Пробоотборник, многослойный фильтр, способ отбора проб и применение пробоотборника для отбора проб
Изобретение относится к пробоотборнику, фильтру и способу отбора проб. Пробоотборник содержит корпус с внутренней полостью и два поршня, которые установлены с возможностью перемещения в ней и могут быть прижаты друг к другу во внутренней полости для сжатия пробы. По меньшей мере один из поршней может входить в реактор, чтобы отбирать пробу. Пробоотборник содержит пробоотборную камеру, которая образована пространством между внутренней полостью и поршнями, и по меньшей мере один разъем для присоединения контейнера для проб. Пробоотборник содержит фильтрующее средство, адаптированное для присоединения по меньшей мере к одному из поршней для отделения жидкого компонента пробы от твердого компонента и средство вывода жидкого компонента пробы из пробоотборной камеры. Фильтр содержит корпус со сквозным отверстием, ряд фильтрующих элементов, установленных в корпусе вокруг отверстия, каждый из которых содержит по меньшей мере одну фильтрующую мембрану с отверстиями. Способ отбора проб включает следующие операции: первый поршень вводят в биореактор, втягивают в корпус пробоотборника, при этом поршень перемещает перед собой пробу, ее сжимают между поршнями, выталкивают в разъем для присоединения контейнера для проб. Жидкую фазу пробы фильтруют путем продавливания пробы через фильтр и направляют через пустотелый шток первого поршня в разъем для отбора пробы, твердую фазу пробы выталкивают в разъем для присоединения контейнера для проб. Технический результат: обеспечение автоматического отбора пробы с высоким содержанием твердой фазы с разделением жидкого и твердого компонентов из пробы. 4 н. и 29 з.п. ф-лы, 16 ил., 1 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к обработке пробы и, в частности, к разделению жидкого и твердого компонентов пробы в сочетании с отбором проб и с извлечением различных компонентов пробы. Изобретение относится, в частности, к отбору проб при выращивании культур в биореакторе, когда имеет место высокое содержание твердой фазы или высокая вязкость. Более конкретно изобретение относится к пробоотборнику, многослойному фильтру, способу отбора проб и применению пробоотборника для отбора проб, а также к разделению твердого и жидкого компонентов пробы в сочетании с отбором проб, согласно ограничительным частям пунктов 1, 15, 21 и 33 формулы изобретения, соответственно.
Уровень техники
С точки зрения эффективного контроля биопроцессов и процессов в целом важно иметь возможность осуществления мониторинга критических параметров процесса. В связи с этим необходимо часто отбирать из реактора пробы для анализа. В частности, в тех процессах, где имеет место высокое содержание твердой фазы, и которые вызывают все более широкий интерес, отбор проб представляет собой в большой степени общеизвестную задачу, для которой существует несколько решений. Отбор субстанции можно производить вручную или при помощи автоматического отбирающего устройства, известного как пробоотборник и непосредственно соединенного с биореактором. В таких случаях не удается отбирать пробы при помощи традиционных трубок и кранов, основываясь только на разности давлений, вследствие плохой текучести пульповидной или почти твердой субстанции с высоким содержанием твердой фазы или с высокой вязкостью. В этой связи разработано несколько других решений, пригодных для процессов с высоким содержанием твердой фазы, в частности, транспортеры, в том числе шнековые транспортеры, которые выводят субстанцию из реактора. Однако применение шнековых транспортеров для отбора проб не является оптимальным, поскольку можно использовать лишь небольшую часть пробы, отобранной из реактора. Остаток является бесполезным отходом и остается в области транспортировки между реактором и контейнером для отбора проб.
Для повышения эффективности разработаны способы и устройства отбора проб, которые не создают потерь и которые обеспечивают возвращение избыточного материала пробы в реактор. Такие устройства обычно являются чрезвычайно сложными и не пригодны для применения в тех случаях, когда требуется высокая надежность. Это связано с тем, что при возращении остатка пробы возникает опасность того, что внешние организмы, загрязняющие культуру, также будут попадать в реактор. Вследствие этого отбор проб не является стерильным. Кроме того, известны способы отбора проб, в соответствии с которыми пробу в виде раствора фильтруют на месте через туф или мембранный фильтр. Однако описанные системы пробоотбора очень быстро засоряются, а загрязнения, собирающиеся на фильтре, невозможно удалить во время выращивания исследуемой субстанции. Известно также техническое решение отбора пульпообразных субстанций из реактора, в соответствии с которым предусмотрен поршень, совершающий поступательное движение в реактор, а обратным ходом проталкивающий пробу перед собой в пробоотборник. Пробу сжимают в пробоотборнике для того, чтобы вытолкнуть ее в контейнер для отбора проб, расположенный под выходным отверстием. Примером такого устройства является пробоотборник Isolok серии MSD, в пустотелом корпусе которого установлен контрпоршень, к которому поршень, входящий в реактор, прижимает пульпообразную пробу, после чего производится отбор пробы. Данное устройство и устройства других изготовителей не позволяют непосредственно во время отбора проб производить отделение растворенного компонента пробы от твердого компонента пробы. Кроме того, очистка и стерилизация указанных устройств между отбором проб является затруднительной, а в случае автоматических устройств - даже невозможной.
При этом с известными техническими решениями связаны другие существенные недостатки. Решения, основанные на применении транспортеров, в частности, шнековых транспортеров, являются неэффективными, поскольку они приводят к потерям проб или требуют отдельной системы для обратной транспортировки пробы, что увеличивает как сложность устройства, так и опасность загрязнения внешними организмами. Даже те известные устройства, которые не вызывают потери субстанций, пригодны, в основном, только для жидких проб. С другой стороны, системы, основанные на применении фильтров, также являются неэффективными в связи с указанными проблемами очистки. Однако наиболее существенная общая проблема известных технических решений заключается в том, что жидкий компонент пробы невозможно циклически и автоматически отфильтровывать из пробы с высоким содержанием твердой фазы. Это связано с тем, что жидкую и твердую фазу пробы часто необходимо разделять для автоматического анализа, который производится после отбора проб. В настоящее время пульпообразные пробы приходится обрабатывать отдельно после их отбора для того, чтобы отделять жидкий компонент, что является невыгодным, поскольку требует выполнения дополнительной трудоемкой операции и, следовательно, не позволяет быстро и автоматически регулировать процесс на основании полученных результатов анализа.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является устранение по меньшей мере некоторых недостатков известного уровня техники и создание пробоотборника, при помощи которого можно автоматически отбирать пробу с высоким содержанием твердой фазы из культуры в биореакторе, таким образом, чтобы не вызывать потери пробы и иметь возможность разделять жидкий и твердый компоненты из пробы в той же самой связи.
