一种发酵罐在线取样稀释系统的制作方法

本实用新型属于自动在线生化检测技术领域，具体是在线实时获取生产过程中的样品，并进行适当稀释，最终进行检测实时反馈结果的一种发酵罐在线取样稀释系统，适用于生化生产中在线生化指标的检测。

背景技术：

生化生产中过程参数是非常重要的生产指标，关系到最终产品的产量、质量等。在线检测技术可以在生产过程中获得大量所需要的参数，为过程实时调控提供依据，保证了生产过程中技术参数的稳定、可控，也为生产过程中节约大量人工。同时随着在线参数的丰富，也为生产智能控制提供可能。

现有在线检测设备有很多，主要针对温度、pH、溶氧等物理化学参数，这些设备可以直接放入到反应器里，直接得到相关参数。但是，反应过程中很多生化参数目前还不能直接检测，主要是检测设备不能适应反应器的环境，或者反应器里的物质浓度不在设备的检测范围内，因此，现有技术中，还有较多的生化参数（如还原糖、总糖、有机酸、合成中间体等）不能实现实时检测。

技术实现要素：

为克服上述现有在线检测技术的不足，本实用新型提供一种发酵罐在线取样稀释系统。

本实用新型采用如下技术方案：一种发酵罐在线取样稀释系统，其特征在于：包括取样系统、稀释系统及控制系统；取样系统一端与反应器连接，另一端与稀释系统连接；

所述取样系统包括取样管道18，用于从反应器中取得样品并输送样品；

所述稀释系统包括待稀释样品供入单元、待稀释样品定量单元、稀释液供入单元、稀释液定量单元、混合池24；

待稀释样品供入单元用于将取样系统中的样品供入到稀释系统；

待稀释样品定量单元包括两个连通的三通阀A33、三通阀B43，三通阀A0端口30对应连接三通阀B0端口40，三通阀A1端口31连接待稀释样品供入单元，三通阀B2端口42连接混合池24，三通阀B1端口41排污；

稀释液供入单元用于将稀释液供入稀释系统；

稀释液定量单元包括两个连通的三通阀C53、三通阀D63，三通阀C0端口50对应连接三通阀D0端口60，三通阀C1端口51连接稀释液供入单元，三通阀D1端口61连接三通阀A2端口32，三通阀D2端口62排污。

进一步的，为了拓宽设备的检测范围，检测更多比例的产品，所述三通阀A与三通阀B之间的A0-B0端口间连接管道的长短可变；三通阀C、三通阀D之间的C0-D0端口间连接管道的长短可变。

进一步的，为了对待稀释样品进行过滤预处理，对取样管道预清理，提高精确度，减小误差，所述取样管道的末端还设有过滤器13，所述过滤器底端设有带有K6阀门6的排污管二15；位于过滤器13上游的取样管道设有K1阀门1和K4阀门4，K1阀门和K4阀门之间设置带有K3阀门3的排污管一14，过滤器13下游的取样管道18上方连接设有K8阀门8的排气管道。

进一步的，为了更加方便对取样管道进行清洗灭菌，便于下次使用，也避免对反应器造成影响，避免影响下次检测精度，所述取样系统上还设有压缩空气管道一19和蒸汽管道21；所述压缩空气管道一19始端设有K5阀门5、其管道末端与K1阀门和K4阀门之间的取样管道连接；蒸汽管道21设有K2阀门的分支管道与K5阀门下游的压缩空气管道一19连接，蒸汽管道另一设有K7阀门7的分支管道与过滤器13下游的取样管道连接、并与排气管道相通。

进一步的，为了便于输送待稀释样品，所述待稀释样品供入单元包括待稀释样品供入管道和设在该管道上的第一蠕动泵22，第一蠕动泵上游的待稀释样品供入管道还设有K9阀门9。

