CN208224872U - 一种生物细胞反应器的气体动态控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种生物细胞反应器的气体动态控制系统，包括：二氧化碳钢瓶、氮气钢瓶、空气钢瓶、氧气钢瓶、细胞培养袋、中央控制器和气体混合装置；二氧化碳钢瓶、氮气钢瓶、空气钢瓶和氧气钢瓶分别通过比例阀与气体混合装置连通，气体混合装置的输出端与细胞培养袋连通，细胞培养袋的输出端设有单向阀；中央控制器根据二氧化碳、氮气、空气和氧气的设置参数动态调节各比例阀的开度，使二氧化碳钢瓶、氮气钢瓶、空气钢瓶和氧气钢瓶按控制的流量向气体混合装置输送气体，混合气体实时连续地充入细胞培养袋内，待细胞培养袋内的混合气体压力达到阈值时，单向阀将细胞培养袋内的混合气体排出。加快了气体的交换速率，提高了培养液中溶氧率和二氧化碳溶解率。
Description
技术领域
本实用新型涉及生物细胞反应器技术领域，具体涉及一种生物细胞反应器的气体动态控制系统。
背景技术
在细胞培养领域，气体对细胞生长的活性，快慢、成活率等因素起着尤为重要的作用。不同的细胞对各种气体的浓度、通入的流量需求各不相同，同一种细胞在不同的培养阶段对气体的浓度，流量、种类等要求也不尽相同。为了保证细胞培养的高效性，实时性。需要对培养过程中气体的浓度、流量做到实时监测并控制，提高细胞存活率。
目前市场上的细胞培养设备对气体监控部分主要还是类似于二氧化碳细胞培养箱这种阶段性、扩散式的监控方式。就是先必须将容器封闭好，对其冲入纯二氧化碳，当整个容器中的气体浓度达到设定的二氧化碳浓度目标值时即停止充气，让细胞静态的生存在整个气体环境中。这种方式调节速度慢，不能满足气体以某种浓度、流量实时连续的充入到容器中，以增大培养液与气体的接触面，提高容器内气体的交换速率和培养液的溶氧率，从而提高细胞存活率。
发明内容
本申请提供一种生物细胞反应器的气体动态控制系统，包括二氧化碳钢瓶、氮气钢瓶、空气钢瓶、氧气钢瓶和细胞培养袋；还包括：中央控制器和气体混合装置；
二氧化碳钢瓶、氮气钢瓶、空气钢瓶和氧气钢瓶分别通过相应的比例阀与气体混合装置连通，气体混合装置的输出端与细胞培养袋连通，细胞培养袋的输出端设有单向阀；
中央控制器根据二氧化碳、氮气、空气和氧气的设置参数动态调节各比例阀的开度，使二氧化碳钢瓶、氮气钢瓶、空气钢瓶和氧气钢瓶按控制的流量向气体混合装置输送气体，气体混合装置内的混合气体实时连续地充入细胞培养袋内，待细胞培养袋内的混合气体压力达到阈值时，单向阀将细胞培养袋内的混合气体排出。
一种实施例中，还包括第一信号调理电路，第一信号调理电路的输出端耦合至比例阀，输入端耦合至中央控制器的输出端，第一信号调理电路根据中央控制器的输出信号调节比例阀的开度。
一种实施例中，还包括流量计和第二信号调理电路；
比例阀、流量计和第二信号调理电路顺次耦合连接，第二信号调理电路的输出端耦合至中央控制器的输入端；
流量计用于检测比例阀当前的输出流量；
第二信号调理电路将比例阀当前的输出流量转换为反馈信号并发送至中央控制器；
中央控制器根据反馈信号控制第一信号调理电路调节比例阀的开度。
一种实施例中，还包括二氧化碳浓度检测腔和氧气浓度检测腔，气体混合装置的输出端、二氧化碳浓度检测腔、氧气浓度检测腔和细胞培养袋顺次连通。
一种实施例中，二氧化碳浓度检测腔内置有二氧化碳浓度传感器，氧气浓度检测腔内置有氧气浓度传感器，二氧化碳浓度传感器和氧气浓度传感器分别通过RS485与中央控制器通讯，中央控制器根据二氧化碳浓度传感器或/和氧气浓度传感器反馈的检测值控制第一信号调理电路调节比例阀的开度。
一种实施例中，还包括减压装置，减压装置分别设置于所述二氧化碳钢瓶、氮气钢瓶、空气钢瓶、氧气钢瓶和相应的比例阀之间，减压装置与中央控制器通过RS485通讯连接，减压装置用于调节各个钢瓶出口的气体压力。
