CN110747115A - 细胞工厂生物反应器显微光电监测系统 - Google Patents

细胞工厂生物反应器显微光电监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了细胞工厂生物反应器显微光电监测系统，涉及生物反应器技术领域，包括计算机、细胞工厂生物反应器、倾斜显微光学系统、透射照明系统和X轴移动平台，细胞工厂生物反应器安装在X轴移动平台上以控制其在水平方向上左右移动，倾斜显微光学系统和透射照明系统分别安装在C型机械臂的两端，透射照明系统发出的光倾斜投射细胞工厂生物反应器后被倾斜显微光学系统接收到，并将生成的图像发送给计算机。本发明将显微光学系统安装在生物反应器的一侧，并采用倾斜透射的方式进行照明和图像采集，可以用来监测生物反应器各层培养叠板不同位置处细胞的生长状态，极大的扩大了监测范围，为相关科学研究提供了真实可靠的数据基础。

Description

细胞工厂生物反应器显微光电监测系统
技术领域
本发明涉及生物反应器技术领域，特别是涉及细胞工厂生物反应器显微光电监测系统。
背景技术
生物反应器是通过模拟酶或生物体(如细胞、微生物等)在体生长环境，来实现离体培养的一种通过生物反应或者自身代谢得到预期产物的装置。生物反应器在疫苗生产、单克隆抗体制备、医药生产、肿瘤防治、酿酒、生物发酵、有机污染物降解等方面都发挥着重要的应用。
针对细胞工厂生物反应器中培养细胞生长状态的监测技术及监测装置比较局限，主要利用倒置显微镜对最底层细胞生长状态进行观察。倒置显微镜主要是用来观察单层培养皿、载玻片或者其他物体表面形貌等，显微镜头位于载物台下方，照明光源位于载物台上方，被观察的细胞培养皿置于载物台上。这种监测方法受限于传统的倒置显微镜光学性能，工作距离短，仅能观察最底层细胞生长状态，其余各层的贴壁细胞无法取出，只能凭借经验来预估，无法直观监测，在研究和生产中存在很大的不确定性，无法保证质量。
发明内容
本发明实施例提供了细胞工厂生物反应器显微光电监测系统，可以解决现有技术中存在的问题。
本发明提供了细胞工厂生物反应器显微光电监测系统，包括计算机、伺服控制器、细胞工厂生物反应器、倾斜显微光学系统、冷光源照明系统、X轴移动平台和图像采集系统，所述冷光源照明系统用于控制透射照明系统的工作状态；
所述细胞工厂生物反应器安装在所述X轴移动平台上，所述倾斜显微光学系统和透射照明系统分别安装在C型机械臂的两端且所述倾斜显微光学系统和透射照明系统相对设置，所述C型机械臂安装在Z轴移动平台上；
所述X轴移动平台用于控制细胞工厂生物反应器在水平方向上移动，所述Z轴移动平台用于控制C型机械臂在竖直方向上移动，所述C型机械臂处于倾斜状态，且所述倾斜显微光学系统和透射照明系统分别位于细胞工厂生物反应器的两侧，所述透射照明系统发出的光倾斜透射所述细胞工厂生物反应器后由所述倾斜显微光学系统接收；
所述倾斜显微光学系统采集到的图像通过所述图像采集系统传输至计算机，所述冷光源照明系统在计算机的控制下对透射照明系统进行工作状态控制，所述伺服控制器在计算机的控制下对所述X轴移动平台和Z轴移动平台的移动状态进行控制。
本发明中的细胞工厂生物反应器显微光电监测系统，包括计算机、细胞工厂生物反应器、倾斜显微光学系统、透射照明系统和X轴移动平台，细胞工厂生物反应器安装在X轴移动平台上以控制其在水平方向上左右移动，倾斜显微光学系统和透射照明系统分别安装在C型机械臂的两端，C型机械臂则安装在Z轴移动平台上以控制其在竖直方向上移动，透射照明系统发出的光倾斜投射细胞工厂生物反应器后被倾斜显微光学系统接收到，并将生成的图像发送给计算机。本发明将显微光学系统安装在生物反应器的一侧，并采用倾斜透射的方式进行照明和图像采集，可以用来监测生物反应器各层培养叠板不同位置处细胞的生长状态，极大的扩大了监测范围，为相关科学研究提供了真实可靠的数据基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为细胞工厂生物反应器显微光电监测系统的组成示意图；
图2为细胞工厂生物反应器显微光电监测系统的结构示意图；
