CN113499813A - 一种新型集成式液体操作系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物制药设备技术领域，尤其为一种新型集成式液体操作系统，包括工作台、泵液补液区域、移液区域以及直线电机龙门主框架，所述泵液补液区域包括泵液补液单元、泵液补液X轴直线电机以及孔板转运机器人，所述移液区域包括移液单元和移液X轴直线电机，本发明可以有效解决目前现进口设备8通道移液液体工作站工作头布置在同一导轨上，虽然保障了96孔孔板移液操作时的高效率，但服务日常大量使用的24孔板、6孔板等耗材时，半数通道闲置造成昂贵的硬件闲置浪费，当涉及24孔板及96孔板混合使用时，大部分移液通道同样闲置，现有进口设备有进一步提升效率的巨大空间的问题。

Description

一种新型集成式液体操作系统
技术领域
本发明涉及生物制药设备技术领域，具体为一种新型集成式液体操作系统。
背景技术
物药品高通量研发与检测过程中，需要大量液体操作，用于目标产物表达、检测前处理样本准备、移液纯化等操作，现阶段多数实验室的手工操作，需要大量的操作人员以保障通量，效率低、成本高，并由于不同人员的操作，导致大批量操作时不同样本间的波动与均一性问题，需要高通量的液体工作站以保障操作效率与质量，常见的液体操作包括小液量移液与大容量泵液补液两部分，现高通量多通道移液(并行8通道，或8通道与96通道并联)液体工作站产品基本依赖进口。
目前现进口设备8通道移液液体工作站工作头布置在同一导轨上，虽然保障了96孔孔板移液操作时的高效率，但服务日常大量使用的24孔板、6孔板等耗材时，半数通道闲置造成昂贵的硬件闲置浪费，当涉及24孔板及96 孔板混合使用时，大部分移液通道同样闲置，现有进口设备有进一步提升效率的巨大空间。
综上所述，本发明通过设计一种新型集成式液体操作系统来解决存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型集成式液体操作系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种新型集成式液体操作系统，包括工作台、泵液补液区域、移液区域以及直线电机龙门主框架，所述泵液补液区域包括泵液补液单元、泵液补液X 轴直线电机以及孔板转运机器人，所述移液区域包括移液单元和移液X轴直线电机。
作为本发明新型优选的方案，所述泵液补液单元包括泵液补液Y轴直线电机、泵液补液工作头阵列、泵液通道以及多路切换机构，所述泵液补液X 轴直线电机和泵液补液Y轴直线电机均安装在直线电机龙门主框架上，所述多路切换机构安装在泵液通道的内部。
作为本发明新型优选的方案，所述移液单元包括移液Y轴直线电机和移液工作头阵列，所述移液工作头阵列由四组移液工作头组成，所述移液X轴直线电机和移液Y轴直线电机均安装在直线电机龙门主框架上。
作为本发明新型优选的方案，所述移液工作头包括Z轴伺服单元、紧凑型移液泵体、埋入式移液管路、脱枪机构安装基座、脱枪驱动结构、脱枪执行结构、枪头顶出结构、自动回弹结构、一次性枪头安装结构以及枪头。
作为本发明新型优选的方案，所述工作台上设置有全自动滑出滑入，便于孔板、摇管、摇瓶等耗材加载耗材的耗材载台滑台阵列；用于存储培养基、裂解液等工艺液体，并进行温度控制的底仓液体存储单元；工艺过程中实现孔板、摇管、摇瓶等耗材的混匀操作的振荡单元；基于实际工艺需求，安装孔板、摇管、摇瓶等不同类型耗材载架的耗材载架：用于工艺过程中物料的姿态调整与暂存的操作载台；实现底仓存储液体向台面管路的泵送的泵组单元。
作为本发明新型优选的方案，所述移液工作头阵列内的四组移液工作头采用错层布置，从而使每个移液工作头能够独立进行Y轴运动、Z轴运动、装枪操作以及脱枪操作。
作为本发明新型优选的方案，所述直线电机龙门主框架包括龙门X轴运动导轨机构和龙门Y轴运动横梁，龙门X轴运动导轨机构和龙门Y轴运动横梁之间无机械连接，工作时龙门X轴运动导轨机构和龙门Y轴运动横梁间保持毫米级气体间隙。
