专利名称：一种生物反应器在线检测系统的浓度梯度扩散取样装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于微生物发酵、细胞培养等生物反应器在线检测系统的取样
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背景技术：
生物反应器是利用酶或生物体(如微生物)所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，它是一种生物功能模拟机(容器)，如发酵罐、酶或细胞反应器等，在食品与发酵(如酒类、氨基酸、有机酸)、医药(抗生素、干扰素)、环境(生物降解)、生物能源 (纤维素乙醇、产油微藻、沼气)等生产和科研领域广泛应用。要维持生物反应器的高效运行，即获得最大的生物转化率和最低的成本，需要对反应器中的生物过程进行控制，其控制的基础就是对反应器内各种参数进行检测。生物反应器的检测方式有离线检测和在线检测两种。离线检测是由人工取样，然后，将样品送到化验室或仪器室，通过专用仪器进行测定。在线检测是把检测仪器直接与反应器连接在一起或检测传感器探头插入反应器内进行检测。优点是取样和检测过程可连续、迅速、准确完成，能及时、准确、连续的反映反应器生化过程的动态变化，有利于生物反应过程的优化与控制。在线检测系统一般包含2个部分⑴分析检测技术和设备(检测装置)；(2)能将检测装置和反应器内部介质相结合的装置(取样装置)。本发明就是一种在线检测系统的取样装置。国内外有关的取样装置专利情况分析如下(一)国内专利1.江苏大学朱湘临发明的“一种新型发酵自动取样阀”(申请专利号 200520073106. 0)。2.余少文发明一种“发酵罐专用取样阀”(申请号/专利号201020102452)。以上两种专利的共同特征都是由管道和阀门组件构成的取样装置，能自动、直接取出反应器内部的样品(原样)，有蒸气灭菌和密封垫圈，防止取样污染。3.江南大学刘飞等发明一种“发酵过程在线糖浓度检测系统”(申请号/专利号 200910034515)。该专利的特征是由恒流泵直接从发酵罐中取样(原样)，然后，样品与纯净水按比例混合(稀释)后，送入到检测仪器上测定。与1、2专利的不同之处是采用了恒流泵，不是由阀门的开或关取样。通过液体的单向流动，避免对反应器(发酵罐)的污染。4.江南大学杨海麟等发明“一种生物反应过程在线检测系统的取样稀释装置”(申请专利号:CN02138376. 6)。该专利与1、2、3专利的不同之处是在取样探头末端(与发酵罐连接)放置一陶瓷膜过滤件，反应器内的液体在膜件中连续的过滤，将微量的过滤液由管道引出(不是原样)，经过一个稀释装置后，进入检测仪测定。陶瓷膜孔径在0. 1_0.2μπι之间，微生物不能通过，能有效防止反应器(发酵罐)污染。(二)国外(美国)专利1. Seifert等(1990) “一种无菌取样装置”(4，942，770)。由一个三通阀与反应器连接，通过变换阀门通路完成取样，即先与发酵罐接通，(正向)流入取样管道，然后变换阀门(关闭与发酵罐内部的联通，开启与外部管道的联通)，将取样管道内的样品(原样)由液体泵反向送入下一步的稀释装置或检测仪器。由于三通阀的切换，避免了反应器内部与外界的直接接触，从而起到无污染取样的效果。2. Chow ^ (1995)发明一种“紫外线灭菌的取样装置和方法”(5，409，841)。采用紫外灯对取样管道和容器进行灭菌，不采用蒸汽灭菌。3. Samhaber等(1987)，“生物反应器取样装置”(4，695，551)。采用半透膜渗透过滤取样。半透膜可隔离微生物通过，避免污染，同时增加一个半透膜震动装置，防止膜孔的阻塞。4.Μοοη等(1999)，“发酵罐取样阀门蒸汽灭菌装置”(5，914，092)。涉及一种关于提高蒸汽对取样阀门和管道灭菌效率的装置和方法。5. Jaeger (2005)发明一种“液体取样和方法”(6，860，162)。在葡萄酒发酵罐取样时，设计了一个沉淀装置，取样探头可以避开发酵液中沉淀物，防止阻塞。综上所述，已有发明主要有两种类型，一类是由管道和阀门组成，一类是分离膜过滤。管道阀门组成的取样装置不足之处在于取出的是反应器内原样，含有菌体、原料粗渣等，往往需经过过滤处理后才能进入仪器测定；为避免取样过程的污染，必须需要配置灭菌装置，如蒸汽、紫外灯等。对于分离膜过滤取样，由于膜的孔径阻止了菌体的通过，避免了外源污染，不足之处是液体中的杂质容易造成分离膜网孔的阻塞，过滤稳定性差，需要经常清洗或更换。