專利名稱：一種生物反應(yīng)器在線檢測系統(tǒng)的濃度梯度擴(kuò)散取樣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于微生物發(fā)酵、細(xì)胞培養(yǎng)等生物反應(yīng)器在線檢測系統(tǒng)的取樣
直O(jiān)
背景技術(shù)：
生物反應(yīng)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(jìn)行生化反應(yīng)的裝置系統(tǒng)，它是一種生物功能模擬機(jī)(容器)，如發(fā)酵罐、酶或細(xì)胞反應(yīng)器等，在食品與發(fā)酵(如酒類、氨基酸、有機(jī)酸)、醫(yī)藥(抗生素、干擾素)、環(huán)境(生物降解)、生物能源 (纖維素乙醇、產(chǎn)油微藻、沼氣)等生產(chǎn)和科研領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。要維持生物反應(yīng)器的高效運行，即獲得最大的生物轉(zhuǎn)化率和最低的成本，需要對反應(yīng)器中的生物過程進(jìn)行控制，其控制的基礎(chǔ)就是對反應(yīng)器內(nèi)各種參數(shù)進(jìn)行檢測。生物反應(yīng)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(jìn)行測定。在線檢測是把檢測儀器直接與反應(yīng)器連接在一起或檢測傳感器探頭插入反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行檢測。優(yōu)點是取樣和檢測過程可連續(xù)、迅速、準(zhǔn)確完成，能及時、準(zhǔn)確、連續(xù)的反映反應(yīng)器生化過程的動態(tài)變化，有利于生物反應(yīng)過程的優(yōu)化與控制。在線檢測系統(tǒng)一般包含2個部分⑴分析檢測技術(shù)和設(shè)備(檢測裝置)；(2)能將檢測裝置和反應(yīng)器內(nèi)部介質(zhì)相結(jié)合的裝置(取樣裝置)。本發(fā)明就是一種在線檢測系統(tǒng)的取樣裝置。國內(nèi)外有關(guān)的取樣裝置專利情況分析如下(一)國內(nèi)專利1.江蘇大學(xué)朱湘臨發(fā)明的“一種新型發(fā)酵自動取樣閥”(申請專利號 200520073106. 0)。2.余少文發(fā)明一種“發(fā)酵罐專用取樣閥”(申請?zhí)?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(gòu)成的取樣裝置，能自動、直接取出反應(yīng)器內(nèi)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(xué)劉飛等發(fā)明一種“發(fā)酵過程在線糖濃度檢測系統(tǒng)”(申請?zhí)?專利號 200910034515)。該專利的特征是由恒流泵直接從發(fā)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(guān)取樣。通過液體的單向流動，避免對反應(yīng)器(發(fā)酵罐)的污染。4.江南大學(xué)楊海麟等發(fā)明“一種生物反應(yīng)過程在線檢測系統(tǒng)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(fā)酵罐連接)放置一陶瓷膜過濾件，反應(yīng)器內(nèi)的液體在膜件中連續(xù)的過濾，將微量的過濾液由管道引出(不是原樣)，經(jīng)過一個稀釋裝置后，進(jìn)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(yīng)器(發(fā)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(yīng)器連接，通過變換閥門通路完成取樣，即先與發(fā)酵罐接通，(正向)流入取樣管道，然后變換閥門(關(guān)閉與發(fā)酵罐內(nèi)部的聯(lián)通，開啟與外部管道的聯(lián)通)，將取樣管道內(nèi)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(yīng)器內(nèi)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(fā)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(jìn)行滅菌，不采用蒸汽滅菌。3. Samhaber等(1987)，“生物反應(yīng)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(fā)酵罐取樣閥門蒸汽滅菌裝置”(5，914，092)。涉及一種關(guān)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(fā)明一種“液體取樣和方法”(6，860，162)。在葡萄酒發(fā)酵罐取樣時，設(shè)計了一個沉淀裝置，取樣探頭可以避開發(fā)酵液中沉淀物，防止阻塞。綜上所述，已有發(fā)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(yīng)器內(nèi)原樣，含有菌體、原料粗渣等，往往需經(jīng)過過濾處理后才能進(jìn)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(zhì)容易造成分離膜網(wǎng)孔的阻塞，過濾穩(wěn)定性差，需要經(jīng)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(yīng)器中樣品濃度的變化較大， 取出的樣品需要經(jīng)過不同比例的稀釋后才能測定，這就需要配置復(fù)雜的稀釋裝置，既增加了取樣系統(tǒng)的成本，也容易造成測定結(jié)果的誤差(稀釋誤差)。