CN102978112A - 高压细胞培养箱、其温度控制方法及压强控制方法 - Google Patents

Abstract

一种高压细胞培养箱，包括：箱体；提供所述箱体工作温度的水套，所述水套包覆于所述箱体内表面。本发明还提供了该高压细胞培养箱的温度控制方法及压强控制方法。采用本发明的技术方案，可以提供细胞在高压下的生长环境。

Description

高压细胞培养箱、其温度控制方法及压强控制方法

技术领域

本发明涉及细胞培养领域，尤其涉及一种高压细胞培养箱、该高压细胞培养箱的温度控制方法及压强控制方法。

背景技术

从多细胞生物中分离所需要细胞和扩增获得的细胞以及对细胞进行体外改造、观察，必须首先解决细胞离体培养问题，同微生物细胞培养相比，比较困难的是来自多细胞生物的单细胞培养，特别是动物(包括人)细胞的培养。细胞培养箱的功能即是提供细胞生长环境。具体来说，细胞生长的一般条件包括：1)温度，2)PH值，3)营养物质，4)压强。对于前三个条件，现有技术均有一些相关技术提出，以人的细胞为例，适宜的温度环境例如为37摄氏度，可以通过加热方式实现；细胞不断吸入氧气，呼出二氧化碳，该二氧化碳聚集起来会造成培养基的PH值降低，不利于细胞的生长，因而，可以通过不断调节细胞培养箱体内的氧气浓度与二氧化碳浓度实现；关于营养物质，一般通过在培养箱体内通入氮气实现。

然而，对于第四个条件，现有的细胞培养箱一般用于提供常压(0.1Mpa左右)下细胞生长环境，对于细胞在高压下(2.5Mpa左右)的生长情况，有待研究。针对上述高压环境下细胞培养的需求，现有的加热方式及气体检测方式并不适用。例如：现有的细胞培养箱大多采用电阻丝直接加热，该电阻丝的高压环境下有可能引起爆炸等安全隐患。

基于此，本发明提出一种高压细胞培养箱、其温度控制方法及压强控制方法，以提供细胞在高压下的生长环境。

发明内容

本发明实现的目的是提出一种高压细胞培养箱、其温度控制方法及压强控制方法，以提供细胞在高压下的生长环境。

为实现上述目的，本发明提供一种高压细胞培养箱，包括：

箱体；

提供所述箱体工作温度的水套，所述水套包覆于所述箱体内表面。

可选地，所述高压细胞培养箱还包括：

设置在所述箱体与所述水套外部的加热装置；

设置在所述加热装置与所述水套之间的管道，使得被加热装置加热的水流入所述水套，在所述水套内循环一周释放热量后得以流回所述加热装置重新加热后循环。

可选地，所述高压细胞培养箱还包括：设置于所述管道上的水泵。

可选地，被所述加热装置加热的水流经过所述水泵后进入所述水套。

可选地，所述水泵的工作与否与箱体内的温度相关，所述高压细胞培养箱还包括：

检测箱体内温度的传感器；

与所述传感器、所述水泵相连的温度控制装置，所述温度控制装置根据所述传感器测得的所述箱体内的温度信号控制所述水泵的工作与否，以调节进入所述水套的水流。

可选地，所述高压细胞培养箱还包括：对所述循环的水流进行补给的补液箱。

可选地，所述高压细胞培养箱还包括：用于过滤所述管道内水流的过滤器。

可选地，流出所述水套的水流经过所述过滤器过滤后进入所述加热装置。

可选地，所述高压细胞培养箱还包括：用于放出所述管道内水流的放净口。

可选地，所述高压细胞培养箱还包括：对所述箱体内的气体进行采样分析的装置及对箱体内的气体进行补充释放的供排气系统。

可选地，所述气体为氧气与二氧化碳，所述采样分析的装置包括：

气体分析仪；

设置在所述气体分析仪与所述箱体之间的第一阀门；

设置在所述气体分析仪与大气之间的第二阀门。

可选地，所述第一阀门为针型阀，第二阀门为针型阀，且经过所述第一阀门的箱体内的气体与经过所述第二阀门的大气依次经过氧气减压器、流量计进入所述气体分析仪。

本发明还提供了上述高压细胞培养箱的温度控制方法，包括：

传感器以第一频率检测箱体内的温度；

若所述温度低于所述高压细胞培养所需的温度，所述温度控制装置控制所述水泵进入工作模式，使得水流进入所述水套；若所述温度不低于所述高压细胞培养所需的温度，所述温度控制装置控制所述水泵进入休息模式，截止加热装置出来的水流进入所述水套。

