CN101705185A - 一种厌氧、微需氧气体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厌氧、微需氧气体处理装置，包括有控制主机、培养罐、混合气气源，该控制主机通过罐体连接管、气源连接管分别与培养罐和混合气气源连接；在所述控制主机内设置有真空泵、与真空泵电连接的控制电路、压力传感器、设置在气源连接管上的混合气体进气电磁阀、抽真空电磁阀、与控制电路电连接的中央处理器，控制电路分别与所述混合气体进气电磁阀、控制抽真空电磁阀电连接；所述压力传感器一端分别与罐体连接管、培养罐连接，另一端与中央处理器电连接，其用于检测混合气气源的供气压力、培养罐内的混合气体压力以及培养罐与控制主机连接的气密性，并将检测信号传送给中央处理器。整个装置精密控制程度高、可靠性高、密闭性好、结果具有较好的重复性。

Description

一种厌氧、微需氧气体处理装置

技术领域

本发明涉及到分离和培养厌氧菌及微需氧菌的自动化仪器设备技术领域。

背景技术

细菌学中对微需氧菌及厌氧菌的分离、培养等操作需要提供特定的环境条件。基于培养这类微生物的需要，目前市场上的各种自动化厌氧或微需氧操作装置如厌氧或微需氧培养操作箱等产品，设备复杂，造价昂贵，体积庞大，且存在气体消耗量大，使用成本高，达到厌氧环境条件耗时长等缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服了市场上现有厌氧、微氧操作和培养装置的不足之处，为微生物实验工作者提供一种设备简单、操作简便、快速形成无氧或微需氧环境的智能自动化培养操作装置。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种厌氧、微需氧气体处理装置，包括有控制主机、培养罐、混合气气源，该控制主机通过罐体连接管、气源连接管分别与培养罐和混合气气源连接；在所述控制主机内设置有真空泵、与真空泵电连接的控制电路、压力传感器、设置在气源连接管上的混合气体进气电磁阀、抽真空电磁阀、与控制电路电连接的中央处理器，控制电路分别与所述混合气体进气电磁阀、控制抽真空电磁阀电连接；所述压力传感器一端分别与罐体连接管、培养罐连接，另一端与中央处理器电连接，其用于检测混合气气源的供气压力、培养罐内的混合气体压力以及培养罐与控制主机连接的气密性，并将检测信号传送给中央处理器；

当进行微氧操作程序时，压力传感器分别检测气源的供气压力和培养罐中的气体压力，并将检测值发送给中央处理器，中央处理器根据预设值与检测值对比，若不符，工作中止；若相符，则进行如下气体抽排置换过程：中央处理器分别发出不同的控制信号给控制电路，控制电路根据该控制信号分别控制混合气体进气电磁阀截止、控制抽真空电磁阀导通、控制真空泵启动；压力传感器持续检测培养罐内的负压，并将检测值发送给中央处理器，当该检测值与中央处理器内的预定值相等时，则中央处理器发出不同的控制信号给控制电路，控制电路根据该控制信号分别控制真空泵停止、控制抽真空电磁阀截止、控制混合气体进气电磁阀导通；当中央处理器接收到压力传感器传来的检测压力值与标准大气压相符时，中央处理器发出控制信号给控制电路，控制电路根据该控制信号控制混合气体进气电磁阀截止，上述过程即为一次气体抽排置换；

当进行厌氧操作程序时，所述压力传感器检测培养罐内的气体压力，并将检测值发送给中央处理器，中央处理器根据预定值与该检测值对比，若不符，工作中止；若相符，则重复执行上述三次的气体抽排置换过程。

在厌氧操作的实际试验过程中，厌氧操作程序中的检测值和预设值分别与微氧操作程序中的检测值和预设值相同，只是厌氧操作程序中中央处理器的设置会是上面所描述的至少两到三次重复操作，实验者可以自行选择微需氧操作程序或是厌氧操作程序进行试验.

