基于多通道循环分配器的海洋微生物大通量原位过滤装置

1.本发明涉及海洋微生物采集技术领域，尤其涉及一种基于多通道循环分配器的海洋微生物大通量原位过滤装置。


背景技术：

2.海洋微生物独特的代谢途径、代谢产物和基因类型具有重要的科研价值，近年来有关深海微生物的群落组成和基因功能的研究逐渐变多。但是海洋中微生物含量稀少，而宏基因组、宏转录组的研究需要足够生物量的微生物样品进行处理分析。
3.传统海洋微生物获取方式是：ctd采水器采集海水而后甲板过滤，该方法用于宏基因组研究费时费力、还有可能造成甲板过滤过程中的污染。因此，非常有必要进行微生物原位大通量过滤，在深海原位实现微生物的高密度采样，为后续实验室开展基因组学相关研究工作提供足量样本。尽管近年来国内外研发了一些海洋微生物原位过滤采样装备，如wts-lv（large volume water transfer system，mclane），但是一台设备仍只能采集一组样品，每次布放可获取生物数量仍相对较少。


技术实现要素：

4.基于上述问题，本发明设计了一款基于多通道循环分配器的海洋微生物大通量原位过滤装置，所述装置对海洋微生物进行原位过滤时，一组滤膜过滤完成后可通过深海伺服电机驱动多通道循环分配器进行流道切换，继续进行下一组滤膜的过滤，通过一次布放获取多组样品从而获取大通量海洋微生物样品。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于多通道循环分配器的海洋微生物大通量原位过滤装置，系统级分为能源与控制模块、循环分配模块、过滤模块、泵模块、过滤体积测量模块、连接管路和主体支撑框架，其中：能源与控制模块包括电子仓、电池仓；循环分配模块包括多通道循环分配器、深海伺服电机；过滤模块包括八个过滤膜架等；泵模块包括不锈钢齿轮泵、深海驱动电机；过滤体积测量模块包含水表、相机、led灯。
6.管路连接如下所述：所述不锈钢齿轮泵入口连接海水入口、所述不锈钢齿轮泵的出口连接所述多通道循环分配器上方中心处的管接口、所述多通道循环分配器侧下方的八个管接口分别连接八个所述过滤膜架的入口、所述过滤膜架的出口通过多通管接头与所述水表入口相连，所述水表出口即为设备出口。
7.所述能源与控制模块采用径向密封方式，仓体外壳上有水密接插件，通过水密电缆与深海伺服电机、深海驱动电机、相机、led等部件连接，为其提供电源以及自动控制。
8.所述循环分配模块主要包括多通道循环分配器、深海伺服电机，两者之间通过联
轴器与轴套相连接。所述多通道循环分配器具体结构包括：多个管接头、上盖板、转子、外壳、定距柱、传动连接轴、下盖板、聚四氟乙烯垫圈、o型橡胶圈。其中所述上盖板中心有管接头与所述不锈钢齿轮泵的出口连接，所述下盖板侧面有八个管接头及一个起始密封位，总计九个位号呈圆周阵列均匀分布，每个位号之间相差40度，八个所述管接头分别对应连接所述过滤膜架入口；所述转子内部设置有唯一的通水管路，管路一端与上盖板中心通水口相连，另一端在转子旋转一周时，可依次与下盖板内侧的八个通水孔相连通；所述上盖板、外壳、下盖板通过螺钉固定在一起组成定子，所述转子位于定子内部空间，转子与所述传动连接轴使用螺钉紧固，而后经所述联轴器与所述深海伺服电机连接在一起，所述轴套包裹于所述联轴器外侧用于固定连接所述下盖板与所述深海伺服电机壳体；所述深海伺服电机具有大扭矩、低转速的特点，通过编码器反馈实现位置控制，从而在驱动所述转子转动时完成精准的流道切换与选通。
9.所述多通道循环分配器内部的转子与定子（上盖板、外壳、下盖板）的接触面均采用新型耐腐蚀耐磨材料镀层，减小转动摩擦力；在设计加工时所述外壳比所述转子高0.1-0.2mm，所述转子与所述上下盖板之间使用聚四氟乙烯定距柱支撑以保证间隙，所述定距柱呈环形阵列分布在转子与上下盖板接触面上，高于所述上下盖板平面0.05-0.15mm，保证所述转子的顺利转动。
10.所述转子与所述下盖板接触面处的海水通道采用o型的聚四氟乙烯垫圈 o型橡胶圈共同进行端面密封，o型橡胶圈位于凹槽下部，依靠自身弹性补偿接触面处的间隙以减少海水泄露，聚四氟乙烯垫圈置于o型橡胶圈上方，紧贴转子表面，用于实现滑动密封。