进一步的，为了便于清洗稀释系统，避免影响下次检测精度，第一蠕动泵22上游还设有清洗管道一和清洗管道二。

进一步的，为了便于输送稀释液，稀释液供入单元包括稀释液供入管道和设在该管道上的第二蠕动泵23。

进一步的，为了控制阀门的开合，三通阀的切换，蠕动泵的转动，样品和稀释液的进料定量，所述控制系统为PLC控制系统。

本实用新型提供的技术方案具有如下优点：

1.能够实现生化参数的在线检测，不受反应器运行条件影响，也拓宽了检测设备的检测范围；

2.系统对反应器运行无影响，取样系统可以有效隔绝环境中对反应器的影响因素，如微生物、空气等；

3.稀释系统精度高，稀释及检测误差范围≤5%；

4.设备自动化运行，运行成本低，与现有技术相比，系统数据采集密度高，节约大量人工。

附图说明

图1为本实用新型提供的取样系统流程图；

图2为本实用新型提供的稀释系统流程图。

其中，1.K1阀门，2.K2阀门，3.K3阀门,4.K4阀门，5.K5阀门,6.K6阀门,7.K7阀门,8.K8阀门,9.K9阀门,10.K10阀门,11.K11阀门,12.K12阀门,13.过滤器，14.排污管一，15.排污管二，16.排污管三17.排污管四，18.取样管道，19.压缩空气管道一，20.压缩空气管道二，21.蒸汽管道，22.第一蠕动泵，23.第二蠕动泵，24.混合池，30.三通阀A0端口，31.三通阀A1端口，32.三通阀A2端口，33.三通阀A，40.三通阀B0端口，41.三通阀B1端口，42.三通阀B2端口，43.三通阀B，50.三通阀C0端口，51.三通阀C1端口，52.三通阀C2端口，53.三通阀C，60.三通阀D0端口，61.三通阀D1端口，62.三通阀D2端口，63.三通阀D，71.清洗管道一，72.清洗管道二。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2和实施例对本实用新型技术方案做进一步说明。

一种发酵罐在线取样稀释系统，包括取样系统、稀释系统及控制系统；所述控制系统为PLC控制系统。

如图1所示，为本发明提供的发酵罐在线取样稀释系统中的取样系统流程图，取样系统一端与反应器连接，另一端与稀释系统连接；反应器中的反应液通过罐底压力管道自流或取样泵，将样品从反应器输送到取样系统中；取样系统包括取样管道18和设置在取样管道上的阀门；

所述取样管道的末端设有过滤器13并与之连通，过滤器13的过滤网内连接待稀释样品供入单元，过滤器底端连接带有K6阀门6的排污管二15。

位于过滤器13上游的取样管道18设有K1阀门1和K4阀门4，K1阀门和K4阀门之间设置带有阀门K3的排污管一14，过滤器13下游的取样管道上方连接设有阀门K8的排气管道。

所述过滤器13优选为前置过滤器。

所述取样系统还设有压缩空气管道一19和蒸汽管道21；所述压缩空气管道一19始端设有K5阀门5、其管道末端连接取样管道18，具体的，压缩空气管道一19末端与K1阀门1和K4阀门4之间的取样管道连接并与排污管一14相通；蒸汽管道21设有K2阀门2的分支管道与K5阀门5下游的压缩空气管道一19连接，蒸汽管道21另一设有K7阀门7的分支管道与取样管道的末端连接、具体连接到前置过滤器下游的管道上并与设有K8阀门8的排气管道相连通，K8阀门位于蒸汽管道外侧，不影响蒸汽管道流通，用于控制排气管道的开合，使取样管道中的样品运行更顺畅，不产生气体堵塞。

控制系统控制K1阀门、K3阀门、K4阀门、K6阀门、K8阀门打开，通过K3阀门、K6阀门排出取样管道中滞留的样品，一段时间后，K3阀门、K6阀关闭，样品经过前置过滤器过滤，过滤后的样品暂存在过滤器中，得到预处理后的样品，最后关闭K4、K8阀，完成取样并对样品进行过滤处理。

