孕马尿收集及树脂柱自动化提取集成装置开发研究

赵天张，卢秀梅

（新疆乌鲁木齐市第一中学，乌鲁木齐 830002）

美国辉瑞公司1942年推出孕马结合雌激素原研药“PREMARIN”并长期垄断经营获得了巨大的经济效益[1]。辉瑞生产模式为：集中收购孕马尿→转运至工厂→有机溶剂提取，以一万匹孕马计，使用该工艺将产生10万方含有有机溶剂的废尿液。2005年新疆特丰药业股份有限公司率先打破辉瑞公司在孕马尿结合激素产品的垄断，研发出结合雌激素乳膏，极大地带动了新疆地区孕马尿液中结合雌激素提取纯化研究[2-7]，发明出一些提取方法或装置专利[8-10]，虽然新姿源采用中极性树脂富集工艺，避免了大量有机溶剂的使用，但仍需要先从牧民处收购马尿，然后再集中转运到工厂上树脂柱吸附提取。马尿收集量大、运输成本高、收集的马尿中存在污染、提取结合激素后废马尿的处理是孕马尿液结合雌激素提取行业发展的瓶颈问题[11-17]。

本文利用柱式填料吸附工艺原理、自旋和旋风分离原理，选取无污染、生物相容性好的有机材料，结合数控技术、3D打印制备技术，基于物料平衡计算与单元协调编程控制，开发出操作简便的马匹可穿戴的“孕马尿液收集及树脂柱自动化提取集成装置”，实现在单匹马尿收集和结合雌激素树脂柱的吸附过程同步完成，提高了尿液的富集收集率，并且不需要再集中收集马尿，避免废马尿集中污染，同时大幅降低运输成本，缩短生产周期。

1 材料与方法

1.1 孕马尿液收集及树脂柱自动化提取集成装置组装材料与加工设备

钢丝复合PE管、循环水泵、HPD400树脂、单向阀、锂电池、单片机，非接触式水位传感器，FDM(熔融堆积)式3D打印机，PLA热聚合树脂，PE热聚合树脂，天然桃树沙枣树胶，聚乙烯柔性引流管等。

1.2 集成装置雌激素初步收集效果检验设备与试剂

安捷伦液相-质谱色谱仪（HPLC-1100）；Agi1ent Zorbax SB C18 色谱柱(100 mm×2.1 mm，3.5 μm)；梅特勒-托利电子天平标等仪器（AL204）；雌酮硫酸钠、马烯雌酮硫酸钠标准品；色谱纯乙腈、色谱纯醋酸铵、超纯水；配套玻璃仪器、耗材若干。

1.3 集成装置的制备原理及方法

1.3.1 孕马接尿口柔性引流薄膜及导流管模块设计

利用3D扫描打印技术，以PLA热聚合树脂、PE热聚合树脂为原料制备孕马接尿口卡环、柔性引流薄膜及导流管，使用天然桃树沙枣胶作为生物相容性粘结介质将孕马接尿口柔性引流薄膜及导流管模块在马的外阴部分进行粘连固定，并设计新的卡环扣与马匹固定。

1.3.2 孕马腹部回旋沉淀集尿器模块设计

孕马尿在排至体外后静置过程中仍会析出一些絮状沉淀和尿渣，如果不进行过滤或预处理，在循环吸附过程中很可能会堵塞树脂柱，水平集尿器功能简单不能满足尿液预处理需要，因此本项目运用旋分分离原理设计了新型多功能集尿器。

1.3.3 孕马腹部双侧螺旋下行式吸附树脂柱模块设计

充分利用在重力作用下流体于地球自转方向上湍流最小的原理，结合物料平衡衡算，虑及马匹晃动特点，用螺旋下行树脂柱取代工厂现用垂直树脂柱，并缩微化，减少尿液下行时的树脂短路出现；延长了吸附交换长度，以延长吸附时间；增大树脂柱径长比，获得高吸附容积率；实现树脂对马尿的高效高容量处理能力。

