CN115386488A - 一种用于细胞培养箱的供气系统及气体浓度动态控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了用于细胞培养箱的供气系统，包括依次连通的气源模块、进气控制模块、气体混合模块、培养室模块，气源模块包括CO2气源和N2气源，进气控制模块包括分别与CO2气源和N2气源连接的第一流量控制装置和第二流量控制装置，气体混合模块包括预混腔以及设置在预混腔中的CO2浓度传感器、O2浓度传感器和用于将多余气体排出的泄压阀，培养室模块包括多个一一对应的培养仓和供气泵，供气泵用于将混合后的气体从气体混合模块送入培养仓中，并返回气体混合模块中完成循环，还包括中央控制器，能够在简化系统，为多个培养室同时供气，采用气体内部循环，浓度控制稳定性高且气体损耗量低。本申请还公开了一种气体浓度动态控制方法。
Description
技术领域
本发明属于细胞培养技术领域，特别是涉及一种用于细胞培养箱的供气系统及气体浓度动态控制方法。
背景技术
细胞培养混合气体是细胞体外培养生存的一个必需条件，混合气体主要成分为氧气、二氧化碳和氮气，其中，氧气能够支持细胞呼吸，产生供给细胞生长所需的能量和合成细胞生长所需用的各种成分，二氧化碳既是细胞代谢产物，也是细胞生长繁殖所需的成分，它在细胞培养中的主要作用在于调节和维持培养液的pH值，大多数细胞的适宜pH值为7.2至7.4，偏离这一范围对细胞培养将产生有害的影响。以胚胎细胞体外培养为例，为保证胚胎处于最佳发育状态，主流的混合气配比为6％的CO2、5％的O2和89％的N2。
目前细胞培养箱的供气方式有两种，一种是将CO2作为单一气源，向培养箱内供应CO2，控制箱内初始空气中的CO2比例，一般最终混合气体为5％的CO2和95％的空气，因此O2和N2的相对比例固定，适用于常规细胞培养且密封性好的培养环境；另一种是将CO2、N2和空气(或O2)作为气源，向培养箱内供应混合气，可以满足体外受精(IVF)胚胎细胞、干细胞培养的严苛要求，应用范围更加广泛。
而向培养箱供应混合气体的方法又通常有两种，第一种是预先将上述三种气体按照设定的比例混匀并压缩在气罐内，由单一气罐直接向培养箱供应混合气体；第二种是上述三种气源直接按照设定的比例混匀并向培养箱供气。在专利号为CN113046225A的专利公开的方案中，采用3个质量流量控制器分别控制CO2、O2和N2三种气体进入预混腔中，通过气泵从该预混腔中往培养室中供气，并回到预混腔中循环。
上述第一种方法只需要单一混合气源，结构简单，可以直接采用预混气，使用比较方便，但这种预混气中的气体比例是不可改变的，且在保存和使用过程中会出现气体重新分层而导致供气浓度不稳定等问题，导致使用有一定限制；而上述第二种方法需要同时提供三种气体，可以实时调节和改变CO2和O2的浓度，适用于各种环境，但是，其需要混匀和气体浓度调节控制装置，因此系统更为复杂。而上述CN113046225A公开的方案中，虽然也采用气体内部循环的方案，但是由于其使用的是三种气体参与混合，因此控制器件过多，系统过于复杂。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种用于细胞培养箱的供气系统及气体浓度动态控制方法，能够在简化系统的基础上支持二气混合，可以为多个培养室同时供气，采用气体内部循环，浓度控制稳定性高且气体损耗量低。
