CN114518240A - 一种在线样品分析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在线样品分析装置，包括取样补料系统、样品处理与检测系统及总控系统，其中，所述取样补料系统，其用于生物反应器的取样补料，包括由动力源、管道及管道控制阀组成的取样补料模块和送样模块；所述样品处理与检测系统，其用于对样液的稀释与检测，包括由原液池、稀释池、移液平台构成的样品处理模块，由光电检测组件、离子检测组件、酶膜检测组件构成的检测分析模块，及连接各组件的管道、管道控制阀、动力源；所述总控系统，其用于对在线样品分析装置中的各系统进行控制，使检测误差均控制在1%以内。
Description
技术领域
本发明属于一种生物反应过程在线样品分析装置领域，具体涉及微生物发酵用的一种在线样品分析装置。
背景技术
生物在线反应过程是一个时变、非线性的、复杂的动态变化过程。尽管现在生物技术在基因工程和代谢工程领域取得了巨大的进步，通过诱发变异、基因重组和培养能够得到高产菌株，然而通过优化控制使发酵过程产品生产最优仍是发酵工程领域中存在的主要问题之一，因此，对生物在线反应过程优化控制技术及智能化监控系统的研究日益受到重视。
当前在线检测设备有很多，主要是针对温度、pH、溶氧等物理化学参数，这些检测设备可以直接放入生物在线反应器如发酵罐中，直接测得相关参数。但是，反应过程中许多参数如还原糖、有机酸、合成中间体等是不能直接检测的，主要是检测设备不适于放在生物在线反应器中，或者待测物质的浓度不在检测范围。
专利文献CN 208314001 U于2018年5月15日公开了一种全自动生物过程分析仪的流路系统，其包括，包括用于定量采集和运输液体的采样组件、用于清洗采样针的外壁采样针清洗组件、用于为采样组件提供标准液的标准液组件、用于检测采样组件运输的待测样本的测试组件、以及样本盘，采样组件包括采样针和用于控制采样针移动的采样架，采样组件的采样入口与第一清水池连通，标准液组件的标准液出口及测试组件的测试出口均与废液池连通。该文献提供的全自动生物过程分析仪的流路系统，实现自动化的定量定标和进样，保证分析仪使用的重复性。然而在实验实际操作中，样液检测很难仅一次稀释就能满足检测限要求，易因稀释池或者管道中残留液体造成检测误差，还不能适用于多联罐同时检测。
专利文献CN 111289295 A于2018年12月6日公开了一种用于生物反应过程在线取样检测装置，其包括取样留样模块和反应检测模块两大功能模块，以及对反应检测数据进行收集和信息处理与反馈的控制系统。该发明适于生物反应在线检测，但对于体积较大的液样，易因残留、稀释操作造成误差，也不能适用于多联罐同时检测。
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，本发明提供了一种在线样品分析装置。
本发明采用的技术方案如下：
一种在线样品分析装置，包括取样补料系统、样品处理与检测系统及总控系统，其中，所述取样补料系统，其用于生物反应器的取样补料，包括由动力源、管道及管道控制阀组成的取样补料模块和送样模块；所述取样补料模块包括取样模块、补料模块，取样模块用于从生物反应器中取样，补料模块用于向生物反应器中补料；送样模块用于送样及对管道的清洗消毒；所述样品处理与检测系统，其用于对样液的稀释与检测，包括由原液池、稀释池、移液平台构成的样品处理模块，由光电检测组件、离子检测组件、酶膜检测组件构成的检测分析模块，及连接各组件的管道、管道控制阀、动力源；所述总控系统，其用于对在线样品分析装置中的各系统进行控制，使检测误差均控制在1%以内。
优选的，所述取样模块，至少包括一个动力源I及与其相连的管道，所述管道一端接生物反应器，另一端分两条支路管道分别与生物反应器和送样模块主管道连接；所述补料模块，至少包括一个动力源II及与其相连的管道，所述管道一端接生物反应器，另一端接补料瓶，动力源II为补料模块提供动力。
优选的，至少包括一个动力源III及与其相连的管道；所述管道包括一条送样主管道和多条支路管道，其送样主管道上游接送样模块多条支路管道，中间接取样模块，下游接取样容器、废液容器、分析装置中的一种或多种，其支路管道另一端分别进无菌气体和清洗消毒用液体，所述送样模块管道动力由动力源III提供。
优选的，所述管道上均设有管路控制阀，其用来控制管道的工作状态，所述管路控制阀为电磁阀或夹断阀中的一种，进一步优选的，取样补料模块管路控制阀为夹断阀。
