专利名称：管道气升式磁处理光生物反应器微藻生产系统及监控方法
技术领域：
本发明是管道气升式磁处理光生物反应器微藻生产系统及其监控方法，属生物工程技术领域，特别涉及微藻的生产设备与优化控制技术。
目前国内外的螺旋藻、小球藻、杜氏藻等微藻的养殖普遍采用开放式浅水道生产系统。尽管其操作比较简单，但其存在着如下不足(1)由于受系统外环境的影响，难于保持微藻养殖的最佳条件；(2)由于是开放式生产系统，会很易受到灰尘、昆虫、杂菌的污染，故难于实行高质量的纯种养殖；(3)由于是浅水道生产系统，水分容易蒸发，造成其盐度增加，使微藻生长速度缓慢；(4)由于此种养殖系统的光路较长，光照面积与体积之比较低，致使光能和CO2的利用率不高，无法实现高细胞密度生物养殖；(5)占地面积大、藻液浓度低、微藻产量低，如螺旋藻的产量仅为0.5g/L(细胞干重)左右，因此生产成本高、收获费用高。
本发明的目的是研究设计出一种新型高效的、可实现生产过程自动监测与控制、培养与收获一体化、可实现高细胞密度连续性生产的全封闭管道气升式循环磁处理光生物反应器微藻生产系统及其监控方法。将流体力场、光场与磁场等物理场有机结合，达到强化微藻生长过程的目的，并采用在线检测与计算机监控等新技术实现生产过程的优化控制，从而克服和解决现有微藻生产系统所存在的难于保持微藻养殖最佳条件、占地面积大、微藻产量低、成本高且无法实现高细胞密度生物养殖等缺点和问题。
本发明是通过下述结构技术方案和方法技术方案来实现的管道气升式循环磁处理光生物反应器微藻生产系统的结构组成示意图如
图1所示，它主要由管道气升式磁处理光生物反应器主体、加料装置、供气装置、收获装置及监控装置五部分构成，具体构成是它由带式输送机1、回转过滤机2、电泵3、空气压缩机4、通气管道5、空气过滤器6、取液管道7、总气流控制阀8、空气控制阀9、气体流量计10、CO2钢瓶11、气体流量计12、气升室13、恒定磁场可调装置14、CO2控制阀15、热交换器16、除气室(贮液罐)17、挡板18、溢出管19、温度传感器20、pH电极21、温度仪22、排气管23、pH测定仪2 4、溶解氧测定仪25、计算机26、光照度计27、O2电极28、浊度仪29、加液管30、浊度传感器31、液体流量计32、光强度控制装置33、测光探头34、萤光灯35、气降室(受光管道)36、蠕动泵37、加液控制阀38、新鲜培养液贮存罐39共同相互连接构成，其相互连接关系为将数支萤光灯35依次并列排列，再将气降室(受光管道)36围绕萤光灯35缠绕数圈，气降室36上端向上引出依次穿过恒定磁场可调装置14和热交换器16与除气室17相连接，除气室17中间安装挡板18，其正上方安装引出排气管23，其左右两侧安装引出溢出管19和加液管30，溢出管19装于除气室内略高于挡板18处，加溢管30安装于略高于溢出管19之处，在除气室17的左下部安装引出气升室13与通气管5相连接后再与气降室(受光管道)36相互连接构成整个光生物反应器的循环通路，在气升室13与气降室36的连接处安装引出取液管7，液体流量计32安装于恒定磁场可调装置14上下方与气降室36相连接，构成管道气升式磁处理光生物反应器主体；新鲜培养液贮存罐39通过加液控制阀38及管道与蠕动泵37相连接后，再通过管道与除气室17右上侧的加液管30相连接构成加料装置，CO2钢瓶11通过CO2控制阀15及管道与气体流量计12相连接，空气压缩机4通过空气过滤器6及空气控制阀9及管道与气体流量计10相连接；气体流量计10、12的引出管道并联连接后，再通过总气流控制阀8及管道与通气