本发明提供的一种用于细胞培养箱的供气系统，包括依次连通的气源模块、进气控制模块、气体混合模块、培养室模块，所述气源模块中的气源经过所述进气控制模块之后进入所述气体混合模块，再进入所述培养室模块，然后回到所述气体混合模块中实现循环流动，其中，所述气源模块包括CO2气源和N2气源，所述进气控制模块包括分别与所述CO2气源和所述N2气源连接的第一流量控制装置和第二流量控制装置，所述气体混合模块包括预混腔以及设置在预混腔中的CO2浓度传感器、O2浓度传感器和用于将多余气体排出的泄压阀，所述培养室模块包括多个一一对应的培养仓和供气泵，所述供气泵用于将混合后的气体从所述气体混合模块送入所述培养仓中，并返回所述气体混合模块中完成循环，还包括与所述第一流量控制装置、所述第二流量控制装置、所述供气泵、所述CO2浓度传感器和所述O2浓度传感器同时连接的中央控制器。
优选的，在上述用于细胞培养箱的供气系统中，所述气源模块还包括预混气气源，所述进气控制模块还包括与所述预混气气源连接的第三流量控制装置，所述培养室模块中的所述供气泵与所述预混腔之间利用两位三通换向阀连接，所述两位三通换向阀用于控制所述培养仓中的气体在返回到所述气体混合模块中和排放到外部环境之间切换，所述中央控制器还与所述第三流量控制装置、所述两位三通换向阀连接。
本发明提供的一种气体浓度动态控制方法，利用如上面任一项所述的用于细胞培养箱的供气系统，包括：
响应多种气体混合的指令，开启所述第一流量控制装置和第二流量控制装置，控制CO2和N2进入所述气体混合模块的预混腔中；
利用所述CO2浓度传感器检测CO2浓度，当CO2浓度偏低时，开启所述第一流量控制装置充入CO2，当CO2浓度偏高时，开启所述第二流量控制装置充入N2；
利用所述O2浓度传感器检测O2浓度，当O2浓度偏低时，打开舱盖引入空气，当O2浓度偏高时，开启所述第一流量控制装置和所述第二流量控制装置按比例通入N2和CO2。
优选的，在上述气体浓度动态控制方法中，当CO2浓度偏低且O2浓度偏高时，同时充入Xml CO2和Yml N2，其中X和Y满足如下关系：
X+Cco2*V-(X+Y)*Cco2＝Cco2设定*V；
Co2*V-(X+Y)*Co2＝Co2设定*V；
其中，Cco2为调整前的CO2浓度，Cco2设定为设定的目标CO2浓度，Co2为调整前的O2浓度，Co2设定为设定的目标O2浓度，V为循环气体总体积，单位为ml。
优选的，在上述气体浓度动态控制方法中，当CO2浓度偏高且O2浓度偏高时，开启所述第二流量控制装置充入N2，判断CO2浓度和O2浓度中哪一个先到设定值f(x1,x2)，比较x1和x2的大小，其中x1和x2是中间参数，分别指需要加入的CO2和O2体积，单位为ml；
Cco2*V-x1*Cco2＝Cco2设定*V；
Co2*V-x2*Co2＝Co2设定*V；
如果x1>x2，即O2更快达到设定浓度，只需要将CO2的浓度控制到设定浓度，只加入N2，通入N2的体积为A ml；
Cco2*V-A*Cco2＝Cco2设定*V；
如果x1＜x2，即CO2更快达到设定浓度，同时加入CO2和O2，使得CO2和O2同时达到设定浓度，同时加入B ml二氧化碳和A ml氮气，满足如下要求：
B+Cco2*V-(B+A)*Cco2＝Cco2设定*V；
Co2*V-(B+A)*Co2＝Co2设定*V。
优选的，在上述气体浓度动态控制方法中，所述气源模块还包括预混气气源，所述进气控制模块还包括与所述预混气气源连接的第三流量控制装置，所述培养室模块中的所述供气泵与所述预混腔之间利用两位三通换向阀连接，所述两位三通换向阀用于控制所述培养仓中的气体在返回到所述气体混合模块中和排放到外部环境之间切换，所述中央控制器还与所述第三流量控制装置、所述两位三通换向阀连接，包括：
响应使用预混气的指令，开启所述第三流量控制装置，控制预混气进入所述气体混合模块的预混腔中；
在正常模式下，控制所述两位三通换向阀位于第一位置，所述供气泵正常工作，使气体处于循环状态；
当所述培养仓的舱盖打开并关闭后，控制开启所述第三流量控制装置，执行吹扫，同时将所述两位三通换向阀切换到第二位置，所述预混气排出到外部环境中，然后恢复为正常模式，控制所述两位三通换向阀回到所述第一位置；