优选的，所述样品处理模块中的原液池、稀释池固定在同一支架上，所述稀释池为两个，分别为稀释池I、稀释池II，样液在原液池、稀释池I、稀释池II间的转移通过移液平台实现。
进一步优选的，所述移液平台包括移动支架、移液注射器；所述移液注射器的下端接1mL、5 mL或10mL的枪头或吸样针。
优选的，所述原液池上接送样主管道、纯化水管道、排废液管道；所述稀释池I、稀释池II上均设有纯化水管道、排废液管道、高压气体管道，以及与检测组件相连的管道。
进一步优选的，所述稀释池I、稀释池II均为定容结构的稀释池，其均设有定容管道。
优选的，所述管道的内径为0.1-15 mm，进一步优选0.5-5 mm。
优选的，为所述管道提供动力的为注射泵、蠕动泵、隔膜泵、柱塞泵和/或气泵；进一步优选的，所述动力源I、动力源II、动力源III为注射泵、蠕动泵、隔膜泵和/或柱塞泵，进一步优选为蠕动泵。
优选的，所述管道上均设有管路控制阀，其用来控制管道开合状态。
优选的，所述光电检测组件通过光纤光谱仪进行检测。进一步优选的，所述光电检测组件包括光纤光谱仪、注射泵，所述光纤光谱仪检测探头设置在注射泵上。
进一步优选的，所述光电检测组件检测为350~800 nm全波段检测范围。
优选的，所述酶膜检测组件为葡萄糖酶膜、乳酸酶膜、谷氨酸酶膜、赖氨酸酶膜中的一种或几种。
进一步优选的，所述酶膜检测组件的检测范围为葡萄糖：1~100g/L，木糖：1~100g/L，乳酸：1~100g/L，赖氨酸：1~100g/L，谷氨酸：1~14g/L，乙醇：1~100g/L。
优选的，所述离子检测组件为pH电极、氨离子电极、钠离子电极、钾离子电极、钙离子组件中的一种或几种。
优选的，所述离子检测组件的检测范围为pH：0~14，氨氮：0.1~3000 mg/L，钠离子：0.5~3000 mg/L，钾离子：0.5~3000 mg/L，钙离子：0.2~18000 mg/L。
优选的，总控系统包括控制器和PC机显示操控系统，所述控制器分别连接取样补料系统、样品处理与检测系统，所述PC机显示操控系统显示操作步骤信息并对检测数据进行储存与分析。
优选的，所述取样补料模块设置在箱体I中形成一个独立的取样补料结构单元，所述箱体I上设置通讯端口。
优选的，所述送样模块设置在箱体II中形成一个独立的送样结构单元，箱体II上设置有通讯端口和电源接头。
优选的，所述所述样品处理与检测系统中样品处理模块、光电检测组件、酶膜检测组件设置在箱体III中，离子检测组件单独设置于箱体IV中，箱体III上还设置有控制器、PC机显示操控系统，所述PC机显示操控系统显示操作液样动作、液样检测的实时数据及数据分析曲线。
进一步优选的，所述样品处理与检测系统、总控系统均设置在箱体V中，箱体V上的PC机显示操控系统，所述PC机显示操控系统显示操作液样动作、液样检测的实时数据及数据分析曲线。
本发明装置采用主管路与分支管路相结合的方式取样检测，减少死体积，方便自动清洗，还有利于同时进行“一拖多”连接多个生物反应器的取样检测；全自动、时效性高、取样体积小，可避免因取样体积过多影响整个发酵系统；根据实时发酵参数的情况，实现底物的精确控制流加等，提高发酵过程控制效率，为发酵过程优化和工艺放大提供数据支撑。
附图说明
图1为本发明一种在线取样分析装置结构示意图；
图2为本发明一种在线取样分析装置取样补料系统一实施例的结构示意图；
图3为本发明一种在线取样分析装置取样补料模块一实施例的结构示意图；
图4为本发明一种在线取样分析装置送样模块一实施例的结构示意图；
图5为本发明一种在线取样分析装置送样模块另一实施例的结构示意图；
图6为本发明一种在线取样分析装置取样补料系统另一实施例的结构示意图；
图7为本发明一种在线取样补料系统取样补料模块另一实施例的结构示意图；
图8为本发明一种在线样品分析装置样品处理与检测系统一实施例结构示意图；
图9为本发明一种在线样品分析装置样品处理与检测系统一实施例结构立体图；
图10为本发明一种在线样品分析装置样品处理与检测系统一实施例结构立体图；
图11为本发明一种在线样品分析装置离子检测组件一实施例结构示意图；
图12为本发明一种在线样品分析装置移液平台结构一实施例示意图；
图13为本发明一种在线样品分析装置样品处理与检测系统另一实施例结构立体图；
符号说明：
