用于发酵液取样的瓷膜取样探头研发

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论文摘要

  1 引言
  
  为实现发酵过程的优化和控制,开发适用于该过程的新型传感器和在线检测技术十分关键。例如,葡萄糖生物传感器是实现发酵液中葡萄糖浓度实时在线检测的主要手段。生物传感器工作时需要有生物活性物质的参与,这些活性物质不能经受高温灭菌等无菌化处理。因此,如果没有特殊装置,生物传感器不能直接连接反应器进行发酵液的在线测量,这是限制生物传感器在线应用的主要技术障碍。
  
  目前,葡萄糖浓度检测主要采用离线方式,实现在线测定或联机测定主要有两种技术手段:原位测定和引流测定。原位测定将酶电极直接插入生物反应器,其优点是无时间延迟,无样品损耗,仪器成本低,但传感器极易受发酵液理化因素干扰,而且固定化酶无法经受高温灭菌。引流测定技术是目前研究的热点。
  
  近20年来,已有多人设计过发酵液在线引流取样装置,并尝试进行在线检测,都存在一些问题。如张先恩等设计了盘式膜透析分离取样装置,采用醋酸纤维素滤膜透析法,由于受到透析膜两边压差、液体停留时间、温度等因素影响,不利于在实际生产中应用。同样是透析原理的TRACEAnalyticsGmbH生产的透析探头要稳定一些,但仍然存在类似问题。vandeMerbel在做在线检测发酵液的尝试时,采用发酵罐外过滤取样系统,其需要多路回流,系统复杂,且在发酵罐外,不利于灭菌。杨海麟等研制一套生物反应过程在线检测系统,其取样装置采用膜过滤,其取样速率过低(小于1mL/min),若分析仪对样品量要求较高,则不易满足;与其类似的还有Flownamics公司开发的FISP系列取样探头和TRACEAnalyticsGmbH生产的过滤探头,两者价格昂贵,取样速率亦过低。本研究组设计了一种透析取样装置,并用于发酵过程葡萄糖在线检测系统,实验过程中亦发现葡萄糖通透性受温度、压差等因素干扰,不利于实际测量。
  
  本研究设计了一种结构简单,牢固耐用的陶瓷膜取样探头,用此探头进行了发酵液的取样测试,并对实验结果进行分析。
  
  2 实验部分
  
  2.1 过滤取样装置的设计
  
  2.1.1 工作原理
  
  引流测定是在发酵过程中将少许发酵液引出发酵罐,在罐外用酶电极、色谱法或光谱法等进行测定。如果葡萄糖分析仪采用生物传感器,则生物传感器不需要放在发酵罐内,避免了高温灭菌对生物传感器的破坏。为了防止在发酵过程中发酵液染菌,需要有膜隔离措施。常见的取样方法有透析法、过滤法、电萃取法、膜萃取法等,其中只有前两种比较适用于发酵过程。透析取样是将发酵液中的葡萄糖分子通过透析膜扩散入存有缓冲液的扩散池内,然后将扩散池内含有葡萄糖的缓冲液引流出发酵罐进行测试。透析取样的透过率受透析膜两边压差、缓冲液停留时间、温度等因素影响,难以确定葡萄糖在得到的样品中的稀释程度,不利于准确测量。过滤取样,采用错流过滤技术,利用膜件实现发酵液与细胞的分离,同时将分离后的液体样品引出发酵罐进行分析检测。
  
  2.2.2 装置结构
  
  设计的用于发酵过程在线检测的发酵液快速过滤取样装置包括支撑体、旋塞阀、O型圈、过滤膜管、管盖,其中支撑体和管盖用螺纹结构连接,两者共同固定了过滤膜管,零件间采用密封胶密封;旋塞阀通过卡套连接支撑体的出液口,O型圈卡在支撑体相应的O型圈沟槽中。其结构如图1所示。支撑体采用不锈钢制作,可直接安装在发酵罐上,其与发酵罐之间由O型圈密封。支撑体中心有导流孔,滤出液可以由此流出该装置,经过旋塞阀进入测量分析仪器。使用时,先将支撑体固定在发酵罐上,然后连接旋塞阀。过滤膜管为圆管状,套在支撑体较细一端的圆柱体外,两者之间存在薄的缝隙。工作时,发酵液在过滤膜管的外边流动,经错流过滤渗透进缝隙中,然后流入支撑体中心的导流孔。
  
  过滤膜管可采用耐高温、孔径0.1~0.2μm的陶瓷膜材料,发酵液经过过滤膜管的过滤,分离出了罐内微生物和固体颗粒,但过滤液和发酵液中葡萄糖、无机盐等物质的浓度是一致的。同时,过滤膜管也阻断了发酵罐外部的细菌等微生物通过取样口进入发酵罐里的发酵液中,达到防止染菌的目的。管盖采用不锈钢制作,通过螺纹连接支撑体。使用本装置时,可以安装在发酵罐上,取样口直接连接分析仪器的进样口(仪器内有泵装置),取样速率由分析仪控制,也可以进行离线取样。取样装置仅有5个零部件,其中支撑体和管盖的结构简单,易于加工和批量化生产,其余零件均为标准件或可以直接购买选取,且价格低廉。因此装置整体结构简单,易于装配和批量化生产,制作成本低。过滤膜管卡在支撑体与管盖之间,又有密封胶粘紧密封,这样的结构确保装置整体牢固。过滤膜管可采用陶瓷膜,密封胶可采用耐高温的环氧树脂结构胶,选材能够方便地达到耐高温、耐腐蚀的要求,可以经受高温高压灭菌。过滤膜管套在支撑体外,过滤的有效面积较大,保证了在同样压力下,可以达到较高的取样速度,当要求一定的取样速率时,由分析仪根据需要调节蠕动泵即可。采用的过滤膜可以有效防止取样时染菌,目前陶瓷膜孔径可低于0.1μm。

