CN115184441A - 一种发酵生产过程多通道酶电极在线检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发酵工程技术领域，具体涉及一种发酵生产过程多通道酶电极在线检测装置及方法。所述装置包括中央控制系统和多个信号采集系统；信号采集系统设置在发酵罐旁，多个信号采集系统分别与中央控制系统连接；信号采集系统包括取样器、第一取样阀、第二取样阀、稀释容器、反应容器、酶电极、废液容器和若干个泵；第一取样阀分别与取样器、泵二、泵三以及稀释容器连接；第二取样阀分别与泵二、泵四、泵五以及反应容器连接；泵三、泵四分别与稀释容器连接；酶电极固定在反应容器内壁上。本发明所述装置避免了常规在线仪器分析过程取样液体长距离的管道输送产生的流动阻力，使在线分析更准确、简单，测定周期短，运行更稳定。
Description
技术领域
本发明涉及发酵工程技术领域，具体涉及一种发酵生产过程多通道酶电极在线检测装置及方法。
背景技术
发酵生产过程是利用微生物生命代谢活动生产人们所需的各类物质的过程，通常在发酵罐等各类生物反应容器中进行。要实现对生产过程的优化控制，首先要解决在线检测问题。目前，常规的化学或物理参数已经广泛地实现了发酵罐的在线检测，如温度、溶氧、pH、转速、压力等。如何建立生物反应过程控制的关键生化参数(底物、中间代谢产物和目标产物等)的在线检测技术与装备已成为生物工业普遍关注的问题。
酶电极是生物传感器的一种类型，常采用固定化酶和电化学电极组成。以固定化葡萄糖氧化酶酶电极为例，将酶固定在载体膜上制成酶膜，将酶膜贴在电极表面组成酶电极。也可直接将酶固定在电极表面方式制作酶电极。用酶电极检测发酵液样品的优势：1.特异性好。葡萄糖氧化酶能特异性识别和催化发酵液中的葡萄糖分子，然后转换为电信号，电信号大小与发酵液中葡萄糖含量有相关性。发酵样品的颜色、浊度对酶电极电信号没有影响，样品不需要脱色、过滤、分离等复杂预处理就可测定；2.分析速度快。20秒内就得到结果；3.测定成本低。固定化酶可重复使用上千次，而且酶反应体系为缓冲液，不需要特殊试剂；4.结果准确。精密度(RSD)2％以内，能满足定量分析要求；5.被测样品用量少(微升级)。因此，酶电极特别适合工业样品大批量、多批次连续检测，是发酵罐在线检测的理想工具。
将酶电极分析仪与发酵罐连接可进行在线检测，但酶电极所用分析元件不耐高温，无法进行高温灭菌，不能直接插入反应容器，多采用流动注射方式，即通过取样器将发酵罐内液体样品取出，再由样品液管道输送到到分析仪器中进行测定。国内外代表性产品有美国YSI2700在线生化分析仪、美国NOVA BIOMEDICAL多参数生化分析仪和中国SAB生物传感在线分析仪。其共同特点是通过无菌取样器从发酵罐或摇瓶中取出发酵液，经过管道将发酵液输送到仪器内部的样品室(稀释)，然后将定量的稀释样品液注射到检测器(反应容器、搅拌、酶电极)，样品中的被测物质(葡萄糖等)由检测器中的酶电极产生电信号，电信号大小与被测物浓度有相关性。控制系统按设定程序每隔一段时间自动采样、稀释、注射进样、结果计算及显示。
目前，基于上述酶电极的在线分析仪器已在实验室发酵罐或摇瓶中得到应用，但不能适应工业生产环境下在线检测的实际需求：(1)在线检测仪器通过液体管道与发酵罐(摇瓶)连接，取样器从发酵取出的样品液需要通过液体管道输送到仪器中进行测定。在发酵生产车间，发酵罐间隔距离不同，一般需要很长的液体管道才能将样品输送到化验室分析仪器中。由于发酵液粘性大，而液体输送管道直径小(毫米级)，会产生较大的流动阻力(Flow resistance)，对驱动泵和管道密封要求高，且每次取样后管道的清洗相对繁琐，易导致仪器运行不稳定，人工维护工作量大；(2)多个发酵罐或摇瓶取出的样品共用一个反应容器，必须“轮流”取样和检测，发酵罐或摇瓶越多，检测周期越长，不能实现生产过程对多个反应容器的同步检测和精准调控。(3)发酵液取样、稀释、进样均采用精密注射泵和机械手臂移动送样，在震动、潮湿工业环境(非实验室环境)下的运行稳定性差。(4)一般生产车间有很多发酵罐，如果每个发酵罐都配备一台在线检测仪器，投资成本高，而且每台仪器的检测数据需要再次传送到集控室进行集中处理。