20.取样补料系统；30.样品处理与检测系统；40.总控系统；
1.取样补料模块；2.送样模块；3.取样模块；4.补料模块；5.动力源I；6.动力源II；7.动力源III；8、9、10、11、12管路控制阀；13.生物反应器；14.补料瓶；15取样容器；16、17、18容器瓶；19.送样主管道；
31.样品处理模块；311原液池；312稀释池I；313稀释池II；314移液平台； 315移液注射器；316枪头或吸样针；317三维移动支架；
32.检测分析模块；321光电检测组件；322离子检测组件；323酶膜检测组件；324标准液池；325酶膜反应池；326纯化水管道；327排废液管道；328高压气体管道；329纯化水瓶；330废液瓶；331缓冲液瓶；332多通道阀；333注射泵；334第一旋转移液平台；335第二旋转移液平台；第一旋转轨迹336；第二旋转轨迹337；
33.电源接口；34.数据接口；35.USB接口；36.散热窗口；37.管道控制阀；38.管路接口；39 PC机显示操控系统。
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。
一种在线样品分析装置，包括取样补料系统20、样品处理与检测系统30及总控系统40，如图1所示。
在一实施方式中，取样补料系统20，包括取样补料模块1、送样模块2，如图1、图2所示，其中，取样补料模块1包括取样模块3和补料模块4。
在一实施方式中，取样模块3，包括动力源I 5及与其相连的管道，所述取样模块管道一端接生物反应器13，另一端经取样动力源I 5分成两条支路管道。所述两条支路管道分别与生物反应器13和送样主管道19连接，其管道开合分别由管路控制阀8、9控制。
本发明中，取样动力源I 5为非接触式动力源，为管道中液体提供驱动力。在一具体实施方式中，取样动力源I 5为蠕动泵。所述取样动力源I 5及其连接的管道，该结构可以是一个，也可以是多个，其数量不做限制。例如，多个生物反应器，包括多联发酵罐，可设置多个取样动力源I 5及与其相连的管道，每个取样动力源及其相连的管道与一个生物反应器相连。
在一实施方式中，取样补料模块管路控制阀8、9为非接触式控制阀。在一具体实施方式中，管路控制阀8、9为夹断阀，可避免与液样接触。进一步，所述取样系统管道中的液样不与取样动力源、管道控制阀直接接触，避免生物反应器中反应液的污染。
本发明中，所述取样模块3支路管道为T型管道结构，如图2所示，T型管道结构主管道一端通过动力源I 5接生物反应器13，两分支管道端分别接生物反应器13、送样模块2送样主管道，形成一个“生物反应器-取样动力源-生物反应器”的循环回流的闭环结构和“生物反应器-取样动力源-取样容器和/或废液瓶”的开环结构。由于生物反应过程是一个动态的过程，每个时间点的液样参数都不尽相同，因此需要实时取样掌控生物反应的动态变化。然而在实验操作中，并非整个生物反应过程中不间断地取样，常常采用定时取样去检测生物反应液的瞬时参数，因此取样具有代表性且能避免污染和浪费就至关重要。本发明在非取样状态下，取样动力源即蠕动泵I 5、夹断阀8与生物反应器13形成常态化的闭环结构；取样时，生物反应器13、蠕动泵I 5、夹断阀9、取样容器15形成开环结构，所取液样具有为实时样液、具代表性，并且还能有效避免浪费。当然，样液进入取样容器15是实施的一种方式，还可以废液容器、分析装置中的一种或多种；若需先对管道进行润洗再取样，润洗用的发酵液可入废液瓶中。本发明中，取样容器15为原液池311。
在一实施方式中，补料模块4至少包括一个动力源II 6及其管道，其数量不限，可根据需要选择合适的数量。在一具体实施方式中，如图2和图3所示，补料模块4包括两个动力源II 6及其对应连接的管道，其管道一端接生物反应器，另一端接补料瓶，动力源II 6分别为对应管道内的液体流动提供动力。动力源II 6为非接触式动力源，在一实施方式中为蠕动泵。
现有技术中，发酵补料装置普遍体积大、占地面积大、操作复杂，但不易有效控制多种物料的浓度及用量。本发明中，将补料模块与取样模块结合在一起，当生物反应器中的反应液的参数指标如OD、残糖量等到达设定补料值时，开启补料模块，使生物反应器中液体量维持在设定范围，有利于提高生物反应的效率。