一种实施例中，还包括用于动态设置所述二氧化碳、氮气、空气或/和氧气的参数的操作界面，操作界面与中央控制器通过RS485通讯连接。
一种实施例中，还包括云服务器，云服务器与操作界面通过WIFI或GSM通讯连接，云服务器用于记录操作界面设置的参数信息。
一种实施例中，还包括报警装置，报警装置与中央控制器信号连接。
依据上述实施例的气体动态控制系统，由于细胞培养袋内可以实时连通地充入混合气体，待细胞培养袋内的混合气体达到阈值时，单向阀将细胞培养袋内的混合气体排出，使得细胞培养袋内的混合气体是流动的，如此循环，加快了细胞培养袋内混合气体的交换速率，提高了混合气体和培养液的接触，从而提高了培养液中溶氧率和二氧化碳溶解率。
附图说明
图1为现有技术生物细胞反应器原理图；
图2为本例的生物细胞反应器原理图；
图3为本例的生物细胞反应器控制原理图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
现有的生物细胞反应器的气体混合方式如图1所示，细胞是置于一个密闭的细胞培养箱中，当用户发出气体的设置指令后，系统即打开相应的气体的开关阀少量多次的向细胞培养箱中进行充气，当浓度传感器检测到相应浓度后，系统关闭所有开关阀，使细胞静止的处于整个气体环境中进行生长。
一旦用户打开细胞培养箱取出细胞，细胞培养箱内的混合气体浓度就会下降，当用户将细胞放回细胞培养箱并关上细胞培养箱门后，系统才开始对细胞培养箱内充气，直至浓度传感器检测到气体浓度达到设定浓度后才停止充气。所以，当用户频繁打开细胞培养箱操作时，细胞会长时间暴露在比设定气体浓度低的环境中。
针对上述的细胞培养方式所存在的各种问题，本例提供一种生物细胞反应器的气体动态控制系统，其原理图如图2所述，控制示意图如图3所示。
本例的生物细胞反应器的气体动态控制系统包括二氧化碳钢瓶、氮气钢瓶、空气钢瓶、氧气钢瓶和细胞培养袋；还包括：中央控制器和气体混合装置；其中，二氧化碳钢瓶、氮气钢瓶、空气钢瓶和氧气钢瓶分别通过相应的比例阀与气体混合装置连通，气体混合装置的输出端与细胞培养袋连通，细胞培养袋的输出端设有单向阀。具体的，二氧化碳钢瓶通过二氧化碳比例阀与气体混合装置连通，氮气钢瓶通过氮气比例阀与气体混合装置连通，氧气钢瓶通过氧气比例阀与气体混合装置连通，空气钢瓶通过空气比例阀与气体混合装置连通。
本例的气体动态控制系统的基本工作原理是，中央控制器根据二氧化碳、氮气、空气和氧气的设置参数动态调节各比例阀的开度，使二氧化碳钢瓶、氮气钢瓶、空气钢瓶和氧气钢瓶按控制的流量向气体混合装置输送气体，气体混合装置内的混合气体实时连续地充入细胞培养袋内，待细胞培养袋内的混合气体压力达到阈值时，单向阀将细胞培养袋内的混合气体排出。因此，在细胞培养的过程中，细胞培养袋内的混合气体是动态流动的，由此，加快了细胞培养袋内混合气体的交换速率，提高了混合气体和培养液的接触，从而提高了培养液中溶氧率和二氧化碳溶解率。
为实现动态调整合比例阀的开度，以实现混合气体浓度的动态调节，本例还包括第一信号调理电路，第一信号调理电路的输出端耦合至比例阀，输入端耦合至中央控制器的输出端，第一信号调理电路根据中央控制器的输出信号调节比例阀的开度，需要说明的是，中央控制器内置有气体输出浓度和气体输出流量之间的数学关系模型，其中，数学关系模型表示如下：
定义输出混合气体总流量值F、被测气体X1、X2所占的浓度值分别为C1、C2，(X1为二氧化碳、X2为氧气)，混合气体种类N(N＝2或N＝3)；
(1)N＝2时：(二氧化碳+空气或氮气+氧气)被测气体输出流量值F1＝F/(100/C1)；或F/(100/C2)；稀释气输出流量值F2＝F1*(100/C1-1)；