Задачи изобретения решены при помощи пробоотборника, фильтра или способа отбора проб, которые описаны ниже.
Пробоотборник согласно изобретению содержит корпус, в котором предусмотрены внутренняя полость и два поршня, установленные с возможностью перемещения в полости, которые могут быть прижаты друг к другу для сжатия пробы во внутренней полости, при этом по меньшей мере один из указанных поршней выполнен с возможностью перемещения для отбора пробы. Пробоотборник содержит также пробоотборную камеру, образованную свободным пространством внутренней полости между поршнями, и по меньшей мере один разъем для присоединения контейнера для проб, соединенный с внутренней полостью для вывода пробы из пробоотборной камеры. Кроме того, пробоотборник содержит фильтрующее средство, адаптированное для присоединения по меньшей мере к одному из поршней для отделения жидкого компонента пробы от ее твердого компонента, и средство вывода жидкого компонента пробы из пробоотборной камеры.
Более конкретно пробоотборник согласно изобретению характеризуется признаками, указанными в отличительной части пункта 1 формулы изобретения.
Многослойный фильтр для пробоотборника согласно изобретению, содержит корпус, в котором предусмотрено сквозное отверстие, а также ряд фильтрующих элементов, установленных в корпусе вокруг указанного сквозного отверстия, каждый из которых содержит по меньшей мере одну фильтрующую мембрану с отверстиями, соответствующими требованиям к фильтрации.
Более конкретно, фильтр согласно изобретению характеризуется признаками, указанными в отличительной части пункта 15 формулы изобретения.
В способе отбора проб согласно изобретению первый поршень вводят в биореактор или аналогичное устройство, а затем втягивают в пустотелый корпус пробоотборника, при этом указанный поршень перемещает перед собой пробу. Пробу сжимают между вторым поршнем и первым поршнем, таким образом жидкую фазу пробы фильтруют путем продавливания пробы через фильтр первого поршня и направляют в разъем для отбора пробы через пустотелый шток первого поршня. И в заключение твердую фазу пробы выталкивают в разъем для присоединения контейнера для проб.
Более конкретно способ отбора проб согласно изобретению характеризуется признаками, указанными в отличительной части пункта 21 формулы изобретения.
Изобретение имеет существенные достоинства. Они связаны с тем, что при помощи пробоотборника согласно изобретению можно автоматически и без потерь отбирать пробы, которые имеют высокое содержание твердой фазы, из биореакторов и аналогичных устройств, а также разделять пробу на жидкую и твердую фазы. После отбора проб пробоотборник можно автоматически очищать и стерилизовать. Пробоотборник согласно изобретению можно также использовать не только для процессов с высоким содержанием твердой фазы, но, например, для более традиционных культур, выращиваемых в биореакторах, с пониженной вязкостью. Благодаря тому, что отбор проб на месте осуществляется быстро, надежно и с возможностью автоматизации, пробоотборник согласно изобретению можно использовать для оперативного получения результатов измерения, на основании которых можно корректировать процесс почти в режиме реального времени.
Согласно одному варианту осуществления пробу фильтруют предпочтительно через многослойную фильтровальную пластину, выполненную из силикона, при этом указанный фильтр содержит очень мелкие отверстия для предотвращения прохождения микробных клеток. Благодаря многоступенчатости и ориентации отверстий фильтровальная пластина предлагает более простую очистку, чем пористые керамические фильтры, что является важным для обеспечения непрерывности, воспроизводимости и автоматизации процесса.
Согласно одному варианту осуществления пробоотборники согласно изобретению соединяют последовательно, таким образом, чтобы разъем для присоединения контейнера для твердых проб первого пробоотборника был соединен с пробоотборной камерой второго пробоотборника, в результате чего твердый компонент пробы можно автоматически отбирать для последующего автоматического анализа. Автоматический отбор позволяет производить автоматический анализ, что в свою очередь позволяет автоматически контролировать процесс и повышает его продуктивность.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено описание вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлены:
фигура 1 - пробоотборник согласно изобретению в позиции отбора проб,
фигура 2 - поперечный разрез корпуса пробоотборника,
фигура 3 - поперечный разрез узла второго поршня,
фигура 4 - узел первого поршня,
фигура 5 - поперечный разрез разъема для отбора пробы узла первого поршня,
фигура 6 - поперечный разрез первого поршня,
фигура 7 - изображение в разобранном виде первого поршня,
фигура 8 - пробоотборник в позиции сжатия,
фигура 9 - фильтр для поршня согласно изобретению,
фигура 10 - поперечный разрез фильтра с фигуры 9,
фигура 11 - вид в перспективе фильтра с фигуры 9, вид спереди в направлении фильтрации,
фигура 12 - поперечный разрез пробоотборника согласно одному варианту осуществления изобретения в позиции отбора проб при соединении со вторым пробоотборником согласно изобретению,
фигура 13 - поперечный разрез пробоотборника с фигуры 12 в позиции обработки,
фигура 14 - поперечный разрез части корпуса пробоотборника с фигур 12 и 13,
фигура 15 - зависимость вязкости от сил сдвига для контрольных проб, взятых при помощи пробоотборников согласно изобретению,
фигура 16 - зависимость массы от вязкости проб, которые можно отбирать при помощи пробоотборника согласно изобретению.
Осуществления изобретения
Как показано на фигуре 1, пробоотборник согласно изобретению содержит два поршня 21, 32, последовательно установленных в цилиндрическом пустотелом корпусе 10. Корпус 10 имеет цилиндрическую внутреннюю полость 11 (фигура 2), продольная ось которой, то есть направление, параллельное оси симметрии поперечного разреза, называется осевым направлением.
