CN114208727B - 一种模块化密闭珊瑚培养系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化密闭珊瑚培养系统，包括珊瑚培养模块、海水温控模块、水箱模块、海水生物净化模块、海水紫外净化模块、珊瑚光照模块和系统总控制模块。珊瑚培养模块为珊瑚培养生长提供密封空间和环境支撑；水箱模块提供海水循环动力；海水生物净化模块和海水紫外净化模块改善海水水质以符合珊瑚生存要求；海水温控模块对海水加热或制冷，控制培养系统内部温度；系统总控制模块对培养系统内各模块和部件控制并提供通讯支持，记录并输出设备参数。本发明在海洋微环境模拟能力上取得了重大提升，实现了珊瑚培养温度的精确控制、海水流速流向的相对调控、可调节的微生物环境，为海洋珊瑚培育和研究提供精准可控的微生态环境系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种模块化密闭珊瑚培养系统,属于海洋工程装备技术领域。
背景技术
随着地球温室效应的加剧，全球大量珊瑚栖息地海水温度不断升高，因高温导致的珊瑚白化死亡现象大量发生，近些年呈现越发严重的趋势。珊瑚作为海洋生态环境中十分重要的组成部分，面临巨大的生存威胁，因此，珊瑚保护研究迫在眉睫。实验室珊瑚培养设备是珊瑚保护研究中使用的重要核心设备，通过控制海水温度、光照强度和光谱、海水化学环境和生物环境，模拟不同条件下珊瑚的生存环境。
目前科研机构使用的珊瑚培养设备以市售观赏生态鱼缸为主，包括鱼缸、恒温加热棒或恒温制冷机、可调日光灯、蛋白质分离器、海藻和细菌培养桶等水质处理设备。此类珊瑚培养设备均为开放式恒温式培养，无法模拟海水温度的日间变化，也无法排除空气环境和空气中微生物对深水珊瑚生存环境的干扰，因此只能进行有限类型的珊瑚保护研究，无法满足科研活动中复杂多样的珊瑚培养环境，也无法精准还原珊瑚生长的水质和微生物环境。
少部分临近海边的实验室建造了连通海洋的培养水池进行珊瑚培养，此类设施可以极大限度地还原海洋的自然环境、海水化学环境和生物环境，但对设施选址要求较高，需要投入的建设成本和维护成本巨大，不利于更大规模开展珊瑚保护研究。
发明内容
技术问题：
本发明在于提供一种能够对珊瑚培养环境精确控制的模块化密闭珊瑚培养系统，可对现有珊瑚在高闭合度条件下进行可控化观测研究。
技术方案：
本发明包括串联连接的珊瑚培养模块、水箱模块、海水紫外净化模块、海水生物净化模块、海水温控模块、珊瑚光照模块和系统总控模块等，其中，所述海水温控模块的输出端通过水箱模块连接至珊瑚培养模块，形成循环系统；所述珊瑚培养模块为珊瑚培养提供生长空间和密封支持，水箱模块用以存储海水并提供海水循环动力，海水紫外净化模块和海水生物净化模块用以改善整个系统的海水水质，海水温控模块用于对海水进行加热或制冷；珊瑚光照模块与珊瑚培养模块配合，为珊瑚提供光照。系统总控制模块，用于对培养系统内各模块和部件进行控制并提供通讯支持，记录并输出设备参数。
所述珊瑚培养模块通过透明外壳以及设于透明外壳底面的密封底座形成密封结构；所述密封底座顶部中央设有珊瑚旋转基座，位于珊瑚旋转基座一侧的密封底座上垂直设有整流隔板，在密封底座一端且位于整流隔板远离珊瑚旋转基座一侧的位置开设进水口，密封底座另一端开设出水口；所述整流隔板对进水口流入的海水进行整流，使其均匀流向珊瑚。
所述水箱模块包括水箱主体，水箱主体底部设有底面封盖，其顶部设有顶面封盖；所述水箱主体内设有珊瑚培养循环泵，珊瑚培养循环泵上方设有水处理循环泵，珊瑚培养循环泵和水处理循环泵通过泵固定支架固定在水箱主体内；所述水处理循环泵的回水水流指向珊瑚培养循环泵的进水口。