自动在线取样系统运行机理：通过PLC自动控制系统，控制阀门的开与合，利用反应器中液体自重或配备取样泵取样，液体通过前置过滤器进行过滤处理，过滤后的液体在过滤器中待稀释检测。待检测完成后，排放掉取样系统中所有液体，并通蒸汽对整个系统进行清洁及灭菌，最后通无菌压缩空气，吹干系统管道，系统对反应器无影响，有效隔绝环境中对反应器的影响因素。

如图2所示，稀释系统包括待稀释样品供入单元、待稀释样品定量单元、稀释液体供入单元、稀释液体定量单元，还有混合池。

待稀释样品供入单元用于将取样系统中的样品输送到稀释系统，包括待稀释样品供入管道和设在该管道上的第一蠕动泵22，第一蠕动泵22入口上游连接的待稀释样品供入管道还设有K9阀门9，K9阀门用于控制该处管道的开合，控制样品的流动。

第一蠕动泵22入口上游还连接设有K10阀门10的清洗管道一71和设有K11阀门11的清洗管道二72，清洗管道一71通清洗液a，清洗管道二72清洗液b。

清洗液a一般为蒸馏水，清洗液b一般为有机清洗溶剂，根据检测样品的不同选择不同的清洗液。

待稀释样品定量单元包括两个连通的三通阀A33、三通阀B43，三通阀具有三个端口，三通阀A0端口30对应连接三通阀B0端口40，三通阀A1端口31连接待稀释样品供入单元的第一蠕动泵22的出口，三通阀B2端口42连接混合池24，三通阀B1端口41通过排污管三16排污；

稀释液供入单元用于将稀释液供入稀释系统，包括稀释液供入管道和设在该管道上的第二蠕动泵23。

稀释液定量单元包括两个连通的三通阀C53、三通阀D63，三通阀C0端口50对应连接三通阀D0端口60，三通阀C1端口51连接稀释液供入单元的第二蠕动泵23，三通阀C2端口52连接设有K12阀门12的压缩空气管道二20，三通阀D1端口61连接三通阀A2端口32，三通阀D2端口62连接排污管17排污。

值得注意的是，三通阀A0端口30与三通阀B0端口40之间的A0-B0连接管道长度可改变；三通阀C0端口50与三通阀D0端口60之间的C0-D0连接管道长度也可以改变，可以通过调整管道长度、两个三通阀之间的距离调整加入样品和稀释液的量，极大的拓宽了检测范围，数据采集密度高，节约了大量人力。根据需要检测的样品的比例，设计样品和稀释液的量，定好三通阀之间相应管道的长度。

通过第一蠕动泵22将预处理过滤后的样品吸取到自动稀释系统，样品通过三通阀A和B，经过A1-A0-B0-B1口，直至样品充满这段管道进入排污管三，关闭第一蠕动泵22和K9阀门9，将三通阀A和B的三通阀A1、B1端口切换到三通阀A2、B2端口，同时截留三通阀A0-B0管道中的样品，打开K12阀门12，通入无菌压缩空气，通过A2-A0-B0-B2,将截留样品输入到混合池24中，此时完成样品的定量加入，加入量为三通阀端口A0-B0间管道内的体积，可以通过调整管道长度调整加入样品的量。同样的道理，将三通阀C和D的接通口切换到三通阀C1和D2端口，第二蠕动泵23将稀释液从三通阀C和D的接通端口C1-C0-D0-D2进入到排污管四，关闭第二蠕动泵23，将三通阀C和D的C1、D2端口切换到C2、D1端口，同时截留三通阀C0-D0管道中的稀释液，打开K12阀门12，通入压缩空气，经过三通阀C、D、A、B，经过C2-C0-D0-D1-A2-B2口，将三通阀C0-D0管道中的稀释液推到混合池24，定量加入稀释液，同样的，可以通过调整管道长度调整加入稀释液体的量。在混合池24混合后，就可以得到按一定比例稀释好的样品；样品稀释好后，进入检测传感器中检测样品中的生化指标，并对数值进行折算后反馈参数的最终结果。