除了上述温度控制方法，本发明还提供了上述高压细胞培养箱的压强控制方法，包括：

若气体分析仪测量所述箱体内的氧气和/或二氧化碳浓度与所述高压细胞培养所需的浓度不符，则启动供排气系统。

可选地，启动供排气系统后，传感器检测到箱体内温度变化，则所述温度控制装置控制水泵是否工作，以调节进入所述水套的水流。

可选地，所述高压细胞培养所需的氧气和二氧化碳浓度的获取方法为：

关闭所述第一阀门，打开所述第二阀门，使得大气进入所述气体分析仪，所述气体分析仪得到的氧气与二氧化碳浓度为高压细胞培养所需的氧气和二氧化碳浓度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明采用水套包覆于箱体内表面，利用水套内的水循环流动，这样通过对水套内的水流提供热量就可保持箱体的温度，避免了电阻丝加热导致高压环境下容易发生爆炸的情况，此外，在高压环境下，为维持箱体内细胞培养所需的恒定压强、气体浓度，不可避免对箱体内温度造成影响，在箱体内表面设置水套的方案，通过水套壁的快速传热，能灵敏地弥补这些温度变化。

2)可选方案中，采用加热装置实现对水套内的水流提供热量，该加热装置设置在所述箱体与所述水套外部，并且在所述加热装置与所述水套之间设置管道，被加热装置加热的水流沿着管道流入水套，在所述水套内循环一周释放热量后得以沿着该管道流回所述加热装置重新加热后循环。

3)可选方案中，为驱动水流流动，该管道上设置水泵。

4)可选方案中，被所述加热装置加热的水流经过所述水泵后进入所述水套，通过此种方式对热水提压。

5)可选方案中，所述水泵的工作与否与箱体内温度相关，且所述高压细胞培养箱还包括：检测箱体内温度的传感器和与所述传感器、所述水泵相连的温度控制装置；所述温度控制装置根据所述传感器测得的所述箱体内的温度信号控制所述水泵的工作状态，若所述温度低于所述高压细胞培养所需的温度，所述水泵进入工作模式，使得水流进入所述水套；若所述温度不低于所述高压细胞培养所需的温度，所述水泵进入休息模式，截止加热装置出来的水流进入所述水套。

6)可选方案中，为避免水在循环过程中由于泄露或蒸发等原因逐渐变少，本发明的高压细胞培养箱还包括：对所述循环的水流进行补给的补液箱，该补液箱例如与自来水管相连。

7)可选方案中，为避免管道中的水流污染水套，所述高压细胞培养箱还包括：用于过滤所述管道内水流的过滤器。

8)可选方案中，为满足在某些需求下，需将管道中的水流放空，所述高压细胞培养箱还包括：用于放出所述管道内水流的放净口。

9)可选方案中，由于细胞对二氧化碳及氧气浓度较为敏感，因而，对高压下的两者的浓度的控制的精准程度比常压下要求更高，因而，对两者气体浓度的检测所需的装置及方法与现有技术也不同，具体地，本发明的技术方案为：所述高压细胞培养箱还包括：对所述箱体内的气体进行采样分析的装置，所述装置重点分析气体中的氧气与二氧化碳；所述采样分析的装置包括：气体分析仪、设置在所述气体分析仪与所述箱体之间的第一阀门、及设置在所述气体分析仪与外界大气之间的第二阀门；使得在采样时，首先关闭所述第一阀门，打开所述第二阀门，使得大气进入所述气体分析仪，所述气体分析仪得到的氧气与二氧化碳浓度并将其作为高压细胞培养两者气体所需的浓度的标准值；接着关闭所述第二阀门，打开所述第一阀门，使得所述箱体内的气体进入所述气体分析仪，所述气体分析仪测量所述箱体内的氧气与二氧化碳浓度；若测得的箱体内的氧气与二氧化碳浓度值与所述标准值不一致，则供排气系统控制各气体进入箱体的流量/比例来调节。

此外，供排气系统控制各气体进入箱体的流量/比例时，由于供气一般为高压气体(10Mp左右)，在进入相对较低的高压(2.5Mp)的箱体内时会膨胀吸热，造成箱体内温度下降，此时，温度控制系统也需加大水套内水流速度。

10)可选方案中，为避免采用普通阀门气体流入过快而导致箱体内气体压力过大，所述第一阀门与第二阀门均采用针型阀，且经过所述第一阀门的箱体内的气体与经过所述第二阀门的大气依次经过氧气减压器、流量计进入所述气体分析仪，以对采样气体的量进行控制。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高压细胞培养箱的工作原理示意图；

