CN111289294A - 一种生物反应过程在线循环取样装置及取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生物反应过程在线循环取样装置及取样方法，在线循环取样装置包括循环管路系统、留样管路系统、切换系统其中，循环管路系统，包括伸入生物反应装置中的取样探头、液压动力源、管道，液体动力源驱动生物反应装置中液体通过取样探头进入管道中，留样管路系统，包括留样容器、气压动力源、管道，切换系统，为多通道切换系统，对形成循环管路系统的回流通路或者回流通路断开的同时连接的留样管路系统进行切换控制。本发明实现了生物反应过程的在线取样，该取样方法为无菌取样、取样量少、取样间隔时间长短可控。此外，形成的死体积少，大大减少了液样的浪费。

Description

一种生物反应过程在线循环取样装置及取样方法

技术领域

本发明属于生物反应过程在线取样装置领域，特别涉及一种生物反应过程在线循环取样装置及取样方法。

背景技术

生物反应过程是生物系统在生物反应装置中进行生化反应的过程。与化学反应相比，生物反应所需的条件比较温和、反应速率过程缓慢，过程机理复杂。

生物反应过程包括反应前准备阶段、反应过程监控和反应后处理三个阶段。在生物反应过程中，实施监控生物反应中的培养基、细胞/微生物的状态等，有利于了解生物代谢状态，为生物反应过程的优化提供了十分重要的参考依据。

目前，生物反应过程的监控方式主要有两种：一个是采用生物反应器，生物反应器可为生物系统中的生物反应提供了可控的环境条件，促使生物过程高效进行，生物反应器可实现温度、pH、溶氧等条件的在线检测；另一个是通过取样进行检测控制。由于生物反应器通常用于对生物反应条件的监控，而对于生化参数在线检测无法实时获取。但是在生物反应过程中，生物的生长代谢旺盛，短期内生物生化指标就会发生很大的改变，因此需要频繁地取样检测。

为了更多更好获得生物反应在线数据，为后续生物反应过程提供更多的改进依据，专利文献CN202246647U公开了设有连续或定时取样的在线检测装置的生物反应器，包括生物反应器、恒流泵、检测器、微机和电磁阀，实现了在连续或定时取样在线精确检测生物反应器中物料的瞬时浓度，被检测样品不会在管线中积累，精度较高，避免了控制的滞后，但是在检测管道中容易形成溶液积累，极易造成染菌，影响后续样品检测，甚至影响整个生物反应器的生物反应。专利文献CN105890923A公开了一种无菌微量在线取样装置及取样方法，其取样装置由无菌微量取样探头、可调速取样泵系统、管路清洗灭菌系统、定量取样环、无菌微量取样探头防堵反吹系统组成，按取样流程方法，实现发酵罐微量在线取样；该发明无菌取样，减少死体积，取样量微小，对发酵系统的影响极小，探头防堵反吹系统保障连续取样，管路清洗灭菌系统防染菌和液体残存。但是上述专利无菌取样操作繁琐，无法实现在线循环取样，同时实现的造成的死体积较大，造成取样浪费。

发明内容

本发明人为了克服上述问题，进行了深入研究。具体而言，本发明提供了一种生物反应过程在线循环取样装置，以及使用该装置的取样方法。

本发明主要涉及以下部分：

1.一种生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，包括循环管路系统、留样管路系统、切换系统组成，其中，

循环管路系统，包括伸入生物反应装置中的取样探头、液压动力源、管道，液压动力源驱动生物反应装置中液体通过取样探头进入管道中，

留样管路系统，包括留样容器、气压动力源、管道，

切换系统，为多通道切换系统，对形成循环管路系统的回流通路或者回流通路断开时连接的留样管路系统进行切换控制。

2. 根据权利要求1所述的生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，所述液压动力源为注射泵、蠕动泵、隔膜泵和/或柱塞泵，优选注射泵。

3. 根据权利要求1所述的生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，所述气压动力源为连接控制无菌空气进入所述取样装置管道的气压动力源，优选控制无菌空气进入所述取样装置管道的气泵，所述多通道切换系统为多通道切换阀，所述多通道切换阀至少能够实现四个端口的切换控制。

