CN1687392A - 细胞培养用程控反馈补料系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细胞培养用程控反馈补料系统。该系统基于PID反馈控制原理，由计算机的通讯接口引入生化分析仪测量信号，通过计算机数据处理与相应接口输出，利用程控软件预设的多种反馈控制算法调节营养物流加用蠕动泵的动作，实时控制流加到生物反应器内营养物的添加速率，从而实现生化分析仪、蠕动泵和生物反应器的闭环协同自动测控，对生物反应器内的营养物质浓度进行精确反馈控制。该系统具有稳定性好、控制精度高、过程控制指标明确、可操作性强、应用范围广等特点。适用于动物细胞表达生物技术产品的规模生产及工艺过程研究。

Description

细胞培养用程控反馈补料系统

                              技术领域

本发明涉及一种微机控制系统，进一步涉及基于生化分析仪反馈控制生物反应器内营养物质浓度的微机控制系统。

                              背景技术

动物细胞大规模培养已成为生物制药领域最重要的关键技术之一，并以其研究的深入和进展推动生物技术产业的迅速发展。

流加培养工艺是当前动物细胞培养工艺中占有主流优势的培养工艺，也是近年来动物细胞大规模培养研究的热点^[1]。在规模化的蛋白质生产中选择使用流加工艺(Fed-batch)的公司有，如美国的Genentech，IDEC，MedImmune，Merck等。此工艺具有操作简单、产率高、容易放大(10000升以上)等优点。流加培养工艺中的关键技术是基础培养基和流加浓缩营养培养基的设计。1996年谢良志运用化学计量法(Xie LZ)，根据动物细胞生长的需求，设计定量添加浓缩的培养液，精确控制葡萄糖、谷氨酰氨的浓度稳定维持在较低水平(＜0.1mmol/L)，以改变细胞代谢方式^[2]。杂交瘤细胞流加培养周期超过550小时，较一般流加工艺乳酸比生成速率减少了4倍，氨比生成速率减少了10倍，细胞密度达5×10⁷/ml，峰值的活细胞密度大于1.5×10⁷/ml，抗体累积浓度达2.4g/L^[3]。

但在流加工艺的研究与应用过程中，对营养物维持浓度及其流加速率的精确控制一直是影响工艺优化的主要因素。虽然目前生产的动物细胞培养用生物反应器已经常规配备了一些简单的补料泵控制程序，但远不能适应动物细胞对营养物消耗呈非线性变化的特点^[4]。此外，各生物反应器及检测设备厂家的产品间一般不能通用，现有实验室中的各仪器一般为独立工作，偶尔能多台协同工作的，也是以人为手动干预或相同厂家系列产品为前提。因此，以控制营养物浓度维持在较低水平，以改变细胞代谢方式，从而提高培养效率的方法在实际应用中受到了很大程度的限制。

目前，在生物过程自动化控制领域，以经典的前馈、反馈原理为基础，新的技术不断涌现，如模糊控制、神经网络等^[5]。但其中，以PID(比例-积分-微分)反馈控制模式设计并实用化的控制器因其简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而至今仍为应用最为广泛的控制方法。在细胞培养过程中，生物反应器内的营养物质浓度可以看作具有纯滞后环节的大惯性对象，非常适合于应用PID原理进行反馈调节，应用不同的算法，如Smith预估、积分分离、大林算法^[6，7，8]等可以在稳定控制的基础上进一步提高控制系统的灵敏度和精确性，对培养过程控制起到良好地效果。但在应用过程中，必须建立与培养设备相配套的硬件系统系统和基于特定控制算法编写的程控软件，才能够将PID控制原理有效应用于生产。

与本发明相关的专利及文献主要集中在以下几个方面：1)反馈控制算法的改进；2)自动补料装置；3)生化分析仪；4)蠕动泵等。其中，反馈控制算法多为数学模型的优化与改进，并未涉及具体硬件设备的组成与应用^{[9，10，11，12]}；自动补料装置多为利用培养罐体内PH、溶氧浓度或重量进行自动补料操作，并未针对营养物浓度本身进行直接反馈控制^{[13，14，15]}；而生化分析仪及蠕动泵主要是基于不同检测原理及机械结构进行专利保护^{[16，17，18]}，在本发明中仅作为组件使用，与其内部原理与结构无关。

