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热带海洋学报 >

2024 , Vol. 43 >Issue 5: 131 - 142

DOI: https://doi.org/10.11978/2023166

海洋工程

深海微生物原位自动序列培养装置的研发与试验

  • 董自珍 ,
  • 刘纯虎 ,
  • 张宇
展开
  • 上海交通大学海洋学院, 上海 200030
刘纯虎。email:

董自珍(1997—), 男, 江苏省连云港市人, 硕士研究生, 从事海洋装备的研究与应用。email:

Copy editor: 殷波

收稿日期: 2023-11-03

  修回日期: 2023-12-11

  网络出版日期: 2023-12-25

基金资助

海南省科技计划三亚崖州湾科技城科技创新联合项目(2021CXLH0015)

收起

Development and testing of a deep-sea microorganism Ocean Automatic Series Incubation System

  • DONG Zizhen ,
  • LIU Chunhu ,
  • ZHANG Yu
Expand
  • School of Oceanography, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China
LIU Chunhu. email:

Received date: 2023-11-03

  Revised date: 2023-12-11

  Online published: 2023-12-25

Supported by

Hainan Provincial Joint Project of Sanya Yazhou Bay Science and Technology City(2021CXLH0015)

Fold

摘要

深海微生物在全球碳氮循环中起到重要作用, 目前对深海微生物的精细化研究主要以实验室高压模拟培养检测为主, 当深海样品采集至实验室培养检测时, 温度、压力等环境参数会有一定程度的变化, 影响后续的试验与检测。为此, 设计了一种用于深海微生物原位自动序列培养的装置(ocean automatic series incubation system, OASIS)。文章围绕OASIS的工作原理、系统组成和试验验证等方面展开论述, 重点研究深海液体转移精度问题。OASIS已经通过了水池试验、压力试验、海上试验等各项测试, 试验结果表明: 该装置能在30MPa高压下正常工作, 按照时间顺序自动完成对微生物的培养与生命信息固定, 对准确认识深海生态系统的生态效益提供了良好的设备支撑。

关键词： 原位实验; 自动化装备; 系统设计; 序列化

本文引用格式

董自珍 , 刘纯虎 , 张宇 . 深海微生物原位自动序列培养装置的研发与试验[J]. 热带海洋学报, 2024 , 43(5) : 131 -142 . DOI: 10.11978/2023166

Abstract

The global carbon and nitrogen cycles depend heavily on deep-sea microorganisms, and the majority of current, refined research on these organisms is based on high-pressure simulation culture and detection in laboratories. However, when deep-sea samples are brought in for culture and detection, the environmental parameters, such as temperature, pressure, etc, change at various degrees, which has an impact on the results of subsequent experiments and detection. For this reason, a device (ocean automatic series incubation system, OASIS) was developed for in situ automatic series incubation of deep-sea microorganisms. This research emphasizes the accuracy of deep-sea liquid transfer and focuses on the OASIS operating concept, system design, and experimental validation. The device can function normally under 30 MPa high pressure, and it can automatically finish the culture of microorganisms and the fixation of life information in accordance with the chronological order. These test results demonstrate that OASIS has passed the pressure, sea, pool, and other tests. They also accurately provide an understanding of the ecological benefits of deep-sea ecosystems. It offers strong equipment assistance for precisely identifying the ecological advantages of deep-sea environments.

Key words： in situ experiment; automation equipment; system design; serialization