4. 根据权利要求1或3中所述的生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，所述多通道切换系统包括用于控制切换的自动控制单元，所述液压动力源、气压动力源均包括用于控制进样的控制单元，所述控制单元分别调节液体、气体进入管道中的流速和流量。

5. 根据权利要求1-4中任一所述的生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，所述在线循环取样装置还包括废液回收容器，其通过另一多通道切换系统与留样管路系统中的管道相连。

6. 根据权利要求1-5中任一所述的生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，还包括显示界面，所述显示界面显示液体和/或气体进入管道中的流速和流量，及多通道切换系统的控制通路。

7.根据权利要求1-6中任一所述的生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，所述管道为硅胶管、有机塑料硬管中的一种或者多种，其内径为0.1-15毫米，进一步优选为0.2-15毫米，进一步优选为1-2毫米。

8. 根据权利要求1-7中任一所述的生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，所述在线循环取样装置每次取样量为0.5-50 毫升，进一步优选为1-20毫升，进一步优选为5-15毫升，每次取样形成的液体死体积为0.02– 2 mL。

9. 根据权利要求1-8中任一所述的生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，所述在线循环取样装置每次取样时间为30秒-1分钟，可连续多次取样，两次取样间隔时间为5分钟-0.5天，进一步优选为1-2小时。

10. 根据权利要求1-9中任一项所述的生物反应过程在线循环取样装置的取样方法，其包括以下步骤：

第一步，启动液压动力源，在其动力控制下，取样探头取生物反应装置中的液体，通过多通道切换系统回流至生物反应装置中；

第二步，在线取样时，首先，多通道切换系统切换，断开回流通路同时连通取样通路，让液体进入留样容器中；再切换多通道切换系统，断开取样通路，形成回流通路，同时启动气压动力源，控制无菌空气将管道中液体吹入留样容器中；

第三步，取样完成后，在多通道切换系统控制下，继续液样回流，气压动力源与管道、废液回收容器连通，对管道进行清洁干燥；

第四步，重复第一、二、三步，进入下一个取样循环。

本发明的技术效果如下：

本发明的生物反应过程在线循环取样装置通过循环管路系统实现了循环培养，有效避免了染菌情况发生；通过留样管路系统简单结构，实现了在线自动取样，无菌取样操作简单，取样时间间隔小，同时减少了整个取样过程死体积，每次取样形成的液体死体积为0.01– 2 毫升（死体积指取样过程中所形成的无法继续培养或无法检测或无法留样等无利用价值而只能废弃的反应液体积），有效避免了液体浪费；通过气压动力源控制无菌空气，有效地将死体积液体排除，确保样液的实时性和有效性。

本发明装置，拆装方便，便于操作，可适用于实验室小型生物反应器到工业型生物发酵等多种场合；本发明自动取样，有效较少人工操作，在工业应用中可有效降低人工成本；本发明装置通过对管路和切换阀进行高温灭菌，可实现重复利用。

附图说明

图1 为本发明一种生物反应过程在线循环取样装置一实施例的结构示意图。

图2 为本发明一种生物反应过程在线循环取样装置另一实施例的结构示意图。

图3为本发明的利用生物反应过程在线循环取样装置的取样方法示意图。

符号说明：

1.循环管路系统；2.留样管路系统；3.切换系统；4.取样探头；5.液压动力源；6.气压动力源；7.留样容器；8.另一多通道切换系统；9.废液回收容器。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

图1为本发明一个实施例的一种生物反应过程在线循环取样装置结构示意图。从图1中可以看出，一种生物反应过程在线循环取样装置，包括循环管路系统1、留样管路系统2、切换系统3组成，其中，循环管路系统1，包括伸入生物反应装置中的取样探头4、液压动力源5、管道，液压动力源5驱动生物反应装置中液体通过取样探头4进入管道中；留样管路系统2包括留样容器7、气压动力源6、管道；切换系统3为多通道切换系统，对形成循环管路系统的回流通路或者回流通路断开的同时连接留样管路系统进行切换控制。

本发明所述的液压动力源5为注射泵、蠕动泵、隔膜泵和/或柱塞泵，优选蠕动泵。所述的气压动力源6为连接控制无菌空气的气压动力源；所述气压动力源6优选气泵；所述气压动力源6可通过电磁阀控制自动控制开关。

