細胞培養用程控反饋補料系統的製作方法
2023-10-31 23:24:32 2
專利名稱：細胞培養用程控反饋補料系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微機控制系統，進一步涉及基於生化分析儀反饋控制生物反應器內營養物質濃度的微機控制系統。
背景技術：
動物細胞大規模培養已成為生物製藥領域最重要的關鍵技術之一，並以其研究的深入和進展推動生物技術產業的迅速發展。
流加培養工藝是當前動物細胞培養工藝中佔有主流優勢的培養工藝，也是近年來動物細胞大規模培養研究的熱點[1]。在規模化的蛋白質生產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、產率高、容易放大(10000升以上)等優點。流加培養工藝中的關鍵技術是基礎培養基和流加濃縮營養培養基的設計。1996年謝良志運用化學計量法(Xie LZ)，根據動物細胞生長的需求，設計定量添加濃縮的培養液，精確控制葡萄糖、穀氨醯氨的濃度穩定維持在較低水平(＜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於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，對營養物維持濃度及其流加速率的精確控制一直是影響工藝優化的主要因素。雖然目前生產的動物細胞培養用生物反應器已經常規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品間一般不能通用，現有實驗室中的各儀器一般為獨立工作，偶爾能多臺協同工作的，也是以人為手動幹預或相同廠家系列產品為前提。因此，以控制營養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，以經典的前饋、反饋原理為基礎，新的技術不斷湧現，如模糊控制、神經網絡等[5]。但其中，以PID(比例-積分-微分)反饋控制模式設計並實用化的控制器因其簡單易懂，使用中不需精確的系統模型等先決條件，因而至今仍為應用最為廣泛的控制方法。在細胞培養過程中，生物反應器內的營養物質濃度可以看作具有純滯後環節的大慣性對象，非常適合於應用PID原理進行反饋調節，應用不同的算法，如Smith預估、積分分離、大林算法[6，7，8]等可以在穩定控制的基礎上進一步提高控制系統的靈敏度和精確性，對培養過程控制起到良好地效果。但在應用過程中，必須建立與培養設備相配套的硬體系統系統和基於特定控制算法編寫的程控軟體，才能夠將PID控制原理有效應用於生產。
與本發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學模型的優化與改進，並未涉及具體硬體設備的組成與應用[9，10，11，12]；自動補料裝置多為利用培養罐體內PH、溶氧濃度或重量進行自動補料操作，並未針對營養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於不同檢測原理及機械結構進行專利保護[16，17，18]，在本發明中僅作為組件使用，與其內部原理與結構無關。
以下是發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.北京機械工業出版社 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.專利申請號88103947.0。
東芝株式會社.反饋控制裝置.專利申請號92103988.3[11]伍德沃德調控器公司.用於估算和控制反饋控制系統中非線性幹擾的方法和裝置.專利申請號97125234.3。
三星電子株式會社.反饋控制系統和方法.專利申請號200410046529.3。
中國科學院微生物研究所.用於蕈菌液體深層發酵控制的方法.專利申請號00109088.7。
廈門大學.流路自動反饋稀釋與控制裝置.專利申請號200310123856.X。
上海國強生化工程裝備有限公司.用於過程優化與數據放大的自控發酵罐裝置.專利申請號00127307.8。
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.專利申請號03266090.1。
雀巢製品公司.蠕動泵.申請(專利)號98804300.9。
本發明在原理上應用了經典的PID控制理論，但在系統構成及硬體配置方面均根據動物細胞培養的特點進行了系統優化，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模高密度培養的需求，國內外均未見成套設備的專利與文獻報導。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的在於提供一種細胞培養用程控反饋補料系統，該系統是一種基於生化分析儀監測信號，以PID原理反饋控制生物反應器內營養物質濃度，且適用於多種生物反應器的計算機控制系統。
為了實現上述目的，本發明所採用的技術方案是，一種細胞培養用程控反饋補料系統，其特徵在於，該系統由生化分析儀、生物反應器、蠕動泵組及計算機控制系統構成閉環迴路，由計算機控制系統監測生化分析儀的培養液信號，用反饋控制原理使生物反應器、蠕動泵組和生化分析儀協同工作，控制生物反應器內的營養物質濃度。