随着“十四五”海洋经济规划的深入落实, 海洋资源的开发与研究得到前所未有的重视(张乐天, 2023)。经过多年海洋产业体系的布局, 我国在深海科考仪器装备等方面得到了快速发展(赵羿羽 等, 2019; 董胜 等, 2023)。深海微生物长期生长于黑暗、高压、低温的环境中, 其对环境的变化显得格外敏感(王勇 等, 2022)。对于深海微生物的研究, 传统的手段是通过取样器将样品带到船上实验室进行分离过滤培养, 但取样器回收的过程将会导致微生物生存环境的扰动, 例如压力和温度的变化, 这对生物信息检测的准确性造成很大影响(张宇, 2022)。为获得微生物准确真实的数据, 深海环境模拟技术和深海原位试验技术便由此诞生(王风平 等, 2013)。
深海原位技术的起源可以追溯到20世纪80年代初, 西方海洋强国率先开展了原位装备关键技术的专题研究(Tengberg et al, 1995, 2004)。1999年Howard Phillips等人研制出一种用于深海热液口流体采样和原位孵育的仪器, 可在420℃的高温环境中运行, 整机框架采用铝合金, 具有较好的耐腐蚀性和耐酸性, 科研人员通过深潜器搭载该仪器在东太平洋海域先后进行了5次布放试验, 成功捕获了热液口的气液混合样品(Phillips et al, 2003)。但在试验过程自动关闭功能出现了故障, 仪器运行的稳定性有待提高。2004年在美国国家科学基金会的支持下, 蒙特利湾水族馆研究所和伍兹霍尔海洋研究所的科学家共同开发了第二代深海环境样品处理器, 经过4年的研发与试验, 深海环境样品处理器已部署在从近地表到1000m的海水中, 可自动对海洋微生物、小型无脊椎动物、有害藻类和生物毒素等进行时间序列测量(Scholin et al, 2009)。由于该处理器结构无法承受深海高压, 在应用场景上有所限制, 只适用于海洋表面水域。2014年NIGK公司在热液口采样器的基础上进行了优化设计, 建造出一款4000m级原位微生物培养箱(the in situ microbial incubator, ISMI), ISMI主要由2个蠕动泵、3个培养瓶、6个固定管、1个管夹玫瑰花结和一个电控舱组成(Amano et al, 2023)。蠕动泵将海水输送到3个培养瓶中, 与培养瓶中底物混合, 用于微生物培养, 管夹玫瑰花结将来自培养瓶中的混合样品分配到6个固定管中, 固定剂杀死微生物, 实现对样品信息的固定。该设计方案使用蠕动泵进行液体转移, 然而蠕动泵不具备定量转移的能力, 因此样品转移精度不可控。
相比于国外, 国内在深海原位培养技术方面起步较晚, 现有产品应用性和操作性较差, 缺乏核心竞争力(黄铎佳, 2012; 渠继东 等, 2021; 卢晓亭 等, 2023)。经过几年的技术攻关, 我国也取得了一些突破。中南大学和中国科学院沈阳自动化所等单位先后开展了原位保真取样和实时在线检测设备的研制, 但多受限于深海泵和采样技术的瓶颈(冯景春 等, 2020)。杭州电子科技大学林鹏等人研发出一种深海沉积物原位定值培养系统, 并在千岛湖和舟山近海进行应用测试, 检验了设备的综合性能(林鹏, 2020)。该定值培养系统在空气中总重约为1t, 而单次获取的有效原位培养样品体积仅有1000mL, 系统相对笨重, 无法搭载深潜器进行原位试验, 作业效率较低。浙江大学海洋工程团队依托国家重点专项项目“深海生物数值化原位观测记录系统”, 设计了一款深海生态系统原位培养观测装置, 通过人工控制的方式定时定量控制能量物质, 增加了人工诱导的可控性(郦炳杰, 2018)。该装置系统分为注液反应系统、供电分配系统和观测系统, 装置结构简单, 功能相对单一, 虽然可以实现原位培养, 但无法对生物信息进行固定。
深海原位技术的研究更多聚焦于4000m以内水域, 6000m级原位培养设备的研发尚处于初级的探索阶段。现有的原位培养设备多存在转移精度不可控、功能单一和运行数据无记录等问题。本文结合国内外现有设备的技术特点, 研发一款6000m级深海原位自动序列培养装置, 集采集、培养、信息固定为一体; 重点研发了深海计量泵, 实现高精度定量转移。该装置结构紧凑、运行稳定、操作简便、可通过多种方式布放工作。深海微生物原位自动序列培养的装置(ocean automatic series incubation system, OASIS) 的研发有助于揭示微生物在深海碳循环过程中起到的作用, 强化我国在微生物原位碳循环研究中的仪器水平与技术储备, 推动深海微生物原位智能化培养和检测设备产业化发展。

1 OASIS系统组成与工作原理

1.1 系统组成

OASIS是一种深海微生物原位培养装置, 长期工作在1000~6000m深海高压环境中, 单次工作时间达72h以上, 详细技术指标见表1。OASIS主要由1个钛合金培养装置框架、1个高精度深海计量泵、1个用于微生物孵育的3L培养舱、6个用于存储固定剂的固定管组件、8个用于流体通断控制的电动阀、1个用于溶液混合的混合驱动组件、1个用于运行参数记录的数据舱、1个用于系统自动控制的控制舱和1个用于系统供电的电池舱组成, 系统组成如图1所示。管道均采用PTFE硬管, 而非硅胶软管, 可防止计量泵抽取培养舱中样品时, 形成的真空导致管道干瘪, 在外部高压下管道破损泄漏。
图1 OASIS系统组成图

a. 前侧视图; b. 后侧视图

Fig. 1 System composition diagram of OASIS.