当检测到气体的浓度超过阈值时，控制开启所述第三流量控制装置，以固定流量持续供应预混气，同时开启所有的所述供气泵，控制所述两位三通换向阀切换到第二位置，将预混腔中的气体通过所述两位三通换向阀排出，然后控制所述第三流量控制装置停止供应预混气，控制所述两位三通换向阀回到所述第一位置。
通过上述描述可知，本发明提供的上述用于细胞培养箱的供气系统，由于包括依次连通的气源模块、进气控制模块、气体混合模块、培养室模块，所述气源模块中的气源经过所述进气控制模块之后进入所述气体混合模块，再进入所述培养室模块，然后回到所述气体混合模块中实现循环流动，其中，所述气源模块包括CO2气源和N2气源，所述进气控制模块包括分别与所述CO2气源和所述N2气源连接的第一流量控制装置和第二流量控制装置，所述气体混合模块包括预混腔以及设置在预混腔中的CO2浓度传感器、O2浓度传感器和用于将多余气体排出的泄压阀，所述培养室模块包括多个一一对应的培养仓和供气泵，所述供气泵用于将混合后的气体从所述气体混合模块送入所述培养仓中，并返回所述气体混合模块中完成循环，还包括与所述第一流量控制装置、所述第二流量控制装置、所述供气泵、所述CO2浓度传感器和所述O2浓度传感器同时连接的中央控制器，可见，该系统中只需要两种气源就能够实现细胞培养箱中气体浓度的调节，不像现有技术中需要三种气源才能调节，因此该方案能够在简化系统的基础上支持二气混合，可以为多个培养室同时供气，采用气体内部循环，浓度控制稳定性高且气体损耗量低。本发明提供的上述气体浓度动态控制方法具有与上述系统同样的优点。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种用于细胞培养箱的供气系统的实施例的示意图；
图2为本申请提供的用于细胞培养箱的供气系统的一个具体实施例的示意图；
图3为本发明提供的一种气体浓度动态控制方法的实施例的示意图；
图4为二气混气模式工作流程示意图；
图5为预混气模式的工作流程图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种用于细胞培养箱的供气系统及气体浓度动态控制方法，能够在简化系统的基础上支持二气混合，可以为多个培养室同时供气，采用气体内部循环，浓度控制稳定性高且气体损耗量低。
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。
本发明提供的一种用于细胞培养箱的供气系统的实施例如图1所示，图1为本发明提供的一种用于细胞培养箱的供气系统的实施例的示意图，该系统包括依次连通的气源模块1、进气控制模块2、气体混合模块3、培养室模块4，气源模块1中的气源经过进气控制模块2之后进入气体混合模块3，将气体进行混合，再进入培养室模块4，然后回到气体混合模块3中实现循环流动，其中，气源模块1包括CO2气源和N2气源，相应的，进气控制模块2包括分别与CO2气源和N2气源连接的第一流量控制装置MFC1和第二流量控制装置MFC2，这二者用于控制相应的气体进入气体混合模块3内的流量大小，从而实现气体混合的控制，气体混合模块3包括预混腔301以及设置在预混腔301中的CO2浓度传感器302、O2浓度传感器303和用于将多余气体排出的泄压阀304，这种泄压阀304能够保持系统的压力不至于过高，从而实现安全控制，培养室模块4包括多个一一对应的培养仓401和供气泵402，供气泵402用于将混合后的气体从气体混合模块3送入培养仓401中，并返回气体混合模块3中完成循环，还包括与第一流量控制装置MFC1、第二流量控制装置MFC2、供气泵402、CO2浓度传感器302和O2浓度传感器303同时连接的中央控制器5，这种中央控制器5能够根据各个浓度传感器传来的气体浓度来做出决策，驱使供气泵启动或者停止，以及控制相应的流量控制装置开启或关闭来增大或减小进入预混腔中的气体浓度，实现各种气体浓度的调节。