发明内容
为解决以上所述问题，本发明提供一种发酵生产过程多通道酶电极在线检测装置及方法，本发明所述装置避免了常规在线仪器分析过程取样液体长距离的管道输送产生的流动阻力，使在线分析架构更简单、准确，测定周期短，运行更稳定，大大降低维护工作量。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明第一方面，提供一种发酵生产过程多通道酶电极在线检测装置，所述装置包括中央控制系统和多个信号采集系统；信号采集系统设置在发酵罐旁，多个信号采集系统分别与中央控制系统连接；
信号采集系统包括取样器、第一取样阀、第二取样阀、稀释容器、反应容器、酶电极、废液容器和若干个泵；第一取样阀分别与取样器、泵二、泵三以及稀释容器连接；第二取样阀分别与泵二、泵四、泵五以及反应容器连接；泵三、泵四分别与稀释容器连接；酶电极固定在反应容器内壁上；
第一取样阀和第二取样阀分别含有a、b、c、d、e、f六个阀芯，c、d阀芯之间连接一管道。
进一步地，稀释容器为圆柱形腔体，稀释容器上端设有溢流开口，溢流开口处插入稀释液取样管，底部设有进液口，搅拌器放置在稀释容器底部。
进一步地，反应容器上端设有液体溢出口，液体溢出口通过管线与废液容器连接，反应容器底部设有进液口，搅拌器放置在反应容器底部。
本发明第二方面，提供一种发酵生产过程多通道酶电极在线检方法，其特征在于，采用以上第一方面所述发酵生产过程多通道酶电极在线检测装置进行检测，具体包括以下步骤：
(1)打开第一取样阀，打开泵二，将缓冲溶液充入稀释容器；关闭第一取样阀，打开第二取样阀，将缓冲溶液充入反应容器；
(2)进行定标：关闭泵二，打开泵五，将标准溶液充满第二取样阀c、d阀芯之间的管道后，关闭泵五，打开泵二，将第二取样阀内的标准液注入反应容器；关闭泵二，打开搅拌器，记录酶电极响应信号；中央控制系统对酶电极响应信号进行分析，判断酶电极活性是否达到要求；并对酶电极响应信号进行定标；定标结束后，打开泵二，关闭搅拌器，对反应容器进行清洗；
(3)样品测定：打开取样器和第一取样阀，将发酵液样品充满c、d阀芯之间的管道后；关闭取样器，打开泵二，将第一取样阀c、d阀芯之间管道内的发酵液样品注入稀释容器，并对发酵样品进行稀释；稀释结束后，关闭泵二和第一取样阀，打开泵四和第二取样阀，将发酵液稀释样品充满第二取样阀c、d阀芯之间的管道后；关闭泵四，打开泵二，缓冲液将第二取样阀c、d阀芯之间管道内发酵液稀释样品充入反应容器内进行反应，中央控制系统对酶电极响应信号进行分析。
进一步地，在步骤3中，发酵液样品进行第一次稀释后，若浓度过高需要再次进行稀释时，打开泵三，将第一取样阀内a、b、c、d阀芯连接，稀释容器内的样品充满阀芯c、d之间的管道，关闭泵三，打开泵二，将第一取样阀内e、f阀芯连接，稀释容器内的溶液全部排入到废液容器内，并利用缓冲溶液对稀释容器进行彻底清洗；将第一取样阀内c、d、e、f阀芯连接，打开泵二，缓冲液将c、d阀芯之间管道内的第一次稀释后的样品再次充入到稀释容器内进行稀释；重复以上步骤，直至发酵液样品的浓度符合检测要求。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
