一种基于电力驱动的管道生物膜采样系统及采样方法 |
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| 申请号 | CN201710569710.X | 申请日 | 2017-07-13 | 公开(公告)号 | CN107400699A | 公开(公告)日 | 2017-11-28 |
| 申请人 | 上海市水利工程设计研究院有限公司; | 发明人 | 申屠华斌; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开的一种基于电 力 驱动的管道 生物 膜 采样 系统及采样方法，包括采样装置、储 水 装置和采样驱动及喷水装置，在采用驱动及喷水装置中集成有驱动机构和喷水机构，喷水机构与储水装置连接，驱动机构与采样装置通过一伸缩机构连接，驱动采样装置转动进行采样；喷水机构中的喷水端位于驱动机构的输出端一侧。本发明充分考虑实际管道生物膜采样的特点，能较好应用于不同管材和管径的采样情况，避免人工采样造成的杂菌污染，减小定量时产生的误差。同时方便研究人员对不同管材、不同管径的市政供水管道进行生物膜采样，采样时可控制刷洗喷出的水量，并根据需要调整管道各区域的刷洗速度和时间，兼顾效率与便捷性，避免了传统方法的一些不足。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于电力驱动的管道生物膜采样系统，其特征在于，包括采样装置、储水装置和采样驱动及喷水装置，在所述采用驱动及喷水装置中集成有所述采样装置的驱动机构和喷水机构，所述喷水机构中的进水端与所述储水装置连接，所述驱动机构的输出端与所述采样装置通过一伸缩机构连接并通过所述伸缩机构驱动所述采样装置转动进行采样；所述喷水机构中的喷水端位于所述驱动机构的输出端一侧。 |
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| 说明书全文 | 一种基于电力驱动的管道生物膜采样系统及采样方法技术领域[0001] 本发明涉及生物膜采样技术领域,特别涉及一种基于电动管道生物膜采样系统及采样方法，其相对于传统手工生物膜采样方法具有省力高效的特点，有力提高了相关领域研究人员的工作效率。 背景技术[0003] 生物膜有利于致病微生物适应水力环境的变化，并为它们提供必要的营养与生长场所，保障生存所需要的各项生理代谢活动。因此，管网中的绝大部分微生物都富集在生物膜里，对生物膜进行采样也成为了管道微生物研究的重要前置环节。然而目前的管道生物膜采样程序存在一些问题，使科研工作的严谨性和规范性受到挑战。 [0004] 目前的传统手工操作通常在中试平台或拆管现场进行，方法主要有两种：其一是利用棉签在管道内壁直接刮取采样，这种做法在目前的相关文献中叙述得较多，但实际采样的效率和质量低下，所采集的生物膜样很难具有代表性；另一种则是利用毛刷采样，将拆卸下管道竖直放置或以一定倾斜角度垫高，在管道一端用洗瓶将无菌水挤出淋洗于管道内壁，同时使用毛刷将附着其上的生物膜刷洗下来，最后将收集到的淋洗液和沙浆等内衬物经托盘转移到无菌采样瓶。 [0005] 上述传统操作方法存在的问题有： [0006] (1)关于生物膜采样的操作流程业内尚不存在统一的标准，在学术交流的过程中造成困难； [0007] (2)过程繁琐、效率低下，每段管道需要至少一名操作员动手刷管并收集淋洗液，在人手不足的情况下花费的时间较长； [0008] (3)不能保证管道内部采样完全，拆卸下的管道接近两端的位置采样较彻底，而管道中部区域难免有所遗漏； [0009] (4)市政管网系统中管道尺寸多样，手动采样所使用的管刷直径选择不够灵活；(5)中试平台卸下的管道在实验场所存放的时间过长，容易受空气的中杂菌污染，同时难以达到无菌操作的要求。 发明内容[0010] 本发明之目的之一在于克服现有技术的不足，为简化管道生物膜采样操作、规范采样流程提供一种基于电力驱动的管道生物膜采样系统。该基于电力驱动的管道生物膜采样系统充分考虑实际管道生物膜采样的特点，能较好应用于不同管材和管径的采样情况，避免人工采样造成的杂菌污染，减小定量时产生的误差。