图2是图1中的高压细胞培养箱的正视图；

图3是图1中的高压细胞培养箱的右视图；

图4是本发明实施例提供的高压细胞培养箱的供排气系统的示意图；

图5是本发明实施例提供的高压细胞培养箱的采样分析装置的示意图；

图6是本发明实施例提供的高压细胞培养箱的温度控制系统的示意图；

图7是本发明实施例提供的高压细胞培养箱的电气控制系统的示意图；

图8是本发明实施例提供的高压细胞培养箱的整合结构的示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，提供常压下的细胞生长温度环境的方式为采用电阻丝直接加热，而这种方式在高压环境下容易发生爆炸，为避免上述情况，本发明采用水套包覆于箱体内表面，利用水套内的水循环流动，这样通过对水套内的水流提供热量就可保持箱体的温度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，由于重点在于说明本发明的原理，所以未按比例制图。

1)首先介绍高压细胞培养箱的结构。

图1所示为本发明实施例提供的高压细胞培养箱的工作原理示意图，图2所示为图1中的高压细胞培养箱的正视图，图3所示为图1中的高压细胞培养箱的右视图。结合图1至图3所示，该高压细胞培养箱包括：

箱体1；

提供所述箱体1工作温度的水套2，所述水套2包覆于所述箱体1的内表面。

参见图2所示，具体地，该箱体1上留有多个接口，分别为一个安全阀口11、一个排污口12、三个进气口13(图1只显示出一个)、一个排气口14、两个测压口15、四个采样口16(图1中显示了一个)、两个电缆口17(图1中未显示)。上述各口用于与相应通舱管件相连，例如安全阀口11与安全阀(例如为截止阀)相连，用于在舱内压强大于一定值(例如2.5Mpa时)打开；排污口12与排污阀相连，例如为球阀，用于排放位于箱体1内部的底部的积水。

需要说明的是，本实施例中，在箱体1上还预留了一个接口19(图1中未显示)，以备其它用途。在其它实施例中，该接口19也可以多预留几个。

水套2上留有多个接口，分别为一个热水进口21、一个热水出口22、一个排气口23与一个放净口(未图示)。

上述热水进口21、热水出口22、排气口23、放净口例如都可以为球阀。

需要说明的是，由于水套2设置在箱体1的内壁，两者共用箱体1的内壁，且本发明采用将水在箱体1及水套2外部加热后引入水套2，因而，热水进口21、热水出口22、排气口23、放净口都可设置在共用的箱体1的内壁上。

从形状上看，高压细胞培养箱为卧式圆筒形，其右视图如图3所示。结合图2所示，该高压细胞培养箱具有单一舱门18，该舱门18例如具有三瓣卡箍式快开盲板181，该舱门18向外面开，整个舱门系统为常用结构，包括卡箍、卡箍筒体、盲板盖、定位机构、快开机构、安全机构及“O”型密封圈等，这里不作详细描述。水套2由内筒与外筒之间的间隙形成，该外筒由箱体1的外壳10充当，与相对设有舱门18的外筒的该面相对的面为椭圆封头(未标示)。

2)接着介绍高压细胞培养箱的供排气系统。

参照图4所示，供气系统包括三个外接气源(氮气、氧气、二氧化碳)及一个空气源。上述四个气源混合后进入进气口13，各个气源与进气口13之间分别设置一个截止阀131与一个压力表132，该截止阀131是单向阀，该单向阀根据自身阀座两边气体压强大小关系自动打开与关闭。

需要说明的是，图2中的其它进气口13用于细胞培养中的其它气体进入。

排气系统包括排气口14与大气相连的管道上设置的截止阀141，用于在箱体1内部压强大于一定程度(例如为2.5MPa)时自动打开，其它情况自动关闭。

3)接着介绍高压细胞培养箱的采样分析装置。

参照图5所示，该采用分析装置主要对与细胞生长密切相关的氧气与二氧化碳的浓度进行测试，具体仪器例如为MSA气体分析仪165。此外，采样口16与气体分析仪165之间设置第一阀门161，气体分析仪165与大气之间设置第二阀门162，以分别控制大气或箱体1内气体进入气体分析仪165。

