CN109370899A - 一种自动化微藻复合光高效培养装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动化微藻复合光高效培养装置，属于藻类培养设备技术领域。该装置包括培养罐以及培养条件保障组件。所述培养罐包括罐体和盖板。培养条件保障组件包括底座、冷凝器散热风机、制冷压缩机、配电柜、控制机柜、冷凝器、设在盖板上的增气泵和防水补光灯、通过进回水管道与培养罐连接的回水蠕动泵和蒸发器储水罐。冷凝器、蒸发器储水罐、配电柜和制冷压缩机安装在底座上。防水补光灯包括白、蓝、红三色间隔均匀分布的螺旋灯珠或由白、蓝、红三色灯带呈三螺旋排布。本发明所提供的培养罐采用温度传感器和复合灯光进行补光处理，能有有效保证培养罐内温度和光照的均匀性。

Description

一种自动化微藻复合光高效培养装置

技术领域

本发明涉及一种自动化微藻复合光高效培养装置，属于藻类培养设备技术领域，可用来培养淡水或海水经济微藻，如盐藻、雨生红球藻、裸藻、微拟球藻、螺旋藻、小球藻、三角褐指藻等。

背景技术

在微藻培养过程中，其正常生产达到成熟，除了需要矿物质，还需要水、光照、温度、二氧化碳。目前，微藻的主要培养方式为人工自然培养和半自动化人工培养。

人工自然培养主要依靠自然环境的光照、温度培养。而半自动化人工培养是在采孢子季节把室内人工育成的苗种，装入器皿放到房间里，利用空调设定房间温度，利用人工照明补光，通过增加二氧化碳气泵补充二氧化碳。

人工自然培养的方式通常需要的时间较长，对环境的温度、水质依赖性较高，且通常最终的微藻质量一般，均匀性差，微藻生长较慢。半自动化人工培养自动化程度较低，需要人工频繁调整光照强度及补光时间、增补二氧化碳时间，且是采用整体房间作为载体，水温平均温度夏天会比设定温高一些(3-8度)，冬天会低一些(3-8度)，能耗也较高，同时补光灯是放在水外，能效也较低。人工自然培养和半自动化人工培养均存在自动化程度低等问题。

目前，在微藻的补光培养方面，大都采用分阶段的纯色光培养或诱导，例如，蓝光、红光等。申请人发现多种复合光混合培养对微藻的生长及诱导生产特定高值产物有明显的促进作用。在混合光诱导过程中，光的复合均匀性很重要。现有微藻培养设备的补光***，大多采用从顶部或侧部投射的方式，或者将单一颜色的灯管深入到培养罐中。这种方式仅能实现纯色光的补充，或者造成培养中明显分为多个不同补光区域，造成培养的不均匀性或操作过程过于繁琐的弊病。

发明内容

为解决现有的微藻培养中存在的自动化程度低、能耗高、对环境依赖度较高，以及单色补光，无法发挥混合光培养优势的技术问题，本发明提供了一种自动化微藻复合光高效培养装置，所采取的技术方案如下：

一种自动化微藻复合光高效培养装置，包括培养罐10以及保证培养罐10温度、光照和二氧化碳的培养条件保障组件。所述培养罐10包括上部设有进水口下部设有回水口的的罐体和盖板13；所述培养条件保障组件包括底座3、冷凝器散热风机15、制冷压缩机16、配电柜17、控制机柜1、冷凝器20、设在盖板13上的增气泵11和防水补光灯12、通过进回水管道与培养罐10连接的回水蠕动泵5和蒸发器储水罐21；所述培养罐10的出水口处设有温度传感器9；所述冷凝器20、蒸发器储水罐21、配电柜17和制冷压缩机16安装在底座3上，控制机柜1与制冷压缩机16、配电柜、冷凝器20、回水蠕动泵5、温度传感器9、防水补光灯12和增气泵11电性连接；所述防水补光灯12包括白、蓝、红三色间隔均匀分布的螺旋灯珠或由白、蓝、红三色灯带呈三螺旋排布。

优选地，所述防水补光灯12包括灯头100、透明罩管102、电路板103、防水堵头107以及与电路板103连接并间隔排列呈单螺旋结构的白灯珠104、蓝灯珠105和红灯珠106；灯头100、透明罩管102和防水堵头107组成成具有空腔的圆柱形灯体，电路板103和灯珠安装于空腔内；所述在圆柱形灯体上部设有灯管散热孔101。

