專利名稱：細胞培養(yǎng)用程控反饋補料系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微機控制系統(tǒng)，進一步涉及基于生化分析儀反饋控制生物反應器內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)濃度的微機控制系統(tǒng)。
背景技術：
動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)已成為生物制藥領域最重要的關鍵技術之一，并以其研究的深入和進展推動生物技術產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。
流加培養(yǎng)工藝是當前動物細胞培養(yǎng)工藝中占有主流優(yōu)勢的培養(yǎng)工藝，也是近年來動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)研究的熱點[1]。在規(guī)模化的蛋白質(zhì)生產(chǎn)中選擇使用流加工藝(Fed-batch)的公司有，如美國的Genentech，IDEC，MedImmune，Merck等。此工藝具有操作簡單、產(chǎn)率高、容易放大(10000升以上)等優(yōu)點。流加培養(yǎng)工藝中的關鍵技術是基礎培養(yǎng)基和流加濃縮營養(yǎng)培養(yǎng)基的設計。1996年謝良志運用化學計量法(Xie LZ)，根據(jù)動物細胞生長的需求，設計定量添加濃縮的培養(yǎng)液，精確控制葡萄糖、谷氨酰氨的濃度穩(wěn)定維持在較低水平(＜0.1mmol/L)，以改變細胞代謝方式[2]。雜交瘤細胞流加培養(yǎng)周期超過550小時，較一般流加工藝乳酸比生成速率減少了4倍，氨比生成速率減少了10倍，細胞密度達5×107/ml，峰值的活細胞密度大于1.5×107/ml，抗體累積濃度達2.4g/L[3]。
但在流加工藝的研究與應用過程中，對營養(yǎng)物維持濃度及其流加速率的精確控制一直是影響工藝優(yōu)化的主要因素。雖然目前生產(chǎn)的動物細胞培養(yǎng)用生物反應器已經(jīng)常規(guī)配備了一些簡單的補料泵控制程序，但遠不能適應動物細胞對營養(yǎng)物消耗呈非線性變化的特點[4]。此外，各生物反應器及檢測設備廠家的產(chǎn)品間一般不能通用，現(xiàn)有實驗室中的各儀器一般為獨立工作，偶爾能多臺協(xié)同工作的，也是以人為手動干預或相同廠家系列產(chǎn)品為前提。因此，以控制營養(yǎng)物濃度維持在較低水平，以改變細胞代謝方式，從而提高培養(yǎng)效率的方法在實際應用中受到了很大程度的限制。
目前，在生物過程自動化控制領域，以經(jīng)典的前饋、反饋原理為基礎，新的技術不斷涌現(xiàn)，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等[5]。但其中，以PID(比例-積分-微分)反饋控制模式設計并實用化的控制器因其簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而至今仍為應用最為廣泛的控制方法。在細胞培養(yǎng)過程中，生物反應器內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)濃度可以看作具有純滯后環(huán)節(jié)的大慣性對象，非常適合于應用PID原理進行反饋調(diào)節(jié)，應用不同的算法，如Smith預估、積分分離、大林算法[6，7，8]等可以在穩(wěn)定控制的基礎上進一步提高控制系統(tǒng)的靈敏度和精確性，對培養(yǎng)過程控制起到良好地效果。但在應用過程中，必須建立與培養(yǎng)設備相配套的硬件系統(tǒng)系統(tǒng)和基于特定控制算法編寫的程控軟件，才能夠?qū)ID控制原理有效應用于生產(chǎn)。
與本發(fā)明相關的專利及文獻主要集中在以下幾個方面1)反饋控制算法的改進；2)自動補料裝置；3)生化分析儀；4)蠕動泵等。其中，反饋控制算法多為數(shù)學模型的優(yōu)化與改進，并未涉及具體硬件設備的組成與應用[9，10，11，12]；自動補料裝置多為利用培養(yǎng)罐體內(nèi)PH、溶氧濃度或重量進行自動補料操作，并未針對營養(yǎng)物濃度本身進行直接反饋控制[13，14，15]；而生化分析儀及蠕動泵主要是基于不同檢測原理及機械結構進行專利保護[16，17，18]，在本發(fā)明中僅作為組件使用，與其內(nèi)部原理與結構無關。
