[0001] 本发明涉及微生物培养技术领域，具体的是一种培养微藻的光生物反应器及其控制方法。

[0002] 微藻是一类能实现光能自养的单细胞藻类，能有效利用光能、CO2和无机盐类合成蛋白质、脂肪、碳水化合物以及多种高附加值生物活性物质，可以通过培养微藻生产药品、化妆品、保健品等产品，具有良好的经济效益。所以研制和开发新型高效的光生物反应器以及微藻的高密度培养是有必要的。

[0003] 现有技术公开了公开号为CN 116554991 A的中国专利：一种光生物反应器及微藻培养方法，并公开了微纳曝气组件，通过旋转式微纳曝气盘来降低生成气泡的直径，强化气液传质效果，同时，配合叶轮的旋转搅拌作用，降低微藻在反应器内壁的黏附，并且气泡可起到进一步的冲刷作用，有效避免微藻黏壁带来的光线遮挡问题。

[0004] 但是，上述的现有技术仍存在一定的缺陷，即在使用过程中，采用叶轮旋转搅拌的方式虽然能避免微藻黏壁带来的光线遮挡问题，但容易导致微藻局部过度集中，同样会造成光线遮挡的问题，且采用旋转式微纳曝气盘来降低生成气泡的直径，但多数气泡并未破裂，导致反应气体与微藻接触不充分。

[0019] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0020] 本发明的微藻培养属于生物产业中的一种，其中，光生物反应器属于培养光合微生物及其具有光合作用能力的组织或者细胞培养的培养装置中的一部分，用于对微藻进行培养。

[0021] 实施例1

[0022] 参照说明书附图1‑图4，本发明一实施例的一种培养微藻的光生物反应器，包括底架1，底架1顶部固定安装有托架2，托架2由下盘21、上盘22和固定连接上盘22与下盘21的连接杆23组成，其中，连接杆23呈环形均匀分布有多组，每组连接杆23均由两个L型杆231和螺纹连接于两个L型杆231对接端外侧的连接套筒232组成，且两个L型杆231的对接端采用插接式设计，方便快速对位，而将托架2设计为两段式结构，方便对培养管进行快速拆装，下盘21呈贯穿式安装有呈环形均匀分布的多个排管8和托管9，且排管8与托管9交替分布，上盘
22上对应每个排管8的位置均设有进液管，该进液管的内径小于排管8的内径，且进液管与排管8的相对端端面为水平共面设置，底架1内侧对应每个排管8的位置处固定设有防溅盘架11，用于防止排出藻液的过程中发生溅出底架1的情况。

[0023] 具体地，如图3和图12‑图14所示，上盘22与下盘21之间设有用于驱动培养管10进行切换位置的夹持换向机构4，夹持换向机构4由换向驱动部和管件夹持部组成；管件夹持部包括固定在下盘21顶部边缘位置的立柱41和位于立柱41顶部的环盘
42，环盘42底部开设有环槽，且立柱41顶端滑动连接于环槽内部，使得在利用立柱41支撑住环盘42的同时，不会阻碍换向驱动部来驱动环盘42进行转动，环盘42内侧开设有与培养管
10对应的半圆槽，半圆槽内侧中部开设有弧形槽道43；
弧形槽道43内侧两端分别活动插接有弧板一44和弧板二45，且弧形槽道43内侧两
端均固定设有用于对所在端的弧板一44以及弧板二45进行限制的限制弧条49，弧形槽道43内侧中部转动安装有由伺服电机驱动转动的齿轮二46，弧板一44与弧板二45相对端表面均固定设有与齿轮二46相啮合的弧形齿条一47，且弧板一44与弧板二45相背端内侧均固定设有弧形结构的夹块48，其中，半圆槽的半径与培养管10的外侧半径相等，同时，弧形结构夹块48的内半径与半圆槽的半径相等，通过将弧板一44与弧板二45采用同步伸缩式设计，方便对培养管10进行扣紧与松开，进一步地，限制弧条49分别设置在弧形槽道43的内侧顶部以及底部，且夹块48的高度等于弧形槽道43的内侧顶部与底部的限制弧条49之间的距离，可确保弧板一44与弧板二45进行稳定地伸缩变化；
换向驱动部包括固定套接在连接杆23外侧的托板410，托板410顶部固定安装有伺
服马达，伺服马达的输出轴端部固定连接有齿轮三411，环盘42外侧对应托板410的位置处固定设有与齿轮三411相啮合的弧形齿条二412。