管道5相连接，这就构成了系统的供气装置；带式输送机1通过传送带与回转过滤机2相连接，再通过其贮液槽与溢出管19相连接构成系统的收获装置；温度传感器20、pH电极21、O2电极28、浊度传感器31依序置于除气室(贮液罐)17内的液面以下，再分别与温度仪22、pH测定仪24、溶解氧测定仪25、浊度仪29相连接，测光探头34置于气降室36中间外部朝向萤光灯35处并与光照度计27相连接，温度仪22、pH测定仪24、溶解氧测定仪25、光照度计27、浊度仪29均分别通过计算机的不同输入端口与计算机26相连接，空气控制阀9、CO2控制阀15、光强度控制装置33、加液控制阀38通过计算机的不同输出端。与计算机26相连接共同构成监测与控制部分。
本生产系统的计算机监控原理方框图如图2所示，其监控程序流程图如图3所示。其监控方法如下从设置于光生物反应器除气室17内的温度传感器20、pH电极21、O2电极28、浊度传感器31及设置于气降室36中的测光探头34中获取相应的各类参数的电信号，经A/D转换器40转换成数字信息通过串行接口输入计算机26以实现微藻参数的检测与处理。通过D/A转换器41将从计算机26输出的数字信号转化为模拟信号，再分别传送至空气控制阀9及CO2控制阀15来控制通气量的大小、CO2比例，从而控制藻液的pH值、循环速度、溶解氧浓度。然后通过PIO转换器45输出高低电压构成的各种信息并分别传送至新鲜培养液加液控制阀38来控制加进新鲜培养液的量多少，通过光强度控制装置33及收获电泵3控制微藻所受光强度大小、生物量浓度、收获速度，从而调控微藻的生长，实现微藻生产过程的在线优化监测与控制。其中光强度的控制是通过控制工作(点亮)萤光灯的支数来实现，藻液温度的控制是根据不同的藻种来保持最佳生长温度范围。由于微藻生长过程的信息获取与处理并不要求十分迅速，所以其控制程序可用BASIC语言按图3所示的计算机监控流程图进行编制，计算机26还可以把优化监控资料输送到监控显示器43进行实时显示和输送到打印机44进行打印。
本发明与现有技术相比有如下优点和有益效果(1)由于本微藻养殖系统引入磁场进行磁处理，利用生物的磁效应，可以显著提高微藻的生长速度、增加产量，并能改善如氨基酸、蛋白质、多糖等营养组成的含量；(2)由于采用管道气升连续循环方式，能产生稳定均匀的搅拌效果，可避免传统的机械搅拌造成的藻体损伤及能源浪费，且更有利于溶解氧的溢出，有利于藻细胞更充分地吸收营养成分及光能；(3)由于采用内部光照，使光能利用率明显增高，特别由于管道气升连续循环方式，藻液有规律地反复进入受光区造成一定的明暗效应，更有利于微藻的生长与代谢；(4)由于采用外部热交换装置，避免了直接加热造成藻液局部过热而导致微藻死亡；(5)采用在线检测与计算机控制技术来进行自动控制，调节微藻生长的各种主要因素——如温度、光照度、pH值、溶解氧、细胞浓度等，实现微藻生产过程连续性及高细胞密度生产的自动优化控制；(6)实现微藻养殖与收获一化；(7)采用全封闭生产系统，减少了水分蒸发、减少了污染物及外界环境条件变化造成的影响，有利于微藻的高效纯种培养；(8)采用管道式，可不受地理环境影响，并具有高的光照面积与培养体积之比，有利于高细胞密度培养；(9)将本系统的除气室加挡板间隔以兼作贮液罐，可解决管道式光生物反应器培养体积小的缺陷问题，使其更适合实际生产的需要；(10)本生产系统结构简单、能耗低、易于扩大生产。
下面对说明书附图进一步说明如下图1为管道气升式循环磁处理光生物反应器微藻生产系统的结构组成示意图，图2为本微藻生产系统的计算机监控原理框图，图3为其计算机监控程序流程图。
