地域养殖需求和全密闭室内养殖需求，同时没有污染，所述LED灯发出的波长范围与微藻所能吸收的波长范围相符，培养瓶透光率高，光利用率高，能耗小，能够实现藻种快速扩培，提高微藻的产量和质量。

附图说明

图1所示为光生物反应装置的结构图。

图2所示为LED灯20的光谱图，其中a为LED灯20的光谱线，b为微藻的光谱线。

附图中，1-培养架，2-自动控制箱，3-第一进气管，4-第二进气管，5-pH控制器，6-压缩空气流量计，7-二氧化碳流量计，8-PLC控制器，9-工作信号指示灯。10-总开关，11-二氧化碳开关，12-光照开关，13-通气管，14-气量调节阀，15-支路气路，16-过滤器，17-排气管，18硅胶瓶盖，19-培养瓶，20-LED灯，21-pH电极，22-进气接口，23-排气接口，24-显示屏。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例1和2中的微藻为雨生红球藻，过滤器16为除菌过滤器，光源为LED灯20。

实施例1

本实施例的光生物反应装置的结构如图1所示，包括培养架1、培养器、LED灯20、自动控制系统和气路系统。培养架1为具有三个分层的框架结构，培养架1对光生物反应装置起支撑作用，培养架1的分层用于放置培养器，培养架1的框架上便于设置LED灯20、自动控制系统和气路系统。

光生物反应装置设有36个培养器，每层培养架1设有两排培养器，每排设有12个培养器。培养器包括培养瓶19、硅胶瓶盖18、气管接口和过滤器16。硅胶瓶盖18密封培养瓶19的瓶口，起密封隔绝作用，使得培养瓶19的内部形成独立的封闭空间，为微藻生长提供理想的空间。

气管接口贯穿硅胶瓶盖18，通过硅胶瓶盖18联通培养瓶19内部与通气管13的支路气路15，为培养器19中的微藻提供生长所需的气体，气管接口包括进气接口22和排气接口23，分别用于培养瓶19的进气和排气，排气接口23连接排气管17，维持培养瓶19内气压稳定。

过滤器16连接在进气接口22的一端，用于净化支路气路15供给的气体，保证培养瓶19内部纯净的微藻生长环境，有利于提高微藻产量和质量。

培养瓶19为透明圆形平底玻璃培养瓶，顶部设有开口，用于连接硅胶瓶盖18和气管接口，为微藻扩种培养提供生长环境，使得LED灯20的光线能够通过培养瓶19照射到内部的微藻，微藻吸收光能用于自身的生长代谢。

LED灯20为条形LED灯，并设置在培养器19的上方，LED灯20设置在每层培养架1的顶部，每层培养架1设有10根LED灯20，LED灯20提供的光能透过培养瓶19照射微藻，为微藻提供光能。

LED灯20的光谱图如图2所示，微藻(雨生红球藻)在生长阶段和代谢产生虾青素阶段所能吸收的波长范围分别为420-500和620-700nm，本实施例的LED灯20发出的波长为420-700nm，契合雨生红球藻的生长和代谢所需波长的范围，并且LED灯20光线的相对强度与雨生红球藻需要的相对强度基本在同一水平。

光生物反应装置的气路系统设置在培养架1的框架上，气路系统包括进气管、通气管13和排气管17，进气管包括第一进气管3和第二进气管4，第一进气管3连接二氧化碳气源，第二进气管4连接压缩空气气源，第一进气管3和第二进气4管通过自动控制系统后，合并为通气管13，二氧化碳和压缩空气在通气管13中混合均匀。通气管13分为并联的三根支路，每根支路分别设置在每层培养架1的顶部边缘，每根支路分出支路气路15，每根支路气路15连接每个培养瓶19的进气接口22，将二氧化碳和压缩空气送入培养瓶19中，为微藻生长和代谢提供养分。每根支路气路15设有气量调节阀14，用于技术人员根据每个培养瓶19中的微藻不同生长情况，调节单个培养瓶19的供气量。排气管17的一端连接培养瓶19的排气接口23，另一端联通空气，将培养瓶19中的多余气体导出，保持培养瓶19内气压稳定。

光生物反应装置的自动控制系统包括pH控制模块、气体控制模块和光源控制模块。pH控制模块包括pH电极21和pH控制器5，pH电极21设在培养瓶19中，pH电极21的线路通过瓶盖18连接pH控制器5。气体控制模块包括二氧化碳流量计7、压缩空气流量计6和二氧化碳开关11，二氧化碳流量计7和压缩空气流量计6分别显示并控制二氧化碳和压缩空气的流量，保证培养器19中供气适量，使得培养瓶19中的pH值保持在合适的范围，有利于微藻生长。光源控制模块包括光照开关12。

自动控制系统还包括自动控制箱2、PLC控制器8、总开关10、工作信号指示灯9和显示屏24。pH控制模块、气体控制模块、光源控制模块和PLC控制器8设在自动控制箱2上，总开关10和工作信号指示灯9设在自动控制箱2外表面，自动控制箱2设在培养架侧面。pH控制模块、气体控制模块、光源控制模块、总开关10和工作信号指示灯9连接PLC控制器8，采集、存储和控制各个模块的数据，实现各种控制功能，为微藻培养提供适宜的生长代谢环境。

总开关10连接并控制光生物反应装置的电源。工作信号指示灯9指示各控制模块的工作情况。显示屏24显示光生物反应装置的pH值、二氧化碳流量、压缩空气流量、光照强度(即光源的功率值)的参数。

