CN104004646A

CN104004646A - 一种供应气体的装置

Info

Publication number: CN104004646A
Application number: CN201410067711.0A
Authority: CN
Inventors: 沃尔夫冈·奥夫纳
Original assignee: Yi Bi Di Co Ltd
Current assignee: Yi Bi Di Co Ltd; Ibidi GmbH
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2014-08-27
Also published as: DK2770047T3; EP2770047B1; US10037043B2; US20140238496A1; EP2770047A1

Abstract

本发明涉及提供一种用于提供气体并将气体引入培养箱的装置，包含用于引入气体的入口（1），用于排出气体的出口（2），连接入口（1）和出口（2）的第一气路（3），将气体从第一气路（3）中分流并重回第一气路（3）的第二气路（4），一个配置的使一部分从入口（1）引入的气体经过第二气路（4）的分散元件（5）；以及一个安装在第二气路中的用液体补充气体的补充元件（6）。

Description

一种供应气体的装置

技术领域

本发明涉及一种用于提供气体并将气体引入培养箱的装置。

背景技术

理想情况下，例如，在培养箱内能精确地调节空气参数对于在培养基上中长时间地培育活细胞是很重要的。例如，细胞经常在充满液体培养基的小容器内频繁地培养。液体培养基的蒸发会导致培养基浓度的变化，而这又会使细胞相继死亡。因此，为了防止这种蒸发和干燥，需要有能力控制湿度，尤其是调节较高的气体相对湿度，即空气湿度。

现有技术中已知有各种方法来实现这种湿度控制。

根据第一种替代方案采用的喷雾器的，其向气体容积中注入雾化液体。微小的水滴被对水不饱和的气体所吸收。气体湿度通过注入液体的量来控制。气体湿度的降低只能通过与环境的气体交换才能实现。

然而，这种喷雾器存在一种缺点，即这种喷雾器的喷嘴出口处的气体混合物是过饱和的，这可能导致液体冷凝和腐蚀。并且，气体容积的湿度必须低于100%以允许注入的水量被吸收。因此，气体容积的各部分的相对湿度必须小于100%，并且喷嘴附近的气体是过饱和的。但是气体容积的这种梯度并不理想。为了降低湿度，还需要打开培养箱。最终，由于蒸发带走的能量，喷雾器中气体的温度会大幅下降，并且这也会导致气体中非期望的温度梯度。

还有一种替代方案是蒸发器，它通常包含一个在气体容积中安装的盛有水的容器。容器中的水蒸发并且加湿所述气体直到达到平衡。这种平衡与饱和浓度相对应。只要水量充足并且水的表面相对较大就总有可能以这种方式获得这种平衡。

但是不足之处在于这种系统的惰性，因为这种系统在建立起平衡之前需要一段时间。尽管液体的蒸发可以通过升高温度来加速，但是这个过程也不是很快。如果使用需要气体交换的系统，就不能再保证达到所述饱和浓度。最终，在气体容积中开放的水表面成为一种缺陷，例如，在移动的情况下或者有震动的情况下应用时。

最终，公知的还可以使用气体洗涤瓶来加湿气体。在这种情况下，干燥气体被引导通过一种液体以便加湿所述气体。这种加湿发生得很快，因为气泡和水之间形成大的接触面。然后湿润的气体混合物可被引导进入培养箱封闭的气体容积中。培养箱中气体容积的相对湿度可以通过在所述气体中吸收和传送的液体进行控制。如果气体的吸收能力依赖温度的话，所述气体的液体吸收量可以通过水浴温度调节。湿度降低则再一次需要在气体容积内进行气体交换，即培养箱需要被打开。

这种系统可以实现对气体的快速加湿。但是，为了在小的气流中实现湿度控制，需要向流入的气体中传送充足的湿度。这通常通过调节用于导入干燥气体的液浴的温度来完成。这样的话流入的气体得到加热，液体的吸收增加。但是，很多种液体，比如水，具有很高的热容，以至于由于不可能实现快速温度调节而使系统会变得有些迟钝。因此，在培养箱的气体容积内足够快地调节湿度是不可能的，并且如果在接近饱和浓度时控制气体容积会频繁地产生液体凝结的问题。此外，湿度不可能降至某个特定的最小湿度之下，因为即使气体洗涤瓶的液浴不被加热，流入的气体也会被加湿。所述调节范围在所述相对气体湿度的60%至100%之间。

