螺旋藻光輻射塔板式光生物反應器養殖系統及其控制方法
2023-10-11 15:40:39
專利名稱：螺旋藻光輻射塔板式光生物反應器養殖系統及其控制方法
技術領域：
本發明是螺旋藻光輻射塔板式光生物反應器養殖系統及其控制方法，屬螺旋藻等微藻高密度生物養殖設備，持別涉及光合自養食品級、醫用級及基因工程微藻的培養裝置。
螺旋藻和其它一些微藻都是高光效自養原核浮遊水生植物，目前國內外普遍採用開放式跑道池體系進行養殖。但實踐證明，這種養殖體系由於無法利用計算機來自動控制養殖過程中所需的理化和生物環境以使養殖過程最優化，因此藻細胞對光能的利用率不高，光合效率僅約為1％，藻的生物量濃度低，僅為0.1～1.0g/L，以致普遍存在單位面積產量低，僅為4～7g/m2.d，產品質量不穩定，易受汙染。正由於光能利用率低、低效養殖及品質差而導致成本過高，已成為目前螺旋藻等微藻產業面臨的嚴重問題。為解決這些問題，除了設法選育優良藻種及改進生產工藝外，其關鍵是要研究設計新型養殖體系，以提高光能利用率，降低生產成本。特別近年來，隨著藻類基因工程生物技術的發展，利用微藻作為受體或載體系統，表達一些高生物性的外源基因，如幹擾素、免疫球蛋白、金屬硫蛋白、防禦素等，大批量生產多肽和蛋白質生物新藥。因此，螺旋藻的大規模培養以及藥用微藻和基因工程微藻的純種高密度養殖，生產生物新藥源，都迫切需要一種能利用計算機自動控制養殖過程、光能利用率高、抗汙染力強，能保持純種無菌培養，培養基水份蒸發量小而能維持恆定鹽鹼濃度、細胞繁殖速度快、能實現高密度、高產養殖的有效新型養殖系統。目前，國內外這類新型養殖系統基本上是採用密封式光生物反應器，按其接受光的形式分兩類一類是採用外部光源，如自然光或冷白熾燈、螢光燈、金屬滷素燈等；另一類是採用內部光源，如滷素燈、環形螢光燈、光纖等。採用外部光源的光生物反應器，其結構為管道式或板式，管道式反應器多採用窄管徑的透明管道系統組合而成，以獲得高的採光表面積與體積之比，板式反應器多採用透明板材斜板式或垂直翼片式排列組成。這些裝置由於受光照條件限制，大多數結構只適應形成小型單元、容量較小，且在技術操作上仍存在較多技術障礙，對微藻生長的生理因子也存在較多的生長限制因素。例如，對窄管道反應器，在進行高密度養殖時，由於藻體之間的相互遮光效應，使藻細胞受光不勻，循環不暢，易造成光能利用率低，溶氧蓄積及內溫升高，導致藻的光合作用發生自鎖，嚴重抑制藻生物量的生產；對板式組合反應器，則因結構體積龐大、藻體循環操作動力能耗大。而且採用外部自然光照，光照強度和溫度晝夜變化太大，使藻體的光合作用變化不均，影響藻細胞對光能的吸收和光合產物的積累。採用內部光源的反應器則在操作上存在防漏、絕緣、光熱效應後熱量排除等的技術障礙；對光纖光反應器由於需增加光纖傳輸及光分配系統，使反應器結構複雜、耗電量大，製造成本高。
本發明的目的就是為了解決開放式跑道池式反應器存在的無法控制養殖過程中所需的理化和生物環境以使養殖過程最優化，導致光能利用率低，單位面積產量低，易受汙染，產品質量不穩定，成本高等的問題和克服現有光生物反應器養殖系統光能利用率低，溶氧蓄積及內溫升高，影響藻的生產，或結構複雜、體積龐大、藻體循環操作動力能耗大以及操作技術障礙等的缺點，研究設計一種能利用計算機自動控制養殖過程、光能利用率高、抗汙染能力強、能保持純種無菌培養、細胞繁殖速度快、單位面積產量高、產品質量穩、成本低、適於大規模工業化生產的螺旋藻光輻射塔板式光生物反應器養殖系統及其控制方法。
本發明是通過下述結構技術方案和方法方案來實現的螺旋藻光輻射塔板式光生物反應器養殖系統的結構組成示意圖如