本發(fā)明是采用分離膜(元件)取樣方法，但不是常規(guī)的膜過濾方式，而是根據(jù)液體中各組分在分離膜兩側(cè)溶液中由濃度差引起的擴(kuò)散原理，在取樣管道內(nèi)形成組分(被測樣品)的濃度梯度分布，其擴(kuò)散的通量或速率遵循斐克(Fick)定律。利用本發(fā)明的裝置進(jìn)行生物反應(yīng)器的在線檢測具有以下優(yōu)勢1.分離膜(元件)為多孔陶瓷或有機(jī)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(cè)的溶液之間沒有壓力差，溶液中的分子或離子通過簡單擴(kuò)散，由濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)遷移，沒有溶液的過濾過程，膜孔不宜堵塞，連續(xù)取樣的穩(wěn)定性更高。3.取出的樣品(試樣)沒有雜質(zhì)，不需過濾處理就適用于多種分析儀器直接測定。4.在擴(kuò)散過程中，具有濃度梯度的液體部分(試樣)經(jīng)檢測器掃描，可形成一個掃描峰，峰高或峰寬與反應(yīng)器內(nèi)組分的濃度有相關(guān)性。對于低濃度的樣品可以峰高計算反應(yīng)器內(nèi)樣品含量，高濃度樣品可以峰寬計算含量。也可連續(xù)測定反應(yīng)器內(nèi)組分濃度變化的響應(yīng)曲線，確定反應(yīng)器內(nèi)組分的含量。因此，在線檢測系統(tǒng)不需要配置復(fù)雜的稀釋裝置，使在線檢測系統(tǒng)更簡單，測定速度更快，測定誤差更小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種簡單、快速、穩(wěn)定和安全的生物反應(yīng)器在線檢測系統(tǒng)的取樣裝置， 具體涉及一種濃度梯度擴(kuò)散取樣裝置，由圓柱體、分離膜(元件)、擴(kuò)散通道、U型擴(kuò)散管道、 緩沖液(試劑)管道、擴(kuò)散組分混合液流出管道和液體泵組成。主體裝置是有機(jī)材料棒加工而成的圓柱體結(jié)構(gòu)，直徑為1. 0-2. 5cm。圓柱體內(nèi)部有液體管道，呈U型，即U型擴(kuò)散管道，管道內(nèi)徑為0. 5-2. 0mm。U型管道的中間段位于圓柱體前端，兩個側(cè)枝管道向圓柱體后端延伸，即一個緩沖液(試劑)管道進(jìn)口和一個試樣液體管道出口。U型擴(kuò)散取樣管道中間段的中央有一開口，為擴(kuò)散通道，直徑為0.5-2. 0mm。U型擴(kuò)散取樣管道的兩個側(cè)枝在圓柱體后端分別與緩沖液(試劑)流入管道和擴(kuò)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(nèi)，與擴(kuò)散通道位置對應(yīng)。柱狀分離元件為圓柱型，柱直徑為0. 5-2. Omm,直接封裝在擴(kuò)散通道上。管狀分離元件封裝在U型中間段位置，管內(nèi)徑為 0. 5-2. 0mm，直接與U型擴(kuò)散取樣管道連通。該裝置可與生物反應(yīng)器頂部、側(cè)壁或反應(yīng)器上的液體管道連接，即一邊是反應(yīng)器內(nèi)溶液，一邊是U型管道內(nèi)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(jīng)擴(kuò)散通道，透過分離元件，由濃度高的一側(cè)(反應(yīng)器)向濃度低的一側(cè)(U型管道) 遷移，在一定時間內(nèi)，U型擴(kuò)散取樣管道中間段及兩個側(cè)枝方向上的溶液形成被測樣品的梯度分布。根據(jù)設(shè)定的擴(kuò)散時間，啟動液體泵，將U型管道內(nèi)擴(kuò)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(nèi)充滿新的緩沖液(試劑)，進(jìn)入下一次取樣過程。


附圖1是取樣裝置(片狀分離元件)結(jié)構(gòu)及分子擴(kuò)散機(jī)制示意圖。附圖2是取樣裝置(管狀分離元件)結(jié)構(gòu)及分子擴(kuò)散機(jī)制示意圖。附圖3是取樣裝置(柱狀分離元件)結(jié)構(gòu)及分子擴(kuò)散機(jī)制示意圖。附圖4是取樣裝置與生物反應(yīng)器連接示意圖。附圖標(biāo)注1.生物反應(yīng)器；2.片狀分離元件(膜)；3. U型擴(kuò)散管道(中間段)； 4. U型擴(kuò)散管道(側(cè)枝)；5.圓柱體；6.緩沖液(試劑)流入管道(進(jìn)口)；7.擴(kuò)散組分混合液流出管道(出口)；8.擴(kuò)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(yīng)器在線檢測系統(tǒng)的濃度梯度擴(kuò)散取樣裝置可以通過如下方式實現(xiàn)根據(jù)附圖1、2、3，主體裝置是有機(jī)材料棒的圓柱體結(jié)構(gòu)(5)，可選用有機(jī)玻璃棒、 四氟乙烯棒等，棒直徑為1. 0-2. 5cm,長度在3cm以內(nèi)。在棒內(nèi)加工U型管道，管道內(nèi)徑為 0. 5-2. Omm0 U型中間段(3)管道靠近圓柱體前端，兩邊側(cè)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(yīng)器溶液與U型管道溶液間進(jìn)行分子擴(kuò)散的通道，即擴(kuò)散通道(8)，通道直徑為0. 5-2. 5mm。根據(jù)附圖1、2、3，分離膜元件( 封裝在擴(kuò)散通道(8)位置，外面是與生物反應(yīng)器溶液(1)接觸，內(nèi)面與U型管道(3)內(nèi)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(kuò)散系統(tǒng)。