一種內(nèi)置LED光源罐式全自動(dòng)光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)
相關(guān)鏈接： 中國(guó)安全網(wǎng) 中國(guó)質(zhì)量網(wǎng) 中國(guó)論文網(wǎng) 中國(guó)資訊網(wǎng)
作者；張毅
本文中研究設(shè)計(jì)的反應(yīng)器，采用獨(dú)特的內(nèi)置LED光源集成結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)與冷卻系統(tǒng)，以AT56C55和RTL8019AS芯片為核心的智能控制系統(tǒng)，具有光生物產(chǎn)量高、能耗小、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在光生物反應(yīng)器中具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
1 內(nèi)置LED光源罐式全自動(dòng)光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)
1.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
用于光合生物培養(yǎng)的反應(yīng)器與普通微生物培養(yǎng)發(fā)酵罐不同，據(jù)光合生物的生物特性，其培養(yǎng)除一般的要求，如適合的溫度、壓力、pH、DO以及無(wú)菌、較好的混合等條件外，還要求有一定的光照強(qiáng)度、光源波長(zhǎng)等，故光合作用生物反應(yīng)器在普通微生物培養(yǎng)發(fā)酵罐設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上還應(yīng)考慮光源的選型和光源結(jié)構(gòu)設(shè)置。本項(xiàng)目在主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上著重研究?jī)?nèi)置于反應(yīng)器內(nèi)的光照均勻、波長(zhǎng)可選、光強(qiáng)可調(diào)節(jié)的LED光源，以及易于更換、便于操作使用的光源集成結(jié)構(gòu)。
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的內(nèi)置LED光生物反應(yīng)器主體結(jié)構(gòu)是在不銹鋼罐頂部或底部制作多個(gè)法蘭孔，將耐溫、耐壓、耐溫度急變的硼硅玻璃簡(jiǎn)體植入不銹鋼材質(zhì)反應(yīng)罐體內(nèi)，在密封反應(yīng)罐內(nèi)將集成了高亮LED光源的支撐體通過(guò)玻璃簡(jiǎn)體放人反應(yīng)器內(nèi)部。反應(yīng)器主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2 設(shè)計(jì)獨(dú)特的LED光源集成結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光照均勻、波長(zhǎng)可選和功率可調(diào)
本項(xiàng)目在光源上著重研發(fā)LED光源在光合生物反應(yīng)器內(nèi)的集成結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的培養(yǎng)要求選擇不同特性的高亮度LED，做了5種光合菌試驗(yàn)，即螺旋澡、微藍(lán)澡、魚(yú)腥藻7120、B胡羅卜素、葉綠素。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同種類(lèi)的光合生物對(duì)光源波長(zhǎng)要求不同，并且在生長(zhǎng)與合成階段對(duì)光源的波長(zhǎng)要求也不同。因此，必須據(jù)不同的培養(yǎng)對(duì)象選擇適當(dāng)?shù)恼丈涔β屎凸庠床ㄩL(zhǎng)，光源集成體應(yīng)具有區(qū)塊分割和方便更換的模塊化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光源照射的均勻性和可選可調(diào)性。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)制造的LED光源集成體實(shí)物圖如圖2所示。
1.3 發(fā)光二極管光源支撐體及密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目中發(fā)光二極管光源內(nèi)置于反應(yīng)器，且反應(yīng)器可高溫高壓滅菌，故作為光源的支撐體的材料必須具有高透明性，以及能耐受高溫高壓及溫度急變等特性。光源支撐體的材料選定為硼硅玻璃，由于硼硅玻璃光柱與不銹鋼罐體二種材料的熱膨脹系數(shù)不同，容易引起硼硅玻璃破碎，為了有效解決這一問(wèn)題設(shè)計(jì)了在結(jié)合處使用成型的硅膠密封圈，實(shí)驗(yàn)證明，該結(jié)構(gòu)能很好解決這一難題，具體結(jié)構(gòu)如下：插入罐內(nèi)的耐溫、耐壓、耐溫度急變的硼硅玻璃管與反應(yīng)器聯(lián)為整體，形成密閉反應(yīng)空間。LED強(qiáng)制水冷集成支架放人玻璃筒，通過(guò)固定板與上夾緊法蘭連接。LED光源透過(guò)玻璃筒體對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部光合生物進(jìn)行照射。該支撐體及密封結(jié)構(gòu)使得反應(yīng)器內(nèi)的培養(yǎng)液與光源隔絕，防止對(duì)培養(yǎng)液的染菌，此特殊材料及結(jié)構(gòu)也使光反應(yīng)器可進(jìn)行高溫高壓滅菌進(jìn)行密封無(wú)菌培養(yǎng)。結(jié)構(gòu)如圖3。