Как показано на фигуре 2, внутренняя полость 11 имеет два диаметра различных размеров. В задней части корпуса 10, иными словами, в той части, которая наиболее удалена от объекта отбора проб, в частности, от биореактора 2, диаметр внутренней полости 11 больше, чем в передней части корпуса 10. Кроме того, корпус 10 содержит соединительную муфту 15 для присоединения пробоотборника к объекту 2 отбора проб, который обычно представляет собой биореактор или аналогичное устройство, где культивируется или выращивается субстанция, от которой отбирается проба для исследования. Реактор 2 обычно содержит разъем для прообоотборника (не показан), который представляет собой, например, трубку, выходящую наружу из реактора 2 и имеющую наружную резьбу. Соединительная муфта 15 пробоотборника имеет соответствующую внутреннюю резьбу, таким образом пробоотборник можно легко и плотно присоединить к реактору 2.
Как показано далее на фигуре 2, два канала соединяются с внутренней полостью 11 корпуса 10 пробоотборника. Верхний из этих каналов представляет собой газовое соединение 13, через которое текучую среду, в частности водяной пар, можно подавать во внутреннюю полость 11 для того, чтобы стерилизовать внутреннюю полость 11 или выталкивать отобранную пробу в нижний канал. Нижний канал представляет собой разъем 12 для присоединения контейнера для проб, к которому можно присоединять контейнер для приема отобранной пробы. Согласно одному варианту осуществления разъем 12 для присоединения контейнера для проб также имеет свое собственное газовое соединение 14, через которое можно подавать, например, водяной пар в корпус 10 для того, чтобы очищать пробоотборник в направлении, противоположном направлению потока из газового соединения 13. Работа газовых соединений 13 и 14 более подробно описана ниже.
Как было указано, два поршня установлены в корпусе 10 пробоотборника, при этом узел первого поршня 30 показан на фигуре 4, а узел второго поршня 20 - на фигуре 3. Узел второго поршня 20 содержит шток 22 поршня и поршень 21, присоединенный к его переднему концу. Узел второго поршня 20 имеет центральное отверстие, в которое входит узел первого поршня 30. Шток 22 второго поршня является пустотелым, а в его заднем конце имеется отверстие для штифта исполнительного механизма, который перемещает поршень. В этой связи термин "передний конец" относится к пробоотборнику или его части, которая является ближайшей к реактору 2. Соответственно, термин "задний конец" относится к пробоотборнику или его части, наиболее удаленной от реактора 2. Корпус 21 поршня имеет радиальную канавку 24, которую согласно одному варианту осуществления изобретения также можно использовать для отбора проба, что более подробно описано ниже. Наружные кромки фланцев по обеим сторонам радиальной канавки 24 имеют канавки, в которых расположены уплотнительные кольца 23 для того, чтобы обеспечить плотную установку поршня 21 во внутренней полости 11 корпуса 10. Благодаря наличию двух уплотнительных поверхностей поршень 21 не допускает случайного попадания пробы в не предусмотренные для этого участки внутренней полости 11.
Первый поршень 32 показан более подробно на фигурах 6 и 7, при этом на фигуре 6 видно, что шток 31 первого поршня является пустотелым и что основание 33 поршня присоединено к его переднему концу. В основании 33 поршня выполнено центральное отверстие, симметричное относительно внутренней полости штока 31 поршня. На фигуре 6 показаны также резьбовые отверстия в основании 33 поршня, в которые устанавливаются винты 51, прикрепляющие наружный поршень 38 к основанию 33 поршня. Наружный поршень 38 имеет цилиндрическую форму, при этом его корпус защищает компоненты, расположенные внутри первого поршня 32.
Первый поршень 32 показан более подробно на фигуре 7, где можно видеть, что фильтр 35, который расположен между двумя внутренними уплотнениями 34, установлен между основанием 33 поршня и наружным поршнем 38. Назначение фильтра 35 заключается в том, чтобы фильтровать находящуюся под давлением пробу для получения жидкой фазы для анализа. В свою очередь указанный фильтр 35 предотвращает попадание твердого компонента пробы в жидкий компонент пробы. В основании 33 поршня выполнены сквозные отверстия, параллельные штоку 31 поршня, таким образом, указанные отверстия являются осевыми. Эти отверстия предназначены для подачи сжимаемой пробы в первый поршень 32. Таким образом, согласно показанному здесь варианту осуществления отверстия в основании 33 поршня и фильтр 35 образуют фильтрующее средство для отделения жидкого компонента сжимаемой пробы от ее твердого компонента. Объем изобретения включает также возможность применения фильтрующего средства способом, отличным от указанного выше. Так, фильтрующее средство можно, соответственно, установить во второй поршень 21, что, правда, усложняет конструкцию по сравнению с показанным вариантом осуществления из-за размещения разъема для отбора пробы. Альтернативно этому фильтрующее средство можно также установить в корпусе 10, например, как часть внутренней поверхности внутренней полости 11, однако в этом случае усложняется изготовление корпуса 10 и уплотнения поршней 21, 32.
Как указано выше, корпус наружного поршня 38 окружает фильтр 35 и другие внутренние компоненты, поэтому проба, сжимаемая поршнем 32, не будет выходить из поршня 32, но будет перемещаться к центральному отверстию в основании 33 поршня, а оттуда - в пустотелый шток 31 поршня. Во внутренних уплотнениях 34 также имеются соответствующие отверстия. Кроме того, между передним внутренним уплотнением 34 и наружным поршнем 38 установлены внутренняя прокладка 36 и уплотнительное кольцо 37. Внутренняя прокладка 36 имеет форму, которая образует проточный канал, который проходит от отверстия фильтра 35 к центральному отверстию пустотелого штока 31 поршня и служит для отвода пробы. Кроме того, наружный поршень 38 имеет уплотнение относительно внутренней поверхности внутренней полости 11 на корпусе 10 в виде уплотнительного кольца 39, которое установлено в соответствующей канавке в наружном корпусе наружного поршня 38.
