CN211871940U - 一种微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的一种微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置，包括生物反应器，电化学测量装置，腐蚀环境参数监测控制装置和恒流装置，生物反应器内设置有样品转动装置、腐蚀环境参数监测电极、参比电极和铂电极。生物反应器用于腐蚀微生物或污损生物的稳定培养，其一侧连接电化学测量装置和排出废液的恒流装置，另一侧连接监测控制装置和流入培养液的恒流装置，整个生物反应器处于无菌封闭状态，从而实现样品表面腐蚀及污损情况实时监测与生物反应条件稳定。该装置确保生物反应器内微生物或污损生物处于高密度恒定培养状态，实现材料或涂层加速评价。形成可以单批次多通道连续检测不同样品耐微生物腐蚀与耐生物污损性能的稳定可靠装置。

Description

一种微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置

技术领域

本实用新型属于工程材料与防护涂层技术领域，具体涉及一种微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置。

背景技术

微生物腐蚀（MIC）在世界范围内造成严重的经济损失。只要有微生物存在的环境，材料都可能遭受微生物腐蚀。据统计，金属和建筑材料中的20%，油井中的超过75%，埋地管道和线缆中50%的破坏源自微生物腐蚀。几乎所有的常用材料（例如钢铁、合金、非金属类的有机和无机材料等）都会面临微生物腐蚀的破坏。微生物腐蚀导致材料的服役性能下降，服役周期缩短，从而导致严重的经济损失。近年来，微生物腐蚀已经成为近海作业平台、石油天然气产业、水系统（水热系统/冷却水/循环水等）等领域中非常棘手的难题。目前关于材料以及涂层的耐微生物腐蚀评价体系都是采用单批次微生物培养，微生物培养过程涉及微生物不同的生长状态，例如迟滞期、对数生长期、稳定期和衰亡期。单批次培养周期一般在3-7天的培养时间，其中微生物不同的生长时期对应不同的生理状态，从而导致检测结果重现性差，数据不稳定，无法有效指示材料或涂层耐腐蚀性能。另外，微生物的不同生长时期腐蚀特征差异显著，培养周期短且大部分时间处于腐蚀能力较弱的阶段，导致无法开展微生物腐蚀的连续加速评价。

生物污损能引起海水管道内径变窄甚至堵塞；海洋平台载荷增加；破坏设施表面涂层并加速腐蚀；舰船航行阻力增大，油耗增加；提升舰船维护频率，耗费人力物力；造成生物污染，影响水产养殖等等。所有这些会导致严重的经济损失、影响设施安全服役等。目前生物污损评价主要依靠生物生长旺季的挂片实验，通过实时观测污损生物黏附情况进行评价材料或涂层的耐污损性能。其优势在于能够模拟真实作业环境，而缺点在于评价周期长，受自然天气环境制约（须在污损生物生长旺季评价），无重复性，对样品要求尺寸大、数量多，严重制约了新材料及新涂层的研发。

关于涂层失效验证和腐蚀测试试验中常用的手段是电化学测试分析。常规的电化学测量装置，移取样品和替换溶液需要手动操作，频繁的实验操作，既费时间，又费人力，还会因为人为因素导致连接出现错误，设置出现误差，从而导致测量失败，造成时间和经济上的损失。涉及微生物或污损生物的电化学测量装置要求密封状态，重复试验也会导致细菌污染，造成实验误差，影响评价的准确性以及评价进程。

综上所述，目前亟需一套能够加速评价材料或涂层耐微生物腐蚀与生物污损的连续评价装置。本实用新型公开的加速评价装置能够在室温条件下作业，真实模拟恶劣的腐蚀/污损环境，通过全自动方式，实时监控不同静态/动态耐微生物腐蚀或防污样品，灵活地同时多通道对不同材料或涂层进行加速评价。通过连续动态监测污损评价过程中物理量、化学量、生物量变化过程，研究优化评价过程的调控策略与手段，从而为材料或涂层耐微生物腐蚀或耐生物污损性能提供精准、可靠的参考数据。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置，包括生物反应器、电化学测量装置、腐蚀环境参数监测控制装置、恒流装置、培养液输入瓶和废液输出瓶，所述的生物反应器作为中心装置，分别连接有电化学测量装置、腐蚀环境参数监测控制装置、培养液输入瓶和废液输出瓶，所述的培养液输入瓶和废液输出瓶分别连接有恒流泵a和恒流泵b，所述的培养液输入瓶与废液输出瓶为等流量输入输出，所述的生物反应器内设置有样品转动装置、腐蚀环境参数监测电极、参比电极和铂电极，其中：

