CN116622918B - 一种细胞培养箱二气供气系统进气控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种细胞培养箱二气供气系统进气控制方法，属于细胞培养领域，通过计算CO2进气量X以及N2进气量Y，当X和Y均不为负值时，按照计算的CO2和N2进气量进行进气；当X和Y有任一为负值时，判断Cc与Cc设的大小，Cc大于等于Cc设时，Y=(Cc－Cc设)V/Cc，按照重新计算的N2进气量Y进气且CO2不进气；Cc小于Cc设时，X=(Cc设－C c)V/(1－Cc)，按照重新计算的CO2进气量X进气，且N2不进气，简化了两气气源的进气量计算，便于培养箱自动化控制程序代码编制和系统测试。
Description
技术领域
本发明涉及细胞培养领域，尤其是涉及细胞培养箱二气供气系统进气控制方法。
背景技术
细胞培养混合气体是细胞体外培养生存必需条件之一，混合气体主要成分为O2（氧气）、CO2（二氧化碳气）和N2（氮气）。O2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。CO2既是细胞代谢产物，也是细胞生长繁殖所需成分,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为7.2-7.4，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，为保证胚胎最佳发育状态，主流的混合气配比为6%CO2、5%O2和89%N2。
目前细胞培养箱的较为灵活的供气方式一般采用两气气源，两气气源（N2和CO2）配合培养箱的气体控制系统可以实现气体浓度调控范围更广、浓度更准确、受环境影响更小的优势，可以更好地满足体外受精（IVF）胚胎细胞、干细胞培养等的严苛要求。
现有的两气气源培养箱的供气系统结构如专利号为CN202210421460.6，名称为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的专利所示，但基于现有的两气气源培养箱的供气系统，不同气体的进气量的计算以及控制非常复杂，不利于培养箱的自动化。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种细胞培养箱二气供气系统进气控制方法，简化了两气气源的进气量计算，便于培养箱自动化控制程序代码编制和系统测试。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种细胞培养箱二气供气系统进气控制方法，应用于CO2和N2两种气源的细胞培养箱，包括混气控制步骤，所述混气控制步骤包括：
S11：浓度传感器测量细胞培养箱内的CO2浓度Cc以及O2浓度Co，计算CO2和N2进气量，CO2进气量X= (Co Cc设－Cc Co设) V/ Co，其中，Cc设为设定CO2浓度，Co设为设定O2浓度，V为系统总体积；N2进气量Y= (Co－Co设 ＋Cc Co设－Co Cc设) V/ Co；
S12：当X和Y均不为负值时，按照计算的CO2和N2进气量进行进气；
S13：当X和Y有任一为负值时，判断Cc与Cc设的大小，Cc大于等于Cc设时，Y= (Cc－Cc设)V/ Cc，按照重新计算的N2进气量Y进气，且CO2不进气；Cc小于Cc设时，X= (Cc设－C c) V/(1－Cc)，按照重新计算的CO2进气量X进气，且N2不进气；
S14：循环步骤S11至S13，迭代若干次，细胞培养箱内的CO2以及N2浓度达到预设值。
进一步地，还包括仓盖检测步骤，所述仓盖检测步骤与所述混气控制步骤同时进行，所述仓盖检测步骤包括：
S21：读取仓盖的开关状态；
S22：当仓盖开启时，将培养室的气泵关闭，以避免大量空气吸入至培养室；
S23：当仓盖由开启转向关闭时，气泵将执行大流量吹扫，将空气尽快排走，补入新鲜气体。
