专利名称：监测密闭式光生物反应器中氧含量和微藻生理活性的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光生物反应器领域，具体来说，本发明涉及一种监测密闭式光生物反应器中氧含量和微藻生理活性的系统。
背景技术：
由于化石燃料属于不可再生能源，储量有限，且随着经济的发展对能源的需求越来越大，这直接推动科研人员加快了寻找替代能源的步伐。生物能源是各国政府聚焦的主要替代能源之一。单细胞微藻尽管结构简单，但与高等植物相比其转化太阳能为化学能的效率更高，且微藻生长速度快，单位面积的产量是高等植物的数倍，因此微藻已成为能源生物的研究热点。其中利用微藻产氢和利用微藻产油是近年来备受关注的领域。从1970年代开始，利用微藻制备清洁能源氢气就备受关注。尽管氢气是微藻光合作用的副产物，但光合作用放出的氧气又会抑制氢气的产生。2000年美国加州大学伯克利分校的 Melis 教授提出了缺硫产氢的方法(Melis et al. , 2000, Plant Physiology, 122 127-136.),即先高密度光合自养培养微藻(此时反应器中有氧)，然后限制硫的供给或直接将藻转移到缺硫的培养基中从而抑制光合放氧过程，创造无氧条件，促进微藻产氢。中国发明专利CN 100355898C公布了一种海洋绿藻两步法生物光解水制氢方法， 将海洋绿藻正常培养后，获得生物量，然后置于无硫海水中进行暗诱导创造无氧条件，再光照促进产氢。缺硫创造无氧条件产氢已成为近10年来国际上微藻产氢领域的主流研究方向(Burgess et al. , 2011, Advances in Applied Microbiology, 75 :71-110.)。目前几乎所有的生物反应器都配备了Clark氧电极测量反应器内部的溶解氧含量。但Clark氧电极必须要在反应器外壁上打孔，插入反应器内部与液体进行接触才能测量。Clark氧电极需要经常校准，由于在反应器内部难以校准，这就需要将它拆下来，因此反应器壁上的孔不能是永久固定的。一方面由于经常拆卸，在电极插入部位就容易造成漏气， 这对于密闭式微藻产氢系统是非常不利的；另一方面当电极拿出来校准的过程中有可能染菌，进而造成反应器内部藻液的污染，大大影响微藻的培养速率和品质。调制叶绿素荧光技术作为光合作用的有效探针，具有快速、可靠、非破坏性等特 点(Papageorgiou GC, Govindjee. Chlorophyll a Fluorescence a Signature of Photosynthesis. Dordrecht Springer ；2004. )。Masojidek 等利用调制叶绿素突光仪 PAM 101-103检测了管式光生物反应器中螺旋藻的生理活性(Masoii dek et al. , 2003, Journal of Applied Phycology，15 :239-248.)。美国专利 US 7299785 B2 提出了利用便携式调制叶绿素荧光仪PAM-2000监测的光生物反应器中产氢微藻的叶绿素荧光参数的变化来判断微藻是否合成氢酶启动产氢过程的方法。上述应用都是将调制叶绿素荧光仪的光纤对准反应器的外壁，对反应器内部的微藻光合作用进行测量。但无论PAM 101-103还是PAM-2000， 其测量数据是完全独立的，不能与其它监测传感器集成控制，数据也需要单独分析，这极大限制了该技术的应用。同时，一台PAM 101-103或一台PAM-2000 —次只能监测一个反应器的数据，如果要监测多个反应器，需要重复购置多套PAM 101-103或PAM-2000，价格非常昂贵，不适合生产上大规模使用。此外，在美国专利US 7299785 B2的实验过程中对反应器内部氧的测量仍采用了插入式Clark氧电极测量，既容易漏气也容易造成污染。综上，目前急需一种既能够不插入反应器内就监测密闭式光生物反应器中氧含量和叶绿素荧光参数变化，又支持多通道同时测量的集成系统，来同时监测多个光生物反应器内部微藻培养液的氧含量和叶绿素荧光参数变化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种非接触式在线监测系统，对密闭式光生物反应器中的氧含量和微藻生理活性进行在线监测。