CN106010967B - 一种消除磁场影响的控温型生物膜培养实验方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种消除磁场影响的控温型生物膜培养实验方法及其装置，所述的方法包括以下步骤：在进水箱内装入液体，使得液体的液面达到预设位置；设好生物膜培养所需因素的参数；进水箱内的液体引入消磁后的反应罐内并加热；转动生物膜培养片，对生物膜培养片表面的微生物进行培养；装置包括储水单元、反应单元和控制单元，储水单元与反应单元管路连接，控制单元设置在储水单元与反应单元之间储水单元包括进水箱和用于注入液体的刻度管；反应单元包括反应罐、电动搅拌器、固定支架、磁屏蔽罩和至少一个生物膜培养片；控制单元包括带控制板的PLC主控箱、液位警报器、蠕动泵和加热器。本发明的有益效果是：能消除磁场、精准控制培养条件的消除磁场影响。

Description

一种消除磁场影响的控温型生物膜培养实验方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种消除磁场影响的控温型生物膜培养实验方法及其装置。

背景技术

供水管道中的生物膜吸附着重金属、有毒的消毒副产物等物质，同时还为微生物提供生长繁殖的场所，部分微生物属于致病菌，存在潜在致病风险。在水体处于滞流或者水流流速骤变的情况下，生物膜中的致病菌或有毒有害物质将释放到水体中严重威胁到人体健康。因此，生物膜逐渐成为研究的热点，而生物膜中的成分受多种因素的影响如温度，水流切应力以及水力停留时间等，但是，在实际管道中无法控制水温、水力停留时间、水体切应力等因素，所以在生物膜培养装置中控制水温和水力条件以研究其对生物膜的生长影响显得非常有必要。

但是，目前现有的小型生物膜培养装置存在以下几个缺陷：1)温度不可控(温度是影响生物膜培养的最关键因素)，在冬季水温较低时微生物生长缓慢甚至大量死亡，而常规加热器致使反应器水体受热不均匀影响微生物的生长；2)常规加热器和电动搅拌器会激发产生磁场影响微生物的生长；3)传统反应器采用电动机搅拌桨旋转带动水体旋转，模拟实际管道水体对生物膜培养片的切应力，但是由于水体并非刚体，反应器中水体切应力的大小从中心向两边呈逐渐递减趋势，这将导致预期实验结果与实际在一定程度上存在差异。为解决上述问题，设计一种消除磁场影响的可控温新型供水管道生物膜培养小型实验装置。

发明内容

本发明针对目前的小型生物膜培养过程中存在磁场干扰、无法控制水温、水力停留时间、水体切应力等因素的问题，提出了一种能消除磁场、精准控制培养条件的消除磁场影响的控温型生物膜培养实验方法及其装置。

本发明所述的一种消除磁场影响的控温型生物膜培养实验方法，包括以下步骤：

1)在进水箱内装入液体，并使得液体的液面达到预设的液面位置；

2)设定好生物膜培养所需因素的参数，所述的参数包括预先计算好的反应罐内的进水流量与水力停留时间的数学关系式

式中Q为进水流量(mL/min)，罐内工作体积V(L)，t_h水力停留时间(h)；

生物膜培养片包括四角星形柱状体和连接轴，所述的连接轴的上端与所述的电动搅拌器的搅拌轴固接，所述的连接轴的下端与所述的四角星形柱状体转动连接，并且所述的四角星形柱状体的内壁凹凸不平，生物膜培养片被电动搅拌器带动转动时，其自身也可绕轴转动，其中生物膜培养片的速度和水流切应力之间的数学关系式：

式中τ为水流剪切力(N/m²)，f范宁摩擦系数，v为生物膜培养片的速度v(m/s)；ρ为反应罐内水密度(kg/m³)

