一種深海微生物多級膜取樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一種深海微生物多級膜取樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0海底微生物取樣技術(shù)海洋微生物是指分布在海洋中的個體的小、簡單形狀和結(jié)構(gòu)的個別或多細(xì)胞生物。作為食物鏈最底層的生物,它們?yōu)楸姸嗟暮Ｑ笊锾峁┝她嫶蟮氖澄餇I養(yǎng)來源,并在污染物分解、礦物形成等過程中扮演了極為重要的角色。海洋環(huán)境的特殊性,使得海洋微生物在長期的適應(yīng)過程中具有了嗜壓、嗜鹽、低營養(yǎng)性、多形性等特點(diǎn)。相對于營養(yǎng)豐富、光照充足的淺海,深海的微生物活動并不十分劇烈,但從海面到海底淤泥都有微生物的存在。對深海微生物的研究不僅有助于了解生命的起源,而且可以了解生物在極端環(huán)境下的生活特性,有助于對海洋生態(tài)系統(tǒng)加深了解和深海資源的開發(fā)。1977年ALVIN深潛器證實(shí)了深海微生物的存在,科學(xué)家們隨之開始了深海微生物取樣技術(shù)的研究。早期的深海微生物取樣器由深海取水器發(fā)展而來,但由于深海微生物極低的濃度和極高的保壓要求,其取樣方法逐漸向著原位濃縮、無壓力突變、保溫保壓的方向發(fā)展?，F(xiàn)有的原位濃縮保壓取樣技術(shù)由于只進(jìn)行一次過濾,存在著樣品雜質(zhì)含量高,微生物難以分離的缺點(diǎn)。本研究設(shè)計(jì)了一種深海微生物多級膜取樣系統(tǒng),相比于已有的過濾濃縮取樣裝置,取樣器部分采用了兩級膜的過濾設(shè)計(jì),能較好地剔除雜質(zhì),提高所采樣品的有效濃度。同時系統(tǒng)還配備了可伸縮的采集頭以及溫度測量頭,滿足了在熱液口等復(fù)雜環(huán)境下的使用需要。2010年秋經(jīng)過大洋一號南海試航階段的實(shí)驗(yàn),該系統(tǒng)能夠圓滿完成設(shè)計(jì)使命。1海底兩環(huán)管網(wǎng)保壓取液器系統(tǒng)總圖如圖1所示,該系統(tǒng)主要由4個部分組成:多級膜過濾保壓取樣器、三柱塞海水泵、伸縮式采集頭,以及溫度測量裝置。多級膜取樣器液壓原理圖如圖2所示,系統(tǒng)的工作原理是:深海直流無刷電機(jī)帶動三柱塞海水泵,泵的入口處連接采集頭吸管,吸入的海水從泵的出口進(jìn)入六通轉(zhuǎn)接管。六通轉(zhuǎn)接管的5個出口分別連接一組兩級膜過濾保壓筒,保壓取樣器共含有5組并聯(lián)安裝的兩級膜過濾保壓筒,每組保壓筒都以單向閥作為進(jìn)口,電磁單向閥作為出口,電磁閥直通海水。本研究通過控制電磁閥的開關(guān)來切換需要使用的過濾保壓筒。另一個直流無刷電機(jī)帶動的可伸縮采集頭,可在工作時伸出采集頭,取樣結(jié)束后將采集頭縮回。取樣位置的溫度信息通過溫度測量探頭感知,再由溫度采集筒內(nèi)的采樣放大電路進(jìn)行處理和上傳。1.1海洋微生物檢測多級膜取樣器如圖3所示,多級膜過濾保壓取樣器包含5組多級膜過濾保壓取樣筒,每組過濾保壓取樣筒具有相同的結(jié)構(gòu),相互間作并聯(lián)安裝,每個取樣筒內(nèi)隨海水通過方向依次放置兩級過濾膜,第1級的孔徑大于第2級的孔徑,體積較大的雜質(zhì)顆粒被第1級過濾膜濾掉,體積較小的海洋微生物則可通過第1級過濾膜,但無法穿過第2級,于是可在第2級過濾膜上取到純度較高的海洋微生物。兩級過濾膜之間連接有三通截止閥,截止閥留有一個可開閉的接口,可以用于樣品的轉(zhuǎn)移。