发明内容

因此，本发明的目的，旨在提供一种可以快速且灵活地控制气体中液体部分的装置。这一目的通过权利要求1中的装置实现。

基于本发明的用于提供气体并将气体引入培养箱的装置包含：

一个用于引入气体的入口，

一个用于排放气体的出口，

一个连接所述入口和所述出口的第一气路；

一个从所述第一气路分支出来且又回到所述第一气路中的第二气路气路气路气路；

一个配置来用于使经过所述入口引入的气体的一部分可以通过所述第二气路来引导的分散元件；以及

一个装在第二气路中的采用液体来补给气体的补充元件。

此装置能使气体的可调节部分经过第二气路并通过所述补给元件用液体使所述气体得到补给。气路然后所述被补给的气体可与留在第一气路的气体混合。因此此装置能提供具有液体可调节部分的气体。

结果表明湿度，即气体的液体部分，是可以通过这样一种系统的技术进行快速调控的。调控时间由气体流率决定并且不是如已知的现有技术中的那些系统那样由液浴温度控制的惰性来决定。此外，湿度还可以通过引导一个经由第二部分气路的单独部分来控制在0%至100%之间。

特别地，用于补给气体的液体可以是水。在这种情况下，气体中的水蒸气部分在开放或关闭的回路中得到控制。然而，用乙醇或甲苯作为所述液体也是可以的。并且，所述液体可以是几种液体的组合。

特别地，所述气体可以是空气，即适用的情况下，是压缩的大气空气。还可以使用反应活性小的气体，例如氮气或氩气，或活性气体，如氧气，来替代空气。所述气体还可以是不同气体的任意混合物。

特别地，所述装置可以用于提供具有可调节液体部分的气体。

具有特定液体部分的气体可以是具有特定气体湿度或具有湿度的气体。所述液体以液体蒸汽的形式提供给所述气体，如水蒸气。所述气体湿度可指定为相对气体湿度，即实际所含最大可能液体质量与气体体积的比率。如果水用作所述液体，且空气用作所述气体，那么所述空气湿度可被指定为相对空气湿度。

特别地，所述装置的入口可以用来导入干燥气体。干燥气体指基本不含任何液体部分的气体，即它的相对气体湿度为0%。

所述气路此处具体是指两点之间的流体的连接，即原则上，在该流路上形成气流是可能的。气路可能由，例如气体管，如以导管或水管的形式构成或定义。

特别地，所述第二气路可以是第一气路的支线。因此，可以依靠第二气路分流至少一部分之前在所述第一气路中引入的气体。

这表明所述第二气路在所述第一气路的第一点开始分流并在第二点上重回到第一气路。

特别地，可以经过所述第二气路的所述气体部分是可调节的。特别地，可以配置所述分散元件使可经过所述第二气路引导的所述气体部分可调节。所述气体部分可以在0%至100%之间调节。换句话说，所述分散元件可以配置成使得在第一次调节时通过入口导入的全部气体流经第一气路，或者使得在其它调节时全部流入的气体通过第二气路导入，或者通过另外的调节使得不等于0的可调节部分通过第一气路并且不等于0的可调节部分通过第二气路。

第一气路可配置成使从入口进入的气体在所述气体的湿度不增加的情况下流向第二气路的孔口。换句话说，在所述入口至第二气路的孔口之间的第一气路中不设置以液体补充气体的补充元件。因此可以将从第二气路流出并流进第一气路的液体补充过的气体与具有预设湿度的气体，如干燥气体，相混合。

在第二气路进入第一气路的区域内可以设置一个混合腔，混合腔可以设置来将来自第一气路和第二气路的气体以定向的方式进行搅动混合。这可以使气体混合更均匀。

所述第一气路还可以设置成使得在第二气路的进入第一气路孔口处与所述出口之间不设置用液体补充气体的补充元件。因此可以通过将来自第二气路的气体与第一气路前面部分的气体进行混合保持所得的气体湿度始终不变，，并将这样的湿度提供给培养箱。