式中Re为雷诺数，ρ水密度(kg/m³)，R为水力半径(m)，μ动力粘度(Pa·s)；

式中v为生物膜培养片的速度v(m/s)；N为转速(rpm)，r为生物膜培养片到转轴中心的距离(m)；以及反应罐内的水力停留时间、水流切应力、水温和低液位的数值；

3)设定完所需参数之后，将进水箱内的液体引入消磁后的反应罐内，待反应罐注满之后开始加热直至罐内液体达到设定温度；整个培养过程保持进水箱内液面恒定；整个过程中反应罐内始终充满液体，溢出的液体从反应罐的出水口排出；即，当进水箱中的液位超出液位警报器预设的最大值或者低于液位警报器预设的最小值时发出警报声，同时整个装置运行停止；进水箱内注入液体待进水箱的水位到达预设工作水位时停止加水，装置重新开始启动运行；

4)转动生物膜培养片，对生物膜培养片表面的微生物进行培养，得到需要的微生物；其中培养过程中的参数根据微生物种类进行调整。

本发明所述的一种消除磁场影响的控温型生物膜培养实验方法构建的装置，包括储水单元、反应单元和控制单元，所述的储水单元与所述的反应单元管路连接，所述的控制单元设置在储水单元与反应单元之间，其特征在于：所述的储水单元包括进水箱和用于注入液体的刻度管，所述的刻度管设置在所述的进水箱的外部，并且所述的刻度管底部与所述的进水箱底部连通；

所述的反应单元包括反应罐、电动搅拌器、固定支架、磁屏蔽罩和至少一个生物膜培养片，所述的电动搅拌器安装在位于反应罐的顶部的固定支架上，并且所述的电动搅拌器的外部罩有磁屏蔽罩，所述的电动搅拌器的搅拌轴穿过所述的反应罐的顶部与所述的生物膜培养片固接；

所述的控制单元包括带控制板的PLC主控箱、液位警报器、蠕动泵和加热器，所述的加热器的凹槽内装有所述的反应罐，所述的加热器的凹槽内壁设有两根反向缠绕的电阻丝，并且所述的电阻丝与加热器凹槽内壁贴合；所述的液位警报器设置在所述的进水箱的上部；所述的蠕动泵的进液口与所述的进水箱的出液口管路连接，所述的蠕动泵的出液口与所述的反应罐的进液口管路连接；所述的液位警报器、蠕动泵、加热器以及反应单元的电动搅拌器分别与所述的PLC主控箱相应的端口电路相连。

所述的加热器上配有温度报警器，并且所述的温度报警器的控制端与所述的PLC主控箱相应的端口电路连接。

所述的生物膜培养片包括四角星形柱状体和连接轴，所述的连接轴的上端与所述的电动搅拌器的搅拌轴固接，所述的连接轴的下端与所述的四角星形柱状体转动连接，并且所述的四角星形柱状体的内壁凹凸不平。

所述的反应罐的顶部设有4个所述的生物膜培养片。

所述的电动搅拌器的搅拌轴通过轴承与所述的生物膜培养片固接；所述的轴承与所述的反应罐之间配有密封垫。

所述的磁屏蔽罩为坡莫合金屏蔽罩。

所述的PLC主控箱上设有自动档和手动档，生物膜培养装置的工作状态可进行切换，蠕动泵进水量、电动搅拌器的旋转速度、加热器的温度、液位报警器的水位均通过PLC主控箱上的触摸屏进行手动设置。

具体的，所述的加热器可均衡对反应罐进行加热，温差控制在±0.5摄氏度，同时加热器还设有温度警报装置，一旦监测到的温度远高于设定温度则发出检修警报；所述的进水箱外部装有带有容积刻度的透明塑料刻度管，易于加药配置实验所需水质水体；所述的轴承与反应罐之间设置有密封垫，且轴承和反应罐都采用金属不锈钢材质；所述的加热器内壁凹槽是由两根反向缠绕的电阻丝均匀缠绕，使其通过反应罐的磁通量为零以避免磁场对微生物生长造成影响；所述的电动搅拌器与装有生物膜培养片的轴承直接相连接，运行时以带动整个生物膜培养片转动，在电动搅拌器外加有一个坡莫合金屏蔽罩，用来消除电动搅拌器内通电线圈激发产生的磁场对反应罐内微生物生长的影响；所述的生物膜培养片采用四角星形柱状体，表面较为凹凸不平易于更多量的微生物的附着与生长，同时生物膜培养片被电动搅拌器带动转动时，其自身也可绕轴转动以确保柱状体的四个面均可受水力剪切力的作用；所述的PLC主控箱中预先存入预先计算好的进水流量与水力停留时间的数学关系式、电动机搅拌速度和水流切应力之间的数学关系式，装置开始运行前在PLC主控箱触摸屏上输入水力停留时间、水流切应力、水温和低液位的数值，装置启动运行蠕动泵在接收到模拟量信号后将进水箱中的水体通过塑料软管加到反应体系的反应罐中，加热器在反应罐水体加满之后开始加热升温，电动搅拌器在加热器加热到预设温度后再开始带动载有生物膜培养片的轴承转动，当液位警报器在进水箱中的液位低于0.1m时发出警报声，同时整个装置运行停止，待进水箱的水位到达预设水位时停止加水，装置重新开始启动运行；所述的液位传感器监测到水箱的液位低于所设定的低液位值0.1m时整个装置运行停止并发出警报。