11.所述过滤模块包括八个过滤膜架，八个过滤膜架成圆周阵列分布于多通道循环分配器周围，所述过滤膜架均为不锈钢圆盘单层平板过滤器，主体包括上下盖板以及中间的螺纹状网板，使用时通过4-8颗固定螺丝将所述上下盖板固定并夹紧所述网板，所述网板上存放滤膜，作为微孔薄膜受压支撑面，保证滤膜在过滤压力作用下不易破裂。显然，为增加过滤通量，所述过滤膜架可以更多，通过减小所述多通道循环分配器下盖板上相邻管接头间的角度，增加下盖板连接接头的数量，从而连接更多的过滤膜架。
12.所述泵模块主要包括不锈钢齿轮泵、深海驱动电机，所述不锈钢齿轮泵与所述深海驱动电机通过联轴器连接在一起，联轴器外侧使用轴套固定，所述深海驱动电机采用速度环、功率环控制，转速可调。
13.所述过滤体积测量模块使用所述水表测量过滤海水的体积，并通过表盘显示，在所述led灯提供光源时依靠所述相机自动拍照记录每组样品所对应过滤海水体积的数据。
14.所述主体支撑框架由大框架和小框架组成，提供所述装置所有部件的安装，大框架为圆柱形，小框架为长方体形，小框架可推入大框架并使用螺栓固定；循环分配模块安装在小框架中心处，所述过滤模块中的过滤膜架呈圆周阵列围绕多通道循环分配器安装在小框架上，循环分配模块与过滤模块之间留有一定空间，进行所述泵模块安装；所述能源控制模块、所述过滤体积测量模块安装在大框架上，使用抱箍固定。
15.当所述原位过滤装置布放至海洋后，所述不锈钢齿轮泵开始运转，海水经所述不锈钢齿轮泵被压入所述多通道循环分配器、进入所述过滤膜架，所述过滤膜架中装有滤膜，可以对流经的海水微生物进行富集过滤，过滤后的海水经所述水表流出所述装置。所述滤膜过滤完成后，所述能源与控制模块驱动所述多通道循环分配器进行流道切换，连通未经
使用的过滤膜架，达到预设条件后再次开始过滤，从而一次布放获得多组样品，每个过滤膜架过滤的海水样品体积均被所述过滤体积测量模块记录。
16.在一些较佳的实施例中，还包括两个压力传感器，加装在多通道循环分配器入口和出口，所述压力传感器用于检测多通道循环分配器两端的压力，能源与控制模块可通过所述压力控制不锈钢齿轮泵的驱动力。
17.在一些较佳的实施例中，还包括初级过滤器，加装在设备入口处以防止小型生物及大型颗粒物吸进入设备造成滤膜损坏或堵塞。
18.在一些较佳的在一些较佳的实施例中，还包括温盐深传感器，固定在设备主体支撑框架上，使用水密电缆与所述能源与控制模块相连，可以获取原位采样的基础背景数据。
19.在一些较佳的实施例中，还包括水声通信机，固定在设备主体支撑框架上，使用水密电缆与所述能源与控制模块相连，可以实现采样过程中所述设备与上位机的数据传输。
20.本发明采用上述方案的优点是：一种基于多通道循环分配器的海洋微生物大通量原位过滤装置，当所述装置布放完成后，通过齿轮泵产生的压力，将大量海水注入过滤膜架内部完成微生物富集过滤，完成一组过滤流程后，能源与控制模块驱动多通道循环分配器进行装置内部海水流道切换，连通未经使用的过滤膜架，再次进行过滤，从而获得多组过滤样品，避免了因过滤海水量大导致滤膜堵塞的问题。
21.与现有技术相比较，本发明可一次布放可获得八组海洋微生物过滤样品，相比传统海水微生物采集时只通过一张滤膜富集过滤，获取的生物量提升了八倍，短时间内快速获取大量的微生物样品，为后续基因组学分析提供足量的样品。
22.采用多通道循环分配器，而没有使用大量电磁阀进行流道的切换，避免了电磁阀使用过程中大量电机转换器的使用，也避免电磁阀长时间使用引起温升可能导致的故障。仅使用一个深海伺服电机以及多通道循环分配器的结构设计，实现八个过滤膜架的单通道选通与封闭，增强设备的稳定性。
23.整套装置在水下可以独立、自主地运行，原位富集过滤避免了船载实验室（甲板）提取过程的污染，自动化操作大大减轻了出海科考人员甲板过滤的工作量。
附图说明
24.为更清晰的本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显然，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明实例提供的一种基于多通道循环分配器的海洋微生物大通量原位过滤装置装配结构示意图；图2为本发明实例提供的一种基于多通道循环分配器的海洋微生物大通量原位过滤装置的管路连接原理示意图；图3a和图3b为本发明实例提供的一种基于多通道循环分配器的海洋微生物大通量原位过滤装置中的循环分配模块结构剖面结构示意图；图4为本发明实例提供的一种基于多通道循环分配器的海洋微生物大通量原位过
