CN103540521B - 深海冷泉模拟及低温高压微生物培养系统 - Google Patents

深海冷泉模拟及低温高压微生物培养系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及环境模拟及微生物培养技术领域，特别是指深海冷泉模拟及低温高压微生物培养系统，包括用于传送气体、液体的管道，还包括：高压底物配料单元，用于均匀混合高压气体和高压海水，获取溶解有高浓度气体的高压海水培养基；低温高压培养单元，用于在低于50℃适合于中温和低温微生物生长的温度且高压条件下培养微生物；气体供应单元，用于为高压底物配料单元和低温高压培养单元提供高压气体；流动控制单元，用于控制高压底物配料单元和低温高压培养单元内的压强，以及连续培养过程中的流速；气体监测控制单元，用于检测环境中可燃气体的浓度，判断底物配料单元和低温高压培养单元中可燃气体是否泄漏，并根据判断结果及时报警或自动切断气体供应单元供气。

Description

深海冷泉模拟及低温高压微生物培养系统
技术领域
本发明涉及微生物培养技术领域，特别是指一种深海冷泉模拟及低温高压微生物培养系统。
背景技术
深海是全球最大的独立生态系统，包括深层海水（deeplayerwater），表层沉积物（toplayersediment）以及冷泉（coldseep）、热液（hydrothermalvent）、多金属结核区（metallicnodules）等地质结构。深海深部生物圈的微生物生物量占全球总量的90%。从深海检测到的微生物与其他环境的微生物有明显差异，具有独特代谢途径、信号传导和防御机制，是研究早期生命过程与地球环境演化的活化石，具有无可替代的科学价值。蕴藏着最丰富的微生物资源，是联合国关注的“人类共同继承财产”。海水70%的海洋是处在38MPa以上的高压环境。因此深海微生物适应了高压环境，具有耐压性甚至嗜压性。高压是深海区别于其他生态系统的一个基本环境参数。冷泉是在海床的某些地点，富含甲烷、碳水化合物、硫化氢等化学物质的深层空隙水沿着地壳岩层裂缝渗漏到海底表面，或者以泥火山(mudvolcano)的形式与泥浆、岩石等一起喷发到海底表面。冷泉的温度与周围海水温度相似，这一点与热液有显著区别。冷泉微生物繁殖速度很慢，生态系统需要数年，甚至数十年才能形成。对冷泉微生物的富集需要长期稳定提供高浓度甲烷的流动式高压培养设备。这一特殊的设备需求成为冷泉微生物研究领域长期以来面临的瓶颈。
发明内容
本发明要解决的技术问题提供一种设备系统模拟深海冷泉这一类型的有活跃地质活动的特殊深海环境，解决了安全供气、气液混合、温压控制、连续运转四个技术难题。用于对深海冷泉生态系统的实验室模拟并对冷泉微生物的培养，突破了深海微生物研究的一个关键技术瓶颈。
为解决上述技术问题，本发明的实施提供一种深海冷泉模拟及低温高压微生物培养系统，包括用于传送气体、液体的管道，还包括：
高压底物配料单元，用于均匀混合高压气体和高压海水，获取溶解有高浓度气体的高压海水培养基；
低温高压培养单元，用于在低于50℃适合于中温和低温微生物生长的温度且高压条件下培养微生物；
气体供应单元，用于为高压底物配料单元和低温高压培养单元提供高压气体；
流动控制单元，用于控制高压底物配料单元和低温高压培养釜单元内的压强，以及连续培养过程中的流速；
气体监测控制单元，用于检测环境中可燃气体的浓度，判断底物配料单元和高压培养单元中可燃气体是否泄漏，并根据判断结果及时报警或自动切断气体供应单元供气。
作为优选，所述的气体供应单元包括气瓶、调压阀、用于向高压底物配料单元输送气体的输气口和用于将存留在管道里的气体放空的排气口，所述调压阀和气瓶之间设有电磁阀，所述气体监测控制单元还用于控制电磁阀的开关；所述排气口和气瓶之间设有阀门和阻燃器。
作为优选，所述的高压底物配料单元包括气体缓冲瓶、培养基、盛有高压气体和高压海水的高压配料釜；所述气体缓冲瓶下端通过管道连通至高压配料釜；所述气体缓冲瓶上端与气体供应单元中输气口相连；所述高压配料釜上端设有防止内部气压过高导致爆破的第一防爆膜和第一安全阀；所述高压配料釜（23）还设有用于搅拌混合高压气体和高压海水的防爆电控搅拌器；所述高压配料釜还设有用于显示釜内压强的第一压力表；所述培养液通过管道连通至高压配料釜，其中用于连通培养基和高压配料釜的管道上设有第一取样口。
作为优选，所述的低温高压培养单元包括低温高压培养釜和废液缸；所述低温高压培养釜通过管道与废液缸相连通；所述低温高压培养釜放置在自动控温培养箱内；所述低温高压培养釜上端设有防止内部气压过高导致爆破的第二防爆膜和第二安全阀；所述低温高压培养釜还设有用于显示釜内压强的第二压力表；所述高压配料釜底部通过管道和阀门连通至低温高压培养釜釜顶；连通高压配料釜和低温高压培养釜的管道上设有第二取样口；用于连通低温高压培养釜和废液缸的管道上设有第三取样口，所述第三取样口和背压阀之间的管道上还设有用于避免低温高压培养釜内流出液体中含有颗粒物对背压阀造成伤害的过滤器。
