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器的培養(yǎng)參數(shù)控制能力，建立起先進、穩(wěn)定的微藻培養(yǎng)測控系統(tǒng)，進而提高微藻生產(chǎn)產(chǎn)量和品質(zhì)。[方法]通過分析微藻培養(yǎng)過程參數(shù)確定擬設計綜合測控系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)和控制參數(shù)，設計并研制出通用型綜合測控系統(tǒng)，開展完整批次的微藻培養(yǎng)測試。[結(jié)果]測控系統(tǒng)穩(wěn)定運行，光照、溫度、pH、溶解氧的變化趨勢相互印證，葉綠素熒光參數(shù)和RGB譜很好地反映出微藻細胞光合系統(tǒng)的生理狀態(tài)，系統(tǒng)測量的自動OD與干重都有很好的線性關系，可以直接反映微藻生長密度。[結(jié)論]微藻綜合測控系統(tǒng)設計合理、運行穩(wěn)定、自動化程度高，很好地反映了微藻生產(chǎn)過程中的狀態(tài)和趨勢，實現(xiàn)了微藻生產(chǎn)過程的可控培養(yǎng)。

關鍵詞 微藻培養(yǎng);光生物反應器;測控系統(tǒng);培養(yǎng)試驗

中圖分類號 TP 273? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）21-0218-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.21.056

開放科學（資源服務）標識碼（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

基金項目 北京市科技計劃項目（Z141100000614011）;國家開發(fā)投資公司資助項目“高效經(jīng)濟光生物反應器研發(fā)”。

作者簡介 遲慶雷（1981—），男，山東日照人，高級工程師，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、細胞生長快、不占用耕地、可連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點，被認為是營養(yǎng)品、食品、醫(yī)藥、生物基化學品以及可持續(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可控的微藻大規(guī)模培養(yǎng)。光生物反應器是微藻培養(yǎng)的關鍵設備，微藻培養(yǎng)綜合測控系統(tǒng)是光生物反應器的重要組成部分，先進、穩(wěn)定的控制系統(tǒng)可以使藻類的生長環(huán)境保持在適合快速生長的最佳條件，從而達到藻類高效大規(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，確定測控系統(tǒng)的監(jiān)測參數(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)全部集成在一個系統(tǒng)中，并適用于各種類型的光生物反應器。以管道式光生物反應器作為被控對象，進行綜合測控系統(tǒng)的設計、儀器儀表選型，研制出通用型綜合測控系統(tǒng);通過開展完整批次的微藻培養(yǎng)試驗，對綜合測控系統(tǒng)進行測試，通過數(shù)據(jù)分析，驗證測控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，實現(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，規(guī)?；囵B(yǎng)是關鍵，應根據(jù)藻種適應的特定環(huán)境和獲取的特定產(chǎn)物確定規(guī)?；囵B(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行生長，與其他方法相比具有能耗低的優(yōu)勢，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需要，而過高的氮濃度又有可能導致藻細胞的分裂受到抑制，而在氮缺乏下的變化，發(fā)現(xiàn)其生長時間縮短，生物量總量降低，但脂質(zhì)積累增多。

實現(xiàn)微藻大規(guī)模培養(yǎng)的關鍵是構(gòu)建微藻生長的光生物反應器系統(tǒng)。光生物反應器是利用光源培養(yǎng)微藻的生物反應器，是實現(xiàn)規(guī)模化培養(yǎng)微藻的基礎裝置[5]。微藻的生長和目標產(chǎn)物的積累受到物理（光照、溫度、剪切力）、化學（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、細胞生化組成、細胞形態(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)生長的需求和自動化技術的實現(xiàn)能力，該研究擬研制微藻培養(yǎng)過程綜合測控系統(tǒng)（簡稱“測控系統(tǒng)”）的參數(shù)（包括監(jiān)測參數(shù)和控制參數(shù)）。監(jiān)測參數(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、pH、溶解氧，生理參數(shù)包括光密度OD、生物質(zhì)干重、葉綠素熒光、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值反映了微藻細胞濃度，與微藻的生物質(zhì)干重呈正相關;葉綠素熒光參數(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，可以反映出微藻不同色素及代謝產(chǎn)物積累的變化。細胞生長主要依靠OD或葉綠素熒光光譜來表征，而細胞生長的控制主要通過調(diào)控二氧化碳供給和光強實現(xiàn)[8-9]，中國科學院過程工程研究所通過表征CO2/O2濃度變化動力學與生物質(zhì)成分的關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變頻參數(shù)。