在一实施方式中，如图3所示，所述取样模块3、补料模块4设置在一个箱体I中形成一个独立的取样补料结构单元，所述箱体I上设置通讯端口。箱体I的长*宽*高为（250-280）mm*（230-260）mm*（160-520）mm。在一具体实施方式中箱体I的长*宽*高为270mm*240mm*176mm，该模块结构简单紧凑，方便移动，安全、维护方便，尤其适于小流量液的补加，成本低，实用性强；此外，简单紧凑还有一重要优势，即易与生物反应器靠近，有效减少其与生物反应器的距离，保证取样的代表性、减少死体积及污染风险。
本发明中，所述送样模块2，其用于送样及对管道的清洗消毒，至少包括一个动力源III及与其相连的管道，如图2所示；所述管道包括一条送样主管道和多条支路管道，其送样主管道上游接送样模块多条支路管道，中间接取样模块一条支路管道用于取样送样，下游接取样容器、废液容器和/或分析装置，当完成取样，需要对管道进行清洗消毒，下游接的容器用于装废液。
在一实施方式中，送样模块2的送样主管道上游接送样模块的多条分支管道，所述分支管道的另一端分别连接无菌气体或清洗消毒用液体，其管道动力源由动力源III 7提供。所述动力源III为注射泵、蠕动泵、隔膜泵和/或柱塞泵。一具体实施方式中，所述动力源III为蠕动泵，如图4所示。送样模块2支路管道中输送送样驱动用的无菌常压气体、清洗和/或消毒用的液体、管道干燥用的高压无菌气体。一实施方式中，所述送样模块多条支路管道为3条，3条支路管道通过夹断阀10、夹断阀11、夹断阀12分别连接无菌高压气体、无菌常压气体、纯化水，其中无菌常压气体、纯化水由动力源III驱动。所述无菌高压气体、无菌常压气体、纯化水可以分别用容器装，如图2中容器瓶16、容器瓶17、容器瓶18盛装，也可以直接通过管道传输。一具体实施方式中，所述无菌高压气体和无菌常压气体分别为无菌高压空气和无菌常压空气，可以不用容器盛装，例如无菌低压空气可以是管道上设置无菌滤膜而获得，无菌高压空气可以是管道直接与无菌高压空气产生装置相连。取样时，蠕动泵I 5定量控制所取的液样进入送样主管道中，然后开启夹断阀11，无菌常压气体将所取的样品吹送到样品处理与检测系统30的原液池311中。完成取样后，进行送样主管道的清洁消毒操作，先关闭夹断阀11同时开启夹断阀12，用纯化水将管道进行清洗或润洗，清洗完成后，关闭夹断阀12同时开启夹断阀10用高压空气将管道中的液体吹干，然后进行下一轮取样。在另一具体实施方式中，送样模块多条支路管道为4条，在上述的3条支路管道的基础上增加一条管道，如在夹断阀10和夹断阀11间加输送消毒试剂支路，进次氯酸酸溶剂、75%乙醇等消毒溶液，其具体操作步骤可以在清洗操作后增加消毒操作，然后再进行润洗，最后进行管道干燥。当然，管道的排布结构可根据需要调整，操作符合清洗消毒逻辑，此外，可根据需要再进一步增加支路管道。
在另一实施方式中，所述送样模块多条支路管道由电磁阀控制，如图5所示，其他的连接方式与操作方式如上述采用夹断阀的送样模块一致。
在一具体实施方式中，所述送样模块2设置在箱体II中形成一个独立的送样结构单元，箱体II上设置有通讯端口和电源接头。在一具体实施方式中箱体II的长*宽*高为（122-600）mm*（93-400）mm*（135-270）mm。在一具体实施方式中，送样模块多条支路管道为3条，箱体II的长*宽*高为270 mm*240mm*176 mm，该模块结构简单紧凑，可以根据消毒管道及其控制阀的数量灵活调整箱体大小，方便维护，同时有利于取样补料模块的组合拓展。
在一实施方式中，生物反应过程常常需几个生物反应器同时进行，一旦需要流加补料即多个生物反应器同时进行取样补料操作，将需要耗费大量的人力。针对多个生物反应器且其间距离较近，可以采用一个取样补料模块和一个送样模块的在线取样补料系统即可，其中，取样补料模块中含有多个动力源I及与其相连的管道，及多个动力源II及与其相连的管道即可。针对多个生物反应器且其间距离较远的，可以采用“一拖多”的在线取样补料系统即用多个取样补料模块和一个送样模块，如图6所示，采用“一拖三”的在线取样补料系统即一个送样模块如图4或5所示和三个取样补料模块如图3所示，当然还可以采用一个送样模块，多个取样补料模块即取样补料模块数量不受限制，优选3-8个取样补料模块，同时连接3-8个发酵罐。在生物反应中，时常也会进行多联罐发酵，如4联发酵罐，为了让取样补料模块更加紧密，使设备材质和空间利用度更大，取样补料模块中，含多个独立的取样模块和补料模块，如图7所示。
样品处理与检测系统30，包括样品处理模块31、检测分析模块32，如图1所示。
