一种集约化模式下的饵料微藻光生物反应器装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种集约化模式下的饵料微藻光生物反应器装置，所述的反应器装置设有反应桶、反应桶顶盖、LED线光源灯管组、环形充气装置和控制箱；所述的反应器顶盖盖在反应桶上；所述的LED灯管安装在反应桶外前后左右四个方向和反应桶内的透明玻璃管中；所述的环形充气装置固定在反应桶底部；所述的控制箱设有液晶显示屏和控制电路板。其优点表现在：低耗能、智能化、结构合理且操作简单，实现对饵料微藻培养环境的精确控制，快速培育出高浓度高质量的饵料微藻，实现反应器的远程监控，满足集约化水产养殖市场饵料微藻的生产需求。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种微藻生物【技术领域】，具体地说，是一种集约化模式下的饵料 微藻光生物反应器装置。 一种集约化模式下的饵料微藻光生物反应器装置
【背景技术】
[0002] 集约化水产养殖领域对饵料微藻有着巨大的需求，自然界的微藻无法大量直接收 集，开发微藻资源需要通过工程培养生产原料。目前，微藻规模化人工培养主要有开放池式 和封闭光生物反应器两种方式。
[0003] 开放式培养构建简单、成本低廉及操作简便，但开放式培养过程受光照、温度等 自然环境影响较大，并且易被真菌、原生动物和其他藻种污染，同时水分蒸发严重，二氧 化碳供给不足，这些因素都将导致细胞培养密度偏低、采收成本较高，该方式培养微藻无 法满足集约化水产养殖的饵料需求。
[0004] 密闭式光生物反应器培养条件稳定、可无菌操作、易进行高密度培养。开发密闭式 微藻光培养反应器依据的原则为：
[0005] 1.提高光照比表面积；
[0006] 2.加快的气体交换效率；
[0007] 3.选择适合的循环方式；
[0008] 4.改善光的传播途径、分配和质量；
[0009] 5.防治有害次生代谢的积累；
[0010] 6.较易实现培养条件的优化；
[0011] 7.尽量降低生产成本。
[0012] 密闭式光生物反应器有多种形式，如搅拌发酵罐式、管式和平板式、柱桶状气升 式、浮式薄膜袋等，微藻培养大多数结构为管道式和板式，并以管道式为主。目前，封闭式 光生物反应器正向精密化、规模化的方向发展，其中管道式光生物反应器发展最快，其结构 可调性强，可适应多种微藻的培养，应用最广泛。罐式和柱桶状反应器结构紧凑，便于清洁 及消毒，便于安装电气设备进行培养参数的监测和控制，是精密化可操控反应器的最佳形 式。
[0013] 在反应器设计方面关键因素之一是选择合适的光照方式，提高光能利用率，选用 适宜的材料并根据所培养藻类的特点确定反应器大小、形状及结构对提高光能利用率有很 大的影响，目前光反应器普遍使用透明材料，光照方式除采用合适的反应器放置角度提高 自然光线照射外，添加辅助光源以及进行分布式部署光源是提高光照度的主要方法和技 术，利用光纤维的光传递性与光分散系统相匹配作为内部光源的光生物反应器系统也在研 究中。另一个关键因素是选用合适的循环装置，其中气升式混合方式机械剪切作用小，并能 进行适度搅拌，使营养液、PH值中合液及其它添加溶液与菌液充分混合，并可提高二氧化碳 的均匀分布及微藻细胞的吸收利用，同时可防止溶氧量提高，预防有害次生代谢的积累，适 合多种类型的反应器。
[0014] 另外，关于微生物反应器如罐式、柱桶式封闭光生物反应器现有技术中，存在如下 缺陷：
[0015] 1.机械结构问题，系统的机械结构设计存在不合理，直接影响传感器和执行部件 的安装部署。
[0016] 目前封闭光生物反应器都采用单桶控制模式，每个反应桶有相应的控制系统，传 感器和执行部件的安装大都是从反应桶的顶端插入安装到反应桶内，这种安装方式使得电 气线路都采用上走线形式，线路布局杂乱繁琐，对微藻培养，反应桶的清洗、气体的桶内循 环流动都有很大的影响。
[0017] 2.光源空间部署，光的传播途径、分配和质量问题。
[0018] 无辅助光源的反应器，只采用外部自然光的模式，当微藻的生长密度较大，反应桶 中心区域的光照条件无法满足微藻正常生长的需要。