[0024] 需要说明的是，在对培养管10进行夹持固定的过程中，是将培养管10扣合在半圆槽内部，然后通过伺服电机来驱动齿轮二46转动，利用转动的齿轮二来驱动弧板一44与弧板二45上的弧形齿条一47沿弧形槽道43发生相背方向的运动，从而驱动弧板一44与弧板二45上安装夹块48的一端伸出弧形槽道43，完成对培养管10的夹紧，使培养管10的轴心线始终处在多个排管8与多个托管9的轴心线所围成的圆形轨迹上；
当需要驱动培养管10在排管8与托管9之间切换位置时，是通过伺服马达来驱动齿
轮三411发生转动，并利用转动的齿轮三411来驱动弧形齿条二412发生运动，从而驱动环盘
42转动相应的角度，完成对培养管10在排管8与托管9之间所处位置的切换。

[0025] 具体地，如图3‑图4和图6所示，上盘22上对应每个托管9的位置均设有用于推动培养液进行流动的循环流动机构5，且呈对应设置的托管9与循环流动机构5之间设有培养管10，培养管10由外管和内管组成，外管内侧与内管外侧之间固定设有连接柱，其中，内管两端相较外管的对应端而言均为下沉式设计，方便藻液（含微藻的培养液，下同）在内、外管之间往复流动；
循环流动机构5包括固定在上盘22底部对应托管9位置处的限位架51和固定安装
在上盘22顶部对应托管9位置处的气缸二52，其中，限位架51的底端面与和托管9完成对接后的培养管10上端面呈水平共面设置，且限位架51不会对内管造成遮挡，气缸二52的伸缩端端部固定连接有与内管内径相适配的活塞53。

[0026] 需要说明的是，在对微藻进行培养的过程中，可以利用限位架51对培养管10的上端进行限位，然后通过气缸二52推动活塞53伸入内管内部，并推动活塞53在内管内部进行往复升降运动，此过程中，当活塞53由上往下行时，会推动内管内侧的藻液往下排出内管，而后又经内关于外管之间的环腔回流至内管内部，而在活塞53由下往上行时，则会推动内管内侧的藻液往上排出内管，而后又经内关于外管之间的环腔回流至内管内部，此种藻液流动的方式可以有效避免微藻黏壁带来的光线遮挡问题，同时，也可以有效缓解微藻细胞本身带来的遮光。

[0027] 具体地，如图3和图7所示，上盘22与下盘21之间设有用于对培养管10内部的微藻提供光照的光源机构6，光源机构6包括罩框62和安装在罩框62内侧轴线位置处的灯管61，罩框62与下盘21之间固定连接有柱脚，罩框62外侧固定嵌装有与培养管10对应的导光板63，其中，罩框62的设置可以有效避免不同培养区域的光照之间产生相互影响，导光板63内侧自上而下等距设有多个遮挡块65，可以利用遮挡块65将培养管10的受光区划分为多个明暗交替的区域，让流动的藻液反复在光暗区之间交替循环流动，形成闪光效应，促进微藻的光合作用；
罩框62内侧对应导光板63的位置固定设有U型架64，U型架64中部对应所在导光板
63上的透光区位置处固定嵌装有滤光片68，滤光片68由自上而下顺次设置的红、绿、蓝三色滤光单片组成，U型架64两侧对应每个滤光单片的位置均固定安装有电动推杆66，每个电动推杆66的伸缩端端部均固定连接有L型遮板67，可以通过电动推杆66来推动对应L型遮板67对所在区域的滤光单片进行局部遮挡或全部遮挡，实现对不同色光的照射量进行调整。