该种智能厌氧/微需氧气体处理装置，结合了传统的“催化剂耗氧技术”和“气体抽排置换技术”，并采用智能软件自动化控制操作程序，能达到培养厌氧菌或微需氧菌的理想培养环境。若选择微氧操作程序，则系统主机内置的精密真空泵通过控制电路控制程序操作，将与主机所连接的培养罐中的含氧空气由相应管路抽排出后，再由与主机连接的气源所提供的混合气体(一般为80％N₂，10％CO₂，10％H₂)充填至培养罐内从而达到微好氧环境；若选择厌氧程序，则以上操作过程重复三次，然后通过培养罐内预置的钯粒催化耗尽罐内剩余的微量氧气从而达到厌氧菌所需的无氧环境条件；

全自动化控制抽排气气体比例的设计：厌氧/微需氧气体处理装置与培养罐通过快速单向阀插头连到主机的罐体接口，通过智能化软件自定义抽气压力，主机通过精密压力传感器探测培养罐中的气体压力，将压力探测结果回馈到中央处理器，中央处理器根据预设程序对控制电路与两个电磁阀组件执行相应动作，从而实现将培养罐中的气体与气源中的混合气体进行快速地自动抽排置换；使用者可根据实验需求自定义待输入的气体混合物的组份比例，通过自动化软件操控指令，配合选择预先配制的气源中的混合气体达到所需要的组分比例，然后再使与装置相连的培养罐中氧气浓度经过一定次数的抽排置换后达到使用者所要求的水平，满足各种不同的气体培养条件要求；

以标准微氧程序为例，该程序是为微好氧细菌提供最适宜的培养条件，在软件程序中标准微氧菜单中氧气剩余比例的计算方式为：培养罐中初始氧气浓度为21％，与空气中氧气浓度一致。微好氧状态一般是指需要6％氧气浓度的条件，这就意味着初始环境中100-(6/21×100)＝71.42858％气体浓度必须以无氧气的混合气体取代。为达到这一状态，标准微氧程序抽排真空至297mbar，然后计算出最终填充点(约为1040mbar)，而后以所连接的无氧气体混合物进行置换填充。该厌氧/微需氧系统可以高度精确地自动完成上述操作；

而标准厌氧程序则是为厌氧菌提供最佳培养条件，在标准程序中完成执行三个置换循环，标准厌氧菜单中氧气剩余比例的计算是：培养罐中初始氧气浓度为21％，与空气中氧气浓度是一致的；在每一个循环培养罐中约超过80％的气体被无氧气体混合物所取代(抽排至205mbar再填充至1040mbar)。经过三个置换循环后，罐中仅剩余(1-80.29％)³×21％＝0.16％氧气。

本发明的压力传感器还具有全装置气密性检测作用：在处理每个培养罐时，该装置会根据使用者的软件操作指令所设定的质控要求进行全装置气密性检测，包括A、高真空状态下气体泄漏测试：自动检测该装置处于深度真空状态下时当某一相连接的培养罐出现罐泄露测试失败则表明该培养罐存在泄露问题。B、低真空状态密闭泄漏测试：自动检测装置处于接近大气压力下状态下当某一相连的培养罐出现密封泄露测试失败则表明该装置存在泄露问题；通过主机精密压力传感器分别与培养罐连接测试，确保全装置气密性能可靠，100％无泄露。

通过中央处理器，本发明装置可预设标准操作程序，用户可直接根据不同的微生物菌群或不同培养气体条件直接选用系统已经预存的标准程序；也可根据具体实验需求通过触摸屏或计算机操作自定义所需压力、气体组分、质控水平等，并可存储自定义程序，输出实验条件设置或进行打印操作.

当进行厌氧操作程序时，在所述培养罐内预先放置有除氧催化剂。结合除氧催化剂，能彻底清除培养罐内的残留氧气。

在所述控制主机上还设有USB接口，该USB接口与所述中央处理器电连接。通过USB接口使得硬件及软件升级方便可行：用户可根据实际工作量任意选用不同体积培养罐直接与装置联用、硬件升级则可随意增加气体接口至3个或增加罐体接口至3个，并通过USB接口直接进行相应软件升级。