所述的腐蚀环境参数监测电极与腐蚀环境参数监测控制装置连接；

所述的样品转动装置包括样品转动杆，所述的样品转动杆固定于生物反应器顶盖内表面中心，所述的样品转动杆连接有固定架，所述的固定架周向设置有样品固定模块，所述的样品固定模块上部设有样品固定位；

所述的待测样品固定于样品固定位，所述的待测样品通过导线与电化学检测装置连接。

所述的电化学检测装置包括电化学工作站和计算机系统a-1，所述的电化学工作站与生物反应器内样品、参比电极、铂电极通过导线连接。

所述的电化学工作站用于样品表面腐蚀或污损信息采集，所述的计算机系统用于腐蚀或污损信息数据的分析与显示。

所述的腐蚀环境参数监测控制装置包括腐蚀环境参数监控装置和计算机系统b-1，所述的腐蚀环境参数监测电极包括pH电极、温度感应电极和氧含量电极，所述的电极监测装置通过导线连接腐蚀环境参数监测电极，具体通过导线分别连接pH电极、温度感应电极和氧含量电极；所述的腐蚀环境参数监测控制装置通过腐蚀环境参数监测电极对生物反应器内的溶液变化情况进行监测，实时收集生物反应器中各种理化参数，包括pH、温度、溶解氧含量等，将相关数据传输到计算机系统b-1后，通过计算机整合，对生物反应器进行控制，确保生物反应器内腐蚀环境参数处于恒定的反应状态。

所述的生物反应器通过耐腐蚀软管A与培养液输入瓶连接，所述的耐腐蚀软管A上设有恒流装置a和进液阀，实现耐腐蚀软管A内培养液输入流量恒定；

所述的生物反应器通过耐腐蚀软管B与废液输出瓶连接，所述的耐腐蚀软管B上设有恒流装置b和排液阀，实现耐腐蚀软管B内废液输出流量恒定，且与耐腐蚀软管A内培养液输入流量一致。

所述的样品转动杆为耐腐蚀样品转动杆。

所述的转动杆上部设有两个连接孔，所述的待测样品连接导线，通过连接孔导出并与电化学检测装置连接。

所述的样品固定模块设置个数为6-8个，所述的样品固定位用于样品固定。

所述的微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置工作过程为：向生物反应器内放入若干个待测样品，通过培养液输入瓶输入菌种培养液，通过腐蚀环境参数监测控制装置对生物反应器内腐蚀环境进行实时监测，并进行控制，实现真实腐蚀环境模拟，通过恒流泵a和恒流泵b实现，根据腐蚀或污损信息读取需要，将相应待读取样品转动至铂电极和参比电极附近，通过导线连接电化学工作站，使待测样品、参比电极和铂电极形成三电极系统，电化学工作站实时检测待测样品表面电化学反应过程，并数据传送至计算机系统a-1，由计算机进行处理、分析，实时指示样品表面腐蚀或污损情况，提供材料表面腐蚀与污损状态的实时数据。

所述的恒流装置a和恒流装置b的流速一致，连续等量地排出废液并流入新鲜培养液，确保生物反应器内部处于动态平衡环境，实现生物反应器中污损腐蚀生物稳定的高密度培养。

所述的培养液输入瓶和废液输出瓶处于密封状态，避免外界环境中微生物的污染。

所述的样品转动装置设置于生物反应器顶盖的中央，随着样品转动装置转动，带动固定架与样品固定模块转动，使不同的待测样品和参比电极、铂电极形成三电极系统，从而实现单批次多通道连续检测腐蚀或污损状况。

所述的样品固定模块为内部空心结构，所述的样品固定模块上部设有螺栓孔，配合有螺栓，待测样品通过螺栓孔，拧紧螺栓，将待测样品固定于样品固定模块的固定位，进行不同批次的加速评价时，通过转动样品转动装置可轻松更换不同的待测样品。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置自动化程度高、操作灵活、稳定性好、污染程度小、大幅提高分析测试数据的准确性和时效性，可以广泛应用于不同材料或涂层耐微生物腐蚀及生物污损的加速评价，并节省评价周期。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中的微生物腐蚀与生物污损加速评价装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1中的微生物腐蚀与生物污损加速评价装置的生物反应器结构示意图；