作为本发明新型优选的方案，所述耗材载台滑台阵列包括导轨运动结构、导轨固定机构、耗材载架快速更换接口以及耗材中转滑台，泵组单元包括泵液泵组和泵液废液收集单元，泵液泵组为多路蠕动泵或者其他类型泵体。
9.根据权利要求1所述的一种新型集成式液体操作系统，其特征在于：所述具体操作步骤为：
S1，泵液补液单元会向系统内移液槽全自动泵入大容量工艺液体，并由孔板转运机器人转运，孔板转运机器人转运的工艺液体会被送入底仓液体存储单元中，底仓液体存储单元调节培养基、裂解液等工艺液体的存储温度，工人再将孔板、摇管、摇瓶等不同类型耗材放入耗材载架内；
S2，泵组单元内的泵液泵组将底仓液体存储单元内存储的工艺液体向台面管路中输送，耗材载台滑台阵列将耗材送到工作台上，当24孔板、6孔板、 8孔板、摇瓶等耗材操作时，两个移液单元并行在左右独立区域操作，等效于两个移液单元并行工作，可倍数级提高操作效率，当96孔板操作时，两个移液工作头阵列集成为一个工作单元，完全等效于现有进口设备，工作时，移液Y轴直线电机带动集成为一个工作单元的两个移液工作头阵列移动，使移液工作头阵列对准耗材，Z轴伺服单元会通过一次性枪头安装结构带动枪头向下移动，枪头插入耗材内，紧凑型移液泵体通过埋入式移液管路将工艺液体通过枪头注入耗材内，从而完成移液操作，振荡单元会带动耗材发生震动，从而使工艺液体混匀；
S3，移液操作完成后，Z轴伺服单元会通过一次性枪头安装结构带动枪头向上移动，枪头脱离耗材，脱枪驱动结构会驱动脱枪执行结构和枪头顶出结构将枪头从一次性枪头安装结构中顶出，枪头被顶出后，自动回弹结构会带动一次性枪头安装结构回到原位，耗材载台滑台阵列将移液完成的耗材从工作台上取下；
S4，移液完成后，开始对泵液通道进行全自动的清洁操作，灭菌液体进行管线与泵液头填充润洗，接着清洗液体进行管线与泵液头吹洗清扫，然后工艺液体管路全体积填充，最后泵出指定容积工艺液体，清洗液体进行全管路填充密封。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过设置工作台、泵液补液区域以及移液区域，移液工作头阵列内的四组移液工作台采用错层布置，从而使每个移液工作台能够独立进行Y轴运动、Z轴运动、装枪操作以及脱枪操作，两个移液工作头阵列并行在左右独立区域操作，等效于两个移液工作头阵列并行工作，可倍数级提高操作效率，而两个移液工作头阵列拼接后，形成完整的8通道的移液工作头阵列，对耗材载架上的耗材进行并行的8通道移液操作，从而实现液体操作过程中并行的多通道移液与多通道泵液补液操作，相比于现有进口液体工作站产品，倍数级提高处理通量，同时采用集成式气体驱动移液泵体于埋入式驱动管线后，大大提高移液精度，并消除传统注射器在开放环境长期使用后的注射器活塞污染风险，也大大减小了单元体积，便于实现高通道密度。
2、本发明中，通过设置脱枪机构安装基座、脱枪驱动结构、脱枪执行结构、枪头顶出结构以及自动回弹结构，每个通道配备独立的脱枪组件，可在任意高度任意位置实现脱枪操作，同时不同通道间，也可实现独立的脱枪操作，提高了系统的灵活度。
3、本发明中，通过设置泵液补液X轴直线电机、移液X轴直线电机、泵液补液Y轴直线电机以及移液Y轴直线电机，无接触式传动，没有粉尘产生，洁净度高，运动速度倍数级高于传统的啮合式传动，更加提高了设备的单日通量，且避免传统传动方式的润滑需求，相比于现有产品大大优化日常使用维护成本。
4、本发明中，通过设置直线电机龙门主框架，龙门X轴运动导轨机构和龙门Y轴运动横梁之间无机械连接，在功能增加时可方便地从龙门结构上部装入新的模组，连接电气线缆即可使用，在更换或维修工作单元时，在断开电气连接后，可非常方便地将工作单元从龙门上部移出，工作时龙门X轴运动导轨机构和龙门Y轴运动横梁间保持毫米级气体间隙，消除机械摩擦及带来的粉尘污染。
附图说明
图1为本发明系统台面布局结构示意图；
图2为本发明系统总体布局轴视图；
图3为本发明系统总体布局俯视图；
图4为本发明新型移液工作头结构示意图；
图5为本发明脱枪机构安装基座处局部结构示意图；
图6为本发明移液工作头阵列结构示意图；
