一种微生物合成钟乳石及石笋的装置的制作方法

本实用新型涉及环境岩土领域，具体涉及一种微生物合成钟乳石及石笋的装置。

背景技术：

钟乳石，又称石钟乳，是指碳酸盐岩地区洞穴内在漫长地质历史中和特定地质条件下形成的石钟乳、石笋、石柱等不同形态碳酸钙沉淀物的总称，它的形成往往需要上万年或几十万年时间。由于形成时间漫长，钟乳石对远古地质考察有着重要的研究价值，在石灰岩里面，含有二氧化碳的水渗入石灰岩隙缝中，会溶解其中的碳酸钙，溶解了碳酸钙的水，从洞顶滴下来时，由于水分蒸发、二氧化碳逸出等，使被溶解的钙质又变成固体，称为固化。

目前，钟乳石除自然界内经历上万年沉淀形成外，多为人工化学制造。常用的人工化学制造钟乳石及石笋的方法多先制备木模型、石膏模型、腻子模型等，然后将各个模型组合粘结，然后进行雕刻打磨并上蜡，工序繁琐、费时费力。该方法所制造的人造钟乳石内部多为中空状态，易碎，且各个模型粘结部位在水的浸泡或十分干燥的条件下易产生裂纹，影响美观，同时该法不适合制造形态较小的钟乳石。

技术实现要素：

为克服现有技术中制造人工钟乳石的难题，本实用新型提供了一种微生物合成钟乳石及石笋的装置，利用微生物水解尿素与钙盐结合过程制造人工钟乳石及石笋，不产生环境污染，与现有技术中直接采用化学方法人工合成相比，具有更强的可控性。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种微生物合成钟乳石及石笋的装置，包括生长底座、反应容器、供氧装置、反应液循环装置、PC控制端、pH调节装置和恒温装置，所述生长底座为内部中空、顶部开孔的圆柱体，生长底座顶部被已浸泡菌液的土工布包裹，反应容器内置用于衡量反应容器内液面高度的刻度标尺，供氧装置包括氧气泵和橡胶管，氧气泵驱动氧气通过橡胶管注入反应容器内的溶液中，反应液循环装置包括蠕动泵和硅胶管，蠕动泵驱动反应容器内的溶液引入至生长底座内部，PC控制端与pH调节装置和恒温装置相连进行数据传输，通过pH调节装置和恒温装置分别调控反应容器内溶液的pH值和温度。

进一步的，所述反应容器底部内侧中央位置设有用于固定生长底座且与生长底座相适配的环形卡槽，环形卡槽的高度为生长底座高度的1/3-1/2，环形卡槽的内径比生长底座的直径大 1-3mm。

进一步的，所述生长底座顶部开孔直径为0.5-1.5mm，生长底座底部设有角度调节旋钮且以生长底座的轴线为中心左右旋转90°，用于调节生长底座顶部生长出的钟乳石及石笋浸入反应容器内溶液的角度。

进一步的，所述pH调节装置包括一个pH温补电极、两个容量为1L的玻璃容器和两个微型电动球阀，所述pH温补电极与PC 控制端输入端相连并将所测数值实时传送至PC控制端，PC控制端输出端分别与两个微型电动球阀相连并控制两个微型电动球阀的启闭，一个玻璃容器分别通过一个微型电动球阀的阀门启闭与反应容器相连通或不连通，实现玻璃容器内的溶液注入反应容器内，两个玻璃容器内分别装有浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液和1mol/L的盐酸溶液，通过PC控制端将反应容器内溶液的pH值设置为8.0-8.5，当反应容器内溶液的pH值小于8时，与装有氢氧化钠溶液的玻璃容器相连接的微型电动球阀的阀门打开，向反应容器内注入氢氧化钠溶液，当反应容器内溶液的pH达到8.5 时，与装有氢氧化钠溶液的玻璃容器相连接的微型电动球阀的阀门关闭，当反应容器内溶液的pH大于8.5时，与装有盐酸溶液的容器相连接的微型电动球阀的阀门打开，向反应容器内注入盐酸溶液，当反应容器内溶液的pH达到8时，与装有盐酸溶液的容器相连接的微型电动球阀的阀门关闭。