使用时，总开关10控制光生物反应装置的电源供应，pH电极21在培养瓶19中测量微藻培养液的pH值，pH控制器5采集、读取pH值，pH值显示在显示屏24上，当pH值较低或较高时，PLC控制器8自动调节二氧化碳流量计7减少或加大二氧化碳流量。开启二氧化碳开关11，调节二氧化碳流量计7和压缩空气流量计6，调节二氧化碳和空气的流量，二氧化碳和空气的流量显示在显示屏24上。打开光照开关12，LED灯20亮起，PLC控制器8自动调节光源的光照强度，得到理想的光照强度，光照强度由PLC控制器8控制、采集并显示在显示屏24上。工作信号指示灯9设有分别对应pH控制模块、气体控制模块、光源控制模块的单个指示灯，当控制模块工作时，对应的指示灯亮起。技术人员通过自动控制系统能够实时监测并自动控制光生物反应装置的运行情况，自动化程度较高，保证微藻的扩种产量和质量。

实施例2

本实施例的光生物反应装置为实施例1的光生物反应装置，其使用方法包括以下步骤：

(1)将藻种和培养液加入培养瓶19中，在培养瓶19中设置pH电极21，密封瓶盖18，检查气路系统；

(2)开启总开关10、二氧化碳开关11和光照开关12，pH控制模块、气体控制模块、光源控制模块开始工作，对应的工作信号指示灯9亮起；

(3)LED灯20亮起，PLC控制器8调节合适的光照强度，照射培养瓶19；

(4)通过PLC控制器8、二氧化碳流量计7和压缩空气流量计6调节二氧化碳和压缩空气的流量，二氧化碳和压缩空气分别从第一进气管3和第二进气管4进入气路系统，并在通气管13混合，混合气体通过培养器的进气接口22进入培养瓶19，供微藻生长和代谢所需，培养瓶19中多余气体从排气接口23排出到外界大气环境中；

(5)pH控制模块实时监测培养瓶19里培养液的pH值，通过PLC控制器8调节二氧化碳流量计7和压缩空气流量计6保持合适的pH值；本实施例的温度由光生物反应装置所在的室内环境的温度决定。

(6)微藻扩种完成后，关闭二氧化碳开关11、光照开关12和总开关10，打开瓶盖18，取出微藻。

Claims (10)

1.一种可实现藻种快速扩培的光生物反应装置，其特征在于，所述光生物反应装置包括多个培养器和多个光源，所述培养器成排和/或分层设置，用于一次性培养多批藻种，所述光源设置在所述培养器的周围，为每个培养器提供藻种生长所需的光能；每个培养器设有进气接口和排气接口，气源通过并联或串联的方式接通每个培养器的进气接口，为藻种生长提供二氧化碳和空气。

2.根据权利要求1所述的光生物反应装置，其特征在于，所述多个培养器为10-100个培养器，所述培养器成排设置，每排培养器错位放置。

3.根据权利要求1所述的光生物反应装置，其特征在于，所述多个光源为多个LED灯，所述LED灯设置在培养器的上方和/或下方，所述LED灯数量为1-100个。

4.根据权利要求1所述的光生物反应装置，其特征在于，所述培养器的顶部设有瓶盖，用于密封培养器的瓶口，所述进气接口和排气接口贯穿所述瓶盖。

5.根据权利要求4所述的光生物反应装置，其特征在于，所述进气接口外接过滤器，用于过滤消毒进入培养器的气体。

6.根据权利要求1所述的光生物反应装置，其特征在于，所述光生物反应装置包括气路系统、自动控制系统和培养架，所述培养器、光源和气路系统设在培养架上，自动控制系统设在培养架的侧面。

7.根据权利要求6所述的光生物反应装置，其特征在于，所述气路系统包括进气管、通气管和排气管，所述进气管包括第一进气管和第二进气管，所述第一进气管连接二氧化碳气源，所述第二进气管连接压缩空气气源，所述第一进气管和第二进气管通过所述自动控制系统后，合并为通气管，二氧化碳和压缩空气在所述通气管中混合；所述排气管连接所述培养器的排气接口。

8.根据权利要求7所述的光生物反应装置，其特征在于，所述通气管在培养架上设置并联和/或串联的支路气路，所述通气管通向每个培养器的支路气路上设有气量调节阀，所述支路气路连接对应培养器的进气接口。

9.根据权利要求8所述的光生物反应装置，其特征在于，所述自动控制系统包含pH控制模块、气体控制模块、光源控制模块和PLC控制器，所述pH控制模块包括pH电极和pH控制器，所述pH电极设在所述培养器的培养瓶中，pH电极的线路穿过瓶盖连接pH控制器；所述气体控制模块包括二氧化碳流量计、压缩空气流量计和二氧化碳开关，所述二氧化碳流量计和压缩空气流量计分别显示并控制二氧化碳和压缩空气的流量；所述光源控制模块包括光照开关，所述pH控制模块、气体控制模块和光源控制模块连接所述PLC控制器。

10.根据权利要求9所述的光生物反应装置，其特征在于，所述自动控制系统还包含自动控制箱、总开关、工作信号指示灯和显示屏，所述pH控制模块、气体控制模块、光源控制模块和PLC控制器设在自动控制箱上，所述总开关和工作信号指示灯设在自动控制箱外表面，所述自动控制箱设在所述培养架的侧面，所述pH控制模块、气体控制模块、光源控制模块、总开关和工作信号指示灯连接所述PLC控制器，采集、存储和控制各个模块的数据。

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