[0028] 需要说明的是，在对培养管10内部的微藻提供光照的过程中，是利用滤光片68对灯管61发出的光进行过滤，并通过导光板63引导透过滤光片68的光照射至培养管10上，让培养管10内部的微藻发生光合作用，此过程中，可以预先通过电动推杆66来推动对应L型遮板67对所在区域的滤光单片进行局部遮挡，使各个培养工位的透光区上滤光片68的三色滤光单片遮挡量保持一致（二氧化碳供应量不一致），并在培养期间不定期采用光密度法来测定微藻培养过程中的生物量变化，然后根据测定的结果来对各滤光单片上的透光面进行调整；同样地，还可以在调节透光面大小的过程中，使各个培养工位的透光区上滤光片
68的三色滤光单片遮挡量不保持一致（二氧化碳供应量充足），但每个培养工位上各透光区的滤光单片遮挡量相同；
以上是该光生物反应器用作实验室微藻培养过程中确定最优培养条件，当将该光
生物反应器投入生产应用的后，则需要使各培养工位均处于最优培养条件下进行培养。

[0029] 具体地，如图3‑图8所示，底架1与托架2之间设有用于驱动培养管10进行连续自转的转动机构3，转动机构3由转动驱动部和对接卡位部组成，转动驱动部包括安装在底架1内侧对应位灯管61置处的驱动电机，驱动电机的输出轴端部固定连接有齿轮一31，每个托管9外侧均固定套设有与齿轮一31相啮合的齿圈32，托管9通过轴承转动安装于下盘21上，且每个托管9外侧位于下盘21上、下端面的位置均固定套设有限位环板14，其中，可以将托管9与下盘21之间设置为转动安装结构，使得在齿轮一31转动的过程中，能够驱动各个托管9进行同步转动；对接卡位部包括固定安装在罩框62底部的气缸一37和固定套设于培养管10外侧
底端的环块13，气缸一37的伸缩端端部固定连接有升降盘33，且罩框62底端的柱脚活动贯穿升降盘33，环块13上贯穿开设有卡孔36，培养管10内侧对应环块13的位置处转动安装有由伺服电机驱动的翻转盘12，可以利用翻转盘12来对培养管10的底端口进行封堵，使培养管10在切换位置的过程中不会发生漏液的情况；
对接卡位部还包括活动套设于托管9外侧的套环34，套环34外侧开设有T型环槽，
升降盘33外侧对应套环34的位置处固定设有滑动安装于T型环槽内部的T型卡板，T型环槽与T型卡板的设置，可以使得套环34在相对升降盘33发生转动的过程中，二者不会发生脱离的情况，套环34顶部对应所在位置环块13上的卡孔36位置处固定设有卡筒35，卡筒35内部活动套接有贯穿套环的卡柱，且卡柱底端与对应托管9外侧位于下盘21上方的限位环板14固定连接，其中，卡筒35顶端在插入至对应位置的卡孔36内部后，卡柱顶端仍保持插接于卡筒35内部的状态，确保托管9在发生转动的过程中，能够带动培养管10同步发生转动，让培养管10内各区域的微藻均能充分接受光源照射。

[0030] 需要说明的是，在驱动培养管10进行自转使其内部各区域的微藻均能充分接受光源照射的过程中，是通过气缸一37推动升降盘33向下运动，让卡筒35顶端低于环块13底端面所在的水平面，当装有培养液和目标微藻藻种培养管10随环盘42转动切换至托管9正上方后，控制气缸一37带动升降盘33上升，让卡筒35插接至环块13上的卡孔36内部，此时，通过驱动电机驱动齿轮一31转动，利用转动的齿轮一31驱动套设有齿圈32的托管9转动，从而带动培养管10同步发生转动，此过程中，当培养管10被切换至托管9正上方后，托管9与培养管10的对接区通过密封圈密封，此时，通过伺服电机来驱动翻转盘12发生转动，解除对培养管10底端开口的封堵状态，其中，该密封圈可以直接固定在托管9的上端面上。

