CN114112534A - 一种适用于微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测装置，所述装置包括样品智能检测系统、立体灭菌仓、多维取样周期控制器、同步取样控制器、影像采集系统、菌种识别装置、样品稀释系统、信息储存系统；样品首先经过样品智能检测系统检测是否染菌，未染菌的样品首先识别菌种然后进行影像采集，根据设置取样周期和取样时间进行取样，根据检测需求对样品进行稀释，再检测样品，最后将所有数据储存至信息储存系统中；本发明能够代替传统的人工取样，降低检测过程中的染菌率，菌种识别系统，能够锁定目标系统，排除杂菌，更有利于排除发酵培养过程染菌的概率。

Description

一种适用于微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测 装置

技术领域

本发明涉及微生物发酵领域，特指一种适用于微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测装置。

背景技术

微生物发酵培养技术是目前一个很重要的研究方向，在微生物发酵培养过程中，涉及到菌体的生长和代谢问题，以及不同发酵条件对微生物发酵的影响，发酵机理复杂，需要对发酵液及其产物的参数进行测定，测定结果对研究结果具有重大意义。

因检测技术条件有限，微生物悬浮液和固体培养基取样与检测很难同时进行，取样过程基本依靠人工，很少利用机械自动化取样，且人工取样完后需要在实验室进行样品检测，不能保证严格的无菌操作，如果染菌就会造成样品浪费；人工取样及检测过程具有局限性，很难保证取样的高效性和准确性。因此，针对于微生物悬浮液和固体发酵过程无菌取样,研制出一种智能取样及检测装置很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测装置，以保证取样过程没有染菌和掺入杂质，保证所检测的结果不受环境中微生物的污染，同时保证测定结果的准确性和检测过程的高效性。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下所示：

一种适用于微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测装置，所述的样品智能检测系统包括立体灭菌仓，所述的立体灭菌仓位于设备后部，立体灭菌仓顶部左侧安装有紫外照射灯，立体灭菌仓右侧安装有乙醇喷雾系统，所述的乙醇喷雾系统装有4个酒精喷头和酒精储存器，所述的4个酒精喷头位于立体灭菌仓顶部四个角上，所述的酒精存储器位于设备外部，通过橡胶管与酒精喷头连接。

所述的立体灭菌仓的底部设有加热器，所述的加热器设有排废管道，所述加热器的顶部即为立体灭菌仓的底部，设有网状挡板便于盛放所需灭菌的仪器，所述加热器的顶部采用倒锥形设计，与立体灭菌仓壁紧密贴合，倒锥形顶部安装有排污口，所述立体灭菌仓排废管道需经过加热器内部，才能排至废液收集装置，所述排废口经过加热器部分采用耐高温不锈钢T形管，另一端与与加热器排废管道连接，T形管两端安装有耐高温高压的控制阀，其余部分采用耐高温及酸碱的橡胶管道。

所述的加热器装有高温蒸汽管道，所述的高温蒸汽管道安装在立体灭菌仓的底部左右两侧，所述的高温蒸汽管道共8个喷气口，所述的8个喷气口等距离分配在立体灭菌仓底部左右两侧，所述的立体灭菌仓前侧安装带密封圈的仓门，所述仓门的密封圈采用抗高温材料，所述仓门外部设有机械手II负责将所需灭菌的仪器送入立体灭菌仓，以及负责灭完菌的仪器取出。

所述的集成取样探头包括多功能取样管和自适应取样刷头，所述的多功能取样管位于立体灭菌仓内左侧多功能取样管架，所述的多功能取样管架垂直于立体灭菌仓左侧壁，所述的多功能取样管粗的一端可与机械手I连接，所述机械手I内部安装有橡胶管以及压力传感器，根据压力的大小确定取样量，最大取样量不超过多功能取样管容积，所述的机械手I位于设备顶部的滑杆上，所述的滑杆上安装有滑块和弹簧，机械手I通过滑块和弹簧与滑杆连接，所述的机械手I上安装有控制线路，所述的控制线路与操作系统连接，经操作面板控制。