以下是发明人给出的一些相关文献：

[1]Wei-Shou Hu，John G Aunins.Large-scale mammalian cell culture.Current Opinionin Biotechnology，1997，8：148-153。

[2]Xie L Z，Wang D I.Integrated approaches to the design of media and feeding strategiesfor fed-batch cultures of animal cells.Trends Biotechnol，1997，15(3)：109-113。

[3]Xie L Z，Wang D I.High cell density and high monoclonal antibody productionmedium design and rational control in a bioreactor.Biorechnol Bioeng，1996，51：725-729。

[4]D.Ramkrishna.On modeling of bioreactors for control. Journal of ProcessControl，2003，13：581-589。

[5]Lee J.，Lee S.Y.，Sunwon P.，etc.Control of fed-batch fermentiations.BiotechnologyAdvances，1999，17：29-48。

[6]MATAUSEK M R，MICIC A D.A modified Smith predictor for controlling a processwith an integrator and long dead-time[J].IEEE Trans Automat Contr，1996，41(8)：1199-1203。

[7]MATAUSEK M R，MICIC A D.On the modified Smith predictor for controlling aProcess with an integrator and long dead-time[J]. IEEE Trans Automat Contr，1999，44(8)：1603-1606。

[8]李正军.计算机控制系统.北京：机械工业出版社 2005年第一版，172-178页。

[9]东芝株式会社.具有改进的前馈反馈结合的过程控制.专利申请号：88103947.0。

[10]东芝株式会社.反馈控制装置.专利申请号：92103988.3

[11]伍德沃德调控器公司.用于估算和控制反馈控制系统中非线性干扰的方法和装置.专利申请号：97125234.3。

[12]三星电子株式会社.反馈控制系统和方法.专利申请号：200410046529.3。

[13]中国科学院微生物研究所.用于蕈菌液体深层发酵控制的方法.专利申请号：00109088.7。

[14]厦门大学.流路自动反馈稀释与控制装置.专利申请号：200310123856.X。

[15]上海国强生化工程装备有限公司.用于过程优化与数据放大的自控发酵罐装置.专利申请号：00127307.8。

[16]Hitachi，Ltd.(Tokyo，JP).Biochemical analyzer and attenuated total reflection prismcell used in said analyzer.United States Patent：5,362,445。

[17]北京航天万新科技有限公司.全自动生化分析仪.专利申请号：03266090.1。

[18]雀巢制品公司.蠕动泵.申请(专利)号：98804300.9。

本发明在原理上应用了经典的PID控制理论，但在系统构成及硬件配置方面均根据动物细胞培养的特点进行了系统优化，将目前成熟的技术如计算机、生化分析仪及蠕动泵有机结合起来，以满足动物细胞大规模高密度培养的需求，国内外均未见成套设备的专利与文献报道。

                              发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种细胞培养用程控反馈补料系统，该系统是一种基于生化分析仪监测信号，以PID原理反馈控制生物反应器内营养物质浓度，且适用于多种生物反应器的计算机控制系统。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种细胞培养用程控反馈补料系统，其特征在于，该系统由生化分析仪、生物反应器、蠕动泵组及计算机控制系统构成闭环回路，由计算机控制系统监测生化分析仪的培养液信号，用反馈控制原理使生物反应器、蠕动泵组和生化分析仪协同工作，控制生物反应器内的营养物质浓度。

生物反应器内的特定营养物浓度由生化分析仪定时检测后，将测量信号通过串口送入接口转换模块，转换模块经过通讯扩展卡送入程控计算机由程控软件进行读取，再根据PID反馈控制原理计算应加入生物反应器内的营养物量，经转换为蠕动泵转动量后其数字控制量通过电压输出卡输出模拟控制量，通过信号条理与驱动电路发出驱动电流，控制蠕动泵组工作。

