（机械电子工程专业论文）深海超临界高温高压极端环境模拟与监控技术研究.pdf

、 产 、 、 # 摘要 摘要 深海极端环境微生物的发现是二十世纪末最重大的科学发现之一，它在全球碳循环和其 它生命元素的地球化学循环以及海底成矿过程中起着重要的作用，它的发现对地球生命起源 提出了新的研究课题。在分子水平上研究深海微生物及其与环境关系的分子生物地球化学研 究正逐渐成为国际上一个富有活力的新兴交叉学科。开展深海微生物分子地球化学研究工 作，除需要在保真状态下将深海底微生物采集到船上来之外，还要做到在现场防污染和可检 测条件下对此类微生物进行培养和研究，但目前国内微生物培养设备和技术阻碍了该项科学 研究的开展。为此，本文围绕深海极端环境多级模拟培养平台的开发、研制过程，对旨在模 拟深海微生物生长的各种不同环境的深海超临界高温高压极端环境模拟与监控技术进行了 深入的系统研究。 本文主要对深海极端环境多级模拟平台的循环培养系统和监测与控制系统的原理设计、 控制方案、整机调试等方面展开了一系列具有针对性的研究；对一些关键元件的相关技术进 行了较为详细的分析和阐述：研究了高温高压条件下采用超高压微流量海水比例溢流阀实现 微流量系统的高压稳压控制技术、大时滞加热控制系统的结构组成与控制算法、多级模拟系 统集成的控制分析；成功研制了一套深海极端环境多级模拟培养平台，为研究深海微生物的 生长过程及其诸环境因素间的相互关系和特殊生物基因资源的开发利用及分子生物地球化 学的研究提供了保障基础。 全文共分六章 第一章分析了同类设备和技术的国内、外的发展状况。指出了存在的问题，提出了几个 符台研究目标的总体方案；最后阐述了课题的主要研究内存、研究难点t 设计了相应的技术 路线。 第二章针对高温高压超临界极端环境条件下的精细流量水压控制要求，提出了微流量循 环流动开放式模拟系统；基于电液比例控制技术，分析了超l 晦界下水压控制技术的特点，对 组成系统的各关键元件的结构设计和特性进行了分析和研究，重点解决了密封与压力增益大 的难点；建立了单釜系统的数学模型，并进行了仿真与实验研究。 第三章分析了加热控制系统的组成环节与大时滞特点，开展了相应的理论研究，设计了 该平台温度控制系统的硬件组成结构，详细研究了基于s m i t h 预估的p i d 的控制算法以及它 们的改进形式，进行了仿真与实验研究。 第四章基于液路网络原理，提出了两种典掣的多级模拟结构，讨论了多级模拟系统的特 点，研究了并联结构和串联结构的控制特性，找出了级间耦合关系，以及一些干扰因素的影 响；设计了多级模拟平台的液压控制系统软件 一 塑垩查兰! ! 圭堂些丝苎 第五章利用前面几章关键技术的研究结果，进一步研究不同功能的实际系统的集成技 术，阐述了对多级串、并联模拟平台的应用，并分别进行了实验研究通过海上试验进一步 考核和验证了系统的控制性能和实用性。 第六章对本课题研究成果进行了全面总结并提出了进一步的研究方向。 关键词：深海；极端环境；多级模拟平台；微生物培养；高温高压控制 一 ， 廖 、 膏 i a b s t r a c t t h e d i s c o v e r y o f d o e p - s c u e x t r o m e m i c r o o r g a n i s m i s o n c o f t h e m a j o r d i s c o v e r i e s i n t h e m r r i n os y s t e m i n t h e e n do f t w e n t i e t hc o n u - y i tp l a y sag r e a tr o l eo nt h eg l o b a lc a r b o nc y c l e , a n dt h eg e o c h e m i c a lc y c l eo f u t h e rl i v i n g n 舰a a dt h ec o t l l 3 fo fs t t h m a t i l m i n e r a l i z a t i o n t h ed i s c o v e r yo fm i c r o o r g a n i s mp r o m i s e st op r o v i d e 口c w i n f o r m a t i o na b o u t t h eo d g 抽o f l i f ea n d i t se v o l u t i o n t h es t u d y o f d m - p - s e a m i c r o o r g a n i s m sa n d b i o g e o c h e m i s t r y i sg r a d u a l l yb e c o m i n gan e w l yp r o m i s i n gc o m p l e xs u b j e c tt od e v e l o pt h es t u d y , t m t h - p r e s c r v i n gs 删o t m go f m i c r o o r g a n i s m sf r o mo c c u uf l o o