CN107418894A - 一种用于波浪式生物反应器压电驱动的摇动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于波浪式生物反应器压电驱动的摇动平台，该摇动平台仅有载物平台、转轴、压电换能器和底座。压电换能器由矩形金属板和粘贴其表面的压电陶瓷组成。矩形板长边中间设置弧形凹槽，凹槽表面与所述转轴的转子接触。施加具有π/2相位差的电信号激励出矩形板纵振和弯振的复合振动，在凹槽表面质点产生椭圆运动。通过摩擦作用驱动转子在一定角度内做往复转动，进而带动载物平台摇摆，使得细胞培养液中产生波浪运动，实现培养物的混合和气液表面传氧。本发明采用压电驱动的方式，具有造浪方式简单、易于控制、平台姿态断电自锁和结构简单等特点，有利于提高细胞培养效率和培养规模。
Description
技术领域
本发明涉及生化设备领域，具体涉及一种用于波浪式生物反应器压电驱动的摇动平台。
背景技术
波浪式生物反应器是1996年以来发展起来的，可用于大规模高密度动物细胞培养，是生物技术制药产业中的重要设备。在波浪式反应器中，细胞和培养液置于无菌封闭的一次性细胞培养袋中，由于细胞培养袋是一次性使用，避免了交叉污染。细胞培养袋放置在摇动平台上并通入无菌空气，平台的摇动在培养液中形成波浪式的运动，实现培养物的均匀混合。波浪式运动所产生的剪切力很小，避免了混合过程细胞受到损伤。同时，波浪式起伏的培养液液面，不断地与通入细胞培养袋内的空气反复接触混合，气液表面进行高效传氧，为细胞生长提供足够的溶氧。波浪式生物反应器中产生的这种温和的波浪运动能起到良好的混合和供氧作用，改善细胞状态，提高产量。波浪式生物反应器操作简单，可用于细胞培养的快速轮换，即一旦一个培养周期结束，细胞和培养基可分别被收获，细胞培养袋作为“生物垃圾”处理，而另一个新的细胞培养袋可以马上置于摇动平台上，开始新一轮的培养工作，从而实现细胞的高效培养生长和目标产物的生产。
摇动平台是波浪式生物反应器的重要组成单元，其主要作用是根据不同的细胞培养工艺要求，提供不同模式的摇摆运动，从而在细胞培养袋内产生合适的波浪运动。目前代表性的波浪式生物反应器采用的是“跷跷板式”的摇动平台，细胞培养袋置于摇动平台的载物平台上并与载物平台作为一个整体围绕中间支撑点上下摇动。以传统电磁电机作为驱动器，利用直线电机马达驱动“跷跷板”一端或者利用旋转马达驱动曲柄摇杆机构的方式间接实现平台的往复摆动，通过调节平台的摇摆角度和速度调节细胞培养袋内形成的波浪形态和混合状态。为便于在培养过程中取样或者在一个培养周期结束后收获产物，细胞培养袋(或载物平台)此时需要保持倾斜姿态。对于直线马达需要设计额外的位置锁定机构才能保持位置。对于利用曲柄摇杆方式驱动的摇动平台，给定曲柄和连杆的尺寸，也就确定了平台的摇摆角度，从而平台的摇摆角度不易调节。此外对要求低摇摆速度的细胞培养工艺，摇动平台还需要减速机构。因此上述摇动平台整体结构较复杂，驱动机构占用空间大。
压电换能器是一种新型作动器，利用压电材料的逆压电效应将电能转化为定子机械振动能，再通过摩擦作用将定子机械振动能转化为转子动能。与传统电磁电机相比，压电换能器具有结构简单紧凑、能直接输出低速大扭矩、响应迅速、控制精度高和断电自锁等独特优点，已被广泛应用于航空航天、生物医疗和精密仪器等领域。
本发明以压电换能器替代电磁电机设计摇动平台，利用压电换能器直接驱动平台在较大角度范围内做定轴摆动，摇摆速度调节范围大且响应快。压电换能器的定子(即金属弹性基体)、转子之间采用摩擦传动，能够断电自锁，且具有较大的保持扭矩。因此摇动平台不需额外的位置锁定机构便可保持细胞培养袋的倾斜姿态，便于取样和收获产物。本发明采用压电驱动方式设计的摇动平台结构简单且摇摆运动参数易于调节、控制，有利于产生更丰富的浪型，提高细胞培养效率。
发明内容
发明目的：本发明目的在于克服现有技术存在的缺陷，以压电换能器为驱动器，提供一种结构简单、易于调节和控制的用于波浪式反应器的摇动平台。
技术方案：
一种用于波浪式生物反应器压电驱动的摇动平台，包括载物平台、转轴、压电换能器，所述载物平台用于放置细胞培养袋并通过转轴绕转轴中心轴线做往复摆动运动，所述压电换能器用于将电能转换为机械振动能，再通过摩擦作用将机械振动能作为转轴转动的动力，所述转轴根据所受到的转动动力驱动载物平台摆动。