所述海水紫外净化模块包括过滤式杀菌元件和辐射式杀菌元件；所述过滤式杀菌元件利用石英砂芯过滤水中细胞直径较大的浮游生物或藻类，并根据过滤情况更换石英砂芯型号和厚度；所述辐射式杀菌元件利用深紫外线对系统中的海水和过滤截留物需要杀菌的部分进行辐照杀菌。所述过滤式杀菌元件包括顶部和底部均为开口结构的过滤器外壳、设于过滤器外壳顶面和底面的密封石英盖板、水平设置在过滤器外壳内的石英砂过滤芯；所述石英砂过滤芯尺寸小于过滤器外壳尺寸，其四周通过过滤芯固定环连接至上方的密封石英盖板；所述过滤器外壳顶面的。
所述辐射式杀菌元件包括密封石英盖板上方、过滤器外壳底面的密封石英盖板下方的两片紫外LED灯片，通过贴附的方式设于部件表面。
所述海水生物净化模块包括藻箱和菌箱，藻箱和菌箱之间通过螺栓或卡槽固定连接；所述藻箱包括左侧壁呈开口结构的第一箱体、水平间隔设置在第一箱体内部的多块扰流板、竖直安装于第一箱体内槽的LED藻灯、设于第一箱体左侧壁的透明盖板；多块扰流板位于LED藻灯正前方。
所述菌箱包括右侧壁呈开口结构的第二箱体、水平设置在第二箱体内部下半部分的分流隔板、排布在分流隔板上方的多个石英球，以及安装在第二箱体右侧壁的透明盖板。
所述海水温控模块包括顶部和底部均呈开口结构的环保塑料材质主体、主体的顶面和底面均有的导热铝板；位于环保塑料材质主体顶面的导热铝板上方自上而下设置有散热风扇、散热片、制冷片，制冷片正反面均涂有导热硅脂；位于环保塑料材质主体底面的导热铝板上表面设有加热片。
所述珊瑚光照模块包含焊接了不同波长的LED灯珠基板和适配珊瑚培养模块的支架。其中，不同波长的LED灯珠贴附于基板，使用时将贴有LED灯珠的基板固定在珊瑚培养模块两侧对珊瑚进行光照；
所述系统总控制模块通过调节光照控制芯片用调压元件输出电压调节光照强度，通过调节珊瑚循环泵的电压调节珊瑚培养模块中的水流速度，通过调节LED藻灯的电压，调节藻灯的光照强度。控制模块中设定有日出时间、日落时间、日出时长和日落时长来模拟自然中日出日落对珊瑚培养模块的光照变化，日出时间时珊瑚灯开始点亮，随时间亮度增强，经过日出时长后亮度达到设定亮度，日落时间时，珊瑚灯亮度开始减弱，经过日落时长后珊瑚灯熄灭。
有益效果：
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：能够实现珊瑚在实验室内的可变温度封闭培养，最大限度还原珊瑚所在海洋化学和微生物环境，同时可以实现珊瑚的原位观测，获取珊瑚的形态学、生物化学等数据，用以研究高温、低温、盐度变化、光照强度变化、海水化学环境变化和微生物环境变化对珊瑚生理状态和生长速度的影响。
附图说明
图1为本发明各个模块的连接示意图；
图2为本发明中珊瑚培养模块的结构示意图；
图3为本发明中海水温控模块的正视图；
图4为本发明中海水温控模块的左视图；
图5为本发明中海水温控模块的俯视图；
图6为本发明中水箱模块的正视图；
图7为本发明中水箱模块的右视图；
图8为本发明中水箱模块的俯视图；
图9为本发明中水箱模块的立体图；
图10为本发明中海水生物净化模块中藻箱的正视图；
图11为本发明中海水生物净化模块中藻箱的右视图；
图12为本发明中海水生物净化模块中藻箱的立体图；
图13为本发明中海水生物净化模块中菌箱的正视图；
图14为本发明中海水生物净化模块中菌箱的右视图；
图15为本发明中海水生物净化模块中菌箱的立体图；
图16为本发明中海水生物净化模块的俯视图；