以下是發(fā)明人給出的一些相關文獻[1]Wei-Shou Hu，John G Aunins.Large-scale mammalian cell culture.Current Opinionin Biotechnology，1997，8148-153。
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。
Xie L Z，Wang D I.High cell density and high monoclonal antibody productionmedium design and rational control in a bioreactor.Biorechnol Bioeng，1996，51725-729。
D.Ramkrishna.On modeling of bioreactors for control. Journal of ProcessControl，2003，13581-589。
Lee J.，Lee S.Y.，Sunwon P.，etc.Control of fed-batch fermentiations.BiotechnologyAdvances，1999，1729-48。
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。
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。
李正軍.計算機控制系統(tǒng).北京機械工業(yè)出版社 2005年第一版，172-178頁。
東芝株式會社.具有改進的前饋反饋結合的過程控制.專利申請?zhí)?8103947.0。
東芝株式會社.反饋控制裝置.專利申請?zhí)?2103988.3[11]伍德沃德調(diào)控器公司.用于估算和控制反饋控制系統(tǒng)中非線性干擾的方法和裝置.專利申請?zhí)?7125234.3。
三星電子株式會社.反饋控制系統(tǒng)和方法.專利申請?zhí)?00410046529.3。
中國科學院微生物研究所.用于蕈菌液體深層發(fā)酵控制的方法.專利申請?zhí)?0109088.7。
廈門大學.流路自動反饋稀釋與控制裝置.專利申請?zhí)?00310123856.X。
上海國強生化工程裝備有限公司.用于過程優(yōu)化與數(shù)據(jù)放大的自控發(fā)酵罐裝置.專利申請?zhí)?0127307.8。
Hitachi，Ltd.(Tokyo，JP).Biochemical analyzer and attenuated total reflection prismcell used in said analyzer.United States Patent5,362,445。
北京航天萬新科技有限公司.全自動生化分析儀.專利申請?zhí)?3266090.1。
雀巢制品公司.蠕動泵.申請(專利)號98804300.9。
本發(fā)明在原理上應用了經(jīng)典的PID控制理論，但在系統(tǒng)構成及硬件配置方面均根據(jù)動物細胞培養(yǎng)的特點進行了系統(tǒng)優(yōu)化，將目前成熟的技術如計算機、生化分析儀及蠕動泵有機結合起來，以滿足動物細胞大規(guī)模高密度培養(yǎng)的需求，國內(nèi)外均未見成套設備的專利與文獻報道。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種細胞培養(yǎng)用程控反饋補料系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種基于生化分析儀監(jiān)測信號，以PID原理反饋控制生物反應器內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)濃度，且適用于多種生物反應器的計算機控制系統(tǒng)。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是，一種細胞培養(yǎng)用程控反饋補料系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由生化分析儀、生物反應器、蠕動泵組及計算機控制系統(tǒng)構成閉環(huán)回路，由計算機控制系統(tǒng)監(jiān)測生化分析儀的培養(yǎng)液信號，用反饋控制原理使生物反應器、蠕動泵組和生化分析儀協(xié)同工作，控制生物反應器內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)濃度。
