CN110358683B - 一种生物反应器自动控制装置 - Google Patents

Abstract

一种生物反应器自动控制装置，包括培养罐(1)，加热器(2)，传感器组(3)，取样检测单元(4)，显示器(5)，控制器(6)，培养液源(7)，碱液源(8)和气源(9)。加热器(2)内放置充满培养液的培养罐(1)。传感器组(3)安装在培养罐(1)上。控制器(6)通过传感器组(3)和取样检测单元(4)测量溶氧、pH、温度、谷丙转氨酶等指标。控制器(6)分别根据溶氧、pH、温度以及谷丙转氨酶浓度的测量值与目标值之差，控制气源(9)中的氧气与氮气流量、气源(9)中的二氧化碳流量和碱液源(8)的碱液输出量、加热器(2)的通断以及培养液源(7)与培养罐(1)内培养液的交换，实现细胞生长环境的优化控制。

Description

一种生物反应器自动控制装置

技术领域

本发明涉及一种生物反应器自动控制装置，特别涉及一种用于细胞大规模培养的培养罐内部环境自动控制装置。

背景技术

目前，临床上治疗肝衰竭的有效途径是肝移植，然而肝移植面临的首要问题就是供体的匮乏，严重制约了肝移植的临床应用。人工肝支持系统是指采用体外循环的方式，将正常应当流进人体肝脏的血液引出送到人工肝脏，血液流经人工肝脏后再送回体内，从而实现用人工肝脏来短期代替病人肝脏而工作的目的。最初人工肝系统通过采用类似肾脏透析的方法，进行血液或血浆的置换过滤，实现肝脏最基本的解毒功能。但是由于肝脏功能复杂，除了肩负着解毒功能外，还需肩负着胆汁分泌、酶的合成、储血、血量调节和三大物质糖、脂肪、蛋白质的合成代谢等重要功能。生物型人工肝支持系统是80年代后期发展起来的体外人工肝支持系统，是以人工培养的肝细胞为基础构建的体外生物反应系统。其原理是将肝细胞置于生物反应器中，通过半透膜或直接接触的方法，使得肝细胞与患者血浆进行物质交换，从而达到支持作用，已经成功的细胞有C3A细胞和HepG2细胞，目前还有多种细胞处于试验过程中。培养过程中的生物化学环境如营养、氧气、pH、温度等的变化, 能够进行实时监测和控制, 这为肝细胞的培养提供了更加优化的条件。

国内外学者一直非常重视生物反应器的研究，相继提出多种设计思想与方案，使其性能不断改进。中国专利（CN201810136410.7）“一种适合于医药生物反应器的自动取样系统及其应用” 集检测、数据处理和数据传输为一体，能根据多个生物反应器不同取样要求，实现计算机自动化取样控制，有效提高取样效率和取样质量，提高生物取样的成功率，改变了长期以来医药生物反应器只能手工到发酵现场取样的局面。中国专利（CN201810492078.8）“一种多用途生物反应器” 能根据培养细胞的不同，更换生物反应器内相关模块组件，满足多种细胞的培养需求，可广泛用于生物制药行业中大规模高密度细胞培养及目标产物表达。中国专利（201110064200X）“类肝小叶生物反应器”真实地模拟了肝小叶的结构，发挥了肝脏的代谢解毒和排泄等功能。综上所述，现有技术集中在生物反应器结构优化，缺少细胞生长环境控制装置。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种生物反应器自动控制装置。本发明可自动调节培养液溶解氧浓度、pH、温度，并自动更换培养液。

本发明生物反应器自动控制装置包括培养罐，加热器，传感器组，控制器，显示器，取样检测单元，培养液源，碱液源和气源。培养罐上有七个接口，分别为取样口，培养液入口，培养液出口，碱液入口，气体出口，气体出入口和细胞注入口。加热器内充满水，培养罐置于加热器中，实现水浴。培养罐中充满细胞培养液，细胞生长于其中。传感器组包括溶氧传感器，pH传感器和温度传感器。传感器组安装在培养罐上。溶氧传感器、pH传感器和温度传感器的输入端均插入培养罐内部的培养液中。溶氧传感器输出端与控制器的第一输入端连接，pH传感器的输出端与控制器的第二输入端连接，温度传感器的输出端与控制器的第三输入端连接。取样检测单元的输出端与控制器的第四输入端连接。气源内有氧气、氮气和二氧化碳三种气体，气源的第一至第三控制端与控制器的第一至第三输出端连接，气源的输出端与培养罐气体入口连接。气源的第一至第三控制端口分别对应氧气、氮气、二氧化碳流速控制。碱液源的控制端与控制器的第四输出端连接，碱液源的输出端与培养罐碱液入口连通。加热器的控制端与控制器的第五输出端连接。取样检测单元的第一输入端与取样口连接，取样检测单元的控制端与控制器的第六输出端连接，取样检测单元的输入端与培养罐的取样口连接。培养液源的控制端与控制器的第七输出端连接，培养液源的输入端与培养罐的培养液出口连接，培养液源的输出端与培养罐的培养液入口连接。控制器的显示端口与显示器连接。

