孕馬尿收集及樹脂柱自動化提取集成裝置開發研究

趙天張，盧秀梅

（新疆烏魯木齊市第一中學，烏魯木齊 830002）

美國輝瑞公司1942年推出孕馬結合雌激素原研藥“PREMARIN”并長期壟斷經營獲得了巨大的經濟效益[1]。輝瑞生產模式為：集中收購孕馬尿→轉運至工廠→有機溶劑提取，以一萬匹孕馬計，使用該工藝將產生10萬方含有有機溶劑的廢尿液。2005年新疆特豐藥業股份有限公司率先打破輝瑞公司在孕馬尿結合激素產品的壟斷，研發出結合雌激素乳膏，極大地帶動了新疆地區孕馬尿液中結合雌激素提取純化研究[2-7]，發明出一些提取方法或裝置專利[8-10]，雖然新姿源采用中極性樹脂富集工藝，避免了大量有機溶劑的使用，但仍需要先從牧民處收購馬尿，然后再集中轉運到工廠上樹脂柱吸附提取。馬尿收集量大、運輸成本高、收集的馬尿中存在污染、提取結合激素后廢馬尿的處理是孕馬尿液結合雌激素提取行業發展的瓶頸問題[11-17]。

本文利用柱式填料吸附工藝原理、自旋和旋風分離原理，選取無污染、生物相容性好的有機材料，結合數控技術、3D打印制備技術，基于物料平衡計算與單元協調編程控制，開發出操作簡便的馬匹可穿戴的“孕馬尿液收集及樹脂柱自動化提取集成裝置”，實現在單匹馬尿收集和結合雌激素樹脂柱的吸附過程同步完成，提高了尿液的富集收集率，并且不需要再集中收集馬尿，避免廢馬尿集中污染，同時大幅降低運輸成本，縮短生產周期。

1 材料與方法

1.1 孕馬尿液收集及樹脂柱自動化提取集成裝置組裝材料與加工設備

鋼絲復合PE管、循環水泵、HPD400樹脂、單向閥、鋰電池、單片機，非接觸式水位傳感器，FDM(熔融堆積)式3D打印機，PLA熱聚合樹脂，PE熱聚合樹脂，天然桃樹沙棗樹膠，聚乙烯柔性引流管等。

1.2 集成裝置雌激素初步收集效果檢驗設備與試劑

安捷倫液相-質譜色譜儀（HPLC-1100）；Agi1ent Zorbax SB C18 色譜柱(100 mm×2.1 mm，3.5 μm)；梅特勒-托利電子天平標等儀器（AL204）；雌酮硫酸鈉、馬烯雌酮硫酸鈉標準品；色譜純乙腈、色譜純醋酸銨、超純水；配套玻璃儀器、耗材若干。

1.3 集成裝置的制備原理及方法

1.3.1 孕馬接尿口柔性引流薄膜及導流管模塊設計

利用3D掃描打印技術，以PLA熱聚合樹脂、PE熱聚合樹脂為原料制備孕馬接尿口卡環、柔性引流薄膜及導流管，使用天然桃樹沙棗膠作為生物相容性粘結介質將孕馬接尿口柔性引流薄膜及導流管模塊在馬的外陰部分進行粘連固定，并設計新的卡環扣與馬匹固定。

1.3.2 孕馬腹部回旋沉淀集尿器模塊設計

孕馬尿在排至體外后靜置過程中仍會析出一些絮狀沉淀和尿渣，如果不進行過濾或預處理，在循環吸附過程中很可能會堵塞樹脂柱，水平集尿器功能簡單不能滿足尿液預處理需要，因此本項目運用旋分分離原理設計了新型多功能集尿器。

1.3.3 孕馬腹部雙側螺旋下行式吸附樹脂柱模塊設計

充分利用在重力作用下流體于地球自轉方向上湍流最小的原理，結合物料平衡衡算，慮及馬匹晃動特點，用螺旋下行樹脂柱取代工廠現用垂直樹脂柱，并縮微化，減少尿液下行時的樹脂短路出現；延長了吸附交換長度，以延長吸附時間；增大樹脂柱徑長比，獲得高吸附容積率；實現樹脂對馬尿的高效高容量處理能力。