进一步地，当任一仓盖处于开启状态时，所述混气控制步骤中断，当全部仓盖处于关闭状态时，所述混气控制步骤继续执行。
进一步地，在步骤S11中，当Cc以及Co偏离允许的阈值，定义为异常，将所有仓的气泵开启大流量吹扫，将整个气路系统进行充分混匀，使各点的浓度值接近相等，吹扫完成后浓度传感器再次获取Cc以及Co，如果正常则继续等待新的读取值进行判断，如果浓度异常则计算CO2和N2进气量。
进一步地，在步骤S11中，进气量的算法原理是系统内某种组分的气体原体积加上新进的气体体积减去从泄压阀排出的气体体积应等于目标设定浓度下的气体体积，因此CO2平衡方程为：Cc V＋X－(X＋Y) Cc= Cc设 V，O2平衡方程：Co V－(X＋Y) Co= Co设V。
进一步地，在步骤S13中，当X和Y有任一为负值时，进气量无法同时满足O2和CO2目标值的调节，优先满足CO2目标浓度。
进一步地，在步骤S13中，当Cc大于等于Cc设时，通过加入N2对CO2进行稀释，CO2平衡方程：Cc V－Cc Y = Cc设 V。
进一步地，在步骤S13中，Cc小于Cc设时，通过加入CO2提高CO2浓度，CO2平衡方程：X＋Cc V－Cc X = Cc设 V。
进一步地，所述细胞培养箱二气供气系统进气控制方法还包括气路自检步骤，所述气路自检步骤具体为：对进气控制器、气泵和浓度传感器进行初始化自检，确认所有器件均正常工作。
进一步地，所述气路自检步骤还包括：当所有器件均正常工作时，所有仓的气泵开启大流量吹扫，整个气路系统进行充分混匀，使各点的浓度值接近相等。
相比现有技术，本发明细胞培养箱二气供气系统进气控制方法通过计算CO2进气量X以及N2进气量Y，当X和Y均不为负值时，按照计算的CO2和N2进气量进行进气；当X和Y有任一为负值时，判断Cc与Cc设的大小，Cc大于等于Cc设时，Y= (Cc－Cc设) V/ Cc，按照重新计算的N2进气量Y进气，且CO2不进气；Cc小于Cc设时，X= (Cc设－C c) V/(1－Cc)，按照重新计算的CO2进气量X进气，且N2不进气，简化了两气气源的进气量计算，便于培养箱自动化控制程序代码编制和系统测试。
附图说明
图1为本发明细胞培养箱二气供气系统进气控制方法的流程图；
图2为本发明细胞培养箱二气供气系统进气控制方法的气路自检的流程图；
图3为本发明细胞培养箱二气供气系统进气控制方法的仓盖检测的流程图；
图4为本发明细胞培养箱二气供气系统进气控制方法的混气控制的流程图；
图5为本发明细胞培养箱二气供气系统进气控制方法迭代时气体浓度曲线。
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。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
图1至图4为本发明细胞培养箱二气供气系统进气控制方法的流程图，本发明细胞培养箱二气供气系统进气控制方法应用于CO2和N2两种气源的细胞培养箱，细胞培养箱的结构如专利CN202210421460.6中所示，包括CO2和N2两种气源、两个质量流量控制器MFC1和MFC2，分别对应CO2和N2的进气控制，混合腔、浓度传感器、培养室、仓盖传感器、气泵和中央控制器，混合腔设置有泄压口，其中受控元件为质量流量控制器、浓度传感器、仓盖传感器和气泵，配合气路系统实现CO2和O2气体浓度的快速准确控制。从专利CN202210421460.6中可以清晰理解气体的走向、混合和循环工作方式，作为现有技术，不做详细描述。
本发明细胞培养箱二气供气系统进气控制方法包括气路自检、仓盖检测和混气控制三个步骤，气路自检通过后进入到后两个步骤。
仓盖检测是根据仓盖的开启状态对培养仓的供气情况进行处理。
混气控制步骤是根据基于当前气体浓度值进行判断，对MFC和气泵的动作进行控制，对气路系统进行混合。