ri sn e c e s s a r y , a n df u r t h e r m o r e , i ti sm o r es i g n i f i c a n ta n dd i f f i c u l tt o 如j mt h e d e e p - s e am i c r o o r g a n i s m su n d e rt h ec o n d i t i o no ff i e l da n t i - p o l l u t i o na n dd c l e c t a b i l i t y b u tt h ep r e s e n tc u l t u r i n g e q u i p m e n t s a n d t e c h n i q u ea t h o m eb l o c k t h es c i e n t i f i cr e s e a r c h b a s e d o n t h e d c v e l o p m o n t o f 血e m u l t i p l e - s t e p p e d s i m u l a t i n gp l a t f o r mf o rd e p - s e ae x i l c m ea n v i r o n m c n t , t h ep r o f o u n dr e s e a r c ho nt h es i m u l a t i n ga n dc o n t r o l t e c h n i q u eo f d o e p - s e ae x t r e m ee n v i r o n m e n ti st h em a i nc o n t e n t s s o m ep c r t i n c u tr e s e a r c ho np r i n c i p l ed e s i g na n dc o n t r o ls c h e m eo f t h ec i r c u l a rc u l t u r i n gs y s t e ma n dc o n t r o l s y s t e mi sd o n e t h ed e t a i l e da n a l y s i sa n ds t a t e m e n to fs o n tk e ye l e m e n t sa r em a d e ，b a s e do nas e l f - d c w e l o p e d b u c k p r e s s u r ep r o p o r t i o n a lr e l i e fv a l v e , t h ep r e s s u r ec o n t r o lt e c h n i q u ef o rm i c r o - f l u xs e a w a t e rf l u i ds y s t e mi s d e m o n s t r a t e di n & t a i l t h ec o n t r o ls t r u c t u r ea n da l g o r i t h mf o rh e a t i n gc o n t r o ls y s t e mo f d o m i n a n td c l a ya r ew e l l r e s e a r c h e d t h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h cm u l t i p l e - s t e p p e ds i m u l a t i n gc o n t r o ls y s t e mf o rd c c * p - s e ae x t r e m e c n v h o n n ta r ca l s oe x e c u t e d t h es i m u l a t i n gp l a t f o r mf o rd 娜- s e ae x t r e m ee n v i r o n m c u ti sd e v e l o p e d s u c c e s s f u l l y i t w o u l d l a ys t r o n g f o u n d a t i o n f o r t h es t u d y o f d e e p - s e a m i c r o o r g a n i s m s a n d b i o g c u c h e m i s t r y t h e t h e s i s i n c l u d e ss i x c h a p l i n c h a p t e r li n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i t yo f l i k ee q m p n g u ta n dt e c h n i q u ea n dt h ee x i s t e n tp r o b l e m i n t h i sc h a r y , t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t , a n dk e yt e c h n i q u e a n do v e r a l lr e s e a r c hp r o g r a mm a l s op u tf o r w a r d i nc h a p t e r 2 ，a c c o r d i n gt op r o j e c tr e q u i r e m e n t s , s u p * r m r i c z ds e a - w a t c rh y d r a u l i cc o n t r o lt e c h n i q u ei s a n a l y z e db a s e do ne l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o lp r i n c i p l e t h es t r u c t u r ed e s i g na a dc h a r a c t e r i s t i co f k e ye l e m e n t sa r e r e s e a r c h e d a t t h e c u d o f t h i s c h 撇t h e m a t h e m a t i c s m o d e l i s b u i l t a n ds i m u l a t i o ns t u d y i sa l s od o n e i nt h et h i r dc h a p t e r , b a s e do nt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fh e a t i n gc o n t r o ls y s t e mo fd o m i n a n td e l a y , t h e t c i n p c h m c o n t r o ls y s t e mo f t h es i m u l a t i n gp l a t f o r mi sb u i l t t h es z m t h - p r e d i c t o r - b a s e dp i dc o n t r o la l g o r i t h m a n di m p r o v e m e n ta r cr e s e a r c h e di nd e t a i l t h es i m u l a t i o na n de x p 廿i i n e n t a ls t u d i e sme x e c u t e d c h a p t e r4d i s 9 e st h ec h a r a c t e r i s t i co fm u l t i p l e - s t e p p o ds i m u l a t i n gs y s t e mb a s e do i lt h ep r i n c i p l eo f h y d r a u l i cc i r c u i tn e t w o r k t h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fs c d a l dp a r a l l e ls t r u c t u r oi sa n a l y z e d t h ec o u p l i n g r e l a t i o nb e t w us t e p sa n do 蛔d i s t u r b i n ga c t o f $ a rp u tf o r w a r d t h ec o n o ls o f t w a r eo fh y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e mi sd e s i g n e d i nc h a p t e r6 。b a s e do nt h ef o r e g o i n ga n a l y s i sa n dm g a r c h t h ee x p e r t m c u t a ir e s e a r c ho nt h em u l r i p l e - s t e p p c a s i m u l a t i n gp l a t f o r mi se x p o u n d e di nd e t a i l t h cc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h es y s t e ma r ef u r t h e r c h e c k e d i ， i nr i t el a 吼c h a p t e r , t h e r ei sas u m m a r yo f t h er e s e a r c hf r u i t so f t h et h e s i sa n d t h ep r o s p e c to