更优选地，所述蓝灯珠、红灯珠和白灯珠的数量比例为：蓝灯珠：红灯珠：白灯珠＝1～5：1～5：3。

优选地，所述防水补光灯12内设有呈三螺旋缠绕分布的蓝色灯带、红色灯带和白色灯带，各灯带在灯头100部与电路板103连接；所述蓝色灯带、红色灯带和白色灯带的光强经电路板103由控制机柜1分别控制补光强度。

优选地，所述防水补光灯12平行培养罐10的轴向均匀分布于培养罐内。

优选地，所述培养罐10的回水口处设有过滤网8；回水口通过回水连接管6依次与排水阀19、截止阀18和回水蠕动泵5；回水蠕动泵5通过回水管与蒸发器储水罐21连接。

优选地，所述制冷压缩机16通过四通连接管I22经四通阀23与蒸发器连接；蒸发器通过四通连接管II24经四通阀23与制冷压缩机16连接。

优选地，所述冷凝器散热风机15安装于泠凝器20后侧。

优选地，所述控制机柜1通过连接管2与底座3固定连接。

更优选地，在所述连接管2的顶端设有连接管上座27，连接管上座27与控制机柜1底部的转动铰链25通过紧固螺栓26。

优选地，所述培养罐采用聚氨酯一次成型，出水口位于底部，进水口位于上部，并做防水处理。

优选地，所述进水管、回水管采用PVC管道；所述四通连接管I和四通连接管II为铜管。

优选地，培养罐与蒸发器储水罐之间设有循环水泵，并通过PVC管道相连。

优选地，所述增气泵为二氧化碳增气泵，为培养罐补给二氧化碳。

优选地，所述盖板为形状与罐体匹配的亚克力板。

优选地，所述控制机柜1内安装有7寸的触摸屏一体机，该触摸屏一体机内安装申请人自主开发的藻类培养罐控制***V1.03软件(已进行软件著作权登记，登记号：2018SR702035)，同时，匹配PLC***根据具体实验条件进行常规控制。

优选地，培养装置的进回水管连接处、温度传感器、补光灯等需进行防水处理的部位进行了防水处理。

优选地，配电柜内设有空气开关、电源、漏电保护器件。底座材质为钢结构材料，并作加固处理。

优选地，所述防水补光灯12内发光部件的螺旋分布的螺距与灯管的长度比例为：螺距：灯管长度＝1：10～200。

相对于现有技术，本发明获得的有益效果：

本发明提供的藻类培养装置，可在不过度依赖环境的情况下自动化培养微藻。设备上有一培养罐体，把待培养藻类及其他矿物质放到该培养罐里，通过压缩机制冷(加热)控制罐体里液体的温度，定时补充二氧化碳，定时开启补光，最终提供一个适宜培养微藻的环境。采用工业触摸彩屏，全触摸操作，每天最多支持30个时间段参数设定，程序及电路中有防故障，安全的应急机制，可以达到无人值守。

本发明所提供的微藻培养装置防水密封良好、结构合理、操控简单、控制精确，微藻培育良好、稳定安全，占用空间小等优点。

本发明的微藻培养装置较人工自然培养方式，不再过度依赖环境条件(温度、湿度、季节，天气状况)，最大限度的缩短了微藻营养的培养周期和提高了生产效率。

本发明所提供的微藻培养装置较半人工培养方式的自动化集成度更高，能耗更低，因为补光是入水式，光强、能效比更高，罐体内温度更均匀，占地面积小等优点。同时，在不改变整体结构的情况下放大培养容积，扩大器件功率方式可以增加培养量来满足不同客户需求。

本发明通过对所存放于培养罐里的藻类进行同步控温、液体蠕动循环、增二氧化碳、补光四个步骤进行培养，最低温度能够控制在16±1℃以内，垂直补光灯管灯珠20cm处光强≥10000lx，通过人机互动窗口设定相应目标值，每天可设定多达30个时间段的温度、增二氧化碳时间，补光时间设定。参数设定完并运行后***自动对制冷、加热、补光、补充二氧化碳的各个指令进行自动控制，显著提高了工作效率。