本发明所述切换系统为多通道切换阀，其至少能够实现四个端口A、B、C、D的切换控制，进一步为四通道切换阀，四通道切换阀端口两两连接，有两种工作状态，一种是循环管路系统的控制即控制阀A、B之间接通与生物反应器形成回流通路；另一种是循环管路控制阀A、B之间断开，控制阀A、C之间接通，形成取样通路。

所述液压动力源、气压动力源均包括用于控制进样的控制单元，所述控制单元分别调节液体、气体进入管道中的流速和流量。所述多通道切换系统包括用于控制切换的自动控制单元。所述液压动力源、气压动力源、多通道切换系统的控制单元包括通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，可以根据进样需求对控制单元进行编程设计。为了更方便人性化控制操作，所述循环取样装置还包括显示界面，所述显示界面显示液体和/或气体进入管道中的流速和流量，及多通道切换系统的控制通路，为方便操作，显示屏为可触摸显示屏，所述显示界面上有显示操作按钮以实现对控制单元的控制。

本发明所述的管路为硅胶管、有机塑料硬管中的一种或者多种。

图2为本发明另一实施例的一种生物反应过程在线循环取样装置结构示意图。在图1循环取样装置的基础上，在留样管路系统中，设有另一多通道切换系统，进一步为三通切换阀，其设置有切换端E、F、G端，其分别对应连接循环管路系统中液体进入管道、与留样容器连接的管道、与废液回收容器连接的管道，工作时三通切换阀或通过E、F端连接，或通过E、G端连接。设置另一多通道切换系统一方面可以取样，另一方面有利于管道C-E段的进一步清洁。

本发明所述的多通道切换系统进一步为多通道切换阀，优选四通道切换阀，所述另一多通道切换系统进一步为三通道切换阀，均包括用于调控切换的自动控制单元，液压动力源、气压动力源都通过控制单元进行控制，连接到显示界面上。所述控制单元包括通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA。所述显示界面对液体和/或气体进入管道中的流速和流量，及多通道切换系统的控制通路状态进行显示。

本发明所述的生物反应过程在线循环取样装置中的管道内径为0.1-15毫米，进一步优选为0.2-15毫米，进一步优选为1-2毫米。所述在线循环取样装置通过液压动力源的流速和时间，每次取样量为0.5-50 毫升，进一步优选为1-20毫升，进一步优选为5-15毫升。所述在线循环取样装置每次取样时间为30秒-1分钟，可连续多次取样，两次取样间隔时间为5分钟-0.5天，进一步优选为1-2小时。所述在线循环取样装置每次取样形成的液体死体积为0.02 – 2 mL。

图3为本发明的生物反应过程在线循环取样装置的取样方法示意图。一种利用生物反应过程在线循环取样装置的取样方法包括以下步骤：

第一步，启动液压动力源，在其动力控制下，取样探头取生物反应装置中的液体，通过多通道切换系统回流至生物反应装置中；

第二步，在线取样时，首先，多通道切换系统切换，断开回流通路同时连通取样通路，让液体进入留样容器中；再切换多通道切换系统，断开取样通路，形成回流通路，同时启动气压动力源，控制无菌空气将管道中液体吹入留样容器中；

第三步，取样完成后，在多通道切换系统控制下，继续液样回流，气压动力源与管道、废液回收容器连通，对管道进行清洁干燥；

第四步，重复第一、二、三步，进入下一个取样循环。

在第一步中，将管路、取样探头高温灭菌后与生物反应装置相连，液压动力源与生物反应装置的流出口相连，通过切换系统、回流管道接入发酵罐流入口，液压动力源运行，生物反应装置内的液体实现生物反应过程中的循环流动。其中，所述生物反应装置进一步优选发酵罐；所述液压动力源优选蠕动泵；所述切换系统优选多通道切换系统，进一步优选为四通道切换阀。