1.4 采用強(qiáng)制水冷結(jié)構(gòu)，解決光源散熱問(wèn)題
在光生物反應(yīng)器中，內(nèi)置光源可能產(chǎn)生局部過(guò)熱，從而影響微生物的培養(yǎng)效率，本項(xiàng)目采用拉制鋁型材作為強(qiáng)制水冷集成支架解決這一難題。
(1)拉制鋁型材壁厚5 mm，壁內(nèi)均勻拉制6個(gè)直徑2.5 mm的孔作為冷卻水通道。
(2)在上、下端面，每相鄰兩孔為一組，間隔銑槽貫通。而上、下端面銑槽貫通孔相互交叉，從而保證冷卻水在集成支架內(nèi)上下互通。
(3)根據(jù)照射強(qiáng)度換算為L(zhǎng)ED個(gè)數(shù)，在拉制孔相間壁上依次開(kāi)孔，用于安裝LED發(fā)光二極管。LED發(fā)光二極管與管壁緊貼。
以上結(jié)構(gòu)使LED熱量通過(guò)鋁材管壁傳導(dǎo)到冷卻水從而完成強(qiáng)制冷卻。結(jié)構(gòu)如圖4所示。
1.5采用離散流體磁力攪拌結(jié)構(gòu)，確保介質(zhì)的完全循環(huán)
小型生物反應(yīng)器都使用圓盤(pán)式磁力耦合聯(lián)軸器，罐內(nèi)一個(gè)磁力聯(lián)軸器（上半部分），罐外一個(gè)磁力聯(lián)軸器（下半部分）。由于內(nèi)外磁力半聯(lián)軸器之間的間隙越小上下聯(lián)軸器之間的磁力就越大，這就要求反應(yīng)器的磁力耦合上下聯(lián)軸器之間隙必須盡可能小，但實(shí)際的使用和安裝過(guò)程中上聯(lián)軸器與罐底隔層總有一個(gè)距離，在攪拌時(shí)，其間的介質(zhì)基本處于沒(méi)有物質(zhì)交流的“死區(qū)”，是可能導(dǎo)致反應(yīng)器培養(yǎng)失敗的隱患。
針對(duì)這一隱患，本項(xiàng)目獨(dú)創(chuàng)離散流體磁力攪拌器，內(nèi)磁力半聯(lián)軸器內(nèi)間隔嵌入耐高溫永磁體，在內(nèi)磁力半聯(lián)軸器圓盤(pán)底部永磁體間隔內(nèi)加工導(dǎo)流槽，在旋轉(zhuǎn)時(shí)導(dǎo)流槽內(nèi)介質(zhì)被強(qiáng)制甩出，“死區(qū)”內(nèi)介質(zhì)補(bǔ)充入導(dǎo)流槽，而“死區(qū)”外介質(zhì)補(bǔ)充入“死區(qū)”，從而完成介質(zhì)循環(huán)。攪拌器結(jié)構(gòu)如圖5。
該攪拌器具有以下優(yōu)特點(diǎn)：①用焊接隔離套靜態(tài)死密封取代動(dòng)態(tài)機(jī)械密封，完全解決動(dòng)態(tài)機(jī)械密封泄漏問(wèn)題；②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易拆御，易清洗，無(wú)“死區(qū)”。
1.6全自動(dòng)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
智能控制系統(tǒng)是光生物反應(yīng)器的核心技術(shù)之一，除應(yīng)具備一般微生物發(fā)酵罐的控制功能外，還應(yīng)具備控制光合生物培養(yǎng)中的光照強(qiáng)度、光波選擇和變換等功能，本項(xiàng)目采用以AT56C55和RTL8019AS芯片為核心的智能控制模塊和觸摸屏顯示，自動(dòng)控制光照強(qiáng)度及細(xì)胞培養(yǎng)的全過(guò)程。根據(jù)生物數(shù)學(xué)模型運(yùn)算，預(yù)先設(shè)定培養(yǎng)過(guò)程各階段的培養(yǎng)參數(shù)和光照強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)溫度、濃度等參數(shù)的PID控制，pH、DO電極的標(biāo)定運(yùn)算及定時(shí)采集或變化采集批次發(fā)酵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
同時(shí)，反應(yīng)器與PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能模塊與監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的遙控、遙測(cè)、遙訊以實(shí)現(xiàn)在線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能。項(xiàng)目控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)任務(wù)主要包括人機(jī)界面功能設(shè)計(jì)、控制數(shù)字板電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行隔離板設(shè)計(jì)、控制軟件優(yōu)化、數(shù)字式PID控制算法設(shè)計(jì)、聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)、發(fā)酵監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)。
