深海热液口极端环境模拟系统的制作方法

本发明涉及微生物学培养技术领域，尤其涉及深海热液口极端环境模拟系统。

背景技术：

温度高达三百多摄氏度的滚烫热液从海底热液喷口向上喷射，当遇到冰冷的海水时会矿化成高13米的烟囱状金属硫化物，在烟囱状金属硫化物附近还群集着大量海底生物，这些微生物具有嗜热、耐压或嗜压、抗毒等一些列特点，由于其处于深海极端热液环境，通过科考船取回的样本十分有限，而这些嗜热或嗜压的微生物又容易因为环境条件改变而死亡。因此必须在实验室建立深海热液口极端环境模拟系统，将热液喷口附近的微生物在人工模拟的深海热液环境下培养研究，由此可以对海底热液喷发及周围的独特生命形式作深入的研究，从而为人类研究生命起源和深海生物圈提供一个重要的窗口。

技术实现要素：

本申请人针对上述现有问题，进行了研究改进，提供一种深海热液口极端环境模拟系统，本发明可以为深海微生物提供最高温度400℃、最高压力为250mpa的热液口模拟环境，其可以保持系统内部0.1～10ml/min的营养液流动，并在此情况下进行一年时间的持续不间断工作。

本发明所采用的技术方案如下：

深海热液口极端环境模拟系统，包括工控机，多台水泵的电机控制器并连于工控机，各水泵的入口连接营养液容器，各水泵的出口分别与压力传感器和单向阀连接，各压力传感器的电信号端接入工控机，各单向阀的出口通过管路汇总，所述管路汇总的出口与截止阀的入口连接，所述截止阀的出口与第一硬管的一端连接，所述第一硬管的另一端伸入反应釜内部并浸没于釜内溶液底部，所述反应釜布置于沙浴池的内部，所述沙浴池的电信号控制口也与工控机连接；还包括与反应釜连接的第二硬管，所述第二硬管与另一个截止阀的入口连接，在所述第二硬管上还与另一台接入工控机的压力传感器连接，所述另一个截止阀的出口与过滤器的入口连接，所述过滤器的出口分别与电动针阀的入口、针阀组的入口连接，所述电动针阀的电信号端与工控机连接，所述电动针阀的出口及针阀组的出口均与废液容器连接。

其进一步技术方案在于：

于所述反应釜的顶部还通过硬管连接有保护反应釜安全的爆破片，在安装有爆破片的硬管中间处还缠敷第一冰袋；

所述安全阀的出口连接废液容器，在安装有安全阀的硬管中间处缠敷有第二冰袋；

各单向阀汇总的管路出口与截止阀入口之间设置用于添加样品的第一截止阀组，在所述过滤器入口与另一个截止阀出口之间还设置用于取出样品的第二截止阀组；

所述水泵为超高压超微流量水泵，所述水泵的最高输出压力为260～300mpa，其输出流量在0.1～10ml/min之间连续可调；

所述反应釜采用钛合金材料制成，所述反应釜的的封盖和釜体之间采用硬密封；

所述爆破片的爆破压力为270～300mpa；

所述安全阀的设置压力为260～270mpa；

所述第一硬管的中间处弯折形成蛇形管，所述第一硬管的蛇形管部分浸没于第一冷却水容器内；所述第二硬管的中间处也弯折成是蛇形管，所述第二硬管的蛇形管部分浸没于第二冷却水容器内。

本发明的有益效果如下：

(一)本发明系统最高工作压力250mpa，最高温度达400℃，利用该压力和温度工作范围可模拟全球海洋所有热液口的环境。

(二)本发明可以0.1～10ml/min的流量将新鲜营养液持续不断打入反应釜内部，并将废液排出，在此工况下可以连续不间断工作长达一年的时间，为微生物长期生长提供基础，为微生物在热液环境下的培养研究提供保障。

(三)本发明系统的压力、温度、流量均可连续自动调节，其具有自动化程度高的优点。

(四)通过增加第一冷却水容器可以实现将反应釜和反应釜上游的泵阀之间进行温度隔离，另外增加第二冷却水容器可以实现反应釜和反应釜下游阀件之间的温度隔离，从而使各泵阀内部介质处于常温状态，从而降低泵阀的技术要求，提高使用寿命。

(五)在系统的超微流量下，采用串联布置的针阀组来承担最高250mpa的压降，这可以使得单个针阀工作在较为合适的阀口开度区域，有利于提高系统压力控制的稳定性，同时减小针阀阀口的射流冲刷，提高了针阀的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的系统原理示意图。

