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(guò)分析微藻培養(yǎng)過(guò)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(guò)程中的狀態(tài)和趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了微藻生產(chǎn)過(guò)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)

　　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(yíng)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(lái)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(guò)分析微藻培養(yǎng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程的可控培養(yǎng)。

　　1 微藻培養(yǎng)過(guò)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)模化培養(yǎng)的主要方式[4]。光自養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)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(guò)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)?；囵B(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(yíng)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(guò)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)晒狻⑽展庾V(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(lái)表征，而細(xì)胞生長(zhǎng)的控制主要通過(guò)調(diào)控二氧化碳供給和光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)[8-9]，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所通過(guò)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(guò)程綜合測(cè)控系統(tǒng)的主要目標(biāo)是通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)控制冷卻水量進(jìn)行調(diào)控，藻液流量通過(guò)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(guò)程各項(xiàng)參數(shù)通過(guò)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(guó)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)：

　?、俑哌m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(guò)程中常用光學(xué)特征表征，具有自動(dòng)清洗功能;

　?、蹨y(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(guó)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(guò)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(guò)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)。