PL249320B1 - Urządzenie do automatycznego precyzyjnego powtarzalnego dozowania odczynników - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest urządzenie do automatycznego precyzyjnego powtarzalnego dozowania odczynników, zawierające zaczep, silnik krokowy, mechanizm przeniesienia napędu, uchwyt korpusu strzykawki oraz uchwyt kołnierza tłoka strzykawki, charakteryzujące się tym, że zaczep (1) zawiera śrubę (1a) i docisk (1b), przy czym na zaczepie (1) osadzony jest poprzez ramę (3) silnik krokowy (2) połączony z elektronicznym układem sterującym (10), a na wale silnika krokowego (2) osadzone jest koło zębate (6), zaś do ramy (3) silnika krokowego (2), od strony koła zębatego (6), zamocowany jest uchwyt (4) strzykawki (9) zawierający blokadę (4a) korpusu (7) strzykawki (9), przy czym w uchwycie (4) strzykawki (9) osadzona jest suwliwie listwa zębata (5) współpracująca z kołem zębatym (6), przy czym na listwie zębatej (5) zamocowana jest blokada (5a) kołnierza (8) tłoka strzykawki (9).

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do automatycznego precyzyjnego dozowania odczynników, zwłaszcza do zastosowania w układach bioreaktorowych, a w szczególności do zastosowania w szklanych i polimerowych zbiornikach/mieszalnikach, szczególnie w systemach bioreaktorów single-use.

Z patentu US11504465B2 znane jest rozwiązanie zaprojektowane tak, aby system pompy strzykawkowej można było łatwo łączyć i rozłączać w terenie. Końcowy blok montażowy na pompie ma szczelinę ukształtowaną tak, aby pasowała do podobnie ukształtowanego przycisku tłoka i trzonu tłoka na strzykawce. Użytkownik ustawia przycisk tłoka strzykawki obok szczeliny na bloku montażowym pompy i wsuwa przycisk tłoka i trzon do wewnętrznej wnęki pompy. Zarówno pompa, jak i strzykawka mają gwintowane łączniki, które bezpiecznie łączą pompę ze strzykawką poprzez obracanie łączników względem siebie.

Z patentu AU2019202164B2 znany jest sposób odprowadzania płynu ze strzykawki i łagodzenia warunków okluzji obejmujący uruchamianie tłoka strzykawki w cylindrze. Sposób umożliwia monitorowanie ciśnienia płynu w cylindrze strzykawki i określa, że występuje okluzja, gdy ciśnienie płynu przekracza określoną wartość progową. Sposób powoduje wysunięcie tłoka z cylindra o z góry określoną wartość w odpowiedzi na wykrytą okluzję i uruchomienie tłoka strzykawki w cylindrze, aż zmierzone ciśnienie płynu w cylindrze strzykawki przekroczy inny z góry określony próg.

Z patentu PL2947017T3 znany jest zrobotyzowany siłownik strzykawki, który ma uchwyt zaciskający do utrzymywania kołnierza obwodowego otworu cylindra lub kołnierza na końcu tłoka strzykawki, przez wywieranie jednoczesnego nacisku na obie powierzchnie kołnierza cylindra lub kołnierza tłoka strzykawki.

Zaletą wynalazku względem stanu techniki jest to, że przedstawione urządzenie nie wymaga usytuowania na płaskich powierzchniach roboczych, możliwy jest montaż bezpośrednio na elementach reaktora/zbiornika takiego jak np. kołysana platforma bioreaktora single-use zapewniającego mieszanie typu „wave” przy użyciu zaczepów lub klamr. Ponadto wynalazek posiada budowę modularną, co pozwala na dowolną wymianę poszczególnych komponentów do konkretnego zastosowania, a także możliwość dozowania cieczy ze zmiennym natężeniem przepływu, zarówno impulsowo, jak i chronicznie. Działanie urządzenia opiera się na przekładni zębatej, zamiast szyn lub przekładni śrubowych, co pozwala zmniejszyć wymiary urządzenia oraz zwiększa precyzję dozowania porcji cieczy w zadanej jednostce czasu dozowania.

Celem wynalazku jest zapewnienie precyzyjnego, powtarzalnego i automatycznego dozowania cieczy do wnętrza zbiornika bioreaktora poprzez zastosowanie uniwersalnego zaczepu do montażu bezpośrednio na zbiorniku (mieszalniku) dowolnego bioreaktora, funkcję regulacji szybkości dozowania oraz objętości dozowanej dawki cieczy, możliwość współpracy z różnymi rodzajami strzykawek o różnych pojemnościach, a także zachowanie zwartej budowy i niskiej masy urządzenia.