进一步地：所述转轴包括端盖、球滚动轴承、转子和轴；所述端盖和球滚动轴承相固定，所述球滚动轴承内嵌于转子内，所述转子为环形结构，所述转子内环通过球滚动轴承装配在轴的一端，所述轴的一端固定在底座支架上，而所述轴的另一端与球滚动轴承的内圈固定连接，所述球滚动轴承的外圈与转子相固定；所述转子外环上端部分为一平面，该平面与载物平台固接，外环下端为弧形曲面，所述外环下端与压电换能器接触。
更进一步地：所述压电换能器包括金属弹性基体和粘贴在其表面上的压电陶瓷片；所述压电陶瓷片对称的贴于压电换能器的前后两个面上，所述金属弹性基体上侧设置有用于与转子相接触的弧形凹槽，而下侧设置有用于对弧形凹槽和转子之间接触界面提供预压力的预压凹槽。
再进一步地：还包括底座，所述底座包括底座支架、弹簧一、弹簧二、弹簧三；底座采用三点弹簧支撑的加持方式固定压电换能器，弹簧一安装于底座内部的左边，弹簧二安装于底座内部的右边，压电换能器左右两侧分别用弹簧一和弹簧二支撑，弹簧三一端安装在金属弹性基体的预压凹槽内，另一端与底座支架底部固接。
优选的：所述压电换能器的前后两个面对称的各贴有压电陶瓷片四片，分别是压电陶瓷片一及其对称位置的压电陶瓷片五、压电陶瓷片二及其对称位置的压电陶瓷片六、压电陶瓷片三及其对称位置的压电陶瓷片七、压电陶瓷片四及其对称位置的压电陶瓷片八。
优选的：所述转子的外环下端涂镀有一层摩擦层。
优选的：所述端盖位于球滚动轴承远离轴的另一侧，且所述端盖通过螺钉一与轴相固定。
优选的：所述金属弹性基体为矩形板结构，所述弧形凹槽和预压凹槽具有相同的半径，弧形凹槽的曲面半径与转子下端的弧形面的曲面半径相同，预压凹槽的弧顶部分设置为一平面。
优选的：所述金属弹性基体的材质为铍青铜。
优选的：所述压电陶瓷片划分为两组，一组为压电陶瓷片一、压电陶瓷片三、压电陶瓷片五、压电陶瓷片七，另一组为压电陶瓷片二、压电陶瓷片四、压电陶瓷片六、压电陶瓷片八；对两组压电陶瓷片施加具有π/2相位差的电信号。
有益效果：
1.压电换能器是利用压电陶瓷的逆压电效应，使压电换能器产生超声频段内的振动，通过金属弹性基体(即定子)、转子之间的摩擦作用获得运动和扭矩。通过压电换能器的驱动，可直接产生平台需要的摇摆运动。根据压电换能器自有的特性，其响应时间在毫秒级别，所以压电换能器在往复运动时是没有惯性的，速度响应快。相对利用曲柄摇杆机构方式驱动的摇动平台，本发明无需减速机构，且摇摆角度调节范围大，摇摆运动参数易于调节、控制，能够克服现有摇动平台结构复杂的缺点，有利于产生更丰富的浪型，进一步提高细胞培养效率。
2.压电换能器利用压电陶瓷的逆压电效应，将材料的微观变形通过机械共振放大，通过摩擦耦合传动转换成转子的宏观运动。定、转子之间采用摩擦传动，能够断电自锁，且具有较大的保持扭矩。因此摇动平台不需额外的位置锁定机构便可使细胞培养袋保持倾斜，便于取样和收获产物。
3.在驻波型压电换能器中，定子通过定子上的驱动足与转子接触，在二者接触界面上施加一定的预压力，通过摩擦作用将驱动足的椭圆运动转化为转子的宏观运动。驱动足作为接触传动部件，在其周围容易产生局部应力集中，从而引起接触层的磨损。本发明中的压电换能器的驱动部分与转子间采用曲面接触面，增大了接触面积，实现了预压力均匀分布，有利于减少接触层的磨损和提高平台负载的驱动能力，放大生物反应器的培养体积规模。
附图说明
图1：本发明的一种用于波浪式生物反应器压电驱动的摇动平台的结构示意图；
图2：本发明中所述转轴装配示意图；
图3：本发明中所述压电换能器结构示意图；
图4：本发明中所述压电换能器工作模态示意图的定子的纵向振动模态示意图；
图5：本发明中所述压电换能器工作模态示意图的定子的弯曲振动模态示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
如图1所示，一种用于波浪式生物反应器压电驱动的摇动平台，包括载物平台1、转轴2、压电换能器3，所述载物平台1用于放置细胞培养袋并通过转轴2绕转轴2中心轴线做往复摆动运动，所述压电换能器3用于将电能转换为机械振动能，再通过摩擦作用将机械振动能作为转轴2转动的动力，所述转轴2根据所受到的转动动力驱动载物平台1摆动。