图17为本发明中海水紫外净化模块的正视图；
图18为本发明中海水紫外净化模块的右视图；
图19为本发明中海水紫外净化模块的俯视图；
图20为本发明中海水紫外净化模块的立体图；
图21为本发明红珊瑚光照模块的正视图；
图22为本发明红珊瑚光照模块的右视图；
图23为本发明红珊瑚光照模块的俯视图；
图24为本发明中系统总控模块的一种分布式实现方法示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细描述。
如图1所示，本发明的模块化密闭珊瑚培养系统包括珊瑚培养模块、海水温控模块、水箱模块、海水生物净化模块、海水紫外净化模块、珊瑚光照模块和系统总控制模块。其中，珊瑚培养模块、水箱模块、海水紫外净化模块、海水生物净化模块、海水温控模块通过海水管路串联连接，海水温控模块的输出端通过水箱模块连接至珊瑚培养模块，形成循环系统。培养系统还包括稳压电源，用于为各个模块供电。此外，本系统还包括其他支持性模块，如不间断电源、管路、转换接头、增压泵、箱体外壳。本系统能够屏蔽陆地环境对珊瑚培养的干扰，实现对珊瑚培养环境的精确控制。
其中，珊瑚光照模块是一种由多种LED灯珠为光源的可调珊瑚光照元件，为珊瑚提供模仿自然海底光或实验要求的光。珊瑚光照模块包含铝基板/铜基板、不同波长的LED灯珠（350~800nm范围内，包括单色灯珠和复合色灯珠）和珊瑚灯支架。使用时将贴有灯珠的铝基板/铜基板连接至珊瑚灯支架，固定在珊瑚培养模块的两侧对珊瑚进行光照。本实施例中，调压元件采用调压板。由系统总控制模块向光照控制珊瑚光照模块的输入电压，调节光照强度变化。光源与珊瑚培养模块距离近，降低了光源功率，因此不需要安装专门的散热风扇。
系统总控制模块：一种以单片机为计算、通讯和控制元件，是为多种传感器提供运行参数的元件组，为培养系统内各个模块和部件提供控制和通讯，记录并输出设备参数。系统总控制模块包括单片机、显示触屏、WiFi/5G通讯模块、流量传感器、海水温度传感器、设备温度传感器、电流电压传感器、报警指示灯和音响。该模块也根据不同使用场景和要求，使用不同功能的多种控制元件按需组合实现其功能。
如图2所示，珊瑚培养模块为透明、密封的珊瑚培养容器，为珊瑚提供培养提供生长空间和密封支持。珊瑚培养模块包括透明外壳11、密封底座12、整流隔板13、珊瑚旋转基座14、进水口15、出水口16、密封胶垫17和固定螺丝18等。透明外壳11以及设于透明外壳11底面的密封底座12形成密封结构。透明外壳11通过固定螺丝18与密封底座12固定安装，密封底座12呈阶梯结构，密封胶垫17设置在密封底座12最下面一层阶梯的四周，实现固定螺丝18安装处的密封。密封底座12顶部中央设有珊瑚旋转基座14，珊瑚旋转基座14一侧的密封底座12上垂直设有整流隔板13，密封底座12一端且位于整流隔板13远离珊瑚旋转基座14一侧的位置开设进水口15，密封底座12另一端开设出水口18。使用特殊形状的整流隔板13对进水口15流入的海水进行整流，使其均匀流向珊瑚。使用陶瓷、环保塑料等对海水零污染的材料所制作的轴承为珊瑚旋转基座14的旋转轴，底部固定环保包膜的磁铁，在容器外部使用永久磁铁或电磁铁对旋转角度进行控制。通过旋转珊瑚基座14，实现珊瑚培养过程中的流向变化，以及进行珊瑚原位三维重建，实现对珊瑚生长状态的评价。
