一种煤矿用甲烷氧化菌工业化培养系统及培养方法与流程

1.本发明涉及煤矿瓦斯灾害防治领域，具体涉及一种煤矿用甲烷氧化菌工业化培养系统及培养方法。


背景技术：

2.煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸仍然是威胁瓦斯矿井安全的主要灾害之一。目前，瓦斯灾害防治技术的主要模式是卸压保护层开采—抽采钻孔抽采或卸压保护层开采—增透水力压裂、水力割缝、煤层注水、松动爆破，气体致裂等—抽采钻孔抽采。煤矿实际生产过程中仍然出现瓦斯超限频繁现象，煤与瓦斯突出事故也时有发生，因此，研究新型的防治技术模式，对煤矿的瓦斯灾害进行有效防治具有十分重要的价值和意义。
3.本发明根据甲烷氧化菌以煤层中的甲烷为唯一碳源并产生二氧化碳和水的降解机理，将甲烷氧化菌快速降解甲烷作为瓦斯灾害防治技术模式中的一个新增技术环节，即形成卸压—增透—降解—抽采的新型瓦斯灾害防治技术模式，从而实现协同防治瓦斯灾害的目的。然而，甲烷氧化菌工业化培养和煤层中甲烷氧化菌对甲烷的高效捕捉是制约甲烷氧化菌煤矿工业应用最关键的两个技术难题。因此，本发明旨在构建一种甲烷氧化菌的工业化培养系统及培养方法，为甲烷氧化菌在煤矿瓦斯灾害防治中的工程应用提供一种新的技术参考及理论依据。


技术实现要素：

4.为了解决甲烷氧化菌难以煤矿用工业化培养的技术缺陷，本发明提供一种煤矿用甲烷氧化菌工业化培养系统及培养方法，该工艺培养地点是煤矿工业广场，甲烷氧化菌培养过程中甲烷碳源供给方便，甲烷和氧气配比简单且来源煤层甲烷/氧气的动态真实比，甲烷氧化菌培养环境、菌种种类、培养周期不受限制，培养成本低，菌种产量大，工程应用方便且更契合应用环境，降低了实验室培养过程中的危险性，还能衍生其他与甲烷氧化菌相关的经济产品，为甲烷氧化菌大面积生物降解，实现协同消突提供了一种新的技术参考及理论依据。
5.一种煤矿用甲烷氧化菌工业化培养系统，所述培养系统由密闭微生物培养系统和分别与密闭微生物培养系统连接的供料系统、气体循环系统、气压转换系统、监测系统和保温系统组成；
6.所述密闭微生物培养系统包括慢速培养罐和快速培养罐，所述慢速培养罐和快速培养罐的底部均设置有气体循环密集进气管和菌液出液
‑
监测管且慢速培养罐与快速培养罐之间通过培养罐连接管连通；
7.所述供料系统包括培养基进液管、培养基进料管、高压蒸汽装置、培养基储存罐、培养基排液口和注液泵，所述培养基储存罐两侧分别与高压蒸汽装置和培养基进液管连接、底部设置有培养基排液口，所述培养基储存罐底侧通过一个注液并联管路后与慢速培养罐和快速培养罐，所述注液并联管路为一路为直接连接培养基进料管、一路为在培养基
进料管上设置有注液泵；
8.所述气体循环系统包括第一防爆空气泵、气液分离室、气体循环出气管、气体循环密集进气管、气体循环进气管，所述第一防爆空气泵进气口连接气液分离室、出气口通过气体循环出气管分别与慢速培养罐和快速培养罐的密集型进气管连接，所述气液分离室两端通过气体循环出气管分别与慢速培养罐和快速培养罐连接；
9.所述气压转换系统包括气压转换室、高负压甲烷混气入口、低负压甲烷混气入口、第二防爆空气泵，所述气压转换室两进气端分别与高负压甲烷混气入口和低负压甲烷混气入口连接、两出气端共同连接第二防爆空气泵的进气端，第二防爆空气泵的出气端通过甲烷混气进气管分别与慢速培养罐和快速培养罐连接；