图3为伺服控制系统的结构示意图；
图4为控制器的总体结构示意图；
图5为现有技术中PID串级控制环路示意图；
图6为本发明中速度和位置并行的PI控制环路示意图；
图7为速度和位置并行的PI控制环路具体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1和图2，本发明提供了细胞工厂生物反应器显微光电监测系统，该系统包括计算机100、伺服控制器110、细胞工厂生物反应器122、显微光学系统、冷光源照明系统、进给系统和图像采集系统，所述显微光学系统包括倾斜显微光学系统161和垂直显微光学系统151，所述冷光源照明系统用于控制反射照明系统152和透射照明系统162的工作状态，所述进给系统包括X轴移动平台120，所述细胞工厂生物反应器122安装在该X轴移动平台120上，所述倾斜显微光学系统161和透射照明系统162分别安装在C型机械臂160的两端且所述倾斜显微光学系统161和透射照明系统162相对设置，所述C型机械臂160安装在Z轴移动平台140上，所述垂直显微光学系统151和反射照明系统152均安装在W轴移动平台150上，该W轴移动平台150则安装在Y轴移动平台130上。
所述X轴移动平台120用于控制细胞工厂生物反应器122在水平方向上左右移动，所述Y轴移动平台130用于控制W轴移动平台150在水平方向上前后移动，所述W轴移动平台150用于控制垂直显微光学系统151和反射照明系统152同步在竖直方向上移动，所述Z轴移动平台140用于控制C型机械臂160在竖直方向上移动，所述C型机械臂160处于倾斜状态，且所述倾斜显微光学系统161和透射照明系统162分别位于细胞工厂生物反应器122的两侧，所述透射照明系统162发出的光向下倾斜透射所述细胞工厂生物反应器122后由所述倾斜显微光学系统161接收，以对细胞工厂生物反应器122侧面各层的边缘进行局部监测，同时，所述C型机械臂160上绕中心轴163旋转，使所述倾斜显微光学系统161从细胞工厂生物反应器122的一侧转动到另一侧，以对细胞工厂生物反应器122另一侧的培养叠板进行监测。所述垂直显微光学系统151和反射照明系统152均位于细胞工厂生物反应器122的下方且所述垂直显微光学系统151和反射照明系统152均朝向细胞工厂生物反应器122，反射照明系统152发出的光照射在细胞工厂生物反应器122的底部，经过反射后由所述垂直显微光学系统151接收，以对细胞工厂生物反应器122底部的1-3层进行全局监测。所述计算机100具有触摸显示屏，以输入各种控制命令。所述垂直显微光学系统151和倾斜显微光学系统161采集到的图像均通过图像采集系统传输至计算机100，同时所述计算机100也向图像采集系统发送控制命令以控制图像采集过程的进行。所述冷光源照明系统在计算机100的控制下对反射照明系统152和透射照明系统162进行工作状态控制。
所述X轴移动平台120、Y轴移动平台130、Z轴移动平台140和W轴移动平台150均包括伺服电机和滚珠丝杠，所述伺服电机在伺服控制器的控制下运转，所述滚珠丝杠则在伺服电机的驱动下带动所述W轴移动平台150、垂直显微光学系统151、反射照明系统152、细胞工厂生物反应器122和C型机械臂160移动，所述伺服控制器则在计算机100的控制下工作。
本发明中细胞工厂生物反应器显微光电监测系统的工作过程如下：X轴移动平台120运动到细胞工厂生物反应器122的装卸位，实验人员将细胞工厂生物反应器122放置在载物托盘121上，X轴移动平台120上的载物托盘121运动，承载细胞工厂生物反应器122进入监测位置。切换倾斜显微监测模式和垂直显微监测模式，其中倾斜显微监测模式下倾斜显微光学系统161上的CCD相机工作，并打开与之对应的透射照明系统162，由Z轴移动平台140带动C型机械臂160在竖直方向运动，选定监测层数后X轴移动平台120承载细胞工厂生物反应器122监测该层培养叠板不同位置处的细胞生长状态。垂直显微监测模式下垂直显微光学系统151上的CCD相机工作，并打开与之对应的反射照明系统152，由W轴移动平台150控制垂直显微光学系统151在竖直方向运动，选定监测层数后X轴移动平台120移动细胞工厂生物反应器122，Y轴移动平台130移动垂直显微光学系统151，实现对底部1-3层培养叠板中细胞生长状态的全局监测。