每組保壓取樣筒的進(jìn)口處有一個單向閥,出口處有一個電磁單向閥,電磁單向閥打開時,進(jìn)口處單向閥在泵出口壓力下打開,海水開始通過保壓取樣筒過濾取樣;電磁單向閥關(guān)閉時,流道被切斷,對應(yīng)的保壓取樣筒不再有海水通過,進(jìn)口處的單向閥也復(fù)位關(guān)閉,取樣筒內(nèi)液體被密封起來,壓力仍得到保持。在取樣回收過程中,外界壓力變小,取樣筒筒體會發(fā)生膨脹,加之裝置本身不可避免地泄露,取樣筒內(nèi)的壓力會有所下降,因而需要進(jìn)行壓力的補(bǔ)償。在入口單向閥與取樣筒之間加裝蓄能器,蓄能器裝在剛性的筒體內(nèi)。在取樣器下放前,根據(jù)預(yù)計(jì)取樣深度給蓄能器預(yù)充一定壓力的氮?dú)?預(yù)充氣壓略低于取樣海水壓力,下放之后蓄能器剛性筒體受海水壓縮輕微變形,所以蓄能器開啟壓力要比預(yù)充壓力略高。取樣時,取樣筒與蓄能器筒相通,海水進(jìn)入蓄能器筒,壓縮蓄能器,內(nèi)部氣體壓力與海水壓力相等。在取樣回收過程中,當(dāng)取樣筒內(nèi)壓力下降時,蓄能器通過一定程度的膨脹,擠出油液進(jìn)入到保壓筒內(nèi),可以對取樣筒內(nèi)損失的壓力給予一定程度的補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)保壓。1.2采集頭的配置在實(shí)際取樣過程中,為了實(shí)現(xiàn)對精確位置(如熱液口)的取樣工作,需要能活動的采集頭。傳統(tǒng)上,采集頭通過水下機(jī)械手進(jìn)行操作移動,但水下機(jī)械手價格昂貴,且很多水下運(yùn)載器及拖體上并未裝備機(jī)械手,這就限制了取樣器的搭載方式和使用范圍。為解決此問題,該取樣系統(tǒng)中配置了可伸縮式采集頭,如圖4所示。采用深海直流無刷電機(jī)帶動絲桿運(yùn)動,并以導(dǎo)軌滑塊導(dǎo)向的方式實(shí)現(xiàn)吸管的伸縮。吸管等滑動部件的重量所產(chǎn)生的彎矩,由導(dǎo)向結(jié)構(gòu)來承載。系統(tǒng)共配置6根吸管,平面并聯(lián)布置。每根吸管負(fù)責(zé)一個取樣點(diǎn)的采集任務(wù),要對多個取樣點(diǎn)進(jìn)行采樣時,則分別使用不同的吸管,可以防止樣品交叉污染。吸管通過軟管接到海水柱塞泵的入口,柱塞泵的出口通過軟管連接到六通轉(zhuǎn)接管,接入過濾保壓取樣器。在取樣工作完成后,還可收回采集頭,方便保護(hù)和運(yùn)載。1.3柱塞泵電機(jī)無刷電機(jī)該取樣系統(tǒng)使用一種深海壓力平衡的海水柱塞泵,如圖5所示。該柱塞泵為曲軸轉(zhuǎn)動相位互成120°的三柱塞泵,由電機(jī)帶動曲軸旋轉(zhuǎn),其曲軸箱一側(cè)連通一個充油的壓力補(bǔ)償器。柱塞泵由深海直流無刷電機(jī)驅(qū)動,電機(jī)和泵都安裝到材料為工程塑料的支架上。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min,泵的額定輸出流量為4L/min,最大輸出壓力為10MPa。由于柱塞泵的流量穩(wěn)定、工作壓力高,可以適應(yīng)多級過濾膜的過濾系統(tǒng),并且可以根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)轉(zhuǎn)時間確定通過的流量,很好地滿足了微生物取樣系統(tǒng)的要求。1.4溫度測量裝置對于熱液口等特殊海洋區(qū)域的微生物采樣,需要知道取樣點(diǎn)準(zhǔn)確的溫度、壓力等環(huán)境信息,從而更準(zhǔn)確地實(shí)施取樣操作,分析取樣結(jié)果。