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1、(10)申请公布号 CN 103031249 A (43)申请公布日 2013.04.10 CN 103031249 A *CN103031249A* (21)申请号 201210530438.1 (22)申请日 2012.12.10 C12M 1/38(2006.01) C12M 1/36(2006.01) C12M 1/34(2006.01) C12M 1/02(2006.01) (71)申请人 北京农业智能装备技术研究中心 地址 100097 北京市海淀区曙光花园中路 11 号农科大厦 A 座 221 (72)发明人 李斌 黄文倩 王庆艳 (74)专利代理机构 北京路浩知识产权代理有限 。
2、公司 11002 代理人 王莹 (54) 发明名称 生物微藻反应容器参数监测及调控系统 (57) 摘要 本发明涉及生物微藻养殖技术领域， 具体涉 及一种生物微藻反应容器参数监测及调控系统。 该监测及调控系统， 包括分别与反应容器连接的 环境监测单元以及浓度监测单元、 与所述环境监 测单元连接的环境调控模块以及与所述浓度监测 单元连接的浓度调控模块 ； 本发明通过利用环境 监测单元实时监测生物微藻生长环境变化信息， 并通过环境调控模块对生物微藻生长环境进行调 控 ； 通过利用浓度监测单元实时监测生物微藻浓 度信息， 并通过浓度调控模块调控反应容器中生 物微藻浓度 ； 使得反应容器内的生物微藻处于。
3、最 佳生长环境和繁殖浓度， 保持良好的营养供给和 高效的繁殖效率， 从而为大规模的生物微藻养殖 以及高效生产提供技术支持。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 1/1 页 2 1. 一种生物微藻反应容器参数监测及调控系统， 其特征在于， 包括分别与反应容器连 接的环境监测单元以及浓度监测单元、 与所述环境监测单元连接的环境调控模块以及与所 述浓度监测单元连接的浓度调控模块 ； 所述环境调控模块根据环境监测单元实时监测到的 环境变化信息调控生物微藻生。
4、长环境 ； 所述浓度调控模块根据浓度监测单元实时监测到的 生物微藻浓度信息调控反应容器中生物微藻浓度。 2. 根据权利要求 1 所述的监测及调控系统， 其特征在于， 所述环境监测单元包括设置 于反应容器内并分别与所述环境调控模块连接的温度传感器、 光强传感器以及 CO2浓度传 感器。 3.根据权利要求1或2所述的监测及调控系统， 其特征在于， 所述环境调控模块包括与 所述环境监测单元连接的第一控制单元、 分别与所述第一控制单元连接的温度调节单元、 光强调节单元以及 CO2浓度调节单元。 4. 根据权利要求 3 所述的监测及调控系统， 其特征在于， 所述温度调节单元包括罩在 反应容器外部的保温玻。
5、璃箱以及设置于所述保温玻璃箱内、 反应容器外并与所述第一控制 单元连接的空调。 5. 根据权利要求 1 所述的监测及调控系统， 其特征在于， 所述浓度监测单元包括与所 述浓度调控模块连接的光谱测试仪。 6. 根据权利要求 1 或 5 所述的监测及调控系统， 其特征在于， 反应容器为柱体， 其外壁 上套设有垂直于所述反应容器轴线的固定环， 所述光谱测试仪的发射端和接收端分别固定 于所述固定环一条直径的两端。 7.根据权利要求1或5所述的监测及调控系统， 其特征在于， 所述浓度调控模块包括与 所述浓度监测单元连接的第二控制单元以及与所述第二控制单元连接的浓度调节单元 ； 所 述第二控制单元根据浓度。
6、监测单元实时监测到的生物微藻浓度信息控制浓度调节单元对 反应容器中生物微藻浓度进行调控。 8. 根据权利要求 7 所述的监测及调控系统， 其特征在于， 所述浓度调节单元包括分别 与反应容器连接的生物微藻排出装置以及营养液注入装置 ； 所述生物微藻排出装置以及营 养液注入装置分别与所述第二控制单元连接。 9. 根据权利要求 8 所述的监测及调控系统， 其特征在于， 所述第二控制单元包括与所 述浓度监测单元连接的计算机以及与所述计算机连接的数据控制设备， 所述数据控制设备 分别与所述生物微藻排出装置以及营养液注入装置连接。 10. 根据权利要求 1-2、 4-5、 8-9 任意一项所述的监测及调控。