本发明中的细胞工厂生物反应器显微光电监测系统的机械结构属于三维4轴运动，考虑C型机械臂160需要快速运动到指定监测层，并进行精确定位，因此动力源采用惯量小、适应于高速大力矩工作的交流伺服电机，每个伺服电机均安装17位编码器，其脉冲当量为9.888″，以对伺服电机的转动角度进行监控，可以克服传统步进电机失步问题。各轴移动平台的滚珠丝杠由伺服控制器控制相应的伺服电机旋转，从而实现线性滑轨的直线运动，通过对伺服电机的转速、位置等进行实时的控制，通过上位机软件控制，实现各轴移动平台按照发送的运动指令完成相应的动作。细胞工厂生物反应器显微光电监测系统的伺服控制系统结构如图3所示，图3中的X轴电机驱动器、Y轴电机驱动器、Z轴电机驱动器、W轴电机驱动器统称为伺服控制器。
细胞工厂生物反应器122运动过程中液态培养基的惯性会影响目标控制，剧烈晃动也会影响细胞的生长，因此要求运动控制稳定性较高。传统控制中，PID控制是最常用的控制方法之一，通过调整比例系数、积分和微分时间常数可以降低控制误差，减小稳态误差。但是当控制目标变化较大时，就会在控制的过程中产生相对较大的超调量，为降低控制的超调量，通过对传统PID控制算法分析，本发明优化改进得到了PI加前馈的控制方法，减小快速响应下的超调量，该算法既能保证准确的定位，又能实现良好的跟随性能。
伺服控制器选用主控芯片为ARM Cortex-M4内核STM32F407的交流伺服控制器，根据芯片接口特点以及控制需求，控制器总体结构框图如图4所示。
伺服电机的控制主要由位置环、速度环、电流环实现，电流环和速度环控制可以提高控制稳定性以及保持较快的跟随性能，位置环控制可以提高控制的定位能力以及保持较好的位置跟踪性能。
传统的串级PID控制结构如图5所示，速度环嵌套在位置环内，控制结构中，位置环通常采用比例控制，而速度和电流环采用比例积分控制，这样的控制结构不利于快速调节。因此，本发明将采用速度和位置并行的PI控制加前馈控制模式，控制回路如图6所示，所述伺服控制器通过控制回路对所述伺服电机进行控制，所述控制回路包括位置环、速度环和电流环，所述位置环与速度环平行配置，位置指令和速度指令分别经过PI处理后，与速度前馈控制和加速度前馈控制产生的指令进行叠加形成电流指令，电流指令经过PI处理后对伺服电机进行控制。将位置环与速度环平行配置，同时加上速度前馈和加速度前馈控制，通过同时控制多个状态变量，提高位置和速度控制的稳定性，提高动态响应性能，降低位置误差。
控制回路详细结构如图7所示，控制回路中的三组速度观测器系数f1、f2和f3可以根据当前速度变化实时调整，确保在不同速度条件下系统的响应速率以及运动的平稳性。利用控制增益切换策略根据不同的运动状态采用不同的控制增益，保证静止、加减速以及匀速运行状态下的跟随精确度。
位置环中位置比例增益Kp的作用是降低位置控制误差，位置积分增益Ki是作为Kp的辅助，可以消除静止误差，速度比例增益Kpv的作用是增加速度控制精确度，速度积分增益Kiv同样是作为Kpv的辅助，用来消除速度控制误差。
增加前馈控制相对于单独反馈控制更及时、有效，可以根据干扰的变化，提前预测，对干扰进行实时补偿，速度前馈增益Kvff和加速度前馈增益Kaff可以加快系统响应速度，缩短到达稳态的时间。由于速度积分增益Kiv和位置积分增益Ki积分作用的能量积累，电流环中电流设定值的绝大多数反馈响应来自于位置环和速度环的积分项。在变速运动过程中，Kvff和Kaff起到能快速削减积分项的作用，因此可以加快系统的响应，更快的达到稳定状态。同时前馈作用能在系统加减速时对电机电流变化做一定的预判，可进一步加快系统的响应。
位置、速度环和电流环的计算公式为：
Figure BDA0002279702300000071
PWMmotor＝Kpc·Ierror+Kic·∫Ierror (2)
其中，Iset为电机电流设定值；Ioffset为电流偏置；Perror为位置误差；Verror为速度误差；PWMmotor为电机PWM占空比值；Kpc为电流环比例增益；Kic为电流环积分增益。