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  2.2 材料与仪器
  
  由山东省科学院生物研究所SBA系列分析仪专用缓冲剂添加蒸馏水配制的检测用缓冲液。由市售分析纯葡萄糖配制并在室温下静置6h的葡萄糖溶液。工业现场大肠杆菌发酵液样品,在发酵期间临时采集并水浴灭活。
  
  OEMBJ60-01型蠕动泵(保定兰格恒流泵有限公司)。过滤取样装置由本实验组设计加工,过滤膜管采用净易CM01-1775型滤芯(广州净易环保科技有限公司),支撑体和管盖由不锈钢加工,O型圈等零件为标准件,密封胶采用7102型耐高温环氧树脂结构胶,引流管采用特氟龙材料。SBA-40E葡萄糖生物传感分析仪(山东省科学院生物研究所)。
 
  3 结果与讨论
  
  3.1 取样速率测试
  
  分析仪对样品的取样量有限定,在单位时间内通过该装置获取的样品量即为取样速率。取样速率与滤膜的通透性和液体的粘度、浓度及膜两边的压差等有关。在测试取样速率时,分别选用发酵液和不同浓度的葡萄糖溶液在不同的蠕动泵转速下测试装配取样探头时的取样速率(图2A)和去掉取样探头时的蠕动泵流速(图2B),通过对比,评价探头的取样速率。

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  实验中选取的葡萄糖溶液浓度分别为0,1,2,5和10g/L。将取样头先后放入装有不同浓度葡萄糖溶液和发酵液的烧杯中,保证取样头的过滤膜管全部没入液体中,安装好旋塞阀、待测液引流管、蠕动泵。测试过程中,变更蠕动泵的转速分别为20,40和60r/min,测量不同转速下稳定时引流管的液体流速,即取样速率,数据如表1。

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  3.2 葡萄糖通透性测试
  
  除了测试取样速率外,还要测试抽取样品中的葡萄糖浓度来评价探头的葡萄糖通透性。在透析取样中常采用透析后透析液的葡萄糖含量与总的葡萄糖含量(包括透析后透析液的葡萄糖含量与透析后原溶液的葡萄糖含量之和)的比值作为葡萄糖的透过率。由于采用超滤方法,故定义透过率为过滤后所获样品的葡萄糖浓度与取样前待取样液的葡萄糖浓度的比值。表2为稳定时葡萄糖通透性实验的数据。

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  3.3 响应时间测试
  
  取样包括过滤和引流两个环节,液体从探头外部进入探头,并经过引流装置到分析仪,这需要一定的时间,并且在引流过程中,还会造成前后溶液的混合,因此需要进行时延测试。实验测试时装置的连接同图3A,与过滤速率测量不同的是:将蠕动泵调至60r/min,先吸取蒸馏水一段时间,待取样稳定后,迅速将蒸馏水更换为7.6g/L葡萄糖溶液,保持蠕动泵转速不变,测量获取的溶液样品中葡萄糖含量随时间的变化,结果如图3所示。

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  3.4 过滤取样装置的特点
  
  从取样速率测试的结果可知,蠕动泵在不同转速时,取样速率会随之线性变化,无论是否连接取样探头,或是改变葡萄糖溶液的浓度,其影响都不大。
  
  可以认为在蠕动泵的不同转速条件下,取样探头对不同浓度的葡萄糖溶液的阻碍作用均不明显。这样可根据需要调节蠕动泵的转速来控制检测时的取样速率。传统透析取样的透过率受葡萄糖浓度、温度、停留时间等影响很大[8],本装置的葡萄糖透过率基本为100%,对测试的误差的贡献几乎为零。在对随机选取的发酵液进行取样测试时,虽然发酵液的组分、浓度和杂质含量较葡萄糖溶液复杂得多,但其测试结果与葡萄糖溶液测试结果十分相似,因此可以认为短期内取样速率和透过率几乎不受溶液的组分、浓度和杂质状况的干扰。
  
  在线引流测定,无论是透析取样还是过滤取样都会增加额外的时延,这主要是由于增加了管路,液体从发酵罐到仪器之间需要传送时间,而透析取样方法还需要额外的透析停留时间,以保证葡萄糖的通过率。0~1.5min所测的结果一直为零,这段时间是引流管造成的新样本传送时间。3~4min所测的结果已经接近实际值,之所以还略小于实际值,是由于在陶瓷膜管和支撑体之间所留的空间过大,一部分空间内残存微量的上一时刻的液体稀释了当前溶液,减小陶瓷膜管和支撑体之间所留的空间,可以使这段时间缩短。不考虑引流管造成的传送时间,则取样探头的延时为2min(第1.5min到第3.5min)。
  
  由于装置所用材料均是耐高温材料,在蒸气灭菌环节不会被破坏。陶瓷膜的孔径为0.1μm,绝大多数细菌的直径在0.5~5.0μm之间,因此装置能够阻断罐内和罐外的菌体来往,即使在发生故障出现液体逆流,外界细菌也无法侵入发酵罐。探头外有大量的流动发酵液不断冲洗过滤膜,并且蠕动泵所带来的压差并不大,故浓度极化层的影响很小,可以忽略,在一定程度上避免了滤膜的阻塞。
  
  本研究设计的快速过滤取样装置能很好地应用于酶注射式葡萄糖生物传感分析仪及其它类型的在线发酵液分析仪器,具有结构简单,成本低廉,取样速度快,取样时无需太大压差的特点。此装置取样速率较大,并可根据需要调节,葡萄糖透过率一直稳定在100%,时间延迟约2min,解决了染菌等问题,适于在发酵过程在线监控中应用。
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