(a) Front side view; (b) rear view

1.2 OASIS技术指标

表1为OASIS的技术指标。
表1 OASIS技术指标

Tab. 1 Technical indicators of OASIS

参数名词 技术指标 参数名词 技术指标
最大工作深度 6000m 单个固定管最大容积 150mL
最大工作时长 >72h 培养舱单次最大容积 3000mL
固定管总数量 18个 单台装置空气中总重 55kg
样品转移精度 ±2mL 压力传感器检测精度 ±0.1MPa

1.3 总体设计原理

OASIS主要工作任务有: 环境海水采集、溶液混合、微生物时间序列培养和生物信息固定。计量泵通过电动阀A和电动阀B将环境中海水定量注入到培养舱中(深灰色箭头), 与培养舱中预置的底物混合。培养舱活塞可双向移动, 当海水进入培养舱, 推动活塞向左移动, 当计量泵抽取培养舱样品, 吸引培养舱活塞向右运动。微生物在培养舱中经过充分培养后, 按照时间顺序, 计量泵将待测样品经过电动阀依次转移到S1~S6组固定管中(浅灰色箭头), 如图2所示。样品与固定管中的生物固定剂充分混合, 完成生物信息的固定, 结束试验。液体转移由计量泵实现, 流动方向由电动阀调节。通过更换培养舱和固定管中预置底物和固定剂的类型, 实现不同的科学目的。OASIS采用电池供电, 为满足长期试验需求, 在样品培养期间, 装置自动进入低功耗休眠状态, 当再次进入工作任务, 自动退出休眠。
图2 OASIS液体转移示意图

Fig. 2 Schematic diagram of liquid transfer in OASIS

1.4 溶液混合工作原理

OASIS在完成液体转移后, 需要将溶液混合均匀。原位培养实验中进行溶液混合的步骤有两处, 一是将海水与培养舱中底物混合, 二是将培养舱中样品与固定管中固定剂混合。混合驱动组件包括混合驱动电机、连杆、上支撑板、下支撑板、支撑板连杆和支点等。本溶液混合方案采用管内布置聚四氟乙烯(Poly-tetrafluoroethylene, PTFE)混合球, 混合驱动电机旋转, 通过连杆改变上、下支撑板的倾斜角度, 从而使混合球在管内滚动, 进而使管内液体流动混合, 如图3所示。改变混合驱动电机输出转速可获得不同混合速度。
图3 溶液混合工作原理

a. 正视图; b. 后视图。虚线表示支撑板中心所在位置

Fig. 3 Solution mixing principle of operation.

(a) Front view; (b) rear view. The dotted line indicates the center of the supporting plate

1.5 固定管工作原理

固定管组件由前卡板、后卡板、固定管、活塞、连接座、混合球、导向杆和活塞连接杆等组成, 如图4所示。固定管用于存储预置的固定剂, 用作样品与固定剂反应的场所。每个固定管组件包含3个固定管, 固定管内置混合球和活塞, 活塞上装有O型圈用于密封。连接座通过活塞尾部的连接杆将3个活塞并联, 并在导向杆的引导作用下确保3个活塞的同步运动。前后卡板设计了特殊的U型卡槽, 以实现固定管的快速拆卸。同时后卡板作为活塞的限位点, 可防止活塞从管中脱落丢失。回收固定管样品时, 首先需要松动紧定螺钉, 将连接座与活塞连接杆分离, 其次将固定管从前后卡板中取出, 推动活塞连接杆取出样品。
图4 固定管组件

a. 装配图; b. 爆炸视图

Fig. 4 Fixed tube assemblies.