f f u r t h e rs t u d i e si s b r o u g h tf o r w a r d k e yw o r d s ：d e e p - s e a , e x 嗽i ”e n v i r o n m e n t , t e m p e r m u r ea n dh i g hp r e s s u r ec o n t r 0 1 i v m u l t i p l e - s t e p p e ds i m u l a t i n gp l a t f o r m , m i c r o o r g a n i s m , h i g h ， 一 f ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘茔或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：刀矽6 年8 月2 ，扩日矿矽d巧 少d 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝江盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：硼萨矽月郊日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：山4 年宇月汐日 电话： 邮编： 1 ， i l 、 传 0 第一章概述 第一章概述 摘要：本章论述了课题研究的背景和意义，提出了深海极端环境模拟的设想与要素；分析了 同类设备在国内、外的发展状况，指出了存在的问题，提出了几个符合研究目标的总体方案； 最后阐述了课题研究的目的、主要研究内容、研究难点，设计了相应的技术路线。 关键词：深海；极端环境；模拟；高温高压；热液 1 1研究背景与意义 生命起源于海洋。从远古至现代，从近海到大洋，人类从未停止过对海洋的 研究。对海洋资源的开发和利用一直是人们关注的焦点，在当代被称为“蓝色革 命”。近年来欧美各国和日本等国的海洋研究机构都投入了大量的人力和数以亿 计的物力，有计划地开展多种研究、合作和发展，纷纷抢占各个领域嘲。其中 对大洋的研究越来越受到重视，尤其是对极端环境下的生命的研究是一大新的热 点。 随着人类向大洋深处的进军，科学家在1 9 7 9 年在数千米深的海底首次发现 了“黑烟囱”，随后又发现在“黑烟囱”附近生活着大量热水生物。这已成为 2 0 世纪海洋科学领域最重大发现之一。 1 9 7 9 年，继前一年采集到硫化物后，美国的“阿尔文”号载人深潜器在2 6 1 0 米至1 6 5 0 米的东太平洋海底熔岩上，发现数十个冒着黑色和白色烟雾的“烟 囱”，附近出现大规模的硫化物堆积丘体。从直径约1 5 厘米的“烟囱”中，约 3 5 0 摄氏度的含矿热液以每秒几米的速度喷出。矿液刚喷出时为澄清溶液，与周 围海水混合后，很快产生沉淀变为“黑烟”，沉淀物主要由磁黄铁矿、黄铁矿、 闪锌矿及其他铜铁硫化物组成。这些海底硫化物堆积形成直立的柱体及圆丘，被 形象地称为“黑烟囱”。 科学家随后在各大洋先后发现了许多“黑烟囱”，它们主要集中于新生大洋 地壳上，如洋中脊和弧后盆地扩张中心的位置上。这些“黑烟囱”直径从数厘米 到两米，高度从数厘米到5 0 米不等，大的“黑烟囱”群及其堆积物有点像教堂 或庙宇建筑的复杂尖顶，大规模的堆积物可达到体育馆体积大小的百万吨以上。 “黑烟囱”是如何形成的呢? 专家指出，由于新生大洋地壳或海底裂谷地壳 的温度较高，海水沿裂隙向下渗透可达几公里，在地壳深部加热升温后。淋滤并 溶解岩石中多种金属元素后，又沿着裂隙对流上升并喷发在海底。由于矿液与海 浙江大学博士学位论文 水成分、温度的差异，形成浓密的黑烟，海底及其浅部通道内则堆积这些硫化物 的颗粒沉积，如图1 所示。它们在海底形成具有重要经济价值的多金属( 铁、铜、 锌、铅、汞、钡、锰、银等) 矿产，成为新世纪人类潜在的矿产资源。有意思的 是，科学家还在一些“黑烟囱”上发现了原生的自然金颗粒和天然水银。 大量海底调查发现，“黑烟囱”周围广泛存在古细菌，它们极端嗜热，可直 接生存于8 0 1 2 0 摄氏度的环境中。这种细菌最初发现于美国黄石公园的高温热 泉中。它们在现在海底生存的环境，类似地球早期环境的极端高温环境中：热泉 水温可达3 5 0 摄氏度，周围为2 摄氏度海水、水深两三千米，缺氧，遍布还原性 的有毒气体和金属离子。 基因组测序发现，这些“黑烟囱”周围的古细菌非常原始，处于生命树源头 的位置上。科学家因此提出原始生命起源于海底“黑烟囱”周围的理论，认为地 球早期的生命可能就是嗜热微生物。正因为如此，寻找古老的海底“黑烟囱”， 将可能为生命演化提供重要的科学证据。 图1 洋中脊喷口热液流体 从黑烟囱口中源源不断地喷出热液，其温度大于4 1 0 。c ，以n a c l 为主，但 变化相当剧烈并快速流动，呈酸性，p h 值3 4 ，成分中有如( o 1t o i o m m o l 1 ) 、 h , s ( 3t o 1 0 胁o i i ) 等气体，还富含重金属，f e 、c u 、z n 等。这些热液的 循环和羽流在很大范围内造成了多样性生物的化学环境，如图2 所示。