CN107083331A - 一种用于细胞培养的气体动态混合装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种气体混合及检测领域中用于细胞培养的气体动态混合装置与方法，混气腔内的铁芯带动左支架以及可动薄板左右运动，混合气体从下至上经排气孔后流向混气腔顶部，CO₂传感器检测CO₂浓度，MCU控制器计算前后两次检测的浓度差，若浓度差小于设定的阈值则输出混合气体；否则，将混气腔内的混合气体经循环气体通气管道泵入混气腔内再次混合，本发明利用电磁铁的通断以及弹簧的作用使带排气孔的薄板来回运动，气体分子不断撞击薄板改变路径以及相互撞击，达到气体充分且快速混合的目的，完成气体的动态混合及检测，根据CO₂传感器的反馈，控制混气腔内气体是排出还是进行第二次混合，达到反馈调节的目的。

Description

一种用于细胞培养的气体动态混合装置与方法

技术领域

本发明涉及气体混合及检测领域，使两种气体能够实现动态混合，将CO₂与空气混合后用于细胞培养。

背景技术

在细胞培养、医疗设备等领域，一般采用气体混合装置将不同气体进行均匀混合之后再使用。现有的气体混合装置仅局限于气体静态混合，在一个容器内同时通入两种气体，通过设置混合管道的形状引导气体的运动路径进行两次或多次混合，然后通过气体之间的扩散运动进行自由混合，这种气体混合方式存在很多问题，例如，混合不够充分不均匀，混合效果不好，混合速度慢。用于细胞培养时，需要将CO₂与空气混合成CO₂浓度为5％的混合气体，现有的气体混合装置同样存在混合效果不好的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有气体混合装置存在的问题，提出一种用于细胞培养的气体动态混合装置以及该装置的混合方法，能够更好地使两种不同气体在混合时快速、均匀、充分地混合。

本发明一种用于细胞培养的气体动态混合装置采用的技术方案是：具有一个密封的混气腔，混气腔内部设有气体混合模块和设在气体混合模块上方的CO₂检测模块，CO₂检测模块具有CO₂传感器；气体混合模块具有水平布置且相互平行的上支架和下支架，下支架固定连接混气腔的底壁，垂直的右支架的上下端分别与上支架和下支架固定连接，垂直的左支架的上下端分别与上支架和下支架能水平移动式连接；左支架从上至下固定连接多个相同的可动薄板，右支架从上至下均固定连接多个相同的固定薄板，一个可动薄板和一个固定薄板上下相互交错布置，在上支架以及每块可动薄板和固定薄板上都开有多排上下贯通的排气孔；混气腔的底部连接混合气体进气管道，混气腔的底部和顶部之间连接循环气体通气管道，循环气体通气管道上装有抽气泵；CO₂传感器和抽气泵均连接MCU控制器。

进一步地，左支架下端固定套有铁芯，铁芯右侧通过水平的弹簧固定连接弹簧支架，铁芯左侧是绕有线圈的电磁铁，线圈连接MCU控制器。

进一步地，CO₂检测模块具有电机，电机的输出轴固定连接水平布置的丝杠，丝杠中间装配有螺母座，螺母座上布置阵列式CO₂传感器，CO₂传感器通过信号线连接MCU控制器。

本发明一种用于细胞培养的气体动态混合装置的混合方法采用的技术方案是包括以下步骤：

A）、CO₂与空气的混合气体从混合气体进气管道进入混气腔内；

B）、MCU控制器控制电磁铁上的线圈时通电时断电，使铁芯带动左支架以及可动薄板左右运动，混合气体从下至上经排气孔后流向混气腔顶部；

C）、CO₂传感器检测CO₂浓度并将浓度信号传至MCU控制器，MCU控制器计算前后两次检测的浓度差，若浓度差小于设定的阈值则输出混合气体；否则，运行抽气泵，混气腔内的混合气体经循环气体通气管道泵入混气腔内再次混合。

本发明与已有技术相比，具有如下优点：

1、本发明利用MCU控制器控制电磁铁、电磁阀和抽气泵的开关以及阵列式CO₂传感器的检测，完成气体的动态混合及检测，整个过程通过MCU控制器控制，实现了操作自动化，无需人为操作，降低了劳动损耗。

2、本发明利用电磁铁的通断以及弹簧的作用使带排气孔的薄板来回运动，使气体分子不断撞击薄板改变路径以及相互撞击，达到气体充分且快速混合的目的。

3、本发明通过在混气腔的内部上端放置可移动的阵列式CO₂传感器，检测不同位置处CO₂浓度是否均匀，以得到满足条件的混合气体。

4、本发明通过MCU控制器控制电磁阀的通断以及根据CO₂传感器的反馈，控制混气腔内气体是排出还是进行第二次混合，达到反馈调节的目的。

附图说明

图1是本发明一种用于细胞培养的气体动态混合装置的整体结构示意图；

图2是图1中气体混合模块的结构放大示意图；

图3是图1中CO₂检测模块的结构放大示意图；

附图中各部分的序号和名称：1.混气腔；2. CO₂检测模块；3.气体混合模块；4.混气腔支架；5.混合气体进气管道；6.循环气体通气管道；7.混合气体出气口；8.电磁阀；9.电磁阀；10.电磁阀；11.抽气泵； 12.MCU控制电路盒；13.导线；14.上支架；15.排气孔；16.可动薄板；17.固定薄板；18.左支架；19.右支架；20.下支架；21.电磁铁；22.电磁铁底座；23.滑槽；24.铁芯；25.弹簧；26.弹簧支架；27.混合气体进气口；28.循环气体进气口；29.电机；30. CO₂传感器；31.螺母座；32.螺丝；33.丝杠；34.固定支架；35.杠杆。