(a) Assembly drawing; (b) explosion view

1.6 电动阀工作原理

电动阀是一个智能独立运行单元, 电动阀由阀体和电动执行器两部分组成, 如图5所示。阀体包括阀针、阀针螺母和密封填料, 阀体采用金属硬密封方式, 进液口可承受单侧压力高达60MPa。电动执行器由空心杯电机、减速器、霍尔板、控制板和驱动板等组成。接线舱为油舱, 电动执行器安装在干舱, 两者通过芯盘相连。电动执行器中的电机通过减速器连接到阀针螺母, 使得旋转运动转化为阀针的直线运动, 从而实现电动阀的开闭控制。
图5 电动阀

Fig. 5 Motorized valve

1.7 计量泵工作原理

OASIS液体转移采用一种活塞往复式计量泵。计量泵由活塞、推杆、防尘圈、格莱圈、导向带、丝杠螺母、滚珠丝杠、线性位移传感器(linear variable differential transformer, LVDT)、LVDT连接杆、联轴器和无刷电机等组成, 如图6所示。无刷电机输出轴通过联轴器与滚珠丝杠连接, 推杆与丝杠螺母固定为一体, 电机旋转带动推杆轴向移动。活塞上安装O型圈, 与筒壳左侧构成一个密封腔体, 用于液体的吸入和排出。液体转移时产生的作用力会施加在推杆上, 采用两个角接触球轴承反向布置, 以抵消轴向力对电机轴的影响。LVDT通过连接杆与活塞相连, 能够实时检测活塞位置信息, 并反馈给控制系统, 实现闭环控制。计量泵传动机构利用滚珠丝杠的高精度特性, 减小了传动间隙, 提升了传动效率。
图6 计量泵

a. 装配图; b. 剖视图

Fig. 6 Metering pump.

(a) Assembly drawing; (b) section view

1.8 控制系统工作原理

控制系统分为下位机主控系统和上位机显示和指令配置软件, 两者通过串口进行通信, 如图7所示。下位机主控系统采用STM32H750系列单片机搭建, 可自动对计量泵、混合驱动电机、电动阀和电源分配板等进行协调控制。主控系统提供了丰富的接口资源, 可实时采集压力传感器、漏水检测、LVDT传感器的数据, 并保存在数据存储模块中。压力传感器安装在控制舱舱盖上, 检测口直接与海水相连, 压力数据采集频率可通过上位机自行配置。此外, 上位机软件可配置OASIS触发工作模式, 共有时间触发、深度触发和遥控触发3种模式选择。
图7 控制系统工作原理

Fig. 7 Principle of operation of the control system

1.9 OASIS运行方案

甲板准备时, 需要在培养舱内预置底物, 在固定管内预置固定剂, 在上位机中配置触发模式、海水采集体积、样品转移时间和转移体积等。OASIS通过船载缆车或无人潜水器(remotely operated vehicle, ROV)布放, 到达预设触发条件, 启动培养试验。首先进行自清洗, 电动阀A打开, 计量泵从外界抽排海水, 清洗计量泵及与电动阀A的连接管路。自清洗完成后进行海水转移, 将目标体积的海水转移到培养舱中。转移完成启动混合驱动组件, 将海水与培养舱中底物充分混合。培养舱中样品经过一定时间培养后, 到达第一组并联固定管触发工作时间, 计量泵将样品注入第一组并联固定管中。再次启动混合装置, 将固定管内样品与核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)固定剂混合均匀。至此完成第一组固定管样品的转移与固定。装置进入休眠模式, 等待触发第二组固定管的工作时间。循环执行第一组固定管的操作流程, 完成剩余固定管样品的转移与固定。至此培养试验结束返回甲板, 将固定管内样品转移至实验室处理, 将装置运行数据拷贝到计算机中分析。OASIS运行流程如图8所示。
图8 OASIS工作流程图

Fig. 8 Workflow diagram of OASIS

2 降低试验干扰措施

2.1 抗腐蚀材料选用

在进行原位培养试验时, 使用的饱和ZnCl2溶液和8%多聚甲醛(Paraformaldehyde, PFA)生物试剂具有较强腐蚀性。为避免设备材料被试剂腐蚀从而对后期生物信息检测产生影响, 试验中与样品接触的所有器件选用惰性材料。经调研测试, PTFE、TC4钛合金、丁腈橡胶、聚碳酸酯和有机玻璃能够长期抵抗有机试剂的侵蚀。结合设计强度和观测需要, 电动阀阀体选用TC4钛合金, 计量泵活塞和筒壳使用聚碳酸酯, 固定管组件、培养舱、管道、管接头主要采用有机玻璃(polymethyl methacrylate, PMMA)和PTFE, 密封圈选用丁腈橡胶。

