一種消除磁場影響的控溫型生物膜培養實驗方法及其裝置的制造方法
【專利摘要】一種消除磁場影響的控溫型生物膜培養實驗方法及其裝置，所述的方法包括以下步驟：在進水箱內裝入液體，使得液體的液面達到預設位置；設好生物膜培養所需因素的參數；進水箱內的液體引入消磁后的反應罐內并加熱；轉動生物膜培養片，對生物膜培養片表面的微生物進行培養；裝置包括儲水單元、反應單元和控制單元，儲水單元與反應單元管路連接，控制單元設置在儲水單元與反應單元之間儲水單元包括進水箱和用于注入液體的刻度管；反應單元包括反應罐、電動攪拌器、固定支架、磁屏蔽罩和至少一個生物膜培養片；控制單元包括帶控制板的PLC主控箱、液位警報器、蠕動泵和加熱器。本發明的有益效果是：能消除磁場、精準控制培養條件的消除磁場影響。
【專利說明】
-種消除磁場影響的控溫型生物膜培養實驗方法及其裝置
技術領域
[0001] 本發明設及一種消除磁場影響的控溫型生物膜培養實驗方法及其裝置。
【背景技術】
[0002] 供水管道中的生物膜吸附著重金屬、有毒的消毒副產物等物質，同時還為微生物 提供生長繁殖的場所，部分微生物屬于致病菌，存在潛在致病風險。在水體處于滯流或者水 流流速驟變的情況下，生物膜中的致病菌或有毒有害物質將釋放到水體中嚴重威脅到人體 健康。因此，生物膜逐漸成為研究的熱點，而生物膜中的成分受多種因素的影響如溫度，水 流切應力W及水力停留時間等，但是，在實際管道中無法控制水溫、水力停留時間、水體切 應力等因素，所W在生物膜培養裝置中控制水溫和水力條件W研究其對生物膜的生長影響 顯得非常有必要。
[0003] 但是，目前現有的小型生物膜培養裝置存在W下幾個缺陷：1)溫度不可控(溫度是 影響生物膜培養的最關鍵因素），在冬季水溫較低時微生物生長緩慢甚至大量死亡，而常規 加熱器致使反應器水體受熱不均勻影響微生物的生長;2)常規加熱器和電動攬拌器會激發 產生磁場影響微生物的生長;3)傳統反應器采用電動機攬拌獎旋轉帶動水體旋轉，模擬實 際管道水體對生物膜培養片的切應力，但是由于水體并非剛體，反應器中水體切應力的大 小從中屯、向兩邊呈逐漸遞減趨勢，運將導致預期實驗結果與實際在一定程度上存在差異。 為解決上述問題，設計一種消除磁場影響的可控溫新型供水管道生物膜培養小型實驗裝 置。
【發明內容】
[0004] 本發明針對目前的小型生物膜培養過程中存在磁場干擾、無法控制水溫、水力停 留時間、水體切應力等因素的問題，提出了一種能消除磁場、精準控制培養條件的消除磁場 影響的控溫型生物膜培養實驗方法及其裝置。
[0005] 本發明所述的一種消除磁場影響的控溫型生物膜培養實驗方法，包括W下步驟：
[0006] 1)在進水箱內裝入液體，并使得液體的液面達到預設的液面位置；
[0007] 2)設定好生物膜培養所需因素的參數，所述的參數包括預先計算好的反應罐內的 進水流量與水力停留時間的數學關系式
[000引
[0009] 式中Q為進水流量(mL/min)，罐內工作體積να)，th水力停留時間化）；
[0010] 生物膜培養片的速度和水流切應力之間的數學關系式
[0011]
[001 ^ 式中τ為水流剪切力(N/m2)，f范寧摩擦系數，V為生物膜培養片的速度v(m/s);P為 反應罐內水密度化g/m3)
[001引式中Re為雷諾數，P7jc密度(kg/m3)，R為水力半徑(Π?)，μ動力粘度(化· s);
[0016]
[0017]式中V為生物膜培養片的速度v(m/s) ;N為轉速(rpm)，r為生物膜培養片到轉軸中 屯、的距離(m);W及反應罐內的水力停留時間、水流切應力、水溫和低液位的數值；
[0018] 3)設定完所需參數之后，將進水箱內的液體引入消磁后的反應罐內，待反應罐注 滿之后開始加熱直至罐內液體達到設定溫度;整個培養過程保持進水箱內液面恒定;整個 過程中反應罐內始終充滿液體，溢出的液體從反應罐的出水口排出；即，當進水箱中的液位 超出液位警報器預設的最大值或者低于液位警報器預設的最小值時發出警報聲，同時整個 裝置運行停止;進水箱內注入液體待進水箱的水位到達預設工作水位時停止加水，裝置重 新開始啟動運行；
