摘要 [目的]為提高微藻光生物反應器的培養參數控制能力，建立起先進、穩定的微藻培養測控系統，進而提高微藻生產產量和品質。[方法]通過分析微藻培養過程參數確定擬設計綜合測控系統的監測參數和控制參數，設計并研制出通用型綜合測控系統，開展完整批次的微藻培養測試。[結果]測控系統穩定運行，光照、溫度、pH、溶解氧的變化趨勢相互印證，葉綠素熒光參數和RGB譜很好地反映出微藻細胞光合系統的生理狀態，系統測量的自動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。[結論]微藻綜合測控系統設計合理、運行穩定、自動化程度高，很好地反映了微藻生產過程中的狀態和趨勢，實現了微藻生產過程的可控培養。

　　關鍵詞 微藻培養;光生物反應器;測控系統;培養試驗

　　微藻作為光合自養微生物，由于其光合作用效率高、細胞生長快、不占用耕地、可連續生產等優點，被認為是營養品、食品、醫藥、生物基化學品以及可持續生物質能源生產的原料來源[1-3]。微藻產業化應用的前提是獲得低成本的微藻生物質原料，而其中的核心是精準可控的微藻大規模培養。光生物反應器是微藻培養的關鍵設備，微藻培養綜合測控系統是光生物反應器的重要組成部分，先進、穩定的控制系統可以使藻類的生長環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模培養的目的。

　　該研究通過分析微藻培養過程控制參數的需求，確定測控系統的監測參數和控制參數，不同于一般的以環境參數或部分生理參數研究，該研究將生產過程參數全部集成在一個系統中，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，進行綜合測控系統的設計、儀器儀表選型，研制出通用型綜合測控系統;通過開展完整批次的微藻培養試驗，對綜合測控系統進行測試，通過數據分析，驗證測控系統的可靠性和穩定性，實現微藻生產過程的可控培養。

　　1 微藻培養過程及測控參數

　　在微藻生產全產業鏈各環節中，藻種篩選是基礎，規模化培養是關鍵，應根據藻種適應的特定環境和獲取的特定產物確定規模化培養方式。微藻的培養方式分為光自養、異養和混養。其中，光自養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勢，是目前微藻規模化培養的主要方式[4]。光自養培養過程中，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，發現其生長時間縮短，生物量總量降低，但脂質積累增多。

　　實現微藻大規模培養的關鍵是構建微藻生長的光生物反應器系統。光生物反應器是利用光源培養微藻的生物反應器，是實現規模化培養微藻的基礎裝置[5]。微藻的生長和目標產物的積累受到物理(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物)、生物(生物質濃度、細胞生化組成、細胞形態、生理狀態、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]。

　　結合微藻光合自養生長的需求和自動化技術的實現能力，該研究擬研制微藻培養過程綜合測控系統(簡稱“測控系統”)的參數(包括監測參數和控制參數)。監測參數分為環境參數和生理參數，環境參數包括溫度、光強、pH、溶解氧，生理參數包括光密度OD、生物質干重、葉綠素熒光、吸收光譜(RGB譜)。生理參數可以從不同角度反映微藻的生理狀態，OD值反映了微藻細胞濃度，與微藻的生物質干重呈正相關;葉綠素熒光參數可以反映出微藻光合系統的活力狀態;RGB譜與微藻體內積累的色素有關，可以反映出微藻不同色素及代謝產物積累的變化。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控二氧化碳供給和光強實現[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成分的關系成功模擬了微藻在不同狀態下的生物質成分變化[10]。系統控制參數包括二氧化碳調節量、降溫冷卻水量和電機變頻參數。

　　2 測控系統設計與研制

　　2.1 系統設計

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

　　基于對微藻培養特點的分析，兼顧兼容性和拓展性進行開發，測控系統由測定系統、運算控制單元、人機交互、控制執行單元和信息發布五大主要部分構成。如圖1所示，各部分構成如下。

　　(1)測定系統。微藻培養過程中的環境參數和生理參數的測定。環境參數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，所測得數據為連續測定。生理參數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，測量數據為批次測量。所測定的各項參數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。基于PC上位機的專用控制器，能夠根據各個儀表采集的模擬信號，進行數字轉化，在控制單元內進行解析計算，獲得監測參數數據。根據設定的參數標準值，采用專用控制算法進行各參數的綜合計算，獲得控制參數輸出值，用于控制各個執行器的執行。

　　(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值、歷史曲線、報警，同時將數據存儲在上位機內。

　　(4)控制執行單元。主要包括pH控制、溫度控制和藻液流量控制3個部分。pH通過控制質量流量計輸送的二氧化碳流量進行調控，溫度通過控制冷卻水量進行調控，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值范圍內。

　　(5)信息發布。微藻培養過程各項參數通過RS-485通訊送入到DCS中央控制系統中，聯合其他光生物反應器和上下游設備，實現微藻生產全流程控制，同時將數據發布到云端，實現在工廠內和全國各地不同網絡終端查詢和操作，提高微藻工廠的自動化和信息化水平。

　　2.2 系統參數與主要特點

　　微藻培養綜合測控系統的目標是提供高兼容性的一體化微藻培養自控解決方案。該系統的主要設計參數見表1。

　　基于測控系統的設計目標和參數要求，系統具有以下特點：

　　①高適配性，可以與目前已有的不同培養系統匹配使用，實現即插即用，不針對特定的反應器;

　　②針對微藻培養特點的集成化微藻光學測定系統，包括OD、葉綠素熒光、RGB光譜，能夠實現微藻培養過程中常用光學特征表征，具有自動清洗功能;

　　③測控結合，與現有系統主要依靠預先設定參數控制不同，能夠實現真正的全參數反饋調控，可以根據試驗設計自由設定。

　　2.3 系統研制

　　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，培養體積10 t，依托該反應器安裝各種儀表，成功搭建微藻培養過程測控系統。光生物反應器與測控系統如圖2所示，軟件系統界面如圖3所示。

　　3 測控系統測試與數據分析

　　微藻綜合測控系統完成調試后，以管道式光生物反應器為控制對象，以某柵藻種為培養藻種，在河北省廊坊市生產基地進行連續培養16 d(2016年11月12—27日)的完整批次的培養過程試驗，系統運行正常，測控系統完整地記錄下相關數據。