微藻培養(yǎng)過程綜合測(cè)控系統(tǒng)的研制與試驗(yàn)

遲慶雷 王利存 汪豐海 于琪

摘要 [目的]為提高微藻光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)參數(shù)控制能力，建立起先進(jìn)、穩(wěn)定的微藻培養(yǎng)測(cè)控系統(tǒng)，進(jìn)而提高微藻生產(chǎn)產(chǎn)量和品質(zhì)。[方法]通過分析微藻培養(yǎng)過程參數(shù)確定擬設(shè)計(jì)綜合測(cè)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)和控制參數(shù)，設(shè)計(jì)并研制出通用型綜合測(cè)控系統(tǒng)，開展完整批次的微藻培養(yǎng)測(cè)試。[結(jié)果]測(cè)控系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，光照、溫度、pH、溶解氧的變化趨勢(shì)相互印證，葉綠素?zé)晒鈪?shù)和RGB譜很好地反映出微藻細(xì)胞光合系統(tǒng)的生理狀態(tài)，系統(tǒng)測(cè)量的自動(dòng)OD與干重都有很好的線性關(guān)系，可以直接反映微藻生長(zhǎng)密度。[結(jié)論]微藻綜合測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高，很好地反映了微藻生產(chǎn)過程中的狀態(tài)和趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了微藻生產(chǎn)過程的可控培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 微藻培養(yǎng);光生物反應(yīng)器;測(cè)控系統(tǒng);培養(yǎng)試驗(yàn)

中圖分類號(hào) TP 273? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2021）21-0218-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.21.056

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Development and Test of Integrated Measurement and Control System for Microalgae Cultivation Process

CHI Qing-lei? WANG Li-cun? WANG Feng-hai 2 et al

（1. SDIC Biotech Investment Co.， Ltd.， Beijing 100032;2.Beijing Key Laboratory of Microalgae Bioenergy and Resources， Beijing 100032）

Abstract [Objective]In order to improve the culture parameter control ability of the microalgae photobioreactor， an advanced and stable microalgae culture measurement and control system has been established to improve the microalgae production yield and quality.[Method] Through analyzing the parameters of the microalgae cultivation process， the monitoring parameters and control parameters of the proposed integrated measurement and control system were defined， and a universal integrated measurement and control system was designed and developed. Then a complete microalgae cultivation test was carried out. [Result]The system was running stably， and the changing trends of light， temperature， pH and dissolved oxygen were mutually confirmed. The chlorophyll fluorescence parameters and RGB spectrum well reflected the physiological state of the microalgae cell photosynthesis system. The automatic OD measured by the system had a good linear relationship with the dry weight， which could directly reflect the growth density of microalgae. [Conclusion]The microalgae integrated measurement and control system has reasonable design， stable operation and high degree of automation， which well reflects the status and trend of the microalgae production process， and realizes the controllable cultivation of the microalgae production process.

Key words Microalgae culture;Photobioreactor;Measurement and control system;Culture experiment

基金項(xiàng)目 北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目（Z141100000614011）;國家開發(fā)投資公司資助項(xiàng)目“高效經(jīng)濟(jì)光生物反應(yīng)器研發(fā)”。

作者簡(jiǎn)介 遲慶雷（1981—），男，山東日照人，高級(jí)工程師，碩士，從事微藻全流程工藝與裝備研究。

收稿日期 2021-06-06

微藻作為光合自養(yǎng)微生物，由于其光合作用效率高、細(xì)胞生長(zhǎng)快、不占用耕地、可連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是營養(yǎng)品、食品、醫(yī)藥、生物基化學(xué)品以及可持續(xù)生物質(zhì)能源生產(chǎn)的原料來源[1-3]。微藻產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前提是獲得低成本的微藻生物質(zhì)原料，而其中的核心是精準(zhǔn)可控的微藻大規(guī)模培養(yǎng)。光生物反應(yīng)器是微藻培養(yǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，微藻培養(yǎng)綜合測(cè)控系統(tǒng)是光生物反應(yīng)器的重要組成部分，先進(jìn)、穩(wěn)定的控制系統(tǒng)可以使藻類的生長(zhǎng)環(huán)境保持在適合快速生長(zhǎng)的最佳條件，從而達(dá)到藻類高效大規(guī)模培養(yǎng)的目的。

該研究通過分析微藻培養(yǎng)過程控制參數(shù)的需求，確定測(cè)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)和控制參數(shù)，不同于一般的以環(huán)境參數(shù)或部分生理參數(shù)研究，該研究將生產(chǎn)過程參數(shù)全部集成在一個(gè)系統(tǒng)中，并適用于各種類型的光生物反應(yīng)器。以管道式光生物反應(yīng)器作為被控對(duì)象，進(jìn)行綜合測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、儀器儀表選型，研制出通用型綜合測(cè)控系統(tǒng);通過開展完整批次的微藻培養(yǎng)試驗(yàn)，對(duì)綜合測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，通過數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證測(cè)控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)微藻生產(chǎn)過程的可控培養(yǎng)。