另外，这两种类型取样方式的共同缺点是由于反应器中样品浓度的变化较大， 取出的样品需要经过不同比例的稀释后才能测定，这就需要配置复杂的稀释装置，既增加了取样系统的成本，也容易造成测定结果的误差(稀释误差)。本发明是采用分离膜(元件)取样方法，但不是常规的膜过滤方式，而是根据液体中各组分在分离膜两侧溶液中由浓度差引起的扩散原理，在取样管道内形成组分(被测样品)的浓度梯度分布，其扩散的通量或速率遵循斐克(Fick)定律。利用本发明的装置进行生物反应器的在线检测具有以下优势1.分离膜(元件)为多孔陶瓷或有机高分子膜，能耐高温灭菌，孔径在 0. 1-0. 2μπι之间，微生物不能通过，能有效防止取样过程的污染，安全性好。2.分离膜(元件)两侧的溶液之间没有压力差，溶液中的分子或离子通过简单扩散，由浓度高的一侧向浓度低的一侧迁移，没有溶液的过滤过程，膜孔不宜堵塞，连续取样的稳定性更高。3.取出的样品(试样)没有杂质，不需过滤处理就适用于多种分析仪器直接测定。4.在扩散过程中，具有浓度梯度的液体部分(试样)经检测器扫描，可形成一个扫描峰，峰高或峰宽与反应器内组分的浓度有相关性。对于低浓度的样品可以峰高计算反应器内样品含量，高浓度样品可以峰宽计算含量。也可连续测定反应器内组分浓度变化的响应曲线，确定反应器内组分的含量。因此，在线检测系统不需要配置复杂的稀释装置，使在线检测系统更简单，测定速度更快，测定误差更小。
发明内容
本发明涉及一种简单、快速、稳定和安全的生物反应器在线检测系统的取样装置， 具体涉及一种浓度梯度扩散取样装置，由圆柱体、分离膜(元件)、扩散通道、U型扩散管道、 缓冲液(试剂)管道、扩散组分混合液流出管道和液体泵组成。主体装置是有机材料棒加工而成的圆柱体结构，直径为1. 0-2. 5cm。圆柱体内部有液体管道，呈U型，即U型扩散管道，管道内径为0. 5-2. 0mm。U型管道的中间段位于圆柱体前端，两个侧枝管道向圆柱体后端延伸，即一个缓冲液(试剂)管道进口和一个试样液体管道出口。U型扩散取样管道中间段的中央有一开口，为扩散通道，直径为0.5-2. 0mm。U型扩散取样管道的两个侧枝在圆柱体后端分别与缓冲液(试剂)流入管道和扩散组分混合液流出管道接通，有一个液体泵控制管道液体流动。分离膜(元件)可选用平面型(膜片或园柱)和管型，分离孔径均为0.1-0. 2 μ m。片状分离膜(元件)为圆形，直径0.5-1. 5cm， 封装在圆柱体前端得圆形凹槽内，与扩散通道位置对应。柱状分离元件为圆柱型，柱直径为0. 5-2. Omm,直接封装在扩散通道上。管状分离元件封装在U型中间段位置，管内径为 0. 5-2. 0mm，直接与U型扩散取样管道连通。该装置可与生物反应器顶部、侧壁或反应器上的液体管道连接，即一边是反应器内溶液，一边是U型管道内的缓冲液(试剂)，两相之间由分离元件隔离。溶液中的分子或离子经扩散通道，透过分离元件，由浓度高的一侧(反应器)向浓度低的一侧(U型管道) 迁移，在一定时间内，U型扩散取样管道中间段及两个侧枝方向上的溶液形成被测样品的梯度分布。根据设定的扩散时间，启动液体泵，将U型管道内扩散形成的梯度组分混合液(试样)送入检测仪器测定，同时U型管道内充满新的缓冲液(试剂)，进入下一次取样过程。
附图1是取样装置(片状分离元件)结构及分子扩散机制示意图。附图2是取样装置(管状分离元件)结构及分子扩散机制示意图。附图3是取样装置(柱状分离元件)结构及分子扩散机制示意图。附图4是取样装置与生物反应器连接示意图。附图标注1.生物反应器；2.片状分离元件(膜)；3. U型扩散管道(中间段)； 4. U型扩散管道(侧枝)；5.圆柱体；6.缓冲液(试剂)流入管道(进口)；7.扩散组分混合液流出管道(出口)；8.扩散通道；9.管状分离元件(膜)；10.柱状分离元件(膜)； 11.取样装置；12.液体泵；13.缓冲液(试剂)瓶；14.检测仪器
具体实施例方式一种生物反应器在线检测系统的浓度梯度扩散取样装置可以通过如下方式实现根据附图1、2、3，主体装置是有机材料棒的圆柱体结构(5)，可选用有机玻璃棒、 四氟乙烯棒等，棒直径为1. 0-2. 5cm,长度在3cm以内。在棒内加工U型管道，管道内径为 0. 5-2. Omm0 U型中间段(3)管道靠近圆柱体前端，两边侧枝管道⑷向圆柱体后端延伸。U 型管道中间段C3)中央有一开口，与圆柱体( 前端外部相通，是反应器溶液与U型管道溶液间进行分子扩散的通道，即扩散通道(8)，通道直径为0. 5-2. 5mm。