CN209260098U - 生物反应器控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种生物反应器控制系统，包括控制机构以及分别与所述控制机构连接的电源组件、上位机组件以及存储机构，所述控制机构还与多个用于检测、控制生物反应器的过程参数的参数控制模块连接，所述参数控制模块包括搅拌模块、温度模块、pH模块、DO模块、液位模块、蠕动泵模块、称重模块、压力模块。本实用新型实施例提供的生物反应器控制系统包括多个参数控制模块，为实现细胞生理代谢参数与环境参数、操作参数之间的关联性分析奠定了基础；以及多个参数控制模块将参数实时的反馈给PLC控制器，从而实现控制器对参数的精准控制，保证生物工艺过程准确、稳定的进行。

Description

生物反应器控制系统

技术领域

本实用新型特别涉及一种生物反应器控制系统，属于细胞培养设备技术领域。

背景技术

细胞培养密度和目标产物表达水平主要取决于细胞的生理代谢特性、生物反应器的流场特性。生物反应器的流场特性除与挡板、搅拌桨叶类型、搅拌桨叶尺寸、罐体尺寸等机械设计参数和加工参数相关外，还与反应器的参数精准控制、多参数采集密切相关。现有的生物反应器在操作系统的控制上经常会出现控制器死机、控制系统复杂、控制精度不精确等现象常常导致培养过程失败。

其实，生物反应器是细胞生化代谢反应的场所，细胞代谢生理特性与反应器的流场特性密切相关，细胞代谢生理特性是反应器流场特性的综合反映。通过监控CER(二氧化碳释放速率)、OUR(氧消耗速率)、RQ(呼吸商)、KLa(氧传质系数)、活细胞密度等生理代谢参数，结合生物反应器的环境参数和操作参数，多参数之间关联性分析，寻找放大敏感性参数，可从本质上实现生物反应器规模化逐级放大。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种生物反应器控制系统，以克服现有技术的不足。

为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型实施例提供了一种生物反应器控制系统，包括控制机构以及分别与所述控制机构连接的电源组件、上位机组件以及存储机构，所述控制机构还与多个用于检测、控制生物反应器的过程参数的参数控制模块连接，所述参数控制模块包括至少用于采集伺服电机搅拌转速的搅拌模块、至少用于采集生物反应器罐体温度的温度模块、至少用于采集生物反应器内培养液pH值的pH模块、至少用于采集生物反应器的D0值的D0模块、至少用于采集生物反应器的液位量的液位模块、至少用于向生物反应器补料的蠕动泵模块、至少用于采集生物反应器的液体重量的称重模块、至少用于采集生物反应器的罐压的压力模块、至少用于分析尾气中的氧含量、二氧化碳含量以及计算二氧化碳释放速率、氧消耗速率、呼吸商、氧传质系数的尾气模块。

在一些较为具体的实施方案中，所述控制机构还与伺服电机连接，所述控制机构与搅拌模块、伺服电机形成搅拌控制单元。

在一些较为具体的实施方案中，所述控制机构还分别与冷却机构、加热机构连接，所述控制机构与冷却机构、加热机构以及温度模块形成温度控制单元。

在一些较为具体的实施方案中，所述控制机构还分别与至少用于调节生物反应器内培养液pH值的酸泵或二氧化碳质量流量计、碱泵连接，所述控制机构与酸泵或二氧化碳质量流量计、碱泵以及pH模块形成pH控制单元。

在一些较为具体的实施方案中，所述控制机构还分别与氮气质量流量计、氧气质量流量计、空气质量流量计连接，所述控制机构与氮气质量流量计、氧气质量流量计、空气质量流量计以及D0模块形成D0控制单元。