Istotą wynalazku jest urządzenie do automatycznego precyzyjnego dozowania odczynników, zawierające zaczep, silnik krokowy, mechanizm przeniesienia napędu, uchwyt korpusu strzykawki oraz uchwyt kołnierza tłoka strzykawki. Zaczep zawiera śrubę i docisk, przy czym na zaczepie osadzony jest poprzez ramę silnik krokowy połączony z elektronicznym układem sterującym. Na wale silnika krokowego osadzone jest koło zębate, zaś do ramy silnika krokowego, od strony koła zębatego, zamocowany jest uchwyt strzykawki zawierający blokadę korpusu strzykawki. W uchwycie strzykawki osadzona jest suwliwie listwa zębata współpracująca z kołem zębatym, przy czym na listwie zębatej zamocowana jest blokada kołnierza tłoka strzykawki.

Korzystnie zaczep ma kształt zbliżony do litery C.

Korzystnie zaczep na wewnętrznej stronie górnego ramienia zawiera podkładki górne z materiału elastycznego, usytuowane względem siebie pod kątem co najmniej 30°.

Korzystnie śruba przechodzi przez gwintowany otwór w dolnym ramieniu zaczepu, śruba połączona jest z dociskiem, który zawiera podkładki dolne z materiału elastycznego, usytuowane względem siebie pod kątem co najmniej 30°.

Korzystnie uchwyt strzykawki jest usytuowany względem płaszczyzny górnego ramienia zaczepu pod kątem 30°.

Korzystnie blokada korpusu strzykawki ma kształt zbliżony do litery C i jest zamocowana rozłącznie do uchwytu strzykawki.

Korzystnie blokada kołnierza tłoka strzykawki składa się z dwóch części, przy czym część pierwsza zamocowana jest na stałe do listwy zębatej, zaś część druga blokady jest zamocowana rozłącznie do części pierwszej blokady.

Korzystnie elektroniczny układ sterujący zawiera sterownik połączony z mikrokontrolerem, przy czym z mikrokontrolerem połączony jest regulator napięcia, kontroler z ekranem, zestaw przełączników, potencjometr oraz zestaw diod LED.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie w widoku perspektywicznym od strony uchwytu strzykawki, fig. 2 - urządzenie w widoku perspektywicznym od strony silnika krokowego, fig. 3 - urządzenie w widoku z boku, fig. 4 urządzenie w widoku z boku z zainstalowanymi dodatkowymi elementami mocującymi, fig. 5 - urządzenie z fig. 4 w widoku z przodu, a fig. 6 - schemat blokowy elektronicznego układu sterującego.

Na fig. 1-3 przedstawiony jest widok urządzenia do automatycznego dozowania odczynników. Urządzenie zawiera zaczep 1 w kształcie litery C, który na wewnętrznej ścianie górnego ramienia zawiera gumowe podkładki górne 1c, 1d, usytuowane względem siebie pod kątem 120°. Podkładka górna 1d ma dwukrotnie większą powierzchnię od podkładki górnej 1c. Przez gwintowany otwór w dolnym ramieniu zaczepu 1, w pobliżu zewnętrznej jego krawędzi, przechodzi śruba 1a. Od zewnętrznej strony zaczepu 1 śruba 1a zakończona jest pokrętłem, a od strony wewnętrznej zaczepu 1 połączona jest z dociskiem 1b. Docisk 1 lb zawiera gumowe podkładki dolne 1e, 1f, usytuowane względem siebie pod kątem 90°, przy czym podkładka dolna 1e ma dwukrotnie większą powierzchnię od podkładki dolnej 1f. Podkładki górne 1c, 1d i podkładki dolne 1e, 1f poprzez dokręcenie śruby 1a z dociskiem 1b umożliwiają zamocowanie urządzenia na platformie bioreaktora.

Do górnej, zewnętrznej ściany górnego ramienia zaczepu 1 zamocowana jest rama 3 w kształcie litery L, przy czym rama 3 zawiera także ściankę, do której zamocowany jest poprzez połączenie śrubowe silnik krokowy 2. Na wale silnika krokowego 2 zamocowane jest koło zębate 6. Do ramy 3, od strony koła zębatego 6, zamocowany jest uchwyt 4 strzykawki 9, który jest usytuowany względem płaszczyzny górnego ramienia zaczepu 1 pod kątem 30°, kierując uchwyt w stronę dolnego ramienia zaczepu 1. W spodniej części uchwytu 4 w wyfrezowanym kanale osadzona jest suwliwie listwa zębata 5 w kształcie litery T.

