CN203965191U - 取样装置及具有该取样装置的生物反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种取样装置及具有该取样装置的生物反应装置，其中该取样装置用于对生物反应器中的反应物进行取样，其包括：加热冷却器；气体管道，穿过所述加热冷却器，一端连接于空气过滤器，另一端为排气口；第一夹管阀，设置于所述气体管道上，且位于所述空气过滤器和加热冷却器之间；第二夹管阀，设置于所述气体管道上，且位于所述加热冷却器和排气口之间；取样管道，穿过所述加热冷却器，一端位于生物反应器中，另一端为样品出口；第一蠕动泵，设置于所述取样管道上，且位于生物反应器和加热冷却器之间；第二蠕动泵，设置于所述取样管道上，且位于加热冷却器和样品出口之间；其中，所述气体管道与所述取样管道穿过所述加热冷却器的部分相通。

Description

取样装置及具有该取样装置的生物反应装置

技术领域

本实用新型涉及生物化学技术领域，且特别涉及一种取样装置及具有该取样装置的生物反应装置。

背景技术

生物反应器是利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，它是一种生物功能模拟机，如发酵罐、酶或细胞反应器等。在酒类、医药生产、浓缩果酱、果汁发酵、有机污染物降解方面有重要应用。

在生物反应器的生物培养过程中经常需要进行取样操作。该操作通常要满足无菌、取样量的控制与定量、多次取样的差异控制等方面的要求。

在现有技术中，

如中国专利，专利申请号：CN200520073106.0，其揭露了一种新型发酵自动取样阀，由液体入口、蒸汽入口、传动机构、取样口及控制阀门组成，其特征在于：在自动取样阀底部设置有带有控制器的伺服电机，蒸汽入口和取样口设在取样阀两侧，一端靠近液体入口，一端位于阀体下部，位于取样阀顶部的液体入口处的接口圆盘面设置了密封环形垫圈。

还如：如中国专利，专利申请号：CN201020102452.8，其公开了一种发酵罐专用取样阀，包括发酵罐、第一阀和第二阀，所述第一阀的进口与发酵罐相连通，第一阀的出口与第二阀的进口相连通，在该第一阀位于其出口处的阀底座上开设有取样口，在该取样口处安装有取样阀，本实用新型优点是：结构简单，通过在原有阀门的基础之上再安装一阀门，构成阀上阀的结构。

以上两篇专利的共同特征都是由管道和阀门组件构成的取样装置，能自动、直接取出反应器内部的样品（原样），有蒸气灭菌和密封垫圈，防止取样污染。

如中国专利，专利申请号：CN200910034515.2“发酵过程在线糖浓度检测系统”，该专利的特征是由恒流泵直接从发酵罐中取样（原样），然后，样品与纯净水按比例混合（稀释）后，送入到检测仪器上测定。其采用了恒流泵，不是由阀门的开或关取样。通过液体的单向流动，避免对反应器（发酵罐）的污染。

如中国专利，专利申请号：CN02138376.6“一种生物反应过程在线检测系统的取样稀释装置”该专利在取样探头末端（与发酵罐连接）放置一陶瓷膜过滤件，反应器内的液体在膜件中连续的过滤，将微量的过滤液由管道引出（不是原样），经过一个稀释装置后，进入检测仪测定。陶瓷膜孔径在0.1～0.2pm之间，微生物不能通过，能有效防止反应器（发酵罐）污染。

如美国专利，专利号US4,942,770，Se1fert“一种无菌取样装置”。由一个三通阀与反应器连接，通过变换阀门通路完成取样，即先与发酵罐接通，（正向）流入取样管道，然后变换阀门（关闭与发醉罐内部的联通，开启与外部管道的联通），将取样管道内的样品（原样）由液体泵反向送入下一步的稀释装置或检测仪器。由于三通阀的切换，避免了反应器内部与外界的直接接触，从而起到无污染取样的效果。

如美国专利，专利号US5,409,841，Chow“紫外线灭菌的取样装置和方法”，采用紫外灯对取样管道和容器进行灭菌，不采用蒸汽灭菌。

如美国专利，专利号US4,695,551，Samhaber，“生物反应器取样装置”，采用半透膜渗透过滤取样。半透膜可隔离微生物通过，避免污染，同时增加一个半透膜震动装置，防止膜孔的阻塞。