圖1所示，它由光輻射塔板式光生物反應器8、循環泵1、超濾滲析器3、低位槽10、pH-T雙控數顯儀13、溶氧測定儀14、自動CO2分析儀15、數字式照度計16、計算機處理器17共同連接構成，其相互連接關係為光輻射塔板式光生物反應器8分別通過藻液進口管5、藻液出口管9與超濾滲析器3及低位槽10相連接，裝置於反應器上部的包括溫度傳感器19、PH電極20、溶氧電極21、CO2傳感器22在內的傳感器電極組12分別通過各自信號傳輸線分別與PH-T雙控數顯儀13、溶氧測定儀14、自動CO2分析儀15相連接，裝置於反應器中上部的測光探頭23通過光照信號傳輸線與數字式照度計16相連接。PH-T雙控數顯儀13、溶氧測定儀14、自動CO2分析儀15、數字式照度計16則分別通過各自信號傳輸線和計算機接口與計算機處理器17相連接，循環泵1通過進口管與低位槽10的藻液出口管相連接，而泵的出口管與超濾滲析器3相連接，超濾滲析器3通過藻液進口管5與反應器8相連接，構成整個循環系統；其中光輻射塔板式光生物反應器8由藻液進口管5、光輻射塔板6、二氧化碳CO2多孔進氣管7、藻液出口管9、包括溫度傳感器、pH電極、溶氧電極、CO2傳感器的傳感器電極組12、排氣管11共同連接構成，其相互位置及連接關係為多塊由內層為多個發光二極體集成的光發射板及外層為兩塊透明有機玻璃板密封構成的光輻射塔板6相隔一定間距交錯固定粘接於反應器8的塔體內部，反應器塔體採用有機玻璃板卷封粘接成圓柱體，反應器8的塔體外側設有開口，在塔體的中上部裝置有CO2多孔進氣管7，在塔體的上端部固裝有藻液進口管5，塔體的頂部裝有排氣管11和傳感器電極組12，塔體底部固裝有藻液出口管9；超濾滲析器3由內、外兩層組合而成的雙套筒超濾滲析器，外層為透明有機玻璃板卷封的殼體，內層為聚碸滲析薄膜與300目尼龍篩網的組合體，內外兩層間有一定間距，超濾滲析器的上部固裝有次級代謝廢液出口管2、下部固裝有新鮮培養液進口管4、底部固裝有藻液出口管並與塔體中的藻液進口管5相連接；低位槽10內裝有熱交換器18，其上部固裝有排氣管11、下端部固裝有藻液出口管9，頂端通過藻液出口管9與反應器塔體底部相連接。其作用控制原理如下光輻射塔板式光生物反應器不僅是光能的輻射器和接收器，而且它具有一定體積的培養藻液填充空間，這是實現工業化大規模生產基本單元產率的基礎。藻液從藻液進口管5進入反應器塔體中，依次通過交錯安裝於塔體內的光輻射塔板6，充分吸收光輻射塔板上傳播的連續穩定的光能，二氧化碳通過CO2多微孔進氣管7進入到藻液中，不僅能提供藻體生長的有效碳源，而且使藻液的PH值維持恆定，使藻液在不斷循環中，通過對光能的吸收連續進行光合固碳作用，促進光合產物形成及生物量的增長，光合放氧(氧氣或溶解氧D.O) 則通過裝於反應器塔體頂部的排氣管11以及真空泵的抽吸作用除去，有效地克服溶氧蓄積導致的光呼吸和光抑制現象，藻液在反應器中經光合作用和排除溶氧後，在重力作用下流到低位槽中，通過裝於槽中間的間壁式熱交換器的調溫作用，使藻液溫度始終控制在25～35℃範圍內，以保證最適宜的生長條件。藻液在循環泵1的作用下，連續不斷泵入超濾滲析器3中，從廢液出口管2排除去一部分藻類生長次級代謝廢液；從新鮮培養液進口管4可以及時補充新鮮營養液，以保證養殖系統的連續培養過程，這是實現高密度養殖的有效方法。因此，整個養殖系統在泵的作用下，連續不斷循環流動，不僅增加氣液傳質、能量傳遞，而且促進溶氧的排出，有效地控制養殖過程的理化及生物環境。整個系統控制原理框圖如圖2所示，系統的在線培養參數通過溫度傳感器19、PH電極20、溶氧電極21、CO2傳感器22、測光探頭23、測定的信號經多路開關24輸入至調頻傳送器25，再輸送至多路輸入程控運算放大器26進行信號放大後，利用A/D模數轉換器27及串行I/O接口28輸送至計算機處理器29處理後，再經串行I/O接口分別輸送D/A數模轉換器33和輸入及量程控制器39，經數模轉換器33轉換後的模擬信號經多路控制繼電器34分別去控制熱交換控制閥35、CO2供給調節閥36、新鮮培養液液泵37、真空泵調節閥38，以保證光生物反應器內有最合適的溫度及含碳、含氧量的新鮮培養液。