生物反應器內(nèi)的特定營養(yǎng)物濃度由生化分析儀定時檢測后，將測量信號通過串口送入接口轉換模塊，轉換模塊經(jīng)過通訊擴展卡送入程控計算機由程控軟件進行讀取，再根據(jù)PID反饋控制原理計算應加入生物反應器內(nèi)的營養(yǎng)物量，經(jīng)轉換為蠕動泵轉動量后其數(shù)字控制量通過電壓輸出卡輸出模擬控制量，通過信號條理與驅(qū)動電路發(fā)出驅(qū)動電流，控制蠕動泵組工作。
本發(fā)明的其他特點是，所述的生物反應器，用于動物細胞培養(yǎng)，罐體上有多個接口，可在細胞培養(yǎng)過程中從罐內(nèi)對培養(yǎng)液取樣放出或?qū)⑼獠恳后w加入罐內(nèi)，提供細胞生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)。
所述的計算機控制系統(tǒng)是一種基于生化分析儀監(jiān)測信號，反饋控制生物反應器內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)濃度的計算機控制系統(tǒng)，它包括有數(shù)字控制虛擬儀器、數(shù)字I/O卡和信號調(diào)理與驅(qū)動電路，數(shù)字控制虛擬儀器內(nèi)有接口轉換模塊，通過串行通訊接口分別與數(shù)字I/O卡和生化分析儀連接，數(shù)字I/O卡和信號調(diào)理與驅(qū)動電路連接，數(shù)字控制虛擬儀器內(nèi)有專用的細胞培養(yǎng)用反饋補料控制軟件；所述的生化分析儀，配套相應檢測膜后用于定時監(jiān)測生物反應器內(nèi)特定營養(yǎng)物濃度，并且可由外部程控軟件讀取其測量值，錄入數(shù)據(jù)庫；所述的蠕動泵組由多個蠕動泵構成，每一個蠕動泵連接一個濃縮營養(yǎng)液容器，用于按程序設定向生物反應器內(nèi)流加濃縮營養(yǎng)物質(zhì)。
所述的接口轉換模塊，用于將生化分析儀監(jiān)控的細胞反應濃度轉換為適時采樣數(shù)據(jù)送入程控計算機；所述的信號調(diào)理與驅(qū)動電路，用于將電壓輸出卡輸出的模擬量進行信號轉換，驅(qū)動蠕動泵運轉。
本發(fā)明基于PID反饋控制原理，由計算機的通訊接口引入生化分析儀測量信號，通過計算機數(shù)據(jù)處理與相應接口輸出，利用程控軟件預設的多種反饋控制算法調(diào)節(jié)營養(yǎng)物流加用蠕動泵的動作，實時控制流加到生物反應器內(nèi)營養(yǎng)物的添加速率，從而實現(xiàn)生化分析儀、蠕動泵和生物反應器的閉環(huán)協(xié)同自動測控，對生物反應器內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)濃度進行精確反饋控制。
本發(fā)明的系統(tǒng)可配合各種類型生物反應器，對培養(yǎng)過程中兩種營養(yǎng)物質(zhì)濃度同時進行精確控制，每小時自動取樣一次，以谷氨酰胺為例，控制范圍為0.05～2mmol/L，控制精度為±0.02mmol/L。經(jīng)試驗顯示該系統(tǒng)能按設置要求完成營養(yǎng)物濃度的反饋控制，并達到了預期的控制精度與效果。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結構圖圖2是調(diào)理電路原理圖；圖3～圖13是本發(fā)明的計算機控制界面示意圖。
以下結合附圖和發(fā)明人給出的具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式
(一)反饋控制系統(tǒng)構成參見圖1，本發(fā)明所述反饋控制系統(tǒng)包括生化分析儀、485/232接口轉換模塊、通訊口擴展卡、計算機及專用控制軟件、電壓輸出卡、信號調(diào)理與驅(qū)動電路、蠕動泵組及生物反應器構成。
(二)應用于反饋控制系統(tǒng)的基本原理PID反饋控制原理當今的自動控制技術都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分測量、比較和執(zhí)行。測量關心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應。這個理論和應用自動控制的關鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。
