一种生物反应器辅助装置的制作方法

1.本实用新型涉及生物发酵培养辅助装置，尤其涉及一种生物反应器辅助装置。


背景技术：

2.生物发酵培养的过程中，常需对发酵液在线取样，离线分析，调控补料等操作。发酵液的在线取样通常是通过安装在反应器上的取样阀来完成，现有发酵液取样阀，大体包括与取样管内壁连通的发酵液出口和手动阀体，不取样时，手动阀体堵住发酵液出口，取样时，操作人员操作将手动阀体移离发酵液出口，在罐体压力的作用下发酵液由发酵液出口流出进行取样。现有该种手动取样阀，由于其实现的取样操作均是由人工手动完成，操作的随意性强，发酵液取样的取样时间、取样频率和单次的取样量均无法得到精准控制。如果是多联平行发酵操作，生物反应器个数越多，对取样的样本数据分析结果的平行性影响越大。另一个原因，大多数生物发酵的周期都比较长，短则1
‑
2天，多则需要15天以上，发酵过程中需要不断的取样进行分析来检测发酵状态或者用来调控发酵工艺控制策略，手动取样、离线分析在反馈调控发酵工艺的操作费时费力，对发酵过程控制精准性不高，也间接的会影响分析测量数据的准确性。因此，研发一种生物反应器辅助装置，成为本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.本实用新型是为了解决上述不足，本实用新型提供了一种生物反应器辅助装置，可以实现全自动取样、存样、分析、清洗、反馈补料等操作；自动化程度高，省时省力，数据分析及调控精准。
4.本实用新型的上述目的通过以下的技术方案来实现：一种生物反应器辅助装置，包括生物反应器、取样器、存储及分析器、缓冲液瓶、废液瓶和反馈补料泵；所述生物反应器连接取样器，取样器连接存储及分析器，所述缓冲液瓶、废液瓶连接于取样器和存储及分析器之间，所述反馈补料泵通过硅胶软管连接至生物反应器。
5.进一步地，所述取样器包括箱体，箱体内安装有1#反应器取样阀、2#反应器取样阀、3#反应器取样阀、4#反应器取样阀、总通道取样、清洗阀、清洗泵和取样泵，所述1#反应器取样阀、 2#反应器取样阀、3#反应器取样阀、4#反应器取样阀通过软管和三通接头汇流后连接至取样泵输入端，所述取样泵输出端和清洗泵输出端分别连接至总通道取样，清洗泵输入端连接清洗阀。
6.进一步地，所述清洗阀连接有空气过滤器。
7.进一步地，所述存储及分析器包括机座，机座上设有移液臂和低温冷藏区，所述移液臂连接有填充喷嘴和进样针；所述低温冷藏区设有存样孔板；所述存样孔板右侧设有分析池，所述分析池与存样孔板之间设有标样池、清洗池和排废池，清洗池底部设有震动马达，并连接有清洗池排污阀，清洗池排污阀连接排污泵，清洗池上部通过软管与缓冲液瓶连接，软管上装有进样针清洗泵，缓冲液通过进样针清洗泵泵入到清洗池中；
8.所述分析池上部通过软管与缓冲液瓶相连接，软管上装有分析池清洗泵，缓冲液可以通过分析池清洗泵泵入到分析池中，完成对分析池的清洗；
9.所述排废池连接至清洗池排污阀和排污泵之间的管道上，分析池连接有分析池清洗泵和分析池排污泵；所述分析池排污泵和排污泵均连接至废液瓶。
10.进一步地，所述填充喷嘴和进样针并列分布在存样孔板的上方，可通过移液臂沿着x、y、z轴移动。
11.进一步地，所述低温冷藏区内设有半导体控温元件，该半导体控温元件为帕尔贴半导体控温元件，温度设置控制在4
‑
10℃。
12.进一步地，所述标样池中放有标样杯，标样杯的大小为 1
‑
10ml，标样杯中放有标定液，标定液为葡萄糖标准液。
13.进一步地，所述分析池中装有生物酶传感芯片，生物酶传感芯片为生物葡萄糖酶传感芯片。
14.进一步地，所述存样孔板为24位孔板。
15.进一步地，所述机座呈l形。
16.进一步地，所述生物反应器的取样口上配有陶瓷膜，其陶瓷膜的孔径为0.2μm以下。
17.本实用新型的工作原理为：生物反应器1各时间周期的样品通过取样器2精确取出后存储在存储及分析器3上，并进行相应的样品分析，分析后的结果数据会反馈调节反馈补料泵6。
18.一种生物反应器辅助装置的操作方法，包括自动取样操作、自动存样操作和自动分析操作；
19.(1)所述自动取样操作，包括以下步骤：
20.a.使用前手动清洗取样管路；
21.b.开启主机取样存储功能，系统开始计时，直到到达取样频率设定的时间开始触发一次取样；