生物反應器內的特定營養物濃度由生化分析儀定時檢測後，將測量信號通過串口送入接口轉換模塊，轉換模塊經過通訊擴展卡送入程控計算機由程控軟體進行讀取，再根據PID反饋控制原理計算應加入生物反應器內的營養物量，經轉換為蠕動泵轉動量後其數字控制量通過電壓輸出卡輸出模擬控制量，通過信號條理與驅動電路發出驅動電流，控制蠕動泵組工作。
本發明的其他特點是，所述的生物反應器，用於動物細胞培養，罐體上有多個接口，可在細胞培養過程中從罐內對培養液取樣放出或將外部液體加入罐內，提供細胞生長所需的營養物質。
所述的計算機控制系統是一種基於生化分析儀監測信號，反饋控制生物反應器內營養物質濃度的計算機控制系統，它包括有數字控制虛擬儀器、數字I/O卡和信號調理與驅動電路，數字控制虛擬儀器內有接口轉換模塊，通過串行通訊接口分別與數字I/O卡和生化分析儀連接，數字I/O卡和信號調理與驅動電路連接，數字控制虛擬儀器內有專用的細胞培養用反饋補料控制軟體；所述的生化分析儀，配套相應檢測膜後用於定時監測生物反應器內特定營養物濃度，並且可由外部程控軟體讀取其測量值，錄入資料庫；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液容器，用於按程序設定向生物反應器內流加濃縮營養物質。
所述的接口轉換模塊，用於將生化分析儀監控的細胞反應濃度轉換為適時採樣數據送入程控計算機；所述的信號調理與驅動電路，用於將電壓輸出卡輸出的模擬量進行信號轉換，驅動蠕動泵運轉。
本發明基於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，通過計算機數據處理與相應接口輸出，利用程控軟體預設的多種反饋控制算法調節營養物流加用蠕動泵的動作，實時控制流加到生物反應器內營養物的添加速率，從而實現生化分析儀、蠕動泵和生物反應器的閉環協同自動測控，對生物反應器內的營養物質濃度進行精確反饋控制。
本發明的系統可配合各種類型生物反應器，對培養過程中兩種營養物質濃度同時進行精確控制，每小時自動取樣一次，以穀氨醯胺為例，控制範圍為0.05～2mmol/L，控制精度為±0.02mmol/L。經試驗顯示該系統能按設置要求完成營養物濃度的反饋控制，並達到了預期的控制精度與效果。
圖1是本發明的系統結構圖圖2是調理電路原理圖；圖3～圖13是本發明的計算機控制界面示意圖。
以下結合附圖和發明人給出的具體實施方式
對本發明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式
(一)反饋控制系統構成參見圖1，本發明所述反饋控制系統包括生化分析儀、485/232接口轉換模塊、通訊口擴展卡、計算機及專用控制軟體、電壓輸出卡、信號調理與驅動電路、蠕動泵組及生物反應器構成。
(二)應用於反饋控制系統的基本原理PID反饋控制原理當今的自動控制技術都是基於反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分測量、比較和執行。測量關心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調節控制系統的響應。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後，如何才能更好地糾正系統。
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，現在仍然是應用最廣泛的工業控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統模型等先決條件，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)的關係為u(t)=Kpe(t)+Ki0ted+Kdde(t)dt]]>因此它的傳遞函數為G0(s)=U(s)E(s)=Kp+Kis+Kd]]>它由於用途廣泛、使用靈活，已有系列化產品，使用中只需設定三個參數(Kp，Ki和Kd)即可。在很多情況下，並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應用範圍廣。雖然很多工業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特性不隨時間變化的系統，這樣PID就可控制了。
其次，PID參數較易整定。也就是，PID參數Kp，Ki和Kd可以根據過程的動態特性及時整定。如果過程的動態特性變化，例如可能由負載的變化引起系統動態特性變化，PID參數就可以重新整定。
(三)反饋控制系統功能的實現1.系統總體設計思想與工作原理基於生化分析儀反饋的程控補料系統研製項目是優化動物細胞大規模培養技術平臺，提高過程控制自動化程度的重要措施。
本系統的總體設計思想是
通過計算機的通訊接口，引入生化分析儀反饋測量信號，通過專用軟體處理數據，通過輸出接口，運用計算機軟體實現靈活強大的控制算法來控制蠕動泵調節，從而實現生化分析儀、蠕動泵和生物反應器的閉環協同自動測控，使培養過程中營養物濃度得以精確控制，提高培養效率。