10.所述监测系统包括信号转换总控箱、计算机系统、监控线、信号阀门、综合参数监测仪、紫外可见光光分度计和甲烷声光报警器，所述信号转换总控箱信号输入端与密闭微生物培养系统、供料系统、气体循环系统、气压转换系统和保温系统的信号阀门和综合参数监测仪连接，信号转换总控箱信号输出端与计算机系统连接，所述紫外线可见光分度计设置在所述菌液出液
‑
监测管上，所述甲烷声光报警器设置在保温箱内壁；
11.所述保温系统包括保温室、集成暖气片和温度计，所述集成暖气片和温度计设置在保温箱内部，所述密闭微生物培养系统、供料系统、气体循环系统、气压转换系统和监测系统设置在保温室内。
12.进一步地，所述慢速培养罐和快速培养罐的培养罐罐体采用不锈钢材质制成的囊体状空腔，罐体两端为半球体，半径为500mm，中段为圆柱体状、长度为1000mm、半径为500mm；培养基储存罐为圆柱体，半径500mm，高度为500mm。
13.进一步地，所述慢速培养罐和快速培养罐的顶端均设置有培养基进料口和循环气体出口，所述培养基进料口和循环气体出口设置在培养罐罐体中间圆柱体段且距离圆柱体段与半球体接缝处不小于100mm，培养基进料管分别通过培养基进料口与慢速培养罐和快速培养罐连接，气体循环出气管分别通过循环气体出口与慢速培养罐和快速培养罐连接。
14.进一步地，所述慢速培养罐和快速培养罐的底部分别设置11个密集进气管口和菌液出口,11个所述的密集管口呈蛇形布置且与密集循环进气管连接，菌液出口与菌液出液
‑
监测管连接且菌液出液
‑
监测管上的阀门不接入计算机分析系统，所述菌液出液
‑
监测管与菌液出口管连接。
15.进一步地，所述培养基储存罐与培养基进液管之间设置有不接入计算机分析系统的阀门，底部排液口与培养基储存罐之间的连接管道上设置有不接入计算机分析系统的阀门，所述培养基储存罐与注液泵之间设置信号阀门，所述第一防爆空气泵与气体循环进气管之间设置有信号阀门和综合参数监测仪，所述气液分离室与气体循环出气管之间设置有信号阀门和综合参数监测仪，所述气压转换室的进气端与高负压甲烷混气入口和低负压甲烷混气入口之间均连接有接信号阀门和综合参数监测仪、两个出气端与防爆空气泵之间均连接有信号阀门和综合参数监测仪，所述培养基进料管与进料口之间设置有信号阀门。
16.进一步地，所述保温室内维持室内温度在21～30℃，所述温度计对室内温度进行常年监测，所述集成暖气片能随时提供热源，当甲烷氧化菌菌液用量增加时，应能及时采用集成暖气片进行加热，加速甲烷氧化菌的生长。
17.进一步地，所述保温室内壁上安装有不少于四个的甲烷声光报警器，所述甲烷声
光报警器安装高度距离保温室顶板50
‑
100mm处。
18.进一步地，所述慢速培养罐和快速培养罐的底部通过三角体底座连接固定在地面上。
19.一种煤矿用甲烷氧化菌工业化培养方法，其特征在于，所述培养方法包括以下步骤：
20.步骤1、培养装置检测，检测步骤如下：
21.首先，检测密闭微生物培养系统、供料系统、气体循环系统、气压转换系统和各系统之间的连接管道的密闭性；
22.其次，检测监测系统的信号阀门、综合参数监测仪、信号转换总控箱和计算机分析系统是否运行正常；
23.最后，检测保温系统是否能够正常保温，供暖系统是否能够正常供热，保温室内温度计显示值是否处于21～28℃；
24.步骤2、培养装置高温灭菌
25.利用计算机分析系统打开高压蒸汽装置产生大量高温蒸汽，打开培养基储存罐，打开培养基进料管及培养基进料管上的信号阀门，让高温蒸进入慢速培养罐和快速培养罐进行高压蒸汽灭菌，灭菌时间0.5～1h，灭菌完毕后，关闭高压蒸汽装置，打开培养基储存罐的排液口和菌液出液