在一些较为具体的实施方案中，所述控制机构还与蠕动泵连接，所述控制机构与蠕动泵以及液位模块形成液位控制单元。

在一些较为具体的实施方案中，所述控制机构还与尾气阀连接，所述控制机构与尾气阀以及压力模块形成压力控制单元。

在一些较为具体的实施方案中，所述控制机构包括PLC控制器。

与现有技术相比，本实用新型的优点包括：

1)本实用新型实施例提供的生物反应器控制系统包括多个参数控制模块，为实现细胞生理代谢参数与环境参数、操作参数之间的关联性分析奠定了基础；

2)以及多个参数控制模块将参数实时的反馈给PLC控制器，从而实现控制器对参数的精准控制，保证生物工艺过程准确、稳定的进行；

3)通过PLC控制，实现了全自动化控制，节省了人力、物力。

附图说明

图1是本实用新型一典型实施案例中一种生物反应器控制系统的结构示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本实用新型实施例提供了一种生物反应器控制系统，包括控制机构以及分别与所述控制机构连接的电源组件、上位机组件以及存储机构，所述控制机构还与多个用于检测、控制生物反应器的过程参数的参数控制模块连接，所述参数控制模块包括至少用于采集伺服电机搅拌转速的搅拌模块、至少用于采集生物反应器罐体温度的温度模块、至少用于采集生物反应器内培养液pH值的pH模块、至少用于采集生物反应器的D0值的D0模块、至少用于采集生物反应器的液位量的液位模块、至少用于向生物反应器补料的蠕动泵模块、至少用于采集生物反应器的液体重量的称重模块、至少用于采集生物反应器的罐压的压力模块、至少用于分析尾气中的氧含量、二氧化碳含量以及计算二氧化碳释放速率、氧消耗速率、呼吸商、氧传质系数的尾气模块。

在一些较为具体的实施方案中，所述控制机构还与伺服电机连接，所述控制机构与搅拌模块、伺服电机形成搅拌控制单元。

在一些较为具体的实施方案中，所述控制机构还分别与冷却机构、加热机构连接，所述控制机构与冷却机构、加热机构以及温度模块形成温度控制单元。

在一些较为具体的实施方案中，所述控制机构还分别与至少用于调节生物反应器内培养液pH值的酸泵或二氧化碳质量流量计、碱泵连接，所述控制机构与酸泵或二氧化碳质量流量计、碱泵以及pH模块形成pH控制单元。

在一些较为具体的实施方案中，所述控制机构还分别与氮气质量流量计、氧气质量流量计、空气质量流量计连接，所述控制机构与氮气质量流量计、氧气质量流量计、空气质量流量计以及D0模块形成D0控制单元。

在一些较为具体的实施方案中，所述控制机构还与蠕动泵连接，所述控制机构与蠕动泵以及液位模块形成液位控制单元。

在一些较为具体的实施方案中，所述控制机构还与尾气阀连接，所述控制机构与尾气阀以及压力模块形成压力控制单元。

在一些较为具体的实施方案中，所述控制机构包括PLC控制器。

如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

请参阅图1，一种生物反应器控制系统，包括控制机构1以及分别与控制机构1连接的电源组件2、上位机组件3、触摸屏4以及存储机构5，控制机构1还与多个用于检测、控制生物反应器的过程参数的参数控制模块连接，所述参数控制模块包括至少用于采集伺服电机搅拌转速的搅拌模块6、至少用于采集生物反应器罐体温度的温度模块7、至少用于采集生物反应器内培养液pH值的pH模块8、至少用于采集生物反应器的D0值的D0模块9、至少用于采集生物反应器的液位量的液位模块10、至少用于向生物反应器补料的蠕动泵模块11、至少用于采集生物反应器的液体重量的称重模块12、至少用于采集生物反应器的罐压的压力模块13、至少用于分析尾气中的氧含量、二氧化碳含量以及计算二氧化碳释放速率、氧消耗速率、呼吸商、氧传质系数的尾气模块14。具体的，所述控制机构还与伺服电机连接，所述控制机构与搅拌模块、伺服电机形成搅拌控制单元；所述控制机构还分别与冷却机构、加热机构连接，所述控制机构与冷却机构、加热机构以及温度模块形成温度控制单元；所述控制机构还分别与至少用于调节生物反应器内培养液pH值的酸泵或二氧化碳质量流量计、碱泵连接，所述控制机构与酸泵或二氧化碳质量流量计、碱泵以及pH模块形成pH控制单元；所述控制机构还分别与氮气质量流量计、氧气质量流量计、空气质量流量计连接，所述控制机构与氮气质量流量计、氧气质量流量计、空气质量流量计以及D0模块形成D0控制单元；所述控制机构还与蠕动泵连接，所述控制机构与蠕动泵以及液位模块形成液位控制单元；所述控制机构还与尾气阀连接，所述控制机构与尾气阀以及压力模块形成压力控制单元。