[0019] 4)轉動生物膜培養片，對生物膜培養片表面的微生物進行培養，得到需要的微生 物;其中培養過程中的參數根據微生物種類進行調整。
[0020] 本發明所述的一種消除磁場影響的控溫型生物膜培養實驗方法構建的裝置，包括 儲水單元、反應單元和控制單元，所述的儲水單元與所述的反應單元管路連接，所述的控制 單元設置在儲水單元與反應單元之間，其特征在于:所述的儲水單元包括進水箱和用于注 入液體的刻度管，所述的刻度管設置在所述的進水箱的外部，并且所述的刻度管底部與所 述的進水箱底部連通；
[0021] 所述的反應單元包括反應罐、電動攬拌器、固定支架、磁屏蔽罩和至少一個生物膜 培養片，所述的電動攬拌器安裝在位于反應罐的頂部的固定支架上，并且所述的電動攬拌 器的外部罩有磁屏蔽罩，所述的電動攬拌器的攬拌軸穿過所述的反應罐的頂部與所述的生 物膜培養片固接；
[0022] 所述的控制單元包括帶控制板的化C主控箱、液位警報器、蠕動累和加熱器，所述 的加熱器的凹槽內裝有所述的反應罐，所述的加熱器的凹槽內壁設有兩根反向纏繞的電阻 絲，并且所述的電阻絲與加熱器凹槽內壁貼合;所述的液位警報器設置在所述的進水箱的 上部;所述的蠕動累的進液口與所述的進水箱的出液口管路連接，所述的蠕動累的出液口 與所述的反應罐的進液口管路連接;所述的液位警報器、蠕動累、加熱器W及反應單元的電 動攬拌器分別與所述的化C主控箱相應的端口電路相連。
[0023] 所述的加熱器上配有溫度報警器，并且所述的溫度報警器的控制端與所述的化C 主控箱相應的端口電路連接。
[0024] 所述的生物膜培養片包括四角星形柱狀體和連接軸，所述的連接軸的上端與所述 的電動攬拌器的攬拌軸固接，所述的連接軸的下端與所述的四角星形柱狀體轉動連接，并 且所述的四角星形柱狀體的內壁凹凸不平。
[0025] 所述的反應罐的頂部設有4個所述的生物膜培養片。
[0026] 所述的電動攬拌器的攬拌軸通過軸承與所述的生物膜培養片固接;所述的軸承與 所述的反應罐之間配有密封墊。
[0027] 所述的磁屏蔽罩為坡莫合金屏蔽罩。
[0028] 所述的PCL主控箱上設有自動檔和手動檔，生物膜培養裝置的工作狀態可進行切 換，蠕動累進水量、電動攬拌器的旋轉速度、加熱器的溫度、液位報警器的水位均通過PCL主 控箱上的觸摸屏進行手動設置。
[0029] 具體的，所述的加熱器可均衡對反應罐進行加熱，溫差控制在±0.5攝氏度，同時 加熱器還設有溫度警報裝置，一旦監測到的溫度遠高于設定溫度則發出檢修警報;所述的 進水箱外部裝有帶有容積刻度的透明塑料刻度管，易于加藥配置實驗所需水質水體;所述 的軸承與反應罐之間設置有密封墊，且軸承和反應罐都采用金屬不誘鋼材質;所述的加熱 器內壁凹槽是由兩根反向纏繞的電阻絲均勻纏繞，使其通過反應罐的磁通量為零W避免磁 場對微生物生長造成影響;所述的電動攬拌器與裝有生物膜培養片的軸承直接相連接，運 行時W帶動整個生物膜培養片轉動，在電動攬拌器外加有一個坡莫合金屏蔽罩，用來消除 電動攬拌器內通電線圈激發產生的磁場對反應罐內微生物生長的影響;所述的生物膜培養 片采用四角星形柱狀體，表面較為凹凸不平易于更多量的微生物的附著與生長，同時生物 膜培養片被電動攬拌器帶動轉動時，其自身也可繞軸轉動W確保柱狀體的四個面均可受水 力剪切力的作用;所述的化C主控箱中預先存入預先計算好的進水流量與水力停留時間的 數學關系式、電動機攬拌速度和水流切應力之間的數學關系式，裝置開始運行前在化C主控 箱觸摸屏上輸入水力停留時間、水流切應力、水溫和低液位的數值，裝置啟動運行蠕動累在 接收到模擬量信號后將進水箱中的水體通過塑料軟管加到反應體系的反應罐中，加熱器在 反應罐水體加滿之后開始加熱升溫，電動攬拌器在加熱器加熱到預設溫度后再開始帶動載 有生物膜培養片的軸承轉動，當液位警報器在進水箱中的液位低于0.1 m時發出警報聲，同 時整個裝置運行停止，待進水箱的水位到達預設水位時停止加水，裝置重新開始啟動運行； 所述的液位傳感器監測到水箱的液位低于所設定的低液位值0 . Im時整個裝置運行停止并 發出警報。