因此,該取樣系統(tǒng)配置了溫度測量裝置,如圖6所示。該裝置包含一個溫度探頭和一個溫度采集筒。溫度探頭內(nèi)有一個測量溫度用的熱電偶和一個溫度補(bǔ)償熱敏電阻,可以輸出兩路模擬量信號,信號經(jīng)溫度采集筒內(nèi)的信號處理電路放大處理后,輸出0～5V直流電壓,經(jīng)A/D采樣就可上傳到上位機(jī),顯示當(dāng)前采樣點(diǎn)的溫度值。溫度探頭和溫度采集筒之間通過水密接插件相連。2關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)2.1濾膜的安裝和流道的設(shè)置取樣器共包含5組相同結(jié)構(gòu)的取樣筒,每組取樣筒都為兩級膜過濾,每一級過濾膜都安裝在如圖7所示的保壓筒內(nèi),保壓筒之間通過管道串聯(lián),保壓筒由上、下兩塊端蓋通過螺釘連接組成,擋板之間通過O圈密封。過濾膜放置在布滿細(xì)孔的擋板上,其邊緣也通過O圈密封并壓緊固定,使海水只能從濾膜經(jīng)過,保證過濾效果。由于濾膜的安裝,使得保壓筒處的流道寬度很寬,上、下端蓋受力極大,而且此處的受力變形也直接影響到樣品保壓效果,故需重點(diǎn)設(shè)計(jì)校對。在本研究中,過濾膜尺寸Φ=47mm,工作壓力P=60MPa,材料選0Cr17Ni4Cu4Nb,屈服強(qiáng)度σ0.2=725MPa,抗拉強(qiáng)度σb=930MPa。σ0.2=725MPa,安全系數(shù)nS=1.6,許用應(yīng)力[σ0.2]=σ0.2/nS=453MPa。σb=930MPa,安全系數(shù)nS=3,許用應(yīng)力[σb]=σb/nS=310MPa。(1)u3000smin計(jì)算取端蓋內(nèi)徑D=45mm,則最小厚度:Smin=D×√0.31Ρ/[σb]=11.02Smin=D×0.31P/[σb]?????????√=11.02mm(1)取S=12mm。(2)螺釘材料的確定受壓面積:S=πD2/4=1.6×10-3m2(2)膨脹力:F=S×P=95426N(3)筆者選用相同的材料做螺釘,選擇8顆M12×1.75的螺釘,螺釘D1=10.106mm,D2=10.863mm,D=12mm。單顆螺釘受拉力:F=95426/8N=11928N(4)σ=F/S=4F/πD2121=149MPa<[σb](5)(3)端蓋抗剪刀試驗(yàn)最薄弱處直徑52mm,厚度10.6mm,則:τ=F/S=55MPa<[τ](6)2.2其它入口單向閥電磁單向閥如圖8所示,為實(shí)現(xiàn)可靠密封,本研究對電磁單向閥進(jìn)行了改進(jìn),在閥芯的錐面上增加了一個O形橡膠密封圈,閥套相應(yīng)的地方也做成了圓錐面,錐度和閥芯的錐度相同,這樣在閥芯壓住閥套時,閥芯上的O形圈就會壓在閥套的錐面上,形成類似于端面密封的密封形式,克服了以往單純的金屬與金屬密封泄漏的問題,提高了閥的穩(wěn)定性,降低了閥維修的難度。相應(yīng)的入口單向閥也做了相同改進(jìn)。按設(shè)計(jì)要求,單向電磁閥的額定流量為4L/min,閥口通徑取D=6mm,閥芯行程取l=1mm。由于外界海水壓力始終作用在錐閥的A口,即面積較小的一側(cè),而理論上取樣時,部分外界海水已從入口單向閥進(jìn)入到保壓筒內(nèi),使內(nèi)、外壓力基本平衡,所以當(dāng)電磁單向閥未通電時,閥芯基本都能保持關(guān)閉,故彈簧預(yù)緊力無需太大,適當(dāng)取值即可。