特别地，分散元件在开放回路或闭合回路中可以是可调控的。换句话说，经由第二气路的气体部分在开放回路或闭合回路中可以是可调控的。因此，可以将气体湿度调控在0%至100%之间。特别地，在开放回路或闭合回路中的所述调控可以基于可调节的气体湿度来实现。例如，如果是干燥气体，即湿度为0%的气体，被引入培养箱，经过第二气路的气体部分则为0。换句话说，在这种情况下所述分散元件设置成用来引导经过第一气路的全部气体。

但是，如果所需的相对气体湿度为100%，那么被导入第二气路的气体部分为100%。换句话说，在入口进入的全部气体都被引导经过第二气路。

经过第二气路的引导的气体部分的气体湿度可以相应地确定。在开放回路或闭合回路中对分散元件的控制可以通过所述装置的控制元件实现，例如，微控制器。

所述装置可以进一步包含用于测定气体中液体部分的感应器，该感应器可以设置在第一气路中，第二气路进入第一气路的孔口的下游处或可以设置在一个培养箱内，其中所述分散元件可以基于感应器测量进行调控。特别地，经过第二气路的引导的气体部分可以基于所述感应器的湿度测量来调控。这样的感应器可以实现对所需的气体湿度的简单调节。

所述装置可以进一步包含一个用于测定气体温度的温度感应器，该温度感应器可以设置在第一气路中，第二气路进入第一气路的孔口的下游处或可以设置在培养箱内，其中所述分散元件可以基于温度感应器测定温度来调控。因此，当相对气体湿度随温度而改变时，所述调控可以得到进一步的改进。

特别地，可以在培养箱的气体容积内设置上述感应器。并且，可以在第二气路进入第一气路的孔口和培养箱之间设置这种类型的额外的感应器。

特别地，上述感应器可以与所述装置的控制设备相连，该控制设备是用来控制开放或闭合回路中的分散元件的。

所述补充元件可以包含一个液体容器。所述装置可以设置成使得所述液体，其设置在所述容器中，能够随着经由第二气路导入的气体流动。特别地，所述补充元件可以包含或可以是至少一个，特别地可加热的气体洗涤瓶。尤其是，如果将几种液体与几个容器彼此相互结合，尤其是气体洗涤瓶可以被提供，每个都填充有所需的液体。在这种情况下，所述气体可以在第二气路中流动并依次通过各个容器，特别是气体洗涤瓶。因此，所述容器可以一前一后或串联排列。

特别地，所述分散元件可以是混合阀。混合阀可以对引入第二气路的气体部分在开放或闭合回路中实现简单控制。

可以在分散元件的上游和/或下游设置流量计。所述流量计可以用来控制所述分散元件。

所述入口可以包括用于连接至少一个含有预压缩气体的气体瓶的连接点。二者择一地或额外地，所述装置可以包含连接在入口的压缩机和/或连接在所述入口的泵。因此，可以在入口提供具有预定压力的气体。

所述装置还可以进一步包含用于混合不同气体的连接在入口的混合设备。在这种情况下，所述气体相当于气体混合物。

所述混合设备可以连接至几个提供气体的设备，例如，气体瓶，其中各个提供气体的设备都配备具有可调节开口的流量阀。在至少一个阀，尤其是所有阀的下游安装流量计。来自所述提供气体的设备的各种气体在混合设备中与气体混合物混合。所述混合设备可以包含气体浓度感应器。所述气体浓度感应器可以检测各种气体的混合比例。基于气体浓度感应器的测量，可以通过相应的反馈控制来控制所述流量阀，以便所述气体混合物的浓度与想要的浓度对应。相应地，应至少提供一个湿度感应器用来调控所述气体混合物的湿度。在这种情况下，所述提供气体的设备可以设置用来提供具有不同气体湿度的气体。

特别地，上述泵可以是摆动泵或磁性活塞泵，它的性能，优选由不同长度的矩形脉冲控制。因此，可以显著简化控制电子设备。特别地，所述调控所需的数字信号可以通过所述微控制器的定时脉冲发生器生成，该数字信号被用来调控分散元件。所述信号可以进一步由全桥式电路放大。此外，一个电容器可以与摆动泵相串连，形成一个具有泵电感的串联谐振电路。因此，泵的电压具有正弦波形。