1 微藻培養(yǎng)過程及測(cè)控參數(shù)

在微藻生產(chǎn)全產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)中，藻種篩選是基礎(chǔ)，規(guī)?；囵B(yǎng)是關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)藻種適應(yīng)的特定環(huán)境和獲取的特定產(chǎn)物確定規(guī)模化培養(yǎng)方式。微藻的培養(yǎng)方式分為光自養(yǎng)、異養(yǎng)和混養(yǎng)。其中，光自養(yǎng)指的是微藻直接利用光能，固定大氣中的二氧化碳進(jìn)行生長(zhǎng)，與其他方法相比具有能耗低的優(yōu)勢(shì)，是目前微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的主要方式[4]。光自養(yǎng)培養(yǎng)過程中，二氧化碳是主要碳源，其合理的濃度影響著藻生物量。氮濃度對(duì)微藻的培養(yǎng)效果也有顯著影響，微藻必須攝取一定量的氮以滿足生長(zhǎng)需要，而過高的氮濃度又有可能導(dǎo)致藻細(xì)胞的分裂受到抑制，而在氮缺乏下的變化，發(fā)現(xiàn)其生長(zhǎng)時(shí)間縮短，生物量總量降低，但脂質(zhì)積累增多。

實(shí)現(xiàn)微藻大規(guī)模培養(yǎng)的關(guān)鍵是構(gòu)建微藻生長(zhǎng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)。光生物反應(yīng)器是利用光源培養(yǎng)微藻的生物反應(yīng)器，是實(shí)現(xiàn)規(guī)模化培養(yǎng)微藻的基礎(chǔ)裝置[5]。微藻的生長(zhǎng)和目標(biāo)產(chǎn)物的積累受到物理（光照、溫度、剪切力）、化學(xué)（CO2、pH、溶解氧、氮磷硫和微量元素等營養(yǎng)物）、生物（生物質(zhì)濃度、細(xì)胞生化組成、細(xì)胞形態(tài)、生理狀態(tài)、光合作用效率、能量的生物利用率）等多方面因素的影響[6-7]。

結(jié)合微藻光合自養(yǎng)生長(zhǎng)的需求和自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)能力，該研究擬研制微藻培養(yǎng)過程綜合測(cè)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“測(cè)控系統(tǒng)”）的參數(shù)（包括監(jiān)測(cè)參數(shù)和控制參數(shù)）。監(jiān)測(cè)參數(shù)分為環(huán)境參數(shù)和生理參數(shù)，環(huán)境參數(shù)包括溫度、光強(qiáng)、pH、溶解氧，生理參數(shù)包括光密度OD、生物質(zhì)干重、葉綠素?zé)晒?、吸收光譜（RGB譜）。生理參數(shù)可以從不同角度反映微藻的生理狀態(tài)，OD值反映了微藻細(xì)胞濃度，與微藻的生物質(zhì)干重呈正相關(guān);葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以反映出微藻光合系統(tǒng)的活力狀態(tài);RGB譜與微藻體內(nèi)積累的色素有關(guān)，可以反映出微藻不同色素及代謝產(chǎn)物積累的變化。細(xì)胞生長(zhǎng)主要依靠OD或葉綠素?zé)晒夤庾V來表征，而細(xì)胞生長(zhǎng)的控制主要通過調(diào)控二氧化碳供給和光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)[8-9]，中國科學(xué)院過程工程研究所通過表征CO2/O2濃度變化動(dòng)力學(xué)與生物質(zhì)成分的關(guān)系成功模擬了微藻在不同狀態(tài)下的生物質(zhì)成分變化[10]。系統(tǒng)控制參數(shù)包括二氧化碳調(diào)節(jié)量、降溫冷卻水量和電機(jī)變頻參數(shù)。

2 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微藻培養(yǎng)過程綜合測(cè)控系統(tǒng)的主要目標(biāo)是通過嵌入式或可編程邏輯控制器技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度、光強(qiáng)、pH、溶氧度、流量、OD、葉綠素?zé)晒獾葏?shù)的監(jiān)測(cè)，以及對(duì)二氧化碳通氣量、冷卻水量、泵頻率的控制。

基于對(duì)微藻培養(yǎng)特點(diǎn)的分析，兼顧兼容性和拓展性進(jìn)行開發(fā)，測(cè)控系統(tǒng)由測(cè)定系統(tǒng)、運(yùn)算控制單元、人機(jī)交互、控制執(zhí)行單元和信息發(fā)布五大主要部分構(gòu)成。如圖1所示，各部分構(gòu)成如下。