如美国专利，专利号US5,914,092，Moon，“发酵罐取样阀门蒸汽灭菌装置”，涉及一种关于提高蒸汽对取样阀门和管道灭菌效率的装置和方法。

如美国专利，专利号US6,860,162，Jaeger，“液体取样和方法”，在葡萄酒发酵罐取样时，设计了一个沉淀装置，取样探头可以避开发酵液中沉淀物，防止阻塞。

综上所述，现有技术中的生物反应中的取样操作主要有两种类型，一类是分离膜过滤，一类是由管道和阀门组成。

然而以上取样操作方法存在以下缺陷及不足，具体如下：

分离膜过滤取样：由于膜的孔径阻止了菌体的通过，避免了外源污染。但对于需要检测培养液中固形物含量、某些胞内组分的检测、对生物进行镜检等实验要求，这种方式不能适用。

管道与阀门组成的取样装置：能满足上述实验检测的需要。同时也存在以下局限：

一、对防止取样造成污染的控制方式：

1、环境控制加消毒剂（酒精）对接口进行消毒：对使用环境要求高，消毒剂对取出样品有干扰（组分、镜检形态等）；

2、蒸汽对管路与接口进行消毒：使用时需要配置蒸汽，对管道、实验装置要求复杂（耐压、防烫伤、蒸汽排放），适用于较大的金属反应装置；

3、紫外线消毒法：给操作带来复杂性，且对活性微生物的取样带来无法评估的影响。

4、三通切换阀方式：生物培养一般采用隔膜阀，三通阀结构存在死角，无法评估造成污染的机会。

二、对取样过程废液排放量的控制：

在取样过程中，需要先将管道中残存废液排除，才能使取出样液能够与培养装置中的培养液一致。微生物培养是个缓慢的过程，有的要一天以上，有的要许多天。如果在整个过程中取样次数较多，而培养液总体积又有限的情况下，对每次取样时管道残存废液排放量的控制就尤为重要。

由上可知，现有技术中的生物培养过程中的取样装置，无法满足严格无菌、取样量的控制与定量、多次取样的差异控制等方面的要求。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在解决现有技术中的生物培养过程中的取样装置，无法满足严格无菌、取样量的控制与定量、多次取样的差异控制等方面的要求等技术问题。

为解决上述问题，本实用新型提供一种取样装置，用于对生物反应器中的反应物进行取样，包括：加热冷却器；气体管道，穿过所述加热冷却器，一端连接于空气过滤器，另一端为排气口；第一夹管阀，设置于所述气体管道上，且位于所述空气过滤器和加热冷却器之间；第二夹管阀，设置于所述气体管道上，且位于所述加热冷却器和排气口之间；取样管道，穿过所述加热冷却器，一端位于生物反应器中，另一端为样品出口；第一蠕动泵，设置于所述取样管道上，且位于生物反应器和加热冷却器之间；第二蠕动泵，设置于所述取样管道上，且位于加热冷却器和样品出口之间；其中，所述气体管道与所述取样管道穿过所述加热冷却器的部分相通。

进一步的，所述气体管道与所述取样管道穿过所述加热冷却器的部分为同一管道。

进一步的，所述的取样装置，还包括：第二加热冷却器，设置于所述第二夹管阀与排气口之间；第三加热冷却器，设置于所述第二蠕动泵与样品出口之间。

进一步的，所述管道为柔性硅胶管。

进一步的，所述空气过滤器用于对空气进行过滤，向所述管道通入无菌空气。

进一步的，所述取样装置还包括控制器，所述控制器包括：输入输出装置；中央控制器，与所述输入输出装置连接；多路继电器，分别连接于所述第一夹管阀、第二夹管阀、第一蠕动泵及第二蠕动泵；电源模块，与所述多路继电器连接。

进一步的，所述中央控制器为可编程逻辑控制器。

进一步的，所述输入输出装置为触摸屏。

本实用新型还提供一种生物反应装置，其包括：生物反应器或分析装置，及与所述生物反应器或分析装置连接的如上所述任一取样装置。

综上所述，本实用新型提供的取样装置及具有该取样装置的生物反应装置，由于采用无菌空气保压，并借助上述取样管路上各执行器件来保证无菌状态的前提下，能取出活体生物进行分析与镜检，同时避免了生物形态所受高温干扰的情况。

其次，由于管道中采用无菌空气进行保压，即可通过蠕动泵的反转，用无菌空气将插入被取样液体中胶管内的残留液体反吹回被取样液体中，既避免了残留液体对实时取样分析结果的干扰，也使通常所需的残留废液排出量降为零；同时依靠蠕动泵正转的时间与流量的预先设定，使每次取样量能实现基于蠕动泵精度的定量化。

