專利名稱：一種生物反應器在線檢測系統的濃度梯度擴散取樣裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用于微生物發酵、細胞培養等生物反應器在線檢測系統的取樣
直O
背景技術：
生物反應器是利用酶或生物體(如微生物)所具有的生物功能，在體外進行生化反應的裝置系統，它是一種生物功能模擬機(容器)，如發酵罐、酶或細胞反應器等，在食品與發酵(如酒類、氨基酸、有機酸)、醫藥(抗生素、干擾素)、環境(生物降解)、生物能源 (纖維素乙醇、產油微藻、沼氣)等生產和科研領域廣泛應用。要維持生物反應器的高效運行，即獲得最大的生物轉化率和最低的成本，需要對反應器中的生物過程進行控制，其控制的基礎就是對反應器內各種參數進行檢測。生物反應器的檢測方式有離線檢測和在線檢測兩種。離線檢測是由人工取樣，然后，將樣品送到化驗室或儀器室，通過專用儀器進行測定。在線檢測是把檢測儀器直接與反應器連接在一起或檢測傳感器探頭插入反應器內進行檢測。優點是取樣和檢測過程可連續、迅速、準確完成，能及時、準確、連續的反映反應器生化過程的動態變化，有利于生物反應過程的優化與控制。在線檢測系統一般包含2個部分⑴分析檢測技術和設備(檢測裝置)；(2)能將檢測裝置和反應器內部介質相結合的裝置(取樣裝置)。本發明就是一種在線檢測系統的取樣裝置。國內外有關的取樣裝置專利情況分析如下(一)國內專利1.江蘇大學朱湘臨發明的“一種新型發酵自動取樣閥”(申請專利號 200520073106. 0)。2.余少文發明一種“發酵罐專用取樣閥”(申請號/專利號201020102452)。以上兩種專利的共同特征都是由管道和閥門組件構成的取樣裝置，能自動、直接取出反應器內部的樣品(原樣)，有蒸氣滅菌和密封墊圈，防止取樣污染。3.江南大學劉飛等發明一種“發酵過程在線糖濃度檢測系統”(申請號/專利號 200910034515)。該專利的特征是由恒流泵直接從發酵罐中取樣(原樣)，然后，樣品與純凈水按比例混合(稀釋)后，送入到檢測儀器上測定。與1、2專利的不同之處是采用了恒流泵，不是由閥門的開或關取樣。通過液體的單向流動，避免對反應器(發酵罐)的污染。4.江南大學楊海麟等發明“一種生物反應過程在線檢測系統的取樣稀釋裝置”(申請專利號:CN02138376. 6)。該專利與1、2、3專利的不同之處是在取樣探頭末端(與發酵罐連接)放置一陶瓷膜過濾件，反應器內的液體在膜件中連續的過濾，將微量的過濾液由管道引出(不是原樣)，經過一個稀釋裝置后，進入檢測儀測定。陶瓷膜孔徑在0. 1_0.2μπι之間，微生物不能通過，能有效防止反應器(發酵罐)污染。(二)國外(美國)專利1. Seifert等(1990) “一種無菌取樣裝置”(4，942，770)。由一個三通閥與反應器連接，通過變換閥門通路完成取樣，即先與發酵罐接通，(正向)流入取樣管道，然后變換閥門(關閉與發酵罐內部的聯通，開啟與外部管道的聯通)，將取樣管道內的樣品(原樣)由液體泵反向送入下一步的稀釋裝置或檢測儀器。由于三通閥的切換，避免了反應器內部與外界的直接接觸，從而起到無污染取樣的效果。2. Chow ^ (1995)發明一種“紫外線滅菌的取樣裝置和方法”(5，409，841)。采用紫外燈對取樣管道和容器進行滅菌，不采用蒸汽滅菌。3. Samhaber等(1987)，“生物反應器取樣裝置”(4，695，551)。