‑
监测管排除蒸汽液化后的灭菌水，然后关闭培养基进料管和菌液出液
‑
监测管上的信号阀门，完成对供料系统和密闭微生物培养系统的灭菌处理；
26.步骤3、供料
27.将灭菌处理的培养基液通过培养基进液管注入到培养基储存罐中，利用计算机分析系统打开注液泵、培养基进料管、培养基进料管上的信号阀门和综合参数阀门，向慢速培养罐和快速培养罐中注入培养基液，根据培养要求，利用计算机分析系统自动调节和记录注入培养基量；
28.步骤4、菌种接种
29.将实验室筛选和驯化后的甲烷氧化菌或甲烷氧化混合菌群通过培养基进料管接入慢速培养罐和快速培养罐中，菌种接种完毕，保持慢速培养罐和快速培养罐处于密封状态；
30.步骤5、供气
31.利用计算机分析系统打开气压转换室、打开气压转换室进气端与出气端管道上的信号阀门，通过气压转换室对甲烷混气进行除湿、配比，启动第二防爆空气泵和打开甲烷混气进气管上的信号阀门对培养罐中进行注气，注气时间和注气量根据两个培养罐中气液比进行计算确定，并利用计算机分析系统自动调节；
32.步骤6、气体循环
33.利用计算机分析系统打开气体循环出气管上的信号阀门和综合参数监测仪、打开气液分离室和气体循环进气管、启动第一防爆空气泵，利用第一防爆空气泵将慢速培养罐和快速培养罐中的甲烷混气经气体循环出气管抽出进入气液分离室进行干燥分离，利用气体循环密集进气管对气体分流，多点进入慢速培养罐和快速培养罐中并开始甲烷氧化菌或甲烷氧化混合菌群的培养，气体循环速度根据培养要求采用计算机分析系统自动调节，气体循环过程中应关闭注气系统；
34.步骤7、甲烷氧化菌活性或甲烷氧化混合菌群监测及输出
35.甲烷氧化菌或甲烷氧化混合菌群培养过程中，每间隔7天在菌液出液
‑
监测管采取样品，采用紫外可见光光分度计测定od，判定甲烷氧化菌或甲烷氧化混合菌群生长状况，当需要菌液量较大时，每间隔3天测试一次；培养得到的甲烷氧化菌或甲烷氧化混合菌群通过菌液出液
‑
监测管连接地面注浆系统管路或罐装运输至井下应用地点。
36.有益效果：与现有技术相比本发明具有以下优点：
37.1、本发明提出的甲烷氧化菌工业化培养地点为煤矿工业广场，避免了实验室难以工业化培养的客观环境缺陷，大大降低了培养成本，同时，能够根据煤矿实际环境选择、驯化出与生产环境相匹配的优势甲烷氧化菌或甲烷氧化混合菌种，为煤矿甲烷氧化菌工程应用奠定了坚实的基础。
38.2、本发明选择的甲烷(碳源)和氧气供气源为煤矿井下高负压和低负压抽采管路抽采的甲烷混气，气源来源方便，连续，避免了实验室甲烷混合气体配比困难，以及实验室长期供应甲烷混气体所带来经济成本和危险性。
39.3、本发明可根据煤矿实际生产概况，建设甲烷氧化菌长期培养基地，甲烷氧化菌生长速度较快，能够做到随时生产随时利用，满足煤矿生产过程中瓦斯消突的工业应用，解决了实验室需对不同菌种大量低温保存和激活的时间限制和技术难题。
40.4、本发明提供的装置系统能够与煤矿地面注浆系统联用，将甲烷氧化菌液通过注浆系统管网直接运输到需要消突或防治瓦斯超限的地点，根据消突或防治超限的需求进行低压、中高压的水力化压注或喷洒，解决了实验室大量繁殖后由于长时间的运输过程，导致大量甲烷氧化菌已超过生命周期数量减少的技术难题，同时还大大降低了直接经济和间接经济投入成本。