[0019] 采用内置光源作为辅助光源的设计方式，反应桶内部若安装部署单根灯管作为内 部光源，尽管系统通过控制内置光源达到了一定的光照控制效果，但是如果反应桶的直径 较大，单根灯管无法满足要求，当外界自然光强度不足时，这种结构的光源设计和部署不能 够满足微藻培养的光照要求。若采用内部多根灯管的设计方式又会使得反应桶内部的结构 太过复杂，影响桶内部培养液的循环流动。
[0020] 目前广泛使用的辅助光源，如金属卤素灯、冷白炽灯、日光灯等存在许多弊端。日 光灯，需两端固定，并需要高电压，并且光效低，灯管寿命短、易烧坏，更换维修困难。而使用 白炽灯则散热量大，会使反应桶温度快速升高，耗费能源，并且不是线光源。还有采用光纤 作为辅助光源的设计方式，虽然可以节省能源，提高光的利益效率，但光的收集装置安装和 部署都比较复杂，若采用太阳光作为光源同样受到天气和自然条件的影响，不能提供稳定 的光照条件，高光强、冷光、窄光谱、节能、可靠的光源是反应器辅助光源的最佳选择。
[0021] 3.参数测量和控制问题
[0022] 目前饵料微藻培养的光生物反应器过程培养参数主要采用51系列单片机系统和 可编程控制器系统进行测量和控制，采用51系列单片机系统开发周期长，温度、光照度、PH 值、溶氧等参数调控算法不易于实现，控制的准确度不高。采用可编程控制器进行参数测量 和控制开发周期短，控制精度高，但造价高，不利于大规模饵料微藻培养的推广使用。采用 嵌入式系统控制技术目前成为光生物反应器发展趋势，但仍处于起步阶段。
[0023] 4.远程监控问题
[0024] 目前进行饵料微藻培养的光生物反应器系统过程参数的测量和控制采用的多为 是单机控制技术，极少有多机控制，在多机控制中采用的是利用分布式系统进行有线通讯， 组网和布线复杂、可靠性低、监控距离有限。对于集约化模式下的渔业养殖对养殖产品的生 长周期、饲养条件、饲料管理严格，饵料微藻的需求也有严格的管理要求，微藻的培养过程 分为：延缓期、指数生长期、相对生长下降期、静止期和衰亡期，在集约化模式下，不但要对 单机微藻培养过程进行精确的控制，减少单机培养培养时间、提高单机饵料产量，确保饵料 微藻的培养在相对生长下降期期间进行收获，还要根据养殖场对养殖产品总体部署和培养 进程，进行多台饵料微藻培养反应器的调配部署、监控管理，根据养殖产品对饲料的需求量 动态调控微藻培养反应器运作台数和各个反应器中微藻生长过程，以便养殖场根据当前养 殖产品提供适量的饵料供应，避免盲目生产，造成饵料微藻生产的浪费或供应不足。
[0025] 随着当前无线网络通讯的迅猛发展和智能手机的广泛应用，远程监控应用也越来 越易于实现，并且成本低廉，特别是在集约化模式下水产养殖已进入实时远程监控全部养 殖过程阶段，实现了饵料动态合理的供给管理，而目前的微藻培养反应器未引入远程监控 的设计理念和技术应用，还无法与集约化模式下的实时监控系统进行连接，实现饵料微藻 的可调控培养管理。
[0026] 中国专利申请文献CN201310609742. X，申请日2013年11月27日，专利名称为一 种微藻规模培养的管道式光生物反应器，提供一种有效提高微藻的光能利用率，增加产率， 实现微藻快速、规模化、高密度培养的装置；中国专利申请文献CN201310506093. 0,申请日 2013年10月24日，专利名称为一种基于空心导光管的复合强化式微藻生物反应器，公开了 一种可以强化光传递、C02传质以及微藻细胞光生化反应强化耦合在一起的反应器。但是 关于微藻培养反应器中提供可靠的光源、合适循环装置、引入远程监控，多台反应器进行监 控的微生物反应器目前还未见报道。
【发明内容】
[0027] 本实用新型的目的是提供一种结构合理、操控简单、培养周期短、产率高，并具有 无线通讯功能，可无缝接入集约化水产养殖管理控制系统，进行远程多台反应器监控管理， 为集约化水产养殖提供饵料微藻的可调控培养，并且造价低、便于大规模推广、集约化模式 下的饵料微藻光生物反应器装置。
[0028] 为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：
