CN102533538B - 用于光生物反应器的曝气控制*** - Google Patents

用于光生物反应器的曝气控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于光生物反应器的曝气控制***，包括：光照度传感器，用于测量光生物反应器周围环境的光线强度；浊度传感器，用于测量光生物反应器中的光生物的浓度；供气装置，所述供气装置用于向光生物反应器中供应曝气气体；控制器，所述控制器根据光照度传感器所测量到的光线强度和浊度传感器所测量到的光生物的浓度来调节所述供气装置的供气流量。因此，本发明能够根据光强和藻液浓度，调整曝气量。光强时曝气量大，加大搅拌速率，光弱时曝气量小，降低搅拌速率；同样，当藻液浓度高时，调大曝气量，浓度低时调小曝气量，从而使曝气搅拌强度一直处于微藻生长的最佳搅拌强度。因此，本发明在提高微藻产量的同时减少曝气能耗，降低生产成本。

Description

用于光生物反应器的曝气控制***
技术领域
本发明涉及一种用于光生物反应器的曝气控制***。
背景技术
微藻能有效利用光能、二氧化碳、水和无机盐合成蛋白质、脂肪、碳水化合物以及高附加值生物活性物质，藻类因具有极高的光及营养利用效率表现出比高等植物更强的生长潜力，因此微藻的培养受到广泛重视。
目前，微藻的大规模工业化生产多采用开放池式，这种生产模式存在生产不稳定、容易受污染，微藻受光不均，光能利用率不高，培养效率低等问题。因而制约了微藻生产及微藻类生物技术产业的发展。近年来国内外学者针对这方面问题进行了一系列的研究，尤其是利用光反应器高效培养微藻的研究取得了一定的成果。目前具有代表性的光生物反应器主要有以下几种：管道式反应器、板式反应器、柱式反应器等。这些反应器在优化控制、提高产出方面展示了良好的发展前景，但它们在实践应用中也存在一些问题，如光能利用率低，气体交换不畅等，尤其是目前光生物反应器制造成本高，养殖阶段能耗高、成本高已成为制约光反应器发展的主要问题。
目前，在板式反应器和柱式反应器***中，通常采用曝气搅拌的方法，曝气装置通过产生的小气泡与周围藻液的密度差，促使气泡上浮以及藻液下降，由此环状浅水池内产生无数个气液上下循环流动，使微藻均匀受光，提高光利用率，而气泡的上浮强化了藻液中溶氧的解吸，氧气被气泡带至液面而释放，并且二氧化碳气体经曝气后也同时溶解在藻液中，为微藻的生长提供碳源。但这种方式需要大量的压缩空气，能耗很高，不利于微藻的大规模生产。同时，曝气搅拌的强度过高和过低都不利有微藻的生长。
发明内容
本发明提供一种用于光生物反应器的曝气控制***，其能够根据光强和藻液浓度，调整曝气量。光强时曝气量大，加大搅拌速率，光弱时曝气量小，降低搅拌速率；同样，当藻液浓度高时，调大曝气量，浓度低时调小曝气量，从而使曝气搅拌强度一直处于微藻生长的最佳搅拌强度。因此，本发明在提高微藻产量的同时减少曝气能耗，降低生产成本。
根据本发明的一个方面，提供一种用于光生物反应器的曝气控制***，包括：光照度传感器，用于测量光生物反应器周围环境的光线强度；浊度传感器，用于测量光生物反应器中的光生物的浓度；供气装置，所述供气装置用于向光生物反应器中供应曝气气体；控制器，所述控制器根据光照度传感器所测量到的光线强度和或浊度传感器所测量到的光生物的浓度来调节所述供气装置的供气流量。
在本发明的一个优选实施例中，所述曝气控制***还包括：流量传感器，所述流量传感器用于检测所述供气装置的供气流量，其中，所述控制器根据流量传感器的流量反馈信号对所述供气装置的供气流量进行闭环控制。
在本发明的另一个优选实施例中，所述控制器为单片机或计算机。
在本发明的另一个优选实施例中，所述供气装置为具有变频器的风机，通过改变变频器的频率来改变风机转速，从而调节供气流量。
在本发明的另一个优选实施例中，当光照度传感器测量到的光线强度大于1200μmol/m2/s时，所述控制器控制供气装置以预定的最大供气流量连续地供气。
在本发明的另一个优选实施例中，当光照度传感器测量到的光线强度大于800μmol/m2/s时，且当浊度传感器测量到的光生物的浓度OD值大于8时，所述控制器控制供气装置以预定的最大供气流量连续地供气。