硬體總體設計方案如圖1所示，其中數字控制虛擬儀器為普通計算機，控制輸出通過專門的數字I/O卡和信號調理與驅動電路後控制多個蠕動泵的調節，計算機的反饋信號由分化分析儀的各採集量經由計算機串口輸入，從而構成閉環控制系統。
軟體開發工具為LabView6.1。
本系統的控制對象生物反應器內營養物質濃度可以看作具有純滯後環節的大慣性對象。現有反饋控制方法是普通PID控制，採樣速度為1小時一次。由於純滯後環節的存在，低採樣速率帶來的後果是加大了對象的慣性時間常數，使濃度達到期望穩態的調節時間變長，影響細胞培養。但採取如此慢的採樣速度是因為溶液濃度變化過程較慢，當營養物質消耗時濃度有較大的滯後改變時間，如果提高採樣速度，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，從而使濃度超調過大，難以達到穩態。但不更改採樣速度，濃度控制達到穩態的調節時間又很長，且調節一次的慣性也很大，從而超調誤差較大。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.採取帶Smith預估器的PID控制算法由上述所知，由於濃度反應的滯後時間的影響，使得目前的控制方法不能提高採樣速度，從而影響控制效果。Smith預估器的作用正是針對滯後時間問題提出的純滯後補償控制算法。其基本原理是用引入與對象並聯Smith預估器，使補償後的等效對象不包含純滯後特性，從而可以用一般PID算法達到較好控制效果。對於本系統而言，就是相當於蠕動泵輸出控制量時，生物反應器內的濃度立即發生變化，沒有任何延時，從而可以立即採樣，也就加快了採樣速度，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，避免積分飽和現象(指保持控制量在泵的流量範圍內，避免異常控制)，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，超門限的偏差時，不引入積作用，避免了積分飽和，從而提高系統的輸出特性。
另外，本系統設計中不止提供一種控制算法，用戶可根據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態，而不關心超調量時，可採取本軟體提供的最小拍控制。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境，大大提高細胞培養實驗的效率。
2.硬體部分設計2.1硬體組成本系統硬體組成結構如圖1所示，由計算機，數字I/O卡和信號調理與驅動電路，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液容器，用於按程序設定向生物反應器內流加濃縮營養物質。計算機的控制對象為生物反應器中營養物質濃度。
計算機計算機為實驗室已有普通計算機，當然後續研究時建議採用專用工控計算機，以取得較穩定可靠的控制效果。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)系統主控軟體運行平臺；(3)生物反應器AFS軟體運行平臺；(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，方便調試。
本系統擴展了兩塊板卡，其中數據通信卡為PCI-1612，功能為擴展普通PC機的串口數量和串口的電平標準。由於實驗室計算機集中控制的需要，本臺電腦不僅作為此系統的主控計算機，而且還作為UPS，AFS的控制計算機，後者剛好已經用完兩個串口。為此，本系統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，由於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。通信卡的軟體操作主要為驅動安裝，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
數據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，驅動調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。此模擬輸出卡的軟體操作主要是驅動安裝，驅動函數的調用，軟硬體模式配置。輸出卡的輸出端子固定在調理箱中，其連接線序如下表表2 輸出卡連接方法
信號調理箱信號調理箱主要由機箱，電源，調理板組成。
機箱為根據調理電路的大小以及電源的尺寸專門定製，其電源引線，接口，指示燈，開關，通信座槽，輸出插槽都經過專門設計，符合工業標準。機箱面板組成如下表
電源為100W四輸出標準開關電源，電壓輸出穩定，波形平滑，較好保證了調理電路的精度。電源的15V輸出給調理板供電。