其中：1、工控机；201、第一水泵；202、第二水泵；203、第三水泵；204、第四水泵；3、营养液容器；401、第一压力传感器；402、第二压力传感器；403、第三压力传感器；404、第四压力传感器；405、第五压力传感器；501、第一单向阀；502、第二单向阀；503、第三单向阀；504、第四单向阀；601、第一截止阀；602、第二截止阀；603、第三截止阀；604、第四截止阀；605、第五截止阀；606、第六截止阀；701、第一冷却水容器；702、第二冷却水容器；8、反应釜；901、第一冰袋；902、第二冰袋；10、沙浴池；11、爆破片；12、安全阀；13、废液容器；14、压力表；15、过滤器；161、第一针阀；162、第二针阀；163、第三针阀；17、电动针阀；18、第一硬管；19、第二硬管。

具体实施方式

下面说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，深海热液口极端环境模拟系统包括包括工控机1，多台水泵的电机控制器并连于工控机1，本实施例中上述水泵包括第一水泵201、第二水泵202、第三水泵203及第四水泵204，上述第一水泵201、第二水泵202、第三水泵203及第四水泵204的入口均连接营养液容器3，各水泵的出口分别与压力传感器和单向阀连接，具体为第一水泵201的出口分别连接第一压力传感器401及第一单向阀501，第二水泵202的出口分别连接第二压力传感器402及第二单向阀502，第三水泵203的出口分别连接第三压力传感器403及第三单向阀503，第四水泵204的出口分别连接第四压力传感器404及第四单向阀504，上述第一压力传感器401、第二压力传感器402、第三压力传感器403、第四压力传感器404的电信号端均接入工控机1，上述第一单向阀501、第二单向阀502、第三单向阀503及第四单向阀504的出口均通过管路汇总，管路汇总的出口与第一截止阀601的入口连接，第一截止阀601的出口与第一硬管18的一端连接，第一硬管18的另一端伸入反应釜8的内部并浸没于反应釜8底部的溶液中。在上述各单向阀汇总的管路出口与第一截止阀601的入口之间还设置用于添加样品的第一截止阀组，第一截止阀组包括串联且常闭的第二截止阀602和第三截止阀603，其中第二截止阀602的入口与上述汇总的管路连接，第二截止阀602的出口与第三截止阀603的入口连接，第三截止阀603的出口悬空。上述第一硬管18的中间处弯折形成蛇形管，所述第一硬管18的蛇形管部分浸没于第一冷却水容器701内，第一冷却水容器701用于将反应釜8和反应釜8上游的泵阀之间进行温度隔离，使所述泵阀内部介质能处于常温状态，以降低所述泵阀的技术要求。反应釜8布置于沙浴池10的内部，沙浴池10的电信号控制口也与工控机1连接，沙浴池10上设有温度传感器。

上述各水泵均为超高压超微流量水泵，水泵的最高输出压力为260～300mpa，上述各水泵的最高输出压力均大于系统工作压力，工控机1施加控制量于其电机上，由此来调整各水泵的流量在0.1～10ml/min之间变化。

如图1所示，于反应釜8的顶部还通过硬管连接有用于保护反应釜8安全的爆破片11，爆破片11的爆破压力为270～300mpa。在安装有爆破片11的硬管中间处还缠敷第一冰袋901。于反应釜8的顶部还通过硬管与安全阀12的入口连接，安全阀12的出口连接废液容器13，在安装有安全阀12的硬管中间处缠敷有第二冰袋902，上述安全阀12的设置压力为260～270mpa，由上述内容可知，爆破片的爆破压力高于安全阀的设置压力，当反应釜8内部压力过高，安全阀将开启工作，若安全阀因故失效，反应釜8内部压力继续升高，则爆破片11爆破并释放反应釜8的压力，从而起到保护反应釜并保证操作人员的安全的作用，该反应釜8采用钛合金材料制成，反应釜的封盖和釜体之间采用硬密封，钛合金材料具有良好的生物亲和性、耐腐蚀能力好，硬密封的方式可以有效满足最大压力250mpa、最高温度400℃的使用工况。