此外，本发明提供了包含上述装置和培养箱的系统，其中所述培养箱通过气体管道与所述装置的出口相连。这样一种系统可以以简单快速的方式调控培养箱气体容积内的气体湿度。

特别地，所述装置可以包含一种或多种上述特征。特别地，上述感应器可以设置在培养箱中。

特别地，所述培养箱可以是用于微流体装置的培养箱。这意味着所述培养箱可以是，特别地，用于微生物应用的培养箱，如，用于培养活细胞。

所述气体管道可以包含至少一个，特别地，可控的加热管。因此，温度和相应的相对气体湿度可以在从所述出口到所述培养箱的入口这段距离上保持恒定。

不同的上述连接至培养箱的设备都可以提供给所述系统。它们可以被串联地即一前一后地安装。因此不同的液体可以以简单的方式与其它液体相互结合。所述设备还可以平行地连接，即相互之间独立地连接至培养箱。因此可以以快速灵活的方式在培养箱内提供不同的气体。

此外，本发明提供一种用于引入气体进入培养箱的方法，包含下述步骤：

将气体引入第一气路；

经由第二气路引导气体的一部分，该流路从所述第一气路分支出并流回所述第一气路；

在第二气路中通过安装在第二气路中的补充元件用液体来补充所述气体，并且

将液体补充过的气体传送至第一气路。

这种方法可以在培养箱的气体容积内快速准确地控制气体湿度。

特别地，所述方法可以包含将具有可调节的液体部分的气体引入培养箱。换句话说，所述方法可以用于在开放或闭合回路中控制培养箱内的气体湿度。

特别地，所述液体，所述气体，所述培养箱和/或所述液体流路可以包括一种或多种上述特征。特别地，所述方法可以包含提供上述系统或上述装置，其中所述装置或所述系统是用于所述方法的步骤的。

因此，本发明还提供了上述系统或上述装置在开放或闭合回路中控制培养箱的气体容积的气体湿度的用途。

在上述方法中，经过第二气路的导入的气体部分可以在0%至100%之间。即，所述气体部分可以特别地是可调节的。如果所述气体部分为0%，导入气体部分经过第二气路的步骤，补充气体的步骤以及导入气体流回第一气路的步骤都不需要进行。换句话说，如果具有初始液体部分的气体被提供，尤其是干燥气体，那么所述方法可以包含将全部气体从所述入口经由第一气路引导至所述出口。

如果所述气体部分的量为100%，所述气体只经过第二气路被导入。在这种情况下，不与留在第一气路中的气体发生混合。

特别地，导入第一气路的气体可以是干燥气体。

特别地，所述第二气路可以在某个点从第一气路中分支出来并在另一个点重回第一气路。

将气体导入第一气路可以包含控制输入压。所述控制输入压可以通过摆动泵的方式来完成，其中摆动幅度和相应的摆动泵的性能由不同长度的矩形脉冲控制。

特别地，引入的气体可以对应于一个气体混合物。在这种情况下，在导入气体之前可以将气体先进行混合。这种混合可以通过用于提供气体的多个设备来进行，其中每个用于提供气体的设备都配备流量阀，其中至少在一个阀，特别是所有阀的下游安装流量计，所述流量计用于测量流经每个阀的流量。来自所述提供气体的设备的气体可以在混合设备的混合部件中混合一种气体或气体混合物。气体的混合比例可以由气体浓度感应器测定。基于气体浓度感应器的测量，可以通过相应的反馈控制来控制所述流量阀，以便所述气体混合物的浓度与想要的浓度对应。

附图说明

本发明的其它特征和优势通过下述图例中示出：

图1用于提供气体的一个示范装置的结构示意图；

图2通过提供气体的示范装置实现的湿度控制时间依赖图表；和

图3一个在用于提供气体的示范装置的入口引入一个可能控制气体气压的控制器的图示。

具体实施方式

下面基于一个示例性的假定，即被导入的气体为CO₂与空气的混合物，它将用液体进行补充。所述液体为水。但是可以理解的是，本发明并不限定于该具体实例。另一种可能的液体可以是，例如，乙醇或甲苯。并且，除了空气与CO₂（二氧化碳）外，也可以用具有最小反应活性的气体或有活性的气体。任意气体混合物也是可以的。