調理板完全自主設計，基本電路原理為電壓/電流轉換電路，電壓控制三極體開關電路。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理電路原理圖。電壓控制開關電路由輸出卡的數字量輸出口(DIO)電平控制，能產生開關信號，用於蠕動泵的緊急停機。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標準配線箱和專用接線架，使電流驅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類網線，方便了端子的製作與連接方便，而且雙絞線結構也能更好的抗幹擾，傳輸質量較高。
配線箱所起的作用是信號轉接，所以其兩端的線序實質還是1對1，2對2，但是為了增強抗幹擾能力，特將實際用到的線儘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，經轉換後變為232，和生化分析儀接口相容。電源使用了12V單獨充電電源，232埠為DB9接口，經轉接頭與生化分析儀連接，轉接頭線序如下表所示。485埠只有DATA-和DATA+兩個引腳，分別與配線中來的DATA-(即網口的2引腳)，DATA+(即網口的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機連接的硬體可行性，在增加一些必要的適配器以及編制完善的通信協議之後能夠保證通訊的正常。作為本系統的反饋信號源，實時監測生物反應器內營養物質濃度。
蠕動泵蠕動泵為藍格BT300型泵，提供了DB9外控結構，4-20mA標準工業控制信號輸入，0-300r/m轉速輸出，STOP開關信號輸入用於緊急停機。
2.2系統硬體操作步驟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，再開調理箱電源，接著進入主控軟體界面，按軟體操作步驟正確操作主控軟體進行實驗；4)實驗結束，退出主控軟體後，請先關閉調理箱電源，再關閉電腦電源，然後是生化分析儀和蠕動泵電源，結束各項操作。
3.軟體部分設計3.1運行要求PIII800以上機型，128M以上內存，50M以上空閒硬碟空間，Windows 9x、WindowsXP、windows NT 4.0或更高版本的中文作業系統。
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，按回車鍵後啟動profeed.exe，經提示插入啟動盤(如果有啟動盤)，程序將被啟動，出現如圖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本程序主界面(圖3)，在最上端有流速測量、參數設置、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。
將硬體系統接好後，點擊開始測量，觀察補充溶液所在的容器，當全部被抽完後，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過計算後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，測量的數據一併返回。
3.2.2參數設置點擊「參數設置」按鈕，進入參數設置主界面(圖5)，在界面的右邊設有「通訊參數設置」、「狀態參數設置」、「PID參數設置」、「資料庫設置」和「參數設置完畢」5個選項按鈕。
1)通訊參數設置點擊「通訊參數設置」按鈕，進入通訊參數設置界面(圖6)，設定通訊各參數。
buffer size緩衝區大小(200)port number埠號(4)band rate 波特率(9600)data bits 數據位(8)stop bits 停止位(1)sample time採樣間隔時間單位秒(3600)注括號中為本程序的默認值。
2)狀態參數設置點擊狀態參數設置按鈕，進入狀態設置界面(圖7)。此界面共分為兩列，第一列為各種狀態名稱，第二列為各種狀態數值，狀態參數將在對溶液濃度的控制中起作用。
3)PID參數設置點擊PID參數設置按鈕，進入PID參數設置界面(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，超過此數值程序將給出警示。
第一個項目下限第一種溶液濃度允許的最低值，低於此數值程序將給出警示。
第二個項目上限第二種溶液濃度允許的最高值，超過此數值程序將給出警示。
第二個項目下限第二種溶液濃度允許的最低值，低於此數值程序將給出警示。
注單位統一為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將依據此數值調節流加溶液的體積。
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將依據此數值調節流加溶液的體積。
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，再次啟動系統時跳過流速測定步驟，繼續沿用上次設定值，為使用人員提供方便。
反應罐容積當次培養生物反應器內溶液的總容積。
PID參數第一個為比例係數，第二個為積分係數，第三個為微分係數；程序將按照設定的係數進行PID反饋控制。