需要说明的是，通道的气体流量控制主要是控制供气泵，分为四种模式：
(1)正常模式：在没有开盖正常培养的情况下的工作方式，供气泵在小电压下以低流量(例如180sccm)工作，并且供气泵间歇性工作(例如，1分钟里供气泵工作10秒，对应的平均流量为30sccm)；
(2)吹扫模式：在通道开盖且关盖后该通道的工作模式，此模式下，供气泵在较高的控制电压下以大流量(例如500sccm)连续工作一段时间；
(3)关闭模式：供气泵不工作，该通道停止供气；
(4)补气模式：供气泵在小电压下以低流量(例如180sccm)连续工作。
通过上述描述可知，本发明提供的上述用于细胞培养箱的供气系统的实施例中，由于包括依次连通的气源模块、进气控制模块、气体混合模块、培养室模块，气源模块中的气源经过进气控制模块之后进入气体混合模块，再进入培养室模块，然后回到气体混合模块中实现循环流动，其中，气源模块包括CO2气源和N2气源，进气控制模块包括分别与CO2气源和N2气源连接的第一流量控制装置和第二流量控制装置，气体混合模块包括预混腔以及设置在预混腔中的CO2浓度传感器、O2浓度传感器和用于将多余气体排出的泄压阀，培养室模块包括多个一一对应的培养仓和供气泵，供气泵用于将混合后的气体从气体混合模块送入培养仓中，并返回气体混合模块中完成循环，还包括与第一流量控制装置、第二流量控制装置、供气泵、CO2浓度传感器和O2浓度传感器同时连接的中央控制器，可见，该系统中只需要两种气源就能够实现细胞培养箱中气体浓度的调节，不像现有技术中需要三种气源才能调节，因此降低了成本和控制流程，能够在简化系统的基础上支持二气混合，可以为多个培养室同时供气，采用气体内部循环，浓度控制稳定性高且气体损耗量低。
本申请提供的用于细胞培养箱的供气系统的一个具体实施例如图2所示，图2为本申请提供的用于细胞培养箱的供气系统的一个具体实施例的示意图，该气源模块1还包括预混气气源，这种预混气指的是预先按照设定好气体比例并混合在一起的气体，进气控制模块2还包括与预混气气源连接的第三流量控制装置MFC3，培养室模块4中的供气泵402与预混腔301之间利用两位三通换向阀6连接，两位三通换向阀6用于控制培养仓401中的气体在返回到气体混合模块3中和排放到外部环境之间切换，这样就能够通过改变控制策略，实现兼容预混气气源的目的，中央控制器5还与第三流量控制装置MFC3、两位三通换向阀6连接。
在这种情况下，当需要使用多种气体混合时，打开CO2和N2对应的的MFC，控制进入到预混腔中的MFC，即可实现多种气体的混合和二氧化碳和氧气浓度动态调节；当需要使用预混气时，打开预混气对应的MFC，即可向培养室模块直接供预混气，这样在多种气体混合模式下和预混气模式下均可以实现气体循环使用，耗气量小。
本发明提供的一种气体浓度动态控制方法的实施例如图3所示，图3为本发明提供的一种气体浓度动态控制方法的实施例的示意图，利用如上面任一项的用于细胞培养箱的供气系统，可以包括如下步骤：
S1：响应多种气体混合的指令，开启第一流量控制装置和第二流量控制装置，控制CO2和N2进入气体混合模块的预混腔中；
S2：利用CO2浓度传感器检测CO2浓度，当CO2浓度偏低时，开启第一流量控制装置充入CO2，当CO2浓度偏高时，开启第二流量控制装置充入N2；
S3：利用O2浓度传感器检测O2浓度，当O2浓度偏低时，打开舱盖引入空气，当O2浓度偏高时，开启第一流量控制装置和第二流量控制装置按比例通入N2和CO2。