有需要時可通過印表機30列印和顯示器31進行顯示。整個過程可以實現計算機自動監控管理，實現最優化的養殖過程。計算機自動監控程序流程圖如圖3所示。其監控方法為設置在光輻射塔板式光生物反應器中的溫度傳感器、CO2傳感器、測光探頭、pH電極和溶氧電極測得養殖參數電信號，通過多路開關輸送至調頻傳送器傳送至多路輸入程控集成運算放大器，再經運算放大器將信號放大，放大後信號經A/D轉換後通過I/O串行接口進入計算機處理器處理後，分別再通過串行I/O接口和D/A數模轉換器輸送至多路控制繼電器調節控制CO2供給調節閥、熱交換控制閥、新鮮培養液液泵、真空泵調節閥等來調節光輻射塔板式光生物反應器內的CO2含量、溫度，進而調節培養液的pH值，完成養殖參數的自動監控，實現養殖過程最優化；其自動監控的原理如下在微藻光合自養的養殖過程中，為了提高藻的生物量濃度，應最大限度地提高光能利用率。藻的生物量濃度不僅反映光合作用的效果及培養效率的高低，而且是衡量光生物反應器性能的主要技術參數和經濟技術指標；在連續操作的光生物反應器中，藻的生物量生成速率可用如下的質量平衡方程來表達
或
式(1)中X為藻生物量濃度g/L(克/升)；t為時間h(小時)；μ為比生長速度(h-1)；V為養殖藻液的體積m3(米3)；F為收穫藻液體積流量m3/h(米3/小時)；D為稀釋率
。當藻的生物量濃度達到恆定時，
，則質量平衡方程μ.x-Dx＝0，即μ＝D，這表明在連續養殖過程中，只要確定藻的比生長速度μ，利用μ＝D的關係式，通過調節補給光反應器的營養物質的量就可控制培養過程。在此條件下，生物量濃度X和藻液體積流量F與μ無關，而僅取決於需要多長的養殖時間才能達到所需的生物量濃度。因此，只要設定和維持藻的生物量濃度X在持定值，通過調節D，使藻處於最適合的理化和生物環境中培養，實現養殖過程最優化。通過調節D補充光反應器營養物質的量，實現藻的養殖的最優化自動監控管理。
本發明與現有技術相比有如下優點和有益效果(1)本發明從結構和控制方法上有效地解決了藻的養殖過程中光能利用的技術難題，從而實現藻類養殖系統的藻類連續生產操作的最優化自動監控管理，保證了高密度、高產量、無菌純種的藻類養殖；(2)本發明不僅適合螺旋藻的大規模工業化生產，而且對具有很高經濟價值的藥用微藻、基因工程微藻等光合自養藻類的大量養殖、生產生物新藥源，具有廣闊的應用前景；(3)由於本發明裝置利用了高光輻射強度、窄光譜、低發熱、低能耗的發光二極體構成的光輻射光電塔板作為光生物反應器的內部光源交叉間隔安裝在反應器殼體上，它不僅是反應器的內部光源，而且能支撐藻體循環折流。當藻液在重力作用下從上而下流經光輻射光電塔板時，能使藻體在兩塔板間均勻、穩定地受光，由於光傳播路經短、光能衰減很小，這一方面可促使藻細胞進行高光能轉化率的光合作用，使光合產物得以廣泛的積累，另一方面也能使藻細胞的暗呼吸消耗性碳損失減低到最低程度。而且由與於光輻射塔板中的光電板的光強度大小可控制，從而可有效地控制光照強度以防光照超飽和及光抑制的發生，使本發明裝置的光能轉化率和光合產物積累明顯提高；(4)由於光輻射塔板是由兩層有機玻璃板固定在反應器中，而內層光電板則從光生物反應器殼體外側插入兩層相隔2cm的有機玻璃板中，體積小、重量輕、便於加工安裝，靈活可拆，便於檢修、更新及防漏、絕緣，操作簡便，容易掌握；(5)由於發光二極體(LED)具有體積小、重量輕，單個LED僅需1.8V/20mA電能，節能省電，很好地克服和解決了現有技術採用的全光譜光源存在的問題，如耗電量大、能耗高、設備結構複雜、體積龐大、成本高等的缺點和問題。