图7为本发明移液工作头阵列结构正视图；
图8为本发明移液工作头阵列结构侧视图；
图9为本发明移液工作头阵列合并时操作结构图；
图10为本发明移液工作头阵列资源的实时配置示意图；
图11为本发明直线电机龙门主框架安装结构图；
图12为本发明泵液补液平台结构示意图；
图13为本发明泵液补液管路自动清洗流程图；
图14为本发明耗材载架滑台结构示意图；
图15为本发明耗材载架滑台滑出状态时结构示意图。
图中：1、工作台；2、泵液补液区域；3、移液区域；4、直线电机龙门主框架；5、泵液补液单元；6、泵液补液X轴直线电机；7、孔板转运机器人； 8、移液单元；9、移液X轴直线电机；10、耗材载台滑台阵列；11、底仓液体存储单元；12、振荡单元；13、耗材载架；14、操作载台；15、泵组单元； 401、龙门X轴运动导轨机构；402、龙门Y轴运动横梁；501、泵液补液Y轴直线电机；502、泵液补液工作头阵列；503、泵液通道；504、多路切换机构； 801、移液Y轴直线电机；802、移液工作头阵列；803、移液单元；8031、Z 轴伺服单元；8032、紧凑型移液泵体；8033、埋入式移液管路；8034、脱枪机构安装基座；8035、脱枪驱动结构；8036、脱枪执行结构；8037、枪头顶出结构；8038、自动回弹结构；8039、一次性枪头安装结构；8030、枪头；101、导轨运动结构；102、导轨固定机构；103、耗材载架快速更换接口；104、耗材中转滑台；151、泵液泵组；152、泵液废液收集单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述，给出了本发明的若干实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件，本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1-15，本发明提供一种技术方案：
一种新型集成式液体操作系统，包括工作台1、泵液补液区域2、移液区域3以及直线电机龙门主框架4，所述泵液补液区域2包括泵液补液单元5、泵液补液X轴直线电机6以及孔板转运机器人7，所述移液区域3包括移液单元8和移液X轴直线电机9，泵液补液单元5包括泵液补液Y轴直线电机501、泵液补液工作头阵列502、泵液通道503以及多路切换机构504，所述泵液补液X轴直线电机6和泵液补液Y轴直线电机501均安装在直线电机龙门主框架4上，所述多路切换机构504安装在泵液通道503的内部，移液单元8包括移液Y轴直线电机801和移液工作头阵列802，所述移液工作头阵列802由四组移液工作头803组成，所述移液X轴直线电机9和移液Y轴直线电机801 均安装在直线电机龙门主框架4上，移液工作头803包括Z轴伺服单元8031、紧凑型移液泵体8032、埋入式移液管路8033、脱枪机构安装基座8034、脱枪驱动结构8035、脱枪执行结构8036、枪头顶出结构8037、自动回弹结构8038、一次性枪头安装结构8039以及枪头8030。
实施例，参考图14和图15，所述工作台1上设置有全自动滑出滑入，便于孔板、摇管、摇瓶等耗材加载耗材的耗材载台滑台阵列10；用于存储培养基、裂解液等工艺液体，并进行温度控制的底仓液体存储单元11；工艺过程中实现孔板、摇管、摇瓶等耗材的混匀操作的振荡单元12；基于实际工艺需求，安装孔板、摇管、摇瓶等不同类型耗材载架的耗材载架13：用于工艺过程中物料的姿态调整与暂存的操作载台14；实现底仓存储液体向台面管路的泵送的泵组单元15，耗材载台滑台阵列10包括导轨运动结构101、导轨固定机构102、耗材载架快速更换接口103以及耗材中转滑台104，泵组单元15 包括泵液泵组151和泵液废液收集单元152，泵液泵组151为多路蠕动泵或者其他类型泵体，工作台1上安装多个耗材载台滑台阵列10，进行操作过程中便捷的上料下料，并实现操作过程中物料的存储，耗材载台滑台阵列10上有耗材载架快速更换接口103，方便在不同耗材载架类型间的切换。