1.3.4 自动感应式动力泵，管路，动力电池及电路控制模块设计

采用非接触式液位感应器和自动控制程序，控制动力泵匹配马排尿和树脂柱提取需要，减少能耗提高效率降低成本。

1.3.5 孕马可穿戴集成系统模块设计

通过计算机模拟优化，设计便于马匹佩戴和摘取、树脂柱更换、电池更换充电、管路和线路的检修维护，能长时间使用的孕马可穿戴集成系统。

1.4 孕马尿液收集及树脂柱自动化提取集成装置的可行性验证

1.4.1 实验孕马的选择

以伊犁地区的伊犁马为试验对象，成年母马平均身高为1.41 m[10]。在新源县吐尔根孕马养殖基地选定健康、无患病史、处于孕期的伊犁马开展试验。

1.4.2 现有可穿戴式接尿设备与集成系统接尿对比测试

分别用新姿源现有可穿戴式接尿设备以及本项目开发的可穿戴尿液引流提取集成设备进行接尿量测试，每种设备选定3匹孕马，进行接尿实验3 d，对比分析两种装置的接尿量、接尿质量、有效接尿时间。

1.4.3 不同系统集尿器综合性能对比测试结果

集尿器系统测试的主要目的是评价泵启动后，孕马尿在树脂柱吸附过程中，絮状沉淀或尿渣是否会造成树脂柱堵塞，设计的新型集尿器是否发挥沉淀分离的作用。主要评价指标为：树脂柱是否会堵塞、泵启动至树脂柱堵塞时间、期间吸附孕马尿数量。

1.4.4 集成装置树脂填料雌激素最大吸附量与漏点测试

实验三次，每次取孕马尿数量150 L，进行树脂柱吸附，分段（每10 L）收集树脂柱流出液，采用高效液相法（HPLC）测定流出液中结合雌激素含量（马烯雌酮硫酸钠+雌酮硫酸钠）[3-5]，检测不同体积段树脂柱流出液中是否存在有效成分泄露，计算集成装置中所加吸附树脂的最大吸附马尿量与漏点。

1.5 数据统计分析方法

实验数据采用Microsoft office exce1 2010软件进行统计与制图。

2 集成装置与性能对比测试及可行性验证结果

2.1 集成装置单元模块

2.1.1 孕马接尿口柔性引流薄膜及导流管模块

传统接尿器具为水盆和水桶，马粪马尿混在一起无法收集到合格马尿，而且经常会被孕马踢翻；随后尝试用水瓢，胶筒雨靴，扣于孕马尿道口并用绳索加以固定尝试接尿；之后，牧民采用贴合马臀部的木刻外形、用橡胶等材质制作接尿器具（见图1、图2），因其机械式压迫定位原理不变，孕马外阴压迫磨损情况依然没有改观，接尿器容易移位导致漏尿和马粪混入。

本集成装置采用轻质和轻薄材料，将接尿器具分为马匹外阴固定装置及导流装置两个部分，并考虑接尿过程中尿液冲击力和马匹奔跑的过程中产生的切向力可能导致接尿口模块脱落的情况，利用3D打印加工设计贴合马外阴尺寸及外形的曲线形状含有凹型嵌槽结构的便于拆卸的PLA材质的凹槽弹性圆环卡环式固定装置（图3）；以PE薄膜为材料将传统的导流管改为轻便而宽大的导流袋（图4）；马外阴固定装置将使用天然桃树沙枣胶作为介质在马的外阴部分进行粘连固定，这种天然胶凝固后具有较好的固定作用，并且在热水洗涤下会脱落；硬质引流管下一步是通过一段软管与多功能集尿罐相连。可以通过调整软管的长短，来适应不同的马匹。

图1 传统木刻接

图2 现用橡胶接尿器

图3 凹槽弹性圆环卡环式固定装置

图4 引流管实际固定效果

新设计的孕马接尿口柔性引流薄膜及导流管模块改变了原有接尿装置容易混入粪便、移位的问题，延长接尿时间的同时改善原有接尿器沉重及佩戴固定方式对马匹排尿区域造成的压迫、磨损和保温问题，改善动物福利。

2.1.2 孕马腹部回旋沉淀集尿器模块

该模块的关键装置为多功能集尿罐，其集成了收集尿液、预沉淀及排出固定悬浮颗粒、检测尿液容量、泵取尿液进行进一步提取等功能，结合该装置的使用场景，一般牧民只会在一天中的某一时段给马佩戴这种装置，在马的腹部垂挂一个硬质集尿罐不会影响马的正常活动，利用旋分分离原理3D打印制作多功能集尿罐（图5），上部圆柱提供容积，下部锥形促进尿渣沉淀与上清液分界，上口通过循环泵接树脂吸附分离柱，下口用于放出沉淀，抽取上清液进入树脂柱可以减少树脂的污染，提高吸附容积率1～2倍；类圆外形设计，避免马匹卧倒压破集尿器。