本发明通过程序控制执行机构的加热和制冷指令，得到较好的温度控制效果，制冷、加热无氟安全可靠，能效比优良；温度最低能够控制在16±1℃，最高30±1℃。

流动性直接决定着培养罐体内部相对温度均匀性的控制结果，因为在不流动下，会造成某一处温度较高，另一处温度较低现象，从而对被培养藻类造成一致性较差现象。本发明所述的蠕动水泵具有良好的循环性，通过不断的循环实现培养罐体内部良好的温度均匀性。

本发明所述一种藻类培养罐设备采用1套温度传感器，并配合程序应急处理控制，报警同时，根据规律间歇性的启动制冷、加热，最大限度保存好被培养的藻类。

在自动化控制上，由于采用了现有先进的工业触摸屏与PLC控制器并采用申请人自主研发的藻类培养罐控制***V1.03(该软件已做软件著作权登记，登记号：2018SR702035)实现集成控制，稳定性、操控性、安全性、扩展性、自动化等指标较分散式有了长足的提高。

该装置的补光灯管采用白红蓝三色灯珠按照特定比例均匀间隔排列呈单螺旋，或白红蓝三种单色LDE光带三螺旋的方式设置在补光灯的灯罩体内，能够形成由三种颜色组成的复合灯光。用于采用间隔单螺旋设施或三色三螺旋设置不同颜色的光在培养罐的不同深度均匀混合，有效地避免了灯光从顶部或侧壁照射所导致的光混不够均匀问题，从而实现三色复合灯光的混合培养。

附图说明

图1为本发明一种优选实施方式中培养装置的正视结构示意图。

图2为图1中B-B向局部剖视图。

图3为图2过滤网处局部放大示意图。

图4为图1的透视结构示意图。

图5为图4圆圈部的局部放大示意图。

图6为本发明一种优选实施方式中培养装置的俯视结构示意图。

图7为图6圆圈处的局部放大结构示意图。

图8为本发明一种优选实施方式中培养装置的仰视结构示意图。

图9为本发明一种优选实施方式中防水补光灯管的立体结构示意图。

图10为图9所示防水补光灯管的正视结构示意图。

1，控制机柜；2，连接管；3，底座；4，回水管道；5，回水蠕动泵；6，回水连接管；7，防水紧固件；8，过滤网；9，温度传感器；10，培养罐；11，增气泵；12，防水补光灯；13，盖板；14，进水管道；15，冷凝器散热风机；16，制冷压缩机；17，配电柜；18，截止阀；19，排水阀；20，冷凝器；21，蒸发器储水罐；22，四通连接管I；23，四通阀；24，四通连接管II；25，转动铰链；26，紧固螺丝；27，连接管上座；100，灯头；101，灯管散热孔；102，透明罩管；103，电路板；104，白灯珠；105，蓝灯珠；106，红灯珠；107，防水堵头。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

以下实施方式所用的材料、试剂、方法、仪器等，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法、仪器。本领域技术技术人员均可通过商业渠道获得。

以下实施例中，培养微藻为雨生红球藻，进行诱导生产虾青素。所用具体藻株为现有市售藻株，如雨生红球藻712藻株。

实施例1

图1为本发明一种优选实施方式中培养装置的正视结构示意图。图2为图1中B-B向局部剖视图。图3为图2过滤网处局部放大示意图。图4为图1的透视结构示意图。图5为图4圆圈部的局部放大示意图。图6为培养装置的俯视结构示意图。图7为图6圆圈处的局部放大结构示意图。图8为培养装置的仰视结构示意图。从图1-8可知，该培养装置包括一个圆柱形培养罐10，培养罐10的顶部安装有与其匹配的盖板13。盖板13的直径大于培养罐10的外径。在盖板13上设有用补充二氧化碳的增气泵11和用于补光的防水补光灯12。在培养罐10的上部设有进水口，下部设有出水口(回水口)。在进水口和出水口上均设有防水紧固件7，以防止培养液泄露。

在底部出水口设有用于测量和反馈温度信号的温度传感器以及钢制的过滤网8(图2和图3)。底部出水口通过防水紧固件7与排水阀19连接，排水阀19通过PVC回水管与截止阀18连接。截止阀18再通过PVC回水管与回水蠕动泵5连接。最后，回水蠕动泵5通过PVC回水管与蒸发器储水罐21连接。蒸发器储水罐21上部通过进水管道14与培养罐10的进水口连接，从而实现培养液的循环。