需要说明的是，这种二气混气模式是用于多种单一气体在预混腔内混合后再进入培养室的情形，此时，通过控制第一流量控制装置和第二流量控制装置来控制进入到预混腔内的体积和流量，并且培养仓中的气体回到预混腔中。还需要说明的是，同步定量混气原理是将需要补充的两种气体同时加入，一次达到平衡，按照初始气体浓度与设定值的大小情况不同分为以下四种情形：
Case1：二氧化碳浓度偏低，氧气浓度偏低；
Case2：二氧化碳浓度偏低，氧气浓度偏高；
Case3：二氧化碳浓度偏高，氧气浓度偏低；
Case4：二氧化碳浓度偏高，氧气浓度偏高。
然而，实际使用过程中，在保证系统密封性的前提下，可以采用氮气和二氧化碳两气混合控制的方式，主要控制二氧化碳浓度。因为在实际使用过程中，如果氧气几乎不怎么消耗，一般只会出现二氧化碳浓度偏低、氧气浓度偏高的情形，因此只需要氮气和二氧化碳两种气体，二氧化碳气体用于补充二氧化碳，氮气用于平衡气。当二氧化碳浓度偏低时，补充二氧化碳；当二氧化碳浓度过高、氧气浓度过高时，使用氮气平衡；这个过程要求不能出现超调，调节过程中万一出现氧气浓度偏低的情形，一般不会偏低太多，只需要开舱盖即可混入空气，而且针对氧气浓度偏低的情形，只提示但不控制。基于上述控制方法，可以不需要专门配备氧气或者空气的进气系统，直接使用二氧化碳和氮气两种气体参与混合，即可实现二氧化碳和氧气浓度的动态调节控制，从而可以简化系统，降低成本。
综上所述，上述方法只需要两种气源就能够实现细胞培养箱中气体浓度的调节，不像现有技术中需要三种气源才能调节，因此降低了成本和控制流程，能够在简化系统的基础上支持二气混合，可以为多个培养室同时供气，采用气体内部循环，浓度控制稳定性高且气体损耗量低。
在上述气体浓度动态控制方法的一个具体实施例中，当CO2浓度偏低且O2浓度偏高时，同时充入Xml CO2和Yml N2，其中X和Y满足如下关系：
X+Cco2*V-(X+Y)*Cco2＝Cco2设定*V；
Co2*V-(X+Y)*Co2＝Co2设定*V；
其中，Cco2为调整前的CO2浓度，Cco2设定为设定的目标CO2浓度，Co2为调整前的O2浓度，Co2设定为设定的目标O2浓度，V为循环气体总体积，单位为ml，包含预混腔、管路、通道等空间内的气体。
进一步的，当出现二氧化碳超调的情况的时候，即加入过多，会出现上面case4的情形，即，当CO2浓度偏高且O2浓度偏高时，开启第二流量控制装置充入N2，判断CO2浓度和O2浓度中哪一个先到设定值f(x1,x2)，比较x1和x2的大小，其中x1和x2是中间参数，分别指需要加入的CO2和O2体积，单位为ml；
Cco2*V-x1*Cco2＝Cco2设定*V；
Co2*V-x2*Co2＝Co2设定*V；
如果x1>x2，即O2更快达到设定浓度，只需要将CO2的浓度控制到设定浓度，只加入N2，最后会导致氧气浓度偏低，只提示但是不控制，通入N2的体积为A ml；
Cco2*V-A*Cco2＝Cco2设定*V；
如果x1＜x2，即CO2更快达到设定浓度，同时加入CO2和O2，使得CO2和O2同时达到设定浓度，同时加入Bml二氧化碳和A ml氮气，满足如下要求：
B+Cco2*V-(B+A)*Cco2＝Cco2设定*V；
Co2*V-(B+A)*Co2＝Co2设定*V。
如果出现上面提到的case1和case3的情形，即氧气浓度偏低的情形，只提示但是不控制。
