專利名稱：細(xì)胞培養(yǎng)用程控反饋補(bǔ)料系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)控制系統(tǒng)，進(jìn)一步涉及基于生化分析儀反饋控制生物反應(yīng)器內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度的微機(jī)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)已成為生物制藥領(lǐng)域最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，并以其研究的深入和進(jìn)展推動(dòng)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。
流加培養(yǎng)工藝是當(dāng)前動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)工藝中占有主流優(yōu)勢(shì)的培養(yǎng)工藝，也是近年來(lái)動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)研究的熱點(diǎn)[1]。在規(guī)?；牡鞍踪|(zhì)生產(chǎn)中選擇使用流加工藝(Fed-batch)的公司有，如美國(guó)的Genentech，IDEC，MedImmune，Merck等。此工藝具有操作簡(jiǎn)單、產(chǎn)率高、容易放大(10000升以上)等優(yōu)點(diǎn)。流加培養(yǎng)工藝中的關(guān)鍵技術(shù)是基礎(chǔ)培養(yǎng)基和流加濃縮營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)。1996年謝良志運(yùn)用化學(xué)計(jì)量法(Xie LZ)，根據(jù)動(dòng)物細(xì)胞生長(zhǎng)的需求，設(shè)計(jì)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(xì)胞代謝方式[2]。雜交瘤細(xì)胞流加培養(yǎng)周期超過(guò)550小時(shí)，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(xì)胞密度達(dá)5×107/ml，峰值的活細(xì)胞密度大于1.5×107/ml，抗體累積濃度達(dá)2.4g/L[3]。
但在流加工藝的研究與應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)營(yíng)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(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)用生物反應(yīng)器已經(jīng)常規(guī)配備了一些簡(jiǎn)單的補(bǔ)料泵控制程序，但遠(yuǎn)不能適應(yīng)動(dòng)物細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物消耗呈非線性變化的特點(diǎn)[4]。此外，各生物反應(yīng)器及檢測(cè)設(shè)備廠家的產(chǎn)品間一般不能通用，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室中的各儀器一般為獨(dú)立工作，偶爾能多臺(tái)協(xié)同工作的，也是以人為手動(dòng)干預(yù)或相同廠家系列產(chǎn)品為前提。因此，以控制營(yíng)養(yǎng)物濃度維持在較低水平，以改變細(xì)胞代謝方式，從而提高培養(yǎng)效率的方法在實(shí)際應(yīng)用中受到了很大程度的限制。
目前，在生物過(guò)程自動(dòng)化控制領(lǐng)域，以經(jīng)典的前饋、反饋原理為基礎(chǔ)，新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[5]。但其中，以PID(比例-積分-微分)反饋控制模式設(shè)計(jì)并實(shí)用化的控制器因其簡(jiǎn)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(yīng)用最為廣泛的控制方法。在細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中，生物反應(yīng)器內(nèi)的營(yíng)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(duì)象，非常適合于應(yīng)用PID原理進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，應(yīng)用不同的算法，如Smith預(yù)估、積分分離、大林算法[6，7，8]等可以在穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的靈敏度和精確性，對(duì)培養(yǎng)過(guò)程控制起到良好地效果。但在應(yīng)用過(guò)程中，必須建立與培養(yǎng)設(shè)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(yīng)用于生產(chǎn)。
與本發(fā)明相關(guān)的專利及文獻(xiàn)主要集中在以下幾個(gè)方面1)反饋控制算法的改進(jìn)；2)自動(dòng)補(bǔ)料裝置；3)生化分析儀；4)蠕動(dòng)泵等。其中，反饋控制算法多為數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化與改進(jìn)，并未涉及具體硬件設(shè)備的組成與應(yīng)用[9，10，11，12]；自動(dòng)補(bǔ)料裝置多為利用培養(yǎng)罐體內(nèi)PH、溶氧濃度或重量進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)料操作，并未針對(duì)營(yíng)養(yǎng)物濃度本身進(jìn)行直接反饋控制[13，14，15]；而生化分析儀及蠕動(dòng)泵主要是基于不同檢測(cè)原理及機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行專利保護(hù)[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(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。
以下是發(fā)明人給出的一些相關(guān)文獻(xiàn)[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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).北京機(jī)械工業(yè)出版社 2005年第一版，172-178頁(yè)。
東芝株式會(huì)社.具有改進(jìn)的前饋反饋結(jié)合的過(guò)程控制.專利申請(qǐng)?zhí)?8103947.0。