Фильтр 35 предпочтительно представляет собой многоступенчатую, то есть многослойную фильтровальную пластину, выполненную из силикона. Как показано на фигурах 9 и 11, в одном варианте осуществления фильтр 35 согласно изобретению представляет собой пластину с круглым поперечным сечением и центральным отверстием 359, которое при сборке совмещается с центральным отверстием штока 31 первого поршня для того, чтобы подводить пробу к разъему 40 для отбора пробы. Кроме того, в пластине предусмотрены два сквозных отверстия 358 для винтов 51 первого поршня 32. Фильтр 35 содержит десять идентичных фильтрующих элементов 357, в каждом из которых предусмотрено сорок восемь мембранных фильтров 351. На фигуре 10 показан поперечный разрез фильтра 35, где можно видеть, что фильтр 35 является трехступенчатым. Фильтр 35 содержит опору 353 и две последовательно установленных мембраны 352 и 351, которые отфильтровывают частицы различных размеров в соответствии с размерами их отверстий. В трехэлементной опоре 353, имеющей полную высоту, предусмотрено отверстие 356 диаметром 2.2 мм, при этом указанная опора 353 отфильтровывает частицы крупнее чем 1 мм. Высота отверстия 356 составляет примерно 525 мкм. Следующая в направлении фильтрации мембрана 352 толщиной примерно 100 мкм имеет отверстия 355 диаметром примерно 200 мкм, что позволяет отфильтровывать частицы с размером 200 - 1000 мкм. Заключительная фильтрация выполняется при помощи показанных мембран 351 толщиной 10 мкм. Каждая мембрана 351 содержит примерно 4500 отверстий 354, диаметр которых соответствует требованиям к фильтрации, например 200 нм. Таким образом, отверстия 354 позволяют отфильтровывать частицы размером 0.22 - 200 мкм. Фильтрацию можно также выполнять в противоположном направлении, в этом случае все частицы крупнее 0.22 мкм будут задерживаться мембраной 351, что вызовет затруднения прохождение потока.
Ниже описан пример определения размеров фильтра 35 согласно изобретению. Фильтр может представлять собой, например, силиконовый диск толщиной примерно 700 мкм и диаметром примерно 15.5 мм. Диск наряду с центральным отверстием 359 и вспомогательными отверстиями 358 содержит также десять фильтрующих элементов 357 диаметром 2.2 мм. Кроме того, фильтрующий элемент 357 диаметром 2.2 мм разделен опорой 353 на три сектора, толщина мембран 352 которых составляет примерно 100 мкм. Каждое отверстие 355 диаметром 200 мкм в мембране 352 содержит мембрану 351, общее количество которых в фильтре 35 составляет 480. При этом мембрана 351 имеет диаметр 200 мкм и содержит ряд сквозных отверстий 354, размер которых определяется текущими требованиями к фильтрации. Согласно одному варианту осуществления фильтр 35 представляет собой стерильный фильтр, вследствие чего диаметр сквозных отверстий 354 в мембране 351 составляет 200 нм. Сквозные отверстия 354 других размеров также возможны, однако, 200 нм считается пределом для стерильной фильтрации. Таким образом, количество сквозных отверстий 354 составляет примерно 2.2 миллиона.
Согласно другому варианту осуществления в фильтр 35, показанный на фигурах 9 и 10, встроены тонкопленочные электроды для подсчета частиц, которые проходят сквозь фильтр, при помощи электрического детектирования.
Согласно еще одному варианту осуществления на поверхности фильтра 35, показанного на фигурах 9 и 10, которые контактируют с пробами, нанесено покрытие из диоксида титана (ТiO2), которое повышает также очищающее действие фильтра 35. Согласно одному варианту осуществления фильтр 35 можно облучать ультрафиолетовым излучением, что способствует очистке поверхности фильтра. Альтернативно этому очистку и селективную проницаемость фильтра 35 можно улучшить при помощи покрытия, повышающего гидрофильные или гидрофобные свойства поверхности.
Как указано выше, фильтр 35 может быть также изготовлен другими различными способами. Вместо силиконового диска теоретически фильтр 35 может быть изготовлен из стали способом лазерной обработки, если при помощи лазерной обработки получить такие мелкие отверстия, которые предотвратят прохождение микробных клеток. В отличие от предыдущего варианта осуществления фильтр 35 в другом варианте осуществления предпочтительно представляет собой пористую керамическую пластину. Достоинствами керамического фильтра 35 являются его превосходная износостойкость, простота изготовления и себестоимость, а недостатком - губчатая и пористая структура керамики, которая легко засоряется и трудно поддается промыванию, особенно - промыванию противотоком. Согласно еще одному варианту осуществления фильтр 35 имеет форму традиционной мембраны, например, тонкой мембраны, выполненной из тефлона, структура которой, как и в случае керамики, является губчатой и пористой с теми же проблемами засорения, а кроме того - с низкой долговечностью.
Итак, узел первого поршня содержит шток 31 первого поршня и поршень 32, присоединенный к его переднему концу. Кроме того, узел первого поршня содержит разъем 40 для отбора пробы, который присоединен к заднему концу узла (фигура 4). Как показано на фигуре 5, шток 31 первого поршня защищен наружной трубкой 44. Переходная муфта 43 присоединена при помощи резьбы к заднему концу наружной трубки 44, и соединяет наружную трубку 44 со штоком 31 поршня, таким образом, что он остается закрепленным на месте. Вторая задача переходной муфты 43 заднего конца заключается в том, чтобы соединять трубку 41, по которой отбирается жидкий компонент пробы, проходящий по штоку 31 поршня, с задним концом штока 31 первого поршня. Перемещение жидкого компонента пробы к заднему концу трубки 41 обеспечивается вводом сжатой субстанции, в частности, воздуха, газообразного азота или водяного пара, в систему через газовое соединение 13 или созданием вакуума через другой конец трубки 41, или путем использования обоих способов. Таким образом, пустотелый шток 31 первого поршня и разъем 40 для отбора пробы соединяются, образуя средство согласно описанному варианту осуществления, для отвода жидкого компонента пробы из пространства между поршнями. В рамках объема изобретения указанное средство можно также использовать другим способом, отличным от описанного. Если, например, фильтр 35 присоединен ко второму поршню 21, средство отвода жидкого компонента пробы из пространства между поршнями, естественно, должно быть установлено в соединении со вторым поршнем 21.