2.2 管道存留残液处理

试验过程中, 计量泵完成液体转移后, 管道和计量泵内壁会存在液体残留。在进行下一次液体转移时, 这些残留液体将会成为主要污染源。管道长度和管径大小决定了残留液体的体积。为了解决这个问题, 本次设计选用内径为2mm的管道, 在布置时将管道总长控制在最小长度。同时增设了管道自动清洗步骤, 在海水转移到培养舱之前, 计量泵通过电动阀抽排海水, 清洗计量泵腔体及与海水接触的管道部分。在将样品转移到固定管组件之前, 计量泵先抽取一定样品, 用样品冲洗培养舱与计量泵之间以及计量泵与海水入口之间连接管道。

2.3 容器灭菌处理

在试验前, 需要使用蒸馏水对培养舱、固定管组件和管道进行彻底清洗, 并使用环氧乙烷灭菌。同时所有与水样接触的移动部件均不涂抹润滑脂。

3 计量泵转移精度修正研究

3.1 转移精度补偿计算

深海高压环境中, 材料受到压力产生收缩, 如图9所示, 海水受到压缩而密度增大。同时, 机械传动本身存在间隙, 这些因素会导致取样过程中的误差增大。为实现高精度取样, 一方面要优化传动机构, 尽可能减小传动间隙; 另一方面需要通过上位机软件进行修正, 以补偿上述3个因素带来的误差, 而修正系数的测定成为高精度取样的关键。在本次设计中, 传动机构采用高精度滚珠丝杠机构, 所产生微小的传动间隙对液体转移精度的影响可忽略不计。
图9 内外压力作用下材料收缩示意图

Fig. 9 Schematic diagram of material shrinkage under internal and external pressure

3.1.1 材料收缩导致的体积变化

计量泵筒壳和活塞构成密封腔体, 在水下工作时, 空腔在内外两侧压力作用下发生形变。在筒壳半径$r$面上点在径向发生位移$\Delta r$, 在长度$l$发生位移$\Delta l$, 计算公式如下(吴怀超 等, 2010; 吴俊飞 等, 2017):
$\Delta r=\frac{1-2\mu }{E}\times \frac{(r_{\text{i}}^{2}{{p}_{\text{i}}}-r_{\text{o}}^{2}{{p}_{\text{o}}})r}{r_{\text{o}}^{2}-r_{\text{i}}^{2}}+\frac{1+\mu }{E}\times \frac{r_{\text{i}}^{2}r_{\text{o}}^{2}({{p}_{\text{i}}}-{{p}_{\text{o}}})}{(r_{\text{o}}^{2}-r_{\text{i}}^{2})r}$
$\Delta l=\frac{1-2\mu }{E}\times \frac{(r_{\text{i}}^{2}{{p}_{\text{i}}}-r_{\text{o}}^{2}{{p}_{\text{o}}})l}{r_{\text{o}}^{2}-r_{\text{i}}^{2}}$
式中: $\mu $为筒壳体材料的泊松比; E为弹性模量 (单位: Pa); ${{r}_{\text{o}}}$为筒壳的外径(单位: mm); ${{r}_{\text{i}}}$为筒壳内径(单位: mm); r为研究单元所在半径位置(单位: mm); ${{p}_{\text{i}}}$为空腔受到的内侧压力(单位: Pa); ${{p}_{\text{o}}}$为空腔受到的外侧压力(单位: Pa)。
筒壳和活塞材料均选用有机玻璃, 泊松比为0.35, 在深海工作时, 空腔受到的内侧压力和外侧压力相等。故上述公式可以简化为:
$\Delta r=\frac{2\mu -1}{E}{{p}_{\text{o}}}r$
$\Delta l=\frac{2\mu -1}{E}{{P}_{\text{o}}}l$
由此可得$\Delta r$<0, $\Delta l$<0, 故筒壳与活塞构成的空腔体积在压力下减小, 体积减小$\Delta V$:
$\Delta V\text{= }\!\!\pi\!\!\text{ }r_{\text{i}}^{2}L-\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ (}{{r}_{\text{i}}}-\left. \left| \Delta r \right. \right|{{)}^{2}}(L-\left| \Delta l \right|)$
推导简化为:
$\begin{align} & \Delta V\text{= }\!\!\pi\!\!\text{ }r_{\text{i}}^{2}\left| \Delta l \right|\text{+2 }\!\!\pi\!\!\text{ }{{r}_{\text{i}}}\left. \left| \Delta r \right. \right|L+\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }{{\left| \Delta r \right|}^{2}}\left| \Delta l \right|- \\ & \text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }{{\left| \Delta r \right|}^{2}}L-2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }{{r}_{\text{i}}}\left| \Delta r \right|\left| \Delta l \right| \\ \end{align}$
鉴于$\Delta l$、$\Delta r$相对壳体长度$l$、半径$r$较小, 公式(6)中二次项可忽略不计, 可简化为:
$\Delta V\text{= }\!\!\pi\!\!\text{ }r_{\text{i}}^{2}\left| \Delta l \right|\text{+2 }\!\!\pi\!\!\text{ }{{r}_{\text{i}}}\left. \left| \Delta r \right. \right|L$
式中: $L$为筒壳与活塞构成的空腔的长度(单位: mm)。
将空腔参数$r={{r}_{\text{i}}}$, $l=L$代入公式(3)和(4)中, 求得:
$\Delta r=\frac{2\mu -1}{E}{{p}_{\text{o}}}{{r}_{\text{i}}}$
$\Delta l=\frac{2\mu -1}{E}{{p}_{\mathrm{o}}}L$
将公式(8)和公式(9)代入公式(7), 求得计量泵空腔受到内外压力${{p}_{\text{o}}}$作用下体积减小$\Delta V$:
$\Delta V\text{= }\!\!\pi\!\!\text{ }r_{\text{i}}^{2}\left| \frac{2\mu -1}{E}{{P}_{\text{o}}}L \right|\text{+2 }\!\!\pi\!\!\text{ }{{r}_{\text{i}}}\left. \left| \frac{2\mu -1}{E}{{p}_{\text{o}}}{{r}_{\text{i}}} \right. \right|L$