本发明的其他特点是，所述的生物反应器，用于动物细胞培养，罐体上有多个接口，可在细胞培养过程中从罐内对培养液取样放出或将外部液体加入罐内，提供细胞生长所需的营养物质。

所述的计算机控制系统是一种基于生化分析仪监测信号，反馈控制生物反应器内营养物质浓度的计算机控制系统，它包括有数字控制虚拟仪器、数字I/O卡和信号调理与驱动电路，数字控制虚拟仪器内有接口转换模块，通过串行通讯接口分别与数字I/O卡和生化分析仪连接，数字I/O卡和信号调理与驱动电路连接，数字控制虚拟仪器内有专用的细胞培养用反馈补料控制软件；

所述的生化分析仪，配套相应检测膜后用于定时监测生物反应器内特定营养物浓度，并且可由外部程控软件读取其测量值，录入数据库；

所述的蠕动泵组由多个蠕动泵构成，每一个蠕动泵连接一个浓缩营养液容器，用于按程序设定向生物反应器内流加浓缩营养物质。

所述的接口转换模块，用于将生化分析仪监控的细胞反应浓度转换为适时采样数据送入程控计算机；

所述的信号调理与驱动电路，用于将电压输出卡输出的模拟量进行信号转换，驱动蠕动泵运转。

本发明基于PID反馈控制原理，由计算机的通讯接口引入生化分析仪测量信号，通过计算机数据处理与相应接口输出，利用程控软件预设的多种反馈控制算法调节营养物流加用蠕动泵的动作，实时控制流加到生物反应器内营养物的添加速率，从而实现生化分析仪、蠕动泵和生物反应器的闭环协同自动测控，对生物反应器内的营养物质浓度进行精确反馈控制。

本发明的系统可配合各种类型生物反应器，对培养过程中两种营养物质浓度同时进行精确控制，每小时自动取样一次，以谷氨酰胺为例，控制范围为0.05～2mmol/L，控制精度为±0.02mmol/L。经试验显示：该系统能按设置要求完成营养物浓度的反馈控制，并达到了预期的控制精度与效果。

                              附图说明

图1是本发明的系统结构图：

图2是调理电路原理图；

图3～图13是本发明的计算机控制界面示意图。

以下结合附图和发明人给出的具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

                             具体实施方式

(一)反馈控制系统构成

参见图1，本发明所述反馈控制系统包括：生化分析仪、485/232接口转换模块、通讯口扩展卡、计算机及专用控制软件、电压输出卡、信号调理与驱动电路、蠕动泵组及生物反应器构成。

(二)应用于反馈控制系统的基本原理

PID反馈控制原理

当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。

PID(比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为：

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i{\∫}_0^{t}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+K_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

因此它的传递函数为：

$G_0\left(s\right)=\frac{U\left(s\right)}{E\left(s\right)}=K_p+\frac{K_i}{s}+K_d$

它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数(Kp，Ki和Kd)即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。

首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。

其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。

(三)反馈控制系统功能的实现

1.系统总体设计思想与工作原理

基于生化分析仪反馈的程控补料系统研制项目是优化动物细胞大规模培养技术平台，提高过程控制自动化程度的重要措施。

本系统的总体设计思想是：

通过计算机的通讯接口，引入生化分析仪反馈测量信号，通过专用软件处理数据，通过输出接口，运用计算机软件实现灵活强大的控制算法来控制蠕动泵调节，从而实现生化分析仪、蠕动泵和生物反应器的闭环协同自动测控，使培养过程中营养物浓度得以精确控制，提高培养效率。

硬件总体设计方案如图1所示，其中数字控制虚拟仪器为普通计算机，控制输出通过专门的数字I/O卡和信号调理与驱动电路后控制多个蠕动泵的调节，计算机的反馈信号由分化分析仪的各采集量经由计算机串口输入，从而构成闭环控制系统。