如图3-5所示，海水温控模块以环保塑料为主体的温控元件，受系统总控制模块控制，可以对海水进行加热或制冷。海水温控模块包含环保塑料材质主体21、加热片22、制冷片23、散热片24、散热风扇25、导热铝板26、进出水口27、密封胶垫28和固定螺丝29等。其中，环保塑料材质主体21的顶部和底部均呈开口结构，导热铝板26有两块，分别固定安装在环保塑料材质主体21的顶面和底面。位于环保塑料材质主体21顶面的导热铝板上方自上而下设置有散热风扇25、散热片24、制冷片23，制冷片正反面均涂有导热硅脂，位于环保塑料材质主体21底面的导热铝板上表面设有加热片22。制冷片23与散热风扇25并联，固态继电器可与加热片22串联，也可以与，密封胶垫28位于导热铝板26与环保塑料材质主体21之间。优选地，使用聚四氟乙烯膜贴附于导热铝板26内表面接触海水，避免了铝与海水相接触而污染海水。
如图6-9所示，水箱模块为内含培养循环泵和水处理循环泵的海水储存容器，为培养系统存储海水并提供海水循环动力。水箱模块包括水箱主体31、底面封盖32、顶面封盖33、珊瑚培养循环泵34、水处理循环泵35、泵固定支架36、密封胶垫37、固定螺丝38、进水回水接头39、泵电源接头310和温度传感器接头311等。水箱主体31的顶部和底部均呈开口结构。水箱主体31底部设有底面封盖32，其顶部设有顶面封盖33。水箱主体31内设有珊瑚培养循环泵34，珊瑚培养循环泵34上方设有水处理循环泵35。珊瑚培养循环泵34和水处理循环泵35通过泵固定支架36固定在水箱主体31内，提高体系密封性。密封胶垫位于水箱主体31与两个封盖之间。将水处理循环泵35的回水水流指向珊瑚循环泵34的进水口，提高珊瑚培养系统中海水的循环性。
海水生物净化模块内含净水藻类和珊瑚礁共生细菌的水处理元件，为整个系统改善海水水质，控制水中硝酸根、亚硝酸根、磷酸根和铵根离子浓度，维持系统内微生物环境稳定。海水生物净化模块包括藻箱41和菌箱42两部分，藻箱41和菌箱42之间通过螺栓或卡槽固定连接。如图10-12所示，藻箱41包括第一箱体411、扰流板412、第一透明盖板413、LED藻灯414、固定螺丝415、进水回水接头416。第一箱体411的左侧壁呈开口结构，第一箱体411内部水平间隔设置两块扰流板412。第一箱体411左侧壁固定安装第一透明盖板413，实现密封。第一箱体411内槽竖直安装有LED藻灯414，扰流板412位于LED藻灯414正前方。藻箱41内部分为海藻区和生长区，LED藻灯414从侧边进行光照。
如图13-16所示，菌箱42包括第二箱体421、分流隔板422、透明盖板423、石英球424、固定螺丝425、进水回水接头426。第二箱体421右侧壁呈开口结构，第二箱体421内部下半部分水平设置一块分流隔板422，分流隔板422上方排布多个石英球424，第二箱体421右侧壁通过安装透明盖板423实现密封。菌箱42内部分为高流速区和低流速区，用于培养硝化细菌和反硝化细菌，两个区域的体积比为3:1。
海水紫外净化模块为以紫外光照射海水为杀菌方式的水处理元件，为整个系统改善海水水质，控制海水中微生物浓度，维持系统内微生物环境稳定。海水紫外净化模块包括过滤式杀菌元件和辐射式杀菌元件。过滤式杀菌元件使用石英砂过滤芯海水中较大的浮游生物、藻类和细菌，并可根据过滤情况改变石英砂芯型号和厚度。辐射式杀菌元件利用深紫外线（270~280nm）对系统中需要杀菌的部分进行辐照杀菌。辐射式杀菌元件由两片紫外LED灯片组成，使用时贴附在系统其它部件外表面，使用紫外光对过滤截留物和海水定时进行辐照。