所述的自适应取样刷头采用硅胶材质，所述的自适应取样刷头位于立体灭菌仓内右侧自适应取样刷头架上，所述的自适应取样刷头架采用挂壁式悬挂于立体灭菌仓内右侧壁面，所述的自适应取样刷头架包括S形挂钩梯形架子，所述的S形挂钩固定在梯形架子上，所述的自适应取样刷头平行于梯形架子放置在S形挂钩上。

所述的智能检测系统的操作主机，液晶显示屏，所述的操作主机包括控制面板，所述的控制面板包括总控制、机械手控制开关、集成取样探头控制开关、立体灭菌仓控制开关、多维取样周期控制器开关、取样量控制器开关、取样点控制器开关、多区域样品盘控制器开关、样品检测装置开关、影像采集系统开关、样品稀释系统开关，所述的控制面板连接装置的线路采用双向控制，所述的机械手移动线路为已规划线路，所述的集成取样探头控制开关与机械手I中的压力传感器连接。

所述的多角度样品器位于多区域样品盘上，所述的多区域样品盘包括左侧上部的摇瓶固定装置，左侧下部的平板固定装置，右侧上部的多角度样品器，右侧下部的试管固定架；所述的多角度样品器底部安装角度控制器，所述角度控制器的控制角度为30°、45°、60°、90°四个档位，在控制面板上输入所需的度数控制档位改变多角度样品器的角度；所述的多区域样品盘的试管固定架底部安装有控制方向的旋转器，所述的旋转器经线路与控制面板连接，均沿着顺时针方向旋转；所述的摇瓶固定装置包括螺丝钉和可延展的铁丝网状固定器，所述的平板固定装置包括螺丝钉和可延展的卡扣固定器，所述的多角度样品器和试管固定架均为不锈钢材质。

所述的影像采集系统的摄像头和照明灯安装在多区域样品盘底部。

所述的菌种识别系统及样品稀释系统与主机相连；所述的菌种识别系统是通过影像采集系统拍摄的图片与信息储存系统中目标菌种的特征信息作对比，判断是否产生目标菌种以外的菌种；所述的样品稀释系统去离子水容量瓶和生理盐水容量瓶的容量均为500ml,采用外加溶液的方法添加，容量瓶内部设有液体传感器，溶液体积低于100ml时，警报器示警。

本发明的有益效果是：

本发明是一种适用于微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测装置，可以替代传统的手动取样，检测过程染菌的分险小；本发明的灭菌系统针对霉菌和真菌的灭菌方法能达到更好的灭菌效果，采用外接溶液的方式，该方法易更换溶液；加热器排污管道的设计，可以保证立体灭菌仓的干燥性；本发明的集成取样探头分为多功能取样管和自适应取样刷头，既能满足摇瓶取样又能满足平板取样；本发明的多角度样品器适用于在30°、45°、60°、90°读取刻度，更适用于存放发酵液时读数；本发明还能检测发酵样品的还原糖含量、测量菌体的生物量；本发明还能采集发酵过程的影像，摄像头能够自动聚焦，拍摄的图片会自动加上水印和日期，并做成幻灯片，更利于观察菌体生长情况；本发明的菌种识别系统，能够锁定目标系统，排除杂菌，更有利于排除发酵培养过程染菌的概率；本发明的样品稀释系统，采用梯度稀释法，设有去离子水和生理盐水稀释，可根据实验要求选择。

附图说明

为了进一步说明本发明实施例中的技术方案，下面将简单描述一下实施例中的附图。附图仅是本发明的部分实施例。

图1是本发明实施例中微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测装置的流程示意图。

图2是本发明实施例中多维取样周期控制器的流程示意图。

图3是本发明实施例中同步取样控制器系统的流程示意图。

具体实施方式

为了进一步对本发明进行详细的描述，该部分结合附图对本装置的实施案例进行说明，所描述的实施案例仅为该装置运用的部分案例。

如图1所示，一种适用于微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测装置，包括样品智能检测系统，立体灭菌仓，多维取样周期控制器，同步取样控制器，影像采集系统，菌种识别装置，样品稀释系统，信息储存系统，多区域样品盘，多角度样品器。