当仓盖打开后如果气泵仍处于工作状态，气路系统将引入大量空气，显著影响系统的气体浓度，所以仓盖检测优先级高于混气控制，只要判断出有任一仓盖开启，混气控制步骤将中断退出，待仓盖检测结束后再继续执行混气控制步骤，详见附图3至附图4。
如图2所示，气路自检步骤具体为：
依次对MFC、气泵和浓度传感器进行初始化自检，确认所有器件均正常工作，自检过程中如有异常，将退出进气控制流程。
自检完成后所有仓的气泵开启大流量吹扫。在本实施例中，按200mL/min的流量持续2min时间，目的是将整个气路系统进行充分混匀，使各点的浓度值接近相等。
吹扫完成后所有仓的气泵切换为正常供气流量。在本实施例中，按30 mL /min的小流量缓慢供气，保证有新鲜气体持续供入培养仓内，避免由培养仓密封不良导致的空气扩散进入而造成仓内浓度失衡。
如图3所示，仓盖检测步骤具体为：
正常工作过程时，系统定期读取所有仓盖的开关状态，如每隔5s。
当判断有仓盖开启时，将该仓的气泵关闭，以避免大量空气吸入至气路系统，当判断该仓盖由开变为关后，气泵将执行大流量吹扫，在本实施例中，按200 mL /min的流量持续2min时间，将空气尽快排走，补入新鲜气体，吹扫期间如果判断出该仓盖打开了，将该仓的气泵再次关闭，如果期间该仓盖一直关闭状态，将持续吹扫，直至满2min后，切换为正常供气流量，在本实施例中，30mL/min。
如图4所示，混气控制步骤具体为：
正常工作过程时，系统定期读取气体浓度值。在本实施例中，每隔5s。
当判断当前气体浓度偏离允许的阈值，定义为异常，将所有仓的气泵开启大流量吹扫，目的是将整个气路系统进行充分混匀，使各点的浓度值接近相等，为后续浓度判断做准备。
吹扫完成后判断当前气体浓度值，如果正常则继续等待新的读取值进行判断，如果浓度异常，为达到CO2和O2气体浓度的设定值，根据需要可进气适量的N2和CO2，具体进气量的算法原理是系统内某种组分的气体（CO2或O2）原体积加上新进的气体体积减去从泄压阀排出的气体体积应等于目标设定浓度下的气体体积。
此时通过CO2平衡方程以及O2平衡方程得到公式（1）
CO2平衡方程为：Cc V＋X－(X＋Y) Cc= Cc设 V
O2平衡方程为：Co V－(X＋Y) Co= Co设V。
Cc为细胞培养箱内的CO2浓度，通过浓度传感器测量得到；Co为细胞培养箱内的O2浓度，通过浓度传感器测量得到；Cc设为设定CO2浓度，Co设为设定O2浓度，V为系统总体积。
求解得到CO2和N2理论进气量公式（2）：
CO2进气量X= (Co Cc设－Cc Co设) V/ Co
N2进气量Y= (Co－Co设 ＋Cc Co设－Co Cc设) V/ Co
计算X和Y值，对应CO2和N2的进气量，当X和Y求解值为正值或零时，有可行解，说明可以通过同时加入相应的CO2和N2达到目标浓度，按照计算的CO2和N2进气量进行进气。
具体为，如果X和Y均为正值或零，则先关闭所有气泵，MFC1和MFC2按计算值同时进气，进气完成后，所有仓的气泵吹扫，目的是充分将新进气体在系统内充分混匀，最后再将所有仓的气泵切换为正常供气流量。
如果X和Y有负值，说明无可行解（此时因为O2浓度较目标浓度值偏低，如加入CO2和N2后O2浓度会更加偏离目标值，故而无解。可以等待空气缓慢渗入气路系统，或适当开盖引入O2）。当进气量无法同时满足O2和CO2目标值的调节，只需满足CO2目标浓度，因为CO2的浓度对细胞培养更为重要，此时存在两种情况，分别是CO2相对目标值偏高和CO2相对目标值偏低。
CO2偏高时，通过加入N2进行稀释，此时CO2平衡方程为：
Cc V－Cc Y = Cc设 V （3）
根据公式（3）求解得到N2理论进气量：
Y= (Cc－Cc设) V/ Cc （4）
按公式（4）重新求解出Y，先关闭所有气泵，然后MFC2按计算值进N2气体，且CO2不进气，进气完成后，所有仓的气泵吹扫，目的是充分将新进气体在系统内充分混匀，最后再将所有仓的气泵切换为正常供气流量。
CO2偏低时，通过加入适量CO2提高浓度，此时CO2平衡方程为：
X＋Cc V－Cc X = Cc设 V （5）