При этом трубка 41 присоединена к штоку 31 поршня при помощи соединителя 42, который соединен с переходной муфтой 43 плотным резьбовым соединением. Разъем 40 для отбора пробы, образованный переходной муфтой 43, соединителем 42 и трубкой 41, можно в свою очередь присоединить к подходящему контейнеру или анализатору, в котором можно анализировать отобранный жидкий компонент пробы. Соответствующую переходную муфту 43 без соединительного адаптера также устанавливают между наружной трубкой 44 и штоком 31 первого поршня на его переднем конце (не показано).
При отборе проб первый поршень 32 пробоотборника вводится в реактор 2, как показано на фигуре 1. При этом расстояние между первым поршнем 32 и вторым поршнем 21 определяет количество отбираемой пробы. После отбора достаточного количества пробы между поршнями 21, 32 поршни 21, 32 отводятся во внутреннюю полость 11 корпуса 10. Как показано на фигуре 8, когда поршни 21, 32 находятся внутри корпуса 10, пробоотборная камера 60, которая ограничена внутренней поверхностью внутренней полости 11, остается между ними. Размер пробоотборной камеры 60, естественно, зависит от расстояния между первым 32 и вторым 21 поршнями. В том случае, если проба содержит твердую фазу, пробоотборник согласно изобретению можно использовать для разделения жидкого и твердого компонента пробы. В этой связи термин высокое содержание твердой фазы относится к ситуации, когда не более 90% субстанции является жидкостью. Иными словами, твердая фаза составляет по меньшей мере 10% пробы. Высокое содержание твердой фазы в пробе можно также проверить по ее текучести, которая обратно пропорциональна вязкости.
Изобретение пригодно также для субстанций с высокой вязкостью, которая может составлять порядка 400 сПа, даже до 4000 сПа, то естьболее одного миллиона сП, что примерно соответствует вязкости застывающего расплавленного стекла. Для иллюстрации конкретной области применения на фигурах 15 и 16 показана вязкость субстанций, для которых использовался пробоотборник согласно изобретению. На основании проведенных испытаний установлено, что пробоотборник согласно изобретению может быть использован для отбора проб реакционной смеси с высокой вязкостью. Эта информация основана на испытаниях пробоотборника согласно изобретению, где в качестве примера использовали различные растворы карбоксиметилцеллюлозы в воде (1 - 5% CMC, carboxymethylcellulose), из которых при помощи пробоотборника отбирали пробы объемом 5 мл. Вязкость отобранных проб определяли при помощи реометра StressTech (Reologica Instruments Ab, Швеция), используя различные настройки для величины силы сдвига. Результаты измерения вязкости проб показаны на фигуре 15 как функция силы сдвига. При помощи пробоотборника согласно изобретению можно отбирать пробу даже из смеси, вязкость которой составляет вплоть до примерно 1000 сПа при силе сдвига 30 Па. Такая проба остается в пробирке, даже если перевернуть пробирку вверх дном. При этом на фигуре 16 показано количество пробы, которое можно отбирать пробоотборником согласно изобретению из смесей с различной вязкостью.
Таким образом, пробоотборник согласно изобретению позволяет отбирать пробы, остающиеся в контейнере для отбора проб при его переворачивании. Для того чтобы разделить жидкий и твердый компоненты пробы с высоким содержанием твердой фазы, первый поршень 32 и второй поршень 21 прижимаются друг к другу с такой силой, что второй поршень 21 сжимает пульпообразную пробу, и она проходит через осевое отверстие в основании 33 второго поршня 32 к фильтру 35 (фигура 7). При достаточном давлении жидкая фаза пробы фильтруется через фильтр 35 и проходит через сквозное отверстие основания 33 поршня (фигура 6), через пустотелый шток 31 первого поршня в разъем 40 для отбора пробы, и оттуда - по трубке 41 в контейнер, автоматический анализатор или т.п.
После извлечения жидкого компонента отобранной пробы твердый компонент пробы остается в осевых отверстиях в первом поршне 32 и между поршнями 21, 32. Для того чтобы извлечь этот твердый компонент, поршни 21, 32 перемещают к разъему 12 для контейнера для отбора проб 12 (фигура 2). Отобранная сухая проба устанавливается над разъемом 12 для присоединения контейнера для проб и выталкивается в разъем 12 для присоединения контейнера для проб под действием потока газа, поступающего из газового соединения 13. Поток газа из газового соединения 13 выталкивает сухой компонент пробы в разъем 12 для присоединения контейнера для проб, откуда она может поступать в пробирку 16, присоединенную к разъему 12, или непосредственно в анализатор для проведения анализа. Пробирка 16 может представлять собой обычную пробирку объемом 5 или 50 миллилитров с резьбовым соединением, выполненную, например, из пластмассы. Пробирки такого типа серийно выпускаются. Согласно альтернативному варианту осуществления твердая фаза пробы вместо пробирки 16 может поступать во второй пробоотборник, где она подвергается дальнейшей обработке.
Если в отверстиях в основании 33 первого поршня 32 остаются остатки сухого компонента пробы, их можно удалить, впрыскивая сжатый газ в шток 31 первого поршня, например, используя газ, подаваемый через разветвитель (не показан), присоединенный к трубке 41. Благодаря такой продувке основания 33 поршня противотоком газа сухая проба полностью извлекается из разъема 12 для присоединения контейнера для проб. Таким образом, на этом этапе вся отобранная проба точно используется, и никакие остатки старой пробы не задерживаются в компонентах пробоотборника, поэтому старая проба больше оказывает влияния на последующий отбор проб.
После того как жидкий и твердый компоненты пробы будут отобраны, пробоотборник можно очищать, не отделяя его от объекта 2 отбора проб. Это можно осуществить путем подачи стерилизующего газа в разъем 12 для присоединения контейнера для проб через газовое соединение 14, когда производится очистка внутренней полости 11. Фильтр 35 можно продувать, например, направляя на него пар через шток 31 первого поршня. Отходы, которые образуются во время продувки, можно направлять в разъем 12 для присоединения контейнера для проб, когда отобранная проба удаляется снизу, предпочтительно - для анализа. При очистке системы следует учитывать, что при отборе новой пробы газ, используемый для опорожнения, остается во внутренней полости 11 пробоотборника и входит в реактор 2 во время отбора новой пробы. В этом случае для опорожнения используют газообразный азот или какой-либо другой газ, который не оказывает влияния на процесс, особенно в таких процессах, где не допускается контакт с кислородом.