Uchwyt 4 strzykawki 9 zawiera wycięcia i wyżłobienia dla osadzenia w nim korpusu 7 strzykawki 9. Osadzona w uchwycie 4 strzykawka 9 mocowana jest poprzez blokadę 4a korpusu 7 w kształcie litery C, którą blokuje się poprzez dokręcenie dwiema śrubami. Kołnierz 8 tłoka strzykawki 9 mocowany jest poprzez blokadę 5a, która składa się z dwóch części, przy czym część pierwsza zamocowana jest na stałe do listwy zębatej 5, zaś część druga blokady 5a jest mocowana do części pierwszej blokady 5a także poprzez dwie śruby. Listwa zębata 5 współpracuje z kołem zębatym 6 umożliwiając ruch listwy zębatej 5 wraz z tłokiem strzykawki 9 w celu dozowania odczynników do i ze strzykawki 9. W przykładzie wykonania wykorzystana jest strzykawka 9 o pojemności 5 ml.

Na fig. 4-5 przedstawione jest urządzenie do automatycznego dozowania odczynników, zawierające dodatkowo elementy mocujące kołysanej platformy bioreaktora typu „wave”, mające postać górnego elementu kształtowego 11 a osadzonego na podkładkach górnych 1c, 1d oraz dolnego elementu kształtowego 11 b osadzonego na podkładkach dolnych 1e, 1f. Ponadto do wylotu ze strzykawki 9 przyłączone jest złącze 12 pojemnika/zbiornika bioreaktora.

Na fig. 6 widoczny jest schemat blokowy elektronicznego układu sterującego 10, który połączony jest z silnikiem krokowym 2. Elektroniczny układ sterujący 10 zawiera sterownik A2 połączony z mikrokontrolerem A1, przy czym z mikrokontrolerem połączony jest regulator napięcia U1, kontroler U2 z ekranem, zestaw przełączników SW1, SW2, SW3, SW4, potencjometr RV1 oraz zestaw diod LED D1, D2, D3. W tym przykładzie wykonania, sterownikiem A2 silnika krokowego 2 jest sterownik Allegro A4988 na płytce Pololu 1182. Mikrokontrolerem A1 jest Atmel ATmega 328P oraz Atmel ATmega16U2 na płytce Arduino UNO R3.

Obsługa urządzenia przez użytkownika odbywa się poprzez ekran LCD 16*2 sterowany przy użyciu kontrolera U2 I2C opartego o układ PCF8574T.

Zestaw przełączników SW1, SW2, SW3, SW4 oraz potencjometr RV1 realizują określone funkcje. Po wciśnięciu przełącznika SW1 następuje włączenie lub wyłączenie urządzenia. Po wciśnięciu przełącznika SW2 następuje wciśnięcie tłoka strzykawki 9. Po wciśnięciu przełącznika SW3 następuje wysunięcie tłoka strzykawki 9. Po wciśnięciu przełącznika SW4 następuje przejście do trybu regulacji ob4 jętości dozowania poprzez potencjometr RV1. Ustalona przez użytkownika wartość objętości jest przeliczana na liczbę kroków silnika krokowego 2, odpowiadającą kątowi obrotu koła zębatego 6 napędzającego listwę zębatą 5.

Diody D1, D2, D3 wskazują stan urządzenia. Dioda D1 jest włączona wtedy, gdy urządzenie jest włączone. Wyłączenie urządzenia jest sygnalizowane trzykrotnym zapulsowaniem diody D1, po którym dioda D1 jest wyłączana. Dioda D2 jest włączona wtedy, gdy silnik krokowy 2 jest w ruchu. Dioda D3 jest włączona wtedy, gdy urządzenie znajduje się w trybie regulacji objętości dozowania.

Elektroniczny układ sterujący 10 jest zasilany poprzez dwie linie prądu stałego. Linia +5 V wykorzystywana jest do zasilania niskoprądowego, czyli dla obwodów poza silnikiem krokowym 2. Napięcie jest doprowadzane przez regulator napięcia. Napięcie wejściowe do regulatora jest dostarczane poprzez zasilacz prądu stałego o napięciu wyjściowym +12 V. Linia +15 V wykorzystywana jest do zasilania silnika krokowego 2. Napięcie jest doprowadzane do wejścia napięcia silnika krokowego 2 sterownika A2. Źródłem napięcia jest regulowany zasilacz prądu stałego.