如图17-20所示，过滤式杀菌元件包括石英砂过滤芯51、过滤芯固定环52、透明盖板53、过滤器外壳54、紫外LED灯片55、进出水口56、固定螺丝57。过滤器外壳54顶部和底部均为开口结构，其顶面和底面通过石英透明盖板53进行密封。过滤器外壳54内水平设置石英砂过滤芯51，石英砂过滤芯51将海水中游离的细菌、藻类等微生物进行过滤。石英砂过滤芯51将过滤器外壳54内部分为上下两个区域。此外，石英砂过滤芯51尺寸小于过滤器外壳54尺寸，其四周通过过滤芯固定环52连接至上方的石英透明盖板53，形成一个容纳空间，该容纳空间的右侧壁预留一个进水口。石英砂过滤芯51下方的容纳空间预留一个出水口。紫外杀菌元件为过滤器外壳54顶面的石英透明盖板上方、过滤器外壳54底面的第三透明盖板下方分别设有深紫外LED灯片55。
如图21-23所示，珊瑚光照模块是为珊瑚提供适合光照光谱和强度的模块。珊瑚光照模块包含焊接了不同波长的LED灯珠基板61和适配珊瑚培养模块的支架62。其中，不同波长的LED灯珠贴附于基板，使用时将贴有LED灯珠的基板固定在珊瑚培养模块两侧对珊瑚进行光照。
珊瑚光照模块包含贴有不同波长的LED灯珠（350~800nm范围内，包括单色灯珠和复合色灯珠）铝基板/铜基板61和珊瑚灯支架62。
系统总控制模块通过调节光照控制芯片用调压元件输出电压调节光照强度，通过调节珊瑚循环泵的电压调节珊瑚培养模块中的水流速度，通过调节LED藻灯的电压，调节藻灯的光照强度。控制模块中设定有日出时间、日落时间、日出时长和日落时长来模拟自然中日出日落对珊瑚培养模块的光照变化，日出时间时珊瑚灯开始点亮，随时间亮度增强，经过日出时长后亮度达到设定亮度，日落时间时，珊瑚灯亮度开始减弱，经过日落时长后珊瑚灯熄灭。
系统总控模块可以由单个单片机与其他元器件搭配实现，也可使用多种元件分布式实现，一种分布式实现方案如图24 所示，系统总控模块包括开关组71，PID温控器72，固态继电器73，大功率降压元件74，时钟芯片75，珊瑚灯降压元件 76，藻灯降压元件77，珊瑚培养循环泵降压元件78，水处理循环泵降压元件79，安装孔710和承载板711。
Claims (1)
1.一种模块化密闭珊瑚培养系统，其特征在于：包括串联的珊瑚培养模块、水箱模块、海水生物净化模块、海水紫外净化模块、海水温控模块、珊瑚光照模块和系统总控模块，其中，所述海水温控模块的输出端通过水箱模块连接至珊瑚培养模块，形成循环系统；所述珊瑚培养模块为珊瑚培养生长提供密封空间和环境支持，水箱模块用以存储海水并提供海水循环动力，海水生物净化模块和海水紫外净化模块用以改善整个系统的海水水质以符合珊瑚存活生长要求；海水温控模块用于对海水进行加热或制冷，控制培养系统内部温度；系统总控制模块对培养系统内各模块和部件进行控制并提供通讯支持，记录并输出设备参数；
所述珊瑚培养模块通过透明外壳（11）以及设于透明外壳（11）底面的密封底座（12）形成密封结构，所述透明外壳（11）通过固定螺丝（18）与密封底座（12）固定安装，所述密封底座（12）呈阶梯结构，密封胶垫一（17）设置在密封底座（12）最下面一层阶梯的四周，实现固定螺丝（18）安装处的密封；所述密封底座（12）顶部中央设有珊瑚旋转基座（14），位于珊瑚旋转基座（14）一侧的密封底座（12）上垂直设有整流隔板（13），在密封底座（12）一端且位于整流隔板（13）远离珊瑚旋转基座（14）一侧的位置开设进水口（15），密封底座（12）另一端开设出水口（16）；所述整流隔板（13）对进水口（15）流入的海水进行整流，使其均匀流向珊瑚，透明外壳（11）与密封底座（12）之间用密封胶垫一（17）进行密封；