4)資料庫設置本資料庫系統為微軟公司的ACCESS，安裝系統後需要設置ODBC數據源。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「創建新數據源」對話框，選擇「Microsoft Access Drive」選項，單擊「完成」，出現安裝對話框，單擊「選擇」，把為保存實驗結果而指定的資料庫選中，再單擊「確定」，完成數據源設置。注意，此步驟在系統安裝後進行1次即可。
點擊資料庫設置按鈕，進入資料庫設置界面(圖9)。
單擊「設置資料庫」選項，將會出現一個對話框是否重新設置數據表。單擊「是」，將為本次實驗創建一個新的數據表，單擊「否」，將從下拉菜單中選擇一個數據表保存此次實驗的數據。
5)參數設置完畢參數設置好後，單擊「參數設置完畢」，將返回主界面，等待用戶開始執行程序。
3.2.3運行程序1)開始及實時監控當所有參數設置完畢、所有實驗條件準備好後單擊「開始測量」，監控程序將開始啟動，程序進入實時監控界面(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，如在允許範圍之內綠燈亮，否則紅燈亮，並同時顯示越限類型。
2)歷史數據查詢。
點擊「數據瀏覽」按鈕，進入歷史數據查詢界面。
先單擊「資料庫查詢」按鈕，此時，程序將把設定好的資料庫中的數據調入內存以供查詢。
單擊「圖形顯示」按鈕，界面中會顯示本次實驗數據的「時間-濃度」曲線(圖11)，拖動圖形中的十字架，將會在把滑鼠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據的報表形式(圖12)，方便使用人員查詢每個時間點的具體數據，並進行前後對照。
在實驗完畢後，單擊「報表設定」按鈕，填入實驗人員名稱以及報表名稱，單擊報表列印，將會自動生成本次試驗的報表，見圖13。
實驗完畢後，點擊「結束測量」並退出程序。
權利要求
1.一種細胞培養用程控反饋補料系統，其特徵在於，該系統由生化分析儀、生物反應器、蠕動泵組及計算機控制系統構成閉環迴路，由計算機控制系統監測生化分析儀的特定營養物濃度測定信號，通過反饋控制原理控制蠕動泵組向生物反應器內流加營養物質的速度，使生物反應器、蠕動泵組和生化分析儀協同工作，將生物反應器內的營養物濃度穩定、精確地控制在設定範圍；生物反應器內的特定營養物濃度由生化分析儀定時檢測後，將測量信號通過串口送入接口轉換模塊，轉換模塊經過通訊擴展卡送入程控計算機由程控軟體進行讀取，再根據PID反饋控制原理計算應加入生物反應器內的營養物量，經轉換為蠕動泵轉動量後其數字控制量通過電壓輸出卡輸出模擬控制量，通過信號調理與驅動電路控制蠕動泵組工作。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述的生物反應器，用於動物細胞培養，罐體上有多個接口，在細胞培養過程中可從罐內對培養液取樣放出；或將外部液體加入罐內，提供細胞生長所需的營養物質。
3.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述的計算機控制系統是一種基於生化分析儀監測信號，反饋控制生物反應器內營養物質濃度的計算機控制系統，它包括有數字控制虛擬儀器、數字I/O卡和信號調理與驅動電路，數字控制虛擬儀器內有接口轉換模塊，通過串行通訊接口分別與數字I/O卡和生化分析儀連接，數字I/O卡和信號調理與驅動電路連接，數字控制虛擬儀器內裝有專用的細胞培養用反饋補料控制軟體。
4.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述的生化分析儀，配套相應檢測膜後用於定時監測生物反應器內特定營養物濃度，並且由外部程控軟體讀取其測量值，錄入資料庫。
5.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，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液容器，用於按程序設定向生物反應器內流加濃縮營養物質。
6.如權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述的接口轉換模塊，用於將生化分析儀監測的特定營養物質濃度轉換為實時採樣數據送入程控計算機。
7.如權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述的信號調理與驅動電路，用於將電壓輸出卡輸出的模擬量進行信號轉換，驅動蠕動泵運轉。
全文摘要
本發明公開了一種細胞培養用程控反饋補料系統。該系統基於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，通過計算機數據處理與相應接口輸出，利用程控軟體預設的多種反饋控制算法調節營養物流加用蠕動泵的動作，實時控制流加到生物反應器內營養物的添加速率，從而實現生化分析儀、蠕動泵和生物反應器的閉環協同自動測控，對生物反應器內的營養物質濃度進行精確反饋控制。該系統具有穩定性好、控制精度高、過程控制指標明確、可操作性強、應用範圍廣等特點。適用於動物細胞表達生物技術產品的規模生產及工藝過程研究。
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 優先權日2005年4月18日
發明者米力, 馮強, 李寧, 方陸軍 申請人:陳志南