7、系统， 其特征在于， 还包括 电磁搅拌器， 所述电磁搅拌器的主体设置于反应容器底部， 所述电磁搅拌器的转子在磁力 的作用下悬浮在反应容器内。 权 利 要 求 书 CN 103031249 A 2 1/5 页 3 生物微藻反应容器参数监测及调控系统 技术领域 0001 本发明涉及生物微藻养殖技术领域， 具体涉及一种生物微藻反应容器参数监测及 调控系统。 背景技术 0002 生物微藻是一种个体较小的单细胞或群体自养型低等植物， 种类繁多， 目前有约 2 万余种， 广泛分布于温带至热带的淡水池塘及湖泊水域。生物微藻生长的适应性强， 海水、 淡水都可以养殖， 生物微藻农场可设于任何地点， 可以在盐碱地。
8、、 粘土地、 滩涂以及浅海、 湖 泊养殖， 不与粮争地， 不与人争粮。 繁殖迅速， 具有生物量大、 生长周期短、 易培养等优点， 据 估计， 生物微藻生物质产量可达到陆地植物的300倍。 太阳能转化效率约3.5%， 比一般植物 要高， 葡萄藻直接产生的碳氢化合物可达到其干重的 75%， 化学成分接近柴油。生物微藻制 油技术已经被很多国家高度关注， 生物微藻制油的原理是利用生物微藻光合作用， 将化工 生产过程中产生的二氧化碳转化为生物微藻自身的生物物质从而固定了碳元素， 再通过诱 导反应使生物微藻自身的碳物质转化为油脂， 然后利用物理或化学方法把生物微藻细胞内 的油脂转化到细胞外， 再进行提炼加。
9、工， 从而生产出生物柴油。即通过藻类的光合作用， 将 废水中的营养物质和空气中的二氧化碳转化为生物燃料、 蛋白质。 “这是一个变废为宝的产 业， 而且还可以生产更多的下游产品。 ” 在石油价格大幅上升， 粮食短缺问题日渐突出的今 天， 该产业有着广阔的发展前景。 0003 生物微藻被视为未来重要的可再生能源， 在石化能源的替代方面具有非常大的发 展潜力。 重视生物微藻优秀品种培育、 高效繁殖与柴油转化技术显得尤为重要。 生物微藻的 繁殖生长过程中， 受环境因素影响较大， 这些参数主要包括光照、 二氧化碳浓度、 温度等， 现 有的开放式养殖存在明显不足， 比如， 易受外界环境影响， 难以保持较适。
10、宜的温度与光照， 易受污染 ； 如果在海边， 容易受到台风的严重侵袭等， 所以需要有针对性的采取必要措施。 近年来， 封闭式养殖成为一种趋势。研究结果表明， 当生物微藻处于最佳的生长繁殖环境 时， 具有非常高的繁殖效率。 因此运用先进信息传感和自动调控技术， 进行封闭式反应容器 内生物微藻生长环境关键参数的监测、 调控和优化， 对于实现生物微藻的高效繁殖， 大规模 提高其繁殖产量， 有着重要的现实意义。 发明内容 0004 （一） 要解决的技术问题 0005 本发明的目的在于提供一种生物微藻反应容器参数监测及调控系统， 用于对反应 容器内生物微藻生长环境关键参数进行监测、 调控和优化， 从而实。
11、现生物微藻的高效繁殖， 大规模提高生物微藻的繁殖产量。 0006 （二） 技术方案 0007 本发明技术方案如下 ： 0008 一种生物微藻反应容器参数监测及调控系统， 包括分别与反应容器连接的环境监 说 明 书 CN 103031249 A 3 2/5 页 4 测单元以及浓度监测单元、 与所述环境监测单元连接的环境调控模块以及与所述浓度监测 单元连接的浓度调控模块 ； 所述环境调控模块根据环境监测单元实时监测到的环境变化信 息调控生物微藻生长环境 ； 所述浓度调控模块根据浓度监测单元实时监测到的生物微藻浓 度信息调控反应容器中生物微藻浓度。 0009 优选的， 所述环境监测单元包括设置于反应。
12、容器内并分别与所述环境调控模块连 接的温度传感器、 光强传感器以及 CO2浓度传感器。 0010 优选的， 所述环境调控模块包括与所述环境监测单元连接的第一控制单元、 分别 与所述第一控制单元连接的温度调节单元、 光强调节单元以及 CO2浓度调节单元。 0011 优选的， 所述温度调节单元包括罩在反应容器外部的保温玻璃箱以及设置于所述 保温玻璃箱内、 反应容器外并与所述第一控制单元连接的空调。 0012 优选的， 所述浓度监测单元包括与所述浓度调控模块连接的光谱测试仪。 0013 优选的， 反应容器为柱体， 其外壁上套设有垂直于所述反应容器轴线的固定环， 所 述光谱测试仪的发射端和接收端分别固。