滤装置中的多通道循环分配器内部海水流道密封结构示意图。
26.图5a和图5b为本发明实例提供的一种基于多通道循环分配器的海洋微生物大通量原位过滤装置中的过滤膜架剖面原理图；图中：1、多通道循环分配器；2、深海伺服电机；3、过滤膜架；4、不锈钢齿轮泵；5、深海驱动电机；6、电池仓；7、电子仓；8、水表；9、相机；10、led灯；11、主体支撑框架；12、管接头；13、上盖板；14、转子；15、外壳；16、定距柱；17、传动连接轴；18、下盖板；19、联轴器；20、轴套；21、聚四氟乙烯垫圈；22、o型橡胶圈；23、排气阀；24、固定螺丝；25、膜架上盖板；26、支撑网板；27、膜架下盖板；28、支架。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.参阅图1，一种基于多通道循环分配器的海洋微生物大通量原位过滤装置，主体包括：多通道循环分配器1、深海伺服电机2、过滤膜架3、不锈钢齿轮泵4、深海驱动电机5、电池仓6、电子仓7、水表8、相机9、led灯10、主体支撑框架11。系统级分为能源与控制模块、循环分配模块、过滤模块、泵模块、过滤体积测量模块、连接管路和主体支撑框架11，所述主体支撑框架11由大框架和小框架组成，提供所述装置所有部件的安装，大框架为圆柱形，小框架为长方体形，小框架可推入大框架并使用螺栓固定；循环分配模块安装在小框架中心处，所述过滤模块呈圆周阵列围绕多通道循环分配器安装在小框架上，循环分配模块与过滤模块之间留有一定空间，进行所述泵模块安装；所述能源控制模块、所述过滤体积测量模块安装在大框架上，使用抱箍固定。
29.结合图2，管路连接如下所述：所述不锈钢齿轮泵4入口连接海水入口、所述不锈钢齿轮泵4的出口连接多通道循环分配器1上盖板13中心处的管接口12，经多通道循环分配器1内部转子14中的海水流道与多通道循环分配器1下盖板18侧方的管接头选通，下盖板18侧方的管接头分别对应连接每个过滤膜架3的入口，所述过滤膜架3的出口经多通管接头接所述水表8入口，所述水表8出口即为设备出口。所述能源与控制模块包括电子仓6、电池仓7，采用径向密封方式，仓体外壳上有水密接插件，通过水密电缆与深海伺服电机2、深海驱动电机5、相机9、led灯10等部件连接，为其提供电源以及自动控制。
30.所述循环分配模块包括多通道循环分配器1、深海伺服电机2等；结合图3a、图3b和图4所示，多通道循环分配器1、深海伺服电机2之间通过联轴器19、轴套20相连接，所述多通道循环分配器1具体结构包括：多个管接头12、上盖板13、转子14、外壳15、定距柱16、传动连接轴17、下盖板18、联轴器19、轴套20、聚四氟乙烯垫圈21、o型橡胶圈22。其中所述上盖板13中心有管接头12与所述不锈钢齿轮泵4相连，所述下盖板18周围有8个管接头12及1个起始密封位总计9个位号，呈圆周阵列均匀分布在所述下盖板18侧面，每个位号之间相差40度，8个所述管接头12分别对应连接所述过滤膜架3入口；所述转子14内部设置有唯一的通水管路，管路一端与上盖板13中心通水口相连，另一端在转子14旋转一周时，可依次与下盖板18内侧的8个通水孔相连通。所述上盖板13、外壳15、下盖板18通过螺钉固定在一起组成定子，
所述转子14位于定子内部空间，转子14与所述传动连接轴17使用螺钉紧固，而后经所述联轴器19与所述深海伺服电机2连接在一起，所述轴套20包裹于所述联轴器19外侧，用于固定连接所述下盖板18与所述深海伺服电机2壳体。所述深海伺服电机2具有大扭矩、低转速的特点，通过编码器反馈实现位置控制，从而在驱动所述转子14转动时完成精准的流道切换与选通，实施例中深海伺服电机2可选用昊野科技公司的伺服电机，型号：z10-24-pbof8m-6000-ti-can。