图5 多功能集尿器三维设计图及加工实物图

集尿罐中的尿液会在积累到一定量之后，将尿液分批次泵取到马背上的中间过程集尿罐当中，在重力的作用下让尿液自动进入树脂柱中进行结合雌激素的吸附富集。每批次循环泵运行一小段时间，间隔时间由集成电路板程序设定，以此给树脂柱充分的吸附富集时间；在集尿罐与中间过程集尿罐间设置单向阀（图6），以防止尿液倒流；设计新型快拆接头（图6）链接中间过程集尿罐与树脂柱。

2.1.3 孕马腹部双侧螺旋下行式吸附树脂柱模块

工业化提取树脂柱是垂直竖立静止不动的，而孕马会随时走动有时也会侧卧，这就有可能引起树脂柱出现倾斜甚至短路，导致孕马尿无法有效被吸附从而造成浪费，充分利用在重力作用下流体于地球自转方向上湍流最小的原理，结合马匹的晃动特点，设计顺时针螺旋式的柱子，即利用重力又克服孕马走动、侧卧形成湍流的弊端，从而有效防止树脂柱短路；依照新姿源工厂树脂柱径与高比为1∶8，容积为200 L，有效吸附孕马尿数量为6 000 L，即孕马尿与树脂体积比为30∶1；每匹孕马每天可产生3～5 L尿液，以平均每天4L计算，每周可产生孕马尿总量约为30 L。由此，选取能够耐低温的PE透明软管，为了避免单个树脂柱在吸附过程中随时间推移出现柱压过大、流速降低甚至完全停止的情况发生，设计2个螺旋式树脂柱分别置于孕马腹部2侧，每个树脂柱填充0.5 L树脂，2个树脂柱顶端与中间过程集尿罐相连，当其中1个树脂柱压力过大导致流速降低时，孕马尿可从另1个树脂柱流过；增大树脂柱直径长度比（至1∶100），延长孕马尿与树脂接触时间，使有效成分充分被树脂吸附；螺旋式树脂柱模块设计见图7。

图6 中间过程集尿罐单向阀及快拆接头

2.1.4 自动感应式动力泵、管路、动力电池及电路控制模块

伊犁马成年母马平均身高为1.41 m，由于集尿器悬挂于孕马腹部，因此扬程1.5 m的微型水泵完全能够满足要求，由此动力泵选用385循环泵，电压12 V，功率5.5 W，最大流量1 600 m1/min。吸程2 m，扬程3 m，将水泵固定在中间过程集尿罐上（图8）。

图7 螺旋式树脂柱

图8 泵实物图

伊犁州地区孕马尿采集时间通常从10月初开始、第二年的2月底结束，整个采集时间为5个月。在冬季，伊犁州地区室外温度多在-20℃，马圈内温度在0℃～10℃，根据每匹孕马每天可产生4 L尿液计算，由此水泵每天仅需要运行4次，根据泵技术参数及实际测算，水泵每泵取1L尿液的时间约为1 min，功率5.5 W，根据消耗电量的计算公式，1 Wh=1 W×1 h，一天按工作十分钟计算，则一天消耗的电量为5.5 W×1/6 h≈1 Wh，则所使用的12 V蓄电池容量为1 Wh/12 v=83 mAh，故确定3节18 650电芯组成的12 V锂电池组作为电源，容量3 000 mAh，理论上能够满足一个月的使用量，重量仅160 g；控制系统使用多接口C++语言的开源集成控制器STEAMLABS CORE HEAT；选用非接触式的水位传感器，通用性较强且耐用的H桥电机驱动芯片，通过单片机的2个数字端口，输出PWM波，实现泵的调速控制以及反转控制（图9）。

图9 控制器、传感器、电机驱动模块及组装

2.1.5 系统集成孕马可穿戴集成系统模块

单独完成各模块设计后，开始搭建原型机，并进行程序控制调试，装置的前后视图见图10，装置进行程序编译及调试流程图见图11，孕马尿液收集及树脂柱自动化提取集成装置示意见图12。