22.c.排废：填充喷嘴移位到排废池上方，生物反应器中的样品依次经由反应器取样阀、取样泵、总通道取样阀、出口阀排放到排废池中；
23.d.取样：填充喷嘴移位到存样孔板上方，生物反应器中的样品依次经由反应器取样阀、取样泵、总通道取样阀、出口阀将样品输送到到指定的样品孔位中，取样完成；
24.e.吹扫：填充喷嘴移位到排废池上方，无菌的压缩空气依次经由清洗阀、清洗泵、总通道取样阀、出口阀将管路残留的管道样品吹扫到排废池中；
25.f.清洗管路：缓冲液依次经由清洗阀、清洗泵、总通道取样阀、出口阀排放到废液瓶中，完成对管路的清洗，填充喷嘴返回原点待命；
26.g.再次取样时重复上述c
‑
f步骤；
27.(2)所述自动存样操作，包括以下步骤：
28.a.放置洁净的多孔位存样孔板到存样平台上，孔板中放置相应的存样管；
29.b.设定存样孔板下方低温冷藏区的温度，并开启，温度一般控制在4
‑
10℃；
30.c.填充喷嘴会在移液臂的作用下按照设定的x、y、z轴的坐标系进行移位，将指定的样品输送到指定的孔位中；
31.(3)所述自动分析操作，包括以下步骤：
32.a.安装生物酶传感芯片：将指定的生物酶传感芯片安装到分析池中；
33.b.充填标定液：将指定的标定液填充到标样池中；
34.c.进样针清洗：进样针移位到清洗池进行反复清洗数次后移位到标定液上方；
35.d.充填缓冲液：将指定的缓冲液填充到分析池中；
36.e.标定：进样针移取一定的标定液输送到分析池中进行指标参数标定；
37.f.进样针再次清洗：进样针移位到清洗池进行反复清洗数次，移位到存样孔板上方；
38.g.取样分析：进样针从存样孔板中的存样杯中移取一定的样品输送到分析池中进行分析操作；
39.h.分析池自清洗：分析结束后分析池进行自清洗；
40.i.进样针最后清洗：进样针移位到清洗池进行反复清洗数次，移位到原位待命；
41.j.再次分析时重复c
‑
i步骤。
42.进一步地，所述生物反应器辅助装置的操作方法还包括自动清洗操作，全自动清洗操作贯穿整个自动取样和自动分析的过程中。
43.进一步地，所述生物反应器辅助装置的操作方法还包括自动反馈补料操作，分析阶段的检测参数在线浓度数据反馈给系统，系统根据反馈的在线检测参数数据调节反馈补料泵601
‑
604的开启和流量，以维持生物反应器中的葡萄糖浓度在一定的范围内。
44.本实用新型生物反应器辅助装置的操作方法中的分析装置不仅仅局限于在线检测葡萄糖浓度，还可以通过更换不同的生物酶芯片及标定液检测相应的参数浓度，如乳酸、谷氨酸、赖氨酸等。
45.本实用新型与现有技术相比的优点是：该装置可以实现全自动取样、存样、分析、清洗、反馈补料等操作。该装置自动化程度高，省时省力，数据分析及调控精准；本实用新型的生物反应器在发酵调控的过程中无需进行复杂的手动取样，存样、分析和反馈调控补料等操作，可以通过本实用新型的装置进行全自动在线取样、存储、分析和反馈补料操作。发酵过程中的取样时间、取样频率、取样量都可以得到精准控制；样品无需另外处理可自动进行分析并用来调控补料操作。本实用新型装置功能性强大、操作简单，省时省力，做平行性试验结果数据误差小，数据可靠性高，避免了手动取样、离线分析所带来的随意性强，费时费力、数据平行性不好等缺点。
附图说明
46.图1是本实用新型的结构示意图。
47.图2是本实用新型中取样器的结构示意图。
48.图3是本实用新型中存储及分析器的结构示意图。
49.图4是本实用新型中1.3l四联生物反应器辅助装置的操作方法流程示意图。
具体实施方式
50.下面结合附图对本实用新型进一步详述。
51.如图1、图2及图3所示，一种生物反应器辅助装置，包括生物反应器1、取样器2、存
储及分析器3、缓冲液瓶4、废液瓶 5和反馈补料泵6；所述生物反应器1连接取样器2，取样器2 连接存储及分析器3，所述缓冲液瓶4、废液瓶5连接于取样器2 和存储及分析器3之间，所述反馈补料泵6通过硅胶软管连接至生物反应器1，可根据分析结果数据调控反馈补料泵的开关和流速。