[0029] -种集约化模式下的饵料微藻光生物反应器装置，所述的反应器装置设有反应 桶、反应桶顶盖、LED线光源灯管组、环形充气装置和控制箱；所述的反应桶侧壁设有营养 液输入口和pH值调节口，底部设有出液口；所述的反应器顶盖盖在反应桶上；所述反应器 顶盖上设有自动调节阀和充气装置导入口；所述的透明玻璃管固定在反应器顶盖的正中央 位置，下方安装有加热棒，从反应桶底部向桶内伸入安装有PH值传感器、温度传感器；所述 的LED灯管安装在反应桶外前后左右四个方向和反应桶内的透明玻璃管中；所述的环形充 气装置固定在反应桶底部，四周设有小孔，其中一个小孔通过充气管道与空气过滤器和充 气泵连接；所述的营养液管道，一端与蠕动泵连接，另一端与通过营养液输入口伸入反应桶 内；所述的PH管道一端与另一蠕动泵连接，另一端通过PH调节口伸入反应桶内；所述的控 制箱设有液晶显示屏和控制电路板。
[0030] 所述的反应桶圆柱体部分高度为0. 9米，半径0. 25米，底部突出部分高度为0. 1 米，有效容积为235L。
[0031] 所述的充气装置为环状。
[0032] 所述的蠕动泵为共有2个，充气泵1个。
[0033] 所述的反应桶和反应桶顶盖都采用透明的有机玻璃材质。
[0034] 所述的环形充气装置共有8个充气口。
[0035] 所述的LED灯管功率为25W，采用的是分级调控方式。
[0036] 本实用新型优点在于：
[0037] 1、结构合理、操控简单，微藻培养周期短、产率高，并具有无线通能。
[0038] 2、应用远程监控，成本低廉，实现了饵料动态合理的供给管理
[0039] 3、可无缝接入集约化水产养殖管理控制系统，进行远程多台反应器监控管理，为 集约化水产养殖提供饵料微藻的可调控培养。
[0040] 4、随着水产养殖业的快速发展，特别是集约化水产养殖市场的快速发展，对微藻 饵料的需求量不断增多，微藻饵料培养的基础设施就是光生物反应器，本发明设计出的低 耗能、智能化、结构合理且操作简单的光生物反应器系统，实现了对饵料微藻培养环境的精 确控制，可以快速培育出高浓度高质量的饵料微藻，并引入无线监控技术，可使用手机实现 对反应器的远程监控，能够满足集约化水产养殖市场对微藻饵料的生产需求，市场需求前 景良好。
【专利附图】
【附图说明】
[0041] 附图1是本实用新型的一种集约化模式下的饵料微藻光生物反应器装置结构示 意图。
[0042] 附图2是本实用新型的一种集约化模式下的饵料微藻光生物反应器装置中多参 数检测控制系统框图。
[0043] 附图3是本实用新型的一种集约化模式下的饵料微藻光生物反应器装置中基于 无线通讯网络的远程监控系统整体架构。
【具体实施方式】
[0044] 下面结合实施例并参照附图对本实用新型作进一步描述。
[0045] 附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：
[0046] 100.反应桶顶盖 101.透明玻璃管
[0047] 102.光照传感器 103.自动调压排气阀
[0048] 104.反应桶 105.营养液输入口
[0049] 106. pH调节口 107温度传感器
[0050] 108. pH传感器 109.控制箱
[0051] 110?液晶显示器 111.控制电路板
[0052] 112.移动平台 113.蠕动泵
[0053] 114.电气线路通道 115.营养液管道
[0054] 116.PH管道 117.环形充气装置
[0055] 118.排液口 119. LED线光源灯管组
[0056] 120.加热棒 121.充气泵
[0057] 122.空气过滤器 123充气管道·
[0058] 124.充气装置导入口
[0059] 实施例1
[0060] 请参照图1，图1是本实用新型的一种集约化模式下的饵料微藻光生物反应器装 置结构示意图。
[0061] 一种集约化模式下的饵料微藻光生物反应器装置，所述的反应器装置设有反应桶 104、反应桶顶盖100、LED线光源灯管组119、环形充气装置117和控制箱109 ;所述的反应 桶104圆柱体部分高度为0. 9米，半径为0. 25米，底部突出部分高度为0. 