41.5、本发明的甲烷氧化菌温度影响因素采用保温室和暖气保障，其中暖气供给采用煤矿自身的供暖系统，能够保证甲烷氧化菌始终处于正常生长的温度环境。
42.6、本发明整个培养过程采用自动化控制，包括进料、气压转换、进气、气体循环都采用自动化启停和监测技术，减少了培养过程的人员投入，同时，最大程度降低了安全隐患。
43.7、本发明所提供的工艺流程不复杂，能够在高瓦斯低渗透矿区大面积推广应用，实现矿矿培养、矿矿用的应用局面。
44.8、本发明所提供的技术由于能够满足从建矿初期到停采期间的长期性服务(通常每个矿的生产年限都大于10年)，长期培养所产生的富裕甲烷氧化菌还能够为甲烷氧化菌衍生产品的生产提供丰富的菌源，减少了衍生产品的生产企业的投入，为甲烷氧化菌降解甲烷，实现煤层协同消突和防治瓦斯超限，以及甲烷氧化菌衍生产品的大面积生产和未知领域的科学研究提供基础保障。
附图说明
45.图1为本发明的结构示意图；
46.图2为本发明培养罐底部结构示意图；
47.图3是本发明中的培养罐正视图。
48.图中：1—慢速培养罐、2—快速培养罐、3—气体循环密集进气管、4—培养罐连接
管、5—培养基进料管、6—甲烷混气进气管、7—气体循环进气管、8
‑
1—第一防爆空气泵、8
‑
2—第一防爆空气泵、9—气液分离室、10—气体循环出气管、11—注液泵、12—培养基储存罐、13—培养基进液管、14—高压蒸汽装置、15—培养基排液口、16—气压转换室、17—高负压甲烷混气入口、18—低负压甲烷混气入口、19—菌液出液/监测管、20—菌液出口管、21—信号转换总控箱、22—计算机分析系统、23—监测线、24—集成暖气片、25—保温室、26—信号阀门、27—综合参数监测仪、28—温度计、29—密集进气管口、30—循环出气口、31—底座、32—菌液出口、33—培养基进液口、34—培养罐连接口、35紫外可见光光分度计、36甲烷声光报警器。
具体实施方式
49.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
50.下面结合附图对本发明作进一步描述：
51.一种煤矿用甲烷氧化菌工业化培养系统，包括密闭微生物培养系统和分别与密闭微生物培养系统连接的供料系统、气体循环系统、气压转换系统、监测系统、保温系统；
52.所述密闭微生物培养系统包括慢速培养罐1和快速培养罐2，培养罐是采用不锈钢材质制成的囊体状大空腔，两端为半球体状，半径为500mm，中段为圆柱体状，高度为1000mm，半径为500mm；慢速培养罐1和快速培养罐2之间通过培养罐连接管4连通；
53.所述供料系统包括培养基进液管13、培养基进料管5、高压蒸汽装置14、培养基储存罐12、培养基排液口15、注液泵11，所述培养基储存罐12为圆柱体，半径500mm，高度为500mm，两侧分别与高压蒸汽装置14和培养基进液管13连接，底部分别连接进料管5和注液泵11形成的双路出料管路，以及排液口15；
54.所述气体循环系统包括防第一爆空气泵8
‑
1、气液分离室9、气体循环出气管10、气体循环密集进气管3、气体循环进气管7，所述第一防爆空气泵8
‑
1进气口连接气液分离室9，进气口连接气体循环进气管7，所述气液分离室9连接气体循环出气管10，所述气体循环进气7连接气体循环密集进气管3；
55.所述气压转换系统包括气压转换室16、高负压甲烷混气入口18、低负压甲烷混气入口17、第二防爆空气泵8
‑