52.进一步地，所述取样器2包括箱体，箱体内安装有1#反应器取样阀201、2#反应器取样阀202、3#反应器取样阀203、4# 反应器取样阀204、总通道取样205、清洗阀206、清洗泵207 和取样泵208，所述1#反应器取样阀201、2#反应器取样阀202、 3#反应器取样阀203、4#反应器取样阀204通过软管和三通接头汇流后连接至取样泵208输入端，所述取样泵208输出端和清洗泵207输出端分别连接至总通道取样205，清洗泵207输入端连接清洗阀206。
53.进一步地，所述清洗阀206连接有空气过滤器7。
54.进一步地，所述存储及分析器3包括机座，机座上设有移液臂m1和低温冷藏区308，所述移液臂m1连接有填充喷嘴301和进样针302；所述低温冷藏区308设有存样孔板306；所述存样孔板306右侧设有分析池305，所述分析池305与存样孔板306 之间设有标样池303、清洗池304和排废池307，清洗池304底部设有震动马达309，并连接有清洗池排污阀310，清洗池排污阀310连接排污泵314，清洗池304上部通过软管与缓冲液瓶4 连接，软管上装有进样针清洗泵311，缓冲液通过进样针清洗泵 311泵入到清洗池304中；
55.所述分析池305上部通过软管与缓冲液瓶4相连接，软管上装有分析池清洗泵312，缓冲液可以通过分析池清洗泵312泵入到分析池305中，完成对分析池的清洗；
56.所述排废池307连接至清洗池排污阀310和排污泵314之间的管道上，分析池305连接有分析池清洗泵312和分析池排污泵 313；所述分析池排污泵313和排污泵314均连接至废液瓶5。
57.进一步地，所述填充喷嘴301和进样针302并列分布在存样孔板306的上方，可通过移液臂m1沿着x、y、z轴移动，自动完成取样和进样分析操作。
58.进一步地，所述低温冷藏区308内设有半导体控温元件，该半导体控温元件为帕尔贴半导体控温元件，温度设置控制在4
‑
10 ℃。
59.进一步地，所述标样池303中放有标样杯，标样杯的大小为 1
‑
10ml，标样杯中放有标定液，标定液为葡萄糖标准液。
60.进一步地，所述分析池305中装有生物酶传感芯片，生物酶传感芯片为生物葡萄糖酶传感芯片。
61.进一步地，所述存样孔板306为24位孔板。
62.进一步地，所述机座呈l形。
63.进一步地，所述生物反应器的取样口上配有陶瓷膜，其陶瓷膜的孔径为0.2μm以下，可以有效的起到菌液分离的效果。
64.本实用新型的工作原理为：生物反应器1各时间周期的样品通过取样器2精确取出后存储在存储及分析器3上，并进行相应的样品分析，分析后的结果数据会反馈调节反馈补料泵6。
65.本实施例中1.3l四联生物反应器辅助装置。该装置可以实现全自动取样、存样、分析、清洗、反馈补料等操作。其所涉及的装置包括实施例1中任一项所述的生物反应装置。
66.如图4所示为1.3l四联生物反应器辅助装置的操作方法流程示意图。图中，f1
‑
f4
分别为1#
‑
4#生物反应器，201
‑
204分别为1#
‑
4#生物反应器的取样阀，601
‑
604分别为1#
‑
4#生物反应器的反馈补料泵，t111
‑
t116为取样管线通道上的三通，a
‑
l 为管路走向。
67.本实用新型的一种生物反应器辅助装置的操作方法，包括自动取样阶段的操作、自动存样阶段的操作和自动分析阶段的操作；
68.所述自动取样操作，包括以下步骤，以1#生物反应器为例，操作过程如下：
69.a.使用前，手动清洗取样管路；
70.b.开启主机，设定取样时间间隔，排废时间为10s，取样时间为20s，吹扫时间为10s，管路清洗时间为20s，再次吹扫时间为10s，点击取样存储功能，系统开始计时，直到到达取样频率设定的时间开始触发一次取样；
71.c.排废：管道走向为c
→
d
→
e
→
f
→
g；
72.操作方式为填充喷嘴301在移液臂m1的推动下移位到排废池307上方，1#生物反应器中样品依次经由1#生物反应器取样阀201、三通t111、取样泵208、总通道取样阀205、三通 t115、填充喷嘴301排放到排废池307中，最后通过排污泵314 排放到废液瓶5中；
73.d.取样：管道走向为c
→
d
→
e
→
f
→
h；
74.操作方式为填充喷嘴301移位到存样孔板306指定的存样管 3061上方，1#生物反应器中的样品依次经由1#反应器取样阀201、三通t111、取样泵208、总通道取样阀205、三通t115、填充喷嘴301输送到指定的存样管3061中，取样完成；