31.其中，所述转子14与定子的接触面均采用新型材料镀层以增强耐腐蚀耐磨性能，减小转动摩擦力；在设计加工时所述外壳15比所述转子14高0.1-0.2mm，所述转子14与所述上盖板13、下盖板18之间使用定距柱15支撑以保证间隙，所述定距柱15为聚四氟乙烯材质，呈环形阵列分布在转子14与所述上盖板13、下盖板18接触面上，高于所述盖板平面0.05-0.15mm，通过转子12与定子之间的间隙减小转动的摩擦力，保证深海伺服电机2能正常驱动转子14。
32.结合图4所示，所述多通道循环分配器1内部，所述转子14与所述下盖板18接触面处的海水通道采用o型的聚四氟乙烯垫圈21 o型橡胶圈22共同进行端面密封，其中o型橡胶圈22位于凹槽下部，则依靠自身弹性补偿接触面处的间隙以减少海水泄露；聚四氟乙烯垫圈21置于o型橡胶圈上方，紧贴转子表面，依靠其良好的自润滑性实现滑动密封。
33.所述过滤模块包括8个过滤膜架3，所有过滤膜架3呈圆周阵列分布于多通道循环分配器四周。结合图5a和图5b所示，所述过滤膜架3均为不锈钢圆盘单层平板过滤器，主体包括排气阀23、固定螺丝24、膜架上盖板25、支撑网板26、膜架下盖板27、支架28，使用时通过4-8颗固定螺丝24将所述膜架上盖板25、膜架下盖板27固定并夹紧中间的支撑网板26，所述支撑网板26上存放直径142mm、孔径0.22μm滤膜，作为微孔薄膜受压支撑面，保证滤膜在过滤压力作用下不易破裂。当进行过滤前，通过排气阀23将过滤膜架3内部空气排出，而后海水自膜架上盖板25中心处的接口流入，经平铺在支撑网板26上的滤膜在下盖板27中心处的接口流出过滤膜架3，在此过程中海水中的微生物富集在滤膜上。在本实施例中，过滤膜架3的支架28被拆下并将所述过滤膜架3通过卡扣固定在主体支撑框架11上。显然，为增加过滤通量，所述过滤膜架3可以更多，通过减小所述多通道循环分配器1下盖板18侧面相邻管接头12间的角度增加下盖板18连接管接头12的数量，从而连接更多的过滤膜架。
34.所述泵模块包括不锈钢齿轮泵4、深海驱动电机5等，类似于循环分配器模块的连接方式，所述不锈钢齿轮泵4与所述深海驱动电机5通过联轴器连接在一起，联轴器外侧使用轴套固定，所述深海驱动电机5采用速度环、功率环控制，转速可调。
35.所述过滤体积测量模块包含水表8、相机9、led灯10，所述水表8连接在不锈钢齿轮泵4出口，测量过滤海水的体积，并通过表盘显示，在所述led灯10提供光源时依靠所述相机9自动拍照记录每组样品所对应过滤海水体积的数据并保存。
36.在一些较佳的实施例中，还包括2个压力传感器，加装在多通道循环分配器1入口和出口，所述压力传感器用于检测多通道循环分配器1两端的压力，能源与控制模块可通过所述压力控制不锈钢齿轮泵4的驱动力。
37.在一些较佳的实施例中，还包括初级过滤器，加装在设备入口处以防止小型生物及大型颗粒物吸入设备造成滤膜损坏或堵塞。
38.在一些较佳的实施例中，还包括温盐深传感器，固定在设备主体支撑框架11上，使
用水密电缆与所述能源与控制模块相连，可以获取原位采样的海洋基础背景数据。
39.在一些较佳的实施例中，还包括水声通信机，固定在设备主体支撑框架11上，使用水密电缆与所述能源与控制模块相连，可以实现采样过程中所述设备与上位机的数据传输与指令实时下发。
40.本发明提供的一种基于多通道循环分配器的海洋微生物大通量原位过滤装置，工作过程如下：该原位过滤装置通过绞车布放，入水前通过上位机下发任务参数，设定启动时间或按压力深度反馈进行过滤，到达预定深度（或时间）后，能源与控制模块控制深海伺服电机2驱动多通道循环分配器1中的转子14选通目标过滤膜架3，而后控制深海驱动电机5带动齿轮泵3运转，将海水注入多通道循环分配器1，使海水持续流经多通道循环分配器1进入过滤膜架3，实现原位富集过滤，过滤后的海水经水表4流出装置。一组样品过滤完成后，能源与控制模块控制led灯8开启，使用相机10拍下过滤水量，而后按入水前上位机下发任务参数下发指令，控制深海伺服电机2驱动转子14转动至预设的未经使用过滤膜架3对应海水流道，准备进行下一组过滤，而后重复上述操作直至过滤完全结束。过滤完成后，能源与控制模块发出指令关闭深水电机，等待设备回收，设备回收后，只需取出过滤膜架3中的滤膜，即可通过一次布放获得多组原位过滤的大量微生物样品，用于后续基因组学研究，而且每个过滤膜架过滤的海水样品体积均被所述过滤体积测量模块记录。