13、定于所述固定环一条直径的两端。 0014 优选的， 所述浓度调控模块包括与所述浓度监测单元连接的第二控制单元以及与 所述第二控制单元连接的浓度调节单元 ； 所述第二控制单元根据浓度监测单元实时监测到 的生物微藻浓度信息控制浓度调节单元对反应容器中生物微藻浓度进行调控。 0015 优选的， 所述浓度调节单元包括分别与反应容器连接的生物微藻排出装置以及营 养液注入装置 ； 所述生物微藻排出装置以及营养液注入装置分别与所述第二控制单元连 接。 0016 优选的， 所述第二控制单元包括与所述浓度监测单元连接的计算机以及与所述计 算机连接的数据控制设备， 所述数据控制设备分别与所述生物微藻排出装置以及营。
14、养液注 入装置连接。 0017 优选的， 还包括电磁搅拌器， 所述电磁搅拌器的主体设置于反应容器底部， 所述电 磁搅拌器的转子在磁力的作用下悬浮在反应容器内。 0018 （三） 有益效果 0019 本发明通过利用环境监测单元实时监测生物微藻生长环境变化信息， 并通过环境 调控模块对生物微藻生长环境进行调控 ； 通过利用浓度监测单元实时监测生物微藻浓度信 息， 并通过浓度调控模块调控反应容器中生物微藻浓度 ； 使得反应容器内的生物微藻处于 最佳生长环境和繁殖浓度， 保持良好的营养供给和高效的繁殖效率， 从而为大规模的生物 微藻养殖以及高效生产提供技术支持。 附图说明 0020 图 1 是本发明的。
15、一种生物微藻反应容器参数监测及调控系统结构示意图 ； 0021 图 2 是图 1 中监测及调控系统的环境监测单元以及环境调控模块示意图 ； 0022 图 3 是图 1 中监测及调控系统的浓度监测单元以及浓度调控模块示意图 ； 0023 图 4 是图 3 中浓度调控模块的工作流程图。 0024 其中， 1 ： 补光灯 ； 2 ： CO2充气罐 ； 3 ： 第一控制单元 ； 4 ： 空调 ； 5 ： 光谱测试仪 ； 6 ： 计 算机 ； 7 ： 新鲜培养液 ； 8 ： 入蠕动泵 ； 9 ： 出蠕动泵 ； 10 ： 反应容器 ； 11 ： 环境监测单元 ； 12 ： 固 定环 ； 13 ： 电磁搅拌。
16、器的主体。 说 明 书 CN 103031249 A 4 3/5 页 5 具体实施方式 0025 下面结合附图和实施例， 对发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用 于说明本发明， 但不用来限制本发明的范围。 0026 如图 1 中所示的一种生物微藻反应容器参数监测及调控系统， 主要适用于封闭式 生物微藻反应容器， 本实例中的反应容器优选为由便于光线入射的透明材质制成的封闭式 柱形容器， 可以为圆柱体或者多面柱体， 其顶部开设有两个小孔， 便于反应时需要的气体和 产生的气体流通， 同时针对后续的生物微藻浓度的光谱特征测量， 要求该反应容器对生物 微藻的特征吸收波段的光谱呈现较弱的吸收特性。
17、 ； 反应容器参数监测及调控系统包括与反 应容器 10 连接的环境监测单元 11 以及与环境监测单元 11 连接的环境调控模块， 其如图 2 中所示 ； 环境监测单元 11 用于实施监测各种环境参数变化如 ： 生物微藻生长环境的温度、 光照强度、 CO2浓度等信息并发送至环境调控模块， 环境调控模块根据环境监测单元11实时 监测到的环境变化信息调控生物微藻生长环境， 保持反应容器 10 内的生物微藻时刻处于 最佳的生长环境 ； 还包括与反应容器 10 连接的浓度监测单元以及与浓度监测单元连接的 浓度调控模块， 其如图 3 中所示 ； 在适宜的环境条件和营养供给下， 生物微藻具有较高的繁 殖效率。
18、， 一段时间后， 反应容器 10 内生物微藻的繁殖数量会大大增加， 造成生物微藻溶液 浓度变大， 其中的营养液不足以供给生物微藻的高效繁殖 ； 而本发明中的浓度监测单元主 要用于实时监测反应容器 10 中生物微藻浓度的信息， 浓度调控模块根据浓度监测单元实 时监测到的生物微藻浓度信息调控反应容器 10 中生物微藻浓度， 可以保持反应容器 10 内 的生物微藻时刻处于最佳的繁殖浓度。 0027 其中， 环境监测单元 11 包括设置于反应容器 10 内并分别与环境调控模块连接的 温度传感器、 光强传感器以及CO2浓度传感器等 ； 优选的光强传感器、 温度传感器、 二氧化碳 浓度传感器均安装在反应容。