1 9 7 7 年， 美国深潜器“a l v e n ” ( 阿尔文) 号在加拉帕戈斯群岛附近2 5 0 0 米深处中央海 脊热液口环境中发现大量的能氧化硫的细菌，其生物量可达1 0 6 个m l ，并在海 底形成厚厚的丝状细菌垫( 可达3 c m 厚) 。这些细菌与一些蠕虫和双壳类动物一 2 第一章概述 起共生，构成了海底特殊的生物群落，如图3 所示。海底除了热液生态群外， 也存在生活在低温冷泉口特殊海洋环境中的细菌群。如在墨西哥湾3 2 7 0 米处海 底，发现大量密集成层的白色细菌覆盖在底面上。这些生活在海底极端环境下的 细菌群落主要依靠化学合成生产有机物质。由于化学合成细菌是在地球上光合作 用藻类生物之前出现的古老种类，因此，有科学家认为，最早的海洋食物链就是 以化学合成为基础的。从热液口和冷泉口的环境特征来看，它们与地球表面生物 圈进化初期( 前寒武纪早期) 的海洋环境很类似，一些科学家据此推论地球上的生 命可能来源于与热液口状况相似的环境条件之下。因此，极端环境下微生物的发 现对地球生命起源提出了新的研究课题“。 图2 热液循环和羽流在大范围内造成的多样性生物化学环境 图3 高温热液生物群落 浙江大学博士学位论文 除生活在热液口和冷泉口附近的特异微生物群落外，在广袤的深海底层还生 活着其它不同类型的微生物群落。由于这些深海微生物面临三个极端环境：低温 ( 或高温) 、高压和低营养水平，这些菌种具有嗜冷( 或嗜热) 、耐压( 或嗜压) 、 抗毒等一系列特点，更加增强了国际学术界对深海微生物分子生物学和基因工程 学研究的兴趣。 近年来，有关深海微生物在地球表层系统中作用的研究越来越受到重视，科 学家们已经认识到深海微生物对全球碳循环和其它生命元素的地球化学循环以 及海底成矿过程( 如多金属结核矿床、富钴结壳矿床、热液多金属硫化物矿床、 天然气水合物矿床和磷钙石矿床等的成矿过程) 中起着重要作用。在分子水平上 研究深海微生物及其与环境关系的分子生物地球化学研究正逐渐成为国际上一 个富有活力的新型交叉学科研究方向。 随着地球科学进入以全球性视野和圈层相互作用为特色的系统科学阶段，深 海大洋研究的迫切性越益显著。特别是近年来随着上述提及的深部生物圈中各种 微生物群落的发现，使国际深海研究再度高潮迭起。欧美分别将深部生物圈列为 自然科学的重中之重，其中很大一部分涉及深海底微生物研究。我国也将“极端 环境条件下的海洋生物活动”列为2 1 世纪初优先鼓励发展的领域之一，利用科 学考察船在太平洋海域展开了大规模的勘探工作，图4 所示是我国“大洋一号” 船d 1 | f 1 0 5 - 1 1 航次的工作区及路线图，历时半年多；2 0 0 5 年更是开展了横跨太平 洋、大西洋和印度洋的环球大洋考察活动，历时十个月。然而，开展深海微生物 分子地球化学研究工作并非易事。除需要在保真状态下将深海底微生物采集到船 上来外，要做到在现场、防污染和受控( 可检测) 条件下开展对此类微生物的分子 生物地球化学研究，必需建立一套极端海底环境现场多级培养模拟系统和检测系 统，从而使在类似于深海极端环境( 高压，高温或低温环境) 下对深海微生物进 行培养和检测成为可能。 本课题试图研究深海极端环境的模拟与监测及其相关技术的一些关键问题， 探索建立实验室或科考船上用的模拟实验设备研制，结合高温( 或低温) 高压技 术和微生物培养技术，为开展创新思维的科研工作提供适宜的工作平台和技术保 障。本课题的研究成果可用于模拟深海生物所处各种不同的极端环境，配合采样 装嚣完成深海生物基因资源的采集、培养和扩增，研究生物的生长过程及其诸环 境因素闻的相互关系，为特殊生物的开发利用和生物地球化学等领域的研究提供 保障基础。这方面的设想和研究工作在国际上也仅是剐刚起步，国内尚无先例。 该技术的研究成功，将为我国在深海微生物培养和模拟实验设备的研制提供技术 基础，为我国在深海分子生物地球化学研究和深海基因研究方面赶超国际水平提 4 ， 铲 、 r 第一章概述 供了保障，同时也将极大地推动我国高温( 低温) 高压研究发展，开辟利用高温 高压设备进行深海分子生物地球化学研究的新方向。 1 - d r -f _目_ _ w l l罗 一一 ，o_ v f r ， f， b 。一 r 生平并 盏r _ 、 昂7 k 巾生簟蠢 鹳蠢匠 ：司巳一 h t 了器弹 r 0 f 一 - 、即最终气水台霉 气 争 礓0 碍 穸甲 t 嗣磊鑫荔藿憨 ， - ，l受 图4 大洋一号d y l 0 5 - 1 1 航次工作区及路线图 利用该系统所培养的深海微生物菌种，将为深海微生物资源的开发利用提供 研究对象，具有十分巨大的潜在经济效益( 如美国有关深海微生物酶产业的开发， 目前已有几十亿美元的年产值) 、广阔的市场前景和极高科学研究价值。鉴于深 海研究( 特别是深海微生物和深海生物地球化学研究) 是中国生命科学和地球科 学发展中的薄弱环节，该技术的研究成功也将同时促进我国深海研究基地的形成 和深海研究人才的培养。另外，该技术也可用于深海探测传感器的标定与研究等 领域。本课题得到了国家8 6 3 项目、国务院大洋专项和中科院创新基金的资助。 1 2 国内外现状 根据前面所述，深海极端环境的主要特征是高温、高压、低营养水平、无阳 光以及微流动，溶液处于超临界状态。