本发明的实施方式可为如下(1)可按图1、图2所示，设计、加工、制造或选购本生产及控制系统的各组成部件。主要部件如管道气升循环磁处理光生物反应器的气升室13可采用较细的透明玻璃管或塑料管制成；除气室17采用透明有机玻璃板用机加工方法加工制成；气降室36采用比气升室13较粗的透明玻璃管或塑料管制成；光源35采用日用荧光灯；恒定磁场可调装置14可采用可调电磁感应线圈或采用不同磁场强度的永久磁铁；热交换器16可采用实验室常用的控温水浴装置或其它通用控温装置；蠕动泵37可采用RDB--9型蠕动泵；空气压缩机4可采用永磁式ACO--777型；空气过滤器6可由活性类、玻璃丝等材料填制而成，回转过滤机表面材料可选如帆布等能让水分子透过的材料；计算机26可选用8098单片机；温度传感器20选用3TC--PT100型；pH电极21可选用E--201型复膜pH电极；溶氧电极28可采用DO--24型；浊度仪29及浊度传感器31可选用配套的LT300--LA型浊度仪；测光探头34可采用GK型光电传感器；A/D模数转换器40可选用AD7701型；D/A数模转换器41可选用AD667型12位D/A转换器；PIO转换器45可选用Z80--PIO型；(2)采用一般的机加工方法或制造现有光生物反应器的常规方法，加工制造本系统中的管道气升式磁处理光生物反应器的组成部件，然后按图1、图2所示，并按上面说明书所述的连接关系进行安装，便能较好地实现本微藻生产系统。然后按上面说明书所述的本生产系统的监控方法，并按图3所示的监控程序流程图编制软件程序，再结合上面说明书所述的本生产系统的作用原理和监控原理进行运行调试和试验，便能较好地实现本发明。
权利要求
1.一种包含有电泵、空气压缩机、通气管道、输液管道的管道气升式循环磁处理光生物反应器微藻生产系统，其特征在于它由管道气升式循环磁处理光生物反应器主体、加料装置、供气装置、收获装置及监控装置五部分连接构成，具体构成是它由带式输送机(1)、回转过滤机(2)、电泵(3)、空气压缩机(4)、通气管道(5)、空气过滤器(6)、取液管道(7)、总气流控制阀(8)、空气控制阀(9)、气体流量计(10)、CO2钢瓶瓶(11)、气体流量计(12)、气升室(13)、恒定磁场可调装置(14)、CO2控制阀(15)、热交换器(16)、除气室(贮液罐)(17)、挡板(18)、溢出管(19)、温度传感器(20)、pH电极(21)、温度仪(22)、排气管(23)、pH测定仪(24)、溶解氧测定仪(25)、计算机(26)、光照度计(27)、O2电极(28)、浊度仪(29)、加液管(30)、浊度传感器(31)、液体流量计(32)、光强度控制装置(33)、测光探头(34)、萤光灯(35)、气降室(受光管道)(36)、蠕动泵(37)、加液控制阀(38)、新鲜培养液贮存罐(39)共同相互连接构成，其相互连接关系为将数支萤光灯(35)依次并列排列，再将气降室(受光管道)(36)围绕萤光灯(35)缠绕数圈，气降室(36)上端向上引出依次穿过恒定磁场可调装置(14)和热交换器(16)与除气室(17)相连接，除气室(17)中间安装挡板(18)，其正上方安装引出排气管(23)，其左右两侧安装引出溢出管(19)和加液管(30)，溢出管(19)装于除气室内略高于挡板(18)处，加液管(30)安装位置略高于溢出管(19)，在除气室(17)的左下部安装引出气升室(13)与通气管(5)相连接后再与气降室(受光管道)(36)相连接构成整个光生物反应器的循环通路，在气升室