使用本发明所述装置培养细胞时，需要控制温度、溶解氧浓度、pH值和谷丙转氨酶浓度四项指标。控制器首先设定温度、溶解氧浓度、pH的上限值与下限值，谷丙转氨酶浓度上限值。控制溶氧浓度时，溶氧传感器检测培养罐内部培养液中的溶解氧浓度，通过控制器第一输入端口将溶解氧浓度值发送至控制器，如果培养液的溶解氧浓度低于溶解氧浓度下限值，控制器通过第一输出端口控制气源输出氧气，氧气通过气体入口注入培养罐，当溶解氧浓度达到下限值时控制器关闭氧气。如果培养液溶解氧浓度高于上限值，控制器通过第二输出端口控制气源输出氮气，氮气通过气体入口注入培养罐，当溶氧浓度达到上限值时控制器关闭氮气。控制pH值时，pH传感器检测培养罐内部培养液的pH值，通过控制器第二输入端口将pH数据发送至控制器，如果培养液的pH值低于pH下限值，控制器通过第四输出端口控制碱液源由碱液入口向培养液中注入碱液，当pH值达到下限值时停止输入碱液，如果培养液pH值高于上限值，控制器通过第三输出端口控制气源向培养罐内注入二氧化碳，当pH值达到上限值时关闭气源。控制温度时，温度传感器检测培养罐内部培养液温度，通过控制器第三输入端口将温度数据发送至控制器，如果培养液温度低于温度下限值，控制器通过第五输出端口启动加热器加热，当温度达到下限值时关闭加热器。控制谷丙转氨酶浓度时，控制器通过第六输出端口控制取样检测单元抽取培养罐中的培养液，检测培养液的谷丙转氨酶浓度，取样检测单元通过控制器第四输入端口将谷丙转氨酶浓度数据发送至控制器，如果培养液谷丙转氨酶浓度高于上限值，控制器通过第七输出端口控制培养液源的培养液入口向培养罐注入新鲜培养液，经培养液出口抽出陈旧培养液。控制器通过显示端口将温度、溶解氧浓度、pH、谷丙转氨酶浓度实时发送至显示器，供操作者参考。

本发明所述取样检测单元包括微量注射泵，液体导管，光源、传感器和检测池。微量注射泵控制端口是取样检测单元的控制端。传感器的输出端口是取样检测单元的输出端口。液体导管的一端从培养罐的取样口插入培养液中，液体导管的另一端与检测池连接。检测池的材质为透明塑料或玻璃，可以透光。检测池内部装有谷丙转氨酶测定试剂，使用检测池进行一次检测后需要更换新的装有谷丙转氨酶测定试剂的检测池。光源放置于检测池的一侧，传感器放置于检测池的另一侧，正对着光源。光源出射光波长为340nm，光透过检测池进入传感器。传感器将接收到的光学信号转换成电信号通过控制器第四输入端口发送至控制器。不同液体中谷丙转氨酶浓度不同，吸光度也就不同，传感器接收到的光信号也不同。取样时控制器通过其第六输出端控制微量注射泵正转，培养液从培养罐经取样口、液体导管流入检测池，直至检测池内部液体高度达到标记线，然后控制器控制注射泵停转。检测完毕后控制器通过第六输出端口控制微量注射泵反转，液体导管内剩余液体回流到培养罐。

本发明所述培养液源包括双通路蠕动泵，第一液体导管，第二液体导管，废液池和进液池。双通路蠕动泵的控制端口也就是培养液源的控制端口。第一液体导管和第二液体导管安装在双通路蠕动泵的两个通路上，第一液体导管的一端与培养罐的培养液入口连接，另一端与进液池连接。第二液体导管的一端与培养罐的培养液出口连接，另一端与废液池连接。进液池和废液池位于双通路蠕动泵的两侧。工作时，控制器通过第七输出端口控制双通路蠕动泵开始工作，新鲜培养液由进液池通过第一液体导管和培养液入口进入培养罐，同时培养罐中的陈旧培养液通过培养液出口和第二液体导管进入废液池，实现培养罐内培养液的更新。

