CN214458006U - 一种在线取样补料系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种在线取样补料系统，其包括取样补料模块、送样模块，其中，取样补料模块包括取样模块、补料模块，控制模块与取样补料模块、送样模块连接实现基于MCU设计的自动控制。

Description

一种在线取样补料系统

技术领域

本实用新型属于一种生物反应过程在线取样补料装置领域，具体涉及微生物发酵用的一种在线取样补料系统。

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随反应器高温高压消毒，或者待测物质的浓度不在检测范围。因此，在线取样对生物在线反应的在线智能监控至关重要。

专利文献CN105890923A公开了一种无菌微量在线取样装置及取样方法，该装置在线无菌取样，死体积少，取样量微小，对发酵系统的影响极小，探头防堵反吹系统保障连续取样，管路清洗灭菌系统防染菌和液体残存。但是无法实现循环取样，造成取样浪费大，多次连续取样或长时间发酵或多或少会对发酵体系造成影响，影响发酵效率。

专利文献CN111289294A公开了一种生物反应过程在线循环取样装置及取样方法，该装置自动取样，死体积小，有效减少人工操作，但重复使用时对管道和切换阀高温灭菌难度大，尤其是对切换阀的灭菌，同时也存在多次连续取样或长时间发酵或多或少会对发酵体系造成影响，影响发酵效率。

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，本实用新型提供了一种在线取样补料系统。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种在线取样补料系统，包括取样补料模块、送样模块，其中，

所述取样补料模块，其用于生物反应过程的在线取样和补料，包括取样模块、补料模块；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送样主管道连接，动力源I为取样模块提供动力；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，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；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接无菌气体或清洗消毒用的液体容器，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。

优选地，所述动力源I、动力源II为蠕动泵；所述动力源III为注射泵、蠕动泵、隔膜泵和/或柱塞泵。

优选地，所述取样补料模块管路控制阀为非接触式控制阀；进一步为夹断阀。

优选地，所述取样模块的管道为T型管道结构，通过管路控制阀开关状态，使管道形成“生物反应器-动力源I-生物反应器”的循环回流的闭环管路系统和“生物反应器-动力源I- 送样模块”的取样开环管路系统。

优选地优选地，所述T型管道到所述送样模块主管路管道的管道长度为10-25cm。

优选地，所述管道为硅胶管、聚四氟乙烯管和/或有机塑料软管。进一步优选地，所述取样补料模块管道和送样模块多条支路管道为硅胶管，所述送样模块送样主管道为聚四氟乙烯管。

优选地，所述管道内径为0.1-15mm。进一步优选，所述管道内径为0.5-5mm，取样死体积为0.08mL-19.62mL。

优选地，所述补料模块包括两个蠕动泵II和对应的管道。

优选地，所述在线取样补料系统，还包括控制模块，用于控制在线取样补料系统，所述控制模块与动力源I、动力源II、动力源III、管路控制阀连接，实现基于MCU设计的自动控制。

进一步优选地，所述控制模块包括控制器和PC机显示系统，控制器连接与动力源I、动力源II、动力源III、管路控制阀，PC机显示系统对动力源I、动力源II、动力源III的开关状态、转速及对管路控制阀开合状态进行控制。

优选地，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；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。

优选地，所述在线取样补料系统，包括多个取样补料结构单元和一个送样结构单元，形成“一拖多”的在线取样补料系统。

本实用新型主管路与分支管路配合，减少死体积，样品残留少，方便自动清洗，还有利于同时连接多个生物反应器取样；全自动、时效性高、取样误差小、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为本实用新型一种在线取样补料系统一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型一种在线取样补料系统取样补料模块一实施例的结构示意图；