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(nèi)，與擴(kuò)散通道位置對應(yīng)。柱狀分離元件為圓柱型，柱直徑為0. 5-2. 0mm，直接封裝在擴(kuò)散通道上。管狀分離元件封裝在U型中間段位置，管內(nèi)徑為0. 5-2. 0mm，直接與U型擴(kuò)散取樣管道連通。根據(jù)附圖4，緩沖液(試劑)瓶內(nèi)為緩沖液或生化試劑。將緩沖液(試劑)流入管道(U型擴(kuò)散取樣管道進(jìn)口)(6)與緩沖液(試劑)瓶(4)連接；擴(kuò)散組分混合液流出管道(U型擴(kuò)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(nèi)充滿緩沖液或試劑。根據(jù)附圖4，該取樣裝置(2)從生物反應(yīng)器(1)頂部插入連接，也可與生物反應(yīng)器側(cè)壁或反應(yīng)器上的液體管道連接，即一邊是反應(yīng)器內(nèi)溶液，一邊是U型管道內(nèi)的緩沖液(試劑)，兩相之間由分離元件隔離。根據(jù)附圖4，取樣裝置( 的U型取樣管道內(nèi)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(nèi)又充滿新的緩沖液或試劑。根據(jù)附圖4，經(jīng)過設(shè)定的擴(kuò)散時間后，U型管道內(nèi)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(jīng)檢測器掃描，可形成一個掃描峰，峰高或峰寬與反應(yīng)器內(nèi)組分的濃度有相關(guān)性。對于低濃度的樣品可以峰高計算反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)器內(nèi)組分濃度變化的響應(yīng)曲線，確定反應(yīng)器內(nèi)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(jīng)過稀釋就可直接測定。測定值經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)校正，即為反應(yīng)器內(nèi)樣品含量測定結(jié)果。液體泵(3)送出梯度測試樣的同時，U型管道內(nèi)又充滿新的緩沖液或試劑，自動進(jìn)入下一次擴(kuò)散取樣。
權(quán)利要求
1.一種生物反應(yīng)器在線檢測系統(tǒng)的濃度梯度擴(kuò)散取樣裝置，其特征在于該裝置由圓柱體、分離膜(元件)、擴(kuò)散通道、U型擴(kuò)散管道、緩沖液(試劑)管道、擴(kuò)散組分混合液流出管道和液體泵組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于主體裝置為有機(jī)材料棒加下而成的圓柱體結(jié)構(gòu)； 圓柱體內(nèi)部有液體管道，呈U型，即U型擴(kuò)散取樣管道；U型取樣擴(kuò)散管道的中間段位于圓柱體前端，兩個側(cè)枝向圓柱體后端延伸，分別連接一個緩沖液(試劑)管道(進(jìn)口)和一個試樣液體管道(出口)；U型取樣擴(kuò)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(kuò)散通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于在圓柱體擴(kuò)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(nèi)，與擴(kuò)散通道位置對應(yīng)；柱狀分離元件為圓柱型，直接封裝在擴(kuò)散通道上；管狀分離元什封裝在U型擴(kuò)散取樣管道中間段位置，其內(nèi)腔直接與U型取樣管道連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于U型擴(kuò)散取樣管道的兩個側(cè)枝在圓柱體后端分別與緩沖液(試劑)流入管道和擴(kuò)散組分混合液流出管道接通。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于有一個液體泵控制U型擴(kuò)散取樣管道內(nèi)液體的流動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于該裝置可與生物反應(yīng)器頂部插入連接，也可與反應(yīng)器側(cè)壁或反應(yīng)器上的液體管道連接，即一邊是反應(yīng)器內(nèi)溶液，一邊是U型擴(kuò)散管道內(nèi)的緩沖液(試劑)，兩相之間由分離元件隔離。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于微生物發(fā)酵、細(xì)胞培養(yǎng)等生物反應(yīng)器的取樣裝置，具體涉及一種濃度梯度擴(kuò)散取樣裝置，是根據(jù)液體中各組分在分離膜兩側(cè)溶液中由濃度差引起的擴(kuò)散原理，在取樣管道內(nèi)形成組分(被測樣品)的濃度梯度分布，其擴(kuò)散的通量或速率遵循斐克(Fick)定律。利用該裝置對生物反應(yīng)器內(nèi)的樣品取樣，其優(yōu)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(xù)取樣的穩(wěn)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(tǒng)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(tǒng)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(yōu)先權(quán)日2011年5月5日
發(fā)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(xué)院生物研究所