图3为本实用新型实施例1中的微生物腐蚀与生物污损加速评价装置的生物反应器内局部结构示意图；

图4为本实用新型实施例1中的微生物腐蚀与生物污损加速评价装置的样品固定模块结构示意图；其中：

1-生物反应器；2-电化学测量装置；3-腐蚀环境参数监测控制装置，4-恒流泵a，5-恒流泵b，6-培养液输入瓶，7-废液输出瓶，8-样品转动杆，9-腐蚀环境参数监测电极，10-样品固定模块，11-待测样品，12-腐蚀环境参数监控装置，13-计算机系统b-1，14-固定架，15-电化学工作站，16-计算机系统a-1，17-参比电极，18-铂电极，19-连接孔，20-进液阀，21-排液阀，22-耐腐蚀软管A，23-耐腐蚀软管B，24-pH电极，25-温度感应电极，26-氧含量电极。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型的微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置，其结构包括：生物反应器、电化学测量装置、监测控制装置、恒流装置、培养液输入瓶、废液输出瓶。它主要是由生物反应器作为主体部分，其一侧连接监测控制装置控制生物反应器中处于稳定的理化条件，其另一侧连接电化学测量装置，用于实时监测材料或涂层的监测电化学交流阻抗谱与电化学噪声，通过计算机的分析处理，用于评价腐蚀/污损状态。监测控制装置可连续动态地监测生物反应器中的物理量、化学量、生物量变化过程。

为实现生物反应器中恒定培养高密度的腐蚀微生物或污损生物，在生物反应器两端分别连接恒流装置，通过恒流装置连续等量地排出废液并流入新鲜培养液，确保腐蚀体系处于动态平衡环境。

所述的微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置工作过程为：向生物反应器内放入若干个待测样品，通过培养液输入瓶输入菌种培养液，通过腐蚀环境参数监测控制装置对生物反应器内腐蚀环境进行实时监测，并进行控制，实现真实腐蚀环境模拟，通过恒流泵a和恒流泵b实现生物反应器中待测环境的动态平衡，根据腐蚀或污损信息读取需要，将相应待读取样品转动至铂电极和参比电极附近，通过导线连接电化学工作站，使待测样品、参比电极和铂电极形成三电极系统，电化学工作站实时检测待测样品表面电化学反应过程，并数据传送至计算机系统a-1，由计算机进行处理、分析，实时指示样品表面腐蚀或污损情况，提供材料表面腐蚀与污损状态的实时数据。

所述的恒流装置a和恒流装置b的流速一致，连续等量地排出废液并流入新鲜培养液，确保生物反应器内部处于动态平衡环境，实现生物反应器中污损腐蚀生物稳定的高密度培养。

所述的培养液输入瓶和废液输出瓶处于密封状态，避免外界环境中微生物的污染。

所述的样品转动装置设置于生物反应器顶盖的中央，随着样品转动装置转动，带动固定架与样品固定模块转动，使不同的待测样品和参比电极、铂电极形成三电极系统，从而实现单批次多通道连续检测腐蚀或污损状况。

所述的样品固定模块为内部空心结构，所述的样品固定模块上部设有螺栓孔，配合有螺栓，待测样品通过螺栓孔，拧紧螺栓，将待测样品固定于样品固定模块的固定位，进行不同批次的加速评价时，通过转动样品转动装置可轻松更换不同的待测样品。

实施例1

一种微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置，结构示意图如图1所示，包括生物反应器1、电化学测量装置2、腐蚀环境参数监测控制装置3、恒流装置、培养液输入瓶6和废液输出瓶7，生物反应器1作为中心装置，分别连接有电化学测量装置2、腐蚀环境参数监测控制装置3、培养液输入瓶6和废液输出瓶7，培养液输入瓶6和废液输出瓶7分别连接有恒流泵a-4和恒流泵b-5，培养液输入瓶6与废液输出瓶7为等流量输入输出，生物反应器1结构示意图如图2所示，内设置有样品转动装置、腐蚀环境参数监测电极9、参比电极17和铂电极18，其中：