1.3.4 自動感應式動力泵，管路，動力電池及電路控制模塊設計

采用非接觸式液位感應器和自動控制程序，控制動力泵匹配馬排尿和樹脂柱提取需要，減少能耗提高效率降低成本。

1.3.5 孕馬可穿戴集成系統模塊設計

通過計算機模擬優化，設計便于馬匹佩戴和摘取、樹脂柱更換、電池更換充電、管路和線路的檢修維護，能長時間使用的孕馬可穿戴集成系統。

1.4 孕馬尿液收集及樹脂柱自動化提取集成裝置的可行性驗證

1.4.1 實驗孕馬的選擇

以伊犁地區的伊犁馬為試驗對象，成年母馬平均身高為1.41 m[10]。在新源縣吐爾根孕馬養殖基地選定健康、無患病史、處于孕期的伊犁馬開展試驗。

1.4.2 現有可穿戴式接尿設備與集成系統接尿對比測試

分別用新姿源現有可穿戴式接尿設備以及本項目開發的可穿戴尿液引流提取集成設備進行接尿量測試，每種設備選定3匹孕馬，進行接尿實驗3 d，對比分析兩種裝置的接尿量、接尿質量、有效接尿時間。

1.4.3 不同系統集尿器綜合性能對比測試結果

集尿器系統測試的主要目的是評價泵啟動后，孕馬尿在樹脂柱吸附過程中，絮狀沉淀或尿渣是否會造成樹脂柱堵塞，設計的新型集尿器是否發揮沉淀分離的作用。主要評價指標為：樹脂柱是否會堵塞、泵啟動至樹脂柱堵塞時間、期間吸附孕馬尿數量。

1.4.4 集成裝置樹脂填料雌激素最大吸附量與漏點測試

實驗三次，每次取孕馬尿數量150 L，進行樹脂柱吸附，分段（每10 L）收集樹脂柱流出液，采用高效液相法（HPLC）測定流出液中結合雌激素含量（馬烯雌酮硫酸鈉+雌酮硫酸鈉）[3-5]，檢測不同體積段樹脂柱流出液中是否存在有效成分泄露，計算集成裝置中所加吸附樹脂的最大吸附馬尿量與漏點。

1.5 數據統計分析方法

實驗數據采用Microsoft office exce1 2010軟件進行統計與制圖。

2 集成裝置與性能對比測試及可行性驗證結果

2.1 集成裝置單元模塊

2.1.1 孕馬接尿口柔性引流薄膜及導流管模塊

傳統接尿器具為水盆和水桶，馬糞馬尿混在一起無法收集到合格馬尿，而且經常會被孕馬踢翻；隨后嘗試用水瓢，膠筒雨靴，扣于孕馬尿道口并用繩索加以固定嘗試接尿；之后，牧民采用貼合馬臀部的木刻外形、用橡膠等材質制作接尿器具（見圖1、圖2），因其機械式壓迫定位原理不變，孕馬外陰壓迫磨損情況依然沒有改觀，接尿器容易移位導致漏尿和馬糞混入。

本集成裝置采用輕質和輕薄材料，將接尿器具分為馬匹外陰固定裝置及導流裝置兩個部分，并考慮接尿過程中尿液沖擊力和馬匹奔跑的過程中產生的切向力可能導致接尿口模塊脫落的情況，利用3D打印加工設計貼合馬外陰尺寸及外形的曲線形狀含有凹型嵌槽結構的便于拆卸的PLA材質的凹槽彈性圓環卡環式固定裝置（圖3）；以PE薄膜為材料將傳統的導流管改為輕便而寬大的導流袋（圖4）；馬外陰固定裝置將使用天然桃樹沙棗膠作為介質在馬的外陰部分進行粘連固定，這種天然膠凝固后具有較好的固定作用，并且在熱水洗滌下會脫落；硬質引流管下一步是通過一段軟管與多功能集尿罐相連。可以通過調整軟管的長短，來適應不同的馬匹。

圖1 傳統木刻接

圖2 現用橡膠接尿器

圖3 凹槽彈性圓環卡環式固定裝置

圖4 引流管實際固定效果

新設計的孕馬接尿口柔性引流薄膜及導流管模塊改變了原有接尿裝置容易混入糞便、移位的問題，延長接尿時間的同時改善原有接尿器沉重及佩戴固定方式對馬匹排尿區域造成的壓迫、磨損和保溫問題，改善動物福利。

2.1.2 孕馬腹部回旋沉淀集尿器模塊

該模塊的關鍵裝置為多功能集尿罐，其集成了收集尿液、預沉淀及排出固定懸浮顆粒、檢測尿液容量、泵取尿液進行進一步提取等功能，結合該裝置的使用場景，一般牧民只會在一天中的某一時段給馬佩戴這種裝置，在馬的腹部垂掛一個硬質集尿罐不會影響馬的正常活動，利用旋分分離原理3D打印制作多功能集尿罐（圖5），上部圓柱提供容積，下部錐形促進尿渣沉淀與上清液分界，上口通過循環泵接樹脂吸附分離柱，下口用于放出沉淀，抽取上清液進入樹脂柱可以減少樹脂的污染，提高吸附容積率1～2倍；類圓外形設計，避免馬匹臥倒壓破集尿器。