图3为本实用新型一种在线取样补料系统送样模块一实施例的结构示意图；

图4为本实用新型一种在线取样补料系统送样模块另一实施例的结构示意图；

图5为本实用新型一种智能在线取样补料系统另一实施例的结构示意图；

图6为本实用新型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；

符号说明：

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。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本实用新型的具体实施例。虽然附图中显示了本实用新型的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型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实用新型，并且能够将本实用新型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实用新型的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本实用新型的范围。本实用新型的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本实用新型实施例的理解，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实用新型实施例的限定。

一种在线取样补料系统，包括取样补料模块1、送样模块2，如图1所示，其中，取样补料模块1，包括取样模块3、补料模块4。

在一实施方式中，所述取样模块3，包括蠕动泵I 5及与其相连的管道，所述管道一端接生物反应器13，另一端分两条支路管道分别与生物反应器13和送样模块2送样主管道19连接，蠕动泵I 5为取样模块提供动力。所述蠕动泵I 5及其相连的管道结构可以是一个，也可以是多个，其数量在此不作限制，例如，多联罐的，可以设置多个蠕动泵I 5及与其相连的管道，分别与各生物反应器相连。蠕动泵I 5为取样模块管道液体流动提供驱动力，管道通路的开合通过管路控制阀8、9的开关状态控制。蠕动泵I 5可以替换成其他非接触式动力源，提供液流驱动力。

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为夹断阀，采用该结构，管道中液样与动力源、管道控制阀采用非接触式方式，可减少甚至避免污染。

在一实施方式中，所述取样模块3支路管道为T型管道结构，如图1所示，T型管道结构主管道一端通过蠕动泵I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，形成一个循环回流的闭环结构和取样的开环结构。在生物反应过程中，由于生物反应过程是一个动态的过程，因此每个时间点的样品参数都不尽相同，因此需要实时在线取样，实时掌控生物反应的动态变化。在取样操作中，常常采用定时取样，在线精确检测生物反应器中的物料瞬时浓度。本实用新型在非取样状态下，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，关上夹断阀8和/或打开夹断阀9，生物反应器13中的液体经过送样主管道19进入取样容器15中，取样管路3形成开环结构。当然，进入取样容器15是实施的一种方式，送样主管道19中液体还可以进入废液容器、分析装置中的一种或多种。

本实用新型中，补料模块4至少包括一个蠕动泵II 6、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1和图2所示，补料模块4包括两个蠕动泵 II6及其对应连接的管道，所述蠕动泵II 6为蠕动泵，其管道一端接生物反应器，另一端接补料瓶，蠕动泵II 6分别为对应的补料进样管道提供动力。蠕动泵II 6也可以替换成其他非接触式动力源，提供液流驱动力。

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2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1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的液体，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3所示。送样模块2支路管道中输送样品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分别控制无菌高压气体、无菌常压气体、无菌水管道开合，其中无菌常压气体、无菌水由动力源III驱动。所述无菌高压气体、无菌常压气体、无菌水可以分别用容器装，如图1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。一具体实施例中，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，例如无菌常压空气可以通过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得。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，无菌常压空气将所取的样品吹送到取样容器15中。完成取样后，进行送样主管道的清洁消毒操作，先通过控制夹断阀11、夹断阀12的开关，用无菌水将管道进行清洗或润洗；清洗完成后，关闭夹断阀夹断阀11和夹断阀12，开启夹断阀10用高压空气将管道内附着的水滴吹干，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11和夹断阀12间加输送消毒液体支路，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即可，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4所示，其他的连接与操作方式如上述采用夹断阀的送样模块相同。

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。在一实施方式中箱体II的长*宽*高为(122-600) mm*(93-400)mm*(135-270)mm，一具体实施方式中，箱体II的长*宽*高为 270mm*240mm*176mm；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。

本实用新型中，所述管道为硅胶管、聚四氟乙烯管和/或有机塑料软管，所述取样补料模块管道和送样模块的多条支路管道为硅胶管，所述送样模块送样主管道为聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯管的疏水效果好，采用该材质的管道可有效减少液样挂壁造成的浪费，同时还增加取样准确度。管道内径为0.1-15mm；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。