进一步的，所述恒温装置包括一个温度传感器和加热底座，所述温度传感器与PC控制端输入端相连并将所测溶液温度实时传送至PC控制端，PC控制端输出端与加热底座相连并控制加热底座进行通电加热或停止加热，通过PC控制端将反应容器内溶液的最适温度设定为30～35℃，当反应容器内溶液的温度低于 30℃时，PC控制端会给加热底座供电使其工作，当反应容器内溶液的温度达到35℃时，PC控制端控制加热底座断电停止加热。进一步的，所述生长底座可拆卸式放置于反应容器底部内侧中央位置的环形卡槽上。

进一步的，还包括设置于反应容器一侧的升降杆，所述生长底座通过升降杆倒置于反应容器上方并通过升降杆上的升降调节按钮调节生长底座顶部生长出的钟乳石及石笋浸入反应容器内溶液的深度，蠕动泵驱动反应容器内的溶液引入至位于反应容器上方的生长底座内部。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)利用好氧性微生物水解尿素与钙盐的结合过程包括微生物富集培养、微生物水解尿素诱导碳酸钙产生沉淀两部分合成实心结构的钟乳石及石笋，本实用新型依赖的反应过程是自然界生态环境中本身存在的一种生物反应过程，不会对环境造成污染，采用的微生物诱导碳酸钙沉积操作简单，不需要大量人力物力的投入；(2)相对于现有技术中直接采用化学方法人工合成的钟乳石或石笋，本实用新型得到的钟乳石及石笋为实心结构，耐保存，不易损坏，具有更好的可控性；(3)本实用新型采用人为干涉微生物反应过程合成人工钟乳石及石笋产生碳酸钙的速率，可通过对微生物反应活性、反应物用量等的控制来影响碳酸钙沉淀的晶体形态及合成的人工钟乳石及石笋的大小；(4) 本实用新型尤其适合制造形态较小的人造钟乳石及石笋；(5) 本实用新型不需提前制作木质或钢制钟乳石模具，操作过程简化，效率高。

附图说明

图1为本实用新型的钟乳石及石笋横向生长过程示意图；

图2和图3分别为本实用新型的钟乳石及石笋纵向生长的过程；

图4为本实用新型的未被土工布包裹的生长底座的截面图；

图5为本实用新型的好氧性尿素水解细菌在不同pH值下的水解尿素速率曲线图；

图6为本实用新型的好氧性尿素水解细菌在不同温度下的水解尿素速率曲线图；

其中，1-反应液；2-钟乳石及石笋；3-生长底座；4-反应容器；5-氧气泵；6-气石；7-刻度标尺；8-环形卡槽；9-PC控制端； 10-温度传感器；11-pH温补电极；12-玻璃容器；13-微型电动球阀；14-加热底座；15-蠕动泵；16-升降调节旋钮；17-角度调节旋钮。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作更进一步的说明。

实施例1

如图1-6所示，一种微生物合成钟乳石及石笋的装置，包括生长底座3、反应容器4、供氧装置、反应液循环装置、PC控制端9、pH调节装置、恒温装置和升降杆，反应容器4内置刻度标尺7，用于衡量反应容器4内溶液的液面高度，应容器4内的溶液为反应液1或反应液1与菌液的混合溶液，生长底座3为内部中空、顶部开孔的圆柱体，生长底座3顶部被已浸泡菌液的土工布包裹，菌液为培养到指数生长阶段的尿素水解细菌，生长底座3可拆卸式放置于反应容器4内部，生长底座3倒置时可通过升降杆固定于反应容器4上方，利用反应容器4内的反应液1或菌液与反应液1 的混合溶液合成所需的钟乳石及石笋2，钟乳石及石笋2可由生长底座3顶部长出，反应液循环装置包括蠕动泵15和硅胶管，在蠕动泵15的作用下，反应容器4内的溶液经由硅胶管引至位于反应容器4上方的生长底座3内部，供氧装置包括氧气泵5和橡胶管，在氧气泵5的作用下，通过橡胶管向反应容器4内的溶液中直供氧气，PC控制端9与pH调节装置和恒温装置相连进行数据传输，通过pH调节装置和恒温装置分别调控反应容器4内的溶液的pH值和温度。