具体实施方式

参见图1，本发明一种用于细胞培养的气体动态混合装置包括一个混气腔1和在混气腔1外部的MCU控制电路盒12，混气腔1的内腔密封。MCU控制电路盒12内设有MCU控制器，MCU控制器经导线13连接于混气腔1内部的受控件。混气腔1的底部连接在混气腔支架4上，混气腔1的底部连接混合气体进气管道5与循环气体通气管道6，混合气体进气管道5与循环气体通气管道6的一端均从混气腔1的底部伸入混气腔1内，从混合气体进气管道5另一端通入CO₂和空气的混合气体，在混合气体进气管道5上安装电磁阀9，电磁阀9通过控制线连接MCU控制器，MCU控制器控制电磁阀9的通断。循环气体通气管道6的另一端向上连接混气腔1的顶部，循环气体通气管道6位于混气腔1外部，连接于混气腔1的底部和顶部之间，在循环气体通气管道6上安装电磁阀10和抽气泵11，抽气泵11和电磁阀10分别通过控制线连接MCU控制器，MCU控制器控制电磁阀10的通断和抽气泵11的启停。在混气腔1的顶部开有混合气体出气口7，在混合气体出气口7处安装电磁阀8，电磁阀8通过控制线连接MCU控制器，MCU控制器控制电磁阀8的通断。

在混气腔1内部设有气体混合模块3与CO₂检测模块2，CO₂检测模块2在气体混合模块3的上方。再结合图2所示的气体混合模块3，气体混合模块3具有一个方形的整体支架，该整体支架由水平布置且相互平行的上支架14、下支架20与垂直布置且相互平行的左支架18、右支架19连接组成。其中，下支架20固定在混气腔1的底壁上，右支架19的上下端分别与上支架14和下支架20固定连接，左支架18的上下端分别与上支架14和下支架20可移动式地连接，在上支架14下表面和下支架20上表面上各设有一水平的滑槽23，左支架18能沿滑槽23水平左右移动。

在左支架18的下端外固定套有一个铁芯24，铁芯24的右侧是一个弹簧支架26，弹簧支架26垂直固定在下支架20上，铁芯24通过一水平的弹簧25固定连接弹簧支架26。铁芯24的左侧是一个电磁铁21，电磁铁21上绕有线圈，电磁铁21的线圈连接MCU控制器，MCU控制器控制线圈通电和失电。电磁铁21的底部通过电磁铁固定支架22固定连接在下支架20上。

左支架18和右支架19从上至下均固定连接多个相同的水平薄板，连接左支架18的是可动薄板16，连接右支架19的是固定薄板17，一块可动薄板16和一块固定薄板17上下相互交错放置，可动薄板16和固定薄板17之间留有一定的垂直距离，相互不干涉。在每块可动薄板16和每块固定薄板17都开有多排上下贯通的排气孔15。上支架14上也布满有多排上下贯通的排气孔15，供气体上下流动。

下支架20上开有混合气体进气口27和循环气体进气口28，混合气体进气口27和循环气体进气口28均位于排气孔15的下方，混合气体进气管道5的一端连接混合气体进气口27，循环气体通气管道6的一端连接循环气体进气口28。

参加图1和图3，CO₂检测模块2放置在上支架14顶面上，CO₂检测模块2具有一个固定支架34，固定支架34固定连接上支架14。水平布置的丝杠33的左端通过轴承连接固定支架34，右端同轴固定连接电机29的输出轴，电机29连接于MCU控制器，MCU控制器控制电机29的启停。在丝杠33的中间套有螺母座31，丝杠33和螺母座31组成丝杠螺母机构，螺母座31上布置阵列式的多个CO₂传感器30，以检测不同位置处的CO₂浓度，CO₂传感器30通过信号线连接MCU控制器，将其检测到的CO₂浓度值输入CU控制器。CO₂传感器30由螺丝32固定在螺母座31上。螺母座31同时在间隙地空套在两个杠杆35上，两个杠杆35与丝杠33平行，对称分布在丝杠33两侧，两个杠杆35的两端分别固定连接于固定支架34。当电机29正反转时，丝杠33带动螺母座31和 CO₂传感器30沿着丝杠33和杠杆35左右水平移动，两个杠杆35使螺母座31的水平移动更加平稳。