为避免箱体内气体由于压力过大，采用普通阀门气体流入过多，因而，所述第一阀门161与第二阀门162均采用针型阀，且经过所述第一阀门161的箱体1内的气体与经过所述第二阀门162的大气依次经过氧气减压器163、流量计164进入所述气体分析仪165。采样时，首先关闭所述第一阀门161，打开所述第二阀门162，使得大气依次通过所述氧气减压器163、流量计164进入所述气体分析仪165，所述气体分析仪165得到的氧气与二氧化碳浓度作为标准值(即以大气中的氧气与二氧化碳浓度作为高压细胞培养氧气与二氧化碳所需的浓度)；接着关闭所述第二阀门162，打开所述第一阀门161，使得所述箱体1内的气体依次通过所述氧气减压器163、流量计164进入所述气体分析仪165，所述气体分析仪165测量所述箱体1内的氧气与二氧化碳浓度。该箱体1内的氧气与二氧化碳浓度与两者的标准值比较后，判断供气系统是否需要供气。

可以理解的是，上述为了获取箱体1内细胞培养所需气体的浓度，例如氧气与二氧化碳浓度，需实时采集气体，造成箱体1内压强微小变化，另外，细胞在生长过程中，也会消耗一些气体，排出另一些气体，这些都会造成箱体1内压强发生变化，这对高压细胞培养不利。为了维持恒定的高压环境(例如2.5Mp)，因而需要随时启动供排气系统，在补气过程中，由于外接气源一般储存在高压氧瓶(10Mp)，由该高压进入相对较低的高压(2.5Mp)时，该气体会膨胀吸热，导致箱体1内温度变低。该箱体1内的温度调节由以下的温度控制系统实现。

4)接着介绍高压细胞培养箱的温度控制系统。

参照图6所示，该温度控制系统包括：

设置在所述箱体1与所述水套2外部的加热装置31；

设置在所述加热装置31与所述水套2之间的管道32，使得被加热装置31加热的水流沿着所述管道32流入所述水套2，在所述水套2内循环一周释放热量后得以沿着流回所述加热装置31重新加热后循环；

设置于所述管道32上的水泵33，被所述加热装置31加热的水流经过所述水泵33后进入所述水套2；

检测箱体1内温度的传感器34；

与所述传感器34、所述水泵33相连的温度控制装置35，所述温度控制装置35根据所述传感器34测得的所述箱体1内的温度信号控制所述水泵33的工作与否，以调节进入所述水套2的水流。

本实施例中，该加热装置31为电热丝。

此外，所述高压细胞培养箱还包括：对所述循环的水流进行补给的补液箱36与用于过滤所述管道32内水流，防止杂质进入水套2的过滤器37。优选地，流出所述水套2的水流经过所述过滤器37过滤后进入所述加热装置31。

本发明还提供了上述高压细胞培养箱的温度控制方法，包括：

传感器34以第一频率检测箱体1内的温度；

温度控制装置35从所述传感器34内获取温度；

若所述温度低于所述高压细胞培养所需的温度，温度控制装置35控制所述水泵33进入工作模式，使得水流进入所述套管2；若所述温度不低于所述高压细胞培养所需的温度，温度控制装置35控制所述水泵33进入休息(待工)模式，截止加热装置31出来的水流进入所述套管2。

除了上述温度控制方法，本发明还提供了上述高压细胞培养箱的压强控制方法，包括：若气体分析仪165测量所述箱体1内的氧气和/或二氧化碳浓度与所述高压细胞培养所需的浓度不符，则启动供排气系统，启动供排气系统后，传感器34检测到箱体1内温度变化，则温度控制装置35控制水泵33是否开始工作，以调节进入水套2的水流。

5)然后介绍高压细胞培养箱的电气系统。

参照图7所示，本系统供电为AC220V 50HZ，经过断路器，交流接触器向各个用电器，例如温度控制装置35、加热装置31、水泵33、MSA气体分析仪165供电。

6)然后介绍高压细胞培养箱的整合结构。

为了便于集中控制，本实施例提出了将上述加热系统、采样分析装置及供排气系统的控制装置整合在控制台上。

参照图8所示，该控制台5设置在高压细胞培养箱的下方，两者之间通过支撑装置4连接。

可以看出，该控制台5上设置多个仪表，以下详细介绍各仪表。

①电源指示和钥匙开关：为确保用电安全及方便，高压细胞培养箱控制台上设有电源指示和钥匙开关，打开钥匙开关，接通电源，指示灯点亮。

②温度显示仪：控制台上配设1台数显温控仪(与传感器34相连)，用以指示箱体1内的温度。

③气体分析仪(O₂、CO₂)：控制台上配设有1台MSA型数显气体分析仪(O₂、CO₂)，用于检测箱体1内环境气体的氧浓度和二氧化碳浓度，当被测介质氧浓度或二氧化碳浓度达到设定值时，则有声光报警信号显示。