因此模拟设备也应该能达到这些相应的环 境指标。其次，由深海极端环境到陆地或船上实验室，对深海生物基因资源进行 采集、培养和扩增等一系列研究必须依靠深海取样设备、船载运输( 储藏) 与培 养设备、实验室深海模拟设备等三部分装置。三者之间需要有合适的接口单元， 可以有部分功能交叉。为了保证生物的正常生存环境，尤其是对那些具有嗜热( 嗜 冷) 和嗜压的生物，在这三部分装置之间转移生物时必须保持原有的压力和温度 浙江大学博士学位论文 不变，即全程保真。因此，模拟深海极端环境的理想设备应该具有以下功能： 1 ) 高温控制热液的温度高达3 5 0 c ，而周围海水的环境温度是2 - 4 c ，温 度梯度大，需要在较大的温度范围内可调。 2 ) 高压控制深海水深可达6 0 0 0 米，相应的压力是6 0 m p a ，同样要求在较 大的范围内进行控制。科学家们发现潮汐的高度对海底的生物生长都有 很大影响，因此压力的控制精度要求很高。 3 ) 微流动控制海底的洋流速度相对来说比较缓慢，但总是处于流动状态。 模拟系统也必须是流动状态的，但必须是微流动，流量为每分钟毫升级。 4 ) 加液加气装置根据实验进程或化学传感器监测结果，对溶液加入需要 的液体或气体物质，使其化学成份达到实验要求。 5 ) 保真接口与前期取样设备或运输储藏设备之间具有保温保压接口。 6 ) 取样接口培养或反应一段时间后，可以根据需要进行取样。但是取样 时不能影响系统的工作状况。 7 ) 自动监测培养或反应时间通常较长，可达几十天。实验人员不在的情 况下必须及时记录实验参数，进行显示和保存。也可以安装一些化学传 感器，对溶液成份进行监测。 8 ) 数据处理对记录和保存的数据可以进行必要的处理，如定时保存、制 成表格打印等。 9 ) 具有很强的耐腐蚀性接触培养或反应溶液的材料在高温环境下必须具 有很强的耐腐蚀性，除了保证自身的使用寿命外，更重要的是不能产生 氧化物对溶液造成污染，影响其成份。 1 0 )具有良好的高温稳定性普通材料在高温条件下，强度很快下降， 不能满足耐高压要求，因此必须选用相应的特殊材料。 目f i 国外已有高温高压模拟设备研制成功，但只有日本实现了三者间全封闭 连接，达到全程保温保压；美、法两国研制的深海微生物培养和监测设备在样品 转移过程中都经过了样品减压、重新升压的步骤嘲。国内现有的微生物培养仅 在培养箱或发酵罐里进行，即在常压或接近常压下进行培养，尚不能实现在高压 环境和模拟深海流体动力环境下对微生物进行培养啪0 7 ) 现有的高温( 或低温) 高压设备按其内部液体介质是否流动可分为两类：流 动高温高压设备和静止高温高压设备。最初此类设备主要用于地壳深部极端高压 状态下物质相变、水岩相互作用及矿物新特性的研究，近年来国际上已经在食品、 育种、材料和超临界水的研究领域得到应用。它们的控制方式大多为手动。深海 极端环境微生物资源的开发和生物地球化学行为研究的开展，很大程度上取决于 6 ， i 第一章概述 在模拟极端海底环境条件下对深海微生物进行的培养。应用高温( 或低温) 高压 设备开展对深海微生物的研究正成为近期国际上分子生物地球化学研究领域的 研究趋势，国内在此方面的研究尚未起步，亦无应用高温( 或低温) 高压技术对 微生物进行培养的设备。 图5 所示是日本研制的k f - 3 0 l 型培养箱，工作温度5 0 - 1 5 0 0 c ，在常压或接 近常压下培养微生物，具有p h 值、通气量等手动控制功能，可以加液或加气。图 6 所示也是日本研制的k f - 1 0 0 k l 型大型发酵罐系统，控制功能与前面基本相同， 用于工业化生产。图7 所示是瑞士研制的b u c h i g l a s 化学反应器，图a ) 是用于分 析和研究开发的b e p 系列，培养罐容积为0 2 5 l 吨o l ，工作温度小于2 5 0 。c ，t 作 压力小于1 2 b a r ( 玻璃容器) 1 5 0 b a r 。图b ) 是他们的标准系列，容积1 5 l 2 5 0 l ， 工作温度一5 0 + 2 0 0 。c ，工作压力一1 + o 4 b a r ，也是用于实际的工业生产。它们都 是封闭不流动系统结构，“只进不出”，等到培养发酵过程结束后才卸压打开培养 罐，取出培养物品。功能上比较单一，参数控制精度也不高，自动化程度更是很 低，基本上都是人工控制、被动保压。 美国m i n n e s o t a 大学地质地球物理系正在开展的应用高温( 或低温) 高压设 备对深海微生物地球化学的实验研究，其在实验室内研究用的试验装置在功能和 图5 日本研制的】( f 一3 0 l 型培养箱 7 浙江大学博士学位论文 8 8 ) b e p 系列 图6 日本研制的k f - i o o k l 型发酵罐 b ) 标准系列 图7 瑞士研制的b u c h i g l a s 化学反应器 图8 美国m i n n e s o t a 大学并联式实验台 第一章概述 性能上都是比较先进的，处于国际领先地位。图8 所示是他们的一种并联式实验 装置，工作温度 1 2 0 0 c ，工作压力 2 5 婶a ，可调，但也只能封闭加压不能循环流 动，而且只能单个轮流加压，不能几个培养罐一起加压，实验结果可比性差，效 率低。