样品转动装置具体为耐腐蚀的样品转动杆8，样品转动杆8上部设有两个连接孔19，待测样品11连接导线，通过连接孔19导出并与电化学检测装置连接；

样品转动装置包括样品转动杆8，样品转动杆8固定于生物反应器1顶盖内表面中心，样品转动杆8连接有固定架14，固定架14周向设置有6个样品固定模块10，生物反应器内局部结构示意图如图3所示，样品固定模块结构示意图如图4所示，样品固定模块10上部设有样品固定位，用于样品固定；

待测样品11固定于样品固定位，待测样品11通过导线与电化学检测装置连接；

腐蚀环境参数监测电极9与腐蚀环境参数监测控制装置3连接；

电化学检测装置包括电化学工作站15和计算机系统a-1-16，电化学工作站15与生物反应器1内待测样品11、参比电极17、铂电极18通过导线连接；

电化学工作站15用于样品表面腐蚀或污损信息采集，计算机系统用于腐蚀或污损信息数据的分析与显示；

腐蚀环境参数监测控制装置3包括腐蚀环境参数监控装置12和计算机系统b-1-13，腐蚀环境参数监测电极9包括pH电极24、温度感应电极25和氧含量电极26，腐蚀环境参数监控装置12通过导线连接腐蚀环境参数监测电极9，具体通过导线分别连接pH电极24、温度感应电极25和氧含量电极26；腐蚀环境参数监测控制装置3通过腐蚀环境参数监测电极9对生物反应器1内的溶液变化情况进行监测，实时收集生物反应器1中各种理化参数，包括pH、温度、溶解氧含量等，将相关数据传输到计算机系统b-1-13后，通过计算机整合，对生物反应器1进行控制，确保生物反应器1内腐蚀环境参数处于恒定的反应状态；

生物反应器1通过耐腐蚀软管A-22与培养液输入瓶6连接，耐腐蚀软管A-22上设有恒流装置a和进液阀20，实现耐腐蚀软管A内培养液输入流量恒定；

生物反应器1通过耐腐蚀软管B-23与废液输出瓶7连接，耐腐蚀软管B-23上设有恒流装置b和排液阀21，实现耐腐蚀软管B-23内废液输出流量恒定，且与耐腐蚀软管A内培养液输入流量一致。

加速评价材料的耐微生物腐蚀性能：

采用上述的微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置，参阅图1-2，应用于加速评价材料的耐微生物腐蚀性能。具体的，将待测样品切割成10 mm × 10 mm × 5 mm大小，用梯度水砂纸（150、200、400、600、800、1000与1200目）进行打磨处理。待测样品首先用铜导线进行焊接，然后用环氧树脂进行固化封样。样品除底部留下1 cm²的区域，其余全被环氧树脂覆盖。

检查生物反应器1的连接状况，对其中腐蚀环境参数监测电极9（pH电极24、温度感应电极25和氧含量电极26）进行校准，在生物反应器1中注入新鲜模拟海水2216E培养基，将其放入灭菌锅内，按需求121 °C灭菌20分钟。灭菌完成后，待温度降至室温，连接各管路。

安装待测样品。在生物反应器1中接种铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa，维持溶氧量为20%，每天测定线性极化阻抗和电化学交流阻抗谱。由于样品固定模块10上均匀固定6-8个待测样品，当所检测的样品完成检测后，旋转样品转动杆8，换下一个样品进行检测。通过腐蚀环境参数监测控制装置3确保生物反应器1中各种物理化学性质在稳定范围内。通过两个恒流装置不断向生物反应器1中泵入新鲜培养液，并泵出废液，确保生物反应器1中微生物处于高浓度稳定培养状态。通过计算机处理电化学测定结果指示待测材料样品耐微生物腐蚀的性能。

加速评价涂层的耐生物污损性能：

采用上述微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置，参阅图1-2用于加速评价涂层的耐生物污损的性能。具体的，将将待测涂层喷涂与目标作业材料表面，制成待测样品，待测样品尺寸为10 mm × 10 mm × 5 mm大小，待测样品涂层一侧朝外，另一侧与铜导线焊接后，使用环氧树脂封埋，使涂层一侧暴露在外，其余全被环氧树脂覆盖。