2 測控系統(tǒng)設計與研制

2.1 系統(tǒng)設計

微藻培養(yǎng)過程綜合測控系統(tǒng)的主要目標是通過嵌入式或可編程邏輯控制器技術實現(xiàn)溫度、光強、pH、溶氧度、流量、OD、葉綠素熒光等參數(shù)的監(jiān)測，以及對二氧化碳通氣量、冷卻水量、泵頻率的控制。

基于對微藻培養(yǎng)特點的分析，兼顧兼容性和拓展性進行開發(fā)，測控系統(tǒng)由測定系統(tǒng)、運算控制單元、人機交互、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)的測定。環(huán)境參數(shù)的測量由安裝在光生物反應器的儀表進行測量，主要包括溫度計、酸度計、流量計、光照度計、溶氧儀等，所測得數(shù)據(jù)為連續(xù)測定。生理參數(shù)的測量儀器包括葉綠素熒光儀、分光光度儀、RGB光譜儀，通過自動在線取樣進行測定，測量數(shù)據(jù)為批次測量。所測定的各項參數(shù)通過電信號輸送到運算控制單元，對信號進行處理、顯示和存儲。

（2）運算控制單元?；赑C上位機的專用控制器，能夠根據(jù)各個儀表采集的模擬信號，進行數(shù)字轉(zhuǎn)化，在控制單元內(nèi)進行解析計算，獲得監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)。根據(jù)設定的參數(shù)標準值，采用專用控制算法進行各參數(shù)的綜合計算，獲得控制參數(shù)輸出值，用于控制各個執(zhí)行器的執(zhí)行。

（3）人機交互。人機交互采用PC上位機，控制軟件的顯示界面給出當前光生物反應器藻類生長的各變量狀態(tài)值、歷史曲線、報警，同時將數(shù)據(jù)存儲在上位機內(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個部分。pH通過控制質(zhì)量流量計輸送的二氧化碳流量進行調(diào)控，溫度通過控制冷卻水量進行調(diào)控，藻液流量通過變頻器輸出信號給電機控制泵的流量，使得各個變量控制到預先設定的數(shù)值范圍內(nèi)。

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

2.2 系統(tǒng)參數(shù)與主要特點

微藻培養(yǎng)綜合測控系統(tǒng)的目標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)的主要設計參數(shù)見表1。

基于測控系統(tǒng)的設計目標和參數(shù)要求，系統(tǒng)具有以下特點：

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，實現(xiàn)即插即用，不針對特定的反應器;

②針對微藻培養(yǎng)特點的集成化微藻光學測定系統(tǒng)，包括OD、葉綠素熒光、RGB光譜，能夠?qū)崿F(xiàn)微藻培養(yǎng)過程中常用光學特征表征，具有自動清洗功能;

③測控結(jié)合，與現(xiàn)有系統(tǒng)主要依靠預先設定參數(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)試驗設計自由設定。

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器為對象，反應器長度60 m、高度2.2 m，培養(yǎng)體積10 t，依托該反應器安裝各種儀表，成功搭建微藻培養(yǎng)過程測控系統(tǒng)。光生物反應器與測控系統(tǒng)如圖2所示，軟件系統(tǒng)界面如圖3所示。

