[發(fā)明專(zhuān)利]一種空間微藻光照系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610711633.2
• 申請(qǐng)日: 2016-08-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107779384A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-03-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭雙生;毛瑞鑫
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心
• 主分類(lèi)號(hào): C12M1/00
• 分類(lèi)號(hào): C12M1/00
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種空間微藻光照系統(tǒng)，應(yīng)用于載人航天等環(huán)境下小規(guī)模微藻的快速培養(yǎng)與研究領(lǐng)域。

技術(shù)背景

長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離和多乘員的載人空間飛行、深空探測(cè)和星球定居，必須依靠能實(shí)現(xiàn)物質(zhì)閉合循環(huán)的受控生態(tài)生保系統(tǒng)(CELSS)提供長(zhǎng)期的食物等生保物資供給。微藻具有光合效率高、生長(zhǎng)迅速、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高和富含抗氧化劑等特點(diǎn)，可以作為CELSS生物部件在大氣平衡調(diào)控和食物穩(wěn)定性供給等方面起到重要的補(bǔ)充和應(yīng)急作用。因此，結(jié)合太空環(huán)境下航天器資源緊缺、生態(tài)脆弱以及CELSS對(duì)生物部件的性?xún)r(jià)比及安全可靠性要求高等特點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)微藻高效培養(yǎng)是建立航天微藻生物部件的基礎(chǔ)。

實(shí)現(xiàn)空間微藻高效培養(yǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一是提高微藻的光能利用效率及產(chǎn)品品質(zhì)，然而，國(guó)內(nèi)外對(duì)這一技術(shù)的改進(jìn)還相對(duì)較少。微藻對(duì)不同光照強(qiáng)度的適用與藻種、藻液濃度及光質(zhì)等有關(guān)，過(guò)高或過(guò)低的光照強(qiáng)度都不利于微藻的生長(zhǎng)。微藻對(duì)不同光質(zhì)有不同的利用能力，光質(zhì)也能夠直接影響微藻的生長(zhǎng)和物質(zhì)合成。光周期可以在一定程度影響微藻的生長(zhǎng)繁殖。因此，必須針對(duì)微藻的生長(zhǎng)特性進(jìn)行光照培養(yǎng)。

近年來(lái)，LED憑借其能耗低、壽命長(zhǎng)、散熱少等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到照明領(lǐng)域中，而其波長(zhǎng)范圍窄等特點(diǎn)更使其成為微藻人工光源的不二選擇。然而，如何設(shè)計(jì)基于LED光源的光照系統(tǒng)，是建立空間微藻光生物反應(yīng)器的基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明需要解決的主要技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)空間微藻的培養(yǎng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種光強(qiáng)可調(diào)、光質(zhì)特定、光周期可控、節(jié)能高效的光照系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

光照系統(tǒng)由電路系統(tǒng)、燈板組件及光源柜組成；

電路系統(tǒng)由定時(shí)器和直流電源等組成，可通過(guò)定時(shí)器設(shè)定光周期；

燈板組件由兩塊鏡像對(duì)稱(chēng)的燈板組成，組合后為包圍在反應(yīng)罐周?chē)覠o(wú)上下底面的中空正六棱柱體結(jié)構(gòu)。每一側(cè)面有兩列、共20枚燈珠。受總光照強(qiáng)度、燈板調(diào)節(jié)方式限制，相對(duì)于柱形等其他多面體形狀，正六棱柱形為最優(yōu)選擇；

通過(guò)調(diào)節(jié)燈板與反應(yīng)罐的位置和角度，調(diào)控光照強(qiáng)度，調(diào)節(jié)范圍為2～6mW/cm²。根據(jù)光照強(qiáng)度對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響以及光在藻液中的光衰減效應(yīng)，共設(shè)置三個(gè)檔位：光照強(qiáng)度為3mW/cm²的1檔、光照強(qiáng)度為4mW/cm²的2檔、光照強(qiáng)度為4.5mW/cm²的3檔；

光源采用120枚發(fā)光功率為1W的LED燈構(gòu)成，每塊燈板上有60枚，分六列、每列10枚排布于燈板上。光源光質(zhì)采用80％LED紅燈+15％LED藍(lán)燈+5％綠燈組成，即96枚紅燈、18枚藍(lán)燈、6枚綠燈，波長(zhǎng)峰值分別為625nm、465nm和525nm。燈珠按照特定方式排列且方便更換；

光源柜由鏡面不銹鋼制成，且在燈板后方和正上方的柜面上安裝風(fēng)扇，為燈板散熱。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

1本發(fā)明根據(jù)光照強(qiáng)度對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響以及光在藻液中的光衰減效應(yīng)，共設(shè)置三個(gè)檔位，可以根據(jù)微藻生長(zhǎng)需求給予合適的光照強(qiáng)度，避免光照不足、減少光損傷、最大限度利用電能和光能。此外，本發(fā)明采用三色LED組合光源，不同燈珠的光照強(qiáng)度隨電壓的衰減程度不同，相對(duì)于通過(guò)電壓調(diào)控光照強(qiáng)度的傳統(tǒng)方式，調(diào)節(jié)燈板位置的方式可以避免因電壓變化帶來(lái)的光質(zhì)配比變化，保證光質(zhì)配比恒定，減少安全隱患和燈珠壽命損耗。

2本發(fā)明根據(jù)藻膽素和葉綠素對(duì)光譜的吸收特點(diǎn)以及試驗(yàn)驗(yàn)證，光源光質(zhì)采用80％LED紅燈+15％LED藍(lán)燈+5％綠燈組合，適應(yīng)于螺旋藻等藍(lán)藻生長(zhǎng)需求，節(jié)能高效。燈珠更換方便，可根據(jù)需求更換。

附圖說(shuō)明

圖1為空間微藻光照系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖；

圖2為光照系統(tǒng)的主視圖和俯視圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示：(2)燈板包圍在(1)反應(yīng)罐兩側(cè)，(3)風(fēng)扇安裝在(4)不銹鋼光源柜兩側(cè)及上方，正對(duì)兩個(gè)燈板和培養(yǎng)罐頂端。

(5)紅燈、(6)藍(lán)燈、(7)綠燈在燈板上的排列如圖2所示，呈六列排布。光源光質(zhì)采用80％LED紅燈+15％LED藍(lán)燈+5％綠燈組成，每塊燈板上有48枚紅燈、9枚藍(lán)燈、3枚綠燈。