智能化微藻培养箱初步设计.pdf

设备管理
智能化微藻培养箱初步设计
赵方诺(山西省知达实验学校,山西太原03000
摘要:为满足国内外在可再生能源领域、CO减排及天然产排放的CO2有很好的应用前景。虽然,通过通入CO2来提高微
物开发等诸多重要领域徹藻研发的需要,因此设计开发一套能藻生长速率已经被公认,并被有些实验室采用,但由于没有专
对光质和CO2进行精确控制的微藻智能培养系统,对于微藻的门]的可以控制CO浓度的培养设备,使这一操作很难规范化,更
高效培养具有十分重要的意义
难以普及。不仅如此,目前对于微藻的固体培养还很难实现补
关键词:微藻;培养;光质;CO2;智能化培养箱
加CO2气体,而微藻的固体培养在微藻研发实验室是非常重要
Ⅰ藻培养硏究现状
的培养过程,如藻种的筛选,改造等都需要对微藻的固体培
进入21世纪,现代社会的发展面临着资源短缺与全球气侯养。因此,为实现微藻研发实验室统一、规范化通入CO培养
变暖两大间题。开发利用光合自养微生物微藻,直接将太阳能以提高微藻的生长效率缩短微藻的研发周期,迫切需要可
及温室效应气体CO转化成人们生产生活需要的医药、生物基通人CO、并对CO:浓度进行有效控制的微藻培养箱。CO2培养
化学品(如天然色素、异戊二烯等)和生物能源(如乙醇、丁醇
箱已在动物细胞培养中广泛应用。
生物柴油等)的工业生物技术,是解決人奖目前而临的资源、能4智能化微藻培养箱初步设计
源及环境危机的替在有效手段。
为满足国内外在可再生能源领域,CO2减排及天然产物开
微藻是光合自养微生物,可以进行与高等植物相似的光合发等諸多重要领域微藻研发的需要,因此设计开发一套能对光
作用,印能通过光合作用利用太阳能将CO.转化为有机物。虽质和CO进行精确控制的微藻智能培养系统,对于微藻的高效
然微藻光合作用与高等植物的光合作用相似,但微藻的光合作培养具有十分重要的意义。
用效率要远高于高等植物。与高等植物相比,微藻具有高光合
微藻智能培养系统由一个箱体组成,外部需要供电、供水
效率、高生长速率、不占用耕地和淡水、易于基因操作、代谢多及供应气体(C0),内部由一个嵌入式系统为核心,构成一个可
样性等优点,使其成为生产生物燃料、生物基化学品、天然产物实现温度、湿度、光强(光质)、气体浓度可实时监测与控制,并
开发及固定CO:解决环境问题的理想生物,这激发了科研人员可实现友好人机交互的智能化系统。其中,箱体分为位于顶部
对微藻研究的极大热情。近年来世界各国纷纷加大对微藻研的族人入式控制器层与分列三层的培养抽屉,抽屈与抽屉之间采
发的投入力度,全球微藻研发实验室数量与日俱增
用隔板分离,每层抽屉构成单独的培养空间,可对一种藻类进
2光质对微藻生长影响
行培养试验。隔板可向上下移动5 CM/IOCM,这样空间可根据
光照对微藻的生长发育影响包括光质、光强和光照周期
不同藻类的生长条件进行合理的光强调配利用。
4.1主控模块:MCU采用NXP公司的ARM7处理器
由于对光强和光周期的控制容易实现,因此国内外在光强和光
LPC214,其可靠的运行速度、丰富的系统资源、应用外设以及标
周期对微藻生长影响方面研究的已经比较清楚,而关于光质对
微藻生长的研究还比较少。但从一些初步的研究结果中可以准的各类接口,可方便实现各类输入信号与输出信号的采集与
控制。RTOS(实时操作系统)采用源码开放的UCOS-ll,其具有
看出,光质对微藻的影响更为重要。不同微藻对不同光质的利
可移植性、可固化、可裁剪性、占先式等特点,可实现实时性强、
用是由其细胞内所含色素蛋白的不同决定的,如红藻中藻红蛋
白的存在决定了其对绿光和蓝光的吸收利用。此外,不同光历可靠性高的多任务调度。
4.2电源模块:培养箱的氅体电源采用外接的220V5OHz交
的光源对微藻某些天然产物的积累有一定诱导作用,如绿光可
流电压,首先通过ACDC-的变换器变换,将AC电压转换到12V
以诱导蓝藻、红藻积累昂贵的藻红蛋白,而蓝光有利于促进雨
与5V的直流电压,用于智能化系统的电源供应。再通过开关
生红球藻积累虾青素。
电源芯片将5V电压转换为3.3V与1.8V电压输出,以方便控制
3CO2对微藻生长影响
芯片与外设的电源驱动。
无机碳是光合自养微生物微藻赖以生长的重要碳源。适
4.3监测模块:監测模块包括温度监测、湿度监测、光强检
合微藻生长的无机碳源有两种:一种是碳酸盐,一种是CO2气测以及CO2浓度监测各部分。其中温度监测传感器采用18B0
体。虽然在微藻培养基中加入碳酸盐比较方使,但碳酸盐无法。专用芯片,其与MCU通过单总线连接,由于MCU本身没有带单
完全取代CO2,这是由微藻对无机碳的利用机制决定的。通入总线接口,故通过GPI(O进行单总线模拟。湿度监测传感器拟
定浓度的CO可以促进微藻生长,实现对微藻的快速、高细胞采用CHM-02器件,其输出电压信号可通过AD转换器与MCU
密度培养已经在业内达成共识。但不同微藻有不同的最适C(O2相连。光强监测采用光敏传感器,其输出电压信号可通过MD
浓度范围,过高的CO:浓度反而会抑制微藻的生长。此外,不同转换器与MCU相连。CO2浓度监测采用CMD2010型器件,其输
微藻对CO2浓度的耐受程度不同,如有些绿藻可以耐受40%的出电压信号可通过MD转换器与MCU相连。
CO),这些对高浓度CO2有耐受性的微藻在用于固定工业废气中
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万方数据
2015年11月化?123