取預(yù)緊力FP=5N,則彈簧的最大恢復(fù)力:FR=1.5FP=7.5N(7)彈簧的剛度:k=FR-FΡl=2.5Ν/mmk=FR?FPl=2.5N/mm(8)閥芯與閥套間的摩擦力保守估計(jì)為f=10N,取電磁鐵推力安全系數(shù)為n=1.3,則電磁鐵推力不應(yīng)小于:F=(f+FR)×n=22.75N(9)實(shí)際電磁鐵推力設(shè)計(jì)值為50N,完全滿足要求。2.3單向閥損失泵的輸出壓力取決于系統(tǒng)過濾時的壓力損失,而系統(tǒng)的壓力損失主要來自于4個方面:入口單向閥、管道、濾膜、電磁單向閥。系統(tǒng)要能正常工作,必須滿足:PS>PV+PP+PM+PEV(10)式中:PS—泵的最大輸出壓力,PV—入口單向閥壓力損失,PP—管道損失,PM—濾膜壓力損失,PEV—電磁單向閥壓力損失。管道壓力損失:ΡΡ=128μlπd4qPP=128μlπd4q(11)在該系統(tǒng)中,動力粘度μ=1.41×10-3Pa·s,管道長度l=0.8m,管道直徑d=0.005m,流量q=6.67×10-5m3/s,代入式(11)得PP=4907Pa。由錐閥閥口流量公式推得單向閥壓力損失:ΡV=ρ2(qcdA)2(12)在該系統(tǒng)中,cd=0.64,ρ=103kg/m3,A=2.22×10-5m2,q=6.67×10-5m3/s,代入式(12)得PV=0.11MPa,由于機(jī)械結(jié)構(gòu)相同,PEV=PV。由文獻(xiàn)查得PM=0.8×2=1.6MPa,則:PV+PP+PM+PEV=1.825MPa(13)該系統(tǒng)所用三柱塞海水泵最高輸出壓力為10MPa,符合PS>PV+PP+PM+PEV的要求。3實(shí)驗(yàn)本研究全套系統(tǒng)參加了2010年10月大洋一號的南海海試,各模塊搭載到如圖9所示拖體,下放到深海進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3.1試驗(yàn)采樣過程具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:(1)下潛前檢查:測試電磁閥、電機(jī)、溫度傳感器等部件工作是否正常;蓄能器充氮?dú)?電機(jī)和泵的壓力補(bǔ)償器充油,取樣器內(nèi)注水;檢查各水密接插件、軟管、毛細(xì)管的鏈接是否可靠。(2)船開到預(yù)定的試驗(yàn)位置,在海況較好的情況下以1～2節(jié)的速度動力定位,下放設(shè)備到近底20m深度。(3)設(shè)定采集頭電機(jī)轉(zhuǎn)動時間和控制電壓,開啟電機(jī),伸出采集頭。(4)選擇一組取樣器進(jìn)行取樣,打開相應(yīng)的電磁閥,然后開啟柱塞泵,設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)動時間和控制電壓,定時進(jìn)行抽水過濾采樣,并記錄溫度信息。(5)一組取樣結(jié)束后,關(guān)柱塞泵,然后關(guān)電磁閥;選擇下一個采集點(diǎn)采集樣品時重復(fù)步驟(4)、(5),可以采集滿5組取樣筒,也可以根據(jù)情況決定取樣次數(shù),實(shí)際試驗(yàn)取了兩組。(6)采樣結(jié)束后開采集頭電機(jī),反轉(zhuǎn)收回采集頭。(7)系統(tǒng)出水,記錄樣品壓力,24h后觀察壓力變化情況,并轉(zhuǎn)移樣品。3.2過濾濃縮取樣擴(kuò)大了微生物的品質(zhì)具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。取樣結(jié)束后取出的過濾膜如圖10所示,不難看出,0.45μm的濾膜上明顯有許多深色雜質(zhì),而0.22μm的濾膜上則幾乎看不到雜質(zhì),可見多級膜過濾濃縮取樣的設(shè)計(jì)顯著提高了微生物樣品的品質(zhì)和濃度。4