实施例，参考图4、图5、图6、图7以及图8，移液工作头阵列802内的四组移液工作头803采用错层布置，从而使每个移液工作头803能够独立进行Y轴运动、Z轴运动、装枪操作以及脱枪操作。
实施例，参考图11，直线电机龙门主框架4包括龙门X轴运动导轨机构 401和龙门Y轴运动横梁402，龙门X轴运动导轨机构401和龙门Y轴运动横梁402之间无机械连接，工作时龙门X轴运动导轨机构401和龙门Y轴运动横梁402间保持毫米级气体间隙，能够消除机械摩擦及带来的粉尘污染，在功能增加时可方便地从龙门结构上部装入新的模组，连接电气线缆即可使用，在更换或维修工作单元时，在断开电气连接后，可非常方便地将工作单元从龙门上部移出，同时消除传统伺服结构油脂润滑需求，消除油脂挥发污染。
本发明工作流程：泵液补液单元5会向系统内移液槽全自动泵入大容量工艺液体，并由孔板转运机器人7转运，孔板转运机器人7转运的工艺液体会被送入底仓液体存储单元11中，底仓液体存储单元11调节培养基、裂解液等工艺液体的存储温度，工人再将孔板、摇管、摇瓶等不同类型耗材放入耗材载架13内；
泵组单元15内的泵液泵组151将底仓液体存储单元11内存储的工艺液体向台面管路中输送，耗材载台滑台阵列10将耗材送到工作台1上，当24 孔板、6孔板、8孔板、摇瓶等耗材操作时，两个移液单元8并行在左右独立区域操作，等效于两个移液单元并行工作，可倍数级提高操作效率，当96孔板操作时，两个移液工作头阵列802集成为一个工作单元，完全等效于现有进口设备，工作时，移液Y轴直线电机801带动集成为一个工作单元的两个移液工作头阵列802移动，使移液工作头阵列802对准耗材，Z轴伺服单元 8031会通过一次性枪头安装结构8039带动枪头8030向下移动，枪头8030插入耗材内，紧凑型移液泵体8032通过埋入式移液管路8033将工艺液体通过枪头8030注入耗材内，从而完成移液操作，振荡单元12会带动耗材发生震动，从而使工艺液体混匀；
移液操作完成后，Z轴伺服单元8031会通过一次性枪头安装结构8039带动枪头8030向上移动，枪头8030脱离耗材，脱枪驱动结构8035会驱动脱枪执行结构8036和枪头顶出结构8037将枪头8030从一次性枪头安装结构8039 中顶出，枪头8030被顶出后，自动回弹结构8038会带动一次性枪头安装结构8039回到原位，耗材载台滑台阵列10将移液完成的耗材从工作台1上取下；
移液完成后，开始对泵液通道503进行全自动的清洁操作，灭菌液体进行管线与泵液头填充润洗，接着清洗液体进行管线与泵液头吹洗清扫，然后工艺液体管路全体积填充，最后泵出指定容积工艺液体，清洗液体进行全管路填充密封。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种新型集成式液体操作系统，包括工作台(1)、泵液补液区域(2)、移液区域(3)以及直线电机龙门主框架(4)，其特征在于：所述泵液补液区域(2)包括泵液补液单元(5)、泵液补液X轴直线电机(6)以及孔板转运机器人(7)，所述移液区域(3)包括移液单元(8)和移液X轴直线电机(9)。
2.根据权利要求1所述的一种新型集成式液体操作系统，其特征在于：所述泵液补液单元(5)包括泵液补液Y轴直线电机(501)、泵液补液工作头阵列(502)、泵液通道(503)以及多路切换机构(504)，所述泵液补液X轴直线电机(6)和泵液补液Y轴直线电机(501)均安装在直线电机龙门主框架(4)上，所述多路切换机构(504)安装在泵液通道(503)的内部。
3.根据权利要求1所述的一种新型集成式液体操作系统，其特征在于：所述移液单元(8)包括移液Y轴直线电机(801)和移液工作头阵列(802)，所述移液工作头阵列(802)由四组移液工作头(803)组成，所述移液X轴直线电机(9)和移液Y轴直线电机(801)均安装在直线电机龙门主框架(4)上。
4.根据权利要求3所述的一种新型集成式液体操作系统，其特征在于：所述移液工作头(803)包括Z轴伺服单元(8031)、紧凑型移液泵体(8032)、埋入式移液管路(8033)、脱枪机构安装基座(8034)、脱枪驱动结构(8035)、脱枪执行结构(8036)、枪头顶出结构(8037)、自动回弹结构(8038)、一次性枪头安装结构(8039)以及枪头(8030)。