具体的，所述的搅拌模块用于采集伺服电机的搅拌转速，并反馈给PLC控制器，PLC控制器调节伺服电机转速；所述的温度模块用于采集生物反应器的罐体温度，并反馈给PLC控制器。若罐体温度高于设定值，则PLC控制器指示冷冻水/自来水电磁阀打开；若罐体温度低于设定值，则PLC控制器指示电加热器加热；若罐体温度等于设定值，则PLC控制器不做指示；所述的pH模块用于采集生物反应器的pH，并反馈给PLC控制器。若pH高于设定值，则PLC控制器指示二氧化碳电磁阀打开或酸泵或二氧化碳质量流量计启动；若pH低于设定值，则PLC控制器指示碱泵启动；若pH等于设定值，则PLC控制器不做指示；所述的D0模块用于采集生物反应器的D0，并反馈给PLC控制器。若D0高于设定值，则PLC控制器调大氮气质量流量计流量，调小氧气质量流量计和空气质量流量计流量；若D0低于设定值，则PLC控制器调小氮气质量流量计流量，调大氧气质量流量计和空气质量流量计流量；若D0等于设定值，则PLC控制器不做指示；所述的液位模块用于采集生物反应器的液位量，并反馈给PLC控制器。若液位与蠕动泵灌注功能关联，液位高时，则PLC控制器指示蠕动泵执行灌注出料。若液位与蠕动泵消泡功能关联，液位高时，则PLC控制器指示蠕动泵执行补消泡剂；所述的蠕动泵模块用于向生物反应器补料，并反馈给PLC控制器。除与以上液位、pH关联外，蠕动泵还可进行补料、培养液更换、接种等操作；所述的称重模块用于采集生物反应器的液体重量，并反馈给PLC控制器，可与灌注功能关联；所述的压力模块用于采集生物反应器的罐压，并反馈给PLC控制器。若罐压高于设定值，则PLC控制器指示尾气阀调大；若罐压低于设定值，则PLC控制器指示尾气阀调小；若罐压等于设定值，则PLC控制器不做指示；所述的尾气模块用于分析尾气中的氧含量、二氧化碳含量、计算CER(二氧化碳释放速率)、OUR(氧消耗速率)、RQ(呼吸商)、KLa(氧传质系数)，并反馈给PLC控制器。

需要说明的是，本实用新型实施例中提及的搅拌模块、温度模块、pH模块、D0模块、液位模块、蠕动泵模块、称重模块、压力模块的设置位置可以根据需要调节设置在生物反应器的设定位置处，以及本实用新型实施例中提供的生物反应器控制系统还可以包括其他有助于实用新型目的的其他模块和组件，未提及的模块和组件可经市购或本领域技术人员熟知的结构等，在此不再说明。

与现有技术相比，本实用新型实施例提供的生物反应器控制系统包括多个参数控制模块，为实现细胞生理代谢参数与环境参数、操作参数之间的关联性分析奠定了基础；以及多个参数控制模块将参数实时的反馈给PLC控制器，从而实现控制器对参数的精准控制，保证生物工艺过程准确、稳定的进行；通过PLC控制，实现了全自动化控制，节省了人力、物力。

应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种生物反应器控制系统，包括控制机构以及分别与所述控制机构连接的电源组件、上位机组件以及存储机构，其特征在于：所述控制机构还与多个用于检测、控制生物反应器的过程参数的参数控制模块连接，所述参数控制模块包括至少用于采集伺服电机搅拌转速的搅拌模块、至少用于采集生物反应器罐体温度的温度模块、至少用于采集生物反应器内培养液pH值的pH模块、至少用于采集生物反应器的DO值的DO模块、至少用于采集生物反应器的液位量的液位模块、至少用于向生物反应器补料的蠕动泵模块、至少用于采集生物反应器的液体重量的称重模块、至少用于采集生物反应器的罐压的压力模块、至少用于分析尾气中的氧含量、二氧化碳含量以及计算二氧化碳释放速率、氧消耗速率、呼吸商、氧传质系数的尾气模块。

2.根据权利要求1所述的生物反应器控制系统，其特征在于：所述控制机构还与伺服电机连接，所述控制机构与搅拌模块、伺服电机形成搅拌控制单元。

3.根据权利要求1所述的生物反应器控制系统，其特征在于：所述控制机构还分别与冷却机构、加热机构连接，所述控制机构与冷却机构、加热机构以及温度模块形成温度控制单元。

4.根据权利要求1所述的生物反应器控制系统，其特征在于：所述控制机构还分别与至少用于调节生物反应器内培养液pH值的酸泵或二氧化碳质量流量计、碱泵连接，所述控制机构与酸泵或二氧化碳质量流量计、碱泵以及pH模块形成pH控制单元。

5.根据权利要求1所述的生物反应器控制系统，其特征在于：所述控制机构还分别与氮气质量流量计、氧气质量流量计、空气质量流量计连接，所述控制机构与氮气质量流量计、氧气质量流量计、空气质量流量计以及DO模块形成DO控制单元。

6.根据权利要求1所述的生物反应器控制系统，其特征在于：所述控制机构还与蠕动泵连接，所述控制机构与蠕动泵以及液位模块形成液位控制单元。

7.根据权利要求1所述的生物反应器控制系统，其特征在于：所述控制机构还与尾气阀连接，所述控制机构与尾气阀以及压力模块形成压力控制单元。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的生物反应器控制系统，其特征在于：所述控制机构包括PLC控制器。