Согласно другому варианту осуществления фильтр 35 используется для отделения жидкого компонента пробы от твердого компонента, при этом первый поршень 32 входит в реактор, и проба с высоким содержанием твердой фазы всасывается через фильтр 35. Вакуум, необходимый для всасывания пробы, создается при помощи вакуумного насоса или аналогичного устройства (не показано), соединенного с разъемом 40 для отбора пробы. Из разъема 40 для отбора пробы жидкий компонент пробы направляется для анализа при помощи того же самого вакуумного или другого устройства, использующего разность давлений, таким образом, отходы пробы не остаются в трубопроводе в отличие от традиционных способов фильтрации на месте. После извлечения жидкого компонента - также в отличие от известных способов фильтрации на месте - первый поршень 32 возвращается в реактор 2 и очищается путем продувки, как описано выше. Когда первый поршень 32 будет опорожнен в реактор 2, твердый компонент пробы, в основном, соответствующий жидкому компоненту пробы, вступает в контакт с субстанцией, из которой отобрана проба субстанции. Со временем это нарушает соотношение между жидким и твердым компонентом пробы, поэтому фильтрация на месте согласно этому варианту осуществления не является оптимальной процедурой.
Кроме того, при помощи пробоотборника согласно изобретению можно отбирать пробу, не разделяя в ней жидкую и твердую фазу. Согласно одному варианту осуществления пробу отбирают не между первым поршнем 32 и вторым поршнем 21, как описано выше, но вместо этого второй поршень 21 входит в объект 2 отбора проб таким образом, что проба перемещается назад во внутреннюю полость 11 в радиальную канавку 24 поршня 21. При этом первый поршень 32 является прижатым ко второму поршню 21, поэтому проба не остается между поршнями 21, 32. Как указано выше, отобранная проба подводится к разъему 12 для присоединения контейнера для проб, где проба выгружается под действием силы тяжести или сжатого газа, подаваемого из газового соединения 13. Таким образом, осуществляется отбор пробы каждый раз в количестве, которое определяется объемом радиальной канавки 24 второго поршня 21. Продувка пробоотборника производится, как описано выше.
Согласно одному варианту осуществления пробоотборники согласно изобретению соединяют последовательно. Согласно одному особому варианту осуществления их соединяют последовательно, при этом разъем 12 для присоединения контейнера для твердой фазы пробы первого пробоотборника соединяют с пробоотборной камерой 260 второго пробоотборника 200, как показано на фигуре 12, где второй пробоотборник 200 находится в позиции приема пробы. Таким образом, твердую фазу пробы, отделенную первым пробоотборником, можно далее обработать, то есть ее можно экстрагировать в пробоотборную камеру 260 второго пробоотборника 200, которая действует в качестве реакционной камеры. Второй пробоотборник 200 предназначен для фильтрации жидкой фракции, которая образуется при экстракции из остальной части твердой фазы. Это позволяет также получать из твердого компонента пробы жидкий экстракт, который можно направлять в автоматический анализатор, присоединенный к установке. Автоматический анализ позволяет производить автоматический контроль процесса. При этом второй пробоотборник 200 обеспечивает дальнейшую обработку твердого компонента отобранной пробы, что увеличивает степень автоматизации отбора проб.
Согласно одному варианту осуществления, твердая фаза пробы, направляемая во второй пробоотборник 200, химически разлагается для того, чтобы облегчить проведение анализа. Разложение осуществляется путем подачи в пробоотборную камеру 260 из газового соединения 13, действующего в качестве продувочного канала, вещества, которое дефлокулирует или иным образом разлагает субстанцию, например кислоты, в частности серной кислоты, или растворителя, в частности этанола. Подаваемый диспергирующий агент, естественно, зависит от состава пробы, подлежащей разложению. Для получения химической дисперсии необходимо, чтобы первый и второй поршни 232 и 221 перемещались относительно друг друга таким образом, чтобы разлагаемая проба сжималась между ними и выталкивалась к месту расположения газового соединения 13, откуда подается диспергирующий агент. Может быть также предусмотрено отдельное газовое соединение (не показано) для подачи диспергирующего химического агента. В этом случае газовое соединение 13 используется только для опорожнения и/или очистки пробоотборной камеры 260.
Согласно другому варианту осуществления твердая фаза пробы, подаваемая во второй пробоотборник 200, разлагается термически путем достаточного повышения температуры пробоотборника 200. В этом случае твердая фаза пробы разлагается в результате повышения температуры. При этом пробоотборник 200 перемещается в позицию обработки, в которой первый 232 и второй 221 поршни перемещаются друг к другу, таким образом, разлагаемая проба находится между поршнями 232, 221, как показано на фигуре 13. Термическое разложение можно осуществить несколькими различными способами. Так, например, во втором пробоотборнике 200, более конкретно - на его корпусе, можно установить тепловое сопротивление (не показано), которое обеспечивает нагревание пробоотборной камеры 260. Альтернативно этому второй пробоотборник 200 можно оснастить отдельным каналом 270 для нагревания, как показано на фигурах 12-14. Согласно варианту осуществления, показанному на фигурах 12 - 14, канал 270 для нагревания представляет собой радиальный проход, выполненный на наружной кромке внутренней пробоотборной камеры 260 корпуса 250. Канал 270 для нагревания можно получить различными способами, например, путем литья с образованием полости внутри корпуса 250, однако в примерах, показанных на фигурах 12-14, канал 270 образован путем изготовления корпуса 250 пробоотборника 200 из двух частей, которые соединяются друг с другом и между которыми образуется канал 270 для нагревания. Кроме того, канал 270 для нагревания содержит два разъема 271 для подачи текучей среды, которые расположены на противоположных сторонах пробоотборной камеры 260 и по которым в канал 270 для нагревания подают теплую или горячую жидкость, пар или газ.