所述水箱模块包括水箱主体（31），水箱主体（31）底部设有底面封盖（32），其顶部设有顶面封盖（33）；所述水箱主体（31）内设有珊瑚培养循环泵（34），珊瑚培养循环泵（34）上方设有水处理循环泵（35），珊瑚培养循环泵（34）和水处理循环泵（35）通过泵固定支架（36）固定在水箱主体（31）内；所述水处理循环泵（35）的回水水流指向珊瑚培养循环泵（34）的进水口；
所述海水紫外净化模块包括过滤式杀菌元件和辐射式杀菌元件；所述过滤式杀菌元件利用深紫外线对过滤石英砂芯进行持续照射，并根据过滤情况改变石英砂芯型号或数量；所述辐射式杀菌元件利用深紫外线对系统中需要杀菌的部分进行辐照杀菌；
所述过滤式杀菌元件包括顶部和底部均为开口结构的过滤器外壳（54）、设于过滤器外壳（54）顶面和底面的第三透明盖板（53）、水平设置在过滤器外壳（54）内的石英砂过滤芯（51）；所述石英砂过滤芯（51）尺寸小于过滤器外壳（54）尺寸，其四周通过过滤芯固定环（52）连接至上方的第三透明盖板（53）；所述过滤器外壳（54）顶面的第三透明盖板上方、过滤器外壳（54）底面的第三透明盖板下方分别设有第一紫外LED 灯片（55）；
所述辐射式杀菌元件包括若干紫外LED 灯片，通过贴附的方式设于部件表面；
所述海水生物净化模块包括藻箱（41）和菌箱（42），藻箱（41）和菌箱（42）之间通过螺栓或卡槽固定连接；其中，所述藻箱（41）包括左侧壁呈开口结构的第一箱体（411）、水平间隔设置在第一箱体（411）内部的多块扰流板（412）、竖直安装于第一箱体（411）内侧壁的LED藻灯（414）、设于第一箱体（411）左侧壁的第一透明盖板（413）；多块扰流板（412）位于LED藻灯（414）正前方，箱体两侧为进出水口一（416），箱体与透明盖板使用螺丝一（415）固定；所述菌箱（42）包括右侧壁呈开口结构的第二箱体（421）、水平设置在第二箱体（421）内部下半部分的分流隔板（422）、排布在分流隔板（422）上方的多个石英球（424），以及安装在第二箱体（421）右侧壁的第二透明盖板（423），箱体两侧为进出水口二（426），箱体与透明盖板使用螺丝二（425）固定；
所述海水温控模块包括顶部和底部均呈开口结构的环保塑料材质主体（21），环保塑料材质主体（21）的顶面和底面均固设有导热铝板（26）；位于环保塑料材质主体（21）顶面的导热铝板上方自上而下设置有散热风扇（25）、多块散热片（24）、制冷片（23）；位于环保塑料材质主体（21）底面的导热铝板上表面设有加热片（22），导热铝板与主体之间贴有密封胶（28）；
所述珊瑚光照模块包含焊接了不同波长的LED 灯珠基板（61）和适配珊瑚培养模块的支架（62）；其中，不同波长的LED 灯珠贴附于基板，使用时将贴有LED 灯珠的基板固定在珊瑚培养模块（1）两侧对珊瑚进行光照；
所述系统总控制模块通过调节光照控制芯片用调压元件输出电压调节光照强度，通过调节珊瑚培养循环泵（34）的电压调节珊瑚培养模块（1）中的水流速度，通过调节LED 藻灯（414）的电压，调节藻灯的光照强度；控制模块中设定有日出时间、日落时间、日出时长和日落时长来模拟自然中日出日落对珊瑚培养模块的光照变化，日出时间时珊瑚灯开始点亮，随时间亮度增强，经过日出时长后亮度达到设定亮度，日落时间时，珊瑚灯亮度开始减弱，经过日落时长后珊瑚灯熄灭。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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