软件开发工具为LabView6.1。

本系统的控制对象生物反应器内营养物质浓度可以看作具有纯滞后环节的大惯性对象。现有反馈控制方法是普通PID控制，采样速度为1小时一次。由于纯滞后环节的存在，低采样速率带来的后果是加大了对象的惯性时间常数，使浓度达到期望稳态的调节时间变长，影响细胞培养。但采取如此慢的采样速度是因为溶液浓度变化过程较慢，当营养物质消耗时浓度有较大的滞后改变时间，如果提高采样速度，必然提高了控制量输出频率，即控制的速度和对象变化的速度不同步，从而使浓度超调过大，难以达到稳态。但不更改采样速度，浓度控制达到稳态的调节时间又很长，且调节一次的惯性也很大，从而超调误差较大。针对上述矛盾，本设计中应用了以下几点控制策略以提高控制精度：

1.采取带Smith预估器的PID控制算法

由上述所知，由于浓度反应的滞后时间的影响，使得目前的控制方法不能提高采样速度，从而影响控制效果。Smith预估器的作用正是针对滞后时间问题提出的纯滞后补偿控制算法。其基本原理是用引入与对象并联Smith预估器，使补偿后的等效对象不包含纯滞后特性，从而可以用一般PID算法达到较好控制效果。对于本系统而言，就是相当于蠕动泵输出控制量时，生物反应器内的浓度立即发生变化，没有任何延时，从而可以立即采样，也就加快了采样速度，用普通PID控制即可达到很好的效果。

2.改进普通PID算法为积分分离PID控制算法

为了提高浓度控制的精确性，避免积分饱和现象(指保持控制量在泵的流量范围内，避免异常控制)，本设计中将普通PID算法改进为积分分离PID控制，即限制偏差在某个门限内，超门限的偏差时，不引入积作用，避免了积分饱和，从而提高系统的输出特性。

另外，本系统设计中不止提供一种控制算法，用户可根据特定要求选择适当算法，如用户希望被控对象更快的达到稳态，而不关心超调量时，可采取本软件提供的最小拍控制。而且也提供多种控制算法效果的比较，如大林算法和Smith预估PID算法的比较，普通PID与积分分离PID控制的比较等。通过多种算法控制，用户可得到不同的浓度变化环境，大大提高细胞培养实验的效率。

2.硬件部分设计

2.1硬件组成

本系统硬件组成结构如图1所示，由计算机，数字I/O卡和信号调理与驱动电路，以及生化分析仪，蠕动泵组成，每一个蠕动泵连接一个浓缩营养液容器，用于按程序设定向生物反应器内流加浓缩营养物质。计算机的控制对象为生物反应器中营养物质浓度。

计算机

计算机为实验室已有普通计算机，当然后续研究时建议采用专用工控计算机，以取得较稳定可靠的控制效果。计算机完成以下功能：

(1)为扩展的串口通信卡，模拟电压输出卡提供PCI插槽；

(2)系统主控软件运行平台；

(3)生物反应器AFS软件运行平台；

(4)日常办公；

(5)自身串口1可以用作生化分析仪直接连接用，方便调试。

本系统扩展了两块板卡，其中数据通信卡为PCI-1612，功能为扩展普通PC机的串口数量和串口的电平标准。由于实验室计算机集中控制的需要，本台电脑不仅作为此系统的主控计算机，而且还作为UPS，AFS的控制计算机，后者刚好已经用完两个串口。为此，本系统中另扩展了一块通信板卡PCI-1612，此卡能另加四个串行口。另外，由于生化分析仪和计算机不在一个房间中，需要进行远程通信，此卡扩展的串口电平为RS485，可支持1.2km的通信距离。通信卡的软件操作主要为驱动安装，Windows普通串口读写。通讯卡线序如下表所示：

                              表1  通讯卡连接线序

卡上所用端子	配线箱端子	端子线序			配线箱线序
								P1	通信A/通信B	1DATA-	2DATA-	5GND	2DATA-	3DATA-	5GND

数据输出卡为一块电压输出卡，型号为PCI-1723，功能为将主控程序得到的控制量以电压的形式输出，驱动调理电路以控制蠕动泵的转速与转动量。此输出卡有8个电压输出通道，可独立控制8台蠕动泵。8个数字通道，可以用来紧急停止蠕动泵的运行。此模拟输出卡的软件操作主要是驱动安装，驱动函数的调用，软硬件模式配置。输出卡的输出端子固定在调理箱中，其连接线序如下表：