最后，由于通过控制器的程序设定的取样操作步骤，能够使取样操作配合外接自动分析仪进行自动取样并在线分析，也能利用手动取样模式进行临时取样离线分析。

附图说明

图1所示为本实用新型一实施例提供的取样装置的结构示意图；图2所示为本实用新型一实施例提供的取样装置的结构示意图；

图3所示为本实用新型另一实施例提供的取样装置的结构示意图；

图4所示为本实用新型另一实施例提供的取样装置的结构示意图；

图5所示为本实用新型另一实施例提供的取样装置的结构示意图；

图6所示为本实用新型另一实施例提供的取样装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。

实施例一

请参见图1，其所示为为本实用新型一实施例提供的取样装置的结构示意图。

该取样装置，用于对生物反应器中的反应物进行取样，包括：加热冷却器130；气体管道121，穿过所述加热冷却器130，一端连接于空气过滤器110，另一端为排气口；第一夹管阀141，设置于所述气体管道上，且位于所述空气过滤器110和加热冷却器130之间；第二夹管阀142，设置于所述气体管道上，且位于所述加热冷却器130和排气口之间；取样管道122，穿过所述加热冷却器130，一端位于生物反应器100中，另一端为样品出口；第一蠕动泵151，设置于所述取样管道122上，且位于生物反应器100和加热冷却器130之间；第二蠕动泵152，设置于所述取样管道122上，且位于加热冷却器和样品出口之间；其中，所述气体管道121与所述取样管道122穿过所述加热冷却器130的部分相通。

在本实用新型实施例中，所述气体管道121与所述取样管道122穿过所述加热冷却器130的部分为同一管道。

在本实用新型实施例中，所述气体管道121与所述取样管道122为柔性硅胶管。

利用本实用新型实施例提供的取样装置进行取样的具体步骤如下：

一、对防止取样造成污染的控制：

1、该装置所有器件均采用夹管方式，例如：夹管阀、蠕动泵、加热与冷却器，使夹管阀、蠕动泵、加热与冷却器等器件与被取样无直接接触。

2、所述气体管道121与所述取样管道122采用柔性硅胶管，所述气体管道121上配有空气过滤器110，所述取样管道122与培养装置，如生物反应器100，实现连接就位，所述气体管道121与所述取样管道122与外界接口夹死或无菌包扎。使用前与培养装置一起放入高压灭菌锅内灭菌。使用时只需在培养过程本身所需环境条件下操作，将管道卡入夹管阀、蠕动泵、加热冷却器。由于第二夹管阀142、第二蠕动泵152已将取样管道122夹死，此时放开所述气体管道121与所述取样管道122与外界接口进行连接时，不会产生连接过程对培养液的污染。

3、第二夹管阀142、第二蠕动泵152后的取样管道122与外界的非无菌管道的连接，在长时间培养过程中可能造成杂菌越过第二夹管阀142、第二蠕动泵152造成对培养装置内的污染，采用无菌空气（压缩空气经上述空气过滤器过滤）对系统进行无菌保压、取样完毕打开第二夹管阀142将粘附于管道壁上的液滴吹掉；同时根据巴士德消毒原理，利用加热冷却器130对取样管道122进行热保温，以杜绝杂菌沿管道逆向繁殖、污染培养装置内部。如取出样品经过这段高温管道可能对组分、镜检外形等产生影响，可在取样时通过将加热模式切换为冷却模式对管道进行降温。

二、对取样过程废液排放量的控制：

1、由于采取了上述无菌控制措施，保证了管道内部的无菌状态，在取样前打开第一夹管阀141，通过第一蠕动泵151反转，如逆时针旋转，将培养装置中取样管道122内的残存液体打回取样装置内。再使第一蠕动泵151、第二蠕动泵152正转，如顺时针旋转，此时取出的样品为即时样，而不用排出废液。

2、根据取样量需求，通过对蠕动泵转速、管道内径、蠕动泵两端压差等状态确定下对应蠕动泵流量的标定，即可通过蠕动泵的运转时间的设定，控制取样量。当达到所需取样量时，使第一蠕动泵151反转，如逆时针旋转，第二蠕动泵152继续正转，如顺时针旋转。此时以无菌空气管道接入点为分界点，近第一蠕动泵151端的残余液体被完全压入培养装置，近第二蠕动泵152端的取出样在无菌空气的顶推下完全流入外接取样装置或分析仪，整个过程不会产生采样过量与废液。

在本实用新型实施例中，请参见图2，该取样装置还包括控制器200，所述控制器200包括：输入输出装置210；中央控制器220，与所述输入输出装置210连接；多路继电器230，分别连接于所述第一夹管阀、第二夹管阀、第一蠕动泵及第二蠕动泵；电源模块240，与所述多路继电器230连接。