本发明的有益效果是：1)能够在较低温度环境下均衡控温培养微生物，使微生物的生存环境处于稳定的温度，控温限值为±0.5摄氏度；2)加热器电阻激发产生N极和S极相互抵消避免了因通电线圈激发的磁场对微生物生长产生影响，电动搅拌器外加有一个坡莫合金屏蔽罩，用来消除因电动搅拌器内产生的电磁场对反应罐内微生物生长的影响；3)电动搅拌器带动轴承转动的同时，生物膜培养片也随之转动使其实际所受到的水体剪切力与预期相同；4)可通过PLC主控箱同时控制多台反应器运行以分析对比不同温度、水力停留时间和水体剪切力条件下管壁生物膜的生长情况。

附图说明

图1是本发明的主视图。

图2是本发明的俯视图。

图3是本发明的加热器结构图。

图4是本发明的生物膜培养片结构图。

图5是本发明的电阻丝的饶向图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的一种消除磁场影响的控温型生物膜培养实验方法，包括以下步骤：

1)在进水箱1内装入液体，并使得液体的液面达到预设的液面位置；

2)设定好生物膜培养所需因素的参数，所述的参数包括预先计算好的反应罐内的进水流量与水力停留时间的数学关系式

式中Q为进水流量(mL/min)，罐内工作体积V(L)，t_h水力停留时间(h)；

生物膜培养片的速度和水流切应力之间的数学关系式

式中τ为水流剪切力(N/m²)，f范宁摩擦系数，v为生物膜培养片的速度v(m/s)；ρ为反应罐内水密度(kg/m³)

式中Re为雷诺数，ρ水密度(kg/m³)，R为水力半径(m)，μ动力粘度(Pa·s)；

式中v为生物膜培养片的速度v(m/s)；N为转速(rpm)，r为生物膜培养片到转轴中心的距离(m)；以及反应罐内的水力停留时间、水流切应力、水温和低液位的数值；

3)设定完所需参数之后，将进水箱内的液体引入消磁后的反应罐内，待反应罐注满之后开始加热直至罐内液体达到设定温度；整个培养过程保持进水箱内液面恒定；整个过程中反应罐内始终充满液体，溢出的液体从反应罐的出水口排出；即，当进水箱中的液位超出液位警报器预设的最大值或者低于液位警报器预设的最小值时发出警报声，同时整个装置运行停止；进水箱内注入液体待进水箱的水位到达预设工作水位时停止加水，装置重新开始启动运行；

4)转动生物膜培养片，对生物膜培养片表面的微生物进行培养，得到需要的微生物；其中培养过程中的参数根据微生物种类进行调整。

实施例2本发明所述的一种消除磁场影响的控温型生物膜培养实验方法构建的装置，包括储水单元、反应单元和控制单元，所述的储水单元与所述的反应单元管路连接，所述的控制单元设置在储水单元与反应单元之间，所述的储水单元包括进水箱1和用于注入液体的刻度管2，所述的刻度管2设置在所述的进水箱1的外部，并且所述的刻度管2底部与所述的进水箱2底部连通；