反应容器4底部内侧中央位置设有用于固定生长底座3的环形卡槽8，环形卡槽8的高度为生长底座3高度的1/3～1/2，环形卡槽8的内径比生长底座3直径大1～3mm。

生长底座3的顶部开孔直径为0.5～1.5mm，生长底座3底部设有角度调节旋钮17，以生长底座3轴线为中心可左右旋转90°，用于调节生长底座3顶部长出的钟乳石及石笋2浸入反应容器4内的溶液的角度，生长底座3通过升降杆倒置于反应容器4上方并通过升降杆上的升降调节按钮16调节钟乳石及石笋2浸入反应容器 4内溶液的深度。

pH调节装置包括一个pH温补电极11、两个容量为1L的酸碱性玻璃容器12和两个微型电动球阀13，一个玻璃容器12分别通过一个微型电动球阀13的阀门启闭与反应容器4相连通或不连通，两个容量为1L的玻璃容器内分别装有浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液和1mol/L的盐酸溶液，通过PC控制端9将反应容器4内溶液的最优pH值设置为8.0～8.5，pH温补电极11与PC控制端9的输入端相连，两个微型电动球阀均与PC控制端9的输出端相连，两个微型电动球阀13均受PC控制端9的控制，通过PC控制端9控制断送电关闭和打开两个微型电动球阀13各自对应的阀门进而实现将不同玻璃容器12内的溶液注入反应容器4内，一样调节反应容器4内溶液的pH值，pH调节装置通过pH温补电极11实时测量反应容器4内溶液的pH值并将数值传输至PC控制端9进行处理，PC 控制端9通过判定溶液pH是否超出设置范围而决定是否向微型电动球阀13供电进而向反应容器4内注入酸液或碱液，当反应容器4内溶液的pH值小于8时，与装有氢氧化钠溶液的玻璃容器相连接的微型电动球阀13的阀门打开，向反应容器4内注入氢氧化钠溶液，当反应容器4内溶液的pH达到8.5时，与装有氢氧化钠溶液的玻璃容器相连接的微型电动球阀13的阀门关闭，当反应容器4内溶液的pH大于8.5时，与装有盐酸溶液的容器相连接的微型电动球阀13的阀门打开，向反应容器4内注入盐酸溶液，当反应容器4内溶液的pH达到8时，与装有盐酸溶液的容器相连接的微型电动球阀13的阀门关闭，维持反应容器4内溶液的pH值。

恒温装置包括一个温度传感器10和一个加热底座14，通过 PC控制端9将反应容器4内溶液的最适温度设定为30～35℃，温度传感器10与PC控制端9输入端相连并将所测溶液温度实时传送至PC控制端9，PC控制端9输出端与加热底座14相连并控制加热底座14对反应容器4内的溶液加热或停止加热，PC控制端9通过判定反应容器4内溶液的温度是否低于设置范围而决定向加热底座14是否供电，当反应容器4内溶液的温度低于30℃时，PC控制端9会给加热底座供电使其工作，当反应容器4内溶液的温度达到 35℃时，PC控制端9控制加热底座14断电停止加热，实现反应容器4内溶液温度的恒温。

一种微生物合成钟乳石及石笋的方法，利用好氧性微生物水解尿素与钙盐的结合过程包括微生物富集培养、微生物水解尿素诱导碳酸钙产生沉淀两部分合成钟乳石及石笋2，具体包括以下步骤：

步骤一、微生物富集培养

步骤1.1、制备菌液

将好氧性微生物接种至培养基内进行增殖培养至10⁷～10⁹个/L，将生长到指数期的微生物在2～5℃下离心10min，随后倒掉占0.1～0.5倍总体积的上清液并加入浓度为9g/L的氯化钠溶液，使微生物浓度达到10⁸～10¹²个/L。

步骤1.1中，富集培养的微生物为好养型细菌，其在水解尿素过程中产生碳酸根，在碱性条件下和钙盐产生碳酸钙沉淀，从效果和效率方面考虑，本实用新型的好氧性微生物为好氧性尿素水解细菌，尿素水解细菌为保藏编号为CGMCCNo.1.3687的巴氏生孢八叠球菌或保藏编号为CGMCC No.1.7272的地尿素芽孢杆菌。

步骤1.1中，培养基包括：酵母浸出粉10～30g/L、尿素或氯化氨3.33～20g/L、一水硫酸锰8～16mg/L、六水氯化镍18～30mg/L，培养基的PH调节至7.5～9.5。

步骤1.2、配制反应液

分间隔分批加入尿素和钙盐，得到尿素与钙盐的混合溶液，作为微生物水解尿素诱导碳酸钙产生沉淀所需的反应液，尿素与钙盐的用量根据所合成的钟乳石及石笋的尺寸大小进行选择，每次加入到反应容器内的尿素与钙盐的摩尔总量不超过10mol/L，尿素与钙盐的浓度比为1∶1，尿素与钙盐等比例生成碳酸钙，任何一个的多加都会造成浪费，尿素与钙盐分批次加入反应容器内的时间间隔为4～8h，尿素为农用尿素化肥，钙盐为可溶性钙盐，包括醋酸钙、氯化钙、硝酸钙中的一种或几种的组合。