根据公式（5）求解得到CO2理论进气量：
X= (Cc设－C c) V/(1－Cc) （6）
按公式（6）重新求解出X，先关闭所有气泵，然后MFC1按计算值进CO2气体，且N2不进气，进气完成后，所有仓的气泵吹扫，目的是充分将新进气体在系统内充分混匀，最后再将所有仓的气泵切换为正常供气流量。
采用上述混气控制步骤，当浓度偏离目标值较大时，单次循环气路系统无法立即达到目标值，因为通过泄压阀排出的气体也包括了部分新进入的气体，但是系统会处于持续的动态控制中，一般通过几次迭代后，会逐渐逼近并稳定在可接受的浓度阈值内，迭代时浓度曲线如图5所示。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种细胞培养箱二气供气系统进气控制方法，应用于CO2和N2两种气源的细胞培养箱，包括混气控制步骤，其特征在于，所述混气控制步骤包括：
S11：浓度传感器测量细胞培养箱内的CO2浓度Cc以及O2浓度Co，计算CO2和N2进气量，CO2进气量X＝(Co Cc设－Cc Co设)V/Co，其中，Cc设为设定CO2浓度，Co设为设定O2浓度，V为系统总体积；N2进气量Y＝(Co－Co设+Cc Co设－Co Cc设)V/Co；
S12：当X和Y均不为负值时，按照计算的CO2和N2进气量进行进气；
S13：当X和Y任一为负值时，进气量无法同时满足O2和CO2目标值的调节，优先满足CO2目标浓度，判断Cc与Cc设的大小，Cc大于等于Cc设时，通过加入N2对CO2进行稀释，CO2平衡方程：CcV－Cc Y＝Cc设V，Y＝(Cc－Cc设)V/Cc，按照重新计算的N2进气量Y进气，且CO2不进气；Cc小于Cc设时，通过加入CO2提高CO2浓度，CO2平衡方程：X+Cc V－Cc X＝Cc设V，X＝(Cc设－C c)V/(1－Cc)，按照重新计算的CO2进气量X进气，且N2不进气；
S14：循环步骤S11至S13，迭代若干次，细胞培养箱内的CO2以及N2浓度达到预设值；
还包括仓盖检测步骤，所述仓盖检测步骤与所述混气控制步骤同时进行，当任一仓盖处于开启状态时，所述混气控制步骤中断，当全部仓盖处于关闭状态时，所述混气控制步骤继续执行。
2.根据权利要求1所述的细胞培养箱二气供气系统进气控制方法，其特征在于：所述仓盖检测步骤包括：
S21：读取仓盖的开关状态；
S22：当仓盖开启时，将培养室的气泵关闭，以避免大量空气吸入至培养室；
S23：当仓盖由开启转向关闭时，气泵将执行大流量吹扫，将空气尽快排走，补入新鲜气体。
3.根据权利要求1所述的细胞培养箱二气供气系统进气控制方法，其特征在于：在步骤S11中，当Cc以及Co偏离允许的阈值，定义为异常，将所有仓的气泵开启大流量吹扫，将整个气路系统进行充分混匀，使各点的浓度值接近相等，吹扫完成后浓度传感器再次获取Cc以及Co，如果正常则继续等待新的读取值进行判断，如果浓度异常则计算CO2和N2进气量。
4.根据权利要求1所述的细胞培养箱二气供气系统进气控制方法，其特征在于：在步骤S11中，进气量的算法原理是系统内某种组分的气体原体积加上新进的气体体积减去从泄压阀排出的气体体积应等于目标设定浓度下的气体体积，因此CO2平衡方程为：Cc V+X－(X+Y)Cc＝Cc设V，O2平衡方程：Co V－(X+Y)Co＝Co设V。
5.根据权利要求1所述的细胞培养箱二气供气系统进气控制方法，其特征在于：所述细胞培养箱二气供气系统进气控制方法还包括气路自检步骤，所述气路自检步骤具体为：对进气控制器、气泵和浓度传感器进行初始化自检，确认所有器件均正常工作。
6.根据权利要求5所述的细胞培养箱二气供气系统进气控制方法，其特征在于：所述气路自检步骤还包括：当所有器件均正常工作时，所有仓的气泵开启大流量吹扫，整个气路系统进行充分混匀，使各点的浓度值接近相等。
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