本发明所述装置中信号采集系统在发酵罐旁，可通过电缆将电信号传输到中央控制系统，避免了常规在线仪器分析过程取样液体长距离的管道输送(流动阻力)，使在线分析架构更简单，测定周期短，运行更稳定，大大降低维护工作量。
本发明所述装置能够实现对样品的精准稀释，且整个采样系统结构简单，操作溶液。液体处理全部在管道内完成，使在线检测系统具有更高的抗震、抗潮湿等环境适应性能。信号采集系统体积小、精度高、成本低，易于车间设备组网控制。
中央控制系统可与多个信号采集系统连接，可实现多个发酵罐同步在线检测，节约系统构建成本。
附图说明
图1为本发明一具体实施例所述发酵罐多通道酶电极在线检测装置示意图；
图2为图1所述信号采集系统的结构示意图；
图3为图2所示信号采集系统进行样品稀释时的结构示意图；
图4为常规酶电极分析仪在线检测示意图。
1.取样器，2.泵二，3第一取样阀，4.泵三，5.稀释容器，6.泵四，7.第二取样阀，8.反应容器，9.泵五，10.废液容器，11.酶电极。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”、“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作以及它们的组合。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
如图1-图3所示，所述发酵生产过程多通道酶电极在线检测装置包括中央控制系统和多个信号采集系统；信号采集系统设置在发酵罐旁，多个信号采集系统分别与中央控制系统连接；
信号采集系统包括取样器、第一取样阀、第二取样阀、稀释容器、反应容器、酶电极、废液容器和若干个泵。
第一取样阀3分别与取样器1、泵二2、泵三4以及稀释容器5连接；第二取样阀7分别与泵二2、泵四6、泵五9以及反应容器8连接；泵三4、泵四6分别与稀释容器5连接；酶电极11固定在反应容器8内壁上；
第一取样阀3和第二取样阀7分别含有a、b、c、d、e、f六个阀芯，c、d阀芯之间连接一管道。
稀释容器5为圆柱形腔体，稀释容器5上端设有溢流开口，溢流开口处插入稀释液取样管，底部设有进液口，搅拌器放置在稀释容器5底部。
反应容器8上端设有液体溢出口，液体溢出口通过管线与废液容器11连接，反应容器8底部设有进液口，搅拌器放置在反应容器8底部。
实施例2
一种发酵生产过程多通道酶电极在线检方法，所述方法采用实施例1所述发酵生产过程多通道酶电极在线检测装置进行检测，具体包括以下步骤：
(1)打开第一取样阀3，打开泵二2，将缓冲溶液充入稀释容器5；关闭第一取样阀3，打开第二取样阀7，将缓冲溶液充入反应容器8；
(2)进行定标：关闭泵二2，打开泵五9，将标准溶液充满第二取样阀7内c、d阀芯之间的管道后，关闭泵五9，打开泵二2，将第二取样阀7内的标准液注入反应容器8；关闭泵二2，打开搅拌器，记录酶电极响应信号；中央控制系统对酶电极响应信号进行分析，判断酶电极活性是否达到要求；并对酶电极响应信号进行定标；定标结束后，打开泵二2，关闭搅拌器，对反应容器进行清洗；
(3)样品测定：打开取样器1和第一取样阀3，将发酵液样品充满第一取样阀3内c、d阀芯之间的管道后；关闭取样器1，打开泵二2，将第一取样阀3内c、d阀芯之间管道内的发酵液样品注入稀释容器5，并对发酵样品进行稀释；稀释结束后，关闭泵二2和第一取样阀3，打开泵四6和第二取样阀7，将发酵液稀释样品充满第二取样阀7内c、d阀芯之间的管道后；关闭泵四6，打开泵二2，缓冲液将第二取样阀7内c、d阀芯之间管道内发酵液稀释样品充入反应容器8内进行反应，中央控制系统对酶电极响应信号进行分析。