（1）測(cè)定系統(tǒng)。微藻培養(yǎng)過程中的環(huán)境參數(shù)和生理參數(shù)的測(cè)定。環(huán)境參數(shù)的測(cè)量由安裝在光生物反應(yīng)器的儀表進(jìn)行測(cè)量，主要包括溫度計(jì)、酸度計(jì)、流量計(jì)、光照度計(jì)、溶氧儀等，所測(cè)得數(shù)據(jù)為連續(xù)測(cè)定。生理參數(shù)的測(cè)量?jī)x器包括葉綠素?zé)晒鈨x、分光光度儀、RGB光譜儀，通過自動(dòng)在線取樣進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量數(shù)據(jù)為批次測(cè)量。所測(cè)定的各項(xiàng)參數(shù)通過電信號(hào)輸送到運(yùn)算控制單元，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、顯示和存儲(chǔ)。

（2）運(yùn)算控制單元?；赑C上位機(jī)的專用控制器，能夠根據(jù)各個(gè)儀表采集的模擬信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化，在控制單元內(nèi)進(jìn)行解析計(jì)算，獲得監(jiān)測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，采用專用控制算法進(jìn)行各參數(shù)的綜合計(jì)算，獲得控制參數(shù)輸出值，用于控制各個(gè)執(zhí)行器的執(zhí)行。

（3）人機(jī)交互。人機(jī)交互采用PC上位機(jī)，控制軟件的顯示界面給出當(dāng)前光生物反應(yīng)器藻類生長(zhǎng)的各變量狀態(tài)值、歷史曲線、報(bào)警，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在上位機(jī)內(nèi)。

（4）控制執(zhí)行單元。主要包括pH控制、溫度控制和藻液流量控制3個(gè)部分。pH通過控制質(zhì)量流量計(jì)輸送的二氧化碳流量進(jìn)行調(diào)控，溫度通過控制冷卻水量進(jìn)行調(diào)控，藻液流量通過變頻器輸出信號(hào)給電機(jī)控制泵的流量，使得各個(gè)變量控制到預(yù)先設(shè)定的數(shù)值范圍內(nèi)。

（5）信息發(fā)布。微藻培養(yǎng)過程各項(xiàng)參數(shù)通過RS-485通訊送入到DCS中央控制系統(tǒng)中，聯(lián)合其他光生物反應(yīng)器和上下游設(shè)備，實(shí)現(xiàn)微藻生產(chǎn)全流程控制，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)布到云端，實(shí)現(xiàn)在工廠內(nèi)和全國各地不同網(wǎng)絡(luò)終端查詢和操作，提高微藻工廠的自動(dòng)化和信息化水平。

2.2 系統(tǒng)參數(shù)與主要特點(diǎn)

微藻培養(yǎng)綜合測(cè)控系統(tǒng)的目標(biāo)是提供高兼容性的一體化微藻培養(yǎng)自控解決方案。該系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

基于測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和參數(shù)要求，系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

①高適配性，可以與目前已有的不同培養(yǎng)系統(tǒng)匹配使用，實(shí)現(xiàn)即插即用，不針對(duì)特定的反應(yīng)器;

②針對(duì)微藻培養(yǎng)特點(diǎn)的集成化微藻光學(xué)測(cè)定系統(tǒng)，包括OD、葉綠素?zé)晒?、RGB光譜，能夠?qū)崿F(xiàn)微藻培養(yǎng)過程中常用光學(xué)特征表征，具有自動(dòng)清洗功能;

③測(cè)控結(jié)合，與現(xiàn)有系統(tǒng)主要依靠預(yù)先設(shè)定參數(shù)控制不同，能夠?qū)崿F(xiàn)真正的全參數(shù)反饋調(diào)控，可以根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)自由設(shè)定。

2.3 系統(tǒng)研制

該研究以國投微藻中心的管道式光生物反應(yīng)器為對(duì)象，反應(yīng)器長(zhǎng)度60 m、高度2.2 m，培養(yǎng)體積10 t，依托該反應(yīng)器安裝各種儀表，成功搭建微藻培養(yǎng)過程測(cè)控系統(tǒng)。光生物反應(yīng)器與測(cè)控系統(tǒng)如圖2所示，軟件系統(tǒng)界面如圖3所示。

3 測(cè)控系統(tǒng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

微藻綜合測(cè)控系統(tǒng)完成調(diào)試后，以管道式光生物反應(yīng)器為控制對(duì)象，以某柵藻種為培養(yǎng)藻種，在河北省廊坊市生產(chǎn)基地進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)16 d（2016年11月12—27日）的完整批次的培養(yǎng)過程試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行正常，測(cè)控系統(tǒng)完整地記錄下相關(guān)數(shù)據(jù)。