[0030] 本發明的有益效果是：1)能夠在較低溫度環境下均衡控溫培養微生物，使微生物 的生存環境處于穩定的溫度，控溫限值為±0.5攝氏度;2)加熱器電阻激發產生咐及和討及相 互抵消避免了因通電線圈激發的磁場對微生物生長產生影響，電動攬拌器外加有一個坡莫 合金屏蔽罩，用來消除因電動攬拌器內產生的電磁場對反應罐內微生物生長的影響；3)電 動攬拌器帶動軸承轉動的同時，生物膜培養片也隨之轉動使其實際所受到的水體剪切力與 預期相同；4)可通過化C主控箱同時控制多臺反應器運行W分析對比不同溫度、水力停留時 間和水體剪切力條件下管壁生物膜的生長情況。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發明的主視圖。
[0032] 圖2是本發明的俯視圖。
[0033] 圖3是本發明的加熱器結構圖。
[0034] 圖4是本發明的生物膜培養片結構圖。
[0035] 圖5是本發明的電阻絲的饒向圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面結合附圖進一步說明本發明
[0037] 參照附圖：
[0038] 實施例1本發明所述的一種消除磁場影響的控溫型生物膜培養實驗方法，包括W 下步驟：
[0039] 1)在進水箱1內裝入液體，并使得液體的液面達到預設的液面位置；
[0040] 2)設定好生物膜培養所需因素的參數，所述的參數包括預先計算好的反應罐內的 進水流量與水力停留時間的數學關系式
[0041]
[0042] 式中Q為進水流量(mL/min)，罐內工作體積V(L)，th水力停留時間化）；
[0043] 生物膜培養片的速度和水流切應力之間的數學關系式
[0044]
[0045] 式中τ為水流剪切力(N/m2)，f范寧摩擦系數，V為生物膜培養片的速度v(m/s);P為 反應罐內水密度化g/m3)
[004引式中Re為雷諾數，P水密度(kg/m3)，R為水力半徑(πι)，μ動力粘度(化· S);
[0049]
[0050] 式中V為生物膜培養片的速度v(m/s) ;Ν為轉速(rpm)，r為生物膜培養片到轉軸中 屯、的距離(m);W及反應罐內的水力停留時間、水流切應力、水溫和低液位的數值；
[0051] 3)設定完所需參數之后，將進水箱內的液體引入消磁后的反應罐內，待反應罐注 滿之后開始加熱直至罐內液體達到設定溫度;整個培養過程保持進水箱內液面恒定;整個 過程中反應罐內始終充滿液體，溢出的液體從反應罐的出水口排出；即，當進水箱中的液位 超出液位警報器預設的最大值或者低于液位警報器預設的最小值時發出警報聲，同時整個 裝置運行停止;進水箱內注入液體待進水箱的水位到達預設工作水位時停止加水，裝置重 新開始啟動運行；
[0052] 4)轉動生物膜培養片，對生物膜培養片表面的微生物進行培養，得到需要的微生 物;其中培養過程中的參數根據微生物種類進行調整。
[0053] 實施例2本發明所述的一種消除磁場影響的控溫型生物膜培養實驗方法構建的裝 置，包括儲水單元、反應單元和控制單元，所述的儲水單元與所述的反應單元管路連接，所 述的控制單元設置在儲水單元與反應單元之間，所述的儲水單元包括進水箱1和用于注入 液體的刻度管2,所述的刻度管2設置在所述的進水箱1的外部，并且所述的刻度管2底部與 所述的進水箱2底部連通；
[0054] 所述的反應單元包括反應罐3、電動攬拌器4、固定支架5、磁屏蔽罩6和至少一個生 物膜培養片7,所述的電動攬拌器4安裝在位于反應罐3的頂部的固定支架5上，并且所述的 電動攬拌器4的外部罩有磁屏蔽罩6,所述的電動攬拌器3的攬拌軸穿過所述的反應罐3的頂 部與所述的生物膜培養片7固接；