         表2  输出卡连接方法

引脚序号	连接
		VO
67	接调理板电压输入通道Vin1
		66	接调理板模拟地GND
33	接调理板电压输入通道Vin2
		32	接调理板模拟地GND
62	接调理板电压输入通道Vin3
		61	接调理板模拟地GND
28	接调理板电压输入通道Vin4
		27	接调理板模拟地GND
DIO
		47	接调理板数字量输入通道Din1
13	接调理板数字量输入通道Din2
		46	接调理板数字量输入通道Din3
12	接调理板数字量输入通道Din4
		39	接调理板数字地DGND
5	接调理板数字地DGND

信号调理箱

信号调理箱主要由机箱，电源，调理板组成。

机箱为根据调理电路的大小以及电源的尺寸专门定制，其电源引线，接口，指示灯，开关，通信座槽，输出插槽都经过专门设计，符合工业标准。机箱面板组成如下表：

前面板	电源指示灯。由电源的5V输出口接LED及1k限流电阻实现。	调理电路运行灯，指示调理电路状态	开关槽，电源开关，220V开关	结构示意图
					后面板	输出卡端子引线槽	四路DB9输出孔	三芯电源引线槽

电源为100W四输出标准开关电源，电压输出稳定，波形平滑，较好保证了调理电路的精度。电源的15V输出给调理板供电。

调理板完全自主设计，基本电路原理为电压/电流转换电路，电压控制三极管开关电路。其中电压/电流转换电路，输入0-10信号，输出4-20mA电路，符合蠕动泵的控制信号要求，而且电流信号能实现远程传输不衰减，达到了精确控制泵转速的目标，具体电路见附录中调理电路原理图。电压控制开关电路由输出卡的数字量输出口(DIO)电平控制，能产生开关信号，用于蠕动泵的紧急停机。当然此功能和电压输出归零等价，具体电路见附录中图2。

此调理电路可接收4路输入控制信号，4路输出控制信号，能独立控制四台蠕动泵的操作。如需更多泵，只需另加调理板即可。

配线箱、配线架、信号与传输线

配线箱与线架选购的为符合通信行业标准配线箱和专用接线架，使电流驱动信号与通信信号能方便的更改线序与连接。

信号与传输线选取了超5类网线，方便了端子的制作与连接方便，而且双绞线结构也能更好的抗干扰，传输质量较高。

配线箱所起的作用是信号转接，所以其两端的线序实质还是1对1，2对2，但是为了增强抗干扰能力，特将实际用到的线尽量保持了双绞线两两相连。

通信接口转换模块

通信接口转换模块为485转232用，从卡中来的信号为485电平，经转换后变为232，和生化分析仪接口相容。电源使用了12V单独充电电源，232端口为DB9接口，经转接头与生化分析仪连接，转接头线序如下表所示。485端口只有DATA-和DATA+两个引脚，分别与配线中来的DATA-(即网口的2引脚)，DATA+(即网口的3引脚)相连。

2-3

3-2

5-7

4+6+1短

20+5

生化分析仪

型号为YSI-2700，自带串行接口保证了和PC机连接的硬件可行性，在增加一些必要的适配器以及编制完善的通信协议之后能够保证通讯的正常。作为本系统的反馈信号源，实时监测生物反应器内营养物质浓度。

蠕动泵

蠕动泵为蓝格BT300型泵，提供了DB9外控结构，4-20mA标准工业控制信号输入，0-300r/m转速输出，STOP开关信号输入用于紧急停机。

2.2系统硬件操作步骤

1)打开生化分析仪电源，按要求正确设定，将通信线正确连接；

2)在蠕动泵上夹好补料管道，打开蠕动泵电源，正确设定运行方向，将控制开关打到“外控”档，正确连接外控连线；

3)到主控计算机室，正确连接通信线与输出线，先开电脑电源，再开调理箱电源，接着进入主控软件界面，按软件操作步骤正确操作主控软件进行实验；

4)实验结束，退出主控软件后，请先关闭调理箱电源，再关闭电脑电源，然后是生化分析仪和蠕动泵电源，结束各项操作。

3.软件部分设计

3.1运行要求

PIII800以上机型，128M以上内存，50M以上空闲硬盘空间，Windows 9x、WindowsXP、windows NT 4.0或更高版本的中文操作系统。