根据附图1、2、3，分离膜元件( 封装在扩散通道(8)位置，外面是与生物反应器溶液(1)接触，内面与U型管道(3)内溶液接触，形成在两个溶液相之间由微孔分离膜隔离的分子扩散系统。分离膜(元件)可选用平面型(膜片或园柱)和管型，分离孔径均为 0. 1-0. 2 μ m0片状分离膜(元件)为圆形，直径0.5-1. 5cm，封装在圆柱体前端得圆形凹槽内，与扩散通道位置对应。柱状分离元件为圆柱型，柱直径为0. 5-2. 0mm，直接封装在扩散通道上。管状分离元件封装在U型中间段位置，管内径为0. 5-2. 0mm，直接与U型扩散取样管道连通。根据附图4，缓冲液(试剂)瓶内为缓冲液或生化试剂。将缓冲液(试剂)流入管道(U型扩散取样管道进口)(6)与缓冲液(试剂)瓶(4)连接；扩散组分混合液流出管道(U型扩散取样管道出口)(7)与检测仪器(扫描仪)( 连接。启动液体泵(3)，U型取样管道内充满缓冲液或试剂。根据附图4，该取样装置(2)从生物反应器(1)顶部插入连接，也可与生物反应器侧壁或反应器上的液体管道连接，即一边是反应器内溶液，一边是U型管道内的缓冲液(试剂)，两相之间由分离元件隔离。根据附图4，取样装置( 的U型取样管道内具有浓度梯度的液体部分(试样)由液体泵⑶送入检测仪器(5)测定。液体泵(3)送出梯度测试样的同时，取样装置(2)的 U型取样管道内又充满新的缓冲液或试剂。根据附图4，经过设定的扩散时间后，U型管道内具有浓度梯度的液体部分(试样) 被液体泵(；3)间歇或恒流送入检测仪器( 测定。间歇取样时，经检测器扫描，可形成一个扫描峰，峰高或峰宽与反应器内组分的浓度有相关性。对于低浓度的样品可以峰高计算反应器内样品含量，高浓度样品可以峰宽计算含量。恒流取样时，可形成随反应器内组分浓度变化的响应曲线，确定反应器内组分的含量。对于低浓度的样品可以采用低速取样测定，高浓度样品可以采用快速取样测定。所以，取出的试样不用经过稀释就可直接测定。测定值经标准校正，即为反应器内样品含量测定结果。液体泵(3)送出梯度测试样的同时，U型管道内又充满新的缓冲液或试剂，自动进入下一次扩散取样。
权利要求
1.一种生物反应器在线检测系统的浓度梯度扩散取样装置，其特征在于该装置由圆柱体、分离膜(元件)、扩散通道、U型扩散管道、缓冲液(试剂)管道、扩散组分混合液流出管道和液体泵组成。
2.根据权利要求1所述，其特征在于主体装置为有机材料棒加下而成的圆柱体结构； 圆柱体内部有液体管道，呈U型，即U型扩散取样管道；U型取样扩散管道的中间段位于圆柱体前端，两个侧枝向圆柱体后端延伸，分别连接一个缓冲液(试剂)管道(进口)和一个试样液体管道(出口)；U型取样扩散管道中间段的中央有一开口，与圆柱体前端的外部连通，即扩散通道。
3.根据权利要求1所述，其特征在于在圆柱体扩散通道上封装分离膜(元件)，分离元件为平面型(膜片或园柱)和管型；片状分离膜(元件)为圆形，封装在圆柱体前端得圆形凹槽内，与扩散通道位置对应；柱状分离元件为圆柱型，直接封装在扩散通道上；管状分离元什封装在U型扩散取样管道中间段位置，其内腔直接与U型取样管道连通。
4.根据权利要求1所述，其特征在于U型扩散取样管道的两个侧枝在圆柱体后端分别与缓冲液(试剂)流入管道和扩散组分混合液流出管道接通。
5.根据权利要求1所述，其特征在于有一个液体泵控制U型扩散取样管道内液体的流动。
6.根据权利要求1所述，其特征在于该装置可与生物反应器顶部插入连接，也可与反应器侧壁或反应器上的液体管道连接，即一边是反应器内溶液，一边是U型扩散管道内的缓冲液(试剂)，两相之间由分离元件隔离。
全文摘要
本发明涉及一种适用于微生物发酵、细胞培养等生物反应器的取样装置，具体涉及一种浓度梯度扩散取样装置，是根据液体中各组分在分离膜两侧溶液中由浓度差引起的扩散原理，在取样管道内形成组分(被测样品)的浓度梯度分布，其扩散的通量或速率遵循斐克(Fick)定律。利用该装置对生物反应器内的样品取样，其优势是能有效防止取样污染，安全性好；没有溶液的过滤过程，膜孔不宜堵塞，连续取样的稳定性高；样品组分在取样管道中形成梯度分布，不需要繁琐的稀释就可测定，使在线检测系统更简单，测定速度更快，线形范围更宽，特别适用于各种流动注射分析系统的在线检测。
文档编号G01N1/14GK102279118SQ201110114888
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月5日 优先权日2011年5月5日
发明者史建国, 周万里, 孟庆军, 张利群, 朱思荣, 杨俊慧, 杨艳, 毕春元, 马耀宏, 高广恒 申请人:山东省科学院生物研究所