通過分析該批微藻培養(yǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)，從圖4可以看出，整個(gè)培養(yǎng)過程中光照、溫度、pH、溶解氧的變化趨勢(shì)可以相互印證，表明整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。如11月13、17、18、20日天氣陰、光照差，相應(yīng)溫度較同期晴朗天氣溫度低。同時(shí)，因光照低，光合作用弱，溶解氧低，從OD的生長(zhǎng)曲線上也可以看出，此期間微藻生長(zhǎng)速率慢。相應(yīng)地，在天氣晴朗時(shí)，溫度升高，溶解氧升高，OD上升速度快，說明微藻生長(zhǎng)速率快。

通過分析該批微藻培養(yǎng)的自動(dòng)測(cè)量OD、葉綠素?zé)晒鈪?shù)和吸收光譜（RGB譜）數(shù)據(jù)，從圖5可以看出，①從自動(dòng)OD的曲線數(shù)據(jù)分析，此批次微藻培養(yǎng)經(jīng)歷了藻種恢復(fù)階段、快速生長(zhǎng)階段、平臺(tái)期階段、衰退階段。

②RGB光譜顯示，初期藻液顏色偏黃，與藻種缺氮培養(yǎng)有關(guān)。一般綠藻在缺氮時(shí)由于其蛋白合成受阻，能量會(huì)轉(zhuǎn)向碳水化合物或其他色素，使藻細(xì)胞內(nèi)葉綠素顯色的比例降低，而呈現(xiàn)黃色。初期由于微藻缺氮和藻密度較低，其光合效率較低，并且在中午日照充足時(shí)出現(xiàn)光抑制。隨著氮元素的添加及微藻狀態(tài)的恢復(fù)，同時(shí)在11月14—16日光線充足，微藻出現(xiàn)了較快速的增長(zhǎng)，隨后的11月17—18日光線較差，增長(zhǎng)放緩。

③在培養(yǎng)的后期，雖然氣溫和光照均處于較好的水平，但由于微藻生理狀態(tài)變差，其pH上升和溶解氧的上升均變小。微藻的OD、Fv/Fm、Fm、放氧量都呈下降趨勢(shì)，RGB值增加，藻液顏色變淺，而此時(shí)藻液顏色已經(jīng)不再發(fā)黃。

④整個(gè)培養(yǎng)過程中出現(xiàn)了3次快速生長(zhǎng)時(shí)期，分別是11月14—16日、19日、23—27日，這期間OD、pH、溶解氧、RGB曲線相互印證，這幾段時(shí)間內(nèi)其Fv/Fm值均大于0.7或在0.7附近，表明微藻的光合系統(tǒng)狀態(tài)良好。

通過對(duì)測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量OD與實(shí)驗(yàn)室手工測(cè)量OD、干重進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖6），自動(dòng)測(cè)量OD與手工測(cè)量OD和干重都有很好的線性相關(guān)性，R2均達(dá)到0.95。這充分證明在將自動(dòng)測(cè)量OD與手工OD和干重校準(zhǔn)后，建立自動(dòng)測(cè)量OD和干重的回歸方程，測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量的OD數(shù)據(jù)很好地反映出整個(gè)培養(yǎng)過程中的生長(zhǎng)密度信息。

4 討論與結(jié)論

通過對(duì)微藻培養(yǎng)生長(zhǎng)過程分析，確立了微藻綜合測(cè)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)和控制參數(shù)，對(duì)檢測(cè)儀表、控制器等硬件進(jìn)行選型、集成，完成系統(tǒng)的研制和調(diào)試。以管道式光生物反應(yīng)器為控制對(duì)象，成功開發(fā)通用型微藻培養(yǎng)綜合測(cè)控系統(tǒng)，并開展了完整批次的微藻培養(yǎng)過程監(jiān)控與控制。測(cè)試結(jié)果表明，整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，整個(gè)培養(yǎng)過程中成功實(shí)現(xiàn)了各個(gè)環(huán)境參數(shù)和生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)，光照、溫度、pH、溶解氧的變化趨勢(shì)可以相互印證;葉綠色熒光參數(shù)和RGB譜可以很好地反映出微藻細(xì)胞光合系統(tǒng)的生理狀態(tài);系統(tǒng)測(cè)量的自動(dòng)OD與手工測(cè)量OD、干重都有很好的線性相關(guān)性，可以直接反饋微藻生長(zhǎng)密度。總的來說，微藻綜合測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，自動(dòng)化程度高，很好地反映了微藻生產(chǎn)過程中的狀態(tài)和趨勢(shì)，有助于提高微藻培養(yǎng)過程的自動(dòng)化、信息化和智能化水平。

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