启动：从资源管理器选择profeed.exe或在开始菜单、运行中输入profeed.exe所在目录\profeed，按回车键后启动profeed.exe，经提示插入启动盘(如果有启动盘)，程序将被启动，出现如图3所示的主界面。

3.2操作界面与设定

点击运行按钮即出现本程序主界面(图3)，在最上端有流速测量、参数设置、实测显示、历史查询这四个按钮。

3.2.1流速测量

点击流速测量按钮，进入流速测量子程序界面(图4)。

在子程序界面有“液体容量”和“转速”两项。

“液体容量”指的是在为测试本次溶液每分钟的流速而事先选定的补充溶液的容量。单位是ml。

“转速”指的是蠕动泵每分钟转速。例如设定为10，即指转速为每分钟10圈。

将硬件系统接好后，点击开始测量，观察补充溶液所在的容器，当全部被抽完后，点击结束测量。

这时另外一个显示栏目单位转速流量会显示出经过计算后的本次试验每分钟的溶液补充量。

点击返回，将会返回到主程序界面，测量的数据一并返回。

3.2.2参数设置

点击“参数设置”按钮，进入参数设置主界面(图5)，在界面的右边设有：“通讯参数设置”、“状态参数设置”、“PID参数设置”、“数据库设置”和“参数设置完毕”5个选项按钮。

1)通讯参数设置：

点击“通讯参数设置”按钮，进入通讯参数设置界面(图6)，设定通讯各参数。

buffer size：缓冲区大小(200)

port number：端口号(4)

band rate：  波特率(9600)

data bits：  数据位(8)

stop bits：  停止位(1)

sample time：采样间隔时间单位：秒(3600)

注：括号中为本程序的默认值。

2)状态参数设置

点击状态参数设置按钮，进入状态设置界面(图7)。此界面共分为两列，第一列为各种状态名称，第二列为各种状态数值，状态参数将在对溶液浓度的控制中起作用。

3)PID参数设置

点击PID参数设置按钮，进入PID参数设置界面(图8)。

主要有以下栏目：

第一个项目上限：第一种溶液浓度允许的最高值，超过此数值程序将给出警示。

第一个项目下限：第一种溶液浓度允许的最低值，低于此数值程序将给出警示。

第二个项目上限：第二种溶液浓度允许的最高值，超过此数值程序将给出警示。

第二个项目下限：第二种溶液浓度允许的最低值，低于此数值程序将给出警示。

注：单位统一为：g/L

第一个项目目标浓度：第一种溶液在本次实验中所要控制的浓度值，PID将依据此数值调节流加溶液的体积。

第二个项目目标浓度：第二种溶液在本次实验中所要控制的浓度值，PID将依据此数值调节流加溶液的体积。

流速设定：设定当次实验的补液流速。有两个选项，第一个为流速测量设定，第二个为手动设定。设置手动设定可以在实验条件不改变的前提下，再次启动系统时跳过流速测定步骤，继续沿用上次设定值，为使用人员提供方便。

反应罐容积：当次培养生物反应器内溶液的总容积。

PID参数：第一个为比例系数，第二个为积分系数，第三个为微分系数；程序将按照设定的系数进行PID反馈控制。

4)数据库设置

本数据库系统为微软公司的ACCESS，安装系统后需要设置ODBC数据源。具体方法如下：单击“我的电脑”，单击“控制面板”，单击“管理工具”，再单击其中的“ODBC”图标。点击“用户DSN”，选择“Ms Access Database”，再单击“添加”，出现“创建新数据源”对话框，选择“Microsoft Access Drive”选项，单击“完成”，出现安装对话框，单击“选择”，把为保存实验结果而指定的数据库选中，再单击“确定”，完成数据源设置。注意，此步骤在系统安装后进行1次即可。