3 測控系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析

微藻綜合測控系統(tǒng)完成調(diào)試后，以管道式光生物反應器為控制對象，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，系統(tǒng)運行正常，測控系統(tǒng)完整地記錄下相關數(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，整個培養(yǎng)過程中光照、溫度、pH、溶解氧的變化趨勢可以相互印證，表明整個測控系統(tǒng)運行穩(wěn)定。如11月13、17、18、20日天氣陰、光照差，相應溫度較同期晴朗天氣溫度低。同時，因光照低，光合作用弱，溶解氧低，從OD的生長曲線上也可以看出，此期間微藻生長速率慢。相應地，在天氣晴朗時，溫度升高，溶解氧升高，OD上升速度快，說明微藻生長速率快。

通過分析該批微藻培養(yǎng)的自動測量OD、葉綠素熒光參數(shù)和吸收光譜（RGB譜）數(shù)據(jù)，從圖5可以看出，①從自動OD的曲線數(shù)據(jù)分析，此批次微藻培養(yǎng)經(jīng)歷了藻種恢復階段、快速生長階段、平臺期階段、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。一般綠藻在缺氮時由于其蛋白合成受阻，能量會轉(zhuǎn)向碳水化合物或其他色素，使藻細胞內(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出現(xiàn)光抑制。隨著氮元素的添加及微藻狀態(tài)的恢復，同時在11月14—16日光線充足，微藻出現(xiàn)了較快速的增長，隨后的11月17—18日光線較差，增長放緩。

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，RGB值增加，藻液顏色變淺，而此時藻液顏色已經(jīng)不再發(fā)黃。

④整個培養(yǎng)過程中出現(xiàn)了3次快速生長時期，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。

通過對測控系統(tǒng)自動測量OD與實驗室手工測量OD、干重進行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖6），自動測量OD與手工測量OD和干重都有很好的線性相關性，R2均達到0.95。這充分證明在將自動測量OD與手工OD和干重校準后，建立自動測量OD和干重的回歸方程，測控系統(tǒng)自動測量的OD數(shù)據(jù)很好地反映出整個培養(yǎng)過程中的生長密度信息。

4 討論與結(jié)論

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

參考文獻

[1] CHISTI Y.Biodiesel from microalgae[J].Biotechnology advances，2007，25（3）：294-306.

[2] MASOJ DEK J，KOPECKY' J，GIANNELLI L，et al.Productivity correlated to photobiochemical performance of Chlorella mass cultures grown outdoors in thin-layer cascades[J].Journal of industrial microbiology & biotechnology，201 38（2）：307-317.

[3] 李元廣，譚天偉，黃英明.微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)化技術中的若干科學問題及其分析[J].中國基礎科學，2009，11（5）：64-70.

[4] 呂旭，孫仁旺，張紅兵.微藻規(guī)?；囵B(yǎng)技術研究進展[J].應用化工，2019，48（6）：1487-1490.

[5] 馬國杰，常春，孫紹輝.能源微藻規(guī)模化培養(yǎng)影響因素的研究進展[J].化工進展，2019，38（12）：5323-5329.

[6] HAVLIK I，LINDNER P，SCHEPER T，et al.On-line monitoring of large cultivations of microalgae and cyanobacteria [J].Trends in biotechnology，201 31（7）：406-414.

[7] 徐年軍，張學成.溫度、光照、pH值對后棘藻生長及脂肪酸含量的影響[J].青島海洋大學學報（自然科學版），200 31（4）：541-547.

[8] 張文蕾，佟少明，侯和勝.利用葉綠素熒光監(jiān)測微藻的生長及生理狀態(tài)[J].激光生物學報，2016，25（1）：48-55.

[9] 王金輝，蔡強，徐勤利.基于微藻培養(yǎng)的OD在線檢測系統(tǒng)[J].計算機測量與控制，201 21（8）：2061-2064.

[10] ZHANG D M，YAN F，SUN Z L，et al.On-line modeling intracellular carbon and energy metabolism of Nannochloropsis sp.in nitrogen-repletion and nitrogen-limitation cultures [J].Bioresource technology，201 164：86-92.