19、器 10 靠近顶部的内壁上， 位于反应溶液液位以上， 便于实时监 测反应容器 10 内的光照强度大小、 二氧化碳浓度大小及环境温度高低信息， 并传输到环境 调控模块。 0028 其中， 环境调控模块包括与环境监测单元 11 连接的第一控制单元 3、 分别与第一 控制单元 3 连接的温度调节单元、 光强调节单元以及 CO2浓度调节单元。温度调节单元主 要包括罩在反应容器 10 外部的玻璃箱以及设置于保温玻璃箱内、 反应容器 10 外并与第一 控制单元 3 连接的空调 4 ； 本实例中玻璃箱尺寸根据反应容器 10 外观进行相应的设计， 选 用玻璃或其他透明材质便于外界阳光直射进入， 为生物微藻生产。
20、提供自然光能， 节省能量 消耗， 同时该箱保持密闭， 便于保持恒温 ； 第一控制单元 3 接收温度传感器监测到的温度信 息并控制空调4调节生物微藻生长环境的温度。 光强调节单元主要包括设置在反应容器10 外并与第一控制单元 3 连接的补光灯 1， 补光灯 1 可以在阴天和晚上光强不够的时候， 由第 一控制单元 3 控制开启， 白天可以充分利用自然光 ； 为了达到较好的补光效果， 针对不同的 生物微藻种类， 补光灯 1 可以选择不同波长的光源进行有效补光。CO2浓度调节单元主要包 括通过管道连通到反应容器10内并与第一控制单元3连接的CO2充气罐2， 第一控制单元3 接收 CO2浓度传感器监测到。
21、的 CO2浓度信息并控制 CO2充气罐 2 向反应容器 10 中补充 CO2， 调节生物微藻生长环境的 CO2浓度。第一控制单元 3 可以为单片机、 STM32 微处理器等， 本 实施例中优选STM32微处理器， 因为其具有高性能、 低成本、 低功耗等优点 ； 同时STM32微处 说 明 书 CN 103031249 A 5 4/5 页 6 理器可实现关键环境参数数据的液晶显示， 并根据采集数据进行环境监控 ； 一旦某一个或 者几个参数达到设置的阈值， STM32微处理器将自动控制补光灯1、 CO2充气罐2、 空调4等设 备阀开启与关闭， 进行反应容器 10 环境参数的调控， 使得反应容器 1。
22、0 保持最优环境条件。 0029 其中， 浓度监测单元包括与浓度调控模块连接的光谱测试仪 5， 现有研究表明， 生 物微藻呈现特定的光谱特征峰值， 随着浓度的增大， 吸收特性呈线性增加， 而光谱测量仪可 以产生反应容器 10 中繁殖的生物微藻在电磁波谱上对应的特征吸收波长的光谱 ； 在反应 容器10中部位置的外壁上套设有垂直于反应容器轴线的固定环12， 光谱测试仪5的发射端 和接收端分别固定于固定环 12 一条直径的两端， 用于保持信号的有效接收 ； 工作时光谱信 号由发射端发出， 穿过反应容器 10 中的溶液， 经接收端接收， 然后通过光纤传输， 连接到浓 度调控模块。 0030 其中， 浓。
23、度调控模块包括与浓度监测单元连接的第二控制单元以及与第二控制单 元连接的浓度调节单元。浓度调节单元包括分别与反应容器 10 连接的生物微藻排出装置 以及新鲜营养液注入装置 ； 生物微藻排出装置以及新鲜营养液注入装置分别与第二控制单 元连接。在反应容器 10 内生物微藻浓度较大时， 通过生物微藻排出装置将含较高浓度生物 微藻的部分反应溶液排出反应容器 10， 进行后续的加工处理， 紧接着通过营养液注入装置 注入新鲜培养液 7 ； 生物微藻排出装置主要包括通过管道连接到反应容器 10 内的出蠕动泵 9， 营养液注入装置主要包括通过管道连接到反应容器 10 内的入蠕动泵 8， 选择蠕动泵是由 于其输。
24、送流体非常平稳。第二控制单元包括与浓度监测单元连接的计算机 6 以及与计算机 6 连接的数据控制设备 ； 光谱测试仪 5 采集的数据， 会实时显示在计算机 6 的 LABVIEW 软件 界面中， 并不断与初始设定溶液浓度的阈值 T 相比较 ； 数据控制设备分别与生物微藻排出 装置以及营养液注入装置连接， 出蠕动泵9以及入蠕动泵8都受数据控制设备控制， 其控制 过程流程图如图4中所示 ； 反应容器10内液面高度控制在整个反应容器10的五分之四处， 已知蠕动泵的导管抽取速度v， 在软件界面设置有反应容器10的容量V， 需要替换的溶液百 分比 （p%） ， 计算机6根据这些数值计算出具体替换的体积数。