PID(比例-積分-微分)控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。
PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關系為u(t)=Kpe(t)+Ki∫0te(τ)dτ+Kdde(t)dt]]>因此它的傳遞函數(shù)為G0(s)=U(s)E(s)=Kp+Kis+Kd]]>它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設定三個參數(shù)(Kp，Ki和Kd)即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。
首先，PID應用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。
其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ki和Kd可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。
(三)反饋控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)1.系統(tǒng)總體設計思想與工作原理基于生化分析儀反饋的程控補料系統(tǒng)研制項目是優(yōu)化動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術平臺，提高過程控制自動化程度的重要措施。
本系統(tǒng)的總體設計思想是
通過計算機的通訊接口，引入生化分析儀反饋測量信號，通過專用軟件處理數(shù)據(jù)，通過輸出接口，運用計算機軟件實現(xiàn)靈活強大的控制算法來控制蠕動泵調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)生化分析儀、蠕動泵和生物反應器的閉環(huán)協(xié)同自動測控，使培養(yǎng)過程中營養(yǎng)物濃度得以精確控制，提高培養(yǎng)效率。
硬件總體設計方案如圖1所示，其中數(shù)字控制虛擬儀器為普通計算機，控制輸出通過專門的數(shù)字I/O卡和信號調(diào)理與驅(qū)動電路后控制多個蠕動泵的調(diào)節(jié)，計算機的反饋信號由分化分析儀的各采集量經(jīng)由計算機串口輸入，從而構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
軟件開發(fā)工具為LabView6.1。
本系統(tǒng)的控制對象生物反應器內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)濃度可以看作具有純滯后環(huán)節(jié)的大慣性對象。現(xiàn)有反饋控制方法是普通PID控制，采樣速度為1小時一次。由于純滯后環(huán)節(jié)的存在，低采樣速率帶來的后果是加大了對象的慣性時間常數(shù)，使?jié)舛冗_到期望穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時間變長，影響細胞培養(yǎng)。但采取如此慢的采樣速度是因為溶液濃度變化過程較慢，當營養(yǎng)物質(zhì)消耗時濃度有較大的滯后改變時間，如果提高采樣速度，必然提高了控制量輸出頻率，即控制的速度和對象變化的速度不同步，從而使?jié)舛瘸{(diào)過大，難以達到穩(wěn)態(tài)。但不更改采樣速度，濃度控制達到穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時間又很長，且調(diào)節(jié)一次的慣性也很大，從而超調(diào)誤差較大。針對上述矛盾，本設計中應用了以下幾點控制策略以提高控制精度1.采取帶Smith預估器的PID控制算法由上述所知，由于濃度反應的滯后時間的影響，使得目前的控制方法不能提高采樣速度，從而影響控制效果。Smith預估器的作用正是針對滯后時間問題提出的純滯后補償控制算法。其基本原理是用引入與對象并聯(lián)Smith預估器，使補償后的等效對象不包含純滯后特性，從而可以用一般PID算法達到較好控制效果。對于本系統(tǒng)而言，就是相當于蠕動泵輸出控制量時，生物反應器內(nèi)的濃度立即發(fā)生變化，沒有任何延時，從而可以立即采樣，也就加快了采樣速度，用普通PID控制即可達到很好的效果。