参数检测完后，需要对取样系统和稀释系统进行清洗。取样系统先打开K3阀门和K6阀门，排空系统中的样品，再打开K2阀门2、K4阀门4、K7阀门7，通入蒸汽，对残留样品进行冲洗，并对整个取样系统进行灭菌处理，防止污染反应器和影响下一批检测的结果，灭菌结束后，关闭K2、K7阀门，打开K5阀门5，通入无菌压缩空气，对整个管道进行吹干和降温，最后关闭K3、K5、K6、K8阀门，完成自动取样系统的清洗灭菌。

稀释系统同样需要清洗，通过阀门切换，打开第一蠕动泵22和K10阀门10，将清洗液a通过三通阀A和三通阀B泵入到排污和混合池24中，同时排空混合池，关闭K10阀门，打开K11阀门，将清洗液b通过三通阀A和三通阀B泵入到混合池中，再次排空混合池，最后用清洗液a清洗整个稀释系统，排空混合池，完成稀释系统的清洗。三通阀C和D的清洗，还可以用第二蠕动泵23泵入水或者清洗液进行清洗。

自动稀释系统机理：自动稀释就是用水或其他稀释液对样品进行一定比例的稀释，关键点就是对液体的准确定量，本发明通过采用2组（4个）三通电磁阀分别定量样品和稀释水，从而达到稀释一定比例的目的。通过PLC控制电磁阀和蠕动泵的开合与切换，控制样品和水的进料与定量，通过压缩空气将定量后的液体吹进混合池，而样品和水的量则通过1组三通阀之间的管道长短来控制。稀释完成后，通过清洗液对管道进行清洗，避免影响下次的稀释检测结果，数据精度提高。

本实用新型提供的在线自动取样稀释系统具体的工艺为：（1）取样，反应器中液体通过自重或配备取样泵取样，样品进入取样管道18中；

（2）稀释定量，待稀释样品供入单元将待稀释样品供入稀释系统，样品通过三通阀A33和三通阀B43，经过A1-A0-B0-B1口，直至样品充满这段管道进入排污管三16，关闭待稀释样品供入单元，切换三通阀A和三通阀B到三通阀A2、B2端口，同时截留三通阀A0-B0管道中的样品，打开K12阀门12，通入无菌压缩空气，经过三通阀C、D、A、B，通过A2-A0-B0-B2,将截留A0-B0管道中的样品输入到混合池24中，完成样品的定量加入；将三通阀C53和三通阀D63的接通口切换到三通阀C1端口51和三通阀D2端口62，稀释液供入单元将稀释液从三通阀C和三通阀D的接通口C1-C0-D0-D2进入到排污管四17，然后关闭稀释液供入单元装置，将三通阀C和D的C1、D2口切换到C2、D1口，同时截留三通阀C0-D0管道中的稀释液体，打开K12阀门12，通入压缩空气，经过三通阀C、D、A、B，经过C2-C0-D0-D1-A2-B2口，将C0-D0管道中的稀释液推到混合池24，完成稀释液的定量加入；

（3）混合检测，待稀释样品和稀释液体在混合池24混合后，得到按一定比例稀释好的样品；进入检测传感器中检测样品中的生化指标，并对数值进行折算后反馈参数的最终结果。

该工艺（1）中还包括预清理过滤步骤，取样开始时，通过PLC自控系统，控制K1阀门、K3阀门、K4阀门、K6阀门、K8阀门打开，将反应器液体压入到取样系统中，通过K3阀门、K6阀门排出取样管道中滞留样品，一段时间后，关闭K3阀门、K6阀门，样品通过压力，经过前置过滤器过滤，得到预处理后的样品，最后关闭K4阀门、K8阀门，完成取样并对样品进行过滤处理。

工艺（3）检测完成后，该工艺还包括清洗灭菌系统，首先打开K3、K6阀门，排空管道中残余的样品，再打开K2、K4、K7阀门，通蒸汽对残留样品进行冲洗，并对整个取样系统进行灭菌处理，灭菌结束后，关闭K2、K7阀门，打开K5阀门，通入无菌压缩空气，对整个管道进行吹干和降温，最后关闭K3、K5、K6、K8阀门，完成自动取样系统的清洗灭菌；