本发明所述碱液源包括微量注射泵，液体导管和碱液池。碱液池内液体为氢氧化钠溶液。微量注射泵的控制端口是碱液源的控制端口。液体导管安装在微量注射泵的泵头上，液体导管的一端与培养罐的碱液入口连接，液体导管的另一端与碱液池连接。工作时，控制器通过第四输出端口控制微量注射泵工作，将碱液池内的碱液注入培养罐，培养罐内培养液pH达到目标值后控制器通过第四输出端口控制微量注射泵停止工作。

本发明所述气源包括氧气瓶，二氧化碳瓶，氮气瓶，氧气流量控制器，二氧化碳流量控制器，氮气流量控制器和四通阀门。氧气流量控制器、二氧化碳流量控制器、氮气流量控制器均有一个控制端口，与气源的第一至第三控制端口一一对应。氧气瓶与氧气流量控制器的输入端连接，氧气流量控制器的输出端与四通阀门的第一端口连接；二氧化碳瓶与二氧化碳流量控制器的输入端连接，二氧化碳流量控制器的输出端与四通阀门的第二端口连接；氮气瓶与氮气流量控制器的输入端连接，氮气流量控制器的输出端与四通阀门的第三端口连接；四通阀门的第四端口也是气源的输出端口。气源工作时，氧气流量控制器，二氧化碳流量控制器，氮气流量控制器分别通过各自的控制端口接收来自控制器的指令，在相应的流量范围内调整气体流量。氧气流量控制器，二氧化碳流量控制器，氮气流量控制器流出的气体在四通阀门处汇合，由四通阀门的第四端口流出最终进入培养罐。

本发明所述控制器包括溶氧控制单元，pH控制单元，温度控制单元和培养液控制单元。溶氧控制单元、溶氧传感器、气源中的氧气瓶、氮气瓶、氧气流量控制器、氮气流量控制器构成溶氧控制回路。pH控制单元、pH传感器、碱液源、气源中的二氧化碳瓶、二氧化碳流量控制器构成pH控制回路。温度控制单元、温度传感器和加热器构成温度控制回路。培养液控制单元、取样检测单元、培养液源构成培养液控制回路。

本发明所述装置工作工程如下：

（1）对培养罐、溶氧传感器、pH传感器、温度传感器消毒，然后放入烤箱干燥；

（2）在培养罐中注入培养液和细胞，然后在培养罐上安装溶氧传感器、pH传感器、温度传感器，连接取样检测单元、培养液源、碱液源、气源；

（3）由用户在显示器上输入溶解氧浓度和pH的上、下限制，温度下限值，谷丙转氨酶上限值四个参数，然后点击开始；

（4）温度传感器每隔5秒钟采集一次培养液温度并将温度值通过第三输入端口送入控制器，如果温度小于温度下限值，温度控制单元通过控制器第五输出端口启动加热器，当液体温度达到下限值时，控制器通过第五输出端口关闭加热器。pH传感器每隔5秒钟采集一次培养液pH并将pH值通过控制器第二输入端口送入控制器，如果pH小于pH下限值，pH控制单元通过控制器第三输出端口启动碱液源，向培养液中注入碱性液体，当pH值达到pH下限值时停止，如果pH大于pH上限值，控制器通过第四输出端口启动气源中的二氧化碳流量控制器，向培养罐中注入二氧化碳，当pH值降至pH上限值时停止。溶氧传感器每隔5秒钟采集一次培养液溶解氧浓度并将溶解氧浓度值通过控制器第一输入端口送入控制器，如果溶解氧浓度小于溶解氧浓度下限值，溶氧控制单元通过控制器第一输出端口启动气源中的氧气流量控制器，向培养液中注入氧气，当溶解氧浓度值达到溶解氧浓度下限值时停止，如果溶解氧浓度大于上限值，溶氧控制单元通过第二输出端口启动气源中的氮气流量控制器，向培养罐中注入氮气，当溶解氧浓度值降至上限值时停止。取样检测单元每隔1小时检测培养液中的谷丙转氨酶浓度并通过控制器第四输入端口将该值送入控制器，如果谷丙转氨酶浓度高于上限值40U/L，控制器启动培养液源，将新鲜培养液注入培养罐，同时将陈旧培养液抽出培养罐，保证谷丙转氨酶浓度不超过40U/L。如此循环进行，保证溶解氧浓度、pH、温度、谷丙转氨酶浓度均在目标范围内；