2，所述气压转换室16进气端连接高负压甲烷混气入口17和低负压甲烷混气入口18，出气端连接第二防爆空气泵8
‑
2；
56.所述监测系统包括信号转换总控箱21、计算机系统22、监控线23、信号阀门26、综合参数监测仪27，紫外可见光光分度计35，甲烷声光报警器36，所述信号转换总控箱21信号输入端连接各系统中的信号阀门26和综合参数监测仪27，信号输出端连接计算机系统22；
57.所述保温系统包括保温室25、集成暖气片24、温度计28。
58.所述慢速培养罐1和2顶部分别设置培养基进料口33和循环气体出口30，设置位置在中间圆柱体段且距离圆柱体段与球体接缝处不小于100mm，所述培养罐1和2底部分别设置11个密集进气管口29和菌液出口32，所述的密集管口呈蛇形布置，连接外部密集循环进气管3，菌液出口32连接外部菌液出液
‑
监测管19，且菌液出液
‑
监测管19上的阀门不接入计算机分析系统22，方便取样监测，所述进料口33连接外部培养基进料管5，在两者之间分别
设置信号阀门26，所述的循环气体出口30连接外部气体循环出气管10，所述培养罐通过与三角体底座31连接固定在地面。
59.所述培养基储存罐12与培养基进液管13之间设置有阀门，该阀门不接入计算机分析系统22，底部排液口15管道上设置阀门，该阀门不接入计算机分析系统22，所述培养基储存罐12与注液泵11之间设置信号阀门，与连接培养基进料管5和形成的双路出料管路的功能在于能够保证储存罐中培养基液位过低时仍能将培养基注入培养罐中。
60.所述第一防爆空气泵8
‑
1应具有阻燃防爆功能，能够长时间运转，所述气液分离室9应具备气液分离、干燥和液体蓄积排放功能，所述第一防爆空气泵8
‑
1与气体循环进气管7连接，两者之间分别设置信号阀门和综合参数监测仪，所述气液分离室9气体与循环出气管10连接，两者之间分别设置信号阀门和综合参数监测仪。
61.所述气压转换室16是分流高负压和低负压瓦斯抽采总管中的混气并进行混气正负压转换，然后，对混气进行除湿干燥，使气压转换室16出口气体为正压干燥混气，当分流气体为正压时，气压转换室16主要功能为除湿干燥作用，所述气压转换室16进气端连接高负压甲烷混气入口17和低负压甲烷混气入口18，两者之间分别连接信号阀门和综合参数监测仪，出气端连接第二防爆空气泵8
‑
2，两者之间分别连接信号阀门和综合参数监测仪。
62.所述信号转换总控箱21能通过监控线23将信号阀门26和综合参数监测仪27及其它配件的各种信号数据进行转换，连接计算机分析系统22进行指令输入输出和数据保存。所述信号阀门26能通过计算机分析系统22自动开关及定量调节，所述综合参数监测仪27要求能够监测管道内的流体流量、气体组分、流速、温度、湿度，并能在计算机分析系统22中进行保存和查看，所述紫外可见光光分度计35是独立实验系统，结合相关实验步骤及配件对甲烷氧化菌生长状况不定期监测，所述甲烷声光报警器36安装在保温室墙壁上，安装高度离保温室顶板50～100mm，安装数目不能少于4个。
63.所述的保温室25能对室内温度常年维持室内温度在21～30℃，所述温度计28是对室内温度进行常年监测，所述的集成暖气片24应能随时提供热源，当甲烷氧化菌菌液用量增加时，应能及时采用集成暖气片24进行加热，加速甲烷氧化菌的生长。
64.一种煤矿用甲烷氧化菌工业化培养方法，其培养方法有以下步骤：
65.第一步：培养装置检测