在本发明的另一个优选实施例中，当光照度传感器测量到的光线强度在20μmol/m2/s至1200μmol/m2/s的范围时，且当浊度传感器测量到的光生物的浓度OD值小于8时，所述控制器控制供气装置以预定的对应供气流量连续地供气。
在本发明的另一个优选实施例中，当光照度传感器测量到的光线强度小于20μmol/m2/s时，所述控制器控制供气装置以预定的最小供气流量间歇地供气。
在本发明的另一个优选实施例中，所述预定的最大供气流量＝以米为单位的光生物反应器的长度×15升/分钟。
在本发明的另一个优选实施例中，所述预定的中间供气流量在以米为单位的光生物反应器的长度×5升/分钟至以米为单位的光生物反应器的长度×15升/分钟的范围内。
在本发明的另一个优选实施例中，所述预定的最小供气流量小于以米为单位的光生物反应器的长度×5升/分钟。
在本发明的另一个优选实施例中，当光照度传感器测量到的光线强度小于20μmol/m2/s时，所述控制器控制供气装置以每隔30分钟供气2分钟的间歇方式供气。
本发明能够实时检测光照强度和藻液浓度，调整曝气流量，使曝气搅拌强度一直处于微藻生长的最佳搅拌强度，因此，本发明在提高微藻产量的同时减少曝气能耗，降低生产成本。
附图说明
图1显示根据本发明的一个优选实施例的曝气控制***的原理框图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
图1显示根据本发明的一个优选实施例的曝气控制***的原理框图。本发明的曝气控制***用于调节光生物反应器中的曝气装置的曝气流量。
如图1所示，在本发明的第一优选实施例中，该曝气控制***主要包括：光照度传感器、浊度传感器、供气装置和控制器。
如图1所示，在本发明的一个优选实施例中，光照度传感器在光生物反应器旁边，用于测量光生物反应器周围环境的光线强度，并将测量到的光线强度信号传送给控制器。
如图1所示，在本发明的一个优选实施例中，浊度传感器设置在光生物反应器中，用于测量光生物反应器中的光生物(例如微藻)的浓度，并将测量到的光生物浓度信号传送给控制器。
在图1所示的一个优选实施例中，供气装置与光生物反应器中的曝气装置气体连通，用于向光生物反应器中供应曝气气体。
在图1所示的一个优选实施例中，控制器根据光照度传感器所测量到的光线强度和浊度传感器所测量到的光生物的浓度来调节供气装置的供气流量。
在本发明的一个优选实施例中，当光照度传感器测量到的光线强度大于1200μmol/m2/s、控制器控制供气装置以预定的最大供气流量连续地供气。在本发明的一个优选实施例中，预定的最大供气流量＝以米为单位的光生物反应器的长度×15升/分钟。例如，当光生物反应器的长度为10米，那么预定的最大供气流量就等于150升/分钟。
在本发明的一个优选实施例中，当光照度传感器测量到的光线强度在大于800μmol/m2/s、且浊度传感器测量到的光生物的浓度OD值大于8时，控制器控制供气装置以预定的最大供气流量连续地供气。在本发明的一个优选实施例中，预定的最大供气流量＝以米为单位的光生物反应器的长度×15升/分钟。例如，当光生物反应器的长度为10米，那么预定的最大供气流量就等于150升/分钟。
在本发明的一个优选实施例中，当光照度传感器测量到的光线强度在20μmol/m2/s至1200μmol/m2/s的范围、且浊度传感器测量到的光生物的浓度OD值不大于8时，控制器控制供气装置以预定的中间供气流量连续地供气。在本发明的一个优选实施例中，预定的中间供气流量在以米为单位的光生物反应器的长度×5升/分钟至以米为单位的光生物反应器的长度×15升/分钟的范围内。例如，当光生物反应器的长度为10米，那么预定的中间供气流量在50升/分钟至150升/分钟的范围内。
在本发明的一个优选实施例中，当光照度传感器测量到的光线强度小于20μmol/m2/s时，控制器控制供气装置以每隔30分钟供气2分钟的间歇方式供气。
如图1所示，在本发明的一个优选实施例中，曝气控制***还包括流量传感器。该流量传感器安装在供气装置的出口管路上，用于检测所述供气装置的供气流量，并将检测到的供气流量信号传送给控制器。这样，控制器就能够根据流量传感器的流量反馈信号对供气装置的供气流量进行精确的闭环控制，从而有利于提高流量控制的精度。但是，需要说明的是，流量传感器不是必须的，本发明的曝气控制***也可以采用开环控制结构。