如图2所示，所述的多维取样周期控制器经系统初始化，设置取样标志，成功后校准多维取样周期控制器时间，将多维取样周期控制器的数据进行更新，更新成功后设置取样周期，并选择工作模式，工作完成后进入休眠状态；所述的工作模式包括发酵液取样模式、平板取样模式、试管取样模式。

如图3所示，所述的同步取样控制器系统初始化后，设置取样信号，所述的取样信号包括取样点和取样量，系统接受并分析取样信号，将正确的取样信号传输给主机，进行取样操作。

优选地，所述的智能检测装置包括：操作主机、液晶显示屏、数据录入装置、机械手、总控制开关、集成取样探头控制开关、立体灭菌仓控制开关、多维取样周期控制器开关、取样量控制器开关、取样点控制器开关、多区域样品盘控制器开关、影像采集系统开关、样品稀释系统开关；通过智能检测控制取样器，外接仪器采用橡胶管作为输样管，且输样管的进样口是Y形接口，发酵液能同时外接两种仪器进行检测。

优选地，所述的影像采集系统包括：具有自动聚焦功能的摄像头，所述的摄像头采用抗菌防水材料，是能够伸缩的H形摄像头，能自动聚焦，根据拍摄需求拍摄多组带水印的图片，根据像素和分辨率选择最清晰的图片保存在信息储存系统，整个发酵过程结束后，保存的照片能制作成电子幻灯片，直观的展示整个发酵培养过程。

优选地，所述的菌种识别装置包括：菌种筛查机制，信息储存装置，所述的信息储存系统能将菌种信息分类储存到数据库，所述的菌种筛查机制根据数据库中的信息对菌种进行判断，并分析培养基是否染菌，若染菌送至立体灭菌仓进行灭菌处理。

优选地，所述的样品稀释系统包括：盐浓度0.84%的生理盐水容量瓶和去离子水容量瓶，所述的样品稀释系统根据设定的稀释倍数，用梯度稀释法对样品进行稀释，稀释后送至样品检测系统进行检测。

优选地，所述的多角度样品器包括：在30°、45°、60°、90°四个角度标有刻度线，读取的刻度对应倾斜角度的水平液面刻度线，所述的多角度样品器上端为正方体形下端为圆锥形，刻度线范围为0-10ml精确到0.01ml。

实施例1

从发酵瓶中取出芽短梗霉发酵液的具体实施方式：

将需要取样的出芽短梗霉发酵培养基放置在多区域样品盘上，设置取样周期为0-9天，取样时间为每天10:00，取样量为500μl，取样点需根据发酵液体积进行调节，设置成功后建立相关文件夹进行数据保存，后续取样设备初始化后只需选着该文件夹参数即可；智能检测装置检查发酵液是否染菌，若染菌送至立体灭菌仓灭菌，没有染菌进行发酵液影像采集，并取样操作，取完的样品放置于样品器中，送至样品稀释系统稀释，取300μl发酵液稀释10倍，稀释完的发酵液送至样品检测系统进行生物量和含糖量检测，检测完成后对发酵液进行灭菌处理，整个检测过程的数据保存到以菌种及发酵时间命名的文件夹中，并储存在信息储存系统中。

实施例2

从平板培养皿取拉曼被孢霉孢子的具体实施方式：

当自适应取样刷头（13）与多区域样品盘（7）方向相垂直时，用于固体平板培养皿中孢子取样，自适应刷头（13）与孢子菌落接触保持3秒钟，完成取样后吸附有孢子的自适应取样刷头（13）转移至稀释系统进行孢子悬浮液的稀释。用无水乙醇对多区域样品盘进行灭菌处理，设置取样周期为0-8天，取样时间为每天10:00，当自适应取样刷头与多区域样品盘方向相垂直时，用于固体平板培养皿中孢子取样，智能检测装置检查拉曼被孢霉平板培养皿是否染菌，若染菌送至立体灭菌仓灭菌，没有染菌进行拉曼被孢霉平板影像采集，自适应刷头与孢子菌落接触保持3秒钟，完成取样后吸附有孢子的自适应取样刷头转移至稀释系统进行孢子悬浮液的稀释，制成孢子悬浮液送至样品检测系统进行生物量和含糖量检测，检测完成后对孢子悬浮液进行灭菌处理，整个检测过程的数据保存到以菌种及发酵时间命名的文件夹中，并储存在信息储存系统中。