为解决上述技术问题，本发明提供一种监测密闭式光生物反应器中氧含量和微藻生理活性的系统，包括一个或多个监测子系统，用于监测所述氧含量和所述微藻生理活性的数据；数据采集器，与一个或多个所述监测子系统相连接，用于采集所述监测子系统传送回来的数据信号；电脑客户端，与所述数据采集器相连接，用于显示监测结果。可选地，所述系统还包括Internet客户端，通过路由器与所述数据采集器相连接，用于将所述监测结果发布在因特网上。可选地，所述路由器支持DDNS服务。可选地，所述监测子系统包括—个或多个光生物反应器，其内培养有微藻；一个或多个叶绿素荧光探头，一端分别与一个或多个所述光生物反应器对应连接，另一端与所述数据采集器相连接，用于测量所述光生物反应器内部微藻的叶绿素荧光参数；光纤式氧测量仪，一端分别与一个或多个所述光生物反应器相连接，另一端与所述数据采集器相连接，用于测量所述光生物反应器内部藻液中的氧含量。可选地，所述光生物反应器包括平板式、圆柱式或管式光生物反应器，或者透明三角瓶、细胞培养瓶等透明容器。可选地，所述光生物反应器为密闭式设计或者开放式设计。可选地，所述光纤式氧测量仪通过一个或多个氧测量光纤分别对应连接一个或多个氧测量传感器，来测量一个或多个所述光生物反应器内部藻液中的所述氧含量。可选地，所述氧测量光纤及其对应连接的所述氧测量传感器的数目可以为I 4组。可选地，所述数据采集器可以为澳大利亚DataTaker公司提供的DT系列数据采集器。可选地，所述数据采集器采用市电供电或者太阳能供电系统供电。可选地，所述系统还包括其他传感器，一端分别与一个或多个所述光生物反应器对应连接，另一端与所述数据采集器相连接，其输入/输出信号为模拟信号，用于在监测所述叶绿素荧光参数和所
5述氧含量的同时，监测所述光生物反应器中的其他参数。可选地，所述其他参数包括温度、pH值等。可选地，所述叶绿素荧光探头可以为德国WALZ公司提供的MONI-Head叶绿素荧光探头。可选地，所述叶绿素荧光探头垂直固定在所述光生物反应器的外壁上并对准之， 透过器壁监测所述光生物反应器内部藻液的所述叶绿素荧光参数。可选地，所述光生物反应器的器壁厚度为6毫米以内。可选地,所述光纤式氧测量仪可以为德国PyroScience公司提供的Firesting O2 光纤式氧测量仪。可选地，所述氧测量传感器粘贴于所述光生物反应器的内壁上。可选地，所述氧测量光纤固定在所述光生物反应器的外壁上，并与其对应的所述氧测量传感器垂直对准。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明采用的光纤式氧测量仪在工作时，只需将氧测量传感器粘贴于光生物反应器的内壁上，将氧测量光纤固定于光生物反应器的外壁上并垂直对准氧测量传感器即可， 不需要在光生物反应器上打孔，不会造成漏气。粘贴在光生物反应器内壁上的氧测量传感器可以与光生物反应器一起按常规方法灭菌，不存在插入式电极造成藻液染菌的可能性。本发明采用的叶绿素荧光探头在工作时只需垂直固定于光生物反应器的外壁上即可，也不需打孔，不会造成漏气和染菌。本发明可以连接的多个叶绿素荧光探头和光纤式氧测量仪，可以同时监测多个光生物反应器中氧含量的变化和藻液光合活性的变化，非常适合生产使用。本发明可以安装在任何类型的光生物反应器上，包括平板式、圆柱式、管式光生物反应器，或者三角瓶、细胞培养瓶等透明容器上，应用非常广泛，对光生物反应器没有特殊要求，只要透光且厚度在6毫米以内即可。本发明可以集成其它模拟信号传感器，如温度、pH等，兼容性强。本发明在室内可以采用市电，在室外可以采用太阳能供电，非常适合大规模培养使用，大大节省了能耗。本发明除了可以在电脑客户端显示外，还可以在Internet客户端显示，方便用户在任何能够连接网络的地方查看监测数据。
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中图I为本发明一个实施例的用于室内监测密闭式光生物反应器中氧含量和微藻生理活性的系统模块结构图；图2为本发明一个实施例的用于室外监测密闭式光生物反应器中氧含量和微藻生理活性的系统的模块结构图；图3为图I或图2中所示的本发明一个实施例的光纤式氧测量仪的模块结构图；图4为本发明一个实施例的用于监测平板式光生物反应器中的氧含量和微藻生理活性的装配结构示意图；图5为图4中所示的本发明一个实施例的氧测量光纤和氧测量传感器的安装示意图；图6为本发明一个实施例的用于监测圆柱式或管式光生物反应器的结构示意图；图7为本发明一个实施例的用于监测圆柱式光生物反应器中小球藻(Chlorella) 的叶绿素荧光和氧浓度的变化曲线图。