发酵液样品进行第一次稀释后，若浓度过高需要再次进行稀释时，打开泵三4，将第一取样阀3内a、b、c、d阀芯连接，稀释容器内的样品充满阀芯c、d之间的管道，关闭泵三4，打开泵2，将第一取样阀3内e、f阀芯连接，稀释容器5内的溶液全部排入到废液容器10内，并利用缓冲溶液对稀释容器进行彻底清洗；将第一取样阀3内c、d、e、f阀芯连接，打开泵二2，缓冲液将c、d阀芯之间管道内的第一次稀释后的样品再次充入到稀释容器5内进行稀释；重复以上步骤，直至发酵液样品的浓度符合检测要求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种发酵生产过程多通道酶电极在线检测装置，其特征在于，包括中央控制系统和多个信号采集系统；信号采集系统设置在发酵罐旁，多个信号采集系统分别与中央控制系统连接；
信号采集系统包括取样器、第一取样阀、第二取样阀、稀释容器、反应容器、酶电极、废液容器和若干个泵；第一取样阀分别与取样器、泵二、泵三以及稀释容器连接；第二取样阀分别与泵二、泵四、泵五以及反应容器连接；泵三、泵四分别与稀释容器连接；酶电极固定在反应容器内壁上；
第一取样阀和第二取样阀分别含有a、b、c、d、e、f六个阀芯，c、d阀芯之间连接一管道。
2.根据权利要求1所述发酵生产过程多通道酶电极在线检测装置，其特征在于，稀释容器为圆柱形腔体，稀释容器上端设有溢流开口，溢流开口处插入稀释液取样管，底部设有进液口，搅拌器放置在稀释容器底部。
3.根据权利要求1所述发酵生产过程多通道酶电极在线检测装置，其特征在于，反应容器上端设有液体溢出口，液体溢出口通过管线与废液容器连接，反应容器底部设有进液口，搅拌器放置在反应容器底部。
4.一种发酵生产过程多通道酶电极在线检方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述发酵生产过程多通道酶电极在线检测装置进行检测，具体包括以下步骤：
(1)打开第一取样阀，打开泵二，将缓冲溶液充入稀释容器；关闭第一取样阀，打开第二取样阀，将缓冲溶液充入反应容器；
(2)进行定标：关闭泵二，打开泵五，将标准溶液充满第二取样阀c、d阀芯之间的管道后，关闭泵五，打开泵二，将第二取样阀内的标准液注入反应容器；关闭泵二，打开搅拌器，记录酶电极响应信号；中央控制系统对酶电极响应信号进行分析，判断酶电极活性是否达到要求；并对酶电极响应信号进行定标；定标结束后，打开泵二，关闭搅拌器，对反应容器进行清洗；
(3)样品测定：打开取样器和第一取样阀，将发酵液样品充满c、d阀芯之间的管道后；关闭取样器，打开泵二，将第一取样阀c、d阀芯之间管道内的发酵液样品注入稀释容器，并对发酵样品进行稀释；稀释结束后，关闭泵二和第一取样阀，打开泵四和第二取样阀，将发酵液稀释样品充满第二取样阀c、d阀芯之间的管道后；关闭泵四，打开泵二，缓冲液将第二取样阀c、d阀芯之间管道内发酵液稀释样品充入反应容器内进行反应，中央控制系统对酶电极响应信号进行分析。
5.根据权利要求4所述发酵生产过程多通道酶电极在线检方法，其特征在于，在步骤3中，发酵液样品进行第一次稀释后，若浓度过高需要再次进行稀释时，打开泵三，将第一取样阀内a、b、c、d阀芯连接，稀释容器内的样品充满阀芯c、d之间的管道，关闭泵三，打开泵二，将第一取样阀内e、f阀芯连接，稀释容器内的溶液全部排入到废液容器内，并利用缓冲溶液对稀释容器进行彻底清洗；将第一取样阀内c、d、e、f阀芯连接，打开泵二，缓冲液将c、d阀芯之间管道内的第一次稀释后的样品再次充入到稀释容器内进行稀释；重复以上步骤，直至发酵液样品的浓度符合检测要求。
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