液样在原液池311、稀释池I 312和稀释池II 313间的转移通过移液平台实现。
在一实施方式中，如图8所示所述移液平台包括三维移动支架314、与三维移动支架相连接的移液注射器315，所述移液注射器315下端接1mL、5 mL或10mL的枪头或吸样针316。原液池311、稀释池I 312和稀释池II 313位于移液平台下方，移液平台的移液注射器315通过沿着稀释池I 312和稀释池II 313线性方向来回运动，在原液池或稀释池中取样或加样。
在一具体实施方式中，所述三维移动支架317包括沿着横向X轴移动的切换机构I及其X轴电机、沿着纵向Z轴移动的切换机构II及其Z轴电机，原液池311、稀释池I 312和稀释池II 313设置在移液注射器315沿着X轴运动的正下方。为了方便原液池311、稀释池I312和稀释池II 313固定放置，将其设置在同一支架上，位移的距离由切换机构I和切换机构II控制，且其上均设有位置感应器，以便精准控制位移，促使移液注射器315精确定位。具体的，移液平台314上的移液注射器315沿着原液池311、稀释池I 312、稀释池II 313的水平方向即切换机构I的X轴移动，当定位到原液池311、稀释池I 312或稀释池II 313正上方时，停止运动，此时移液注射器315沿着Z轴方向向下移动，当枪头或吸样针316进入原液池311、稀释池I 312或稀释池II 313中，定量吸取或注入液样。
在另一具体实施方式中，所述移液平台包括第一旋转移液平台334、第二旋转移液平台335，其移液管道分别随第一旋转移液平台334、第二旋转移液平台335旋转定位移液。
进一步具体的，如图12所示，第一旋转移液平台第一旋转轨迹336和第二旋转移液平台第二旋转轨迹337相交处设有稀释池I 312、稀释池II 313，第一旋转轨迹336上还设有原液池311，第二旋转轨迹337上还设有酶膜反应池325和标准液池324，该结构紧密，增加了空间利用度。
本发明中，第一旋转移液平台334、第二旋转移液平台335的移样口均设置有1mL、5mL或10mL的枪头或吸样针。所述枪头或吸样针随着第一旋转移液平台334、第二旋转移液平台335沿其垂直轴方向旋转。当枪头或吸样针随着第一旋转移液平台334、第二旋转移液平台335达到原液池311、稀释池312、稀释池313、酶膜反应池325或标准液池324时，再沿着第一旋转移液平台334、第二旋转移液平台335轴方向向下运动，使枪头或吸样针浸入液样中，取样或送样。
在一具体实施方式中，所述移液注射器315下端接1mL、5 mL、10mL的枪头或吸样316，枪头或吸样针及其尺寸选择，根据吸取样液的体积选定。为加速稀液样的混合，其操作可通过移液枪头或吸样针吹打，或者通过磁力搅拌器混匀。本发明中，在稀释池I 312和稀释池II 313下方设置有磁力搅拌器。
在常规的化学和生物等分析检测实验中，常常需对液样稀释后分析检测。其稀释的目的在于使检测的液样达到检测限的范围。本发明中，通过设置多个稀释池实现样液梯度自动稀释，提高稀释精确度，减少稀释误差。本发明一具体实施方式，设置稀释池数量为两个，分别为稀释池I 312和稀释池II 313。
本发明一实施方式中，稀释池I 312或稀释池II 313为梯度稀释池，稀释池I 312或稀释池II 313对液样的稀释倍数分别是10-50倍，100-500倍。在一具体实施方式中，其分别稀释10倍、100倍，其稀释操作为：通过纯化水管道326进18 mL纯化水如稀释池I 312，用移液注射器枪头316从原液池311中取2 mL液样入稀释池I 312中，磁力搅拌器混匀；同样的方法进纯化水和从稀释池I 312取2 mL液样入稀释池II 313中，磁力搅拌器混匀。
本发明中，所述纯化水为纯净水、无菌水、去离子水、双蒸水或者超纯水，根据实验需要选用。此外，在特定实验中，也可采用稀释溶剂替代纯化水，还可采用其他稀释用溶剂，只要实验条件允许即可。本发明中采用无菌水。
稀释池I 312、稀释池II 313的纯化水用量根据纯化水管道动力源和管道控制阀共同作用控制，如图8所示。稀释中，纯化水管道所进纯化水用作稀释溶剂，完成稀释后，纯化水用于清洗管道和原液池、稀释池。
具体的，图8中原液池、稀释池中进纯化水管道均为独立管道，其纯化水用量分别由其独立的动力源和管道控制阀控制。