作为优选，所述的流动控制单元包括第一液体计量泵、第二液体计量泵和背压阀；所述第一液体计量泵位于培养基和第一取样口之间的管道上；所述第二液体计量泵位于第二取样口和低温高压培养釜之间的管道上；所述背压阀位于过滤器和废液缸之间的管道上。
作为优选，所述的气体监测控制单元包括可燃气体侦测器、控制系统和报警单元；所述可燃气体侦测器，用于检测环境中可燃气体的浓度；所述控制系统，用于根据可燃气体侦测器检测到环境中可燃气体浓度超过预设值时发出控制信息和报警信息；报警单元，用于通过报警信息发出报警信号，通知工作人员可燃气体泄漏；所述控制系统还用于发出控制信息控制电磁阀的开关。
作为优选，所述高压配料釜为搅拌型高压釜。
作为优选，所述低温高压培养釜为非搅拌型高压釜，并且釜内径小于釜内高，有利于深海沉积物的沉降，避免培养过程中生物的流失。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：结构简单，技术合理。培养基组成、气体分压、培养压强、培养温度、物质流动速度等环境参数可控，满足深海冷泉这一类型的低温高压长期有气相底物喷发的环境模拟。培养方式为静置式或流动式。另外，在系统安全性上考虑，我们设计了在气源上自动报警和自动切断、在配料釜和培养釜上防爆膜和泄压阀双重保护、在电控搅拌上配备防爆模块，能够保证系统的长期稳定安全运行。另外系统的各个组成相对独立，具有很大的升级空间。
附图说明
图1为本发明的一种深海冷泉模拟及低温高压微生物培养系统的原理框图；
图2为本发明的一种深海冷泉模拟及低温高压微生物培养系统实施的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的不足提供一种深海冷泉模拟及低温高压微生物培养系统，如图1所示，包括用于传送气体、液体的管道，还包括：
高压底物配料单元2，用于均匀混合高压气体和高压海水，获取溶解有高浓度气体的高压海水培养基；
低温高压培养单元3，用于在低于50℃适合于中温和低温微生物生长的温度且高压条件下培养微生物；
气体供应单元1，用于为高压底物配料单元2和低温高压培养单元3提供高压气体；
流动控制单元4，用于控制高压底物配料单元2和低温高压培养单元3内的压强，以及连续培养过程中的流速；
气体监测控制单元5，用于检测环境中可燃气体的浓度，判断底物配料单元2和低温高压培养单元3中可燃气体是否泄漏，并根据判断结果及时报警或自动切断气体供应单元1供气。
如图2所示，所述的气体供应单元1包括气瓶11、调压阀12、用于向高压底物配料单元2输送气体的输气口13和用于将存留在管道里的气体放空的排气口14，所述调压阀12和气瓶11之间设有电磁阀16，所述气体监测控制单元5还用于控制电磁阀16的开关；所述排气口14和气瓶11之间设有阀门和阻燃器15。
高压底物配料单元2包括气体缓冲瓶21、培养基22、盛有高压气体和高压海水的高压配料釜23，所述气体缓冲瓶21下端通过管道连通至高压配料釜23；所述气体缓冲瓶21上端与气体供应单元1中输气口13相连；所述高压配料釜23上端设有防止内部气压过高导致爆破的第一防爆膜24和第一安全阀25；所述高压配料釜23还设有用于搅拌混合高压气体和高压海水的防爆电控搅拌器26；所述高压配料釜23还设有用于显示釜内压强的第一压力表27；所述培养液22通过管道连通至高压配料釜23，其中用于连通培养基22和高压配料釜23的管道上设有第一取样口28。
所述的低温高压培养单元3包括低温高压培养釜31和废液缸32；所述低温高压培养釜31通过管道与废液缸32相连通；所述低温高压培养釜放置在自动控温培养箱33内；所述低温高压培养釜31上端设有防止内部气压过高导致爆破的第二防爆膜34和第二安全阀35；所述低温高压培养釜31还设有用于显示釜内压强的第二压力表36；所述高压配料釜22底部通过管道和阀门连通至低温高压培养釜31釜顶；连通高压配料釜22和低温高压培养釜31的管道上设有第二取样口37；用于连通低温高压培养釜31和废液缸32的管道上设有第三取样口38，所述第三取样口38和背压阀43之间的管道上还设有用于避免低温高压培养釜31内流出液体中含有颗粒物对背压阀43造成伤害的过滤器39。
所述流动控制单元4包括第一液体计量泵41、第二液体计量泵42和背压阀43；所述第一液体计量泵41位于培养基22和第一取样口29之间的管道上；所述第二液体计量泵42位于第二取样口37和低温高压培养釜31之间的管道上；所述背压阀43位于过滤器39和废液缸32之间的管道上，所述第一液体计量泵和第二液体计量泵可以设定压强的上限和下限，当系统故障导致压强范围超过设定值时自动停止运行。