（5）计时满48小时后，细胞增殖结束，收集细胞。

本发明具备的有益效果在于：

（1）本发明将温度、pH、溶解氧浓度、谷丙转氨酶浓度四项指标集成于一体，同时进行控制，为细胞的培养提供了更加优化的条件；

（2）本发明以谷丙转氨酶浓度为控制参数，实现培养液的自动更新；

（3）本发明在控制温度、pH、溶解氧浓度过程中可以使用PID算法等控制方法，提高控制的准确度。

附图说明

图1为本发明生物反应器自动控制装置原理图；

图2为本发明取样检测单元原理图；

图3为本发明培养液原理图；

图4为本发明碱液源原理图；

图5为本发明气源原理图。

具体实施方式

以下以肝细胞培养为例，结合附图进一步说明本发明。

图1为本发明生物反应器自动控制装置的原理图。生物反应器自动控制装置包括培养罐1，加热器2，传感器组3，取样检测单元4，显示器5，控制器6，培养液源7，碱液源8和气源9。培养罐1上有七个接口，分别为取样口1A，培养液入口1B，培养液出口1C，碱液入口1D，气体出口1E，气体入口1F和细胞注入口1G。加热器2为水浴加热槽，培养罐1置于其中。培养罐1中充满细胞培养液，其中有细胞生长。传感器组3中有三个传感器，分别为溶氧传感器3A，pH传感器3B和温度传感器3C。传感器组3安装在培养罐1上。溶氧传感器3A、pH传感器3B、温度传感器3C的输入端均插入培养罐1内部的培养液中。溶氧传感器3A输出端与控制器6的第一输入端连接，pH传感器3B的输出端与控制器6的第二输入端连接，温度传感器3C的输出端与控制器6的第三输入端连接。取样检测单元4的输出端与控制器6的第四输入端连接。气源9内有氧气、二氧化碳和氮气三种气体，气源9的第一至第三控制端分别与控制器6的第一至第三输出端连接，气源9的输出端与培养罐1的气体入口1F连接。气源的第一至第三控制端口分别对应氧气、二氧化碳、氮气流速控制。碱液源8的控制端与控制器6的第四输出端连接，碱液源8的输出端与碱液入口1D连接。加热器2的控制端与控制器6的第五输出端连接。取样检测单元4的第一输入端与取样口1A连接，取样检测单元4的控制端与控制器6的第六输出端连接。培养液源7的控制端与控制器6的第七输出端连接，培养液源7的输入端与培养液出口1C连接，培养液源7的输出端与培养液入口1B连接。控制器6的显示端口与显示器5连接。

使用本发明所述装置培养细胞时，需要控制温度、pH、溶解氧浓度和谷丙转氨酶浓度四项指标。控制器6将培养液温度目标值设定为36.5-37.5℃，温度传感器3C检测培养罐1内部培养液温度，将温度数据发送至控制器6，如果培养液温度低于36.5℃，控制器6启动加热器2进行加热，如果培养液温度大于等于37.5℃，控制器6关闭加热器2停止加热。控制器6将培养液溶解氧浓度目标值设定为2.8-3.6mg/L，溶氧传感器3A检测培养罐1内部培养液中的溶解氧浓度，将溶解氧浓度数据发送至控制器6，如果培养液溶解氧浓度低于2.8mg/L，控制器6控制气源9输入氧气，如果培养液溶解氧浓度高于3.6mg/L，控制器6控制气源9输入氮气。控制器6将培养液pH目标值设定为7.2-7.4，pH传感器3B检测培养罐1内部培养液的pH值，将pH数据发送至控制器6，如果培养液pH低于7.2，控制器6控制碱液源8输入氢氧化钠溶液，如果培养液pH高于7.4，控制器6控制气源9输入二氧化碳。控制器6将培养液谷丙转氨酶浓度目标值设定为0-40 U/L，取样检测单元4检测培养罐1内部培养液中谷丙转氨酶浓度，将谷丙转氨酶浓度数据发送至控制器6，如果培养液谷丙转氨酶浓度高于40 U/L，控制器6控制培养液源7向培养罐1注入新鲜培养液，抽出陈旧培养液，注入培养液体积等于抽出培养液体积等于培养罐1的容积。控制器6将温度、溶解氧浓度、pH、谷丙转氨酶浓度实时发送至显示器5，供操作者参考。