图1展示了一种提供具有可调节的液体部分的气体并将该气体引入一个培养箱的示例装置。所述装置包含用于引入气体，特别是干燥气体的入口1，用于排出气体的出口2，和连接所述入口1和出口2的第一气路3。第二气路4在第一点从第一气路3分流并在第二个不同的点重回第一气路3。通过分散元件5，其例如可以被设置为在开放或闭合回路中可操作的混合阀，它能够通过第二气路4对引入气体的可调节部分进行引导气路

一个被配置为补充元件的气体洗涤瓶6被设置在第二气路中。这个元件可以用液体对流动的气体进行加湿。所述气体洗涤瓶6采用可操控的加热器7而成为温度可控的。其它可作为补充元件的元件也是可以的。例如，择一地或额外地，一个或多个喷雾器可作为补充元件。

可操控的加热管9被连接在出口2处，通过该管将湿度可控的气体导入一个培养箱（未示出）。图1还展示了温度和/或湿度感应器8，该感应器8例如，可以设置在所述培养箱内。基于该感应器8的测量，例如，所述分散元件5，加热元件7和/或加热管9可以得到控制。

本装置可被用于，例如，活细胞显微术的培养箱中的湿度控制。特别地，所述培养箱可以是微流体装置。所述培养箱具有的大小可以使得所述微流体装置刚好被安装在所述培养箱中。

在所述应用中，流入的CO₂控制的干燥气体混合物可以被加湿以便使细胞在其中得到培养的培养箱样品室中的少量水不会蒸发。只有这样才能在不打开培养箱的情况下进行长时间周期的实验。

开始，干燥气体，如纯CO₂和空气，在一连接在入口1的气源处（未示出）被混合和压缩。然后气体混合物通过入口1导入到所述装置中。在所述装置中有两条用于气体的路径气路。第二气路4经由盛有温度可控水浴的气体洗涤瓶6引导气体。这条流路具有较高的流动阻力。另一条，第一气路3则绕过了气体洗涤瓶6并具有较低的流动阻力。

绕过水浴的气体量可以通过所述混合阀5来控制。如果混合阀5完全关闭，全部气体则经过气体洗涤瓶6并被加湿。在这种情况下，本装置提供的气体的相对湿度会在水温情况下达到100%。另一方面，如果，混合阀5完全打开，由于气体在第一气路中流动比在第二气路中流动具有更低的阻力，因此只有干燥气体从所述装置流出。气体混合物的湿度可依赖于混合阀5的中间位置来控制。培养箱的湿度感应器8代表该控制系统的反馈。

所述混合阀5的作用还可以用于优化水温。因此，尤其可以免去水浴中的温度感应器。相反，还可以分析来自流路3、4的气体的混合比例。如果，例如，气体洗涤瓶6中水浴太冷的话，就几乎不需要增加任何干燥气体。另一方面，如果水浴太热，需要增加大量干燥气体。

所述的湿度控制可以用于任何培养箱。特别地，所述培养箱可以是应用于微生物的培养箱，如，用于培养活细胞。

所述湿度控制具有如下优势：

可以实现十分快速的湿度控制。控制时间只由气体流率决定并且不受水浴温度控制的惰性来决定。快速阀可以迅速实现湿润气体到干燥气体的转换或者采用适中的位置。

湿度可以控制在0%至100%之间。

因为所述控制的反应是非常快速的，气体容积中的冷凝可以被有效地阻止。

所述方法允许采用已经吸收了湿度的气体。不像一个现有技术中已知的喷雾器，它不依赖于培养箱的气体容积内气体的液体吸收。

而且，所述装置的构造不易受到震动的影响。特别地，不需要在培养箱气体容积内有任何暴露的液体表面。

所述装置可以进一步在最小气体流率下进行操作，因为气体洗涤瓶6中的水浴温度可以选择比现有技术高，这种情况下如果使用气体洗涤瓶的话就可以使得液浴温度得到控制。如果液浴温度较高，则更多的液体会被传送至湿润气体中。另一方面，湿度还可以在很高的气体流率下得到有效控制。

为了便于说明，采用上述示范装置分别测定的湿度降低和湿度增加的进程示于图2中。通过曲线可以看出，可以在最短的时间内对提供的气体进行相对气体湿度的控制。方块表示的是湿度增加曲线，菱形表示的是湿度降低曲线。