另一具体实施方式中，稀释池I 312、稀释池II 313为定容结构的稀释池，其池身设有定容管道。稀释池定容体积大小可根据尺寸定制，其中一种方式如稀释池的结构和外径一样，可通过改变内径大小改变稀释池内容积大小；也可以根据需要，定制成不同结构和外径的稀释池，从而对应改变内径及容纳液体的体积。本实施方式中，原液池311、稀释池I312、稀释池II 313共用一条纯化水管道，稀释池中纯化水用作稀释溶剂的量根据定容结构来实现，当进入的纯化水量大于定容体积时，纯化水从定容管道溢出。
在一实施方式中，定容稀释池I 312、定容稀释池II 313对液样的稀释倍数分别是10-50倍，100-500倍。在一具体实施方式中，定容稀释池I 312、定容稀释池II 313分别对原液样稀释20、400倍。
样品处理模块31中稀释池可以是2个，也可以是多个，数量不做限制，其用于液样的梯度稀释即可。通过样品处理模块31完成液样稀释混匀，稀释池中的液样通过管道进入光电检测组件321、酶膜检测组件323、离子检测组件322进行检测分析；上述管道上均设置有管道控制阀。所述光电检测组件321包括光纤光谱仪、注射泵333，注射泵333上设置有光纤光谱仪检测探头，可以基于激光系统来检测液样的光电检测指标。酶膜检测组件323通过在检测池中设置酶膜电极进行酶膜检测，所述酶膜可以为葡萄糖酶膜、乳酸酶膜、谷氨酸酶膜、赖氨酸酶膜中的一种或几种。离子检测组件322通过在检测池中设置离子电极进行离子检测，所述电极可以为pH电极、氨离子电极、钠离子电极、钾离子电极、钙离子电极中的一种或几种。完成液样检测后，原液池、稀释池中剩余液样通过管道进入排废液管道327中，所述排废液管道327左端进入的是空气，其右端靠近废液瓶330处连接有动力源，所述动力源进一步为自吸泵，一具体实施例为蠕动泵。原液池、稀释池中液样排放完后，从纯化水管道326中进纯化水用于原液池、稀释池及其相关管道的清洗，清洗完毕后，再通过高压气体管道328进高压空气用于稀释池干燥。
进一步具体地，稀释池I 312或稀释池II 313进入光电检测组件321是通过多通道阀332实现的，如图8、图9所示，多通道阀332连接光电检测组件321、稀释池I 312、稀释池II313、标准液池324、排废液管道327、酶膜检测组件323，此外，多通道阀332上还设有与大气连通的阀门。
进一步具体的，光电检测时，旋转多通道阀332使标准液池324与光电检测组件321相连通，注射泵333从标准液池324中吸入标准液先润洗再定标，然后将部分标准液推入酶膜反应池325中，剩余标准液由注射泵333推入排废液管道327中；再从稀释池I 312或稀释池II 313中吸取样液润洗然后进行光电检测，完成检测后，将部分样液推入酶膜反应池325中，剩余样液由排废液管道327排出。
进一步具体地，酶膜检测时，进液样通过酶膜反应池上设的管道或者第二旋转移液平台进样，酶膜反应反应池还接有进缓冲液管道、排废液管道、定容管道。非工作状态时，酶膜反应池325中充满缓冲液，工作时将缓冲液通过其底部的排废液管排出，再进缓冲液活化酶膜，缓冲液进样量达到定容管道处即可，若高于定容管道，多余缓冲液从定容管道溢出，然后进定体积的标准液进行酶膜检测标定，检测完成后酶膜反应池中的液体从底部的排废液管道排出，然后进液样，其方法同标准液并进行检测，完成检测后，从缓冲液瓶331进缓冲液对反应池清洗，清洗3-4次后，再次将反应池中充满缓冲液，待下次液样检测。所述酶膜反应池325中设有酶膜检测电极，所述酶膜检测电极可以是葡萄糖酶膜、乳酸酶膜、谷氨酸酶膜、赖氨酸酶膜中的一种或多种。在本发明中也可以通过多通道阀332接设置不同酶膜的酶膜检测组件。所述酶膜检测组件323中的管道上均设有管道控制阀控制管道的开合，在缓冲液管道上还设有动力源。
进一步具体地，稀释池I 312、稀释池II 313上还接有连通至离子检测组件322的管道，所述离子检测组件包括离子检测池、电极，所述离子检测池设有进入液样的进样管道，进纯化水管道、排废液管道、定容管道、高压气体管道，以及连接离子低标溶剂的管道和离子高标溶剂的管道。所述离子检测池中设置有电极，电极为pH电极（pH 电极既可以用于检测pH，更重要其作为参比电极进行其他离子检测）以及其他检测电极，所述其他检测电为氨离子电极、钠离子电极、钾离子电极、钙离子电极中的一种或者多种，离子检测池分成若干相连通的小检测池，小检测池的数量为两个或多个，具体数量不做限制，电极置于各小检测池中，该结构有效节省检测样液和试剂。