实施例3

从斜面培养基取掷孢酵母的具体实施方式：

用无水乙醇对多区域样品盘进行灭菌处理，设置取样周期为0-5天，取样时间为每天10:00，将斜面培养基倾斜45°放置在多区域样品盘上，斜面培养基下侧到多区域样品盘的高度为5cm，智能检测装置检查掷孢酵母斜面培养基是否染菌，若染菌送至立体灭菌仓灭菌，没有染菌进行掷孢酵母斜面培养基影像采集，根据45°设定取样点，机械手臂控制取样针倾斜45°与试管方向平行；取样针伸入试管轻轻刮取菌落，取完的样品放置于样品器中，将带掷孢酵母菌落的自适应取样刷头送至稀释系统用生理盐水稀释，制成掷孢酵母悬浮液送至样品检测系统进行生物量和含糖量检测，检测完成后对掷孢酵母悬浮液进行灭菌处理，整个检测过程的数据保存到以菌种及发酵时间命名的文件夹中，并储存在信息储存系统中。

Claims (10)

1.一种适用于微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测装置，其特征是，所述装置包括集成取样探头（1）；所述装置包括多角度样品器（2）；所述装置包括样品智能检测系统（3）；所述装置包括立体灭菌仓（4）；所述装置包括多维取样周期控制器（5）；所述装置包括同步取样控制器（6）；所述装置包括多区域样品盘（7）；所述装置包括影像采集系统（8）；所述装置包括菌种识别装置（9）；所述装置包括样品稀释系统（10）；信息储存系统（11）；多功能取样管（12）；自适应取样刷头（13）；多模式灭菌功能（14）。

2.根据权利要求1所述的一种适用于微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测装置，其特征在于所述装置的集成取样探头（1）分为两种，均采用耐高温高压材料，且可拆卸并更换，一种为适用于发酵悬浮液的多功能取样管（12），所述装置的多功能取样管（12）位于立体灭菌仓（4）内左侧取样管架，取样管架垂直于立体灭菌仓（4）左侧壁；所述装置的多功能取样管（12）是水滴形的，内部分为三个3ml小格，且内壁为疏水性材料，在多功能取样管（12）外部按逆时针方向标有1号格、2号格、3号格，该多功能取样管（12）采用三点取样法，即在悬浮液表面、中间、底部三个位置取样，然后依次存储在多功能取样管（12）的1号格、2号格、3三号格中；所述装置的多功能取样管（12）上设有精度在0.1%FS的压力传感器用于取样控制，根据多功能取样管（12）伸入液面时的压力计算取样体积，保证相同压力下控制取样体积的精密度，所述装置的多功能取样管（12）粗的一端与机械手连接，多功能取样管（12）的刻度范围是0-10ml，零刻度线位于多功能取样管（12）细端；另一种是适用于平板培养皿和斜面培养基的自适应取样刷头（13），自适应取样刷头（13）位于立体灭菌仓(4)内右侧取样刷头架上；所述取样装置一次能安装10个集成取样探头（1），10个集成取样探头（1）通过串联法或并联法连接，串联法只适用于取0-10个同种探头，并联法同时适用于两种探头即0-5个多功能取样管（12）和0-5个自适应取样刷头（13），当采用并联法时，两种探头必须同为奇数或偶数，每种探头最大数量小于等于5个。