Aby urządzenie pracowało w trybie jednokrotnego dozowania ustalonej objętości cieczy ze strzykawki 9 należy wykonać następujące czynności. Napełnić cieczą/roztworem/odczynnikiem strzykawkę 9. Zamontować zaczep 1 na zbiorniku bioreaktora i połączyć końcówkę strzykawki 9 napełnionej cieczą stanowiącą roztwór odczynnika ze złączem 12 w pokrywie lub na ścianie bocznej naczynia hodowlanego. Strzykawkę 9 osadza się w uchwycie 4 i unieruchamia poprzez blokady 4a, 5a. Następnie, po włączeniu zasilania, możliwa jest regulacja objętości dozowania oraz dozowanie dawki cieczy do wnętrza zbiornika bioreaktora.

Urządzenie umożliwia współpracę ze wszystkimi dostępnymi komercyjnie systemami bioreaktorów, w tym również z polimerowymi naczyniami stanowiącymi wyposażenie bioreaktorów single-use, w tym również bioreaktorów tego typu zapewniających mieszanie typu „wave”. Urządzenie wykorzystywane jest do precyzyjnego powtarzalnego dozowania cieczy do wnętrza jednorazowego zbiornika. Urządzenie nadaje się do zastosowania ze strzykawkami wyposażonymi w standardową końcówkę typu „Luer Lock” o pojemnościach od 2,5 μΙ do 20 ml wykonanych z dowolnych materiałów, takich jak szkło lub tworzywa sztuczne. Wskazane jest stosowanie strzykawek typu „Luer Lock” z uwagi na potrzebę zachowania sterylności procesu dozowania cieczy do zbiornika w trakcie realizacji bioprocesu.

Claims (8)

1. Urządzenie do automatycznego precyzyjnego powtarzalnego dozowania odczynników, zawierające zaczep, silnik krokowy, mechanizm przeniesienia napędu, uchwyt korpusu strzykawki oraz uchwyt kołnierza tłoka strzykawki, znamienne tym, że zaczep (1) zawiera śrubę (1a) i docisk (1b), przy czym na zaczepie (1) osadzony jest poprzez ramę (3) silnik krokowy (2) połączony z elektronicznym układem sterującym (10), a na wale silnika krokowego (2) osadzone jest koło zębate (6), zaś do ramy (3) silnika krokowego (2), od strony koła zębatego (6), zamocowany jest uchwyt (4) strzykawki (9) zawierający blokadę (4a) korpusu (7) strzykawki (9), przy czym w uchwycie (4) strzykawki (9) osadzona jest suwliwie listwa zębata (5) współpracująca z kołem zębatym (6), przy czym na listwie zębatej (5) zamocowana jest blokada (5a) kołnierza (8) tłoka strzykawki (9).

2. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że zaczep (1) ma kształt zbliżony do litery C.

3. Urządzenie, według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że zaczep (1) na wewnętrznej stronie górnego ramienia zawiera podkładki górne (1c, 1d) z materiału elastycznego, usytuowane względem siebie pod kątem co najmniej 30°.

4. Urządzenie, według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że śruba (1a) przechodzi przez gwintowany otwór w dolnym ramieniu zaczepu (1), śruba (1 a) połączona jest z dociskiem (1b), który zawiera podkładki dolne (1e, 1f) z materiału elastycznego, usytuowane względem siebie pod kątem co najmniej 30°.

5. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że uchwyt (4) strzykawki (9) jest usytuowany względem płaszczyzny górnego ramienia zaczepu (1) pod kątem 30°.

6. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że blokada (4a) korpusu (7) strzykawki (9) ma kształt zbliżony do litery C i jest zamocowana rozłącznie do uchwytu (4) strzykawki.

7. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że blokada (5a) kołnierza (8) tłoka strzykawki (9) składa się z dwóch części, przy czym część pierwsza zamocowana jest na stałe

PL 249320 Β1 do listwy zębatej (5), zaś część druga blokady (5a) jest zamocowana rozłącznie do części pierwszej blokady (5a).

8. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że elektroniczny układ sterujący (10) zawiera sterownik (A2) połączony z mikrokontrolerem (A1), przy czym z mikrokontrolerem (A1) połączony jest regulator napięcia (U1), kontroler (U2) z ekranem, zestaw przełączników: (SW1), (SW2), (SW3), (SW4), potencjometr (RV1) oraz zestaw diod LED: (D1), (D2), (D3).