本發明節能效果顯著，成本大大降低；(6)由於本系統採用了超濾滲析器，使藻體生長過程中次級代謝廢液不斷除去，新鮮營養培養液連續不斷補充，有效地促進藻類高密度養殖。而且排出的廢液經適當處理，便可循環使用，降低生產成本，經濟有效地提高投入/產出的比例；(7)本發明的在線培養參數，如溫度、pH值、光照強度、溶氧DO等，通過傳感器或電極的信號測定，可實現計算機自監控管理，實現養殖過程的最優化；(8)由於本光生物反應器中的光輻射塔板加工安裝方便，使塔體結構可放大、縮小及多塔並串聯組合，而且其基本部件採用標準件，裝配與拆卸靈活、方便，非常適合大規模工業化生產。因此，本發明採用光輻射塔板作為光反應器內部光源，並採用計算機自動控制的密封式光生物反應器，這對於光合自養微藻的大規模工業化生產、加工、管理養殖過程，延長生產時間，打破季節性、地域性以及晝夜的限制，蘊藏巨大的經濟潛力。
下面對說明書附圖進一步說明如下圖1為螺旋藻光輻射塔板式光生物反應器養殖系統的結構組成示意圖；圖2為本發明系統的控制原理方框圖；圖3為本發明系統的計算機處理器的自動控制程序流程圖。圖中1為循環泵、2為次級代謝廢液出口管、3為超濾滲析器、4為新鮮培養液進口管、5為藻液進口管、6為光輻射塔板、7為CO2多微孔進氣管、8為光生物反應器、9為藻液出口管、10為低位槽、11為排氣管、12為傳感器電極組、13為pH-T雙控數顯儀、14為溶氧測定儀、15為自動CO2分析儀、16為數字式照度計、17為計算機處理器、18為間壁式熱交換器。
本發明的實施方式如下可按圖1、圖2所示，設計、加工、製造或選購本系統各組成部件。(1)如溫度傳感器19可選購3TC-Pt100型，pH電極20可選購E-201型塑復pH電極，溶氧電極可選DO-24型，CO2傳感器可選Mettler Toledo CO2傳感器，測光探頭可選GK型光電傳感器，數字式照度計可選ZDS-10型，循環泵1可選DBY-20電動隔膜泵，新鮮培養液液泵31可選QBY-20氣動隔膜泵—KY-T空氣壓縮機，pH-T雙控數顯儀14可選購PHS-3TC精密數顯溫度—酸度計，溶氧測定儀可選DO-ZZ型。調頻傳送器可選TA7640APFM調頻器，模數轉換器可選AD7701型，多路開關可選MOSFET型，程控集成運算放大器可選F101型，串行I/O接口可選RS-232C型，計算機處理器可選8098單片機，D/A數模轉換器可選AD667型12位D/A轉換器，控制繼電器可選JGD多功能固態繼電器；(2)採用一般的機加工方法或製造現有反應器的常規方法，加工本系統中的光輻射塔板式光生物反應器的組成部件，然後按圖1所示並按上面說明書所述的連接關係進行安裝，便能實現本光生物反應器，發明人建議光輻射塔板由兩層有機玻璃板密封套粘接在反應器塔體內，交錯粘接的間距可為5～6cm，反應器塔體外側設有開口，以便裝拆、檢修光發射板，光發射板是由多個發光二極體LED並聯構成的印刷電路板，發光二極體可選GaAIAS-LED型，反應器塔體可用5mm的有機玻璃板卷封粘接而成；(3)低位槽10內的熱交換器可選用不鏽鋼或玻璃螺旋管間壁式熱交換器；(4)超濾滲析器3可為內外二層組成的雙套筒超濾滲析器，外層可選5mm厚的透明有機玻璃板卷封，內層可選用聚碸薄膜與300目尼龍篩網進行組合，內外兩層間距可為10～15cm；(5)上述的本系統的各大部件選購和加工製造好後，按圖1、圖2所示以及上面說明書所述的連接關係進行連接安裝，便能實施本發明系統。然後按上面說明書所述的自動控制方法，按圖3所示編制軟體程序，再結合上面所述的本發明的作用原理和控制原理進行運行調試和試驗，便能較好實現本發明。
權利要求