3.根据权利要求1所述的一种适用于微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测装置，其特征在于所述装置的多角度样品器（2）在30°、45°、60°、90°四个角度有刻度线；所述装置的多角度样品器（2）上端为正方体形下端为圆锥形，多角度样品器（2）的正方体四面具有四个刻度，零刻度线相同且刻度范围均为0-10ml精确到0.01ml，样品试管前侧是垂直于水平面的刻度，样品试管右侧是倾斜60°的刻度，样品试管后侧是倾斜45°的刻度，样品试管左侧是倾斜30°的刻度，读取的刻度对应倾斜角度的水平液面刻度线。

4.根据权利要求1所述的一种适用于微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测装置，所述的智能检测系统（3），其特征在于：包括操作主机，液晶显示屏，数据录入装置，机械手，总控制开关、集成取样探头（1）控制开关、立体灭菌仓（4）控制开关、多维取样周期控制器（5）开关、取样量控制器开关、取样点控制器开关、多区域样品盘控制器（8）开关、影像采集系统（8）开关、样品稀释系统(10）开关，所述的智能检测系统（3）测葡萄糖和乙醇含量时，采用外接生物传感器，采用输样管将待测液体输送至外接的生物传感器，进样口处输样管采用Y形接口；所述的外接仪器的输样管可以根据检测要求外接其它仪器。

5.根据权利要求1所述的一种适用于微生物悬浮液和固体发酵的智能取样及检测装置，其特征在于所述装置的立体灭菌仓（4）的多模式灭菌功能（14）包括紫外灭菌模式和高压蒸汽灭菌模式，所述装置的立体灭菌仓（4）顶部距左侧壁2cm处安装有20cm长的紫外照射灯，距右侧壁2cm处安装有乙醇喷雾系统；所述装置的紫外灭菌模式时采用30W的紫外照射灯，紫外线的波长是253.6nm，紫外辐射剂量是325.9J/m^2，控制立体化的灭菌仓（4）温度为31.5℃、湿度50%；所述的喷雾系统针对细菌直接用75.5%的乙醇灭菌5min，针对霉菌采用梯度灭菌法，需要先用70.5%的乙醇灭菌5min,再用73.0%的乙醇灭菌5分钟，然后用75.5%的乙醇灭菌5min，立体灭菌仓（4）湿度为50%；所述装置的高压蒸汽灭菌模式适用于琼脂培养基、发酵液、集成取样探头（1）灭菌，立体化的灭菌仓（4）的底部左右两侧安装有高温蒸汽管道，前侧是带密封圈的仓门，灭菌时形成密闭空间，初始温度为121.5℃、压力101.35kPa。

6.根据权利要求1所述的一种适用于微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测装置，其特征在于所述装置的同步取样控制器（6）包括取样点和取样量控制，所述装置的多角度样品器（2）前侧是垂直于水平面的刻度，多角度样品器（2）右侧是倾斜60°的刻度，样品试管后侧是倾斜45°的刻度，样品试管左侧是倾斜30°的刻度；根据多角度样品器（2）中发酵液的体积选择刻度，发酵液体积由高到低，对应的刻度选择由30°到90°，发酵液取样体积精度范围是0.0005-20ml；向上倾斜45°的试管下侧到多区域样品盘（7）高度为5cm，根据45°设定取样点，机械手臂控制取样针（13）倾斜45°与试管方向平行；自适应取样刷头（13）距多区域样品盘（7）的高度为4cm，发酵瓶底部贴合多区域样品盘（7），机械手臂控制多功能取样管（12）垂直多区域样品盘（7）伸入发酵瓶中，采用垂直距离三点取样法取样，取样管下降至距多区域样品盘2.5cm时开始第一次感应发酵液高度并取样，取样管垂直下降至距多区域样品盘1.8cm时第二次感应发酵液高度并取样，取样管垂直下降至距多区域样品盘0.9cm时第三次感应发酵液高度并取样，取样速率是2.5ml/s；当发酵液面高度至多区域样品盘小于1.8cm时，多功能取样管（12）反复吹吸3次将发酵液混合均匀后取样一次；当自适应取样刷头（13）与多区域样品盘（7）方向相垂直时，用于固体平板培养皿中孢子取样，自适应刷头（13）与孢子菌落接触保持3秒钟，完成取样后吸附有孢子的自适应取样刷头（13）转移至稀释系统进行孢子悬浮液的稀释。