还包括有与中央处理器电连接的触摸显示屏，该中央处理器将从压力传感器接收到的各个检测值以及控制主机的运行状态显示于触摸显示屏上。整个操作过程中主机可自动检测各部分的工作状态，具备气体压力检测功能，并可实时显示罐内气体抽排的压力情况、操作过程的错误情况及检测结果等，实时错误报警并于屏幕显示，操作结果可重复性100％；主机或培养罐内压力可随时监控显示，使用方便可靠。

在所述培养罐上还连接有培养罐电磁阀，该培养罐电磁阀连接到气条，所述气条另一端与所述压力传感器连接，所述气条还分别与混合气体进气电磁阀、抽真空电磁阀连接。压力传感器检测混合气气源的供气压力，即相当于检测混合气气源冲入到气条内的混合气体压力。

本发明的智能化厌氧、微需氧气体处理装置属于微生物分离和培养的自动化仪器设备的制造和应用领域。该装置由控制主机、中央处理器、气路及电路控制系统构成，它是一种采用气体抽排置换原理的自动化仪器装置，其内置精密无油真空泵和控制线路，通过中央处理器自动完成气体的抽排与置换，使所连接的培养罐体内快速达到预定的气体环境，可为每个培养罐提供独立的培养气体条件，即厌氧培养体系、微好氧培养体系或用户自定义的混合气体培养体系等，从而为微生物实验室进行分离培养厌氧及微需氧微生物等实验研究提供了一种智能、自动化的实验装置；该装置采用微机智能操作软件，以触摸屏或计算机联机操作方式控制主机的整个操作过程，通过标准程序菜单对厌氧、微好氧或者用户自定义要求的氧气、二氧化碳、氢气等气体浓度及培养罐内压力进行精密调控，可对不同环境条件的混合气体组分进行编程定义调控，自动为单独每个培养容器、每种培养提供不同的气体环境条件，实现开机即刻启动、全自动化控制屏操作、不同工作条件快速转换无需等待，智能操作软件功能丰富、灵活性高、用户操作界面友好且升级方便，可广泛应用于医疗、疾控、医药、科研、食品及环保等行业相应厌氧菌、微好氧菌、细胞培养等，为进一步的鉴定、分离提供有效保证。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.整个装置采用智能化软件操作，精密控制程度高、可靠性高、密闭性好、结果具有较好的重复性；中央处理器通过软件控制电路，精度高，稳定性好，使用可靠，省气、经济、操作安全、性能可靠；

2.操作便捷、高效安全、可充分实现个性化操作；整个气路装置通过软件及电磁阀控制，气体组分设置灵活，控制精确度好

3.整个操作过程干燥洁净，无交叉污染，无化学废弃物，安全环保；

4.耗气量低，无需大型储气罐、运行成本低；

5.结构紧凑便于系统化操作；可根据用户需求随意增加气体或罐体连接口，真正实现自主实验设置；设备后续升级也极其方便；

6.实验程序及数据可实现存储或打印；

7.无需维护保养；

8.适用范围广泛：既可用于厌氧操作、微需氧操作，也可用于细胞培养操作；

9.性价比高、易于普及推广使用。

附图说明

图1为本发明厌氧、微需氧气体处理装置原理框图；

图2为本发明厌氧、微需氧气体处理装置硬件结构框图；

附图标记说明：1-真空泵，2-控制电路，3-压力传感器，4-混合气体进气电磁阀，5-抽真空电磁阀，6-操作显示屏，7-罐体连接管，8-气源连接管，9-中央处理器，20-控制主机，21-培养罐，211-培养罐电磁阀，22-混合气气源，23-气条。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

请参阅图1和图2所示，该厌氧、微需氧气体处理装置是应用于微生物实验室进行气体抽排置换用途的仪器装置，包括有控制主机20、培养罐21、混合气气源22、设置在气源连接管8上的混合气体进气电磁阀4、抽真空电磁阀5，该控制主机20通过罐体连接管7、气源连接管8分别与培养罐21和混合气气源22连接、其控制主机20内置精密无油真空泵1，以及与真空泵1电连接的控制电路2，控制电路2分别与混合气体进气电磁阀4、控制抽真空电磁阀5电连接；压力传感器3一端分别与罐体连接管7、培养罐21连接，另一端与中央处理器9电连接，其用于检测混合气气源22的供气压力、培养罐21内的混合气体压力以及培养罐21与控制主机20连接的气密性，并将检测信号传送给中央处理器9；通过控制主机20内的与控制电路2电连接的中央处理器9、压力传感器3、气路及控制电路来对控制主机20所连接的培养罐21进行气体抽排置换，气体抽排置换1个循环所需时间约1分钟。操作者可以根据需要通过操作显示屏选取或自定义混合气体组分，选择或自定义厌氧或微需氧程序启动，程序启动后，中央处理器9通过压力传感器3及气体配比，计算需要的抽吸气压、需要的执行程序及工作循环次数，依次执行相应的质保和气体替换程序。