如图2所示，所述转轴2包括端盖22、球滚动轴承23、转子24和轴25；所述端盖22位于球滚动轴承23远离轴25的一侧，且所述端盖22通过螺钉一21与轴25相固定，所述端盖22和球滚动轴承23相固定。所述球滚动轴承23内嵌于转子24内，所述转子24为环形结构，所述转子24内环通过球滚动轴承23装配在轴25的一端，所述轴25的一端固定在底座支架41上，而所述轴25的另一端与球滚动轴承23的内圈固定连接，所述球滚动轴承23的外圈与转子24相固定；所述转子24外环上端部分为一平面，该平面通过螺栓或螺钉二26与载物平台1固接，外环下端为弧形曲面且涂镀有一层摩擦层，所述外环下端与压电换能器3接触。在接触界面施加合适预压力，压电换能器3驱动转子24绕轴25的中心轴线转动，进而带动载物平台1转动。
所述摇动平台还包括底座4，所述底座4包括底座支架41、弹簧一42、弹簧二43、弹簧三44；底座4采用三点弹簧支撑的加持方式固定压电换能器3，弹簧一42安装于底座4内部的左边，弹簧二43安装于底座4内部的右边，压电换能器3左右两侧分别用弹簧一42和弹簧二43支撑，弹簧三44一端安装在金属弹性基体的预压凹槽33内，另一端与底座支架41底部固接。
如图3所示，所述压电换能器3包括铍青铜金属弹性基体31和粘贴在其表面上的压电陶瓷片；所述压电陶瓷片对称的贴于压电换能器3的前后两个面上，所述金属弹性基体31上侧设置有用于与转子24相接触的弧形凹槽32，而下侧设置有用于对弧形凹槽32和转子24之间接触界面提供预压力的预压凹槽33。所述金属弹性基体31为矩形板结构，所述弧形凹槽32和预压凹槽33具有相同的半径，弧形凹槽32的曲面半径与转子24下端的弧形面的曲面半径相同，预压凹槽33的弧顶部分设置为一平面。
所述压电换能器4的前后两个面对称的各贴有压电陶瓷片4片，分别是压电陶瓷片一34及其对称位置的压电陶瓷片五、压电陶瓷片二35及其对称位置的压电陶瓷片六、压电陶瓷片三36及其对称位置的压电陶瓷片七、压电陶瓷片四37及其对称位置的压电陶瓷片八。压电陶瓷片沿厚度方向极化。压电陶瓷片接激励电极的表面涂有供极化和激励用的外电极，用于沿压电陶瓷片极化方向施加电场，利用压电陶瓷片的d31效应在定子上激励出具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动。压电陶瓷片一34和压电陶瓷片三36的极化方向相同，并和压电陶瓷片二35和压电陶瓷片四37的极化方向相反。对称位置的压电陶瓷的极化方向相同相对于所粘贴的金属弹性基体表面的外法方向且外电极上施加的激励信号也相同。
所述压电换能器3为驻波型压电换能器。
所述压电陶瓷片划分为两组，一组为压电陶瓷片一34、压电陶瓷片三36、压电陶瓷片五、压电陶瓷片七，另一组为压电陶瓷片二35、压电陶瓷片四37、压电陶瓷片六、压电陶瓷片八；利用压电陶瓷片的d31效应分别激发矩形板的纵向振动模态和弯曲振动模态。
压电换能器的工作模态如图4，图5所示，图4为矩形板的纵向振动模态，图5为矩形板的弯曲振动模态。对压电陶瓷片一34、压电陶瓷片三36及其对称位置的压电陶瓷片五、压电陶瓷片七施加正弦激励信号，对压电陶瓷片二35、压电陶瓷片四37及其对称位置的压电陶瓷片六、压电陶瓷片八施加余弦激励信号，在矩形板上激发出具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动的复合振动，在上边弧形凹槽32的表面上的质点形成椭圆运动，通过上边弧形凹槽32和转子24之间的摩擦力驱动转子24运动。交换上述压电陶瓷片的激励信号，便可实现转子24的反向转动。通过控制两激励信号的相位以及激励的脉冲数，可实现转子24不同方向和不同角度的转动。通过调节激励信号的频率或者激励电压，可调节转子24转速。转子24的转动带动载物平台1来回摇摆，使得在细胞培养液中产生波浪运动。通过控制激励信号，可实现转子24转动的开环控制，调节摇动平台的摇摆角度、摇摆速度和摇摆运动模式等参数，控制方法简单且控制精度高。