在一具体实施方式中，酶膜反应池下方设有恒温模块，确保酶膜反应在恒温下进行；离子检测池中设有温度传感器，所述温度传感器用于软件计算时温度补偿。本发明中，动力源在一具体实施方式中均为蠕动泵，管道控制阀为电磁阀。
本发明中，所述管道为硅胶管、聚四氟乙烯管和/或有机塑料软管。在一具体实施方式中，输送液样的管道为聚四氟乙烯管，该材料的疏水性好，采用该材质的管道有可有效减少液样挂壁造成的浪费，增加取样准确度；其他管道采用的普通硅胶管或者有机塑料软管。
在一实施方式中，管道内径为0.1-15 mm；进一步优选0.5-5mm；管道的内径可以是完全一致的，也可以不是完全相同的，根据需要设定合理的内径大小，内径范围只要在设定值内即可。
为了实现检测自动化控制，本发明还包括用于控制进样的控制器，其通过对取样补料系统、送样模块中的管道动力源、管道控制阀，以及对原液池、稀释池I、稀释池II、样品移液平台、光电检测组件、酶膜检测组件、离子检测组件及其管道动力源、管道控制阀与总控系统相连，实现本发明在线取样分析装置的自动化控制。所述控制器包括通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，可以根据取样需求对控制单元进行编程设计。控制器接收到外部输入的稀释信号，包括样液稀释倍数、光电检测参数、离子检测参数、酶膜检测参数的设置，控制单元输出控制信号，控制动力源和管道控制阀，从而对液样进行合理倍数稀释，控制光电检测在350-800nm全波段进行检测，控制酶膜检测指标葡萄糖1~100g/L，木糖1~100g/L，乳酸1~100g/L，赖氨酸1~100g/L，谷氨酸1~14g/L，乙醇1~100g/L范围内检测，控制离子检测指标pH 0~14，氨氮0.1~3000 mg/L，钠离子0.5~3000mg/L，钾离子0.5~3000 mg/L，钙离子0.2~18000 mg/L范围内检测，并进行数据分析与储存。通过控制器控制上述指标检测误差控制在1%以内。
为方便操作人员对本发明装置的操作控制，本发明还包括PC机显示操控系统，如图10或图13所示，所述PC机显示操控系统39可以显示本发明系统的工作状况，例如：显示稀释倍数、检测参数及检测结果、清洗消毒工作的状态等。为方便操作，PC机显示操控系统为显示屏，进一步为可触摸显示屏，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。
在一实施方式中，本发明样品处理模块、光电检测组件、酶膜检测组件、控制器、PC机显示操控系统设置在箱体III中，如图9、图10所示，所述箱体外壁上设有电源接口、数据接口、USB接口、散热窗口、管道控制阀、管路接口，在一具体实施方式中，箱体III的长*宽*高为（450-550）mm*（600-700）mm*（600-700）mm，进一步为500 mm*620mm*660mm该模块结构简单紧凑，模块化清晰，方便日常管理与维护。离子检测组件设置于箱体IV中，在一具体实施方式中，箱体IV的长*宽*高为（250-280）mm*（250-350）mm*（250-400）mm，进一步为270mm*290 mm*346mm，如图11所示。
在一实施方式中，本发明样品处理与检测系统，包括样品处理模块、光电检测组件、酶膜检测组件、离子检测组件，以及总控系统均设置在箱体V中，箱体V的长*宽*高为（800-900）mm*（450-550）mm*（600-700）mm，进一步为860 mm*520 mm*670mm。
本发明装置采用主管路与分支管路相结合的方式取样检测，方便自动清洗，还有利于同时进行“一拖多”连接多个生物反应器的取样检测；全自动、时效性高、取样体积小，可避免因取样体积过多影响整个发酵系统；可同时进行多参数检测，实时显示罐内生物量、底物消耗和产物生成情况；根据实时发酵参数监测，实现底物的精确控制流加等，提高发酵过程控制效率，为发酵过程优化和工艺放大提供数据支撑。
工业实用性
本发明的一种智能在线取样分析装置可以在微生物发酵在线检测领域制造并使用。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
Claims (10)
1.一种在线样品分析装置，其特征在于，包括取样补料系统、样品处理与检测系统及总控系统，其中，