图2为本发明取样检测单元原理图。

如图2所示，以谷丙转氨酶检测为例。取样检测单元包括微量注射泵200，液体导管201，光源202、传感器203、检测池204。205为微量注射泵200的控制端口，也是取样检测单元的输入端口，206为传感器203的输出端口，也是取样检测单元的输出端口。液体导管201的一端从取样口1A插入培养罐1的培养液中，另一端与检测池204连接。检测池204的材质为透明塑料或玻璃，可以透光，检测池204内部装有谷丙转氨酶测定试剂，使用检测池204进行一次检测后需要更换新的装有谷丙转氨酶测定试剂的检测池。光源202放置于检测池204的左侧，传感器203放置于检测池204的右侧正对着光源202，光源202出射光波长为340nm，出射光透过检测池204进入传感器203。传感器203将接收到的光学信号转换成电信号通过206发送至控制器6。取样时控制器6通过第五输出端控制微量注射泵200正转，液体从左向右流动，培养液从培养罐1流入检测池204，直至检测池204内部液体高度达到内部标记线，注射泵200停转。检测完毕后微量注射泵200反转，液体导管201内剩余液体从右向左流动回流到培养罐1。

图3为本发明培养液源原理图。

如图3所示，培养液源7包括双通路蠕动泵300，第一液体导管301，第二液体导管302，进液池303和废液池304，305为双通路蠕动泵300的控制端口。第一液体导管301和第二液体导管302安装在双通路蠕动泵300的两个通路上，第一液体导管301的一端与培养液入口1B连接，另一端与进液池303连接，第二液体导管302的一端与培养液出口1C连接，另一端与废液池304连接，进液池303和废液池304位于双通路蠕动泵300的两侧。工作时，控制器通过305控制双通路蠕动泵300开始工作，新鲜培养液由进液池303通过第一液体导管301进入培养罐，同时培养罐中的陈旧培养液通过第二液体导管302进入废液池304，实现培养罐内培养液的更新。

图4为本发明碱液源原理图。

如图4所示，碱液源包括微量注射泵400，液体导管401和碱液池402。403为微量注射泵的控制端口。液体导管401安装在微量注射泵400的泵头上，液体导管401的一端与碱液入口1D连接，液体导管401的另一端与碱液池402连接。工作时，控制器通过控制端口403控制微量注射泵400工作，将一定量的碱液池402内的碱液注入培养罐，之后控制器通过控制端口403控制微量注射泵400停止工作。

图5为本发明气源原理图。

如图5所示，气源包括氧气瓶501，二氧化碳瓶502，氮气瓶503，氧气流量控制器504，二氧化碳流量控制器505，氮气流量控制器506和四通阀门507。509为氧气流量控制器504的控制端口，510为二氧化碳流量控制器505的控制端口，511为氮气流量控制器506的控制端口。氧气瓶501与氧气流量控制器504的输入端连接，氧气流量控制器504的输出端与四通阀门507的第一端口连接；二氧化碳瓶502与二氧化碳流量控制器505的输入端连接，二氧化碳流量控制器505的输出端与四通阀门507的第二端口连接；氮气瓶503与氮气流量控制器506的输入端连接，氮气流量控制器506的输出端与四通阀门507的第三端口连接；四通阀门507的第四端口为508。509为氧气流量控制器的控制端口，510为二氧化碳流量控制器的控制端口，511为氮气流量控制器的控制端口。氧气流量控制器504的流量控制范围为0-200mL/min，二氧化碳流量控制器505的流量控制范围为0-10mL/min，氮气流量控制器506的流量控制范围为0-50mL/min。气源工作时，氧气流量控制器504，二氧化碳流量控制器505，氮气流量控制器506分别通过511、512、513接收到控制器的指令，在相应的流量范围内进行调整。氧气流量控制器504，二氧化碳流量控制器505，氮气流量控制器506流出的气体在四通阀门507处汇合，由四通阀门的第四端口508流出最终进入培养罐。

以下结合图1-图5说明本发明所述装置工作工程如下。

（1）对培养罐1，溶氧传感器3A，pH传感器3B，温度传感器3C消毒，然后放入烤箱干燥；

（2）在培养罐1中注入培养液和细胞，然后在培养罐1上安装溶氧传感器3A，pH传感器3B，温度传感器3C，连接取样检测单元4，培养液源7、碱液源8、气源9；

（3）由用户在显示器5上输入溶氧目标值2.8-3.6mg/L、pH目标值7.2-7.4、温度目标值36.5-37.5摄氏度，谷丙转氨酶浓度目标值0-40U/L，然后点击开始按钮；