蒸发器储水罐21固定安装在钢制的底座3上。同时，在底座3上还安装有冷凝器20、制冷压缩机16、配电柜17和连接管2。在冷凝器20的后侧还安装有防止冷凝器20过热的冷凝器散热风机15(图6)。连接管2竖直安装，在连接管2的顶部设有连接管上座27。连接管上座27与控制机构1底部的转动铰链25通过紧固螺栓26活动连接。

控制机柜1的包括一个可编程7寸触摸屏一体机，该可编程7寸触摸屏一体机采用具有HMI(Human Machine Interface)界面编辑功能，全触摸操作和PLC控制***(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)功能，为一体的工业生产设计的一种数字运算操作的电子装置，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。该***内置申请人开发且已公开的藻类培养罐控制***V1.03，软件著作权的登记号为：2018SR702035。本领域技术人员在利用该***控制培养参数是仅需根据实际需求进行常规技术参数设置即可，无需对控制程序进行更改。

制冷压缩机16通过四通连接管I22经四通阀23与蒸发器连接，同时，蒸发器通过四通连接管II24经四通阀23与制冷压缩机16连接。四通阀23通过控制两个通路实现制冷和制热的切换。

控制机柜1与温度传感器9连接实时感知培养罐10里的液体温度，***运行时感知当前液体温度超出设定值后***控制制冷压缩机16启动及四通阀23的通断(制冷或加热)，回水蠕动泵5一直运行，增二氧化碳气泵11定时运行，防水补光灯12分组定时运行。控制机柜1内安装申请人自主研发的藻类培养罐控制***V1.03对防水补光灯12、回水蠕动泵5、增气泵11、温度传感器9、四通阀23、冷凝器20等保证培养罐10内温度、二氧化碳、培养液浓度、补光时间、补光强度等技术参数的机构进行控制，以保证微藻的正常生长发育。

图9为本发明一种优选实施方式中防水补光灯管的立体结构示意图。图10为图9所示防水补光灯管的正视结构示意图。从图9和图10可知，该防水补光灯12为长条圆柱形结构，中部为容纳发光部件的空腔。具体地，该防水补光灯12是由灯头100、透明罩管102、电路板103、白灯珠104、蓝灯珠105、红灯珠106以及防水堵头107组成。其中，灯头100、透明罩管102和防水堵头107形成空腔。电路板103和三种灯珠位于空腔内。防水补光灯12的放光部件由间隔均匀布置的白灯珠104、蓝灯珠105和红灯珠106呈单螺旋分布组成。其中，不同灯珠的比例为：蓝灯珠：红灯珠：白灯珠＝(1～5)：(1～5)：3。每个灯珠的发光强度相同。

为验证本发明微藻培养装置的效果，取刚收获的生长条件一致、品种一致的微藻(雨生红球藻，712藻株)，分为2组，每组3次重复，每次重复为10kg微藻，第一组采用人工自然培养方式，第二组采用半人工自然培养方式，第三组采用本发明所述的培养装置进行培养。其中，蓝灯珠：红灯珠：白灯珠＝2：5：3。统计3组微藻每10kg微藻平均培养时间、平均占用面积、平均能耗和培养后微藻平均质量，统计结果如表1所示。

表1自然培养、半自然培养以及本发明培养装置培养效果

从表1可知，利用本发明培养装置培养的微藻的培养周期相对于自然培养缩短了一半，同时，占地面积减小了86.7％。在能耗方面，相对于半自然培养方式，本发明的培养方法的能够降低了53.9％。

实施例2

在另一种优选实施方式中，防水补光灯12的放光部件采用三条长度相同的蓝色、红色和白色灯带。三条灯带呈三螺旋方式分布，螺距与灯管长度的比例为：螺距：灯管长度＝1:100。每条灯带均与电路板连接，并通过电路板与控制机柜1连接。控制机柜1可实现对每条灯带照射时间和强度的控制。