所述取样补料系统，其用于生物反应器的取样补料，包括由动力源、管道及管道控制阀组成的取样补料模块和送样模块；所述取样补料模块包括取样模块、补料模块，取样模块用于从生物反应器中取样，补料模块用于向生物反应器中补料；送样模块用于送样及对管道的清洗消毒；
所述样品处理与检测系统，其用于对样液的稀释与检测，包括由原液池、稀释池、移液平台构成的样品处理模块，由光电检测组件、离子检测组件、酶膜检测组件构成的检测分析模块，及连接各组件的管道、管道控制阀、动力源；
所述总控系统，其用于对在线样品分析装置中的各系统进行控制，使检测误差均控制在1%以内。
2.根据权利要求1所述的在线样品分析装置，其特征在于，
所述取样模块，至少包括一个动力源I及与其相连的管道，所述管道一端接生物反应器，另一端分两条支路管道分别与生物反应器和送样模块主管道连接；所述补料模块，至少包括一个动力源II及与其相连的管道，所述管道一端接生物反应器，另一端接补料瓶，动力源II为补料模块提供动力；
所述送样模块，至少包括一个动力源III及与其相连的管道；所述管道包括一条送样主管道和多条支路管道，其送样主管道上游接送样模块多条支路管道，中间接取样模块，下游接取样容器、废液容器、分析装置中的一种或多种，其支路管道另一端分别进无菌气体和清洗消毒用液体，所述送样模块管道动力由动力源III提供；
所述取样模块与送样模块的各支路管道上均设有管路控制阀，其用于控制对应管道的工作状态。
3.根据权利要求1所述的在线样品分析装置，其特征在于，所述样品处理模块中的原液池、稀释池固定在同一支架上，所述稀释池为两个，分别为稀释池I、稀释池II，样液在原液池、稀释池I、稀释池II间的转移通过移液平台实现。
4.根据权利要求3所述的在线样品分析装置，其特征在于，所述移液平台包括移动支架、移液注射器；所述移液注射器的下端接1mL、5 mL或10mL的枪头或吸样针。
5.根据权利要求3所述的在线样品分析装置，其特征在于，所述稀释池I、稀释池II均为定容结构的稀释池。
6.根据权利要求1所述的在线样品分析装置，其特征在于，所述光电检测组件包括光纤光谱仪、注射泵，所述光纤光谱仪检测探头设置在注射泵上。
7.根据权利要求1所述的在线样品分析装置，其特征在于，所述光电检测组件检测为350~800 nm全波段检测范围。
8.根据权利要求1所述的在线样品分析装置，其特征在于，所述酶膜检测组件为葡萄糖酶膜、乳酸酶膜、谷氨酸酶膜、赖氨酸酶膜中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的在线样品分析装置，其特征在于，所述离子检测组件为pH电极、氨离子电极、钠离子电极、钾离子电极、钙离子组件中的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的在线样品分析装置，其特征在于，总控系统包括控制器和PC机显示操控系统，所述控制器分别连接取样补料系统、样品处理与检测系统，所述PC机显示操控系统显示操作步骤信息并对检测数据进行储存与分析。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011299456.4A CN114518240A (zh) | 2020-11-18 | 2020-11-18 | 一种在线样品分析装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115184441A (zh) * | 2022-07-26 | 2022-10-14 | 山东艾科森特生物科技有限公司 | 一种发酵生产过程多通道酶电极在线检测装置及方法 |
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2020
- 2020-11-18 CN CN202011299456.4A patent/CN114518240A/zh active Pending
Cited By (1)
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| PB01 | Publication | ||
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Application publication date: 20220520 |