一种内置LED光源罐式全自动光生物反应器设计

作者；张毅

  本文中研究设计的反应器，采用独特的内置LED光源集成结构、密封结构与冷却系统，以AT56C55和RTL8019AS芯片为核心的智能控制系统，具有光生物产量高、能耗小、可控性强等优点，在光生物反应器中具有较强的竞争力。

1  内置LED光源罐式全自动光生物反应器设计

1.1  主体结构设计

  用于光合生物培养的反应器与普通微生物培养发酵罐不同，据光合生物的生物特性，其培养除一般的要求，如适合的温度、压力、pH、DO以及无菌、较好的混合等条件外，还要求有一定的光照强度、光源波长等，故光合作用生物反应器在普通微生物培养发酵罐设计基础上还应考虑光源的选型和光源结构设置。本项目在主体结构设计上着重研究内置于反应器内的光照均匀、波长可选、光强可调节的LED光源，以及易于更换、便于操作使用的光源集成结构。

本项目设计的内置LED光生物反应器主体结构是在不锈钢罐顶部或底部制作多个法兰孔，将耐温、耐压、耐温度急变的硼硅玻璃简体植入不锈钢材质反应罐体内，在密封反应罐内将集成了高亮LED光源的支撑体通过玻璃简体放人反应器内部。反应器主体结构如图1所示。

1.2  设计独特的LED光源集成结构，实现光照均匀、波长可选和功率可调

本项目在光源上着重研发LED光源在光合生物反应器内的集成结构。根据不同的培养要求选择不同特性的高亮度LED，做了5种光合菌试验，即螺旋澡、微蓝澡、鱼腥藻7120、B胡罗卜素、叶绿素。试验结果表明，不同种类的光合生物对光源波长要求不同，并且在生长与合成阶段对光源的波长要求也不同。因此，必须据不同的培养对象选择适当的照射功率和光源波长，光源集成体应具有区块分割和方便更换的模块化结构，实现光源照射的均匀性和可选可调性。本项目设计制造的LED光源集成体实物图如图2所示。

1.3  发光二极管光源支撑体及密封结构设计

本项目中发光二极管光源内置于反应器，且反应器可高温高压灭菌，故作为光源的支撑体的材料必须具有高透明性，以及能耐受高温高压及温度急变等特性。光源支撑体的材料选定为硼硅玻璃，由于硼硅玻璃光柱与不锈钢罐体二种材料的热膨胀系数不同，容易引起硼硅玻璃破碎，为了有效解决这一问题设计了在结合处使用成型的硅胶密封圈，实验证明，该结构能很好解决这一难题，具体结构如下：插入罐内的耐温、耐压、耐温度急变的硼硅玻璃管与反应器联为整体，形成密闭反应空间。LED强制水冷集成支架放人玻璃筒，通过固定板与上夹紧法兰连接。LED光源透过玻璃筒体对反应器内部光合生物进行照射。该支撑体及密封结构使得反应器内的培养液与光源隔绝，防止对培养液的染菌，此特殊材料及结构也使光反应器可进行高温高压灭菌进行密封无菌培养。结构如图3。

1.4  采用强制水冷结构，解决光源散热问题

  在光生物反应器中，内置光源可能产生局部过热，从而影响微生物的培养效率，本项目采用拉制铝型材作为强制水冷集成支架解决这一难题。

  (1)拉制铝型材壁厚5 mm，壁内均匀拉制6个直径2.5 mm的孔作为冷却水通道。

  (2)在上、下端面，每相邻两孔为一组，间隔铣槽贯通。而上、下端面铣槽贯通孔相互交叉，从而保证冷却水在集成支架内上下互通。

  (3)根据照射强度换算为LED个数，在拉制孔相间壁上依次开孔，用于安装LED发光二极管。LED发光二极管与管壁紧贴。

以上结构使LED热量通过铝材管壁传导到冷却水从而完成强制冷却。结构如图4所示。

1.5采用离散流体磁力搅拌结构，确保介质的完全循环

  小型生物反应器都使用圆盘式磁力耦合联轴器，罐内一个磁力联轴器（上半部分），罐外一个磁力联轴器（下半部分）。由于内外磁力半联轴器之间的间隙越小上下联轴器之间的磁力就越大，这就要求反应器的磁力耦合上下联轴器之间隙必须尽可能小，但实际的使用和安装过程中上联轴器与罐底隔层总有一个距离，在搅拌时，其间的介质基本处于没有物质交流的“死区”，是可能导致反应器培养失败的隐患。