图10 装置侧视图和装置后视图

图11 装置工作流程图运行程序代码

图12 可穿戴尿液引流提取集成设备示意图

2.2 集成系统的对比测试及可行性验证结果

2.2.1 现有可穿戴式接尿设备与集成系统接尿对比测试结果

依照1.4.1要求选择合适孕马，分别用新姿源现有可穿戴式接尿设备以及本文开发的可穿戴尿液引流提取集成设备进行接尿量、接尿质量、有效接尿时间测试，每种设备选定3匹孕马，测试时间为3 d。

虑及新姿源现有可穿戴式接尿设备对马匹肢体、情绪的影响，有效接尿时间测试方案为：每天早上10点卸下接尿器，让孕马自由活动，晚上7点左右关进马厩，接上接尿器开始接尿；该接尿设备的具体实施方案为：每天早上10点，仅卸下卡环即可，让马自由活动，中午2点喂完水后，即卡上卡环，开始接尿，结果分别见表 1、2、3。

表1 接尿量对比测试结果

表2 接尿质量对比测试结果

表3 接尿有效时间对比测试结果

与新姿源现有接尿设备相比，本项目开发的接尿设备可确保整个采集期（150 d）有效接尿天数由现有的90 d左右提高至120 d以上，且尿量、尿液质量显著提高，各结果统计分析差异极显著（P＜0.01）。

2.2.2 不同系统集尿器综合性能对比测试结果

泵启动后，孕马尿在树脂柱吸附过程中，絮状沉淀或尿渣是否会造成树脂柱堵塞，分别取新鲜100 L孕马尿加入新姿源现有集尿器及本文所开发的集尿器中，启动运行测试树脂柱是否会堵塞、泵启动至树脂柱堵塞时间、期间吸附孕马尿数量，结果见表4。

表4 不同集尿器的综合性能对比测试结果

由表4可知，采用旋分分离原理设计的集尿器，能够有效促进尿渣沉淀与上清液分界，水泵抽取上清液进入树脂柱可以减少树脂的污染提高吸附容积率1～2倍；而经实践，集尿器采用的类圆外形设计，也能够有效避免孕马卧倒压破集尿器。

2.2.3 集成装置树脂填料雌激素最大吸附量与漏点测试结果

取12月份有效含量较高的孕马尿，收集的马尿先用固相萃取进行样品的前处理，采用高效液相-质谱法（HPLC-MS）测定流出液中结合雌激素含量（马烯雌酮硫酸钠+雌酮硫酸钠），Agi1ent Zorbax SB C18色谱柱(100 mm×2.1 mm，3.5 μm)，流动相为乙腈-0.01 mo1·L-1醋酸铵水溶液，流速 0.4 mL·min-1，梯度洗脱;检测波长205 nm[6-7]；开展3次试验，每次孕马尿数量150 L，进行树脂柱吸附，分段（每10 L）收集树脂柱流出液，，分析是否存在有效成分泄露，通过归一法求得的各段雌激素含量见表5，标准品及各段谱图见图 13、图 14、图 15、图 16、图 17、图 18、图 19、图 20。

图13 标准品

图14 孕马尿（吸附前）

图15 试验 1（第 12段[110-120] ）

图16 试验 1（第 13段[120-130] ）

图17 试验 2（第 11段[100-110] ）

图18 试验 2（第 12段[110-120] ）

图19 试验 3（第 12段[110-120] ）

图20 试验 3（第 13段[120-130] ）

表5 各段结合雌激素含量

根据HPLC检测结果，本项目开发的马孕期可穿戴尿液引流提取集成设备能够有效吸附的孕马尿数量为110 L。漏点为110 L，即树脂：孕马尿体积比≤1：110时，可保证有效成分不出现泄露。

3 结 论

本文开发的新装置将制药工业工艺原理微缩应用到单个马匹上，首次实现了在单个马匹上树脂吸附结合雌激素的自动化应用，在马匹身上完成了工厂制药工艺的初步提取过程。将原有每日平均接尿2.6-3.3 L提高到平均6 L以上，并提高了尿液质量，改善动物福利，总体增加马匹平均接尿的有效时间从原来90 d到120 d以上；增大树脂柱直径长度比到1∶100，比工厂树脂柱吸附容积率提高3倍。

实现了马尿收集与初步富集分离结合及系统自动控制，便于维修，减少能耗提高效率降低成本，避免大量马尿集中到工厂带来的环境集中污染；马尿到负载树脂体积缩小100倍，降低了转运成本，缩短了生产周期，具备良好的社会、经济、生态效益；未来可以拓展应用到驴、驼等雌性动物尿液收集及自动化提取。