具体实施例方式下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。图I为本发明一个实施例的用于室内监测密闭式光生物反应器中氧含量和微藻生理活性的系统模块结构图。如图I所示，该系统可以包括一个或多个监测子系统10、 20 (本实施例中包含两个)、数据采集器300、电脑客户端400等。其中监测子系统10、20用于监测氧含量和微藻生理活性的数据。数据采集器300与监测子系统10、20相连接，用于采集监测子系统传送回来的数据信号。电脑客户端400与数据采集器300相连接，用于显示监测结果。该数据采集器300可以为澳大利亚DataTaker公司提供的DT系列数据采集器。 在本实施例中，该数据采集器300采用市电供电，提供叶绿素荧光和氧测量的电力供应。另外，如果监测人员需要将监测结果发布在网页上，则本实施例中的该系统可以还包括Internet客户端502。该Internet客户端502通过例如可以支持DDNS服务的路由器501与数据采集器300相连接，经由其将监测结果发布在因特网上。继续如图I所示，该监测子系统10、20具体又可以包括一个或多个光生物反应器 611 614、621 624、一个或多个叶绿素荧光探头111 114、121 124、光纤式氧测量仪 210、220等。其中，该光生物反应器611 614、621 624内培养有微藻。该叶绿素荧光探头111 114、121 124的一端分别与光生物反应器611 614、621 624对应连接， 另一端与数据采集器300的SDI-12通道相连接，用于测量光生物反应器611 614、621 624内部微藻的叶绿素突光参数。该叶绿素突光探头111 114、121 124具体可以为德国 WALZ公司提供的MONI-Head叶绿素荧光探头，该叶绿素荧光探头111 114、121 124的使用寿命可达15年。而光纤式氧测量仪210、220的一端分别与光生物反应器611 614、 621 624相连接，另一端与数据采集器300的RS 232通道相连接，用于测量光生物反应器 611 614、621 624内部藻液中的氧含量。该光纤式氧测量仪210、220则具体可以为德国PyroScience公司提供的Firesting O2光纤式氧测量仪。在本实施例中，光生物反应器611 614、621 624可以为平板式、圆柱式或管式光生物反应器，或者三角瓶、细胞培养瓶等透明容器。此外，该光生物反应器611 614、 621 624不仅可以为密闭式设计，也可以为开放式设计。图2为本发明一个实施例的用于室外监测密闭式光生物反应器中氧含量和微藻生理活性的系统的模块结构图。如图2所示，本实施例中的系统与图I所示的实施例中的系统相比，其主要结构类似。区别之一在于，本实施例中的数据采集器300采用太阳能供电系统700对整套系统的运转提供电力供应，而不是市电供电，这非常适合野外大规模生产时使用，能大大降低能耗。区别之二在于，本实施例中的系统还可以包括其他传感器800(例如温度传感器、 PH传感器等)。该/该些其他传感器800的一端分别与一个或多个光生物反应器611 614,621 624对应连接，另一端与数据采集器300相连接。其输入/输出信号可以为模拟信号，用于在监测叶绿素荧光参数和氧含量的同时，监测每个光生物反应器611 614、 621 624中的其他参数，具体可以包括藻液温度、pH值等参数的变化。图3为图I或图2中所示的本发明一个实施例的光纤式氧测量仪的模块结构图。 如图3所示，在此仅选取光纤式氧测量仪210作说明。该光纤式氧测量仪210可以通过一个或多个氧测量光纤211a 214a分别对应连接一个或多个氧测量传感器211b 214b,用来测量一个或多个光生物反应器611 614内部藻液中的氧含量。