装置中具有取样和加样接口，可以根据需要由手动截止阀进行控制。 图9 所示是他们在美国科学考察船k t l a n t i s ( “阿尔文”号潜器的母船) 上 使用的船载多点式反应装置，并非真正的并联式，其功能上增加了加液加气部件， 而工作参数与陆地实验室内使用的相同，即工作温度小于1 2 0 0 c ，压力小于 2 5 m p a 。图i o 是该实验台中使用的压力控制单元，由步迸电机驱动一个锥阀式截 止阀构成一个微小流量压力控制阀，可以根据压力需要进行相应的调节。由于步 进电机是增量控制模式，没有工作零点与参考值，一般情况下是难以实现闭环控 制的，其动态响应比较慢，调节精度低，工作可靠性相对较差。 图9 船载并联式反应装置图l o 步进电机驱动装置 图l l 是广州地化所自行研制的高压反应装置，图a ) 为静态高温高压地球 化学实验设备，图b ) 为流动高温高压地球化学实验设备，压力采用手动操作调 节，它们主要用于地球化学方面的研究，国内对于生物的培养设备研究不多。 根据查新报告( 2 0 0 5 年1 月6 日) 显示，国内外公开发表的文献中： 1 ) 国内中文文献中已见深海沉积物( 包括微生物) 保真采样系统( 浙江大学为 主申请的专利) 、深海微生物地球化学作用、以及利用微生物浸出深海多金属结 核中有价金属方法等方面的报道，但未见有关用于海底微生物资源的培养和扩增 研究，具有开放流动特点的海底洋流环境全程保真模拟的反应器研究的文献报 道。 2 ) 外文文献中已见有关深海极端微生物培养的高温高压反应器( 其最高压 力5 5 m p a ，温度为2 0 0 ，并能实现气液物质连续供应) 、利用深海高温高压的采 集和培养系统和深海细菌培育系统等方面的文献报道。但未见有关具有开放流动 9 浙江大学博士学位论丈 特点的海底洋流环境全程保真模拟的串并联多级反应器研究的文献报道。 a ) 静态高温高压地球化学实验设备 b ) 流动高温高压地球化学实验设备 图1 1 我国自行研制的高温高压反应装置 1 3 目前存在的主要问题 从以上各种设备的状况得知，对比深海极端环境的模拟要求，目前国内外同 类设备还无法有效地作为深海极端环境相应研究所需的模拟设备。它们主要存在 以下一些问题： 1 ) 系统结构上绝大多数为封闭体系，而不是循环流动开放体系，影响了 实际环境模拟的真实性和培养液成份的动态有效控制； 2 ) 压力采用人工手动或简单的手控电动方式进行控制，精度低，响应速 度慢，在工况变化时无法自动进行调节，适应能力差，可靠性低； 3 ) 自动化程度低，对操作人员的设备相关的专业素质要求高，数据的存 储、打印、实时显示和处理很不方便，实验信息不全面，劳动强度大； 4 ) 采用普通不锈钢材料制作，耐高温高压和强腐蚀性差，而且会对溶液 造成一定的污染，影响实验结果： 5 ) 没有多级串联或并联的结构形式，功能单一，可比性差，效率低，更 无法实现复杂流动环境的模拟； 6 ) 没有全程保压接口，无法实现对深海生物的保真培养，甚至无法获得 有效的样品，影响了实验研究的真实性。 为此，迫切需要研究有关的关键技术，解决相应的问题，以便在国内研制开 发功能和性能上更加优越的模拟设备，以满足相关领域科学研究工作的需要。目 1 0 第一章概述 前国内外同类设备与本课题的研究目标相比，主要的技术指标可归纳如下，见表 1 所示嘲。瞌订。其中国外的指标是指不同设备中的单项最优值，而本课题目标是指 同一设备同时都能达到的功能和指标。 表l 本课题与国内外现有设备相关技术指标的比较嘲一m 技术指标 国 内国外本课题目标 温度范围 1 5 0 - - g o 2 5 0 4 0 0 最高压力 0 5 l 舻a2 5 m p a6 0 肝a 系统结构 封闭、无流动 封闭开放，流动开放、流动或封闭 元件材料不锈钢合金，p e e k工业纯钛，钛合金，p e e k 压力控制方式不控步进电机带动调压阀电液比例阀自动控制 自动控制方式计算机自动采集计算机自动控制计算机自动控制与监测 1 4 研究方案与主要研究内容 本课题结合国家8 6 3 项目、国务院大洋专项和中科院创新基金开展研究，面 向船载或陆上实验室内极端海底环境生物的多级模拟反应和监测系统，可以模拟 深海微生物所处各种不同的极端环境，解决其中主要的关键问题，并配合实现深 海生物基因资源的采集、培养和扩增的全程保温保压，为深海生物地球化学研究 和深海底特殊生物资源的开发利用提供有效的研究手段。 1 4 1 研究方案 模拟反应培养釜与循环培养系统必须同时考虑营养成份添加口和与采样器 的保压接口，并考虑通过不同的组合实现不同的模拟功能。图1 2 是国外的一种 功能较全的模拟装置原理图，其主要元件包括气体增压泵、计量泵、反应釜、储 存罐、放液放气装置、流量控制器、各种气瓶、氧气隔离器和过滤器等，压力 l 6 7 m p a ，温度2 5 2 0 0 。 从原理图可见，该装置不但具有培养和反应的主功能，而且具有加气、取样 和放液气等辅助功能，但都是手动控制。 为了尽量避免人为因素的影响，提高实验操作的方便性和灵活性，本课题设 计了一种具有计算机自动控制功能的多级模拟方案。