同时方便研究人员对不同管材、不同管径的市政供水管道进行生物膜采样，采样时可控制刷洗喷出的水量，并根据需要调整管道各区域的刷洗速度和时间，兼顾效率与便捷性，避免了传统方法的一些不足。 [0011] 本发明之目的之二在于提供上述基于电力驱动的管道生物膜采样系统的采样方法。 [0012] 作为本发明第一方面的一种基于电力驱动的管道生物膜采样系统，包括采样装置、储水装置和采样驱动及喷水装置，在所述采用驱动及喷水装置中集成有所述采样装置的驱动机构和喷水机构，所述喷水机构中的进水端与所述储水装置连接，所述驱动机构的输出端与所述采样装置通过一伸缩机构连接并通过所述伸缩机构驱动所述采样装置转动进行采样；所述喷水机构中的喷水端位于所述驱动机构的输出端一侧。 [0013] 在本发明的一个优选实施例中，所述采样装置为一可拆换刷头。 [0014] 在本发明的一个优选实施例中，所述可拆换刷头的直径为1cm、3cm、5cm或10cm。 [0015] 在本发明的一个优选实施例中，所述伸缩机构为一可伸缩旋转轴，该可伸缩旋转轴由多节旋转轴依次伸缩连接组成，其中从所述采样驱动及喷水装置数起，第一节旋转轴的第一端与所述驱动机构的输出端传动连接，第一节旋转轴的第二端与所述第二节旋转轴的第一端伸缩并传动连接，依次类推，上一节旋转轴的第二端与下一节旋转轴的第一端伸缩并传动连接，最后一节旋转轴的第二端与所述可拆换刷头可拆卸传动连接。 [0016] 在本发明的一个优选实施例中，相邻两节的旋转轴之间设置有伸缩定位扣，所述伸缩定位扣用以实现相邻两节旋转轴之间的固定连接。 [0017] 在本发明的一个优选实施例中，所述储水装置由多个可拼接洗瓶串联而成，每个可拼接洗瓶具有一个瓶体，所述瓶体内具有一个容水腔，在所述瓶体的两端分别设置有一个外螺纹接头和一个内螺纹接头，从所述采样驱动及喷水装置数起，第一个可拼接洗瓶的内螺纹接头与所述喷水机构中的进水端螺纹连接，第二个可拼接洗瓶的内螺纹接头与所述第一个可拼接洗瓶的外螺纹接头螺纹连接，依次类推，上一个可拼接洗瓶的外螺纹接头与下一个可拼接洗瓶的内螺纹接头螺纹连接，在最后一个可拼接洗瓶的外螺纹接头上旋有一旋盖。 [0019] 在本发明的一个优选实施例中，所述采样驱动及喷水装置包括一壳体和集成在所述壳体内的所述采样装置的驱动机构和喷水机构，其中所述采样装置的驱动机构包括设置在所述壳体内的可充电电池、电路板、驱动电机和构成所述驱动机构输出端的旋转主轴以及设置所述壳体上的开关，所述可充电电池与所述电路板电连接，所述电路板通过所述开关与所述驱动电机电连接，所述旋转主轴轴设在所述壳体上且该旋转主轴的第一端与所述驱动电机的输出轴传动连接，所述旋转主轴的第二端伸出所述壳体并与所述可伸缩旋转轴中的第一节旋转轴的第一端连接； [0020] 所述喷水机构包括设置在所述壳体内的软水管、滑动配置在所述壳体内的供水开关驱动机构，还包括构成所述喷水机构的喷水端的喷水管和构成所述喷水机构中的进水端的进水接头，在所述软水管上设置有一供水开关，所述供水开关驱动机构中的供水驱动端与所述供水开关驱动连接，所述供水开关驱动机构中的操作端位于所述壳体外；所述喷水管通过一360°活动关节安装在所述壳体上，所述喷水管的入端与所述软水管的一端连接，所述喷水管的出端位于所述壳体外；所述进水接头安装在所述壳体上，该进水接头的入端位于所述壳体外并与所述第一个可拼接洗瓶的内螺纹接头连接，该进水接头的出端与所述软水管的另一端连接。 [0021] 在本发明的一个优选实施例中，在所述电路板上设置有露出所述壳体外的电源指示灯和充电口。 [0022] 在本发明的一个优选实施例中，所述开关为转速档位开关。 [0023] 在本发明的一个优选实施例中，所述喷水机构还包括一加压水瓶、加压阀以及加压阀复位弹簧，所述加压阀的阀体安装在所述加压水瓶的瓶体上，所述加压阀中的活塞的一端伸入所述加压水瓶的瓶腔中，所述加压阀复位弹簧设置在所述加压水瓶的瓶腔内，该加压阀复位弹簧一端与所述加压水瓶瓶体接触，另一端与所述加压阀中的活塞接触，所述加压阀中的活塞另一端与所述供水开关驱动机构中的加压驱动端连接；所述加压水瓶与所述软水管的另一端连接，所述进水接头的出端通过一单向阀与所述加压水瓶连接，该单向阀控制所述可拼接洗瓶内的水流入所述加压水瓶中，所述加压水瓶内的水不会流回所述可拼接洗瓶内。 [0024] 在本发明的一个优选实施例中，所述供水开关驱动机构包括一构成所述供水开关驱动机构中的操作端的扳机、一驱动杆和一对带有滑槽的支撑杆，一对带有滑槽的支撑杆安装在所述壳体内，在所述驱动杆上配置有一对滑销，一对滑销分别滑动支撑在一对支撑杆的滑槽中；所述扳机与所述驱动杆连接并位于所述壳体外，所述驱动杆上设置有供水驱动端和加压驱动端。 [0025] 作为本发明第二方面的基于电力驱动的管道生物膜采样系统的采样方法，包括以下步骤： [0026] (1)消毒灭菌步骤 [0027] 采样开始对储水装置和采样驱动及喷水装置进行酒精消毒，对采样装置、接收生物膜淋洗液的托盘和支架需要经过高温灭菌处理； [0028] (2)加注无菌水步骤 [0029] 给所述储水装置和喷水机构内加注无菌水； [0030] (3)采样步骤 [0031] 将拆卸下管道竖直放置于所述支架上，所述支架立于所述托盘的中央；根据需要采样的管道特征选择合适的采样装置，根据需要采样的管道特征和采样位置调节所述伸缩机构长度至合适位置；然后将采样装置从管道的一端伸进管道，同时也将所述喷水机构中的喷水端伸入所诉管道中，启动所述采样装置的驱动机构和喷水机构，所述喷水机构将无菌水淋洗于所述管道的内壁，采样装置的驱动机构驱动采样装置以一定的速度旋转摩擦所述管道的内壁，将依附在所述管道的内壁上的生物膜与沉积物随着喷出的无菌水流到托盘内；采样完毕后，关闭所述采样装置的驱动机构和喷水机构，从管道中取出采样装置将采样装置，然后将管道和支架移出托盘，将托盘中收集到的采用物转移至无菌采样瓶中； [0032] 如果管道过长，可以从所述管道的另一端重复上述步骤(3)。 [0033] 由于采用了如上技术方案，本发明基于电力驱动的管道生物膜采样系统充分考虑实际管道生物膜采样的特点，能较好应用于不同管材和管径的采样情况，避免人工采样造成的杂菌污染，减小定量时产生的误差。同时方便研究人员对不同管材、不同管径的市政供水管道进行生物膜采样，采样时可控制刷洗喷出的水量，并根据需要调整管道各区域的刷洗速度和时间，兼顾效率与便捷性，避免了传统方法的一些不足。附图说明 [0034] 图1为本发明基于电力驱动的管道生物膜采样系统结构示意图。 [0035] 图2为本发明基于电力驱动的管道生物膜采样系统中的采样装置结构的结构示意图。 [0036] 图3为本发明基于电力驱动的管道生物膜采样系统中的伸缩机构结构示意图。 [0037] 图4为本发明基于电力驱动的管道生物膜采样系统中的采样驱动及喷水装置结构示意图。 [0038] 图5为本发明基于电力驱动的管道生物膜采样系统中的可拆卸洗瓶的结构示意图。 具体实施方式[0039] 参见图1，图中所示的一种基于电力驱动的管道生物膜采样系统，包括采样装置100、储水装置200和采样驱动及喷水装置300，在采用驱动及喷水装置300中集成有采样装置的驱动机构和喷水机构(下面会详细描述)，喷水机构中的进水端与储水装置200连接，驱动机构的输出端与采样装置100通过一伸缩机构400连接并通过伸缩机构驱动采样装置100转动进行采样；喷水机构中的喷水端位于驱动机构的输出端一侧。 [0040] 参见图2，采样装置100为一可拆换刷头110，可拆换刷头110配以四种不同规格成套供应，可拆换刷头110直径分别为1cm、3cm、5cm与10cm，可根据操作管段特征自主选择可拆换刷头直径。DN40及以下管径的推荐用1cm直径的可拆换刷头110，DN125及以下管径的推荐用3cm直径的可拆换刷头110，DN300以下管径的推荐用5cm直径的可拆换刷头110，DN300及以上管径的推荐用10cm直径的可拆换刷头110。可拆换刷头110上连接有一转轴杆120，转轴杆120与伸缩机构400连接的一端设置有一六角头121，这样与伸缩机构400连接后，在旋转的时候不会出现移位现象。 [0041] 参见图3，伸缩机构400为一可伸缩旋转轴，该可伸缩旋转轴由三节旋转轴410、420、430依次伸缩连接组成，三节旋转轴410、420、430采用不锈钢材质制作，直径由粗到细，旋转轴410最粗，旋转轴420次之，旋转轴430最细。三节旋转轴410、420、430的长度分别为 208mm、200mm、200mm。