圖5 多功能集尿器三維設計圖及加工實物圖

集尿罐中的尿液會在積累到一定量之后，將尿液分批次泵取到馬背上的中間過程集尿罐當中，在重力的作用下讓尿液自動進入樹脂柱中進行結合雌激素的吸附富集。每批次循環泵運行一小段時間，間隔時間由集成電路板程序設定，以此給樹脂柱充分的吸附富集時間；在集尿罐與中間過程集尿罐間設置單向閥（圖6），以防止尿液倒流；設計新型快拆接頭（圖6）鏈接中間過程集尿罐與樹脂柱。

2.1.3 孕馬腹部雙側螺旋下行式吸附樹脂柱模塊

工業化提取樹脂柱是垂直豎立靜止不動的，而孕馬會隨時走動有時也會側臥，這就有可能引起樹脂柱出現傾斜甚至短路，導致孕馬尿無法有效被吸附從而造成浪費，充分利用在重力作用下流體于地球自轉方向上湍流最小的原理，結合馬匹的晃動特點，設計順時針螺旋式的柱子，即利用重力又克服孕馬走動、側臥形成湍流的弊端，從而有效防止樹脂柱短路；依照新姿源工廠樹脂柱徑與高比為1∶8，容積為200 L，有效吸附孕馬尿數量為6 000 L，即孕馬尿與樹脂體積比為30∶1；每匹孕馬每天可產生3～5 L尿液，以平均每天4L計算，每周可產生孕馬尿總量約為30 L。由此，選取能夠耐低溫的PE透明軟管，為了避免單個樹脂柱在吸附過程中隨時間推移出現柱壓過大、流速降低甚至完全停止的情況發生，設計2個螺旋式樹脂柱分別置于孕馬腹部2側，每個樹脂柱填充0.5 L樹脂，2個樹脂柱頂端與中間過程集尿罐相連，當其中1個樹脂柱壓力過大導致流速降低時，孕馬尿可從另1個樹脂柱流過；增大樹脂柱直徑長度比（至1∶100），延長孕馬尿與樹脂接觸時間，使有效成分充分被樹脂吸附；螺旋式樹脂柱模塊設計見圖7。

圖6 中間過程集尿罐單向閥及快拆接頭

2.1.4 自動感應式動力泵、管路、動力電池及電路控制模塊

伊犁馬成年母馬平均身高為1.41 m，由于集尿器懸掛于孕馬腹部，因此揚程1.5 m的微型水泵完全能夠滿足要求，由此動力泵選用385循環泵，電壓12 V，功率5.5 W，最大流量1 600 m1/min。吸程2 m，揚程3 m，將水泵固定在中間過程集尿罐上（圖8）。

圖7 螺旋式樹脂柱

圖8 泵實物圖

伊犁州地區孕馬尿采集時間通常從10月初開始、第二年的2月底結束，整個采集時間為5個月。在冬季，伊犁州地區室外溫度多在-20℃，馬圈內溫度在0℃～10℃，根據每匹孕馬每天可產生4 L尿液計算，由此水泵每天僅需要運行4次，根據泵技術參數及實際測算，水泵每泵取1L尿液的時間約為1 min，功率5.5 W，根據消耗電量的計算公式，1 Wh=1 W×1 h，一天按工作十分鐘計算，則一天消耗的電量為5.5 W×1/6 h≈1 Wh，則所使用的12 V蓄電池容量為1 Wh/12 v=83 mAh，故確定3節18 650電芯組成的12 V鋰電池組作為電源，容量3 000 mAh，理論上能夠滿足一個月的使用量，重量僅160 g；控制系統使用多接口C++語言的開源集成控制器STEAMLABS CORE HEAT；選用非接觸式的水位傳感器，通用性較強且耐用的H橋電機驅動芯片，通過單片機的2個數字端口，輸出PWM波，實現泵的調速控制以及反轉控制（圖9）。

圖9 控制器、傳感器、電機驅動模塊及組裝

2.1.5 系統集成孕馬可穿戴集成系統模塊

單獨完成各模塊設計后，開始搭建原型機，并進行程序控制調試，裝置的前后視圖見圖10，裝置進行程序編譯及調試流程圖見圖11，孕馬尿液收集及樹脂柱自動化提取集成裝置示意見圖12。