采用半透膜滲透過濾取樣。半透膜可隔離微生物通過，避免污染，同時增加一個半透膜震動裝置，防止膜孔的阻塞。4.Μοοη等(1999)，“發酵罐取樣閥門蒸汽滅菌裝置”(5，914，092)。涉及一種關于提高蒸汽對取樣閥門和管道滅菌效率的裝置和方法。5. Jaeger (2005)發明一種“液體取樣和方法”(6，860，162)。在葡萄酒發酵罐取樣時，設計了一個沉淀裝置，取樣探頭可以避開發酵液中沉淀物，防止阻塞。綜上所述，已有發明主要有兩種類型，一類是由管道和閥門組成，一類是分離膜過濾。管道閥門組成的取樣裝置不足之處在于取出的是反應器內原樣，含有菌體、原料粗渣等，往往需經過過濾處理后才能進入儀器測定；為避免取樣過程的污染，必須需要配置滅菌裝置，如蒸汽、紫外燈等。對于分離膜過濾取樣，由于膜的孔徑阻止了菌體的通過，避免了外源污染，不足之處是液體中的雜質容易造成分離膜網孔的阻塞，過濾穩定性差，需要經常清洗或更換。另外，這兩種類型取樣方式的共同缺點是由于反應器中樣品濃度的變化較大， 取出的樣品需要經過不同比例的稀釋后才能測定，這就需要配置復雜的稀釋裝置，既增加了取樣系統的成本，也容易造成測定結果的誤差(稀釋誤差)。本發明是采用分離膜(元件)取樣方法，但不是常規的膜過濾方式，而是根據液體中各組分在分離膜兩側溶液中由濃度差引起的擴散原理，在取樣管道內形成組分(被測樣品)的濃度梯度分布，其擴散的通量或速率遵循斐克(Fick)定律。利用本發明的裝置進行生物反應器的在線檢測具有以下優勢1.分離膜(元件)為多孔陶瓷或有機高分子膜，能耐高溫滅菌，孔徑在 0. 1-0. 2μπι之間，微生物不能通過，能有效防止取樣過程的污染，安全性好。2.分離膜(元件)兩側的溶液之間沒有壓力差，溶液中的分子或離子通過簡單擴散，由濃度高的一側向濃度低的一側遷移，沒有溶液的過濾過程，膜孔不宜堵塞，連續取樣的穩定性更高。3.取出的樣品(試樣)沒有雜質，不需過濾處理就適用于多種分析儀器直接測定。4.在擴散過程中，具有濃度梯度的液體部分(試樣)經檢測器掃描，可形成一個掃描峰，峰高或峰寬與反應器內組分的濃度有相關性。對于低濃度的樣品可以峰高計算反應器內樣品含量，高濃度樣品可以峰寬計算含量。也可連續測定反應器內組分濃度變化的響應曲線，確定反應器內組分的含量。因此，在線檢測系統不需要配置復雜的稀釋裝置，使在線檢測系統更簡單，測定速度更快，測定誤差更小。
發明內容
本發明涉及一種簡單、快速、穩定和安全的生物反應器在線檢測系統的取樣裝置， 具體涉及一種濃度梯度擴散取樣裝置，由圓柱體、分離膜(元件)、擴散通道、U型擴散管道、 緩沖液(試劑)管道、擴散組分混合液流出管道和液體泵組成。主體裝置是有機材料棒加工而成的圓柱體結構，直徑為1. 0-2. 5cm。圓柱體內部有液體管道，呈U型，即U型擴散管道，管道內徑為0. 5-2. 0mm。U型管道的中間段位于圓柱體前端，兩個側枝管道向圓柱體后端延伸，即一個緩沖液(試劑)管道進口和一個試樣液體管道出口。U型擴散取樣管道中間段的中央有一開口，為擴散通道，直徑為0.5-2. 0mm。U型擴散取樣管道的兩個側枝在圓柱體后端分別與緩沖液(試劑)流入管道和擴散組分混合液流出管道接通，有一個液體泵控制管道液體流動。分離膜(元件)可選用平面型(膜片或園柱)和管型，分離孔徑均為0.1-0. 2 μ m。片狀分離膜(元件)為圓形，直徑0.5-1. 