在本发明的一个优选实施例中，控制器可以为单片机、个人计算机、工控机、嵌入式处理器等具有数据处理和分析能力的电子装置。
在本发明的一个优选实施例中，供气装置可以为具有变频器的风机，通过改变变频器的频率来改变风机转速，从而调节供气流量。
在本发明的另一个优选实施例中，供气装置可以为具有电气比例调节阀，通过控制电气比例调节阀，来调节供气流量。
需要说明的是，尽管图1所示的曝气控制***同时包括光照度传感器和浊度传感器，但是，本发明不局限于此，曝气控制***也可以仅包括光照度传感器和浊度传感器中的一种。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。
虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (7)

1.一种用于光生物反应器的曝气控制***，包括：
光照度传感器，用于测量光生物反应器周围环境的光线强度；
供气装置，所述供气装置用于向光生物反应器中供应曝气气体；和
控制器，所述控制器根据光照度传感器所测量到的光线强度来调节所述供气装置的供气流量；且当光照度传感器测量到的光线强度大于1200μmol/m2/s时，所述控制器控制供气装置以预定的最大供气流量连续地供气，当光照度传感器测量到的光线强度小于20μmol/m2/s时，所述控制器控制供气装置以预定的最小供气流量间歇地供气；所述预定的最大供气流量＝以米为单位的光生物反应器的长度×15升/分钟，所述预定的最小供气流量小于以米为单位的光生物反应器的长度×5升/分钟。
2.一种用于光生物反应器的曝气控制***，包括：
浊度传感器，用于测量光生物反应器中的光生物的浓度；
供气装置，所述供气装置用于向光生物反应器中供应曝气气体；和
控制器，所述控制器根据浊度传感器所测量到的光生物的浓度来调节所述供气装置的供气流量；且当浊度传感器测量到的光生物的浓度OD值大于8时，所述控制器控制供气装置以预定的最大供气流量连续地供气；所述预定的最大供气流量＝以米为单位的光生物反应器的长度×15升/分钟。
3.一种用于光生物反应器的曝气控制***，包括：
光照度传感器，用于测量光生物反应器周围环境的光线强度；
浊度传感器，用于测量光生物反应器中的光生物的浓度；
供气装置，所述供气装置用于向光生物反应器中供应曝气气体；和
控制器，所述控制器根据光照度传感器所测量到的光线强度和浊度传感器所测量到的光生物的浓度来调节所述供气装置的供气流量；且当光照度传感器测量到的光线强度大于800μmol/m2/s、且浊度传感器测量到的光生物的浓度OD值大于8时，所述控制器控制供气装置以预定的最大供气流量连续地供气，当光照度传感器测量到的光线强度在20μmol/m2/s至1200μmol/m2/s的范围、且浊度传感器测量到的光生物的浓度OD值不大于8时，所述控制器控制供气装置以预定的对应区间供气流量连续地供气，当光照度传感器测量到的光线强度小于20μmol/m2/s时，所述控制器控制供气装置以预定的最小供气流量间歇地供气；所述预定的最大供气流量＝以米为单位的光生物反应器的长度×15升/分钟，所述预定的最小供气流量小于以米为单位的光生物反应器的长度×5升/分钟，所述预定的对应区间供气流量在以米为单位的光生物反应器的长度×5升/分钟至以米为单位的光生物反应器的长度×15升/分钟的范围内。
4.根据权利要求1、2或3所述的曝气控制***，还包括：
流量传感器，所述流量传感器用于检测所述供气装置的供气流量，
其中，所述控制器根据流量传感器的流量反馈信号对所述供气装置的供气流量进行闭环控制。
5.根据权利要求4所述的曝气控制***，其特征在于：所述控制器为单片机或计算机。
6.根据权利要求4所述的曝气控制***，其特征在于：所述供气装置为具有变频器的风机，通过改变变频器的频率来改变风机转速，从而调节供气流量。
7.根据权利要求1所述的曝气控制***，其特征在于：
当光照度传感器测量到的光线强度小于20μmol/m2/s时，所述控制器控制供气装置以每隔30分钟供气2分钟的间歇方式供气。
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