参见图1-3，本发明气体动态混合装置工作时，首先由MCU控制器打开电磁阀9，定量通入CO₂与空气的混合气体，混合气体从混合气体进气管道5内进行第一次自由混合，然而进入混气腔1内部。

MCU控制器控制电磁铁21的线圈通电，电磁铁21吸合铁芯24，受电磁铁21的作用，铁芯24带动左支架18沿滑槽23左移，直至与电磁铁21相靠近时，MCU控制器控制电磁铁21处于断电状态，此时铁芯24受弹簧25作用带动左支架18沿滑槽23右移回到初始位置。如此，由MCU控制器控制电磁铁21的线圈时通时断，使铁芯24带动左支架18以及左支架18上的可动薄板16一直处于左右来回运动状态，使混合气体分子在不断撞击运动中的可动薄板16和静止的固定薄板17，混合气体分子不断改变路径互相撞击，混合气体从下至上经多层的排气孔15，再经CO₂检测模块2后流向混气腔1顶部，进行了充分混合。

MCU控制器控制电机29或转动或停止，使螺母座31和CO₂传感器30或移动或静止，以检测混气腔1内部不同位置处的CO₂浓度，CO₂传感器30将检测到浓度信号传至MCU控制器，MCU控制器计算前后两次检测的浓度差r，待两次检测的浓度差r满足r<±B时，B是MCU控制器内设定的阈值，MCU控制器打开混合气体出气口7处的电磁阀8，输出满足浓度要求的混合气体。否则，若浓度差r≥±B，则MCU控制器打开循环气体通气管道6上的电磁阀10，并运行抽气泵11，将混气腔1内的混合气体经循环气体通气管道6泵入混气腔1内再次混合，直至浓度差r<±B，达到要求为止。

Claims (6)

1.一种用于细胞培养的气体动态混合装置，具有一个密封的混气腔（1），其特征是：混气腔（1）内部设有气体混合模块（3）和设在气体混合模块3上方的CO₂检测模块（2），CO₂检测模块（2）包含有CO₂传感器（30）；气体混合模块（3）具有水平布置且相互平行的上支架（14）和下支架（20），下支架（20）固定连接混气腔（1）的底壁，垂直的右支架（19）上下端分别与上支架（14）和下支架（20）固定连接，垂直的左支架（18）的上下端分别与上支架（14）和下支架（20）能水平移动式连接；左支架（18）从上至下固定连接多个相同的可动薄板（16），右支架（19）从上至下均固定连接多个相同的固定薄板（17），一个可动薄板（16）和一个固定薄板（17）上下相互交错布置，在上支架（14）以及每块可动薄板（16）和固定薄板（17）上都开有多排上下贯通的排气孔（15）；混气腔1的底部连接混合气体进气管道（5），混气腔1的底部和顶部之间连接循环气体通气管道（6），循环气体通气管道（6）上装有抽气泵（11）；CO₂传感器（30）和抽气泵（11）均连接MCU控制器。

2.根据权利要求1所述的一种用于细胞培养的气体动态混合装置，其特征是：左支架（18）下端固定套有铁芯（24），铁芯（24）右侧通过水平的弹簧（25）固定连接弹簧支架（26），铁芯（24）左侧是绕有线圈的电磁铁（21），线圈连接MCU控制器。

3.根据权利要求1所述的一种用于细胞培养的气体动态混合装置，其特征是：CO₂检测模块（2）具有电机（29），电机（29）的输出轴固定连接水平布置的丝杠（33），丝杠（33）中间装配有螺母座（31），螺母座（31）上布置阵列式CO₂传感器（30），CO₂传感器（30）通过信号线连接MCU控制器。

4.根据权利要求1所述的一种用于细胞培养的气体动态混合装置，其特征是：混气腔（1）的顶部开有混合气体出气口（7），混合气体出气口（7）处装有第一电磁阀（8），混合气体进气管道（5）上装有第二电磁阀（9），循环气体通气管道（6）上装有第三电磁阀（10），第一电磁阀（8）、第二电磁阀（9）和第三电磁阀（10）分别通过控制线连接MCU控制器。

5.一种如权利要求2所述的用于细胞培养的气体动态混合装置的气体动态混合方法，其特征是包括以下步骤：

A）CO₂与空气的混合气体从混合气体进气管道（5）进入混气腔（1）内；

B）MCU控制器控制电磁铁（21）上的线圈时通电时断电，使铁芯（24）带动左支架（18）以及可动薄板（16）左右运动，混合气体从下至上经排气孔（15）后流向混气腔（1）顶部；

C）CO₂传感器（30）检测CO₂浓度并将浓度信号传至MCU控制器，MCU控制器计算前后两次检测的浓度差，若浓度差小于设定的阈值则输出混合气体；否则，运行抽气泵（11），混气腔（1）内的混合气体经循环气体通气管道（6）泵入混气腔（1）内再次混合。

6.根据权利要求5所述的气体动态混合方法，其特征是：步骤C）中，CO₂传感器（30）固定连接丝杠螺母机构中的螺母座（31），MCU控制器控制电机（29）带动水平的丝杠（33）或转动或停止地检测CO₂浓度。