1.一種包含有循環泵、低位槽的螺旋藻光輻射塔板式光生物反應器養殖系統，其特徵在於它由光輻射塔板式光生物反應器(8)、循環泵(1)、超濾滲析器(3)、低位槽(10)、pH-T雙控數顯儀(13)、溶氧測定儀(14)、自動CO2分析儀(15)、數字式照度計(16)、計算機處理器(17)共同連接構成，其相互連接關係為光輻射塔板式光生物反應器(8)分別通過藻液進口管(5)、藻液出口管(9)與超濾滲析器(3)及低位槽(10)相連接，裝置於反應器上部的包括溫度傳感器(19)、PH電極(20)、溶氧電極(21)、CO2傳感器(22)的傳感器電極組(2)分別通過各自信號傳輸線分別與PH-T雙控數顯儀(13)、溶氧測定儀(14)、自動CO2分析儀(15)相連接，裝置於反應器中上部的測光探頭(23)通過光照強度信號線與數字式照度計(16)相連接，PH-T雙控數顯儀(13)、溶氧測定儀(14)、自動CO2分析儀(15)、數字式照度計(16)則分別通過各自信號傳輸線及計算機I/O接口與計算機處理器(17)相連接，循環泵(1)通過其進口管與低位槽(10)的藻液出口管相連接，而泵的出口管與超濾滲析器(3)相連接，超濾滲析器(3)通過反應器的藻液進口管(5)與反應器(8)相連接，構成整個完整的循環系統；其中光輻射塔板式光生物反應器(8)由藻液進口管(5)、光輻射塔板(6)、CO2多微孔進氣管(7)、藻液出口管(9)、包括溫度傳感器、pH電極、溶氧電極、CO2傳感器的傳感器電極組(12)、排氣管(11)共同連接構成，其相互位置及連接關係為多塊由內層為多個發光二極體集成的光發射板及外層為兩塊透明有機玻璃板密封構成的光輻射塔板(6)相隔一定間距交錯固定粘接於反應器(8)的塔體內部，反應器塔體採用有機玻璃板卷封粘接成圓柱體，反應器塔體外側設有開口，在反應器塔體的中上部裝置有CO2多孔進氣管(7)，在塔體的上端部固裝有藻液進口管(5)，塔體的頂部裝有排氣管(11)和傳感器電極組(12)，塔體底部固裝有藻液出口管(9)；超濾滲析器(3)為由內、外兩層組合而成的雙套筒超濾滲析器，外層為透明有機玻璃板卷封的殼體，內層為聚碸滲析薄膜與300目尼龍篩網的組合體，兩層間有一定間距，超濾滲析器的上部固裝有次級代謝廢液出口管(2)、下部固裝有新鮮培養液進口管(4)、底部固裝有藻液出口管並與反應器塔體中的藻液進口管(5)相連接；低位槽(10)內裝有熱交換器(18)，其上部固裝有排氣管(11)，下端部固裝有藻液出口管(9)，頂部通過藻液出口管(9)與反應器塔體底部相連接。
2.一種螺旋藻光輻射塔板式光生物反應器養殖系統的控制方法，其特徵在於設置在光輻射塔板式光生物反應器中的溫度傳感器、CO2傳感器、測光探頭、PH電極和溶氧電極測得養殖參數電信號，通過多路開關輸送至調頻傳送器傳送至多路輸入程控集成運算放大器，再經各程控運算放大器將信號放大放大後信號經A/D轉換後，通過輸入輸出串行接口進入計算機處理器處理後，分別再通過串行I/O和D/A數模轉換器輸送至多路控制繼電器調節控制CO2供給調節閥、熱交換器控制閥、新鮮培養液液泵、真空泵調節閥等來調節光輻射塔板式光生物反應器內的CO2含量、溫度，進而調節培養液的pH值，完成養殖參數的自動監控，實現養殖過程最優化。
全文摘要
本發明是螺旋藻光輻射塔板式光生物反應器養殖系統及其控制方法,它由光輻射塔板式光生物反應器、循環泵、超濾滲析器、低位槽、pH－T雙控數顯儀、溶氧測定儀、數字式照度計、計算機處理器通過各信號線及管道相連接構成;其控制方法為反應器中的傳感器、探頭、電極測得的養殖參數信號通過調頻轉送到各程控運算放大器,經放大後輸到計算機界面控制器並實現A/D轉換後送計算機處理。本發明適於微藻大規模高密度、高產業、大規模工業化生產,省電節能,便於實現最優化監控操作和管理,成本低。
文檔編號C12N1/12GK1201826SQ9711332
公開日1998年12月16日 申請日期1997年6月5日 優先權日1997年6月5日
發明者徐明芳 申請人:華南師範大學