2.改進普通PID算法為積分分離PID控制算法為了提高濃度控制的精確性，避免積分飽和現(xiàn)象(指保持控制量在泵的流量范圍內(nèi)，避免異?？刂?，本設計中將普通PID算法改進為積分分離PID控制，即限制偏差在某個門限內(nèi)，超門限的偏差時，不引入積作用，避免了積分飽和，從而提高系統(tǒng)的輸出特性。
另外，本系統(tǒng)設計中不止提供一種控制算法，用戶可根據(jù)特定要求選擇適當算法，如用戶希望被控對象更快的達到穩(wěn)態(tài)，而不關心超調(diào)量時，可采取本軟件提供的最小拍控制。而且也提供多種控制算法效果的比較，如大林算法和Smith預估PID算法的比較，普通PID與積分分離PID控制的比較等。通過多種算法控制，用戶可得到不同的濃度變化環(huán)境，大大提高細胞培養(yǎng)實驗的效率。
2.硬件部分設計2.1硬件組成本系統(tǒng)硬件組成結構如圖1所示，由計算機，數(shù)字I/O卡和信號調(diào)理與驅(qū)動電路，以及生化分析儀，蠕動泵組成，每一個蠕動泵連接一個濃縮營養(yǎng)液容器，用于按程序設定向生物反應器內(nèi)流加濃縮營養(yǎng)物質(zhì)。計算機的控制對象為生物反應器中營養(yǎng)物質(zhì)濃度。
計算機計算機為實驗室已有普通計算機，當然后續(xù)研究時建議采用專用工控計算機，以取得較穩(wěn)定可靠的控制效果。計算機完成以下功能(1)為擴展的串口通信卡，模擬電壓輸出卡提供PCI插槽；(2)系統(tǒng)主控軟件運行平臺；(3)生物反應器AFS軟件運行平臺；(4)日常辦公；(5)自身串口1可以用作生化分析儀直接連接用，方便調(diào)試。
本系統(tǒng)擴展了兩塊板卡，其中數(shù)據(jù)通信卡為PCI-1612，功能為擴展普通PC機的串口數(shù)量和串口的電平標準。由于實驗室計算機集中控制的需要，本臺電腦不僅作為此系統(tǒng)的主控計算機，而且還作為UPS，AFS的控制計算機，后者剛好已經(jīng)用完兩個串口。為此，本系統(tǒng)中另擴展了一塊通信板卡PCI-1612，此卡能另加四個串行口。另外，由于生化分析儀和計算機不在一個房間中，需要進行遠程通信，此卡擴展的串口電平為RS485，可支持1.2km的通信距離。通信卡的軟件操作主要為驅(qū)動安裝，Windows普通串口讀寫。通訊卡線序如下表所示表1 通訊卡連接線序

數(shù)據(jù)輸出卡為一塊電壓輸出卡，型號為PCI-1723，功能為將主控程序得到的控制量以電壓的形式輸出，驅(qū)動調(diào)理電路以控制蠕動泵的轉速與轉動量。此輸出卡有8個電壓輸出通道，可獨立控制8臺蠕動泵。8個數(shù)字通道，可以用來緊急停止蠕動泵的運行。此模擬輸出卡的軟件操作主要是驅(qū)動安裝，驅(qū)動函數(shù)的調(diào)用，軟硬件模式配置。輸出卡的輸出端子固定在調(diào)理箱中，其連接線序如下表表2 輸出卡連接方法

信號調(diào)理箱信號調(diào)理箱主要由機箱，電源，調(diào)理板組成。
機箱為根據(jù)調(diào)理電路的大小以及電源的尺寸專門定制，其電源引線，接口，指示燈，開關，通信座槽，輸出插槽都經(jīng)過專門設計，符合工業(yè)標準。機箱面板組成如下表

電源為100W四輸出標準開關電源，電壓輸出穩(wěn)定，波形平滑，較好保證了調(diào)理電路的精度。電源的15V輸出給調(diào)理板供電。
調(diào)理板完全自主設計，基本電路原理為電壓/電流轉換電路，電壓控制三極管開關電路。其中電壓/電流轉換電路，輸入0-10信號，輸出4-20mA電路，符合蠕動泵的控制信號要求，而且電流信號能實現(xiàn)遠程傳輸不衰減，達到了精確控制泵轉速的目標，具體電路見附錄中調(diào)理電路原理圖。電壓控制開關電路由輸出卡的數(shù)字量輸出口(DIO)電平控制，能產(chǎn)生開關信號，用于蠕動泵的緊急停機。當然此功能和電壓輸出歸零等價，具體電路見附錄中圖2。
此調(diào)理電路可接收4路輸入控制信號，4路輸出控制信號，能獨立控制四臺蠕動泵的操作。如需更多泵，只需另加調(diào)理板即可。
配線箱、配線架、信號與傳輸線配線箱與線架選購的為符合通信行業(yè)標準配線箱和專用接線架，使電流驅(qū)動信號與通信信號能方便的更改線序與連接。
信號與傳輸線選取了超5類網(wǎng)線，方便了端子的制作與連接方便，而且雙絞線結構也能更好的抗干擾，傳輸質(zhì)量較高。