在第二步中，当需要取样留样时，通过多通道切换阀，回流通路断开，液体进入留样管路管道中，在蠕动泵的驱动下将液体推入留样容器中；通过蠕动泵运行时间、流速和流量来确定取出液体的体积，停止取样操作，多通道切换系统切换，取样通路断开，回流通路连接，利用气泵通过无菌空气运行把管道内残余的液体通过E、F通道吹入留样容器中，大大减少了液体的死体积，形成的死体积甚至可忽略不计。

为了实现在线循环取样的自动控制，所述蠕动泵、气泵均包括用于控制进样的控制单元，所述控制单元分别调节液体、气体进入管道中的流速和流量。所述多通道切换阀和/或另一多通道切换系统包括用于控制切换的自动控制单元。所述液压动力源、气压动力源、多通道切换系统、另一多通道切换系统的控制单元包括通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，可以根据进样需求对控制单元进行编程设计。

进一步为了更方便人性化控制操作，所述循环取样装置还包括显示界面，所述显示界面显示液体和/或气体进入管道中的流速和流量，及多通道切换系统的控制通路，为方便操作，显示屏为可触摸显示屏，所述显示界面上有显示操作按钮以实现对控制单元的控制。

留样容器可采用自动旋转收样装置进行定时、定点取样，完成取样后、自动插针自动离开取样瓶，等待进入下一液样取样；液样可自动放置在低温环境中保藏。

在第三步中，取样完成后，继续液样回流，通过另一多通道切换系统优选三通道切换阀切换下，将气压动力源、管道、废液回收容器连通，对管道进行清洁干燥，等待下一次取样。

重复上述第一、二、三步骤，循环取样。

本发明所述的生物反应过程在线循环取样方法，本发明所述管道内径为0.1-15毫米，进一步优选为0.2-15毫米，进一步优选为1-2毫米。所述在线循环取样装置通过液压动力源的流速和时间，每次取样量为0.5-50 毫升，进一步优选为1-20毫升，进一步优选为5-15毫升。所述在线循环取样装置每次取样时间为30秒-1分钟，可连续多次取样，两次取样间隔时间为5分钟-0.5天，进一步优选为1-2小时。所述在线循环取样装置每次取样形成的液体死体积为0.02 – 2 mL。

实施例1

发酵培养基、菌种和体系：LB培养基，大肠杆菌，5L罐内装3L LB培养基，培养温度37℃。

蠕动泵的流速0.5 mL/min；连接的硅胶管内径为0.8mm；两多通道切换阀内径为0.8mm；多通道切换阀与留样瓶和废液瓶的连接管路为有机塑料硬管内径为0.2mm。

取样体积为0.5 mL 设置每间隔2 h取样一次，持续24 h。12次留样得体积如表1所示：

表1 留样结果

次数	1	2	3	4	5	6
							取样体积（mL）	0.51	0.48	0.5	0.49	0.48	0.49
次数	7	8	9	10	11	12
							取样体积（mL）	0.50	0.48	0.51	0.48	0.48	0.49

其平均值为0.49 mL，标准偏差为0.011。

实施例2：

发酵培养基、菌种和发酵体系：LB培养基、大肠杆菌、5L罐内装3L LB培养基、培养温度37℃。

蠕动泵的流速20 mL/min；连接的硅胶管内径为2mm；两多通道切换阀内径为1.5mm；多通道切换阀与留样瓶和废液瓶的连接管路为有机塑料硬管内径为1.0mm 。

取样体积为15 mL设置每间隔2 h取样一次，持续24 h。最终测得取出的12个样品的体积如表2所示：

表2 留样结果

次数	1	2	3	4	5	6
							取样体积（mL）	14.89	14.91	14.87	14.85	14.92	14.89
次数	7	8	9	10	11	12
							取样体积（mL）	14.90	14.83	14.87	14.91	14.92	14.88

其平均值为14.89 mL，标准偏差为0.028。

实施例3：

发酵培养基、菌种和发酵体系：LB培养基、大肠杆菌、50L罐内装35L LB培养基、培养温度37℃。

蠕动泵的流速200 mL/min；连接的硅胶管内径为15mm；两多通道切换阀内径为8mm；多通阀与留样瓶和废液瓶的连接管路为有机塑料硬管内径为8 mm

取样体积为50 mL 设置每间隔2 h取样一次，持续24 h。12次留样得体积如表3所示：

表3 留样结果

次数	1	2	3	4	5	6
							留样体积（mL）	49.65	49.81	49.72	49.59	49.61	49.82
次数	7	8	9	10	11	12
							留样体积（mL）	49.93	50.02	49.68	49.76	49.88	49.69