Если для разложения необходимо охлаждать пробу, то охлаждение можно реализовать при помощи соответствующих конструктивных элементов, в частности, тепловое сопротивление можно заменить элементом Пельтье, а нагретую жидкую среду, подаваемую в канал 270 для нагревания, - прохладной или охлажденной текучей средой.
Согласно еще одному варианту осуществления твердая фаза пробы, подаваемая во второй пробоотборник 200, разлагается механически, при этом поршни 221, 232 второго пробоотборника 200 выполнены с возможностью сжатия друг с другом для того, чтобы обеспечить механическое разложение. Согласно одному варианту осуществления элемент, разлагающий пробу, можно установить во втором пробоотборнике 200, при этом указанный элемент может представлять собой, например, пластину 280 с иглами, присоединяемую ко второму поршню 221, когда проба сжимается между фильтром 35 и пластиной 280 с иглами для того, чтобы разложить твердую фазу пробы (фигура 12). В случае пластины 280 с иглами ее конфигурация предпочтительно является противоположной конфигурации фильтра 35 первого поршня 221, то естьв пластине 280 с иглами шипы соответствуют расположению отверстий. Пластина 280 с иглами может быть изготовлена, например, из силикона или нержавеющей стали, которые можно легко очищать при помощи очищающего элемента, в частности газового соединения 13, уже в пробоотборнике 200.
Согласно еще одному варианту осуществления разложение твердой фазы пробы, подаваемой во второй пробоотборник 200, осуществляют при помощи ультразвука. В этом случае пробоотборник, предпочтительно его второй поршень 221, оснащают ультразвуковой головкой 290. Вспомогательные устройства, необходимые для ультразвуковой головки 290, в частности ультразвуковой преобразователь (не показан), расположены снаружи пробоотборника 200, откуда необходимые сигналы передаются в пробоотборник 200 при помощи промежуточных соединений и проводников. Согласно одному варианту осуществления особенно предпочтительно устанавливать ультразвуковую головку 290 за пластиной 280 с иглами, при этом пластина 280 с иглами повышает стойкость к механическому истиранию.
Разложение твердого компонента пробы во втором пробоотборнике можно также производить, используя комбинацию вышеописанных вариантов осуществления. Альтернативно этому средства 270, 271, 280, 290 для обработки твердой фазы пробы пробоотборника 200 можно также устанавливать в первом пробоотборнике.
Перечень ссылочных обозначений
| № | Компонент | № | Компонент |
| 2 | Объект отбора проб | 43 | Переходная муфта |
| 3 | Разъем прообоотборника | 44 | Наружная трубка |
| 10 | Корпус | 51 | Винт |
| 11 | Внутренняя полость | 60 | Пробоотборная камера |
| 12 | Разъем для присоединения контейнера для проб | 200 | Второй пробоотборник |
| 13 | Газовое соединение | 210 | Корпус |
| 14 | Газовое соединение | 212 | Разъем для присоединения контейнера для проб |
| 15 | Соединительная муфта | 213 | Газовое соединение |
| 16 | Пробирка | 214 | Газовое соединение |
| 20 | Узел второго поршня | 221 | Второй поршень |
| 21 | Второй поршень | 222 | Шток второго поршня |
| 22 | Шток второго поршня | 231 | Шток первого поршня |
| 23 | Уплотнительное кольцо | 232 | Первый поршень |
| 24 | Радиальная канавка | 260 | Пробоотборная камера |
| 30 | Узел первого поршня | 270 | Канал для нагревания |
| 31 | Шток первого поршня | 271 | Разъем для подачи текучей среды |
| 32 | Первый поршень | 280 | Пластина с иглами |
| 33 | Основание поршня | 290 | Ультразвуковая головка |
| 34 | Внутреннее уплотнение | 351 | Мембрана |
| 35 | Фильтр | 352 | Мембрана |
| 36 | Внутренняя прокладка | 353 | Опора |
| 37 | Уплотнительное кольцо | 354 | Отверстие |
| 38 | Наружный поршень | 355 | Отверстие |
| 39 | Уплотнительное кольцо | 356 | Отверстие |
| 40 | Разъем для отбора пробы | 357 | Фильтрующий элемент |
| 41 | Трубка | 358 | Сквозное отверстие |
| 42 | Соединитель | 359 | Центральное сквозное отверстие |
1. Пробоотборник, соединяемый с разъемом (3) для прообоотборника реактора, биореактора (2) или аналогичного устройства и содержащий:
- корпус (10), имеющий внутреннюю полость (11),
- два поршня (21, 32), установленные в корпусе (10) таким образом, что они могут быть прижаты друг к другу во внутренней полости (11) для сжатия пробы, при этом по меньшей мере один из поршней (21, 32) выполнен с возможностью перемещения относительно корпуса (10) в реакторе для отбора пробы,
пробоотборную камеру (60), образованную пространством внутренней полости (11) между поршнями (21, 32),
по меньшей мере один разъем (12) для присоединения контейнера для проб, соединенный с внутренней полостью (11) для вывода пробы из пробоотборной камеры (60),
отличающийся тем, что содержит также:
фильтрующее средство для отделения жидкого компонента пробы от твердого компонента, при этом указанное фильтрующее средство адаптировано для присоединения по меньшей мере к одному из поршней (21, 32), и
средство (31, 40) для вывода жидкого компонента пробы из пробоотборной камеры (60).
2. Пробоотборник по п.1, отличающийся тем, что фильтрующее средство содержит фильтр (35) для отделения твердого компонента пробы.
3. Пробоотборник по п.2, отличающийся тем, что фильтр (35) присоединен к первому поршню (32).
4. Пробоотборник по п.3, отличающийся тем, что первый поршень (32) содержит:
основание (33) поршня, присоединенное к переднему концу первого поршня (32) и имеющее осевые отверстия для ввода пробы в поршень (32), и
наружный поршень (38), присоединенный к основанию (33) поршня таким образом, что между ними остается пространство для фильтра (35).
5. Пробоотборник по п.1, отличающийся тем, что он содержит пустотелый шток (31) первого поршня, к свободному концу которого присоединен первый поршень (32), при этом основание (33) первого поршня (32) имеет центральное сквозное отверстие, расположенное симметрично относительно внутренней полости штока (31) первого поршня, для вывода пробы через фильтр (35) в шток (31) первого поршня.