在本实用新型实施例中，所述中央控制器可为可编程逻辑控制器或单片机。

在本实用新型实施例中，所述输入输出装置为触摸屏。

基于上述管道、执行器件的结构简洁，控制器配以程序化控制，可以做到采样时间点、采样过程时间、采样量的重复性控制。尤其对长周期、多次采样的情况，避免了人工操作带来的误差，对培养液总量有限的情况也能满足使用要求，从而满足了对采样操作重复性的控制要求。

实施例二

请参见图3，其所示为本实用新型另一实施例提供的取样装置的结构示意图。

在本实施例中，所述的取样装置，包括：第一加热冷却器331；气体管道321，穿过所述第一加热冷却器331，一端连接于空气过滤器310，另一端为排气口323；第一夹管阀341，设置于所述气体管道上，且位于所述空气过滤器310和第一加热冷却器331之间；第二夹管阀342，设置于所述气体管道上，且位于所述第一加热冷却器331和排气口323之间；取样管道322，穿过所述第一加热冷却器331，一端位于生物反应器300中，另一端为样品出口324；第一蠕动泵351，设置于所述取样管道322上，且位于生物反应器300和第一加热冷却器331之间；第二蠕动泵352，设置于所述取样管道322上，且位于第一加热冷却器331和样品出口324之间；其中，所述气体管道121与所述取样管道122穿过所述加热冷却器130的部分相通。所述还包括：第二加热冷却器332，设置于所述第二夹管阀与排气口之间；第三加热冷却器333，设置于所述第二蠕动泵352与样品出口之间。

在本实施例中，其中加热冷却器331、332、333可根据与分析装置的远近进行调整，可采用一个第一加热冷却器331，也可采用第二及第三加热冷却器332、333对两根管道各自控温，或将332、333组合成一个双通道模块。本实用新型并非局限于此。

实施例三

请参见图4，其所示为本实用新型另一实施例提供的取样装置的结构示意图。

与实施例一相比，实施例一中的蠕动泵151在实施例三中用夹管阀442替代，相应地对反应器内液体的抽拍动力改由注射泵451提供。

实施例三的取样执行器件，由注射泵451、蠕动泵452，夹管阀441、442、443，储液管470，加热冷却器431或432、433，柔性硅胶管及管道连接件组成，再与控制模块组合成整个取样装置。

根据所需的取样精度，注射泵451也可用精度较低的蠕动泵替代（因二者功能不同，具体程控步骤见流程3及其描述）。

使用前将排空胶管422、样品胶管423包扎。将储液管470、生物反应器400、过滤器410及之后的胶管按图连接后一起放入高压灭菌锅灭菌。灭菌完成后按图示将胶管装入各执行器，并将空气滤器的进口与空气管421连接。

采用实施例三提供的取样装置进行操作的具体流程如下：

1、反应器内取样管排残余液：

打开夹管阀441、蠕动泵抽气至合适体积；闭夹管阀441，打开夹管阀442，注射泵451压出气体，将反应器取样管内残存液体压回生物反应器内。开启加热冷却器的冷却功能以降低其中管道的温度。