为了实现对取样的自动化控制，所述蠕动泵I、蠕动泵II、动力源III、管路控制阀还包括用于控制进样的控制模块。所述控制模块与蠕动泵I、蠕动泵II、动力源III、管路控制阀连接，实现基于MCU设计的自动控制。即所述控制模块包括通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，根据取样需求对控制单元进行编程设计。控制单元接收到外部输入的取样和清洗操作信号包括生物反应器内样品的取样速度和取样量、清洗管道各清洗消毒液体的取样量与取样速度，控制单元输出控制信号，控制动力源驱动，调节控制溶液进入速度和进样量。

为方便操作人员对本发明系统的操作控制，所述在线取样补料系统还包括显示界面，所述显示界面可以外接的，显示本发明系统的工作状况，例如：显示PC机，显示系统对动力源I、动力源II、动力源III的开关状态、转速及对管路控制阀开合状态进行控制，实现对取样状态(取样量、取样时间等)、清洗消毒工作状态等控制。为方便操作，显示屏为可触摸显示屏，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，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，将耗费大量人力。针对多个生物反应器且其间距离较近的，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，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。例如四联发酵罐，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，取样补料模块含多个独立的取样模块和补料模块，如图6所示。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5所示，采用“一拖三”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5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3或4所示和三个取样补料模块如图 2所示；当然取样补料模块可以根据需要进行增加，不限数量，优选3-8个取样补料模块，同时连接3-8个发酵罐。

本实用新型主管路与分支管路配合，减少死体积，方便自动清洗，还有利于同时连接多个生物反应器取样；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。

Claims (10)

1.一种在线取样补料系统，其特征在于，包括取样补料模块、送样模块，其中，

所述取样补料模块，其用于生物反应过程的在线取样和补料，包括取样模块、补料模块；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送样主管道连接，动力源I为取样模块提供动力；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，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；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接无菌气体或清洗消毒用的液体容器，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。

2.根据权利要求1所述的在线取样补料系统，其特征在于，所述动力源I、动力源II为蠕动泵；所述动力源III为注射泵、蠕动泵、隔膜泵和/或柱塞泵；所述取样补料模块管路控制阀为非接触式控制阀。

3.根据权利要求1所述的在线取样补料系统，其特征在于，所述取样模块的管道为T型管道结构，通过管路控制阀开关状态，使管道形成“生物反应器-动力源I-生物反应器”的循环回流的闭环管路系统和“生物反应器-动力源I-送样模块”的取样开环管路系统。

4.根据权利要求1所述的在线取样补料系统，其特征在于，所述管道为硅胶管、聚四氟乙烯管和/或有机塑料软管，管道内径为0.1-15mm。

5.根据权利要求4所述的在线取样补料系统，其特征在于，所述管道内径为0.5-5mm，所述取样补料模块管道和送样模块多条支路管道为硅胶管，所述送样模块送样主管道为聚四氟乙烯管。

6.根据权利要求2所述的在线取样补料系统，其特征在于，所述补料模块包括两个蠕动泵II和对应的管道。

7.根据权利要求1所述的在线取样补料系统，其特征在于，还包括控制模块，用于控制在线取样补料系统，所述控制模块与动力源I、动力源II、动力源III、管路控制阀连接，实现基于MCU设计的自动控制。

8.根据权利要求7所述的在线取样补料系统，其特征在于，所述控制模块包括控制器和PC机显示系统，控制器连接与动力源I、动力源II、动力源III、管路控制阀，PC机显示系统对动力源I、动力源II、动力源III的开关状态、转速及对管路控制阀开合状态进行控制。

9.根据权利要求1-8任一所述的在线取样补料系统，其特征在于，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；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。

10.根据权利要求9所述的在线取样补料系统，其特征在于，所述在线取样补料系统包括多个取样补料结构单元和一个送样结构单元，形成“一拖多”的在线取样补料系统。

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