66.首先，检测密闭微生物培养系统、供料系统、气体循环系统、气压转换系统各装置及管道系统密闭性。其次、检测监测系统的各信号阀门26、综合参数监测仪27、信号转换总控箱21，计算机分析系统22是否运行正常。最后，检测保温系统是否能够正常保温，供暖系统是否能够正常供热，保温室25内温度计28显示值是否处于21～28℃。
67.第二步：培养装置高温灭菌
68.首先利用计算机分析系统22打开高压蒸汽装置14产生大量高温蒸汽，打开培养基储存罐12，打开培养基进料管5及管道上的信号阀门26，让高温蒸进入慢速培养罐1和快速培养罐2进行高压蒸汽灭菌，灭菌时间0.5～1h，灭菌完毕后，关闭高压蒸汽装置14，打开培养基储存罐的排液口15和菌液出液/监测管19排除蒸汽液化后的灭菌水，然后关闭相应管道系统的信号阀门26，完成对供料系统和密闭微生物培养系统的灭菌处理。
69.第三步：供料
70.将采购或自配已灭菌处理的培养基液通过培养基进液管13注入到培养基储存罐
12中，利用计算机分析系统22打开注液泵11、培养基进料管5及管道上的信号阀门26和综合参数阀门27，向慢速培养罐1和快速培养罐2中注入培养基液，根据培养要求，利用计算机分析系统22自动调节和记录注入培养基量。
71.第四步：菌种接种
72.将实验室筛选和驯化后的甲烷氧化菌或甲烷氧化混合菌群通过进料管5接入慢速培养罐1和快速培养罐2中，菌种接种完毕，保持培养罐1和2处于密封状态。
73.第五步：供气
74.利用计算机分析系统22打开气压转换室16，打开高负压甲烷混气入口17和低负压甲烷混气入口18的管道系统，通过气压转换室对甲烷混气进行除湿、配比，启动防爆空气泵8和甲烷混气进气管6对培养罐中进行注气，注气时间和注气量根据培养罐中气液比进行计算确定，并利用计算机分析系统22自动调节。
75.第六步：气体循环
76.利用计算机分析系统22打开气体循环出气管10，管道上的信号阀门26和综合参数监测仪27，打开气液分离室9和气体循环进气管7，启动防爆空气泵8，利用防爆空气泵8将培养罐1和2中的甲烷混气经气体循环出气管10抽出进入气液分离室9进行干燥分离，利用气体循环密集进气管3对气体分流，多点进入培养罐1和2中开始甲烷氧化菌或甲烷氧化混合菌群的培养，其中，气体循环速度根据培养要求采用计算机分析系统22自动调节，另外，气体循环过程中应关闭注气系统。
77.第七步：甲烷氧化菌或甲烷氧化混合菌群活性监测及输出
78.甲烷氧化菌或甲烷氧化混合菌群培养过程中，每间隔7天在菌液出液/监测管19采取样品，采用紫外可见光光分度计35测定od值，判定培养罐中的氧化菌生长状况。当需要菌液量较大时，每间隔3天测试一次。培养得到的甲烷氧化菌或甲烷氧化混合菌群通过菌液出液
‑
监测管连接地面注浆系统管路或罐装运输至井下应用地点。
79.甲烷氧化菌降解应用及效果考察：当井下需要消突或煤柱、采空区、回采工作面防治瓦斯超限时，采用菌液出液/监测管19连接地面注浆系统管路或罐装运输至应用地点。区域消突时，在井下应用地点设计施工钻孔并采用乳化注液泵进行水力化压注，压注完毕，对每个降解钻孔保压封闭7～10天，若消突地点菌液用量不大，可重复压注，菌液用量较大时，可设计施工抽采钻孔进行瓦斯抽采，最后采用煤层残余瓦斯压力和残余瓦斯含量等指标进行效果考察。当进行瓦斯超限防治时，可采用小孔径钻孔或喷洒进行甲烷降解，采用风流中的瓦斯浓度进行效果考察。
80.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。