5.根据权利要求1所述的一种新型集成式液体操作系统，其特征在于：所述工作台(1)上设置有全自动滑出滑入，便于孔板、摇管、摇瓶等耗材加载耗材的耗材载台滑台阵列(10)；用于存储培养基、裂解液等工艺液体，并进行温度控制的底仓液体存储单元(11)；工艺过程中实现孔板、摇管、摇瓶等耗材的混匀操作的振荡单元(12)；基于实际工艺需求，安装孔板、摇管、摇瓶等不同类型耗材载架的耗材载架(13)：用于工艺过程中物料的姿态调整与暂存的操作载台(14)；实现底仓存储液体向台面管路的泵送的泵组单元(15)。
6.根据权利要求3所述的一种新型集成式液体操作系统，其特征在于：所述移液工作头阵列(802)内的四组移液工作头(803)采用错层布置，从而使每个移液工作头(803)能够独立进行Y轴运动、Z轴运动、装枪操作以及脱枪操作。
7.根据权利要求1所述的一种新型集成式液体操作系统，其特征在于：所述直线电机龙门主框架(4)包括龙门X轴运动导轨机构(401)和龙门Y轴运动横梁(402)，龙门X轴运动导轨机构(401)和龙门Y轴运动横梁(402)之间无机械连接，工作时龙门X轴运动导轨机构(401)和龙门Y轴运动横梁(402)间保持毫米级气体间隙。
8.根据权利要求5所述的一种新型集成式液体操作系统，其特征在于：所述耗材载台滑台阵列(10)包括导轨运动结构(101)、导轨固定机构(102)、耗材载架快速更换接口(103)以及耗材中转滑台(104)，泵组单元(15)包括泵液泵组(151)和泵液废液收集单元(152)，泵液泵组(151)为多路蠕动泵或者其他类型泵体。
9.根据权利要求1所述的一种新型集成式液体操作系统，其特征在于：所述具体操作步骤为：
S1，泵液补液单元(5)会向系统内移液槽全自动泵入大容量工艺液体，并由孔板转运机器人(7)转运，孔板转运机器人(7)转运的工艺液体会被送入底仓液体存储单元(11)中，底仓液体存储单元(11)调节培养基、裂解液等工艺液体的存储温度，工人再将孔板、摇管、摇瓶等不同类型耗材放入耗材载架(13)内；
S2，泵组单元(15)内的泵液泵组(151)将底仓液体存储单元(11)内存储的工艺液体向台面管路中输送，耗材载台滑台阵列(10)将耗材送到工作台(1)上，当24孔板、6孔板、8孔板、摇瓶等耗材操作时，两个移液单元(8)并行在左右独立区域操作，等效于两个移液单元并行工作，可倍数级提高操作效率，当96孔板操作时，两个移液工作头阵列(802)集成为一个工作单元，完全等效于现有进口设备，工作时，移液Y轴直线电机(801)带动集成为一个工作单元的两个移液工作头阵列(802)移动，使移液工作头阵列(802)对准耗材，Z轴伺服单元(8031)会通过一次性枪头安装结构(8039)带动枪头(8030)向下移动，枪头(8030)插入耗材内，紧凑型移液泵体(8032)通过埋入式移液管路(8033)将工艺液体通过枪头(8030)注入耗材内，从而完成移液操作，振荡单元(12)会带动耗材发生震动，从而使工艺液体混匀；
S3，移液操作完成后，Z轴伺服单元(8031)会通过一次性枪头安装结构(8039)带动枪头(8030)向上移动，枪头(8030)脱离耗材，脱枪驱动结构(8035)会驱动脱枪执行结构(8036)和枪头顶出结构(8037)将枪头(8030)从一次性枪头安装结构(8039)中顶出，枪头(8030)被顶出后，自动回弹结构(8038)会带动一次性枪头安装结构(8039)回到原位，耗材载台滑台阵列(10)将移液完成的耗材从工作台(1)上取下；
S4，移液完成后，开始对泵液通道(503)进行全自动的清洁操作，灭菌液体进行管线与泵液头填充润洗，接着清洗液体进行管线与泵液头吹洗清扫，然后工艺液体管路全体积填充，最后泵出指定容积工艺液体，清洗液体进行全管路填充密封。
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