2、抽液：

注射泵451抽气，将反应器内液体按需要量定量抽出至储液管470。

3、出样：

关闭夹管阀442；打开夹管阀141，同时蠕动泵452逆时针旋转，将液体压入分析装置或取样容器。

4、吹气：

关闭蠕动泵452；打开夹管阀443并迅速关闭，吹出粘附在管壁上的微量液体，以减小对下次取样的干扰。开启加热冷却器的加热功能。

5、压回取样管残余液体：

重复步骤1。

步骤1与步骤5重复，功能一致。只是在第一次取样时需要步骤1，之后每次操作只是步骤2-5的循环。

实施例四

请参见图5，其所示为本实用新型另一实施例提供的取样装置的结构示意图。

与实施例三相比，主要区别在于：注射泵451用实施例四中的蠕动泵551替换。

运行时分以下步骤执行：

1、反应器内取样管排残余液：

打开夹管阀542，同时蠕动泵551逆时针旋转，用无菌空气将反应器取样管内参与液体压回反应器内。开启加热冷却器的冷却功能以降低其中管道的温度。

2、抽液：

蠕动泵551顺时针旋转，将反应器内液体按需要量定量抽出至储液管170。

3、出样：

关闭夹管阀542；打开夹管阀541，同时蠕动泵552逆时针旋转，将液体压入分析装置或取样容器。

4、吹气：

关闭蠕动泵552；打开夹管阀543并迅速关闭，吹出粘附在管壁上的微量液体，以减小对下次取样的干扰。开启加热冷却器的加热功能。

5、压回取样管残余液体：

重复步骤1。

步骤1与步骤5重复，功能一致。只是在第一次取样时需要步骤1，之后每次操作只是步骤2-5的循环。

对上述实施例二至四，还可进行变化组合，包括但不限于：

　根据取样量的体积，确定储液管的容积，或直接由管道长度替代储液管容积。

　根据取样装置与分析装置的距离，加热冷却器可以是单独的，也可在排气管道和出样管道单独设置或组合而成双通道的加热冷却模块。

　根据具体使用操作需求，夹管阀可用蠕动泵替换，蠕动泵也可用夹管阀替换。

将夹管阀、夹管阀换成蠕动泵，程控步骤不变，只涉及夹管阀的开关控制与蠕动泵的旋转控制（包括旋转方向控制）。

实施例五

请参见图6，其所示为本实用新型另一实施例提供的取样装置的结构示意图。

在本实施例中，该取样装置除了与实施例中的反应器组合后一并在高压灭菌锅中灭菌的应用方式外，也可采用将该装置与反应器的连接管采用隔膜阀连接的方式，见图6。

隔膜阀682、683焊接连接。使用前隔膜阀682关闭，与胶管、空气滤器610、储液管670连接，将排气管623、出样管624包扎后，一并放入高压灭菌锅中灭菌。

使用时，将隔膜阀682与反应器取样阀684的接口连接，采用生物反应器的常规二次蒸汽灭菌的连接方式，实现生物反应器与取样装置的无菌连接（此处不再赘述）。

无菌连接后，将隔膜阀682打开、隔膜阀681、683关闭，之后的自动取样的程控步骤与前述流程与步骤一致。隔膜阀681-683、取样阀684可以是手动阀，也可以是自控阀，其自控程序也可整合到取样控制器中。

此外，本实用新型实施例还提供了一种生物反应装置，其包括：生物反应器或分析装置，及与所述生物反应器或分析装置连接的如上述实施例提供的任一取样装置。

例如：整套生物反应装置可与生物反应器组合而成，也可与分析装置组合使用，或三者一并组合使用。其具体结构原理如上，在此不再赘述。

综上所述，本实用新型实施例提供的取样装置及具有该取样装置的生物反应装置，首先由于采用无菌空气保压，并借助上述取样管路上各执行器件来保证无菌状态的前提下，能取出活体生物进行分析与镜检，同时避免了生物形态所受高温干扰的情况。

其次，由于管道中采用无菌空气进行保压，即可通过蠕动泵的反转，用无菌空气将插入被取样液体中胶管内的残留液体反吹回被取样液体中，既避免了残留液体对实时取样分析结果的干扰，也使通常所需的残留废液排出量降为零；同时依靠蠕动泵正转的时间与流量的预先设定，使每次取样量能实现基于蠕动泵精度的定量化。

最后，由于通过控制器的程序设定的取样操作步骤，能够使取样操作配合外接自动分析仪进行自动取样并在线分析，也能利用手动取样模式进行临时取样离线分析。

本实用新型提供的取样装置，满足了无菌、取样量的控制与定量、多次取样的差异控制等方面的要求。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种取样装置，用于对生物反应器中的反应物进行取样，其特征在于，包括： 

加热冷却器； 

气体管道，穿过所述加热冷却器，一端连接于空气过滤器，另一端为排气口； 

第一夹管阀，设置于所述气体管道上，且位于所述空气过滤器和第一加热冷却器之间； 

第二夹管阀，设置于所述气体管道上，且位于所述第一加热冷却器和排气口之间； 

取样管道，穿过所述第一加热冷却器，一端位于生物反应器中，另一端为样品出口； 

第一蠕动泵，设置于所述取样管道上，且位于生物反应器和第一加热冷却器之间； 

第二蠕动泵，设置于所述取样管道上，且位于第一加热冷却器和样品出口之间； 

其中，所述气体管道与所述取样管道穿过所述第一加热冷却器的部分相通。 

2.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于，所述气体管道与所述取样管道穿过所述加热冷却器的部分为同一管道。 

3.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于，还包括：第二加热冷却器，设置于所述第二夹管阀与排气口之间； 

第三加热冷却器，设置于所述第二蠕动泵与样品出口之间。 

4.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于，所述管道为柔性硅胶管。 

5.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于，所述空气过滤器用于对空气进行过滤，向所述管道通入无菌空气。 

6.一种生物反应装置，其特征在于，包括：生物反应器或分析装置，及与所述生物反应器或分析装置连接的如权利要求1至5中任一取样装置。