该系统的结构组成原理如图 1 3 所示，主要由监测与控制子系统、循环培养子系统两大部分组成。这两个子 系统相应地完成各项参数的监测与控制和样品的循环、培养与取样。此外还有加 气加液装置和辅助装置如保压接口等。 d a 卡与恒流量泵( 微流量钛质水泵) 、p h 计、压力传感器、温度计及比例压力 阀控制放大器相连，可以监测泵的参数( 流量、压力) 、p h 值、压力和温度，并 相应地控制压力阀和温控仪的工作参数。釜内的压力由压力传感器检测后经放大 器放大并输入计算机进行处理，再输出相应的控制信号控制比例压力阀，实现压 力在整个控制范围内的实时闭环控制。而温度则由稳控器进行设定并根据温度传 感器反馈信号通过热电偶实现自动闭环控制。大大提高了实验参数的控制精度。 1 2 第一章概述 循环培养子系统主要由微量水泵、反应釜、各类控制阀以及水容器、连接管 路等组成。恒流量泵提供压力和流量可调的液体( 样品) ，通过管路输送到反应 釜并由各类控制阀按要求进行控制。控制阀主要有比例压力阀和截止阀两类，前 者的作用是根据计算机控制信号自动控制液体的压力，后者则由手动切换按系统 功能要求实现相应的循环方向。根据科学研究要求，有并联式和串联式两种反应 装置，具体技术方案如下。 印臣习 厂 = 工业 i 磐雨 控制 = ! = 匮箧 计算 芒芝笔皇；7 一 机 图1 4 监测与控制子系统结构原理图 1 ) 并联式反应装置该装置原理图如图1 5 所示。它可以对同一原始样品在 不同环境条件之下反应的结果进行采样和研究，在几个并联的反应釜内模拟不同 的深海极端环境( 温度、压力、p h 值、固体反应物、溶液化学成分等) ，压力、 温度和溶液中化学、p h 、氧化还原条件等均可调，并能添加生物营养成分或在不 卸压的情况下将采样器内的水样注入培养釜，实现采样一培养一研究全程保真。 深 海 农 鬻 样 嚣 加气柏禳口 图1 5 并联式反应装置原理图 它主要由恒流量泵、培养釜、比例压力阀、节流阀、截止阀、集水瓶和管路 浙江大学博士学位论文 等循环流动系统组成，泵的流量可以根据需要在输出流量范围内无级可调，截止 阀的开或关根据台架功能需要进行切换。当需要注入新的水样时，可以把采样筒 连到水箱上或直接通过三通管接头连到系统管路上。培养釜中装有压力传感器、 温度传感器及p h 值检测装置，可以构成温度和压力实时闭环控制系统及p h 值实 时监测系统。 培养釜内的压力和温度值由计算机根据试验要求设定并由传感器检测反馈， 得到误差信号后由比例压力阀或温控装置完成闭环控制；溶液中化学、p h 、氧化 还原条件通过专门的加气加液装置( 参见后面) 进行调节，并由截止阀控制。各 个比例溢流阀控制相应反应釜内的压力，各个节流阀控制相应反应釜内的流量。 工作时首先由微泵将样品较大流量地输送至各个反应釜，然后对各个釜进行 加气或加压，此时微泵只起保压作用，流量很小，比例溢流阀控制釜内压力，并 用于取样。如果需要添加一些养料等成份，可以由加气如液装置完成。需要样品 检测时可以加大泵的流量，从溢流阀出口处获取样本。当需要将采样筒内的水样 注入培养釜时，只要将相关的截止阀开或关，就可以使新鲜的水样在保压保温状 态下注入培养釜。但必须先将管路中的压力和温度调整到与采样筒内的水压和温 度相同的值。 2 ) 串联式反应装置装置原理图如图1 6 所示。该装置可以对单一原始样品 经过不同环境条件反应之后( 或反应中间) 的结果进行采样和研究，用于模拟不同 的深海极端环境( 包括温度、压力、p h 值、各种固体反应物、以及不同的溶液化 魏同懒口 图1 6 串联式反应装置原理图 学成分) ，进行对比试验。压力、温度和溶液中化学、p h 、氧化还原条件等均可 1 4 第一章概述 调，且在多个釜内可以分别取样。由微量水泵、多个培养釜、多个比例阀、多个 节流阀、多个截止阀、集水瓶和管路等循环流动系统组成。培养釜中也都装有压 力传感器、温度传感器及p h 值检测装置，可以构成多个釜温度和压力实时闭环 控制及p h 值实时检测。各培养釜中可以单独加气加液，并可以根据实际需要在 釜的底部放置一些不同的固体物，以造成不同的环境。 它的工作状态与并联式相似，只是样品的流向是串联式的，一次性流经不同 的环境条件，并可以在中间级或最后级提取样品，进行相应的研究。 3 ) 加气加液装置如图1 7 所示，主要由恒流量泵、加气釜、加液釜及气源 和液源组成。通过各个截止阀的控制由微量水泵将需要的气或液输送至反应釜。 差爰 图5 加气加液装置原理图 1 - 4 2 主要研究内容 根据上述技术方案，比较系统要求，提出主要的研究内容有以下几方面： 1 ) 极端环境下微流量流动状态时压力的自动控制元件与系统； 2 ) 大时滞高温加热控制系统的分析与控制； 3 ) 多级模拟系统的分析与综合； 4 ) 模拟技术的工程应用与实验研究。 1 5 关键技术与主要创新点 研究的系统要求达到的主要技术指标与工作参数有： 最高工作压力：6 0y p a ( 超高压) 温度范围：0 - 4 0 0 ( 高温) 恒流量泵的流量范围：0 0 0 1 - 9 9 9 9 珥l m i n ( 微流量控制) 浙江大学博士学位论文 温度控制精度；小子5 压力控制精度；小于2 f s 最小压力梯度：1 分钟 工作环境：p