气体监测控制单元5包括可燃气体侦测器51、控制系统52和报警单元53；所述可燃气体侦测器51，用于检测环境中可燃气体的浓度；所述控制系统52，用于根据可燃气体侦测器51检测到环境中可燃气体浓度超过预设值时发出控制信息和报警信息；报警单元53，用于通过报警信息发出报警信号，通知工作人员可燃气体泄漏；所述控制系统52还用于发出控制信息控制电磁阀16的开关。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.深海冷泉模拟及低温高压微生物培养系统，包括用于传送气体、液体的管道，其特征在于，还包括：
高压底物配料单元(2)，用于均匀混合高压气体和高压海水，获取溶解有高浓度气体的高压海水培养基；
低温高压培养单元(3)，用于在低于50℃适合于中温和低温微生物生长的温度且高压条件下培养微生物；
气体供应单元(1)，用于为高压底物配料单元(2)和低温高压培养单元(3)提供高压气体；
流动控制单元(4)，用于控制高压底物配料单元(2)和低温高压培养单元(3)内的压强，以及连续培养过程中的流速；
气体监测控制单元(5)，用于检测环境中可燃气体的浓度，判断高压底物配料单元(2)和低温高压培养单元(3)中可燃气体是否泄漏，并根据判断结果及时报警或自动切断气体供应单元(1)供气；
所述的高压底物配料单元(2)包括气体缓冲瓶(21)、培养基(22)、盛有高压气体和高压海水的高压配料釜(23)；所述气体缓冲瓶(21)下端通过管道连通至高压配料釜(23)；所述气体缓冲瓶(21)上端与气体供应单元(1)中输气口(13)相连；所述高压配料釜(23)上端设有防止内部气压过高导致爆破的第一防爆膜(24)和第一安全阀(25)；所述高压配料釜(23)还设有用于搅拌混合高压气体和高压海水的防爆电控搅拌器(26)；所述高压配料釜(23)还设有用于显示釜内压强的第一压力表(27)；所述培养基(22)通过管道连通至高压配料釜(23)，其中用于连通培养基(22)和高压配料釜(23)的管道上设有第一取样口(28)；
所述的低温高压培养单元(3)包括低温高压培养釜(31)和废液缸(32)；所述低温高压培养釜(31)通过管道与废液缸(32)相连通；所述低温高压培养釜(31)放置在自动控温培养箱(33)内；所述低温高压培养釜(31)上端设有防止内部气压过高导致爆破的第二防爆膜(34)和第二安全阀(35)；所述低温高压培养釜(31)还设有用于显示釜内压强的第二压力表(36)；所述高压配料釜(23)底部通过管道和阀门连通至低温高压培养釜(31)釜顶；连通高压配料釜(23)和低温高压培养釜(31)的管道上设有第二取样口(37)；用于连通低温高压培养釜(31)和废液缸(32)的管道上设有第三取样口(38)，所述第三取样口(38)和背压阀(43)之间的管道上还设有用于避免低温高压培养釜(31)内流出液体中含有颗粒物对背压阀(43)造成伤害的过滤器(39)；
所述的流动控制单元(4)包括第一液体计量泵(41)、第二液体计量泵(42)和背压阀(43)；所述第一液体计量泵(41)位于培养基(22)和第一取样口(28)之间的管道上；所述第二液体计量泵(42)位于第二取样口(37)和低温高压培养釜(31)之间的管道上；所述背压阀(43)位于过滤器(39)和废液缸(32)之间的管道上；
所述的气体监测控制单元(5)包括可燃气体侦测器(51)、控制系统(52)和报警单元(53)；所述可燃气体侦测器(51)，用于检测环境中可燃气体的浓度；所述控制系统(52)，用于根据可燃气体侦测器(51)检测到环境中可燃气体浓度超过预设值时发出控制信息和报警信息；报警单元(53)，用于通过报警信息发出报警信号，通知工作人员可燃气体泄漏；所述控制系统(52)还用于发出控制信息控制电磁阀(16)的开关。
2.根据权利要求1所述的深海冷泉模拟及低温高压微生物培养系统，其特征在于，所述的气体供应单元(1)包括气瓶(11)、调压阀(12)、用于向高压底物配料单元(2)输送气体的输气口(13)和用于将存留在管道里的气体放空的排气口(14)，所述调压阀(12)和气瓶(11)之间设有电磁阀(16)，所述气体监测控制单元(5)还用于控制电磁阀(16)的开关；所述排气口(14)和气瓶(11)之间设有阀门和阻燃器(15)。
3.根据权利要求1所述的深海微生物培养装置，其特征在于，所述的高压配料釜(23)为搅拌型高压釜。
4.根据权利要求1所述的深海微生物培养装置，其特征在于，所述的低温高压培养釜(31)为非搅拌型高压釜，并且釜内径小于釜内高，有利于深海沉积物的沉降，避免培养过程中生物的流失。
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