圖10 裝置側視圖和裝置后視圖

圖11 裝置工作流程圖運行程序代碼

圖12 可穿戴尿液引流提取集成設備示意圖

2.2 集成系統的對比測試及可行性驗證結果

2.2.1 現有可穿戴式接尿設備與集成系統接尿對比測試結果

依照1.4.1要求選擇合適孕馬，分別用新姿源現有可穿戴式接尿設備以及本文開發的可穿戴尿液引流提取集成設備進行接尿量、接尿質量、有效接尿時間測試，每種設備選定3匹孕馬，測試時間為3 d。

慮及新姿源現有可穿戴式接尿設備對馬匹肢體、情緒的影響，有效接尿時間測試方案為：每天早上10點卸下接尿器，讓孕馬自由活動，晚上7點左右關進馬廄，接上接尿器開始接尿；該接尿設備的具體實施方案為：每天早上10點，僅卸下卡環即可，讓馬自由活動，中午2點喂完水后，即卡上卡環，開始接尿，結果分別見表 1、2、3。

表1 接尿量對比測試結果

表2 接尿質量對比測試結果

表3 接尿有效時間對比測試結果

與新姿源現有接尿設備相比，本項目開發的接尿設備可確保整個采集期（150 d）有效接尿天數由現有的90 d左右提高至120 d以上，且尿量、尿液質量顯著提高，各結果統計分析差異極顯著（P＜0.01）。

2.2.2 不同系統集尿器綜合性能對比測試結果

泵啟動后，孕馬尿在樹脂柱吸附過程中，絮狀沉淀或尿渣是否會造成樹脂柱堵塞，分別取新鮮100 L孕馬尿加入新姿源現有集尿器及本文所開發的集尿器中，啟動運行測試樹脂柱是否會堵塞、泵啟動至樹脂柱堵塞時間、期間吸附孕馬尿數量，結果見表4。

表4 不同集尿器的綜合性能對比測試結果

由表4可知，采用旋分分離原理設計的集尿器，能夠有效促進尿渣沉淀與上清液分界，水泵抽取上清液進入樹脂柱可以減少樹脂的污染提高吸附容積率1～2倍；而經實踐，集尿器采用的類圓外形設計，也能夠有效避免孕馬臥倒壓破集尿器。

2.2.3 集成裝置樹脂填料雌激素最大吸附量與漏點測試結果

取12月份有效含量較高的孕馬尿，收集的馬尿先用固相萃取進行樣品的前處理，采用高效液相-質譜法（HPLC-MS）測定流出液中結合雌激素含量（馬烯雌酮硫酸鈉+雌酮硫酸鈉），Agi1ent Zorbax SB C18色譜柱(100 mm×2.1 mm，3.5 μm)，流動相為乙腈-0.01 mo1·L-1醋酸銨水溶液，流速 0.4 mL·min-1，梯度洗脫;檢測波長205 nm[6-7]；開展3次試驗，每次孕馬尿數量150 L，進行樹脂柱吸附，分段（每10 L）收集樹脂柱流出液，，分析是否存在有效成分泄露，通過歸一法求得的各段雌激素含量見表5，標準品及各段譜圖見圖 13、圖 14、圖 15、圖 16、圖 17、圖 18、圖 19、圖 20。

圖13 標準品

圖14 孕馬尿（吸附前）

圖15 試驗 1（第 12段[110-120] ）

圖16 試驗 1（第 13段[120-130] ）

圖17 試驗 2（第 11段[100-110] ）

圖18 試驗 2（第 12段[110-120] ）

圖19 試驗 3（第 12段[110-120] ）

圖20 試驗 3（第 13段[120-130] ）

表5 各段結合雌激素含量

根據HPLC檢測結果，本項目開發的馬孕期可穿戴尿液引流提取集成設備能夠有效吸附的孕馬尿數量為110 L。漏點為110 L，即樹脂：孕馬尿體積比≤1：110時，可保證有效成分不出現泄露。

3 結 論

本文開發的新裝置將制藥工業工藝原理微縮應用到單個馬匹上，首次實現了在單個馬匹上樹脂吸附結合雌激素的自動化應用，在馬匹身上完成了工廠制藥工藝的初步提取過程。將原有每日平均接尿2.6-3.3 L提高到平均6 L以上，并提高了尿液質量，改善動物福利，總體增加馬匹平均接尿的有效時間從原來90 d到120 d以上；增大樹脂柱直徑長度比到1∶100，比工廠樹脂柱吸附容積率提高3倍。

實現了馬尿收集與初步富集分離結合及系統自動控制，便于維修，減少能耗提高效率降低成本，避免大量馬尿集中到工廠帶來的環境集中污染；馬尿到負載樹脂體積縮小100倍，降低了轉運成本，縮短了生產周期，具備良好的社會、經濟、生態效益；未來可以拓展應用到驢、駝等雌性動物尿液收集及自動化提取。