工作时，施加具有π/2相位差的电信号激励出金属弹性基体31纵振和弯振的复合振动，在弧形凹槽32表面质点产生椭圆运动。通过摩擦作用驱动转子24在一定角度内做往复转动，进而带动载物平台1摇摆，使得细胞培养液中产生波浪运动，实现培养物的混合和气液表面传氧。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于波浪式生物反应器压电驱动的摇动平台，其特征在于：包括载物平台(1)、转轴(2)、压电换能器(3)，所述载物平台(1)用于放置细胞培养袋并通过转轴(2)绕转轴(2)中心轴线做往复摆动运动，所述压电换能器(3)用于将电能转换为机械振动能，再通过摩擦作用将机械振动能作为转轴(2)转动的动力，所述转轴(2)根据所受到的转动动力驱动载物平台(1)摆动。
2.根据权利要求1所述的用于波浪式生物反应器压电驱动的摇动平台，其特征在于：所述转轴(2)包括端盖(22)、球滚动轴承(23)、转子(24)和轴(25)；所述端盖(22)和球滚动轴承(23)相固定，所述球滚动轴承(23)内嵌于转子(24)内，所述转子(24)为环形结构，所述转子(24)内环通过球滚动轴承(23)装配在轴(25)的一端，所述轴(25)的一端固定在底座支架(41)上，而所述轴(25)的另一端与球滚动轴承(23)的内圈固定连接，所述球滚动轴承(23)的外圈与转子(24)相固定；所述转子(24)外环上端部分为一平面，该平面与载物平台(1)固接，外环下端为弧形曲面，所述外环下端与压电换能器(3)接触。
3.根据权利要求1所述的用于波浪式生物反应器压电驱动的摇动平台，其特征在于：所述压电换能器(3)包括金属弹性基体(31)和粘贴在其表面上的压电陶瓷片；所述压电陶瓷片对称的贴于压电换能器(3)的前后两个面上，所述金属弹性基体(31)上侧设置有用于与转子(24)相接触的弧形凹槽(32)，而下侧设置有用于对弧形凹槽(32)和转子(24)之间接触界面提供预压力的预压凹槽(33)。
4.根据权利要求3所述的用于波浪式生物反应器压电驱动的摇动平台，其特征在于：还包括底座(4)，所述底座(4)包括底座支架(41)、弹簧一(42)、弹簧二(43)、弹簧三(44)；底座(4)采用三点弹簧支撑的加持方式固定压电换能器(3)，弹簧一(42)安装于底座(4)内部的左边，弹簧二(43)安装于底座(4)内部的右边，压电换能器(3)左右两侧分别用弹簧一(42)和弹簧二(43)支撑，弹簧三(44)一端安装在金属弹性基体的预压凹槽(33)内，另一端与底座支架(41)底部固接。
5.根据权利要求3所述的用于波浪式生物反应器压电驱动的摇动平台，其特征在于：所述压电换能器(4)的前后两个面对称的各贴有压电陶瓷片四片，分别是压电陶瓷片一(34)及其对称位置的压电陶瓷片五、压电陶瓷片二(35)及其对称位置的压电陶瓷片六、压电陶瓷片三(36)及其对称位置的压电陶瓷片七、压电陶瓷片四(37)及其对称位置的压电陶瓷片八。
6.根据权利要求2所述的用于波浪式生物反应器压电驱动的摇动平台，其特征在于：所述转子(24)的外环下端涂镀有一层摩擦层。
7.根据权利要求2所述的用于波浪式生物反应器压电驱动的摇动平台，其特征在于：所述端盖(22)位于球滚动轴承(23)远离轴(25)的另一侧，且所述端盖(22)通过螺钉一(21)与轴(25)相固定。
8.根据权利要求3所述的用于波浪式生物反应器压电驱动的摇动平台，其特征在于：所述金属弹性基体(31)为矩形板结构，所述弧形凹槽(32)和预压凹槽(33)具有相同的半径，弧形凹槽(32)的曲面半径与转子(24)下端的弧形面的曲面半径相同，预压凹槽(33)的弧顶部分设置为一平面。
9.根据权利要求3所述的用于波浪式生物反应器压电驱动的摇动平台，其特征在于：所述金属弹性基体(31)的材质为铍青铜。
10.根据权利要求5所述的用于波浪式生物反应器压电驱动的摇动平台，其特征在于：所述压电陶瓷片划分为两组，一组为压电陶瓷片一(34)、压电陶瓷片三(36)、压电陶瓷片五、压电陶瓷片七，另一组为压电陶瓷片二(35)、压电陶瓷片四(37)、压电陶瓷片六、压电陶瓷片八；对两组压电陶瓷片施加具有π/2相位差的电信号。
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