如图1所示，本发明还包括与反应釜8连接的第二硬管19，第二硬管19与第四截止阀604的入口连接，在第二硬管19上还与压力表14及第五压力传感器405的入口连接，所述第五压力传感器405的电信号端接工控机1。上述第二硬管19的中间处弯折形成蛇形管，第二硬管19的蛇形管部分浸没于第二冷却水容器702内。第二冷却水容器702用于将反应釜8和反应釜8下游的阀件之间进行温度隔离，使所述阀件内部介质处于常温状态，以降低所述阀件的技术要求。上述第四截止阀604的出口与过滤器15的入口连接，在第四截止阀604的出口与过滤器15的入口之间还设置用于取出样品的第二截止阀组，该第二截止阀组包括串联且常闭的第五截止阀605及第六截止阀606，其中第五截止阀605的入口也与第四截止阀604的出口连接，第五截止阀605的出口接第六截止阀606入口，第六截止阀606的出口悬空。上述过滤器15的出口分别与电动针阀17的入口、第一针阀161的入口连接，电动针阀17的电信号端与工控机1连接，第一针阀161的出口接第二针阀162的入口，第二针阀162的出口接第三针阀163的入口，第三针阀163的出口、电动针阀17的出口及均与废液容器13连接，上述第一针阀161、第二针阀162及第三针阀163构成针阀组。本发明中第一针阀161、第二针阀162及第三针阀163为小通径针阀，其通径尺寸为0.5～2.5mm。

反应釜8的目标工作温度控制过程如下：

如图1所示，工控机1控制沙浴池10加热实现升温，沙浴池10可以将反应釜8的温度加热至400℃，通过反应釜8的自然冷却实现降温，通过在沙浴池10内埋设温度传感器并将温度信号反馈至工控机1实现温度的闭环控制，从而使得反应釜8的工作温度可以维持在设置的目标温度。

在0.1～10ml/min的系统内部营养液流动下，本发明通过以下途径实现连续不间断工作一年时间：

如图1所示，由于第一水泵201、第二水泵202、第三水泵203、第四水泵204并联后接入工控机1，其工作模式为：第一台水泵正常工作、第二台水泵作为第一备用、第三台水泵作为第二备用，最后一台水泵作为检修用。当第一水泵201处于工作状态时，其通过第一单向阀501向系统提供稳定的目标流量，此时第二水泵202作为第一备用、第三水泵203作为第二备用、第四水泵204处于检修状态，此时系统处于某一稳态压力下，由于第二单向阀502、第三单向阀503、第四单向阀504的存在，因此系统压力不会对第二水泵202、第三水泵203及第四水泵204造成任何影响，工控机实时监测第一压力传感器401和第五压力传感器405，当两者之间的压力差大于5mpa时，则判定第一水泵201损坏，无法提供稳定目标流量，或者虽然未检测到第一水泵201损坏但其连续工作时间已超过了该型水泵平均无故障工作时间2/3的情况下，此时工控机1启动作为第一备用的第二水泵202提供稳定的目标流量，在该状态下第三水泵203将成为第一备用、第四水泵204为第二备用，而第一水泵201则处于检修状态，以此循环，从而保证整个系统可以持续工作一年的时间。

本发明对系统目标工作压力的控制通过以下途径实现：

如图1所示，当正常工作的一台水泵工作时(处于正常工作状态下的第一水泵201、第二水泵202、第三水泵203、第四水泵204中的任意一个)，其为本发明系统提供稳定的目标流量，若目标流量小于1ml/min,由于该流量非常微小使得传统手段无法进行系统的压力控制，此时将第一针阀161、第二针阀162、第三针阀163关闭，工控机1检测第五压力传感器405的反馈值，通过控制电动针阀17间歇性开启来进行调压。上述设计依据是根据公式δp＝eeδqδt/v得出(其中在δp是在δt时间内动态封闭容腔压力变化值，δq是在在δt时间内流进流出动态封闭容腔液流流量之差，v是动态封闭容腔的总体积，ee是液流的有效体积弹性模量)，在δq为系统设定的目标流量情况下，本发明通过调控δt时间长短(即电动针阀17的开启时间)来实现系统工作压力控制。

若设定的目标流量大于1ml/min，正常工作的某一台水泵持续为本发明系统提供稳定的目标流量，此时关闭电动针阀17，第一针阀161、第二针阀162处于微开启状态，作为固定液阻使用，承担分压功能，调整第三针阀163的开度(即调整可变液阻大小)来实现系统目标压力控制。由于第一针阀161、第二针阀162及第三针阀163串联布置，每个针阀均承担一定压降，而三个针阀共承担最高250mpa的压降，如此串联的布置方式可使得单个针阀工作在较为合适的阀口开度区域，有利于提高系统压力控制的稳定性，同时减小针阀阀口的射流冲刷，提高针阀的使用寿命。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。