旋转轴410一端与驱动机构的输出端传动连接，旋转轴410的另一端与旋转轴420的一端伸缩并传动连接，旋转轴420的另一端与旋转轴430的一端伸缩并传动连接，旋转轴430的另一端设置有六角形内孔431，转轴杆120上的六角头121连接时插入到旋转轴430中的六角形内孔431，使得两者在旋转的时候不会出现移位现象。 [0042] 旋转轴410与旋转轴420之间设置有伸缩定位扣440，旋转轴420与旋转轴430之间设置有伸缩定位扣450，不工作时，旋转轴420退回到旋转轴410的内孔中，旋转轴430退回到旋转轴420的内孔中，工作时，将旋转轴420通过伸缩定位扣440延伸出旋转轴410一定的长度，旋转轴430通过伸缩定位扣450延伸出旋转轴420一定的长度，从而改变伸缩机构400的总长。 [0043] 结合参见图1和图5，储水装置200由两个可拼接洗瓶210、220串联而成(当然也可以多个)。可拼接洗瓶210、220的容量为250mL，采用PVC材质制成。可拼接洗瓶210、220均具有一个瓶体211、221，瓶体211、221内具有一个容水腔。在瓶体211、221的两端分别设置有一个外螺纹接头212、222和一个内螺纹接头213、223。 [0044] 可拼接洗瓶210的内螺纹接头213与喷水机构中的进水端螺纹连接，可拼接洗瓶220的内螺纹接头223与可拼接洗瓶210的外螺纹接头212螺纹连接，在可拼接洗瓶220的外螺纹接头213上旋有一旋盖230。两个可拼接洗瓶210、220的重心位于采样装置100旋转中心轴线的同轴延伸线上，这样能保持基于电力驱动的管道生物膜采样系统使用时平衡稳定。 [0045] 参见图3，采样驱动及喷水装置300包括一壳体310和集成在壳体310内的采样装置的驱动机构和喷水机构。 [0046] 采样装置的驱动机构包括设置在壳体310内的可充电电池321、电路板322、驱动电机323和构成驱动机构输出端的旋转主轴324以及设置壳体310上的转速档位开关325，可充电电池321与电路板322电连接，电路板322通过转速档位开关325与驱动电机323电连接。 [0047] 驱动电机323通过电机支架326支撑在壳体310内，该驱动电机323的输出轴与旋转主轴324的一端传动连接，旋转主轴324通过轴承327轴设在壳体310上，旋转主轴324的另一端伸出壳体310并与可伸缩旋转轴中的旋转轴410连接。 [0048] 转速档位开关325设置有高速、中速、低速、停止四档，以实现对驱动电机232转速的控制，以对应不同的采样要求。 [0049] 在电路322板上设置有露出壳体310外的电源指示灯328和充电口329，通过充电口329以及电路板322可以对可充电电池321进行充电。 [0050] 喷水机构包括设置在壳体310内的软水管331、滑动配置在壳体310内的供水开关驱动机构、设置在壳体310内的加压水瓶334、加压阀335以及加压阀复位弹簧336，还包括构成喷水机构的喷水端的喷水管332和构成喷水机构中的进水端的进水接头333。 [0051] 在壳体310内安装有一硬管337，软水管331安装在硬管337中，以保护软水管331。在软水管331上设置有一供水开关331a，软水管331的一端可以直接与进水接头333连接，也可以与加压水瓶334连接，本发明的具体实施方式中，软水管331的一端是与加压水瓶334连接的。 [0052] 喷水管332通过一360°活动关节338安装在壳体310上，使得喷水管332的出水角度可自由调节。360°活动关节338可以为一滚珠。软水管331的另一端与喷水管332的入端连接，喷水管332的出端位于壳体310外。 [0053] 加压阀335的阀体安装在加压水瓶334的瓶体上，加压阀335中的活塞的一端伸入加压水瓶334的瓶腔中，加压阀复位弹簧336设置在加压水瓶334的瓶腔内，该加压阀复位弹簧336一端与加压水瓶334瓶体接触，另一端与加压阀335中的活塞接触。 [0054] 进水接头333安装在壳体310上，进水接头333的出端通过一单向阀(图中未示出)与加压水瓶334连接，该单向阀控制可拼接洗瓶210、220内的水流入加压水瓶334中，加压水瓶334内的水不会流回可拼接洗瓶210、220内。