控制器選用日本松下PLC為控制基礎(chǔ)元件，控制系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)，控制系統(tǒng)由傳感器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)_變送_信號(hào)處理_中央控制區(qū)_÷輸出系統(tǒng)_執(zhí)行系統(tǒng)等組成，控制系統(tǒng)下位機(jī)可以與上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊和遠(yuǎn)程控制。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。
2 反應(yīng)器性能分析
2.1技術(shù)性能指標(biāo)
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)制造的光生物反應(yīng)器技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。
2.2 光合菌培養(yǎng)性能分析
2.2.1 球型紅桿菌連續(xù)培養(yǎng)試驗(yàn)
利用本項(xiàng)目設(shè)計(jì)制造的光生物反應(yīng)器對(duì)球型紅桿菌進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。
從表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，用光照搖床來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，在擴(kuò)大培養(yǎng)時(shí)搖床的效率較低，培養(yǎng)操作性不大，外置光源式發(fā)酵槽和內(nèi)置LED光源發(fā)酵罐都可以進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)和生產(chǎn)，但在相同時(shí)間，產(chǎn)出同樣發(fā)酵菌的情況下，用本項(xiàng)目設(shè)計(jì)制造的內(nèi)置LED發(fā)酵罐所培養(yǎng)的菌濃度要高出10倍多，相同產(chǎn)量廢液少，達(dá)到了節(jié)能降耗的效果。
2.2.2類(lèi)胡蘿l、素二次培養(yǎng)提取試驗(yàn)
本項(xiàng)目與天津科技大學(xué)海洋學(xué)院共同合作，在5L內(nèi)置LED光源發(fā)酵罐進(jìn)行類(lèi)胡蘿卜素二次培養(yǎng)提取試驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)如表3所示。
提取數(shù)據(jù)結(jié)果表明，相比外置日光燈光源發(fā)酵罐，5L內(nèi)置LED光源的發(fā)酵罐在培養(yǎng)類(lèi)胡蘿卜素產(chǎn)量與菌體生物總量分別提高了60.5%和59. 9%。
3結(jié)語(yǔ)
研究的反應(yīng)器采用獨(dú)特的內(nèi)置LED光源集成結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)與冷卻系統(tǒng)，以AT56C55和RTL8019AS芯片為核心的智能控制系統(tǒng)，除具有一般封閉式反應(yīng)器的特點(diǎn)外，還具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如光源波長(zhǎng)可選，光強(qiáng)可控，能耗小，高效節(jié)能；采用罐體式，體積小，占地少；可高溫高壓滅菌，適用需無(wú)菌培養(yǎng)的光生物；全自動(dòng)控制培養(yǎng)條件，如發(fā)酵罐溫度、培養(yǎng)液pH、溶氧濃度(DO)等。
分析測(cè)試表明，在其他條件相同的情況下，用本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的SL內(nèi)置LED光源發(fā)酵罐，相比SL外置光源發(fā)酵槽，培養(yǎng)球型紅桿菌的濃度要高出10倍多；相比5L外置日光燈光源發(fā)酵罐，培養(yǎng)類(lèi)胡蘿卜素產(chǎn)量與菌體生物總量分別提高了60.5 010和59. 9%，并且能耗較小，在國(guó)內(nèi)生物工程行業(yè)中具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
4摘要：研究了具有光源波長(zhǎng)可選、光強(qiáng)可控、能耗小、體積小、可高溫高壓滅菌和全自動(dòng)控制培養(yǎng)條件的光生物反應(yīng)器。采用獨(dú)特的內(nèi)置LED光源集成結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)與冷卻系統(tǒng)，以AT56C55和RTL8019AS芯片為核心的智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)該反應(yīng)器。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在其他條件相同的情況下，設(shè)計(jì)的SL內(nèi)置LED光源發(fā)酵罐相比SL外置光源發(fā)酵槽，培養(yǎng)球型紅桿菌的濃度要高出10倍多，培養(yǎng)類(lèi)胡蘿卜素產(chǎn)量與菌體生物總量分別提高了60. 5%和59. 9%，并且能耗較小。