6. Пробоотборник по п.1, отличающийся тем, что указанный пробоотборник содержит также газовое соединение (13), которое предназначено для подачи текучей среды в полость (11) корпуса (10), чтобы вдувать твердый компонент пробы в разъем (12) для присоединения контейнера для проб.
7. Пробоотборник по п.1, отличающийся тем, что второй поршень (21) выполнен с возможностью перемещения в полости (11).
8. Пробоотборник по п.1, отличающийся тем, что разъем (12) для присоединения контейнера для проб содержит газовое соединение (14).
9. Пробоотборник по п.1, отличающийся тем, что шток (31) первого поршня приводится в движение пневматически или при помощи двигателя так, что перемещение первого поршня (32) автоматизировано.
10. Пробоотборник по п.1, отличающийся тем, что шток (22) второго поршня приводится в движение пневматически или при помощи двигателя так, что перемещение второго поршня (21) автоматизировано.
11. Пробоотборник по п.1, отличающийся тем, что предусмотрен канал (270) для нагревания или охлаждения пробоотборной камеры, соединенный с пробоотборной камерой (60, 260), для обеспечения термического разложения пробы в пробоотборной камере (60, 260).
12. Пробоотборник по п.1, отличающийся тем, что указанный пробоотборник содержит ультразвуковую головку (290), предназначенную для сообщения вибрации поршню (221, 232) с целью механического разложения пробы в пробоотборной камере (60, 260).
13. Пробоотборник по п.1, отличающийся тем, что указанный пробоотборник содержит пластину (280) с иглами, которая установлена между поршнями (221, 232) для обеспечения механического разложения пробы в пробоотборной камере (60, 260) при прижатии поршней (221, 232) друг к другу.
14. Пробоотборник по п.1, отличающийся тем, что группа пробоотборников соединена последовательно таким образом, что разъем (12) для присоединения контейнера для отбора твердой фазы пробы первого пробоотборника соединен с пробоотборной камерой (260) второго пробоотборника (200).
15. Многослойный фильтр (35) для пробоотборника по одному из пп.1-14, отличающийся тем, что фильтр (35) содержит:
корпус, имеющий сквозное отверстие,
ряд фильтрующих элементов (357), установленных в корпусе вокруг указанного сквозного отверстия, каждый из которых содержит по меньшей мере одну фильтрующую мембрану (351, 352) с отверстиями (354, 355), соответствующими требованиям к фильтрации.
16. Фильтр (35) по п.15, отличающийся тем, что фильтрующие элементы (357) содержат опоры (353), предназначенные для опоры мембран (351, 352) в направлении фильтрации.
17. Фильтр (35) по п.15 или 16, отличающийся тем, что предусмотрены две последовательно расположенные мембраны, причем отверстия (355) первой мембраны (352) в направлении фильтрации больше, чем отверстия (354) второй мембраны (351).
18. Фильтр (35) по п.17, отличающийся тем, что диаметр отверстий (354) последней мембраны (351) в направлении фильтрации составляет не более чем 200 нм, в этом случае фильтр (35) является стерильным фильтром.
19. Фильтр (35) по п.15 или 16, отличающийся тем, что фильтр (35) выполнен из силикона.
20. Фильтр по п.15 или 16, отличающийся тем, что фильтр (35) является керамическим.
21. Способ отбора проб, включающий следующие операции:
первый поршень (32) вводят в биореактор или аналогичное устройство,
первый поршень (32) втягивают в пустотелый корпус пробоотборника, при этом указанный поршень (32) перемещает перед собой пробу,
пробу сжимают между вторым поршнем (21) и первым поршнем (32), пробу выталкивают в разъем (12) для присоединения контейнера для проб,
отличающийся тем, что
жидкую фазу пробы фильтруют путем продавливания пробы через фильтр (35) первого поршня (32) и направляют через пустотелый шток (31) первого поршня (32) в разъем (40) для отбора пробы,
твердую фазу пробы выталкивают в разъем (12) для присоединения контейнера для проб.
22. Способ по п.21, отличающийся тем, что твердый компонент пробы выталкивают в разъем (12) для присоединения контейнера для проб путем продувки полости (11) газом, который вводят через газовое соединение (13).
23. Способ по п.21 или 22, отличающийся тем, что систему продувают противотоком при помощи газового соединения (14) разъема (12) для присоединения контейнера для проб.
24. Способ по п.21 или 22, отличающийся тем, что очистку системы производят через шток (31) первого поршня, при этом стерилизующий газ направляют в систему через фильтр (35).
25. Способ по п.24, отличающийся тем, что полость (11) продувают, направляя в нее газ через газовое соединение (13).
26. Способ по п.22, отличающийся тем, что при продувке используют газ, который не оказывает влияния на процесс, происходящий в это время в объекте отбора проб, например, газообразный азот в анаэробных процессах.
27. Способ по п.21, отличающийся тем, что твердую фазу пробы выталкивают в разъем (12) для присоединения контейнера для проб, который соединен с пробоотборной камерой (260) второго пробоотборника (200), где производят дальнейшую обработку пробы.
28. Способ по п.21, отличающийся тем, что определенное вещество, например кислоту, в частности серную кислоту, или растворитель, в частности этанол, которое дефлокулирует твердый компонент пробы, подают в пробоотборную камеру (11, 260) через газовое соединение (13, 213).
29. Способ по п.21, отличающийся тем, что пробоотборную камеру (11, 260) нагревают с использованием теплового сопротивления или аналогичным способом для того, чтобы разложить твердый компонент пробы или способствовать его разложению.
30. Способ по п.21, отличающийся тем, что поршни (221, 232) прижимают друг к другу для того, чтобы обеспечить механическое разложение.
31. Способ по п.30, отличающийся тем, что пробу разлагают путем прижатия к пластине (280) с иглами, установленной на поршне (221, 232).
32. Способ по п.21, отличающийся тем, что пробу разлагают путем фокусировки на ней ультразвуковой вибрации.
33. Применение пробоотборника по п.1 для автоматического отбора проб.