3.1.2 海水压缩导致的体积变化

在60MPa压力下, 海水的压缩率$K$为2.5%。当OASIS返回甲板后, 计量泵空腔压力降为常压, 海水体积增大$\Delta {V}'$:
$\Delta {V}'=\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }{{r}^{2}}l}{1-K}-\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }{{r}^{2}}l$
将空腔参数$r={{r}_{\text{i}}}$, $l=L$代入公式(11)中, 求得:
$\Delta {V}'=\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }r_{\text{i}}^{2}L}{1-K}-\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }r_{\text{i}}^{2}L$

3.2 转移精度修正测试

上位机软件中设有容积修正系数, 在无精度修正时, 该系数为1。为了检验修正效果, 在30MPa压力下进行了对照试验, 修正系数分别设置为1和1.05, 记录固定管中转移样品的体积误差。经试验测试, 无修正时, 固定管中转移的样品体积误差为-4.02%~ 3.53%。修正系数为1.05时, 固定管中转移的样品体积误差为-2.04%~1.31%。经过容积修正后体积误差有所减小, 但没有完全消除。体积误差还与以下原因有关:
1) 电动阀设置的堵转扭矩没有达到拧紧力矩, 阀存在轻微泄漏;
2) 管道在内外压力作用下也存在变形, 而理论计算只计算了计量泵腔体的变形, 未将管道变形计算在内;
3) 液体存在轻微压缩, 由于固定管活塞采用O型圈密封, 静摩擦力较大, 固定管从30MPa降为常压时, 固定管中液体压力没有得到完全释放。

4 试验验证

4.1 电动阀试验

密封填料性能和拧紧力矩设定是保证电动阀可靠工作的关键。电动阀密封填料的资料相对保密, 未查到可参考资料, 故对市面上常用的材料进行压力密封测试, 并测定电动阀在66MPa压力下所需的拧紧力矩。电动阀的填料结构如图10所示, 测试结果见表2。试验时, 将阀进液口与压力桶相连, 操作手动泵将压力桶加压至66MPa, 此时使用扭矩扳手将阀拧紧至无泄漏状态, 记录扭矩值。保压一定时间后, 再次观测有无泄漏, 测试现场如图11所示。根据表2中试验结果, 最终采用U型圈作为密封填料, 阀拧紧所需力矩为8N·m。
图10 电动阀填料结构

a. 组合密封圈; b. U型圈

Fig. 10 Packing structure of motorized valves.