在本实施例中，该氧测量光纤211a 214a及其对应连接的氧测量传感器211b 214b的数目为4组，但是也可以少于4组，例如I组、2组或3组。该氧测量传感器211b 214b的使用寿命为2百万次测量，即如果每隔5分钟测量一次的话，可以连续工作达9年。图4为本发明一个实施例的用于监测平板式光生物反应器中的氧含量和微藻生理活性的装配结构示意图，而图5为图4中所示的本发明一个实施例的氧测量光纤和氧测量传感器的安装示意图。请结合图4和图5—起来理解下面的内容。如图4和图5所示， 该叶绿素荧光探头111垂直固定在例如平板式光生物反应器610的外壁630上并对准之， 然后透过器壁监测光生物反应器610内部藻液的叶绿素荧光参数。该光生物反应器610的器壁厚度可为6毫米以内。而氧测量传感器211b粘贴于光生物反应器610的内壁620上， 并将氧测量光纤211a固定在光生物反应器610的外壁上，并与其对应的氧测量传感器211b 垂直对准。这样就可以同步测量光生物反应器610内的氧含量和藻液的生理活性了。图6为本发明一个实施例的用于监测圆柱式或管式光生物反应器的结构示意图。 其安装方式与前述实施例类似，将氧测量传感器211b粘贴于圆柱式或管式光生物反应器 640的内壁上,氧测量光纤211a固定于圆柱式或管式光生物反应器640的外壁上,并垂直对准氧测量传感器211b，叶绿素荧光探头111也垂直对准光生物反应器640的外壁即可。这样就可以同步测量光生物反应器640内的氧含量和藻液的生理活性了。图7为本发明一个实施例的用于监测圆柱式光生物反应器中小球藻(Chlorella) 的叶绿素荧光和氧浓度的变化曲线图。在本实施例中，小球藻培养在圆柱式光生物反应器中，米用SE培养基培养,光照强度100 μ mol m 2S \ 12h : 12h光-暗循环。为了测试光强对小球藻叶绿素荧光和光合放氧的影响，首先关闭光生物反应器的光源，暗适应30min (分钟)。然后打开光生物反应器的光源，照射15min后关闭光源。可以看到打开光源后叶绿素荧光呈典型的荧光诱导曲线形状，而藻液中的氧浓度逐渐上升，说明在光的诱导下光合放氧逐渐加快。当光源关闭后，叶绿素荧光和氧浓度都呈下降趋势。在这种暗适应状态下经过 30min后，重新打开光源，可以看到随着光合作用的诱导，藻液中的氧浓度逐渐上升，表明光合放氧逐渐加快。打开光源后，给叶绿素荧光探头发布命令，让其每隔2min打开一个饱和脉冲，测量藻液的实际光合效率。经过约70min的照光后，藻液中的氧浓度和叶绿素荧光曲线都逐渐趋于稳定。通过本实施例可以看出，叶绿素荧光和氧含量的协同测量非常好地反应了样品光合作用的变化趋势，实现了同步监测氧含量和微藻生理活性。
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本发明采用的光纤式氧测量仪在工作时，只需将氧测量传感器粘贴于光生物反应器的内壁上，将氧测量光纤固定于光生物反应器的外壁上并垂直对准氧测量传感器即可， 不需要在光生物反应器上打孔，不会造成漏气。粘贴在光生物反应器内壁上的氧测量传感器可以与光生物反应器一起按常规方法灭菌，不存在插入式电极造成藻液染菌的可能性。本发明采用的叶绿素荧光探头在工作时只需垂直固定于光生物反应器的外壁上即可，也不需打孔，不会造成漏气和染菌。本发明可以连接的多个叶绿素荧光探头和光纤式氧测量仪，可以同时监测多个光生物反应器中氧含量的变化和藻液光合活性的变化，非常适合生产使用。本发明可以安装在任何类型的光生物反应器上，包括平板式、圆柱式、管式光生物反应器，或者三角瓶、细胞培养瓶等透明容器上，应用非常广泛，对光生物反应器没有特殊要求，只要透光且厚度在6毫米以内即可。本发明可以集成其它模拟信号传感器，如温度、pH等，兼容性强。本发明在室内可以采用市电，在室外可以采用太阳能供电，非常适合大规模培养使用，大大节省了能耗。本发明除了可以在电脑客户端显示外，还可以在Internet客户端显示，方便用户在任何能够连接网络的地方查看监测数据。本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。
权利要求