5cm， 封裝在圓柱體前端得圓形凹槽內，與擴散通道位置對應。柱狀分離元件為圓柱型，柱直徑為0. 5-2. Omm,直接封裝在擴散通道上。管狀分離元件封裝在U型中間段位置，管內徑為 0. 5-2. 0mm，直接與U型擴散取樣管道連通。該裝置可與生物反應器頂部、側壁或反應器上的液體管道連接，即一邊是反應器內溶液，一邊是U型管道內的緩沖液(試劑)，兩相之間由分離元件隔離。溶液中的分子或離子經擴散通道，透過分離元件，由濃度高的一側(反應器)向濃度低的一側(U型管道) 遷移，在一定時間內，U型擴散取樣管道中間段及兩個側枝方向上的溶液形成被測樣品的梯度分布。根據設定的擴散時間，啟動液體泵，將U型管道內擴散形成的梯度組分混合液(試樣)送入檢測儀器測定，同時U型管道內充滿新的緩沖液(試劑)，進入下一次取樣過程。
附圖1是取樣裝置(片狀分離元件)結構及分子擴散機制示意圖。附圖2是取樣裝置(管狀分離元件)結構及分子擴散機制示意圖。附圖3是取樣裝置(柱狀分離元件)結構及分子擴散機制示意圖。附圖4是取樣裝置與生物反應器連接示意圖。附圖標注1.生物反應器；2.片狀分離元件(膜)；3. U型擴散管道(中間段)； 4. U型擴散管道(側枝)；5.圓柱體；6.緩沖液(試劑)流入管道(進口)；7.擴散組分混合液流出管道(出口)；8.擴散通道；9.管狀分離元件(膜)；10.柱狀分離元件(膜)； 11.取樣裝置；12.液體泵；13.緩沖液(試劑)瓶；14.檢測儀器
具體實施例方式一種生物反應器在線檢測系統的濃度梯度擴散取樣裝置可以通過如下方式實現根據附圖1、2、3，主體裝置是有機材料棒的圓柱體結構(5)，可選用有機玻璃棒、 四氟乙烯棒等，棒直徑為1. 0-2. 5cm,長度在3cm以內。在棒內加工U型管道，管道內徑為 0. 5-2. Omm0 U型中間段(3)管道靠近圓柱體前端，兩邊側枝管道⑷向圓柱體后端延伸。U 型管道中間段C3)中央有一開口，與圓柱體( 前端外部相通，是反應器溶液與U型管道溶液間進行分子擴散的通道，即擴散通道(8)，通道直徑為0. 5-2. 5mm。根據附圖1、2、3，分離膜元件( 封裝在擴散通道(8)位置，外面是與生物反應器溶液(1)接觸，內面與U型管道(3)內溶液接觸，形成在兩個溶液相之間由微孔分離膜隔離的分子擴散系統。分離膜(元件)可選用平面型(膜片或園柱)和管型，分離孔徑均為 0. 1-0. 2 μ m0片狀分離膜(元件)為圓形，直徑0.5-1. 5cm，封裝在圓柱體前端得圓形凹槽內，與擴散通道位置對應。柱狀分離元件為圓柱型，柱直徑為0. 5-2. 0mm，直接封裝在擴散通道上。管狀分離元件封裝在U型中間段位置，管內徑為0. 5-2. 0mm，直接與U型擴散取樣管道連通。根據附圖4，緩沖液(試劑)瓶內為緩沖液或生化試劑。將緩沖液(試劑)流入管道(U型擴散取樣管道進口)(6)與緩沖液(試劑)瓶(4)連接；擴散組分混合液流出管道(U型擴散取樣管道出口)(7)與檢測儀器(掃描儀)( 連接。啟動液體泵(3)，U型取樣管道內充滿緩沖液或試劑。根據附圖4，該取樣裝置(2)從生物反應器(1)頂部插入連接，也可與生物反應器側壁或反應器上的液體管道連接，即一邊是反應器內溶液，一邊是U型管道內的緩沖液(試劑)，兩相之間由分離元件隔離。根據附圖4，取樣裝置( 的U型取樣管道內具有濃度梯度的液體部分(試樣)由液體泵⑶送入檢測儀器(5)測定。