针对这一隐患，本项目独创离散流体磁力搅拌器，内磁力半联轴器内间隔嵌入耐高温永磁体，在内磁力半联轴器圆盘底部永磁体间隔内加工导流槽，在旋转时导流槽内介质被强制甩出，“死区”内介质补充入导流槽，而“死区”外介质补充入“死区”，从而完成介质循环。搅拌器结构如图5。

  该搅拌器具有以下优特点：①用焊接隔离套静态死密封取代动态机械密封，完全解决动态机械密封泄漏问题；②结构简单，易拆御，易清洗，无“死区”。

1.6全自动智能控制系统设计

  智能控制系统是光生物反应器的核心技术之一，除应具备一般微生物发酵罐的控制功能外，还应具备控制光合生物培养中的光照强度、光波选择和变换等功能，本项目采用以AT56C55和RTL8019AS芯片为核心的智能控制模块和触摸屏显示，自动控制光照强度及细胞培养的全过程。根据生物数学模型运算，预先设定培养过程各阶段的培养参数和光照强度，实现温度、浓度等参数的PID控制，pH、DO电极的标定运算及定时采集或变化采集批次发酵数据存储。

  同时，反应器与PLC控制系统相结合，实现智能模块与监控计算机之间的遥控、遥测、遥讯以实现在线网络监控功能。项目控制系统的开发任务主要包括人机界面功能设计、控制数字板电路设计、驱动执行隔离板设计、控制软件优化、数字式PID控制算法设计、联动设计、发酵监测软件设计。

控制器选用日本松下PLC为控制基础元件，控制系统分为上位机和下位机，控制系统由传感器现场检测_变送_信号处理_中央控制区_÷输出系统_执行系统等组成，控制系统下位机可以与上位机进行远程通讯和远程控制。控制系统结构如图6所示。

2  反应器性能分析

2.1技术性能指标

本项目设计制造的光生物反应器技术性能指标如表1所示。

2.2  光合菌培养性能分析

2.2.1  球型红杆菌连续培养试验

利用本项目设计制造的光生物反应器对球型红杆菌进行连续培养试验，试验数据如表2。

  从表2的实验结果可以看出，用光照摇床来进行实验室实验，在扩大培养时摇床的效率较低，培养操作性不大，外置光源式发酵槽和内置LED光源发酵罐都可以进行连续培养和生产，但在相同时间，产出同样发酵菌的情况下，用本项目设计制造的内置LED发酵罐所培养的菌浓度要高出10倍多，相同产量废液少，达到了节能降耗的效果。

2.2.2类胡萝l、素二次培养提取试验

本项目与天津科技大学海洋学院共同合作，在5L内置LED光源发酵罐进行类胡萝卜素二次培养提取试验，具体数据如表3所示。

  提取数据结果表明，相比外置日光灯光源发酵罐，5L内置LED光源的发酵罐在培养类胡萝卜素产量与菌体生物总量分别提高了60.5%和59. 9%。

3结语

  研究的反应器采用独特的内置LED光源集成结构、密封结构与冷却系统，以AT56C55和RTL8019AS芯片为核心的智能控制系统，除具有一般封闭式反应器的特点外，还具有多个优点，如光源波长可选，光强可控，能耗小，高效节能；采用罐体式，体积小，占地少；可高温高压灭菌，适用需无菌培养的光生物；全自动控制培养条件，如发酵罐温度、培养液pH、溶氧浓度(DO)等。

分析测试表明，在其他条件相同的情况下，用本项目设计的SL内置LED光源发酵罐，相比SL外置光源发酵槽，培养球型红杆菌的浓度要高出10倍多；相比5L外置日光灯光源发酵罐，培养类胡萝卜素产量与菌体生物总量分别提高了60.5 010和59. 9%，并且能耗较小，在国内生物工程行业中具有较强的竞争力。

4摘要：研究了具有光源波长可选、光强可控、能耗小、体积小、可高温高压灭菌和全自动控制培养条件的光生物反应器。采用独特的内置LED光源集成结构、密封结构与冷却系统，以AT56C55和RTL8019AS芯片为核心的智能控制系统设计该反应器。实验证实，在其他条件相同的情况下，设计的SL内置LED光源发酵罐相比SL外置光源发酵槽，培养球型红杆菌的浓度要高出10倍多，培养类胡萝卜素产量与菌体生物总量分别提高了60. 5%和59. 9%，并且能耗较小。