其平均值为49.76 mL，标准偏差为0.133。

硅胶管的内径跟蠕动泵的流速直接相关，可根据取样量和取样时间，合理的选择硅胶管内径。本发明取样量的误差跟蠕动泵存在相关性，一般蠕动泵误差最大为2%左右，本发明以误差最大为2%的蠕动泵为基础，最大取样误差可控制在4%以内。

根据本发明的方法，可自动取样，减少了人工操作，有效降低人工成本；通过循环回路，死体积小，减少了液样的浪费。此外，本发明在使用前对管路和切换阀进行高温灭菌处理，取样过程中无需灭菌操作，实现无菌取样。

本申请接受各种修改和可替换的形式，具体的实施方式已经在附图中借助于实施例来显示并且已经在本申请详细描述。但是，本申请不意在受限于公开的特定形式。相反，本申请意在包括本申请范围内的所有修改形式、等价物、和可替换物，本申请的范围由所附权利要求及其法律等效物限定。

Claims (10)

1.一种生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，包括循环管路系统、留样管路系统、切换系统组成，其中，

循环管路系统，包括伸入生物反应装置中的取样探头、液压动力源、管道，液压动力源驱动生物反应装置中液体通过取样探头进入管道中，

留样管路系统，包括留样容器、气压动力源、管道，

切换系统，为多通道切换系统，对形成循环管路系统的回流通路或者回流通路断开时连接的留样管路系统进行切换控制。

2.根据权利要求1所述的生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，所述液压动力源为注射泵、蠕动泵、隔膜泵和/或柱塞泵，优选注射泵。

3.根据权利要求1所述的生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，所述气压动力源为连接控制无菌空气进入所述取样装置管道的气压动力源，优选控制无菌空气进入所述取样装置管道的气泵，所述多通道切换系统为多通道切换阀，所述多通道切换阀至少能够实现四个端口的切换控制。

4.根据权利要求1或3中所述的生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，所述多通道切换系统包括用于控制切换的自动控制单元，所述液压动力源、气压动力源均包括用于控制进样的控制单元，所述控制单元分别调节液体、气体进入管道中的流速和流量。

5.根据权利要求1-4中任一所述的生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，所述在线循环取样装置还包括废液回收容器，其通过另一多通道切换系统与留样管路系统中的管道相连。

6.根据权利要求1-5中任一所述的生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，还包括显示界面，所述显示界面显示液体和/或气体进入管道中的流速和流量，及多通道切换系统的控制通路。

7.根据权利要求1-6中任一所述的生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，所述管道为硅胶管、有机塑料硬管中的一种或者多种，其内径为0.1-15毫米，进一步优选为0.2-15毫米，进一步优选为1-2毫米。

8.根据权利要求1-7中任一所述的生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，所述在线循环取样装置每次取样量为0.5-50 毫升，进一步优选为1-20毫升，进一步优选为5-15毫升，每次取样形成的液体死体积为0.02– 2毫升。

9.根据权利要求1-8中任一所述的生物反应过程在线循环取样装置，其特征在于，所述在线循环取样装置每次取样时间为30秒-1分钟，可连续多次取样，两次取样间隔时间为5分钟-0.5天，进一步优选为1-2小时。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的生物反应过程在线循环取样装置的取样方法，其包括以下步骤：

第一步，启动液压动力源，在其动力控制下，取样探头取生物反应装置中的液体，通过多通道切换系统回流至生物反应装置中；

第二步，在线取样时，首先，多通道切换系统切换，断开回流通路同时连通取样通路，让液体进入留样容器中；再切换多通道切换系统，断开取样通路，形成回流通路，同时启动气压动力源，控制无菌空气将管道中液体吹入留样容器中；

第三步，取样完成后，在多通道切换系统控制下，继续液样回流，气压动力源与管道、废液回收容器连通，对管道进行清洁干燥；

第四步，重复第一、二、三步，进入下一个取样循环。

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