检查生物反应器1的连接状况，对其中腐蚀环境参数监测电极9（pH电极24、温度感应电极25和氧含量电极26）进行校准，在生物反应器1中注入新鲜培养基，将其放入灭菌锅内，按需求121 °C灭菌20分钟。灭菌完成后，待温度降至室温，连接各管路。

安装待测样品，使其中铜导线经转动装置上连接孔19导出生物反应器1。在生物反应器1中接种生物污损指示生物小球藻，维持溶氧量为20%，每天使用电化学测量装置测定电化学交流阻抗谱和电化学噪声。待其中一个待测样品测定完成后，通过样品转动杆8，换下一个样品进行测量。

通过腐蚀环境参数监测控制装置3确保生物反应器1中各种物理化学性质在稳定范围内。通过两个恒流装置不断向生物反应器1中泵入新鲜培养液，并泵出废液，确保生物反应器1中污损生物处于高浓度稳定培养状态。通过计算机处理电化学结果指示待测涂层样品耐生物污损的性能。

Claims (10)

1.一种微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置，其特征在于，包括生物反应器、电化学测量装置、腐蚀环境参数监测控制装置、恒流装置、培养液输入瓶和废液输出瓶，所述的生物反应器作为中心装置，分别连接有电化学测量装置、腐蚀环境参数监测控制装置、培养液输入瓶和废液输出瓶，所述的培养液输入瓶和废液输出瓶分别连接有恒流泵a和恒流泵b，所述的培养液输入瓶与废液输出瓶为等流量输入输出，所述的生物反应器内设置有样品转动装置、腐蚀环境参数监测电极、参比电极和铂电极，其中：

所述的腐蚀环境参数监测电极与腐蚀环境参数监测控制装置连接；

所述的样品转动装置包括样品转动杆，所述的样品转动杆固定于生物反应器顶盖内表面中心，所述的样品转动杆连接有固定架，所述的固定架周向设置有样品固定模块，所述的样品固定模块上部设有样品固定位；

待测样品固定于样品固定位，待测样品通过导线与电化学检测装置连接。

2.根据权利要求1所述的微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置，其特征在于，所述的电化学检测装置包括电化学工作站和计算机系统a-1，所述的电化学工作站与生物反应器内样品、参比电极、铂电极通过导线连接。

3.根据权利要求1所述的微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置，其特征在于，所述的腐蚀环境参数监测控制装置包括腐蚀环境参数监控装置和计算机系统b-1，所述的腐蚀环境参数监测电极包括pH电极、温度感应电极和氧含量电极，所述的腐蚀环境参数监测控制装置12通过导线连接腐蚀环境参数监测电极，具体通过导线分别连接pH电极、温度感应电极和氧含量电极；所述的腐蚀环境参数监测控制装置通过腐蚀环境参数监测电极对生物反应器内的溶液变化情况进行监测，实时收集生物反应器中pH、温度、溶解氧含量，将相关数据传输到计算机系统b-1后，通过计算机整合，对生物反应器进行控制，确保生物反应器内腐蚀环境参数处于恒定的反应状态。

4.根据权利要求1所述的微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置，其特征在于，所述的生物反应器通过耐腐蚀软管A与培养液输入瓶连接，所述的耐腐蚀软管A上设有恒流装置a和进液阀。

5.根据权利要求1所述的微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置，其特征在于，所述的生物反应器通过耐腐蚀软管B与废液输出瓶连接，所述的耐腐蚀软管B上设有恒流装置b和排液阀。

6.根据权利要求1所述的微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置，其特征在于，所述的样品转动杆为耐腐蚀样品转动杆。

7.根据权利要求1所述的微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置，其特征在于，所述的样品转动杆上部设有两个连接孔，所述的待测样品连接导线，通过连接孔导出并与电化学检测装置连接。

8.根据权利要求1所述的微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置，其特征在于，所述的样品固定模块设置个数为6-8个。

9.根据权利要求1所述的微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置，其特征在于，所述的恒流装置a和恒流装置b为等流速恒流装置。

10.根据权利要求1所述的微生物腐蚀与生物污损连续加速评价装置，其特征在于，所述的样品固定模块为内部空心结构，所述的样品固定模块上部设有螺栓孔，配合有螺栓；所述的待测样品和参比电极、铂电极形成三电极系统。

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