图1展示了仅具有一个气体洗涤瓶的典型的系统。当然，可以通过使用多个依次连接的气体洗涤瓶结合多种液体，如果需要的话可在每个气体洗涤瓶内盛装不同液体。

正如我们上面所描述的，例如，压缩气体通过入口1。所述气压可由预压缩气体瓶，即蓄压器或压缩机，单独地注入产生。气流可以通过操控压缩机单独地施压注入，得到良好的气压控制来控制。

所述装置可以包含，例如，摆动泵，其中所述泵的摆动幅度和相应的性能通过不同长度的矩形脉冲来控制。在一般情况下，所述摆动泵的泵性能通过来自变流器的正弦电压或方波电压来实现。然后通过控制阀或改变交流电压幅值来达到所述性能控制。此处提出的不同长度的矩形脉冲的优点在于电子驱动系统可以显著得到简化。特别地，可以通过微控制器的合适的定时脉冲发生器来简单地生成必要的数字信号，无论如何该数字信号被提供并在开放或闭合回路控制，例如分散元件5或加热元件7，并由例如全桥式电路来放大。

图3为相应的控制电路示意图。特别地，完整的全桥式电路10示于该图中。完整的全桥式电路可以在市场上购买获得，因此只需要一些组件来构建此控制器。串联在摆动泵11上的电容器12组成了一个的具有泵自感应的串联谐振电路，使得泵11的电压具有正弦波形。不同长度的矩形脉冲也示于图3中。图3特别显示了具有对应极性的输入脉冲和在其顶部的全桥式电路的输出的电压曲线。

可以理解的是，上述实施例中记载的特征并不限于这些具体的组合并且可以是其它任一可选的组合。

Claims

1.用于提供气体并将气体引入培养箱的装置，包含：

一个用于引入气体的入口（1），

一个用于排放气体的出口（2），

一个连接所述入口（1）和所述出口（2）的第一气路（3）；

一个从第一气路（3）中分支出并又回到所述第一气路（3）的第二气路（4）；

一个配置来用于使从所述入口（1）引入的气体的一部分经过第二气路（4）引导的分散元件（5）；以及

一个安装在所述第二气路中的用于对气体流进行液体补充的补充元件（6）。

2.根据权利要求1所述的装置，其中在所述入口（1）至第二气路（4）孔口之间的第一气路中（3）未设置用于对气体流进行液体补充的补充元件。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述分散元件（5）在开放回路或闭合回路中是可控制的。

4.根据前述任一权利要求所述的装置，进一步包含用于测定气体中液体部分的感应器（8），所述感应器（8）被安装在第一气路（3）中，或第二气路（4）进入第一气路（3）的下游或安装在培养箱中，其中所述分散元件（5）基于感应器（8）的测量来控制。

5.根据前述任一权利要求所述的装置，进一步包含温度感应器，所述温度感应器安装在第一气路（3）中，或第二气路（4）进入第一气路（3）的下游或安装在培养箱中，其中所述分散元件（5）基于所述感应器的测量来控制。

6.根据前述任一权利要求所述的装置，其中所述补充元件（6）包含用于液体的容器，特别地，至少一个，优选是可被加热的气体洗涤瓶。

7.根据前述任一权利要求所述的装置，其中所述分散元件（5）是混合阀。

8.根据前述任一权利要求所述的装置，其中所述入口（1）包含用于至少一个盛有预压缩气体的气体瓶的连接，或者其中所述装置包含连接至所述入口（1）的压缩机和/或连接至所述入口（1）的泵（11）。

9.根据权利要求8所述的装置，进一步包含用于混合不同气体的连接在入口（1）的混合设备。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其中所述泵（11）是摆动泵。

11.包括前述任一权利要求中所述的装置和培养箱的系统，其中所述培养箱通过连接至所述出口（2）的气体管道与所述装置相连。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述气体管道包含一个，特别是可控制加热管（9）。

13.提供气体并将该气体引入培养箱的方法，包括下述步骤：

将气体引入第一气路（3）；

将气体的一部分经过第二气路（4）导入，该气路从第一气路（3）分支出并回到所述第一气路（3）；

通过安装在第二气路（4）中中的补充元件（6）对第二气路中的气体补充液体，并且

将补充液体的气体传送至所述第一气路（3）。