[0055] 所述的控制單元包括帶控制板的化C主控箱8、液位警報器9、蠕動累10和加熱器 11，所述的加熱器11的凹槽內裝有所述的反應罐3,所述的加熱器11的凹槽內壁設有兩根反 向纏繞的電阻絲12,并且所述的電阻絲12與加熱器11凹槽內壁貼合;所述的液位警報器9設 置在所述的進水箱1的上部;所述的蠕動累10的進液口與所述的進水箱1的出液口管路連 接，所述的蠕動累10的出液口與所述的反應罐3的進液口管路連接;所述的液位警報器9、蠕 動累10、加熱器11W及反應單元的電動攬拌器4分別與所述的化C主控箱8相應的端口電路 相連。
[0056] 所述的加熱器11上配有溫度報警器，并且所述的溫度報警器的控制端與所述的 PLC主控箱8相應的端口電路連接。
[0057] 所述的生物膜培養片7包括四角星形柱狀體71和連接軸72,所述的連接軸72的上 端與所述的電動攬拌器4的攬拌軸固接，所述的連接軸72的下端與所述的四角星形柱狀體 71轉動連接，并且所述的四角星形柱狀體71的內壁凹凸不平。
[0058] 所述的反應罐3的頂部設有4個所述的生物膜培養片7。
[0059] 所述的電動攬拌器4的攬拌軸通過軸承13與所述的生物膜培養片7固接;所述的軸 承13與所述的反應罐3之間配有密封墊。
[0060] 所述的磁屏蔽罩6為坡莫合金屏蔽罩。
[0061 ]所述的PCL主控箱上設有自動檔和手動檔，生物膜培養裝置的工作狀態可進行切 換，蠕動累10進水量、電動攬拌器4的旋轉速度、加熱器11的溫度、液位報警器9的水位均通 過PCL主控箱上的觸摸屏進行手動設置。
[0062]具體的，所述的加熱器11可均衡對反應罐3進行加熱，溫差控制在±0.5攝氏度，同 時加熱器11還設有溫度警報裝置，一旦監測到的溫度遠高于設定溫度則發出檢修警報;所 述的進水箱1外部裝有帶有容積刻度的透明塑料刻度管2,易于加藥配置實驗所需水質水 體;所述的軸承13與反應罐3之間設置有密封墊，且軸承13和反應罐3都采用金屬不誘鋼材 質;所述的加熱器11內壁凹槽是由兩根反向纏繞的電阻絲12均勻纏繞，使其通過反應罐3的 磁通量為零W避免磁場對微生物生長造成影響;所述的電動攬拌器4與裝有生物膜培養片7 的軸承13直接相連接，運行時W帶動整個生物膜培養片7轉動，在電動攬拌器4外加有一個 坡莫合金屏蔽罩6,用來消除電動攬拌器4內通電線圈激發產生的磁場對反應罐3內微生物 生長的影響;所述的生物膜培養片7采用四角星形柱狀體，表面較為凹凸不平易于更多量的 微生物的附著與生長，同時生物膜培養片7被電動攬拌器4帶動轉動時，其自身也可繞軸轉 動W確保柱狀體的四個面均可受水力剪切力的作用;所述的化C主控箱8中預先存入預先計 算好的進水流量與水力停留時間的數學關系式、電動機攬拌速度和水流切應力之間的數學 關系式，裝置開始運行前在化C主控箱8觸摸屏上輸入水力停留時間、水流切應力、水溫和低 液位的數值，裝置啟動運行蠕動累10在接收到模擬量信號后將進水箱1中的水體通過塑料 軟管14加到反應體系的反應罐3中，加熱器11在反應罐3水體加滿之后開始加熱升溫，電動 攬拌器4在加熱器加熱到預設溫度后再開始帶動載有生物膜培養片7的軸承13轉動，當液位 警報器9在進水箱1中的液位低于0.1m時發出警報聲，同時整個裝置運行停止，待進水箱1的 水位到達預設水位時停止加水，裝置重新開始啟動運行;所述的液位傳感器監測到水箱的 液位低于所設定的低液位值0.1m時整個裝置運行停止并發出警報。
[0063]本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護 范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發明的保護范圍也包括本領域技術 人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。
【主權項】