所述的反应单元包括反应罐3、电动搅拌器4、固定支架5、磁屏蔽罩6和至少一个生物膜培养片7，所述的电动搅拌器4安装在位于反应罐3的顶部的固定支架5上，并且所述的电动搅拌器4的外部罩有磁屏蔽罩6，所述的电动搅拌器3的搅拌轴穿过所述的反应罐3的顶部与所述的生物膜培养片7固接；

所述的控制单元包括带控制板的PLC主控箱8、液位警报器9、蠕动泵10和加热器11，所述的加热器11的凹槽内装有所述的反应罐3，所述的加热器11的凹槽内壁设有两根反向缠绕的电阻丝12，并且所述的电阻丝12与加热器11凹槽内壁贴合；所述的液位警报器9设置在所述的进水箱1的上部；所述的蠕动泵10的进液口与所述的进水箱1的出液口管路连接，所述的蠕动泵10的出液口与所述的反应罐3的进液口管路连接；所述的液位警报器9、蠕动泵10、加热器11以及反应单元的电动搅拌器4分别与所述的PLC主控箱8相应的端口电路相连。

所述的加热器11上配有温度报警器，并且所述的温度报警器的控制端与所述的PLC主控箱8相应的端口电路连接。

所述的生物膜培养片7包括四角星形柱状体71和连接轴72，所述的连接轴72的上端与所述的电动搅拌器4的搅拌轴固接，所述的连接轴72的下端与所述的四角星形柱状体71转动连接，并且所述的四角星形柱状体71的内壁凹凸不平。

所述的反应罐3的顶部设有4个所述的生物膜培养片7。

所述的电动搅拌器4的搅拌轴通过轴承13与所述的生物膜培养片7固接；所述的轴承13与所述的反应罐3之间配有密封垫。

所述的磁屏蔽罩6为坡莫合金屏蔽罩。

所述的PLC主控箱上设有自动档和手动档，生物膜培养装置的工作状态可进行切换，蠕动泵10进水量、电动搅拌器4的旋转速度、加热器11的温度、液位报警器9的水位均通过PLC主控箱上的触摸屏进行手动设置。

具体的，所述的加热器11可均衡对反应罐3进行加热，温差控制在±0.5摄氏度，同时加热器11还设有温度警报装置，一旦监测到的温度远高于设定温度则发出检修警报；所述的进水箱1外部装有带有容积刻度的透明塑料刻度管2，易于加药配置实验所需水质水体；所述的轴承13与反应罐3之间设置有密封垫，且轴承13和反应罐3都采用金属不锈钢材质；所述的加热器11内壁凹槽是由两根反向缠绕的电阻丝12均匀缠绕，使其通过反应罐3的磁通量为零以避免磁场对微生物生长造成影响；所述的电动搅拌器4与装有生物膜培养片7的轴承13直接相连接，运行时以带动整个生物膜培养片7转动，在电动搅拌器4外加有一个坡莫合金屏蔽罩6，用来消除电动搅拌器4内通电线圈激发产生的磁场对反应罐3内微生物生长的影响；所述的生物膜培养片7采用四角星形柱状体，表面较为凹凸不平易于更多量的微生物的附着与生长，同时生物膜培养片7被电动搅拌器4带动转动时，其自身也可绕轴转动以确保柱状体的四个面均可受水力剪切力的作用；所述的PLC主控箱8中预先存入预先计算好的进水流量与水力停留时间的数学关系式、电动机搅拌速度和水流切应力之间的数学关系式，装置开始运行前在PLC主控箱8触摸屏上输入水力停留时间、水流切应力、水温和低液位的数值，装置启动运行蠕动泵10在接收到模拟量信号后将进水箱1中的水体通过塑料软管14加到反应体系的反应罐3中，加热器11在反应罐3水体加满之后开始加热升温，电动搅拌器4在加热器加热到预设温度后再开始带动载有生物膜培养片7的轴承13转动，当液位警报器9在进水箱1中的液位低于0.1m时发出警报声，同时整个装置运行停止，待进水箱1的水位到达预设水位时停止加水，装置重新开始启动运行；所述的液位传感器监测到水箱的液位低于所设定的低液位值0.1m时整个装置运行停止并发出警报。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.一种消除磁场影响的控温型生物膜培养实验方法，包括以下步骤：

