一种微藻培养优化控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种微藻培养优化控制系统，光生物反应器包括箱体以及与箱体外侧设置的LED灯组；所述箱体通过气体流量控制器、传感器单元与控制器连接；LED灯组与控制器连接；所述光生物反应器底部放置加热板和制冷板。其方法包括：设定时间与CO

【技术实现步骤摘要】
一种微藻培养优化控制系统及方法
本专利技术属于实验装置控制
，特别是涉及一种用于微藻培养环境因素优化控制系统及方法。
技术介绍
微藻是最低等的、自养的水生单细胞生物体。是自然界中光合效率最高、生长最为迅速的原始生物种类之一，其富含蛋白质、氨基酸、多糖、维生素、不饱和脂肪酸和色素等多种高附加值的生物物质。微藻可以作为生物质能源积累油脂，部分藻种如裂壶藻，细胞干重中的油脂含量可达50％～77％，提取后可转化为生物柴油。微藻还能够高效的去除水中的营养盐，因此可以把微藻作为污水处理厂的三级处理单元来进一步降低二级出水中的氮磷水平，深度净化污水。近年来微藻工业化培养逐渐兴起，特别是一些高附加值微藻的培养，如盐藻、螺旋藻、雨生红球等，但是国内大部分微藻培养还处于农业化阶段，即靠天吃饭的室外开放式散养，不利于微藻培养的可持续发展。目前大规模工业化微藻培养生物反应器检测和控制的参数主要有：温度、通气量、酸碱度、叶绿素荧光等，对于特殊的藻种或工艺，有时还要对藻体浓度、微生物代谢产物进行在线检测和实时控制。微藻培养光密度法是获取微藻生长状况的有效途径，通过电机及软管将培养液从生物反应器中抽取，并测量其照射光和反射光，算出的光密度可以准确快速的反应出微藻的生物量。微藻生长主要依赖光合作用，光照和二氧化碳都是光合作用的主要因素。光照时间长短和光照强度决定了微藻的光合效率，对微藻的生长速率亦有很大影响；CO2作为植物光合作用的底物，其浓度很大程度上决定微藻生长情况，然而过量通入CO2也会导致培养环境酸化，造成微藻大量死亡；所以在藻培养过程中进行CO2量、光照强度的优化控制是十分必要的，也是目前国内微藻培养行业亟待解决的关键技术难题。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种微藻培养优化控制系统及方法，用于实验室研究环境因素对微藻生长的影响，从而指导大规模工业化微藻培养。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种微藻培养优化控制系统，光生物反应器包括箱体以及与箱体外侧设置的LED灯组；所述箱体通过气体流量控制器、传感器单元与控制器连接；LED灯组与控制器连接；所述光生物反应器底部放置加热板和制冷板。所述气体流量控制器包括CO2流量控制器和空气流量控制器，分别用于向箱体内输送CO2和空气。所述传感器单元包括光密度检测装置、温度传感器和PH值传感器；温度传感器和PH值传感器设于箱体的水面以下。所述光密度检测装置包括激光器、透明容器和光强度探头；所述激光器的激光发射光路上依次设置透明容器和光强度探头；所述光强度探头与控制器连接。所述透明容器为活塞式柱状透明容器，底端连入水箱的水面以下，用于向容器内抽入培养液进行光密度检测。所述加热板和制冷板并列置于光生物反应器底面外。一种微藻培养优化控制系统，还包括位于箱体上方的补水泵、营养盐泵和碱泵，分别用于手动输入水、盐和碱。一种微藻培养优化控制方法，包括以下步骤：设定时间与CO2流量和LED光照强度的关系值；CO2流量控制器根据设定的CO2流量值控制向光生物反应器水箱内的CO2流量；空气流量控制器根据设定的CO2流量值倍数控制向光生物反应器水箱内的空气流量；LED控制器根据设定的LED光照强度值控制LED的亮度；当达到设定时间时采收微藻。所述设定时间与CO2流量和LED光照强度的关系值包括以下步骤：通过实验得到时间与光密度、CO2流量、LED光照强度的关系曲线；设定分界曲线；关系曲线与分界曲线的交点所对应的时间即为不同光密度、CO2流量、LED光照强度对应的设定时间。通过光密度检测装置采集的光密度与时间形成实际光密度与时间的关系曲线，得到该关系曲线与设定的理想曲线均达到设定光密度时的时间差；将设定时间与时间差求和得到实际采收时间用于采收微藻本专利技术具有以下有益效果及优点：1.本专利技术针对微藻培养系统具有的不确定性、时变、滞后等特性，通过建立在不同CO2通入浓度和光照强度条件下，最佳采收时间与光密度的关系数据模型，从而预测当前生产状态下的最佳采收时间，大幅提高光生物反应器的生产效率。2.本专利技术所提出了一种微藻培养优化控制系统，成功解决了我国市场上现有的光生物反应器系统的自动化程度不是很高，不能很好地满足微藻大规模生产的实际需求，从而无法实现微藻大规模产业化培养这一问题。