1. 一種消除磁場影響的控溫型生物膜培養實驗方法，包括以下步驟： 1) 在進水箱內裝入液體，并使得液體的液面達到預設的液面位置； 2) 設定好生物膜培養所需因素的參數，所述的參數包括預先計算好的反應罐內的進水 流量與水力停留時間的數學關系式式中Q為進水流量(mL/min)，罐內工作體積V(L)，th水力停留時間(h); 生物膜培養片的速度和水流切應力之間的數學關系式式中τ為水流剪切力(N/m2)，f范寧摩擦系數，V為生物膜培養片的速度v(m/s) ;P為反應 罐內水密度(kg/m3)式中Re為雷諾數，P水密度(kg/m3)，R為水力半徑(m)，μ動力粘度(Pa · s);式中V為生物膜培養片的速度v(m/s) ;N為轉速(rpm)，r為生物膜培養片到轉軸中心的 距離(m);以及反應罐內的水力停留時間、水流切應力、水溫和低液位的數值； 3) 設定完所需參數之后，將進水箱內的液體引入消磁后的反應罐內，待反應罐注滿之 后開始加熱直至罐內液體達到設定溫度;整個培養過程保持進水箱內液面恒定;整個過程 中反應罐內始終充滿液體，溢出的液體從反應罐的出水口排出； 4) 轉動生物膜培養片，對生物膜培養片表面的微生物進行培養，得到需要的微生物;其 中培養過程中的參數根據微生物種類進行調整。2. 根據權利要求1所述的一種消除磁場影響的控溫型生物膜培養實驗方法構建的裝 置，包括儲水單元、反應單元和控制單元，所述的儲水單元與所述的反應單元管路連接，所 述的控制單元設置在儲水單元與反應單元之間，其特征在于:所述的儲水單元包括進水箱 和用于注入液體的刻度管，所述的刻度管設置在所述的進水箱的外部，并且所述的刻度管 底部與所述的進水箱底部連通； 所述的反應單元包括反應罐、電動攪拌器、固定支架、磁屏蔽罩和至少一個生物膜培養 片，所述的電動攪拌器安裝在位于反應罐的頂部的固定支架上，并且所述的電動攪拌器的 外部罩有磁屏蔽罩，所述的電動攪拌器的攪拌軸穿過所述的反應罐的頂部與所述的生物膜 培養片固接； 所述的控制單元包括帶控制板的PLC主控箱、液位警報器、蠕動栗和加熱器，所述的加 熱器的凹槽內裝有所述的反應罐，所述的加熱器的凹槽內壁設有兩根反向纏繞的電阻絲， 并且所述的電阻絲與加熱器凹槽內壁貼合;所述的液位警報器設置在所述的進水箱的上 部;所述的蠕動栗的進液口與所述的進水箱的出液口管路連接，所述的蠕動栗的出液口與 所述的反應罐的進液口管路連接;所述的液位警報器、蠕動栗、加熱器以及反應單元的電動 攪拌器分別與所述的PLC主控箱相應的端口電路相連。3. 如權利要求2所述的一種消除磁場影響的控溫型生物膜培養實驗裝置，其特征在于： 所述的加熱器上配有溫度報警器，并且所述的溫度報警器的控制端與所述的PLC主控箱相 應的端口電路連接。4. 如權利要求3所述的一種消除磁場影響的控溫型生物膜培養實驗裝置，其特征在于： 所述的生物膜培養片包括四角星形柱狀體和連接軸，所述的連接軸的上端與所述的電動攪 拌器的攪拌軸固接，所述的連接軸的下端與所述的四角星形柱狀體轉動連接，并且所述的 四角星形柱狀體的內壁凹凸不平。5. 如權利要求4所述的一種消除磁場影響的控溫型生物膜培養實驗裝置，其特征在于： 所述的反應罐的頂部設有4個所述的生物膜培養片。6. 如權利要求2所述的一種消除磁場影響的控溫型生物膜培養實驗裝置，其特征在于： 所述的電動攪拌器的攪拌軸通過軸承與所述的生物膜培養片固接;所述的軸承與所述的反 應罐之間配有密封墊。7. 如權利要求2所述的一種消除磁場影響的控溫型生物膜培養實驗裝置，其特征在于： 所述的磁屏蔽罩為坡莫合金屏蔽罩。8. 如權利要求2所述的一種消除磁場影響的控溫型生物膜培養實驗裝置，其特征在于： 所述的PCL主控箱上設有自動檔和手動檔，生物膜培養裝置的工作狀態可進行切換，蠕動栗 進水量、電動攪拌器的旋轉速度、加熱器的溫度、液位報警器的水位均通過PCL主控箱上的 觸摸屏進行手動設置。
【文檔編號】C12M1/38GK106010967SQ201610452888
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月21日
【發明人】陳磊, 王磊, 申屠華斌, 柳景青, 彭宏熙, 張逸夫, 周云峰, 羅志逢
【申請人】浙江工業大學