打开第一蠕动泵22和K10阀门，将清洗液a，一般为蒸馏水，通过三通阀A和三通阀B泵入到排污和混合池24中，同时将混合池中的液体排空，然后关闭K10阀门10，打开K11阀门11，将清洗液b，一般为有机清洗溶剂，通过三通阀A和B泵入到混合池中，再次排空混合池，最后在用清洗液a清洗整个系统，排空完混合池，完成稀释系统的清洗。

以微生物发酵罐发酵过程中还原糖检测为例：

将图1中自动取样系统设备连接到发酵罐中下部取样口，取样开始时，通过PLC自控系统，控制K1阀门、K3阀门、K4阀门、K6阀门、K8阀门打开，发酵液样品通过发酵罐自体压力，将液体压入到取样系统中，通过K3阀门、K6阀门排出取样管道中滞留样品，一段时间后，关闭K3阀门、K6阀门，液体通过压力，经过前置过滤器13过滤，得到预处理后的发酵液样品（过滤样品存放在过滤器的U形过滤网内），最后关闭K4阀门、K8阀门，完成取样并对样品进行过滤处理。

对预处理好的发酵液进行稀释，打开第一蠕动泵22和K9阀门9，液体通过三通阀A和B，经过A1-A0-B0-B1端口，直至样品进入排污口，关闭第一蠕动泵22和K9阀门9，将三通阀A和B的A1、B1端口切换到A2、B2端口，同时截留三通阀A0-B0管道中的样品，打开K12阀门，通入压缩空气，经过三通阀C、D、A、B，经过C2-C0-D0-D1-A2-B2口，将A0-B0管道中的样品推到混合池24，完成样品定量加入；然后将三通阀C和D的接通口切换到C1和D2端口，打开第二蠕动泵23，稀释水从三通阀C和D的接通口C1-C0-D0-D2进入到排污，然后关闭第二蠕动泵23，将三通阀C和D的C1、D2口切换到C2、D1口，同时截留三通阀C0-D0管道中的稀释水，打开K12阀门12，通入压缩空气，经过三通阀C、D、A、B，经过C2-C0-D0-D1-A2-B2口，将C0-D0间管道中的稀释水推到混合池24，完成稀释水的定量加入；样品和稀释水在混合池中混合后，得到的稀释液浓度能够在还原糖传感器的浓度检测范围内，可以通过调整A0-B0间管道和C0-D0间管道的长度，来调整稀释的倍数，从而可以完成样品的在线检测。检测完后，反馈的结果经过参数换算，得到发酵液中还原糖的浓度。

完成检测的系统需要进行清洗，为下一次的检测做准备。由于发酵罐发酵需要防止杂菌的感染，因此与发酵罐连接的取样系统中，需要设置严格的防止染杂菌的清洁步骤。首先打开K3、K6阀门，排空管道中残余的样品，再打开K2、K4、K7阀门，通入蒸汽，对残留样品进行冲洗，并对整个取样系统进行灭菌处理，灭菌结束后，关闭K2、K7阀门，打开K5阀门，通入无菌压缩空气，对整个管道进行吹干和降温，最后关闭K3、K5、K6、K8阀门，完成自动取样系统的清洗灭菌。

自动稀释系统中残留的样品会影响下一批样品的检测结果的精确度，但是不与发酵罐直接连接，因此清洗过程没有无菌的要求，打开第一蠕动泵22和K10阀门10，将清洗液a（一般为蒸馏水）通过三通阀A和B泵入到排污和混合池中，同时将混合池24中的液体排空，然后关闭K10阀门10，打开K11阀门11，将清洗液b（一般为有机清洗溶剂）通过三通阀A和B泵入到混合池中，再次排空混合池，最后在用清洗液a清洗整个系统，排空完混合池，完成稀释系统的清洗。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。