下面以一个具体例子对上述控制方法进行说明，参考图4，图4为二气混气模式工作流程示意图，正常培养过程中，各个通道的气泵以正常模式工作。如果需要换液或者其他情况导致需要打开然后关闭舱盖，则舱盖打开后，无论该通道的气泵处于何种模式，该通道均切换为关闭模式；舱盖关上后，无论其他通道的气泵处于何种模式，该通道的气泵由关闭模式切换为吹扫模式并持续2min，然后再切换为正常模式。气体传感器实时监测经过预混腔后的气体浓度并显示在界面上。在正常模式下，当气体浓度传感器检测到气体浓度超过设定的阈值时，分为两种情况：1)氧气浓度偏低，不处理，系统报警提示气体浓度异常；2)氧气浓度偏高，此时，MFC触发补气，控制氮气和二氧化碳气体进入到预混腔预混，同时所有通道的气泵关闭，即气泵切换为关闭模式，直至补气完成(1min)，然后所有气泵切换为补气模式，持续一定时间后(2min)，再切换为正常模式。如果气泵处于吹扫模式(只要有1个)、关闭模式(所有气泵)或者补气模式(只要有1个)时，即使检测到气体浓度超过设定的阈值，也不会触发补气流程，只是报警提示气体浓度异常。
在上述气体浓度动态控制方法的另一个具体实施例中，气源模块还包括预混气气源，进气控制模块还包括与预混气气源连接的第三流量控制装置，培养室模块中的供气泵与预混腔之间利用两位三通换向阀连接，两位三通换向阀用于控制培养仓中的气体在返回到气体混合模块中和排放到外部环境之间切换，中央控制器还与第三流量控制装置、两位三通换向阀连接，可以包括如下步骤：
S4：响应使用预混气的指令，开启第三流量控制装置，控制预混气进入气体混合模块的预混腔中；
S5：在正常模式下，控制两位三通换向阀位于第一位置，供气泵正常工作，使气体处于循环状态；
S6：当培养仓的舱盖打开并关闭后，控制开启第三流量控制装置，执行吹扫，同时将两位三通换向阀切换到第二位置，预混气排出到外部环境中，然后恢复为正常模式，控制两位三通换向阀回到第一位置；
S7：当检测到气体的浓度超过阈值时，控制开启第三流量控制装置，以固定流量持续供应预混气，同时开启所有的供气泵，控制两位三通换向阀切换到第二位置，将预混腔中的气体通过两位三通换向阀排出，然后控制第三流量控制装置停止供应预混气，控制两位三通换向阀回到第一位置。
这种预混气模式是将多种气体提前预混好，预混气储存在气罐内向仪器供气，预混气经过预混气对应的第三流量控制装置先进入到预混腔，再进入培养仓，该第三流量控制装置用于对进入气体混合仓内的气体流量和体积进行控制。当预混腔内的气体浓度失衡时或者打开舱盖再关上后，可以补充预混气进行调整。正常模式下，两位三通换向阀位于第一位置，气泵正常工作，气体循环工作。当某个通道的舱盖打开并关闭后，第三流量控制装置打开，该通道执行吹扫，同时两位三通换向阀切换到第二位置，气体通过两位三通换向阀排出到大气，然后恢复为正常模式，换向阀回到第一位置。
当传感器检测到气体的浓度超过阈值时，第三流量控制装置开启，以固定流量持续供预混气，同时供气泵都开启，换向阀切换到第二位置，之前的气体都通过两位三通换向阀排出，然后第三流量控制装置停止补气，两位三通换向阀回到第一位置。
下面以一个具体例子对上述方法进行说明，参考图5，图5为预混气模式的工作流程图，在预混气模式下，预混气经过MFC先进入到预混腔，然后再进入培养仓。当预混腔内的气体浓度失衡时或者打开舱盖再关上后，可以补充预混气进行调整。正常模式下，换向阀位于位置1，即第一位置，各个通道的气泵以正常模式工作，通过预混腔进行循环，可以减少气体的消耗。吹扫流程：当某个通道的舱盖打开后，无论该通道的气泵处于何种模式，该通道均切换为关闭模式；该通道的舱盖关上后，换向阀切换到位置2，即第二位置，无论其他通道的气泵处于何种模式，该通道的气泵由关闭模式切换为吹扫模式，同时控制MFC打开，以略高于回路需要的总流量供气，并持续1min，气体通过换向阀排出到大气中，然后再切换为正常模式，MFC停止供气，同时换向阀回到位置1。补气流程：在正常模式下，当传感器检测到气体的浓度超过阈值时，控制MFC开启，以略高于回路需要的总流量供气，并持续2min，同时所有气泵都切换到补气模式，换向阀切换到位置2，预混气进入到预混腔和舱室中，并把之前的气体都通过换向阀排出到大气中。2min后，MFC关闭，换向阀回到位置1，气泵切换到正常模式。