（4）温度传感器3C每隔5秒钟采集一次培养液温度并将温度值通过控制器6的第三输入端口送入控制器6，如果温度小于36.5℃，控制器6通过第五输出端口启动加热器2，当液体温度达到36.5℃时，控制器6通过其第五输出端口关闭加热器2。pH传感器3B每隔5秒钟采集一次培养液pH并将pH值通过控制器6的第二输入端口送入控制器6，如果pH小于7.2，控制器6通过第三输出端口启动碱液源8，向培养罐1中注入碱性液体，当pH值达到7.2时停止，如果pH大于7.4，控制器6通过其第四输出端口启动气源9，向培养罐1中注入二氧化碳，当pH值降至7.4时停止。溶氧传感器3A每隔5秒钟采集一次培养液溶氧并将溶氧值通过控制器6的第一输入端口送入控制器6，如果溶氧小于2.8mg/L，控制器6通过第一输出端口启动气源9，向培养罐1中注入氧气，当溶氧值达到2.8mg/L时停止，如果溶氧大于3.6mg/mL，控制器6通过第二输出端口启动气源9，向培养罐1中注入氮气，当溶氧值降至3.6mg/L时停止。取样检测单元4每隔1小时检测培养液中的谷丙转氨酶浓度并通过控制器6的第四输入端口将该值送入控制器6，如果谷丙转氨酶浓度高于40U/L，控制器6启动培养液源7，将培养液池304内的新鲜培养液注入培养罐1，同时将陈旧培养液抽至废液池303。如此循环进行，保证溶解氧浓度，pH，温度，谷丙转氨酶浓度均在目标范围内；

（5）计时满48小时后，细胞培养结束，收集细胞。

Claims (7)

1.一种生物反应器自动控制装置，其特征在于，所述的生物反应器自动控制装置包括培养罐（1），加热器（2），传感器组（3），取样检测单元（4），显示器（5），控制器（6），培养液源（7），碱液源（8），以及和气源（9）；培养罐（1）上有七个接口，分别为取样口（1A），培养液入口（1B），培养液出口（1C），碱液入口（1D），气体出口（1E），气体入口（1F）和细胞注入口（1G）；加热器（2）为水浴加热槽，培养罐（1）置于其中；培养罐（1）中充满细胞培养液，细胞生长于其中；传感器组（3）中有三个传感器，分别为溶氧传感器（3A）、pH传感器（3B）和温度传感器（3C）；传感器组（3）安装在培养罐（1）上；溶氧传感器（3A）、pH传感器（3B）和温度传感器（3C）的输入端均插入培养罐（1）内部的培养液中；溶氧传感器（3A）的输出端与控制器（6）的第一输入端连接，pH传感器（3B）的输出端与控制器（6）的第二输入端连接，温度传感器（3C）的输出端与控制器（6）的第三输入端连接；取样检测单元（4）的输出端与控制器（6）的第四输入端连接；气源（9）的第一至第三控制端分别与控制器（6）的第一至第三输出端连接，气源（9）的输出端与气体入口（1F）连接；控制器（6）通过第一至第三输出端分别控制通入培养罐（1）的氧气、二氧化碳和氮气的流速；碱液源（8）的控制端与控制器（6）的第四输出端连接，碱液源（8）的输出端与碱液入口（1D）连接；加热器（2）的控制端与控制器（6）的第五输出端连接；取样检测单元（4）的第一输入端与取样口（1A）连接，取样检测单元（4）的控制端与控制器（6）的第六输出端连接；培养液源（7）的控制端与控制器（6）的第七输出端连接，培养液源（7）的输入端与培养液出口（1C）连接，培养液源（7）的输出端与培养液入口（1B）连接；控制器（6）的显示端口与显示器（5）连接；所述控制器（6）包括溶氧控制单元，pH控制单元，温度控制单元和培养液控制单元，溶氧控制单元、溶氧传感器（3A）、气源（9）中的氧气瓶（501）、氮气瓶（503）、氧气流量控制器（504）、氮气流量控制器（506）构成溶氧控制回路；pH控制单元、pH传感器（3B）、碱液源（8）、气源（9）中的二氧化碳瓶（502）、二氧化碳流量控制器（505）构成pH控制回路；温度控制单元、温度传感器（3C）和加热器（2）构成温度控制回路；培养液控制单元、取样检测单元（4）、培养液源（7）构成培养液控制回路；取样检测单元（4）每隔1小时检测培养液中的谷丙转氨酶浓度并通过控制器（6）第四输入端口将该值送入控制器（6），如果谷丙转氨酶浓度高于40U/L，控制器（6）启动培养液源（7），将新鲜培养液注入培养罐（1），同时将陈旧培养液抽出培养罐（1），保证谷丙转氨酶浓度不超过40U/L。