75.e.吹扫：管道走向为a
→
d
→
e
→
f
→
g；
76.填充喷嘴301在移液臂m1的推动下移位到排废池307上方，无菌的压缩空气依次经由空气过滤器7、清洗阀206、三通 t116、清洗泵209、总通道取样阀205、三通t115、填充喷嘴301 将管路残留的有效样品吹扫到排废池307中；
77.f.清洗：管道走向为b
→
d
→
e
→
f
→
g；
78.缓冲液4依次经由清洗阀206、三通t116、清洗泵207、总通道取样阀205、三通t115、填充喷嘴301排放到排废池307中，最后通过排污泵314排放到废液瓶5中完成对管路的清洗操作，填充喷嘴返回原点待命；
79.g.再次取样时重复上述c
‑
f步骤；
80.所述自动存样操作，包括以下步骤：
81.a.取样前放置洁净的24位孔板到存样平台上，孔板中放置 1
‑
10ml存样管；
82.b.设定存样孔板下方低温冷藏区308的温度，并开启，温度设定控制在4
‑
10℃；
83.c.填充碰嘴301会在移液臂m1的作用下按照设定的x、y、z轴的坐标系进行移位，将取样操作取出的指定样品输送到指定的孔位中的存样管中；
84.所述自动分析操作，包括以下步骤：
85.a.每组样品全自动取样操作完成后即进入全自动分析过程；
86.b.安装生物酶芯片：将测定葡萄糖浓度的生物酶芯片安装到分析池305中；
87.c.充填标定液：将葡萄糖标准液浓度为60g/l填充到标样池303中；
88.d.进样针清洗：进样针302移位到清洗池304中，缓冲液依次经由缓冲液瓶4、进样针清洗泵311泵入到清洗池304中，进样针302在清洗池304中反复吹吸，同时振动马达309保持振动。进样针302吹吸3次后移位到标样池303上方，清洗池304中的废液经排放阀310、排污泵314排放到废液瓶5中；
89.e.充填缓冲液：缓冲液依次经由缓冲液瓶4、分析池清洗泵 312泵入到分析池305中；
90.f.标定：进样针302移取50μl葡萄糖标准液60g/l输送到分析池305中进行仪器测量标定，根据反馈结果，进行2
‑
3次标定；
91.g.进样针再次清洗：进样针302移位到清洗池304中，缓冲液依次经由缓冲液瓶4、进样针清洗泵311泵入到清洗池304中，进样针302在清洗池304中反复吹吸，同时振动马达309保持振动。进样针302吹吸3次后移位到存样孔板指定的存样管中；
92.h.取样分析：进样针302移取5μl的样品输送到分析池305 中进行预分析操作，根据预分析反馈结果在选择性抽吸25μl或者50μl的样品输送到分析池305进行再次分析，反馈结果数据， 3
‑
5min后样品分析完成，根据反馈结果进行分析池自清洗20s，具体的操作方法为缓冲液依次经由缓冲液瓶4、分析池清洗泵312泵入到分析池305中，冲洗过程中分析池排污阀313一直开启，冲洗3次后，废液通过清洗池排污阀310排放到废液瓶5中，分析室再次填充缓冲液，待下一次样品分析；
93.i.进样针最后清洗：进样针302移位到清洗池304中，缓冲液依次经由缓冲液瓶4、进样针清洗泵311泵入到清洗池304中，进样针302在清洗池304中反复吹吸，同时振动马达309保持振动；进样针302吹吸3次后移位到原点待命，清洗完成后，废液通过清洗池排污阀310排放到废液瓶5中；
94.j.再次分析时重复d
‑
i步骤。
95.进一步地，所述生物反应器辅助装置的操作方法还包括自动清洗操作，全自动清洗操作贯穿整个自动取样和自动分析的过程中。
96.进一步地，所述生物反应器辅助装置的操作方法还包括自动反馈补料操作，分析阶段的检测参数在线浓度数据反馈给系统，系统根据反馈的在线检测参数数据调节反馈补料泵601
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604的开启和流量，以维持生物反应器中的葡萄糖浓度在一定的范围内。
97.本实用新型生物反应器辅助装置的操作方法中的分析装置不仅仅局限于在线检测葡萄糖浓度，还可以通过更换不同的生物酶芯片及标定液检测相应的参数浓度，如乳酸、谷氨酸、赖氨酸等。
98.以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。