利用Z轴移动平台140测量伺服控制器的重复定位误差，C型机械臂160上安装倾斜显微光学系统161，倾斜显微光学系统161的物方焦点处固定放置标准分辨率板，其上相邻刻线间距离为2μm，在触摸屏上标定原点位置。伺服控制器控制倾斜显微光学系统161上下移动以远离标准分辨率板，分别从上下两个方向进行靠近实验，各重复20次实验，在触摸屏上读取每次停靠目标位置偏离原点处的光栅间隔。上行20次实验中最多偏离3个光栅间隔，最大定位误差6μm左右，下行20次实验中最多偏离5个光栅间隔，最大定位误差-10μm左右，该重复定位误差主要为Z轴移动平台140的自身误差。考虑分辨率板刻线加工误差及人工读数误差，伺服控制器的重复定位误差小于±15μm，满足显微监测需求。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.细胞工厂生物反应器显微光电监测系统，其特征在于，包括计算机、伺服控制器、细胞工厂生物反应器、倾斜显微光学系统、冷光源照明系统、X轴移动平台和图像采集系统，所述冷光源照明系统用于控制透射照明系统的工作状态；
所述细胞工厂生物反应器安装在所述X轴移动平台上，所述倾斜显微光学系统和透射照明系统分别安装在C型机械臂的两端且所述倾斜显微光学系统和透射照明系统相对设置，所述C型机械臂安装在Z轴移动平台上；
所述X轴移动平台用于控制细胞工厂生物反应器在水平方向上移动，所述Z轴移动平台用于控制C型机械臂在竖直方向上移动，所述C型机械臂处于倾斜状态，且所述倾斜显微光学系统和透射照明系统分别位于细胞工厂生物反应器的两侧，所述透射照明系统发出的光倾斜透射所述细胞工厂生物反应器后由所述倾斜显微光学系统接收；
所述倾斜显微光学系统采集到的图像通过所述图像采集系统传输至计算机，所述冷光源照明系统在计算机的控制下对透射照明系统进行工作状态控制，所述伺服控制器在计算机的控制下对所述X轴移动平台和Z轴移动平台的移动状态进行控制。
2.如权利要求1所述的细胞工厂生物反应器显微光电监测系统，其特征在于，还包括垂直显微光学系统，所述冷光源照明系统还用于在计算机的控制下控制反射照明系统的工作状态；
所述垂直显微光学系统和反射照明系统均安装在W轴移动平台上，所述W轴移动平台安装在Y轴移动平台上，所述Y轴移动平台用于控制W轴移动平台在水平方向上移动，所述W轴移动平台用于控制垂直显微光学系统和反射照明系统在竖直方向上移动，所述垂直显微光学系统和反射照明系统均位于细胞工厂生物反应器的下方且所述垂直显微光学系统和反射照明系统均朝向细胞工厂生物反应器，所述反射照明系统发出的光照射在细胞工厂生物反应器的底部，经过反射后由所述垂直显微光学系统接收；
所述垂直显微光学系统采集到的图像通过所述图像采集系统传输至计算机，所述伺服控制器在计算机的控制下对所述Y轴移动平台和W轴移动平台的移动状态进行控制。
3.如权利要求2所述的细胞工厂生物反应器显微光电监测系统，其特征在于，所述X轴移动平台、Y轴移动平台、Z轴移动平台和W轴移动平台均包括伺服电机和滚珠丝杠，所述伺服电机在伺服控制器的控制下运转，所述X轴移动平台、Y轴移动平台、Z轴移动平台和W轴移动平台中的滚珠丝杠在伺服电机的驱动下分别带动所述细胞工厂生物反应器、W轴移动平台、C型机械臂、垂直显微光学系统和反射照明系统移动。
4.如权利要求3所述的细胞工厂生物反应器显微光电监测系统，其特征在于，所述伺服电机为交流伺服电机，每个所述交流伺服电机均安装有编码器，所述编码器用于监测交流伺服电机的转动角度，并将监测得到的转动角度数据反馈至计算机。
5.如权利要求3所述的细胞工厂生物反应器显微光电监测系统，其特征在于，所述伺服控制器通过控制回路对所述伺服电机进行控制，所述控制回路包括位置环、速度环和电流环，所述位置环与速度环平行配置，位置指令和速度指令分别经过PI处理后，与速度前馈控制和加速度前馈控制产生的指令进行叠加形成电流指令，电流指令经过PI处理后对伺服电机进行控制。
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