2.如权利要求1所述的生物反应器自动控制装置，其特征在于，使用所述生物反应器自动控制装置培养细胞时，需要控制培养液温度、溶解氧浓度和谷丙转氨酶浓度四项指标；所述控制器（6）将培养液温度目标值设定为36.5-37.5℃，所述温度传感器（3C）检测培养罐（1）内部培养液温度，将温度数据发送至控制器（6），如果培养液温度低于36.5℃，控制器（6）启动加热器（2）加热，如果培养液温度大于等于37.5℃，控制器（6）关闭加热器（2）停止加热；控制器（6）将培养液溶解氧浓度目标值设定为2.8-3.6mg/L，所述溶氧传感器（3A）检测培养罐（1）内部培养液中的溶解氧浓度，将溶解氧浓度数据发送至控制器（6），如果培养液溶解氧浓度低于2.8mg/L，控制器（6）控制气源（9）输入氧气，如果培养液溶解氧浓度高于3.6mg/L，控制器（6）控制气源（9）输入氮气；控制器（6）将培养液pH目标值设定为7.2-7.4，pH传感器（3B）检测培养罐（1）内部培养液的pH值，将pH数据发送至控制器（6），如果培养液pH低于7.2，控制器（6）控制碱液源（8）输入氢氧化钠溶液，如果培养液pH高于7.4，控制器（6）控制气源（9）输入二氧化碳；控制器（6）将培养液谷丙转氨酶目标值设定为0-40 U/L，取样检测单元（4）检测培养罐（1）内部培养液中谷丙转氨酶浓度，将谷丙转氨酶浓度数据发送至控制器（6），如果培养液谷丙转氨酶浓度高于40 U/L，控制器（6）控制培养液源（7）向培养罐（1）注入新鲜培养液，抽出陈旧培养液，注入培养液体积等于抽出培养液体积，也等于培养罐（1）的容积；控制器（6）将温度、溶解氧浓度、pH、谷丙转氨酶浓度实时发送至显示器（5），供操作者参考。

3.如权利要求1所述的生物反应器自动控制装置，其特征在于，所述的取样检测单元包括微量注射泵（200），液体导管（201），光源（202）、传感器（203）和检测池（204）；微量注射泵（200）的控制端口（205），也是取样检测单元的输入端口，为传感器（203）的输出端口（206），也是取样检测单元的输出端口；液体导管（201）的一端从取样口（1A）插入培养罐（1）的培养液中，液体导管（201）的另一端与检测池（204）连接；检测池（204）的材质为透明塑料或玻璃；检测池（204）内部装有10mL检测试剂，使用检测池（204）进行一次检测后需要更换新的装有检测试剂的检测池；光源（202）放置于检测池（204）的左侧，传感器（203）放置于检测池（204）的右侧正对着光源（202）处，光源（202）发出的光透过检测池（204）进入传感器（203），传感器（203）将接收到的光学信号转换成电信号，通过传感器（203）的输出端口（206）发送至控制器（6）；取样时控制器（6）通过第五输出端控制微量注射泵（200）正向转动，使培养液从左向右流动，培养液从培养罐（1）流入检测池（204），直至流入检测池（204）内部液体体积达到1mL，微量注射泵（200）停止转动；检测完毕微量注射泵（200）反向转动，液体导管（201）内剩余的培养液从右向左回流到培养罐（1）。

4.如权利要求1所述的生物反应器自动控制装置，其特征在于，所述的培养液源（7）包括双通路蠕动泵（300），第一液体导管（301），第二液体导管（302），进液池（303）和废液池（304）；双通路蠕动泵（300）有控制端口（305）；第一液体导管（301）和第二液体导管（302）安装在双通路蠕动泵（300）的两个通路上，第一液体导管（301）的一端与培养液入口（1B）连通，第一液体导管（301）的另一端与进液池（303）连通，第二液体导管（302）的一端与培养液出口（1C）连通，第二液体导管（302）的另一端与废液池（304）连通，进液池（303）和废液池（304）分别位于双通路蠕动泵（300）的两侧；工作时，控制器通过双通路蠕动泵（300）的控制端口（305）控制双通路蠕动泵（300）的工作，新鲜培养液由进液池（303）通过第一液体导管（301）进入培养罐（1），同时培养罐（1）中的陈旧培养液通过第二液体导管（302）进入废液池（304），实现培养罐内培养液的更新。

5.如权利要求1所述的生物反应器自动控制装置，其特征在于，所述的碱液源（8）包括微量注射泵（400），液体导管（401）和碱液池（402）；微量注射泵（400）有控制端口（403）；液体导管（401）安装在微量注射泵（400）的泵头上，液体导管（401）的一端与碱液入口（1D）连接，液体导管（401）的另一端与碱液池（402）连通；工作时，控制器（6）通过微量注射泵（400）的控制端口（403）控制微量注射泵（400）工作，将碱液池（402）内的碱液注入培养罐（1），之后，控制器（6）通过微量注射泵（400）的控制端口（403）控制微量注射泵（400）停止工作。