1米，有效容积为 235L，侧壁设有营养液输入口 105和pH值调节口 106,底部设有排液口 118,使菌液、水、营 养液从营养液输入口 105流入反应桶内，待菌液培养完成后通过排液口 118流出；所述的 反应桶顶盖100盖在反应桶104上，其反应桶顶盖100设有自动调节阀103和充气装置导 入口 124 ;所述的透明玻璃管101固定在反应桶顶盖100的正中央位置，下方安装有加热棒 120,需要时对菌液进行加热，从反应桶底部向桶内伸入设有PH值传感器108、温度传感器 107,便于传感器和调控执行部件合理部署；采用自然光与辅助光源相结合，辅助光源为内 置光源加外置光源的空间部署方式，反应桶104的内部中间位置固定放置一个LED线光源 灯管119,反应桶的外部支架上均匀放置四个LED线光源灯管119,采用分级调控方式控制 光照的精准度；所述的环形充气装置117固定在反应桶104底部，四周设有小孔，其中一个 小孔通过充气管道123与空气过滤器122和充气泵121建立连接；所述的营养液管道115， 一端与蠕动泵113建立连接，另一端与通过营养液输入口 105伸入反应桶104内；所述的PH 管道116 -端与另一蠕动泵（图中未标出)建立连接，另一端通过PH调节口 106伸入反应桶 104内；所述的控制箱109设有液晶显示屏110和控制电路板111，可进行反应器培养过程 参数的检测和控制；所述的控制箱109和反应桶104固定在带有轮子的移动平台112上。
[0062] 需要说明的是：所述的空气过滤器122用于过滤来自充气泵121的空气，所述的 蠕动泵113用于控制菌液流动的速度。四个LED线光源灯管组119也安装在移动平台112 上，并可调整与反应桶104之间的距离，对不同微藻的培养可选择合适的距离，也方便饵料 微藻培养装置的整体移动，除了光照度传感器102和内置LED线光源灯管组119采用的是 电气线路，其它电气线路都采用下走线形式，所述的反应桶104的下方设有一个电气线路 通道114,反应桶104各器件的电气线路都通过电气线路通道114与控制箱109连接，与目 前其它反应器系统直接通过反应桶顶端插入安装各传感器和各调控执行部件相比，电气线 路通道114的设计使得系统的多器件的安装部署更加合理和简便。
[0063] 在培养过程中通过充气泵121不断鼓入经过过滤的空气，由充气管道123从充 气装置导入口进入桶内的环形充气装置117进入菌液中，使整个桶内的液体循环流动，使 藻液中的营养物均勻分布，防止微藻贴壁生长，防止杂菌污染，并可以降低培养液中的溶氧 量，环形充气装置117也可与C0 2配气瓶连接进行C02补充，使C02均匀分布，有利于微藻细 胞的C0 2吸收利用。环形充气装置117还可以进行反应桶内的清洗消毒。
[0064] 设计采用了 25W的LED线光源灯管组119作为辅助光源，LED线光源发射光谱窄， 为冷光源，不仅能满足藻类光合作用对光照强度的要求，而且不被吸收的光谱大大减少， 能有效控制光热效应，减少了设备的冷却装置，降低了光损失，能量转化效率大大提高。 LED光源有多种光谱范围可供选择，并可以随意搭配组合得到多种光谱范围的线光源，适 用于不同微藻品种对于不同光谱范围光源的需求，使得该反应器适用于不同品种微藻培养 的光合作用，获得更好的光合效果。LED光源还具有使用寿命长、维护简单、无需高电压的特 点，反应器可用于无配电环境的渔业养殖场所。
[0065] 请参照图2,图2是本实用新型的一种集约化模式下的饵料微藻光生物反应器装 置中多参数检测控制系统框图
[0066] 所述的控制系统由配电系统、电源模块、微藻生长环境调控设备、反应桶环境调控 系统、隔离保护装置、微处理器、液晶显示、WIFI模块、无线路由器、移动监控终端、传感器数 据采集系统和环境数据采集设备。所述的配电系统设有电源模块，所述的电源模块分别与 微藻生长环境调控设备、反应桶环境调控系统、隔离保护装置、微处理器、传感器数据采集 系统建立连接。所述的微藻生长环境包括蠕动泵、加热棒、LED线光源灯管组和充气泵；所 述的微处理器包括pH、温度、光照、溶解氧和C0 2等多参数控制算法；所述的环境数据采集 设备包括pH传感器、温度传感器和光照传感器组；所述的液晶显示与微处理器的输出端相 连，所述的微处理器另一输出端经WIFI模块、无线路由器与移动控制终端建立连接；所述 的传感器数据采集系统的输入端与环境数据采集设备相连，输出端与与微处理器相连，将 环境数据采集设备检测到的信号输送至微处理器，微处理器对pH、温度、光照、溶解氧和C0 2 等参数进行处理计算，对数据进行计算后，将运算结果通过隔离保护装置输送至反应桶环 境调控系统中。所述的反应桶环境调控系统输出端与微藻生产环境调控设备相连，根据反 应桶环境调控系统传递的参数，使其微藻生长环境调控设备中执行对应的部件进行调控。 [0067] 需要说明的是：所述的环境数据采集设备中，pH传感器采集装置的pH值，温度传 感器采集装置的温度，光照传感器组采集装置的光照度；所述的微藻生长环境调控设备中， 有四种不同调控的方式，蠕动泵是调控菌液的流速，加热棒是调控菌液的温度，LED线光源 灯管组是调控菌液的光照，充气泵是调控菌液的循环流动，通过对光生物反应器光装置的 参数调整可实现间歇式、半连续式和连续培养操作。