[0031] 具体地，如图4‑图6和图9‑图11所示，每个托管9内侧均设有供气机构7，供气机构7包括固定设于托管9内侧的堵头71，堵头71底端转动安装有固定在底架1上的供气管72，该供气管72上安装有单向阀，用以防止藻液回流至供气管72内部，且堵头71内侧开设有环形嵌槽，环形嵌槽内部活动嵌装有扩散盘73和用于对扩散盘73进行卡固的定位件74，其中，扩散盘73的底端面中心位置设有V型结构的弧状凸起，用以引导供送二氧化碳气体过程中的产生的气泡呈环形扩散至气孔区，并利用气孔区对将气泡挤破释放出二氧化碳与微藻充分接触，同时，形成小气泡逸散至培养管10的上端，并在藻液反复流动的压力下将小气泡进一步挤破释放出二氧化碳，进一步提高二氧化碳的利用率；定位件74包括固定在环形嵌槽内侧的柱杆741和贯穿设于扩散盘73上的穿孔，且
柱杆741贯穿设于对应的穿孔内部，柱杆741外侧贯穿开设有穿槽744，柱杆741顶部开设有与穿槽744相连通的方槽，方槽内部活动穿设有方柱743，方柱743的两端分别固定连接有圆板742和推块748；
穿槽744内部活动套接有两个梯形块745和固定设于穿槽744内侧中部的两个耳块
746，两个梯形块745相对侧与耳块746之间均固定连接有弹簧747，其中，弹簧747处于自然状态时，两个梯形块745的相对侧底端为接触设置，此时，两个梯形块745均恰好被完全收纳至穿槽744内部，从而不会阻碍扩散盘73扣合至环形嵌槽内部，并拟定该状态为初始状态，推块748两侧均开设有V型槽749，且穿槽744内侧对应V型槽749的位置处设有弹性卡头
7410，其中，弹性卡头7410由连接弹簧、插柱和与插柱固定连接的V型块组成，且穿槽744内侧对应V型槽749的位置处开设有柱孔，插柱一端插接于柱孔内部，而连接弹簧则套设于插柱外侧，且连接弹簧两端分别于V型块和穿槽744内壁固定连接。

[0032] 需要说明的是，在安装扩散盘73的过程中，当柱杆741穿设于扩散盘73上的定位孔内后，向下按压圆板742，利用方柱743推动推块748向下运动，使两个梯形块745在推块748的推动下发生相背运动，并拉伸对应位置的弹簧747，待向下运动的推块748与弹性卡头7410上的V型块接触后，继续向下按压圆板742，让插柱向柱孔内部收缩，并压缩连接弹簧，当推块748表面的V型槽749与V型块对应后，V型块会在连接弹簧的恢复力作用下逐渐插入至对应的V型槽749内部，实现对当前状态的两个梯形块745进行限位，完成对扩散盘73的安装固定。

[0033] 在上述技术方案中，所提及的伺服电机采用的是型号为JSMA‑PUC02D的伺服驱动器；所提及的伺服马达采用的是型号为JSDL2‑10A1的伺服驱动器；所提及的气缸一37和气缸二52采用的是型号为DSA25N200的单动气缸；所提及的电动推杆66采用的是型号为HB‑DJ801的电动推杆；所提及的驱动电机采用的是型号为R380的微型电机。

[0034] 一种用于对上述的培养微藻的光生物反应器进行控制的方法，具体包括如下操作步骤：S1、建立光生物反应器：向培养管10内注入培养液和目标微藻的藻种，并将培养管
10置于托管9上方，调整好光照强度和二氧化碳供应速度；
S2、启动培养：利用驱动电机驱动齿轮一31转动，使培养管10在齿轮一31的带动下
发生自转，同时，利用气缸二52将活塞推入内管内，并在内管内部发生往复升降运动，使藻液在内管与外管之间往复流动；
S3、培养条件调控：采用光密度法（即基于微藻在特定波长下的吸光度与细胞密度
之间的线性关系，通过测定微藻的光密度，可以较准确地计算出藻液的生物量、生物质干质量和细胞密度）来测定微藻培养过程中的生物量变化，并根据测定值来对不同色光的供应面以及二氧化碳供应速率进行调节；
S4、再培养：初培养完成后，利用翻转盘12阻断培养管10底端开口，并通过换向驱
动部来驱动管件夹持部将培养管由托管9处切换至排管8处，排出藻液，随后注入新培养液，利用截留在托管9内侧的初培藻液作为藻种进行再培养。

[0035] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。