如果气泵是处于吹扫模式(只要有1个)、关闭模式(所有气泵)或者补气模式(只要有1个)时，即使检测到气体浓度超过设定的阈值，也不会触发补气流程，只是报警提示气体浓度异常。上述通道吹扫流程要优于补气流程，因此，如果正在补气的时候某个或多个通道触发了吹扫模式，则立即结束当前的补气流程，先完成吹扫流程。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种用于细胞培养箱的供气系统，其特征在于，包括依次连通的气源模块、进气控制模块、气体混合模块、培养室模块，所述气源模块中的气源经过所述进气控制模块之后进入所述气体混合模块，再进入所述培养室模块，然后回到所述气体混合模块中实现循环流动，其中，所述气源模块包括CO2气源和N2气源，所述进气控制模块包括分别与所述CO2气源和所述N2气源连接的第一流量控制装置和第二流量控制装置，所述气体混合模块包括预混腔以及设置在预混腔中的CO2浓度传感器、O2浓度传感器和用于将多余气体排出的泄压阀，所述培养室模块包括多个一一对应的培养仓和供气泵，所述供气泵用于将混合后的气体从所述气体混合模块送入所述培养仓中，并返回所述气体混合模块中完成循环，还包括与所述第一流量控制装置、所述第二流量控制装置、所述供气泵、所述CO2浓度传感器和所述O2浓度传感器同时连接的中央控制器。
2.根据权利要求1所述的用于细胞培养箱的供气系统，其特征在于，所述气源模块还包括预混气气源，所述进气控制模块还包括与所述预混气气源连接的第三流量控制装置，所述培养室模块中的所述供气泵与所述预混腔之间利用两位三通换向阀连接，所述两位三通换向阀用于控制所述培养仓中的气体在返回到所述气体混合模块中和排放到外部环境之间切换，所述中央控制器还与所述第三流量控制装置、所述两位三通换向阀连接。
3.一种气体浓度动态控制方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的用于细胞培养箱的供气系统，包括：
响应多种气体混合的指令，开启所述第一流量控制装置和第二流量控制装置，控制CO2和N2进入所述气体混合模块的预混腔中；
利用所述CO2浓度传感器检测CO2浓度，当CO2浓度偏低时，开启所述第一流量控制装置充入CO2，当CO2浓度偏高时，开启所述第二流量控制装置充入N2；
利用所述O2浓度传感器检测O2浓度，当O2浓度偏低时，打开舱盖引入空气，当O2浓度偏高时，开启所述第一流量控制装置和所述第二流量控制装置按比例通入N2和CO2。
4.根据权利要求3所述的气体浓度动态控制方法，其特征在于，当CO2浓度偏低且O2浓度偏高时，同时充入XmlCO2和Yml N2，其中X和Y满足如下关系：
X+Cco2*V-(X+Y)*Cco2＝Cco2设定*V；
Co2*V-(X+Y)*Co2＝Co2设定*V；
其中，Cco2为调整前的CO2浓度，Cco2设定为设定的目标CO2浓度，Co2为调整前的O2浓度，Co2设定为设定的目标O2浓度，V为循环气体总体积，单位为ml。
5.根据权利要求4所述的气体浓度动态控制方法，其特征在于，当CO2浓度偏高且O2浓度偏高时，开启所述第二流量控制装置充入N2，判断CO2浓度和O2浓度中哪一个先到设定值f(x1,x2)，比较x1和x2的大小，其中x1和x2是中间参数，分别指需要加入的CO2和O2体积，单位为ml；
Cco2*V-x1*Cco2＝Cco2设定*V；
Co2*V-x2*Co2＝Co2设定*V；
如果x1>x2，即O2更快达到设定浓度，只需要将CO2的浓度控制到设定浓度，只加入N2，通入N2的体积为A ml；
Cco2*V-A*Cco2＝Cco2设定*V；
如果x1＜x2，即CO2更快达到设定浓度，同时加入CO2和O2，使得CO2和O2同时达到设定浓度，同时加入B ml二氧化碳和A ml氮气，满足如下要求：