[0068] 请参照图3,图3是本实用新型的一种集约化模式下的饵料微藻光生物反应器装 置中基于无线通讯网络的远程监控系统整体架构。
[0069] 所述的监控系统包括集约化水产养殖管理控制系统、GPRS、移动监控终端、WIFI 和光生物反应器数据采集和参数控制终端。所述的GPRS -端与集约化水产养殖管理控制 系统连接，另一端与光生物反应器数据采集和参数控制端连接；所述的移动监控终端一端 通过GPRS与集约化水产养殖管理控制系统连接，另一端通过WIFI与光生物反应器数据采 集和参数控制端连接。
[0070] 需要说明的是：引入基于GPRS和WIFI通讯协议的无线通讯技术，采用应用广泛 的安卓智能手机作为移动监控终端设备，实现现场查询反应器的检测数据和运行状况，并 实施控制；同时还实现了集约化水产养殖管理控制系统对多个反应器组成的光生物反应器 数据采集和参数控制端的远程监控和调度，使得饵料微藻培养的光生物反应器能无缝接入 远程的集约化水产养殖管理控制系统，根据养殖场对养殖产品总体部署和产品养殖进程， 进行多台饵料微藻培养反应器的调配部署、监控管理，根据养殖产品对饲料的需求量动态 调控微藻培养反应器运作台数和各个反应器中微藻生长过程，避免盲目生产，造成饵料微 藻生产的浪费或供应不足，提高了微藻培养的效率和集约化水产养殖管理系统的智能化水 平。
[0071] 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技 术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充 也应视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1. 一种集约化模式下的饵料微藻光生物反应器装置，其特征在于，所述的反应器装置 设有反应桶、反应桶顶盖、LED线光源灯管组、环形充气装置和控制箱；所述的反应桶侧壁 设有营养液输入口和pH值调节口，底部设有排液口；所述的反应器顶盖盖在反应桶上；所 述反应器顶盖上设有自动调节阀和充气装置导入口；所述的透明玻璃管固定在反应器顶盖 的正中央位置，下方装有加热棒，从反应桶底部向桶内伸入安装有PH值传感器、温度传感 器；所述的LED灯管安装在反应桶外前后左右四个方向和反应桶内的透明玻璃管中；所述 的环形充气装置固定在反应桶底部，四周设有小孔，其中一个小孔通过充气管道与空气过 滤器和充气泵建立连接；所述的营养液管道，一端与蠕动泵建立连接，另一端与通过营养液 输入口伸入反应桶内；所述的PH管一端与另一蠕动泵建立连接，另一端通过PH调节口伸入 反应桶内；所述的控制箱设有液晶显示屏和控制电路板。
2. 根据权利要求1所述的光生物反应器装置，其特征在于，所述的反应桶圆柱体部分 高度为〇. 9米，半径为0. 25米，底部突出部分高度为0. 1米，有效容积为235L。
3. 根据权利要求1所述的光生物反应器装置，其特征在于，所述的充气装置为环状。
4. 根据权利要求1所述的光生物反应器装置，其特征在于，所述的蠕动泵为共有2个， 充气泵1个。
5. 根据权利要求1所述的光生物反应器装置，其特征在于，所述的反应桶和反应桶顶 盖都采用透明的有机玻璃材质。
6. 根据权利要求1所述的光生物反应器装置，其特征在于，所述的环形充气装置共有8 个充气口。
7. 根据权利要求1所述的光生物反应器装置，其特征在于，所述的LED灯管功率为 25W，采用的是分级调控方式。
【文档编号】C12M1/04GK203904331SQ201420238455
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】陈明, 赵海乐, 周汝雁, 高阳, 冯国富, 郭庆娟 申请人:上海海洋大学