将混合气气源22、培养罐21分别与控制主机20的气源接口和培养罐罐体接口相连接，当通过触摸显示屏6输入确定操作程序菜单后，按下主机的启动开关，中央处理器9控制压力传感器3检测培养罐21内压力，继而控制电路2根据压力变化进一步控制相应电磁阀及真空泵工作，从而实现罐内气体的抽排及置换。

具体工作过程如下：

控制主机20接通后，根据需要通过触摸显示屏6操作选择所需要执行的程序.若选择进行微需氧程序，则启动程序后，通过主机启动程序后，中央处理器9发出相应的控制信号给控制电路2，控制电路2分别控制混合气体进气电磁阀4导通、控制抽真空电磁阀5截止，压力传感器3检测混合气体压力以及培养罐21与控制主机20的连接泄漏检测，检测结果回馈至中央处理器9，若不正常，中止工作；若各项指标即检测值均与设置值正常，则进行如下气体抽排置换过程：中央处理器9分别发出不同的控制信号给控制电路2，控制电路2根据该控制信号分别控制真空泵1启动，真空电磁阀5导通、控制混合气体进气电磁阀4截止，压力传感器3持续检测培养罐21内的负压，并将检测值发送给中央处理器9，当该检测值与中央处理器9内的预定值相等时，则中央处理器9发出不同的控制信号给控制电路2，控制电路2根据该控制信号分别控制真空泵1停止、控制抽真空电磁阀5截止、控制混合气体进气电磁阀4导通，混合气体充入培养罐21，培养罐21内压力达到标准大气压时，混合气体填充完成，气体抽排置换完毕；当中央处理器9接收到压力传感器3传来的检测压力值与标准大气压相符时，中央处理器9发出控制信号给控制电路2，控制电路2根据该控制信号控制混合气体进气电磁阀4截止，控制主机20回复到初始状态，上述过程即为一次气体抽排置换，使培养罐21内保持微氧环境即可，但若要求的氧气含量很小或者能承受的最低气压比较大，则可以多次置换或是改用自定义程序，设定氧气所需含量及最低抽气压力等预设值后进行实验操作；

若选择进行厌氧操作程序，操作者通过触摸显示屏6操作选择所需要执行的厌氧程序菜单启动程序，中央处理器9通过压力传感器3首先进行压力检测，若不正常，中止工作；若正常，控制电路2重复上述三次气体抽排置换，也可事先将除氧催化剂放入培养罐21内，由除氧催化剂促使培养罐21内残余氧气耗尽，造成培养罐内100％无氧状态，则厌氧培养罐气体置换完成。

本实施例气体处理装置还具备质控设计：装置在气体抽排置换期间，可根据用户不同实验条件需求自行选择不同级别的质控水平。通过压力传感器分别进行标准气源气体输入压力测试，培养罐连接测试，密封泄露测试、催化剂活性测试(适用于绝对厌氧培养环境条件下选用催化剂的情况下)等，从而确保整个装置达到全装置密闭性能正常、各组成部件功能性指标均符合质控标准，最终令培养罐内气体环境条件满足所需条件并保证罐体在培养期间无气体泄露，实验操作结果可重复性100％。

全自动控制屏操作，达到厌氧环境所需时间：5分钟(包括稳定时间)；达到微氧环境所需时间：2分钟(包括稳定时间)；且不同工作条件快速转换无需等待，操作软件功能丰富。

本实施例中，控制电路2是现有电路，其用于将中央处理器9输出的IO信号放大到可以控制各个电磁阀开关和真空泵开关(其通过控制电磁线圈来控制各个电磁阀)，采用一般的放大电路加继电器实现。