④流量计：控制台上配设有一个流量计，用于测试采样分析管路经减压之后气体流量。

⑤压力表：控制台上配设有4个气源压力表，分别测量四个进气口13各自的输入压力。控制台上还配设有2个精密压力表，分别与两个测压口15相连，用于同时测量箱体1内压力。压力表应布置在便于观察的部位。

⑥供排气操作阀门：控制台上配设有4个DN10氦氧截止阀和1个截止阀，其中4氦氧截止阀控制三个外接气源(氮气、氧气、二氧化碳)及一个空气源向箱体内供气，一个截止阀控制箱体1内向箱体1外排气。

此外，控制台5内部管路应按逻辑线路整齐布设，并考虑到便于拆装及后续检修。

此外，本实施例中的电气控制可以通过整个系统的总电源通过操作台上的钥匙开关控制，使得各个用电器通过旋钮开关控制通电或者断电。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (16)

1.一种高压细胞培养箱，其特征在于，包括：

箱体；

提供所述箱体工作温度的水套，所述水套包覆于所述箱体内表面。

2.根据权利要求1所述的高压细胞培养箱，其特征在于，还包括：

设置在所述箱体与所述水套外部的加热装置；

设置在所述加热装置与所述水套之间的管道，使得被加热装置加热的水流入所述水套，在所述水套内循环一周释放热量后得以流回所述加热装置重新加热后循环。

3.根据权利要求2所述的高压细胞培养箱，其特征在于，还包括：设置于所述管道上的水泵。

4.根据权利要求3所述的高压细胞培养箱，其特征在于，被所述加热装置加热的水流经过所述水泵后进入所述水套。

5.根据权利要求4所述的高压细胞培养箱，其特征在于，所述水泵的工作与否与箱体内的温度相关，所述高压细胞培养箱还包括：

检测箱体内温度的传感器；

与所述传感器、所述水泵相连的温度控制装置，所述温度控制装置根据所述传感器测得的所述箱体内的温度控制所述水泵的工作与否，以调节进入所述水套的水流。

6.根据权利要求5所述的高压细胞培养箱，其特征在于，还包括：对所述循环的水流进行补给的补液箱。

7.根据权利要求2所述的高压细胞培养箱，其特征在于，还包括：用于过滤所述管道内水流的过滤器。

8.根据权利要求7所述的高压细胞培养箱，其特征在于，流出所述水套的水流经过所述过滤器过滤后进入所述加热装置。

9.根据权利要求2所述的高压细胞培养箱，其特征在于，还包括：用于放出所述管道内水流的放净口。

10.根据权利要求5所述的高压细胞培养箱，其特征在于，还包括：对所述箱体内的气体进行采样分析的装置及对箱体内的气体进行补充释放的供排气系统。

11.根据权利要求10所述的高压细胞培养箱，其特征在于，所述气体为氧气与二氧化碳，所述采样分析的装置包括：

气体分析仪；

设置在所述气体分析仪与所述箱体之间的第一阀门；

设置在所述气体分析仪与大气之间的第二阀门。

12.根据权利要求11所述的高压细胞培养箱，其特征在于，所述第一阀门为针型阀，第二阀门为针型阀，且经过所述第一阀门的箱体内的气体与经过所述第二阀门的大气依次经过氧气减压器、流量计进入所述气体分析仪。

13.一种根据权利要求5所述的高压细胞培养箱的温度控制方法，其特征在于，包括：

传感器以第一频率检测箱体内的温度；

若所述温度低于所述高压细胞培养所需的温度，所述温度控制装置控制所述水泵进入工作模式，使得水流进入所述水套；若所述温度不低于所述高压细胞培养所需的温度，所述温度控制装置控制所述水泵进入休息模式，截止加热装置出来的水流进入所述水套。

14.一种根据权利要求10所述的高压细胞培养箱的压强控制方法，其特征在于，包括：

若气体分析仪测量所述箱体内的氧气和/或二氧化碳浓度与所述高压细胞培养所需的浓度不符，则启动供排气系统。

15.根据权利要求14所述的压强控制方法，其特征在于，启动供排气系统后，传感器检测到箱体内温度变化，则所述温度控制装置控制是否水泵工作，以调节进入所述水套的水流。

16.根据权利要求14所述的压强控制方法，其特征在于，所述高压细胞培养所需的氧气和二氧化碳浓度的获取方法为：

关闭所述第一阀门，打开所述第二阀门，使得大气进入所述气体分析仪，所述气体分析仪得到的氧气与二氧化碳浓度为高压细胞培养所需的氧气和二氧化碳浓度。

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