1.一种监测密闭式光生物反应器中氧含量和微藻生理活性的系统，其特征在于，包括一个或多个监测子系统，用于监测所述氧含量和所述微藻生理活性的数据；数据采集器，与一个或多个所述监测子系统相连接，用于采集所述监测子系统传送回来的数据信号；电脑客户端，与所述数据采集器相连接，用于显示监测结果。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，还包括Internet客户端，通过路由器与所述数据采集器相连接，用于将所述监测结果发布在因特网上。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述路由器支持DDNS服务。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述监测子系统包括一个或多个光生物反应器，其内培养有微藻；一个或多个叶绿素荧光探头，一端分别与一个或多个所述光生物反应器对应连接，另一端与所述数据采集器相连接，用于测量所述光生物反应器内部微藻的叶绿素荧光参数；光纤式氧测量仪，一端分别与一个或多个所述光生物反应器相连接，另一端与所述数据采集器相连接，用于测量所述光生物反应器内部藻液中的氧含量。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述光生物反应器包括平板式、圆柱式或管式光生物反应器，或者透明三角瓶、细胞培养瓶。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光生物反应器为密闭式设计或者开放式设计。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述光纤式氧测量仪通过一个或多个氧测量光纤分别对应连接一个或多个氧测量传感器，来测量一个或多个所述光生物反应器内部藻液中的所述氧含量。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述氧测量光纤及其对应连接的所述氧测量传感器的数目为I 4组。
9.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述数据采集器采用市电供电或者太阳能供电系统供电。
10.根据权利要求I或9所述的系统，其特征在于，还包括其他传感器，一端分别与一个或多个所述光生物反应器对应连接，另一端与所述数据采集器相连接，其输入/输出信号为模拟信号，用于在监测所述叶绿素荧光参数和所述氧含量的同时，监测所述光生物反应器中的其他参数。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述其他参数包括温度、pH值。
12.根据权利要求4或8所述的系统，其特征在于，所述叶绿素荧光探头垂直固定在所述光生物反应器的外壁上并对准之，透过器壁监测所述光生物反应器内部藻液的所述叶绿素荧光参数。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述光生物反应器的器壁厚度为6毫米以内。
14.根据权利要求4或8所述的系统，其特征在于，所述氧测量传感器粘贴于所述光生物反应器的内壁上。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述氧测量光纤固定在所述光生物反应器的外壁上，并与其对应的所述氧测量传感器垂直对准。
全文摘要
本发明提供一种监测密闭式光生物反应器中氧含量和微藻生理活性的系统，包括一个或多个监测子系统，用于监测氧含量和微藻生理活性的数据；数据采集器，与一个或多个监测子系统相连接，用于采集监测子系统传送回来的数据信号；电脑客户端，与数据采集器相连接，用于显示监测结果；Internet客户端，通过路由器与数据采集器相连接，用于将监测结果发布在因特网上。本发明既能够不插入光生物反应器内(非接触式)就能监测密闭式反应器中氧含量和叶绿素荧光参数的变化，又能够支持多通道同时测量，以此来同时监测多个光生物反应器内部微藻培养液的氧含量和微藻生理活性参数变化。
文档编号C12M1/00GK102604823SQ201210014379
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者吕中贤, 姜星, 毕昆, 王阳阳, 韩志国, 顾群 申请人:上海泽泉科技有限公司