6.如权利要求1所述的生物反应器自动控制装置，其特征在于，所述的气源包括氧气瓶（501），二氧化碳瓶（502），氮气瓶（503），氧气流量控制器（504），二氧化碳流量控制器（505），氮气流量控制器（506）和四通阀门（507）；氧气流量控制器（504）有氧气流量控制端口（509）、二氧化碳流量控制器（505）有二氧化碳流量控制端口（510）、氮气流量控制器（506）有氮气流量控制端口（511）；氧气瓶（501）与氧气流量控制器（504）的输入端连接，氧气流量控制器（504）的输出端与四通阀门（507）的第一端口连接；二氧化碳瓶（502）与二氧化碳流量控制器（505）的输入端连接，二氧化碳流量控制器(505）的输出端与四通阀门（507）的第二端口连接；氮气瓶（503）与氮气流量控制器（506）的输入端连接，氮气流量控制器（506）的输出端与四通阀门（507）的第三端口连接；氧气流量控制器（504）的流量控制范围为0-200mL/min，二氧化碳流量控制器（505）的流量控制范围为0-10mL/min，氮气流量控制器（506）的流量控制范围为0-50mL/min；气源工作时，氧气流量控制器（504），二氧化碳流量控制器（505），氮气流量控制器（506）分别通过氧气流量控制器（504）的控制端口（509）、二氧化碳流量控制器（505）的控制端口（510）、氮气流量控制器（506）的控制端口（511）接收控制器的指令，在相应的流量范围内调整气体流量；氧气流量控制器(504），二氧化碳流量控制器（505），氮气流量控制器（506）流出的气体在四通阀门（507）处汇合，由四通阀门的第四端口（508）流出，最终进入培养罐（1）。

7.如权利要求1所述的生物反应器自动控制装置，其特征在于，所述的生物反应器自动控制装置工作过程如下：

（1）对培养罐（1），溶氧传感器（3A），pH传感器（3B），温度传感器（3C）消毒，然后放入烤箱干燥；

（2）在培养罐（1）中注入培养液和细胞，然后在培养罐（1）上安装溶氧传感器（3A），pH传感器（3B），温度传感器（3C），连接取样检测单元（4），培养液源（7）、碱液源（8）、气源（9）；

（3）由用户在显示器（5）上输入溶解氧浓度目标值2.8-3.6mg/L、pH目标值7.2-7.4、温度目标值36.5-37.5摄氏度，谷丙转氨酶浓度目标值0-40U/L，然后点击开始按钮；

（4）温度传感器（3C）每隔5秒钟采集一次培养液温度，并将温度值通过控制器（6）的第三输入端口送入控制器（6），如果温度小于36.5℃，控制器（6）通过其第五输出端口启动加热器（2），当液体温度达到36.5℃时，控制器（6）通过其第五输出端口关闭加热器（2）；pH传感器（3B）每隔5秒钟采集一次培养液的pH值，并将pH值通过控制器（6）的第二输入端口送入控制器（6）；如果pH小于7.2，控制器（6）通过第三输出端口启动碱液源（8），向培养罐（1）中注入碱性液体，当pH值达到7.2时停止注入碱性液体；如果pH大于7.4，控制器（6）通过其第四输出端口启动气源（9），向培养罐（1）中注入二氧化碳，当pH值降至7.4时停止注入二氧化碳；溶氧传感器（3A）每隔5秒钟采集一次培养液溶解氧浓度值，并将溶解氧浓度值通过控制器（6）的第一输入端口送入控制器（6），如果溶解氧浓度小于2.8mg/L，控制器（6）通过第一输出端口启动气源（9），向培养罐（1）中注入氧气，当溶解氧浓度值达到2.8mg/L时停止注入氧气；如果溶解氧浓度大于3.6mg/mL，控制器（6）通过第二输出端口启动气源（9），向培养罐（1）中注入氮气，当溶氧值降至3.6mg/L时停止注入氮气；取样检测单元（4）每隔1小时检测培养液中的谷丙转氨酶浓度，并通过控制器（6）的第四输入端口将谷丙转氨酶浓度值送入控制器（6），如果谷丙转氨酶浓度高于40U/L，控制器（6）启动培养液源（7），将进液池（303）内的新鲜培养液注入培养罐（1），同时将陈旧培养液抽至废液池（304）；如此循环进行，保证溶解氧浓度、pH值、温度和谷丙转氨酶浓度均在目标范围内；

（5）计时满48小时后，细胞培养结束，收集细胞。

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