点击数据库设置按钮，进入数据库设置界面(图9)。

单击“设置数据库”选项，将会出现一个对话框：是否重新设置数据表。单击“是”，将为本次实验创建一个新的数据表，单击“否”，将从下拉菜单中选择一个数据表保存此次实验的数据。

5)参数设置完毕

参数设置好后，单击“参数设置完毕”，将返回主界面，等待用户开始执行程序。

3.2.3运行程序

1)开始及实时监控

当所有参数设置完毕、所有实验条件准备好后单击“开始测量”，监控程序将开始启动，程序进入实时监控界面(图10)。

1#浓度当前值说明的是测量的第一种溶液当前的浓度；

2#浓度当前值说明的是测量的第二种溶液当前的浓度；

趋势图显示的是对应的溶液浓度走势，可以十分清晰的看出整个实验的控制效果。

下侧对应的指示灯表示当前浓度是否正常，如在允许范围之内绿灯亮，否则红灯亮，并同时显示越限类型。

2)历史数据查询。

点击“数据浏览”按钮，进入历史数据查询界面。

先单击“数据库查询”按钮，此时，程序将把设定好的数据库中的数据调入内存以供查询。

单击“图形显示”按钮，界面中会显示本次实验数据的“时间-浓度”曲线(图11)，拖动图形中的十字架，将会在把鼠标所在位置对应时间的浓度显示出来。在下面的显示框中，将显示出最大、最小浓度出现的时间以及各种溶液的平均浓度。

单击“表格显示”按钮，界面中会显示本次实验数据的报表形式(图12)，方便使用人员查询每个时间点的具体数据，并进行前后对照。

在实验完毕后，单击“报表设定”按钮，填入实验人员名称以及报表名称，单击报表打印，将会自动生成本次试验的报表，见图13。

实验完毕后，点击“结束测量”并退出程序。

Claims (7)

1.一种细胞培养用程控反馈补料系统，其特征在于，该系统由生化分析仪、生物反应器、蠕动泵组及计算机控制系统构成闭环回路，由计算机控制系统监测生化分析仪的特定营养物浓度测定信号，通过反馈控制原理控制蠕动泵组向生物反应器内流加营养物质的速度，使生物反应器、蠕动泵组和生化分析仪协同工作，将生物反应器内的营养物浓度稳定、精确地控制在设定范围；

生物反应器内的特定营养物浓度由生化分析仪定时检测后，将测量信号通过串口送入接口转换模块，转换模块经过通讯扩展卡送入程控计算机由程控软件进行读取，再根据PID反馈控制原理计算应加入生物反应器内的营养物量，经转换为蠕动泵转动量后其数字控制量通过电压输出卡输出模拟控制量，通过信号调理与驱动电路控制蠕动泵组工作。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的生物反应器，用于动物细胞培养，罐体上有多个接口，在细胞培养过程中可从罐内对培养液取样放出；或将外部液体加入罐内，提供细胞生长所需的营养物质。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的计算机控制系统是一种基于生化分析仪监测信号，反馈控制生物反应器内营养物质浓度的计算机控制系统，它包括有数字控制虚拟仪器、数字I/O卡和信号调理与驱动电路，数字控制虚拟仪器内有接口转换模块，通过串行通讯接口分别与数字I/O卡和生化分析仪连接，数字I/O卡和信号调理与驱动电路连接，数字控制虚拟仪器内装有专用的细胞培养用反馈补料控制软件。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的生化分析仪，配套相应检测膜后用于定时监测生物反应器内特定营养物浓度，并且由外部程控软件读取其测量值，录入数据库。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的蠕动泵组由多个蠕动泵构成，每一个蠕动泵连接一个浓缩营养液容器，用于按程序设定向生物反应器内流加浓缩营养物质。

6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的接口转换模块，用于将生化分析仪监测的特定营养物质浓度转换为实时采样数据送入程控计算机。

7.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的信号调理与驱动电路，用于将电压输出卡输出的模拟量进行信号转换，驱动蠕动泵运转。

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