3、本专利技术通过多组实验建立动态、静态数据模型，精确预测微藻培养最佳采收时间，大幅提高微藻培养过程的自动化水平，缩短微藻培养周期，增加微藻产量。4、本专利技术应用多种自动化控制技术，可以大大提高各项控制参数的精确度、缩短周期、提高产品产量，还可以减轻工人劳动强度，提高工作效率，增加经济效益。附图说明图1是本专利技术的优化控制系统总体设计框图；图2是本专利技术的CO2浓度和光照强度与光密度之间的动态数据模型图；图3是本专利技术的最佳采收时间与光密度的静态关系模型图；图4是本专利技术的实际生产应用过程图；图5是本专利技术的预测最佳采收时间原理图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术所述微藻培养优化控制系统总体设计围绕光生物反应器展开。如图1所示，光生物反应器大小为1.2m*0.3m，其底部正下方左右分别放置加热板与制冷板，通过PT100检测实时温度，控制方案为单闭环PID，加热与制冷不能同时开启，且当前温度与设定温度之间误差小于1℃时，加热与制冷同时关闭。光生物反应器左侧下部高0.3m处平行设置CO2与空气流量控制器,用于通入CO2与空气混合气体，为微藻光合作用提供必需的CO2，其通入量由控制器得出，通过流量控制器执行。光生物反应器正反两面均挂有一组LED灯组，每组4条灯带，用于提供微藻光合作用必需的光照强度，通过modbus协议与LED控制器通信设置其亮度；LED光照强度是通过控制器跟LED灯组通信设置其强度，从而使LED灯组电流变化来控制光照强度的。因此，通过实验得到LED灯组电流与光照强度的对应关系，再通过LED控制器根据设定的LED光照强度值控制LED灯组电流，进而控制LED的亮度。光生物反应器顶部开口处设三个泵，根据pH值及液面状态，进行人工补水、补营养盐和补碱操作；另有插入式pH检测仪和光密度检测仪。其中，光密度检测仪由激光器、透明容器(医用注射器)和光强度探头组成，通过控制器控制电机正转拉动注射器将生物反应器中溶液抽入透明容器进行测量，在透明容器一侧设置激光器，通过另一侧的光强探头检测其透射光密度，检测完成后电机反转将溶液释放回生物反应器。通过PLC采集温度、pH、光照强度、CO2和空气通入量、光密度等微藻培养过程中产生的数据，经由信号总线送至控制器中可得最优控制策略并通过控制信号总线发送给各个执行机构。其最优控制方法步骤为：1、建立输入CO2通入浓度和光照强度与输出光密度之间动态数据模型：针对于同一种微藻，在实验室环境下每次设定一个合理且不同的CO2通入浓度以及光照强度，并在微藻生长周期内长时间持续跟踪记录其光密度值。多次重复该实验，可得输入CO2通入浓度和光照强度与输出光密度之间的动态数据模型，即其中，CO2为CO2浓度，LED为日光灯组光照强度，OD为培养液光密度。如图2所示。微藻作为一种简单水生单细胞体，开始培养的短暂时间内，生物量并不明显增加，经过一段时间适应后微藻数目成倍增长，达到一定数量后，由于环境容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微藻培养优化控制系统，其特征在于：光生物反应器包括箱体以及与箱体外侧设置的LED灯组；所述箱体通过气体流量控制器、传感器单元与控制器连接；LED灯组与控制器连接；所述光生物反应器底部放置加热板和制冷板。

【技术特征摘要】
1.一种微藻培养优化控制系统，其特征在于：光生物反应器包括箱体以及与箱体外侧设置的LED灯组；所述箱体通过气体流量控制器、传感器单元与控制器连接；LED灯组与控制器连接；所述光生物反应器底部放置加热板和制冷板。2.根据权利要求1所述的一种微藻培养优化控制系统，其特征在于所述气体流量控制器包括CO2流量控制器和空气流量控制器，分别用于向箱体内输送CO2和空气。3.根据权利要求1所述的一种微藻培养优化控制系统，其特征在于所述传感器单元包括光密度检测装置、温度传感器和PH值传感器；温度传感器和PH值传感器设于箱体的水面以下。4.根据权利要求3所述的一种微藻培养优化控制系统，其特征在于所述光密度检测装置包括激光器、透明容器和光强度探头；所述激光器的激光发射光路上依次设置透明容器和光强度探头；所述光强度探头与控制器连接。5.根据权利要求4所述的一种微藻培养优化控制系统，其特征在于所述透明容器为活塞式柱状透明容器，底端连入水箱的水面以下，用于向容器内抽入培养液进行光密度检测。6.根据权利要求1所述的一种微藻培养优化控制系统，其特征在于所述加热板和制冷板并列置于光生物反应器底面外。7.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王卓，许子昂，赵大勇，李继龙，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21