(2)N＝3时：(氮气+氧气+二氧化碳)被测气体X1输出流量值F1＝F/(100/C1)；被测气体X2输出流量值F2＝(F-F1)/(100/C2)；稀释气输出流量值F3＝F-F1-F2；
中央控制器自动根据此数学关系模型生成平衡气体流量与浓度的电压信号，第一信号调理电路将该电压信号转换成控制比例阀开度的控制量，以控制比例阀的相应开度，最终实现混合气体输出流量与浓度的平衡。
进一步，为实现比例阀的精确控制，本例还包括流量计和第二信号调理电路，其中，比例阀、流量计和第二信号调理电路顺次耦合连接，第二信号调理电路的输出端耦合至中央控制器的输入端；流量计用于检测比例阀当前的输出流量；第二信号调理电路将比例阀当前的输出流量转换为反馈信号并发送至中央控制器；中央控制器根据反馈信号控制第一信号调理电路调节比例阀的开度。
需要说明的是，二氧化碳比例阀与二氧化碳流量计相对应，氮气比例阀与氮气流量计相对应，氧气比例阀与氧气流量计相对应，空气比例阀与空气流量计相对应，以实现通过相应的第一信号调理电路及第二信号调理电路单独控制调节相应的比例阀的开度大小。
另外，中央控制器还根据实际检测的气体浓度返回值对各组分输出的流量进行调节。进一步，本例还包括二氧化碳浓度检测腔和氧气浓度检测腔，气体混合装置的输出端、二氧化碳浓度检测腔、氧气浓度检测腔和细胞培养袋顺次连通，二氧化碳浓度检测腔内置有二氧化碳浓度传感器，氧气浓度检测腔内置有氧气浓度传感器，二氧化碳浓度传感器和氧气浓度传感器分别通过RS485与中央控制器通讯，中央控制器根据二氧化碳浓度传感器或/和氧气浓度传感器反馈的检测值控制第一信号调理电路调节比例阀的开度。
为了满足比例阀、流量计、浓度传感器等设备对于入口压力的要求，本例还包括减压装置，减压装置分别设置于二氧化碳钢瓶、氮气钢瓶、空气钢瓶、氧气钢瓶和相应的比例阀之间，减压装置与中央控制器通过RS485通讯连接，减压装置用于调节各个钢瓶出口的气体压力，以适应各设备入口压力的要求。
另外，在对气体浓度、流量、种类进行实时监测和调节时，根据实际需要还可以动态的调节细胞当前时刻所需要的气体参数，进一步，还包括用于动态设置二氧化碳、氮气、空气或/和氧气的参数的操作界面，该操作界面与中央控制器通过RS485通讯连接，用户通过该操作界面动态设置需要通入气体的种类、浓度及流量参数。
进一步，为了方便用户查询、记录各气体的参数设置，本例还包括云服务器，云服务器与操作界面通过WIFI或GSM通讯连接，云服务器用于记录操作界面设置的参数信息。整个培养过程中气体参数的保存与记录，为生物人员做数据分析提供了有力的保障。
另外，本例还包括报警装置，报警装置与中央控制器信号连接，在细胞培养过程中发生突发情况时，中央控制器控制报警装置向用户发出报警信息。
需要说明的是，本例的中央控制器采用STM32F103VET6单片机，该单片机内部集成了多路模拟/数字转换器以及数字/模拟转换器，具有丰富的外部设备资源，且功耗很低。
本例的气体动态控制系统的工作过程是：通过操作界面接收用户设置的气体参数信息，包括所选择气体的种类、浓度、流量等信息，这些信息通过RS485总线传送至中央控制器，中央控制器通过浓度传感器、流量计等传感器实时监测的数据信息动态调节各个气体组分的比例阀开度大小，以满足用户的设置要求。中央控制器通过内置的PID算法，快速、精确的达到用户所设置的参数值，大大节约了调节时间，在系统工作的同时还能实时的接收用户对流量、浓度和气体种类参数的修改并迅速做出响应，如，如，在工作的同时接收到用户修改后的混合气体总流量F，被测气体浓度C的指令后，首先计算出被测气体输出流量值F1＝F/(100/C)；稀释气输出流量值F2＝F1*(100/C-1)，通过比例阀直接调节到此流量。相比于传统二氧化碳培养箱多次补充二氧化碳的模式提高了效率。同时，将数据通过wifi或GSM实时传输到云服务器以方便用户记录、查询，并且，可以在钢瓶内气体量不足或气体管路断开等突发状况下及时向用户发出报警信息。