B+Cco2*V-(B+A)*Cco2＝Cco2设定*V；
Co2*V-(B+A)*Co2＝Co2设定*V。
6.根据权利要求3所述的气体浓度动态控制方法，所述气源模块还包括预混气气源，所述进气控制模块还包括与所述预混气气源连接的第三流量控制装置，所述培养室模块中的所述供气泵与所述预混腔之间利用两位三通换向阀连接，所述两位三通换向阀用于控制所述培养仓中的气体在返回到所述气体混合模块中和排放到外部环境之间切换，所述中央控制器还与所述第三流量控制装置、所述两位三通换向阀连接，其特征在于，包括：
响应使用预混气的指令，开启所述第三流量控制装置，控制预混气进入所述气体混合模块的预混腔中；
在正常模式下，控制所述两位三通换向阀位于第一位置，所述供气泵正常工作，使气体处于循环状态；
当所述培养仓的舱盖打开并关闭后，控制开启所述第三流量控制装置，执行吹扫，同时将所述两位三通换向阀切换到第二位置，所述预混气排出到外部环境中，然后恢复为正常模式，控制所述两位三通换向阀回到所述第一位置；
当检测到气体的浓度超过阈值时，控制开启所述第三流量控制装置，以固定流量持续供应预混气，同时开启所有的所述供气泵，控制所述两位三通换向阀切换到第二位置，将预混腔中的气体通过所述两位三通换向阀排出，然后控制所述第三流量控制装置停止供应预混气，控制所述两位三通换向阀回到所述第一位置。
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| CN202210421460.6A CN115386488A (zh) | 2022-04-21 | 2022-04-21 | 一种用于细胞培养箱的供气系统及气体浓度动态控制方法 |
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| CN (1) | CN115386488A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115778367A (zh) * | 2022-12-09 | 2023-03-14 | 中科广润(中山)科技有限公司 | 一种用于肺功能设备的动态co2浓度标定系统及其标定方法 |
| CN116179303A (zh) * | 2022-12-29 | 2023-05-30 | 农业部沼气科学研究所 | 基于气体预配和循环供给的培养装置及方法 |
| CN116606966A (zh) * | 2023-07-20 | 2023-08-18 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 一种细胞培养箱三气供气系统进气控制方法 |
| CN116622918A (zh) * | 2023-07-20 | 2023-08-22 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 一种细胞培养箱二气供气系统进气控制方法 |
-
2022
- 2022-04-21 CN CN202210421460.6A patent/CN115386488A/zh active Pending
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| CN116622918B (zh) * | 2023-07-20 | 2023-11-28 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 一种细胞培养箱二气供气系统进气控制方法 |
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