图2中的ADC(Analog-to-Digital Conventer)是模数转换器，为现有技术，其用于将压力传感器3输出的模拟信号装换为数字信号，以便中央处理器9处理；在培养罐21上还连接有培养罐电磁阀211，其用于开关培养罐21，该培养罐电磁阀211连接到气条23，气条23另一端与压力传感器3连接，气条23还分别与混合气体进气电磁阀4、抽真空电磁阀5连接，当培养罐电磁阀211打开时，上述培养罐21和气条23连通，气条23是一种气体交换腔体，因此培养罐21可以和其它同样与气条23连通的部件交换气体，如由真空泵1抽气，或者由混合气气源22充气，在阀门打开时即可相互交换气体。

本实施例图1中的双线连接为气路连接，单线带箭头的连接为电路连接，图2中双线带箭头的连接为气路连接，单线带箭头的连接为电路连接。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中.

Claims (5)

1.一种厌氧、微需氧气体处理装置，其特征在于：包括有控制主机(20)、培养罐(21)、混合气气源(22)，该控制主机(20)通过罐体连接管(7)、气源连接管(8)分别与培养罐(21)和混合气气源(22)连接；在所述控制主机(20)内设置有真空泵(1)、与真空泵(1)电连接的控制电路(2)、压力传感器(3)、设置在气源连接管(8)上的混合气体进气电磁阀(4)、抽真空电磁阀(5)、与控制电路(2)电连接的中央处理器(9)，控制电路(2)分别与所述混合气体进气电磁阀(4)、控制抽真空电磁阀(5)电连接；

所述压力传感器(3)一端分别与罐体连接管(7)、培养罐(21)连接，另一端与中央处理器(9)电连接，其用于检测混合气气源(22)的供气压力、培养罐(21)内的混合气体压力以及培养罐(21)与控制主机(20)连接的气密性，并将检测信号传送给中央处理器(9)；

压力传感器(3)分别检测混合气气源(22)的供气压力和培养罐(21)中的气体压力，并将检测值发送给中央处理器(9)，中央处理器(9)根据预设值与检测值对比，若不符，工作中止；若相符，中央处理器(9)分别发出不同的控制信号给控制电路(2)，控制电路(2)根据该控制信号分别控制混合气体进气电磁阀(4)截止、控制抽真空电磁阀(5)导通、控制真空泵(1)启动；压力传感器(3)持续检测培养罐(21)内的负压，并将检测值发送给中央处理器(9)，当该检测值与中央处理器(9)内的预定值相等时，则中央处理器(9)发出不同的控制信号给控制电路(2)，控制电路(2)根据该控制信号分别控制真空泵(1)停止、控制抽真空电磁阀(5)截止、控制混合气体进气电磁阀(4)导通；当中央处理器(9)接收到压力传感器(3)传来的检测压力值与标准大气压相符时，中央处理器(9)发出控制信号给控制电路(2)，控制电路(2)根据该控制信号控制混合气体进气电磁阀(4)截止。

2.如权利要求1所述的厌氧、微需氧气体处理装置，其特征在于：当进行厌氧操作程序时，在所述培养罐(21)内预先放置有除氧催化剂。

3.如权利要求1所述的厌氧、微需氧气体处理装置，其特征在于：在所述控制主机(20)上还设有USB接口(23)，该USB接口(23)与所述中央处理器(9)电连接。

4.如权利要求1到3中任一所述的厌氧、微需氧气体处理装置，其特征在于：还包括有与中央处理器(9)电连接的触摸显示屏(6)，该中央处理器(9)将从压力传感器(3)接收到的各个检测值以及控制主机(1)的运行状态显示于触摸显示屏(6)上。

5.如权利要求4所述的厌氧、微需氧气体处理装置，其特征在于：在所述培养罐(21)上还连接有培养罐电磁阀(211)，该培养罐电磁阀(211)连接到气条(23)，所述气条(23)另一端与所述压力传感器(3)连接，所述气条(23)还分别与混合气体进气电磁阀(4)、抽真空电磁阀(5)连接。

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