配線箱所起的作用是信號轉接，所以其兩端的線序?qū)嵸|(zhì)還是1對1，2對2，但是為了增強抗干擾能力，特將實際用到的線盡量保持了雙絞線兩兩相連。
通信接口轉換模塊通信接口轉換模塊為485轉232用，從卡中來的信號為485電平，經(jīng)轉換后變?yōu)?32，和生化分析儀接口相容。電源使用了12V單獨充電電源，232端口為DB9接口，經(jīng)轉接頭與生化分析儀連接，轉接頭線序如下表所示。485端口只有DATA-和DATA+兩個引腳，分別與配線中來的DATA-(即網(wǎng)口的2引腳)，DATA+(即網(wǎng)口的3引腳)相連。

生化分析儀型號為YSI-2700，自帶串行接口保證了和PC機連接的硬件可行性，在增加一些必要的適配器以及編制完善的通信協(xié)議之后能夠保證通訊的正常。作為本系統(tǒng)的反饋信號源，實時監(jiān)測生物反應器內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)濃度。
蠕動泵蠕動泵為藍格BT300型泵，提供了DB9外控結構，4-20mA標準工業(yè)控制信號輸入，0-300r/m轉速輸出，STOP開關信號輸入用于緊急停機。
2.2系統(tǒng)硬件操作步驟1)打開生化分析儀電源，按要求正確設定，將通信線正確連接；2)在蠕動泵上夾好補料管道，打開蠕動泵電源，正確設定運行方向，將控制開關打到“外控”檔，正確連接外控連線；3)到主控計算機室，正確連接通信線與輸出線，先開電腦電源，再開調(diào)理箱電源，接著進入主控軟件界面，按軟件操作步驟正確操作主控軟件進行實驗；4)實驗結束，退出主控軟件后，請先關閉調(diào)理箱電源，再關閉電腦電源，然后是生化分析儀和蠕動泵電源，結束各項操作。
3.軟件部分設計3.1運行要求PIII800以上機型，128M以上內(nèi)存，50M以上空閑硬盤空間，Windows 9x、WindowsXP、windows NT 4.0或更高版本的中文操作系統(tǒng)。
啟動從資源管理器選擇profeed.exe或在開始菜單、運行中輸入profeed.exe所在目錄\profeed，按回車鍵后啟動profeed.exe，經(jīng)提示插入啟動盤(如果有啟動盤)，程序?qū)⒈粏?，出現(xiàn)如圖3所示的主界面。
3.2操作界面與設定點擊運行按鈕即出現(xiàn)本程序主界面(圖3)，在最上端有流速測量、參數(shù)設置、實測顯示、歷史查詢這四個按鈕。
3.2.1流速測量點擊流速測量按鈕，進入流速測量子程序界面(圖4)。
在子程序界面有“液體容量”和“轉速”兩項。
“液體容量”指的是在為測試本次溶液每分鐘的流速而事先選定的補充溶液的容量。單位是ml。
“轉速”指的是蠕動泵每分鐘轉速。例如設定為10，即指轉速為每分鐘10圈。
將硬件系統(tǒng)接好后，點擊開始測量，觀察補充溶液所在的容器，當全部被抽完后，點擊結束測量。
這時另外一個顯示欄目單位轉速流量會顯示出經(jīng)過計算后的本次試驗每分鐘的溶液補充量。
點擊返回，將會返回到主程序界面，測量的數(shù)據(jù)一并返回。
3.2.2參數(shù)設置點擊“參數(shù)設置”按鈕，進入?yún)?shù)設置主界面(圖5)，在界面的右邊設有“通訊參數(shù)設置”、“狀態(tài)參數(shù)設置”、“PID參數(shù)設置”、“數(shù)據(jù)庫設置”和“參數(shù)設置完畢”5個選項按鈕。
1)通訊參數(shù)設置點擊“通訊參數(shù)設置”按鈕，進入通訊參數(shù)設置界面(圖6)，設定通訊各參數(shù)。
buffer size緩沖區(qū)大小(200)port number端口號(4)band rate 波特率(9600)data bits 數(shù)據(jù)位(8)stop bits 停止位(1)sample time采樣間隔時間單位秒(3600)注括號中為本程序的默認值。
2)狀態(tài)參數(shù)設置點擊狀態(tài)參數(shù)設置按鈕，進入狀態(tài)設置界面(圖7)。此界面共分為兩列，第一列為各種狀態(tài)名稱，第二列為各種狀態(tài)數(shù)值，狀態(tài)參數(shù)將在對溶液濃度的控制中起作用。
3)PID參數(shù)設置點擊PID參數(shù)設置按鈕，進入PID參數(shù)設置界面(圖8)。
主要有以下欄目第一個項目上限第一種溶液濃度允許的最高值，超過此數(shù)值程序?qū)⒔o出警示。
第一個項目下限第一種溶液濃度允許的最低值，低于此數(shù)值程序?qū)⒔o出警示。