7.根据权利要求1所述的一种适用于微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测装置，其特征在于所述装置的多区域样品盘（7）分为四个0.16m²的区域，左侧上部是摇瓶固定装置，左侧下部是固体平板培养皿固定装置，右侧上部是多角度样品器（2），右侧下部是试管固定架；多角度样品器（2）的刻度范围是0-10ml，0-1ml的精度是0.01ml、0-10ml的精度是0.1ml，零刻度线位于样品器（2）前端的底部，左侧第一个样品器为参考样品器（13）；多区域样品盘（7）的试管固定架底部安装有控制方向的旋转器，方便读取不同倾斜角度的刻度，试管固定架杆采用2根伸缩管控制试管高度和倾斜度，倾斜角度为30°、45°、60°、90°、180°，180°是未存放样品的状态。

8.根据权利要求1所述的一种适用于微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测装置，所述装置的影像采集系统（8）其特征在于摄像头能自动聚焦功能，在主机上选择菌种类型，拍摄的图片上就会有菌种类型和拍摄日期的水印，然后根据菌种类型将图片分类保存，同类型菌种采用就近原则按照时间顺序保存，并建立以菌种命名的文件夹；摄像头和照明灯安装在多区域样品盘（7）底部，根据设定拍摄周期和拍摄位置，拍摄位置能在发酵瓶底部、发酵瓶前后、培养基表面，所述的摄像头采用抗菌防水材料，是能够伸缩的H形摄像头，伸缩长度是20cm-100cm，转动角度是0°-360°，能够自动聚焦，拍摄培养基发酵液时能伸入培养基内部，拍摄平板培养皿和试管培养基时，菌落能放大拍摄，2秒内可在同一位置连续拍摄5组图片，经影像采集系统（8）筛选后，根据像素和分辨率，自动选择最清晰的图片保存，发酵过程完成后，根据拍摄时间顺序将保存的图片制作成电子幻灯片，播放时能观察到该位置菌从小长大再到衰退的过程，然后发送到信息储存系统（11）。

9.根据权利要求1所述的一种适用于微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测装置，所述装置的菌种识别系统（9）其特征在于所述装置能对样品培养基进行筛查，自动排除目标菌种以外的杂菌，被污染的培养基将被送至立体灭菌仓（4）进行灭菌处理；所述装置包括信息储存装置（11）、数据录入装置，储存硬盘；通过图像识别系统自动将微生物悬浮液的颜色、密度、菌球直径，或固体培养上菌落直径、隆起度、边缘形状、表面光滑度、表面颜色和透明度等菌种信息导入信息储存装置（11）中，自动导入后可以再进行人工编辑及修改，建立以菌种名字命名的信息库，根据信息库识别菌种类型，再根据样品的物理形态选择集成取样探头（1）类型；取样前通过多维取样周期控制器（5）设置取样间隔时间，样品智能检测系统（3）在对微生物悬浮液取样后进行葡萄糖浓度、木糖浓度、乳糖浓度、乙醇浓度及谷氨酸浓度的检测，并在根据多次取样结果，分别绘制悬浮液中浓度葡萄糖浓度、木糖浓度、乳糖浓度、乙醇浓度及谷氨酸浓度与时间关系图并记录在信息库。

10.根据权利要求1所述的一种适用于微生物悬浮液和固体培养基的智能取样及检测装置，其特征在于：所述装置的样品稀释系统（10），包括去离子水容量瓶和生理盐水容量瓶，生理盐水的盐浓度是0.84%；所述装置的样品稀释系统（10）人工在主机上设定稀释倍数，将设定的稀释倍数导入数据录入装置中，根据设定的稀释倍数将样品加去离子水稀释，利用振动使样品均匀的分散在水相中，采用梯度稀释法，先在0.1ml样品中加9.9ml去离子水配置成1:10的稀释样品，振动均匀后再将1:10的稀释样品加9.9ml的去离子水配置成1:100的稀释样品，根据需求梯度稀释，将目标稀释样品送至样品检测系统（3）进行检测。

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