以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (9)
1.一种生物细胞反应器的气体动态控制系统，包括：二氧化碳钢瓶、氮气钢瓶、空气钢瓶、氧气钢瓶和细胞培养袋；其特征在于，还包括：中央控制器和气体混合装置；
所述二氧化碳钢瓶、氮气钢瓶、空气钢瓶和氧气钢瓶分别通过相应的比例阀与所述气体混合装置连通，所述气体混合装置的输出端与所述细胞培养袋连通，所述细胞培养袋的输出端设有单向阀；
所述中央控制器根据二氧化碳、氮气、空气和氧气的设置参数动态调节各比例阀的开度，使所述二氧化碳钢瓶、氮气钢瓶、空气钢瓶和氧气钢瓶按控制的流量向所述气体混合装置输送气体，所述气体混合装置内的混合气体实时连续地充入所述细胞培养袋内，待所述细胞培养袋内的混合气体压力达到阈值时，所述单向阀将所述细胞培养袋内的混合气体排出。
2.如权利要求1所述的气体动态控制系统，其特征在于，还包括第一信号调理电路，所述第一信号调理电路的输出端耦合至所述比例阀，输入端耦合至所述中央控制器的输出端，所述第一信号调理电路根据所述中央控制器的输出信号调节所述比例阀的开度。
3.如权利要求2所述的气体动态控制系统，其特征在于，还包括流量计和第二信号调理电路；
所述比例阀、流量计和第二信号调理电路顺次耦合连接，所述第二信号调理电路的输出端耦合至所述中央控制器的输入端；
所述流量计用于检测所述比例阀当前的输出流量；
所述第二信号调理电路将所述比例阀当前的输出流量转换为反馈信号并发送至所述中央控制器；
所述中央控制器根据所述反馈信号控制所述第一信号调理电路调节所述比例阀的开度。
4.如权利要求3所述的气体动态控制系统，其特征在于，还包括二氧化碳浓度检测腔和氧气浓度检测腔，所述气体混合装置的输出端、二氧化碳浓度检测腔、氧气浓度检测腔和细胞培养袋顺次连通。
5.如权利要求4所述的气体动态控制系统，其特征在于，所述二氧化碳浓度检测腔内置有二氧化碳浓度传感器，所述氧气浓度检测腔内置有氧气浓度传感器，所述二氧化碳浓度传感器和氧气浓度传感器分别通过RS485与所述中央控制器通讯，所述中央控制器根据所述二氧化碳浓度传感器或/和氧气浓度传感器反馈的检测值控制所述第一信号调理电路调节所述比例阀的开度。
6.如权利要求1所述的气体动态控制系统，其特征在于，还包括减压装置，所述减压装置分别设置于所述二氧化碳钢瓶、氮气钢瓶、空气钢瓶、氧气钢瓶和相应的所述比例阀之间，所述减压装置与所述中央控制器通过RS485通讯连接，所述减压装置用于调节各个钢瓶出口的气体压力。
7.如权利要求1所述的气体动态控制系统，其特征在于，还包括用于动态设置所述二氧化碳、氮气、空气或/和氧气的参数的操作界面，所述操作界面与所述中央控制器通过RS485通讯连接。
8.如权利要求7所述的气体动态控制系统，其特征在于，还包括云服务器，所述云服务器与所述操作界面通过wifi或GSM通讯连接，所述云服务器用于记录所述操作界面设置的参数信息。
9.如权利要求1所述的气体动态控制系统，其特征在于，还包括报警装置，所述报警装置与所述中央控制器信号连接。
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| CN110260909A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-09-20 | 浙江大学 | 基于二氧化碳示踪气体法的房间换气次数测试系统及方法 |
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