第二個項目上限第二種溶液濃度允許的最高值，超過此數(shù)值程序?qū)⒔o出警示。
第二個項目下限第二種溶液濃度允許的最低值，低于此數(shù)值程序?qū)⒔o出警示。
注單位統(tǒng)一為g/L第一個項目目標濃度第一種溶液在本次實驗中所要控制的濃度值，PID將依據(jù)此數(shù)值調(diào)節(jié)流加溶液的體積。
第二個項目目標濃度第二種溶液在本次實驗中所要控制的濃度值，PID將依據(jù)此數(shù)值調(diào)節(jié)流加溶液的體積。
流速設定設定當次實驗的補液流速。有兩個選項，第一個為流速測量設定，第二個為手動設定。設置手動設定可以在實驗條件不改變的前提下，再次啟動系統(tǒng)時跳過流速測定步驟，繼續(xù)沿用上次設定值，為使用人員提供方便。
反應罐容積當次培養(yǎng)生物反應器內(nèi)溶液的總容積。
PID參數(shù)第一個為比例系數(shù)，第二個為積分系數(shù)，第三個為微分系數(shù)；程序?qū)凑赵O定的系數(shù)進行PID反饋控制。
4)數(shù)據(jù)庫設置本數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為微軟公司的ACCESS，安裝系統(tǒng)后需要設置ODBC數(shù)據(jù)源。具體方法如下單擊“我的電腦”，單擊“控制面板”，單擊“管理工具”，再單擊其中的“ODBC”圖標。點擊“用戶DSN”，選擇“Ms Access Database”，再單擊“添加”，出現(xiàn)“創(chuàng)建新數(shù)據(jù)源”對話框，選擇“Microsoft Access Drive”選項，單擊“完成”，出現(xiàn)安裝對話框，單擊“選擇”，把為保存實驗結果而指定的數(shù)據(jù)庫選中，再單擊“確定”，完成數(shù)據(jù)源設置。注意，此步驟在系統(tǒng)安裝后進行1次即可。
點擊數(shù)據(jù)庫設置按鈕，進入數(shù)據(jù)庫設置界面(圖9)。
單擊“設置數(shù)據(jù)庫”選項，將會出現(xiàn)一個對話框是否重新設置數(shù)據(jù)表。單擊“是”，將為本次實驗創(chuàng)建一個新的數(shù)據(jù)表，單擊“否”，將從下拉菜單中選擇一個數(shù)據(jù)表保存此次實驗的數(shù)據(jù)。
5)參數(shù)設置完畢參數(shù)設置好后，單擊“參數(shù)設置完畢”，將返回主界面，等待用戶開始執(zhí)行程序。
3.2.3運行程序1)開始及實時監(jiān)控當所有參數(shù)設置完畢、所有實驗條件準備好后單擊“開始測量”，監(jiān)控程序?qū)㈤_始啟動，程序進入實時監(jiān)控界面(圖10)。
1#濃度當前值說明的是測量的第一種溶液當前的濃度；2#濃度當前值說明的是測量的第二種溶液當前的濃度；趨勢圖顯示的是對應的溶液濃度走勢，可以十分清晰的看出整個實驗的控制效果。
下側對應的指示燈表示當前濃度是否正常，如在允許范圍之內(nèi)綠燈亮，否則紅燈亮，并同時顯示越限類型。
2)歷史數(shù)據(jù)查詢。
點擊“數(shù)據(jù)瀏覽”按鈕，進入歷史數(shù)據(jù)查詢界面。
先單擊“數(shù)據(jù)庫查詢”按鈕，此時，程序?qū)言O定好的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存以供查詢。
單擊“圖形顯示”按鈕，界面中會顯示本次實驗數(shù)據(jù)的“時間-濃度”曲線(圖11)，拖動圖形中的十字架，將會在把鼠標所在位置對應時間的濃度顯示出來。在下面的顯示框中，將顯示出最大、最小濃度出現(xiàn)的時間以及各種溶液的平均濃度。
單擊“表格顯示”按鈕，界面中會顯示本次實驗數(shù)據(jù)的報表形式(圖12)，方便使用人員查詢每個時間點的具體數(shù)據(jù)，并進行前后對照。
在實驗完畢后，單擊“報表設定”按鈕，填入實驗人員名稱以及報表名稱，單擊報表打印，將會自動生成本次試驗的報表，見圖13。
實驗完畢后，點擊“結束測量”并退出程序。
權利要求