液體泵(3)送出梯度測試樣的同時，取樣裝置(2)的 U型取樣管道內又充滿新的緩沖液或試劑。根據附圖4，經過設定的擴散時間后，U型管道內具有濃度梯度的液體部分(試樣) 被液體泵(；3)間歇或恒流送入檢測儀器( 測定。間歇取樣時，經檢測器掃描，可形成一個掃描峰，峰高或峰寬與反應器內組分的濃度有相關性。對于低濃度的樣品可以峰高計算反應器內樣品含量，高濃度樣品可以峰寬計算含量。恒流取樣時，可形成隨反應器內組分濃度變化的響應曲線，確定反應器內組分的含量。對于低濃度的樣品可以采用低速取樣測定，高濃度樣品可以采用快速取樣測定。所以，取出的試樣不用經過稀釋就可直接測定。測定值經標準校正，即為反應器內樣品含量測定結果。液體泵(3)送出梯度測試樣的同時，U型管道內又充滿新的緩沖液或試劑，自動進入下一次擴散取樣。
權利要求
1.一種生物反應器在線檢測系統的濃度梯度擴散取樣裝置，其特征在于該裝置由圓柱體、分離膜(元件)、擴散通道、U型擴散管道、緩沖液(試劑)管道、擴散組分混合液流出管道和液體泵組成。
2.根據權利要求1所述，其特征在于主體裝置為有機材料棒加下而成的圓柱體結構； 圓柱體內部有液體管道，呈U型，即U型擴散取樣管道；U型取樣擴散管道的中間段位于圓柱體前端，兩個側枝向圓柱體后端延伸，分別連接一個緩沖液(試劑)管道(進口)和一個試樣液體管道(出口)；U型取樣擴散管道中間段的中央有一開口，與圓柱體前端的外部連通，即擴散通道。
3.根據權利要求1所述，其特征在于在圓柱體擴散通道上封裝分離膜(元件)，分離元件為平面型(膜片或園柱)和管型；片狀分離膜(元件)為圓形，封裝在圓柱體前端得圓形凹槽內，與擴散通道位置對應；柱狀分離元件為圓柱型，直接封裝在擴散通道上；管狀分離元什封裝在U型擴散取樣管道中間段位置，其內腔直接與U型取樣管道連通。
4.根據權利要求1所述，其特征在于U型擴散取樣管道的兩個側枝在圓柱體后端分別與緩沖液(試劑)流入管道和擴散組分混合液流出管道接通。
5.根據權利要求1所述，其特征在于有一個液體泵控制U型擴散取樣管道內液體的流動。
6.根據權利要求1所述，其特征在于該裝置可與生物反應器頂部插入連接，也可與反應器側壁或反應器上的液體管道連接，即一邊是反應器內溶液，一邊是U型擴散管道內的緩沖液(試劑)，兩相之間由分離元件隔離。
全文摘要
本發明涉及一種適用于微生物發酵、細胞培養等生物反應器的取樣裝置，具體涉及一種濃度梯度擴散取樣裝置，是根據液體中各組分在分離膜兩側溶液中由濃度差引起的擴散原理，在取樣管道內形成組分(被測樣品)的濃度梯度分布，其擴散的通量或速率遵循斐克(Fick)定律。利用該裝置對生物反應器內的樣品取樣，其優勢是能有效防止取樣污染，安全性好；沒有溶液的過濾過程，膜孔不宜堵塞，連續取樣的穩定性高；樣品組分在取樣管道中形成梯度分布，不需要繁瑣的稀釋就可測定，使在線檢測系統更簡單，測定速度更快，線形范圍更寬，特別適用于各種流動注射分析系統的在線檢測。
文檔編號G01N1/14GK102279118SQ201110114888
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月5日 優先權日2011年5月5日
發明者史建國, 周萬里, 孟慶軍, 張利群, 朱思榮, 楊俊慧, 楊艷, 畢春元, 馬耀宏, 高廣恒 申請人:山東省科學院生物研究所