1)在进水箱内装入液体，并使得液体的液面达到预设的液面位置；

2)设定好生物膜培养所需因素的参数，所述的参数包括预先计算好的反应罐内的进水流量与水力停留时间的数学关系式

式中Q为进水流量(mL/min)，罐内工作体积V(L)，t_h水力停留时间(h)；

生物膜培养片包括四角星形柱状体和连接轴，所述的连接轴的上端与电动搅拌器的搅拌轴固接，所述的连接轴的下端与所述的四角星形柱状体转动连接，并且所述的四角星形柱状体的内壁凹凸不平，且生物膜培养片被电动搅拌器带动转动时，其自身也绕轴转动以确保柱状体的四个面均可受水力剪切力的作用，生物膜培养片的速度和水流切应力之间的数学关系式如下：

式中τ为水流剪切力(N/m²)，f范宁摩擦系数，v为生物膜培养片的速度v(m/s)；ρ为反应罐内水密度(kg/m³)

式中Re为雷诺数，ρ水密度(kg/m³)，R为水力半径(m)，μ动力粘度(Pa·s)；

式中v为生物膜培养片的速度v(m/s)；N为转速(rpm)，r为生物膜培养片到转轴中心的距离(m)；以及反应罐内的水力停留时间、水流切应力、水温和低液位的数值；

3)设定完所需参数之后，将进水箱内的液体引入消磁后的反应罐内，待反应罐注满之后开始加热直至罐内液体达到设定温度；整个培养过程保持进水箱内液面恒定；整个过程中反应罐内始终充满液体，溢出的液体从反应罐的出水口排出；

4)转动生物膜培养片，对生物膜培养片表面的微生物进行培养，得到需要的微生物；其中培养过程中的参数根据微生物种类进行调整；

根据所述消除磁场影响的控温型生物膜培养实验方法构建的装置，包括储水单元、反应单元和控制单元，所述的储水单元与所述的反应单元管路连接，所述的控制单元设置在储水单元与反应单元之间，其特征在于：所述的储水单元包括进水箱和用于注入液体的刻度管，所述的刻度管设置在所述的进水箱的外部，并且所述的刻度管底部与所述的进水箱底部连通；

所述的反应单元包括反应罐、电动搅拌器、固定支架、磁屏蔽罩和至少一个生物膜培养片，所述的电动搅拌器安装在位于反应罐的顶部的固定支架上，并且所述的电动搅拌器的外部罩有磁屏蔽罩，所述的电动搅拌器的搅拌轴穿过所述的反应罐的顶部与所述的生物膜培养片固接；

所述的控制单元包括带控制板的PLC主控箱、液位警报器、蠕动泵和加热器，所述的加热器的凹槽内装有所述的反应罐，所述的加热器的凹槽内壁设有两根反向缠绕的电阻丝，并且所述的电阻丝与加热器凹槽内壁贴合；所述的液位警报器设置在所述的进水箱的上部；所述的蠕动泵的进液口与所述的进水箱的出液口管路连接，所述的蠕动泵的出液口与所述的反应罐的进液口管路连接；所述的液位警报器、蠕动泵、加热器以及反应单元的电动搅拌器分别与所述的PLC主控箱相应的端口电路相连；

所述的加热器上配有温度报警器，并且所述的温度报警器的控制端与所述的PLC主控箱相应的端口电路连接；

所述的生物膜培养片包括四角星形柱状体和连接轴，所述的连接轴的上端与所述的电动搅拌器的搅拌轴固接，所述的连接轴的下端与所述的四角星形柱状体转动连接，并且所述的四角星形柱状体的内壁凹凸不平；

所述的反应罐的顶部设有4个所述的生物膜培养片；

所述的电动搅拌器的搅拌轴通过轴承与所述的生物膜培养片固接；所述的轴承与所述的反应罐之间配有密封垫；

所述的磁屏蔽罩为坡莫合金屏蔽罩；

所述的PLC主控箱上设有自动档和手动档，生物膜培养装置的工作状态可进行切换，蠕动泵进水量、电动搅拌器的旋转速度、加热器的温度、液位报警器的水位均通过PLC主控箱上的触摸屏进行手动设置。

Images