1.一種細胞培養(yǎng)用程控反饋補料系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由生化分析儀、生物反應器、蠕動泵組及計算機控制系統(tǒng)構成閉環(huán)回路，由計算機控制系統(tǒng)監(jiān)測生化分析儀的特定營養(yǎng)物濃度測定信號，通過反饋控制原理控制蠕動泵組向生物反應器內(nèi)流加營養(yǎng)物質(zhì)的速度，使生物反應器、蠕動泵組和生化分析儀協(xié)同工作，將生物反應器內(nèi)的營養(yǎng)物濃度穩(wěn)定、精確地控制在設定范圍；生物反應器內(nèi)的特定營養(yǎng)物濃度由生化分析儀定時檢測后，將測量信號通過串口送入接口轉換模塊，轉換模塊經(jīng)過通訊擴展卡送入程控計算機由程控軟件進行讀取，再根據(jù)PID反饋控制原理計算應加入生物反應器內(nèi)的營養(yǎng)物量，經(jīng)轉換為蠕動泵轉動量后其數(shù)字控制量通過電壓輸出卡輸出模擬控制量，通過信號調(diào)理與驅(qū)動電路控制蠕動泵組工作。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的生物反應器，用于動物細胞培養(yǎng)，罐體上有多個接口，在細胞培養(yǎng)過程中可從罐內(nèi)對培養(yǎng)液取樣放出；或?qū)⑼獠恳后w加入罐內(nèi)，提供細胞生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)。
3.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的計算機控制系統(tǒng)是一種基于生化分析儀監(jiān)測信號，反饋控制生物反應器內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)濃度的計算機控制系統(tǒng)，它包括有數(shù)字控制虛擬儀器、數(shù)字I/O卡和信號調(diào)理與驅(qū)動電路，數(shù)字控制虛擬儀器內(nèi)有接口轉換模塊，通過串行通訊接口分別與數(shù)字I/O卡和生化分析儀連接，數(shù)字I/O卡和信號調(diào)理與驅(qū)動電路連接，數(shù)字控制虛擬儀器內(nèi)裝有專用的細胞培養(yǎng)用反饋補料控制軟件。
4.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的生化分析儀，配套相應檢測膜后用于定時監(jiān)測生物反應器內(nèi)特定營養(yǎng)物濃度，并且由外部程控軟件讀取其測量值，錄入數(shù)據(jù)庫。
5.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的蠕動泵組由多個蠕動泵構成，每一個蠕動泵連接一個濃縮營養(yǎng)液容器，用于按程序設定向生物反應器內(nèi)流加濃縮營養(yǎng)物質(zhì)。
6.如權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的接口轉換模塊，用于將生化分析儀監(jiān)測的特定營養(yǎng)物質(zhì)濃度轉換為實時采樣數(shù)據(jù)送入程控計算機。
7.如權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的信號調(diào)理與驅(qū)動電路，用于將電壓輸出卡輸出的模擬量進行信號轉換，驅(qū)動蠕動泵運轉。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種細胞培養(yǎng)用程控反饋補料系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于PID反饋控制原理，由計算機的通訊接口引入生化分析儀測量信號，通過計算機數(shù)據(jù)處理與相應接口輸出，利用程控軟件預設的多種反饋控制算法調(diào)節(jié)營養(yǎng)物流加用蠕動泵的動作，實時控制流加到生物反應器內(nèi)營養(yǎng)物的添加速率，從而實現(xiàn)生化分析儀、蠕動泵和生物反應器的閉環(huán)協(xié)同自動測控，對生物反應器內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)濃度進行精確反饋控制。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、控制精度高、過程控制指標明確、可操作性強、應用范圍廣等特點。適用于動物細胞表達生物技術產(chǎn)品的規(guī)模生產(chǎn)及工藝過程研究。
文檔編號C12M3/00GK1687392SQ200510041968
公開日2005年10月26日 申請日期2005年4月18日 優(yōu)先權日2005年4月18日
發(fā)明者米力, 馮強, 李寧, 方陸軍 申請人:陳志南