进水接头333的入端位于壳体310外并与可拼接洗瓶210的内螺纹接头213连接。 [0055] 供水开关驱动机构包括一构成供水开关驱动机构中的操作端的扳机411、一驱动杆412和一对带有滑槽413a、414a的支撑杆413、414，一对带有滑槽413a、414a的支撑杆413、414安装在壳体310内，在驱动杆412上配置有一对滑销412a、412b，一对滑销412a、412b分别滑动支撑在一对支撑杆413、414的滑槽413a、414a中；扳机411与驱动杆412连接并位于壳体 310外， [0056] 驱动杆412上设置有供水驱动端412c和加压驱动端412d,供水驱动端412c与供水开关331a驱动连接，加压驱动端412d与加压阀335中的活塞的另一端驱动连接。 [0057] 在自然状态下，不用手指扣动扳机411，在加压阀复位弹簧336作用下，加压阀335中的活塞、供水开关驱动机构中的驱动杆412均处于初始位置，供水开关331a处于关闭状态，两个可拼接洗瓶210、220和加压水瓶334内的无菌水不会通过软水管331流入喷水管332中并由喷水管332喷出。在工作状态下，用手指扣动扳机411，扳机411带动驱动杆412向工作位置方向运动，驱动杆412上的加压驱动端412d迫使加压阀335中的活塞在克服加压阀复位弹簧336的阻力后向加压方向运动，同时驱动杆412上的供水驱动端412c将供水开关331a打开，此时加压水瓶334内的无菌水通过软水管331流入喷水管332中并由喷水管332喷出。松开扳机411，在加压阀复位弹簧336作用下，加压阀335中的活塞、供水开关驱动机构中的驱动杆412回到初始位置，此时加压水瓶334内的压力减小，单向阀开始，可拼接洗瓶210、220中的无菌水补充到加压水瓶334内。 [0058] 上述基于电力驱动的管道生物膜采样系统的采样方法，包括以下步骤： [0059] (1)消毒灭菌步骤 [0060] 采样开始对储水装置200中的可拼接洗瓶210、220和采样驱动及喷水装置300进行酒精消毒，对采样装置100中的可拆换刷头110、接收生物膜淋洗液的托盘和支架需要经过高温灭菌处理； [0061] (2)加注无菌水步骤 [0062] 给储水装置200中的可拼接洗瓶210、220和喷水机构内的加压水瓶334加注无菌水； [0063] (3)采样步骤 [0064] 将拆卸下管道竖直放置于支架上，所述支架立于托盘的中央；根据需要采样的管道特征选择合适的可拆换刷头110，根据需要采样的管道特征和采样位置调节伸缩机构400长度至合适位置；然后将可拆换刷头110从管道的一端伸进管道，同时也将喷水机构中的喷水管332伸入管道中，用手指扣动扳机411，扳机411带动驱动杆412向工作位置方向运动，驱动杆412上的加压驱动端412d迫使加压阀335中的活塞在克服加压阀复位弹簧336的阻力后向加压方向运动，同时驱动杆412上的供水驱动端412c将供水开关331a打开，此时加压水瓶334内的无菌水通过软水管331流入喷水管332中并由喷水管332喷出，将无菌水淋洗于管道的内壁。 [0065] 同时使用转速档位开关325调节驱动电机323的转速，驱动电机323通过伸缩机构400驱动可拆换刷头110以一定的速度旋转摩擦管道的内壁，将依附在管道的内壁上的生物膜与沉积物随着喷出的无菌水流到托盘内；采样完毕后，松开扳机411，在加压阀复位弹簧 336作用下，加压阀335中的活塞、供水开关驱动机构中的驱动杆412均处于初始位置，供水开关331a处于关闭状态，两个可拼接洗瓶210、220和加压水瓶334内的无菌水不会通过软水管331流入喷水管332中并由喷水管332喷出。同时将转速档位开关325旋至停止档。从管道中取出可拆换刷头110，然后将管道和支架移出托盘，将托盘中收集到的采用物转移至无菌采样瓶中； [0066] 如果管道过长，可以从所述管道的另一端重复上述步骤(3)。 [0067] 采样时，根据管道内壁实际情况，采样开始时可将转速档位开关325设置高速档位，采样结束之前调整为低速档位。 |
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