为进一步验证，申请人利用该微藻培养装置培养雨生红球藻712藻株，诱导生产虾青素。培养过程中选用MCM培养基，在20～25℃的条件下进行培养，光照强度为3000lx，使用的光源为白色光源，并且在进入到诱导虾青素积累阶段使用10000lx的白色、蓝色、红光及复合光光源强光刺激诱导。在微藻的培养阶段三色光的光强比例为：蓝色：红色：白色＝2：5：3；在虾青素积累阶段，三色光的光强比例为：蓝光：红光：白光＝5：2：3。结果显示，白光、蓝光、红光和复合光培养的虾青素产量分别为：4.58mg/L、65.63mg/L、9.02mg/L、89.32mg/L。后期，申请人进行了500L和5t的方法实验，经测定虾青素含量分别达到143.2mg/L和165.32mg/L。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种自动化微藻复合光高效培养装置，包括培养罐(10)以及保证培养罐(10)温度、光照和二氧化碳的培养条件保障组件，其特征在于，所述培养罐(10)包括上部设有进水口下部设有回水口的罐体和盖板(13)；所述培养条件保障组件包括底座(3)、冷凝器散热风机(15)、制冷压缩机(16)、配电柜(17)、控制机柜(1)、冷凝器(20)、设在盖板(13)上的增气泵(11)和防水补光灯(12)、通过进回水管道与培养罐(10)连接的回水蠕动泵(5)和蒸发器储水罐(21)；所述培养罐(10)的出水口处设有温度传感器(9)；所述冷凝器(20)、蒸发器储水罐(21)、配电柜(17)和制冷压缩机(16)安装在底座(3)上，控制机柜(1)与制冷压缩机(16)、配电柜、冷凝器(20)、回水蠕动泵(5)、温度传感器(9)、防水补光灯(12)和增气泵(11)电性连接；所述防水补光灯(12)包括白、蓝、红三色间隔均匀分布的螺旋灯珠或由白、蓝、红三色灯带呈三螺旋排布。

2.根据权利要求1所述的一种自动化微藻复合光高效培养装置，其特征在于，所述防水补光灯(12)包括灯头(100)、透明罩管(102)、电路板(103)、防水堵头(107)以及与电路板(103)连接并间隔排列呈单螺旋结构的白灯珠(104)、蓝灯珠(105)和红灯珠(106)；灯头(100)、透明罩管(102)和防水堵头(107)组成具有空腔的圆柱形灯体，电路板(103)和灯珠安装于空腔内；所述在圆柱形灯体上部设有灯管散热孔(101)。

3.根据权利要求2所述的一种自动化微藻复合光高效培养装置，其特征在于，所述蓝灯珠、红灯珠和白灯珠的数量比例为：蓝灯珠：红灯珠：白灯珠＝(1～5)：(1～5)：3。

4.根据权利要求1所述的一种自动化微藻复合光高效培养装置，其特征在于，所述防水补光灯(12)内设有呈三螺旋缠绕分布的蓝色灯带、红色灯带和白色灯带，各灯带在灯头(100)部与电路板(103)连接；所述蓝色灯带、红色灯带和白色灯带的光强经电路板(103)由控制机柜(1)分别控制补光强度。

5.根据权利要求1所述的一种自动化微藻复合光高效培养装置，其特征在于，所述防水补光灯(12)平行培养罐(10)的轴向均匀分布于培养罐内。

6.根据权利要求1所述的一种自动化微藻复合光高效培养装置，其特征在于，所述培养罐(10)的回水口处设有过滤网(8)；回水口通过回水连接管(6)依次与排水阀(19)、截止阀(18)和回水蠕动泵(5)；回水蠕动泵(5)通过回水管与蒸发器储水罐(21)连接。

7.根据权利要求1所述的一种自动化微藻复合光高效培养装置，其特征在于，所述制冷压缩机(16)通过四通连接管I(22)经四通阀(23)与蒸发器连接；蒸发器通过四通连接管II(24)经四通阀(23)与制冷压缩机(16)连接。

8.根据权利要求1所述的一种自动化微藻复合光高效培养装置，其特征在于，所述冷凝器散热风机(15)安装于冷凝器(20)后侧。

9.根据权利要求1所述的一种自动化微藻复合光高效培养装置，其特征在于，所述控制机柜(1)通过连接管(2)与底座(3)固定连接。

10.根据权利要求9所述的一种自动化微藻复合光高效培养装置，其特征在于，在所述连接管(2)的顶端设有连接管上座(27)，连接管上座(27)与控制机柜(1)底部的转动铰链(25)通过紧固螺栓(26)。