步骤1.3、生长底座的预处理

按照生长底座3的开孔顶面和侧面尺寸裁剪出相适配的土工布，并将土工布缝制在生长底座3上，然后放入步骤1.1制备好的菌液内浸泡1～3h，备用，菌液为培养到指数生长阶段的好氧性尿素水解细菌。

步骤二、合成钟乳石及石笋

合成的钟乳石及石笋2为实心结构。

步骤2.1、钟乳石及石笋萌芽

将步骤1.3中处理好的生长底座3放入反应容器4内，并向反应容器4内注入步骤1.2已配制好的反应液，使反应液1的液面高出生长底座3的高度为0.5～1.5cm，同时利用氧气泵5向反应容器4 内的反应液1持续供氧，加快好氧性微生物的水解尿素速率，需注意的是，如图5-6所示，好氧性尿素水解细菌对反应环境的pH 值和温度十分敏感，不同的pH值和温度条件下，好氧性尿素水解细菌的活性均具有较大的波动，且该菌在水解尿素的过程中会造成周围环境pH的急剧变换，当温度过低时，好氧性尿素水解细菌水解尿素的速率会大幅度下降，因此在反应过程中需利用 pH调节装置和恒温度装置加以控制，维持pH值和温度基本不变；

步骤2.2、横向生长控制

当步骤2.1中的萌芽高度达到0.5～1.5cm时，将反应容器4内的反应液1抽出，重新加入配比为1∶2～1∶5的菌液与反应液1的混合溶液，使反应容器4内的混合溶液的液面高出生长底座3的高度 0.5～1.5cm，并持续供氧，按照EDTA方法，每隔3～6h测定溶液内钙离子含量并与初始浓度比较，当钙离子浓度低于初始浓度的 10％时，重新更换混合溶液，若要控制钟乳石及石笋2横向生长，则需控制溶液液面与已生长钟乳石高度一致，重复上述过程，直至合成所需钟乳石及石笋2，制备的钟乳石及石笋2为实心结构。

步骤2.3、逆向生长控制

将步骤2.2中的生长底座3、钟乳石及石笋2取下，并将钟乳石及石笋2和生长底座3通过绳索等紧固在一起，以防在后期生长阶段出现意外掉落，随后旋转180°，倒置，逆向生长出钟乳石及石笋，如图2所示，通过蠕动泵15将反应容器4内的混合溶液引至倒置的生长底座3内再通过其顶部的开孔和土工布流至钟乳石及石笋2上，混合溶液在钟乳石及石笋2表面反应后再滴入反应容器4内，达到循环利用，按照步骤2.2中的测定方法，每隔3～6h测定溶液内的钙离子含量并与初始浓度相比较，当钙离子浓度低于初始浓度的10％时，重新更换混合溶液，重复上述过程，直至合成所需的钟乳石及石笋，在反应过程中需利用pH调节装置和恒温度装置加以控制，维持pH值和温度基本不变，同时利用氧气泵5向反应容器4内的混合溶液内持续供氧，加快好氧性微生物的水解尿素速率。

步骤2.4、局部生长控制

反应容器4内添加配比为1∶2～1∶5的菌液与反应液1的混合溶液，生长底座3旋转180°倒置，如图3所示，生长底座3与钟乳石及石笋2通过绳索等紧固在一起，调控钟乳石及石笋2浸入混合溶液内的深度和角度，实现钟乳石及石笋2的局部生长，按照步骤 2.2中的EDTA测定方法，每隔3～6h测定溶液内的钙离子含量并与初始浓度相比较，当钙离子浓度低于初始浓度的10％时，重新更换混合溶液，重复上述过程，直至合成所需的钟乳石及石笋2，在反应过程中需利用pH调节装置和恒温度装置加以控制，维持pH值和温度基本不变，同时利用氧气泵5向反应容器4内的混合溶液内持续供氧，加快好氧性微生物的水解尿素速率。

向反应容器4内一次性加入菌液的体积不宜过多，控制在 2-5L范围内，考虑到微生物合成速率及已合成的钟乳石及石笋大小，蠕动泵15的泵速控制在2～20mL/min。

上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围。