25、V1和替换所用的时间t ； 在这些 参数作用下， 当反应容器 10 内反应溶液浓度达到阈值 T 时， 光谱测试仪 5 停止采集溶液浓 度新鲜， 同时自动开启出蠕动泵9， 泵出V1体积的生物微藻溶液， t时刻后， 关闭出蠕动泵9， 瞬间开启入蠕动泵 8， 泵入 V1体积的新鲜培养液 7， t 时刻后， 关闭入蠕动泵 8， 同时开启光 谱测试仪 5， 继续对反应容器 10 内溶液浓度进行光谱测量监控， 持续运行。其中， 各参数关 系表达式如下 ： V1=0.8*V*p% ； t=V1/v ； p 为 1-100 之间的数值， 优选取 50 附近的值 ； V， V1单 位为毫升 （ml） ， v 单。
26、位为毫升 / 秒 （ml/s） ， t 单位为秒 （s） 。 0031 进一步的， 本发明的生物微藻反应容器参数监测及调控系统还包括电磁搅拌器， 电磁搅拌器的主体 13 设置于反应容器 10 底部， 电磁搅拌器的转子在磁力的作用下悬浮在 反应容器 10 内的溶液中， 并且可以在电磁搅拌器的主体 13 控制下转动而搅拌反应容器 10 内的溶液， 用于保持生物藻类与营养液的充分接触， 也可以促使反应容器 10 内原有溶液与 新注入新鲜培养液 7 的均匀混合， 达到各处溶液浓度均匀。 0032 为了消除不稳定的噪声等因素带来的实验误差影响， 本实施例中的浓度调控模块 可以通过四种方法来降低实验室误差。
27、的影响 ： 1、 在硬件上， 采用电磁搅拌器， 在光谱测量同 时， 保持转子快速运转， 实现反应容器内溶液的均匀性， 保持采集数据的有效性 ； 2、 在测量 前进行标定， 采集空置反应容器的光谱数据作为背景， 在后续的实验中数据测量值中减去 说 明 书 CN 103031249 A 6 5/5 页 7 该背景数值， 用于减小暗电流和背景噪声的影响 ； 3、 采集特征光谱峰值附近的 20 个波长的 平均值作为当前特征光谱峰值， 用于消除 “漂移” 等现象带来的影响 ； 4、 将连续时间顺序取 得的前后各 10 个数据平均值作为该时刻的采集数值， 用于从时序方面减小采集数据带来 的误差。 0033。
28、 本发明涉及的一种生物微藻反应容器参数监测及调控系统， 通过在反应容器内装 备多种传感器， 实时监测反应容器内生物微藻关键生长环境因子， 主要是光照强度、 二氧化 碳浓度、 温度等参数， 然后基于 STM32 微处理器控制二氧化碳充气罐、 补光灯及空调等设备 阀， 不断调控、 优化反应容器内光强、 二氧化碳浓度、 温度等环境参数 ； 同时， 通过光谱测量 仪器实时监测反应容器内生物微藻溶液浓度， LABVIEW 软件编程采集有效光谱数据并与初 始设定阈值比较， 通过数据采集设备控制蠕动泵， 根据设置参数首先开启出蠕动泵泵出生 物微藻， 一定时间后， 停止泵出， 再开启入蠕动泵泵入等量新鲜培养液。
29、后停止， 如此运转， 使 得反应容器内生物微藻处于最佳生长环境和繁殖浓度， 并且借助电磁搅拌器的搅拌作用使 得溶液保持均匀， 保持生物微藻良好的营养供给和高效的繁殖效率， 从而为大规模的生物 微藻生产提供技术支持。另外， 本发明也可适用于其他封闭式反应容器生长参数的监测和 调控。 0034 以上实施方式仅用于说明本发明， 而并非对本发明的限制， 有关技术领域的普通 技术人员， 在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化和变型， 因此所有 等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。 说 明 书 CN 103031249 A 7 1/3 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103031249 A 8 2/3 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103031249 A 9 3/3 页 10 图 4 说 明 书 附 图 CN 103031249 A 10 。