(a) Combined seal ring; (b) U-ring

表2 填料压力测试数据记录

Tab. 2 Data logging of packing pressure tests

序号 密封填料材质 开启过程扭矩/(N∙m) 关闭过程扭矩/(N∙m) 拧紧力矩/(N∙m) 试验现象
1 A-UPE
B-PTFE		 7.0 5 9.0 保压30min出现泄露
2 A-UPE
B-PTFE+玻璃纤维		 6.5 5 8.0 保压4h无泄漏, 但阀针运行有异响
3 A-UPE
B-PTFE+石墨		 7.5 6 9.5 保压4h无泄漏, UPE填料明显磨损
4 U型圈 6.0 5 8.0 保压24h无泄漏, U型圈无明显磨损
图11 电动阀压力密封测试现场

a. 压力表示数; b. 阀体密封状况

Fig. 11 Motorized valve pressure seal test site.

(a) Indicator of pressure gauge; (b) valve body seal condition

4.2 整机试验

为了检测OASIS的结构稳定性、电气绝缘性和高压密封性, 先后进行了水池试验、压力试验和海上试验。2023年6月初于上海海洋大学水池开展电气绝缘性测试。采用绝缘电阻测试仪检测电气接口与装置外壳之间的电阻值, 所有装置样本的绝缘电阻值均远大于10MΩ, 具备良好的绝缘性能。随后于上海交通大学水下工程研究所的SHS1000/4000静压机中进行整机压力测试, 如图12所示, 旨在评估装置的耐压性和高压密封性。共进行5次压力测试, 最大测试压力33MPa, 单次保压时长2h, 培养后样品固定管回收体积误差在±5%以内。OASIS在压力下能够正常取样培养, 试验结束后检查并无损坏、无明显变形。
图12 压力试验现场

a. 压力测试前状态; b. 压力测试操作过程状态

Fig. 12 Pressure test site.

(a) Pressure state before the test; (b) stress tests operating process status

为了进一步检验OASIS在深海环境中工作能力, 于2023年6月末在南海海域对样机完成1000m级海上测试, 累计完成3个1000m级潜次作业, 累计获得5h的原位培养试验样品。培养后样品固定管回收体积误差在-4.16%~4.00%。依据海试结果对本装置进行选代升级, 于2023年8月在南海海域将深海原位微生物的固碳功能完成OASIS的海上应用, 获得2个100m级和2个1000m级站位, 累计工作时长超过24h, 获得超过10.5L原位培养后固定样品, 培养后样品固定管内液体体积误差在-2.0%~1.3%之间, 如表3所示, 可用于后续深海原位微生物碳代谢速率的计算。海上应用现场如图13所示。
表3 海上应用数据记录

Tab. 3 Offshore application data logging

潜次 经度/°E 纬度/°N 深度/m 试验时长/h 获取样品体积/mL 固定管取样误差/%
1 110°35′ 34.80″ 18° 38′ 36.24″ 103 4 2691 -2.0~0.7
2 111°20′ 27.96″ 18° 05′ 48.48″ 1874 8 2716 0~2
3 111° 43′ 15.60″ 18° 13′ 01.20″ 1614 8 2707 -1.3~1.3
4 111° 06′ 44.64″ 19° 07′ 12.72″ 109 4 2412 0~1.3
图13 海试现场

a. OASIS出水瞬态; b. OASIS回收后状态

Fig. 13 Offshore test site.

(a) The water transients of OASIS; (b) OASIS indicates the status after the reclamation

5 结语

各项测试证明, OASIS能在30MPa压力下正常工作。使用该装置对琼东南海域上升流区的近海底微生物采样、按时间序列培养、固定, 并对取得的样品开展了化学参数和RNA数据的分析检测, 评估了当地微生物的种类组成、丰度和代谢速率。在试验过程中, 针对出现的问题优化了机械结构和电控系统, 增强了装置的稳定性和可操作性, 摸索出一套高效的操作流程, 可由单人独立操作使用。在未来的工作中, 实现OASIS在6000m深海应用将是研究的重点之一。

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