(13)与气降室(36)的连接处安装引出取液管(7)，液体流量计(32)安装于恒定磁场可调装置(14)上下方与气降室(36)相连接，构成管道气升式磁处理光生物反应器主体，新鲜培养液贮存罐(39)通过加液控制阀(38)及管道与蠕动泵(37)相连接后，再通过管道与除气室(17)右上侧的加液管(30)相连接构成加料装置；CO2钢瓶(11)通过CO2控制阀(15)及管道与气体流量计(12)相连接，空气压缩机(4)通过空气过滤器(6)及空气控制阀(9)及管道与气体流量计(10)相连接；气体流量计(10)、(12)的引出管道并联连接后，再通过总气流控制阀(8)及管道与通气管(5)相连接，这就构成了系统的供气装置；带式输送机(1)通过传送带与回转过滤机(2)相连接后再通过其贮液槽与溢出管(19)相连接构成系统的收获装置；温度传感器(20)、pH电极(21)、O2电极(28)、浊度传感器(31)依序置于除气室(贮液罐)(17)内的液面以下，再分别与温度仪(22)、pH测定仪(24)、溶解氧测定仪(25)、浊度仪(29)相连接，测光探头(34)置于气降室(36)中间外部朝向荧光灯(35)处并与光照度计(27)相连接，温度仪(22)、pH测定仪(24)、溶解氧测定仪(25)、光照度计(27)、浊度仪(29)均分别通过计算机的不同输入端口与计算机(26)相连接。空气控制阀(9)、CO2控制阀(15)、光照度控制装置(33)、加液控制阀(38)通过计算机的不同输出端口与计算机(26)相连接共同构成监测与控制部分。
2.一种包含有电泵、空气压缩机、通气管道、输液管道的管道气升升式磁处理光生物反应器微藻生产系统的监控方法，其特征在于从设置于光生物反应器除气室(17)内的温度传感器(20)、pH电极(21)、O2电极(28)、浊度传感器(31)及设置于气降室(36)中的测光探头(34)中获取相应的各种参数的电信号，经A/D转换器(40)转换成数字信息，通过串行接口输入计算机(26)以实现微藻参数的检测与处理，通过D/A转换器(41)将从计算机(26)输出的数字信号转化为模拟信号，再分别传送至空气控制阀(9)及CO2控制阀(15)来控制通气量的大小、CO2所占比例，从而控制藻液的pH值、循环速度、溶解氧浓度。然后通过PIO转换器(45)输出高低电压构成的各种信息分别传送至新鲜培养液加液控制阀(38)来控制加进新鲜培养液的量多少，通过光强度控制装置(33)及收获电泵(3)控制微藻所受光强度大小、生物量浓度、收获速度，从而调控微藻的生长，实现微藻生产过程的在线优化监测与控制，其中光强度的控制是通过控制工作(点亮)荧光灯的支数来实现，藻液温度的控制是根据不同藻种来保持在最佳生长温度范围。
全文摘要
本发明是管道气升式磁处理光生物反应器微藻生产系统及其监控方法,它由光生物反应器主体、加料装置、供气装置、收获装置及监控装置通过管道或信号相互连接构成;其监控方法为从装置于光生物反应器的相应传感器、电极、探头获取各种参数信号经转换器转换成数字信号,再输入计算机以实现微藻养殖参数的检测和处理,再通过计算机输出的模拟信号控制各参数值,从而控制微藻的生长速度和产量,实现微藻生产的在线优化检测与控制。本发明可显著提高微藻生长速度,增加产量,减少污染,结构简单,能耗低,成本低。
文档编号C12M1/00GK1187535SQ97114340
公开日1998年7月15日 申请日期1997年12月31日 优先权日1997年12月31日
发明者郭祀远, 李志勇, 李琳, 蔡妙颜, 肖凯军, 郑必胜 申请人:华南理工大学