東芝株式會(huì)社.反饋控制裝置.專利申請(qǐng)?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(qǐng)?zhí)?7125234.3。
三星電子株式會(huì)社.反饋控制系統(tǒng)和方法.專利申請(qǐng)?zhí)?00410046529.3。
中國(guó)科學(xué)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(qǐng)?zhí)?0109088.7。
廈門大學(xué).流路自動(dòng)反饋稀釋與控制裝置.專利申請(qǐng)?zhí)?00310123856.X。
上海國(guó)強(qiáng)生化工程裝備有限公司.用于過(guò)程優(yōu)化與數(shù)據(jù)放大的自控發(fā)酵罐裝置.專利申請(qǐng)?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(wàn)新科技有限公司.全自動(dòng)生化分析儀.專利申請(qǐng)?zhí)?3266090.1。
雀巢制品公司.蠕動(dòng)泵.申請(qǐng)(專利)號(hào)98804300.9。
本發(fā)明在原理上應(yīng)用了經(jīng)典的PID控制理論，但在系統(tǒng)構(gòu)成及硬件配置方面均根據(jù)動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，將目前成熟的技術(shù)如計(jì)算機(jī)、生化分析儀及蠕動(dòng)泵有機(jī)結(jié)合起來(lái)，以滿足動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模高密度培養(yǎng)的需求，國(guó)內(nèi)外均未見(jiàn)成套設(shè)備的專利與文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種細(xì)胞培養(yǎng)用程控反饋補(bǔ)料系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種基于生化分析儀監(jiān)測(cè)信號(hào)，以PID原理反饋控制生物反應(yīng)器內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度，且適用于多種生物反應(yīng)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種細(xì)胞培養(yǎng)用程控反饋補(bǔ)料系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由生化分析儀、生物反應(yīng)器、蠕動(dòng)泵組及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)回路，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)生化分析儀的培養(yǎng)液信號(hào)，用反饋控制原理使生物反應(yīng)器、蠕動(dòng)泵組和生化分析儀協(xié)同工作，控制生物反應(yīng)器內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度。
生物反應(yīng)器內(nèi)的特定營(yíng)養(yǎng)物濃度由生化分析儀定時(shí)檢測(cè)后，將測(cè)量信號(hào)通過(guò)串口送入接口轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)過(guò)通訊擴(kuò)展卡送入程控計(jì)算機(jī)由程控軟件進(jìn)行讀取，再根據(jù)PID反饋控制原理計(jì)算應(yīng)加入生物反應(yīng)器內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物量，經(jīng)轉(zhuǎn)換為蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)動(dòng)量后其數(shù)字控制量通過(guò)電壓輸出卡輸出模擬控制量，通過(guò)信號(hào)條理與驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出驅(qū)動(dòng)電流，控制蠕動(dòng)泵組工作。
本發(fā)明的其他特點(diǎn)是，所述的生物反應(yīng)器，用于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)，罐體上有多個(gè)接口，可在細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中從罐內(nèi)對(duì)培養(yǎng)液取樣放出或?qū)⑼獠恳后w加入罐內(nèi)，提供細(xì)胞生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。
所述的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一種基于生化分析儀監(jiān)測(cè)信號(hào)，反饋控制生物反應(yīng)器內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度的計(jì)算機(jī)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(hào)調(diào)理與驅(qū)動(dòng)電路，數(shù)字控制虛擬儀器內(nèi)有接口轉(zhuǎn)換模塊，通過(guò)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(hào)調(diào)理與驅(qū)動(dòng)電路連接，數(shù)字控制虛擬儀器內(nèi)有專用的細(xì)胞培養(yǎng)用反饋補(bǔ)料控制軟件；所述的生化分析儀，配套相應(yīng)檢測(cè)膜后用于定時(shí)監(jiān)測(cè)生物反應(yīng)器內(nèi)特定營(yíng)養(yǎng)物濃度，并且可由外部程控軟件讀取其測(cè)量值，錄入數(shù)據(jù)庫(kù)；所述的蠕動(dòng)泵組由多個(gè)蠕動(dòng)泵構(gòu)成，每一個(gè)蠕動(dòng)泵連接一個(gè)濃縮營(yíng)養(yǎng)液容器，用于按程序設(shè)定向生物反應(yīng)器內(nèi)流加濃縮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。
所述的接口轉(zhuǎn)換模塊，用于將生化分析儀監(jiān)控的細(xì)胞反應(yīng)濃度轉(zhuǎn)換為適時(shí)采樣數(shù)據(jù)送入程控計(jì)算機(jī)；所述的信號(hào)調(diào)理與驅(qū)動(dòng)電路，用于將電壓輸出卡輸出的模擬量進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)。
本發(fā)明基于PID反饋控制原理，由計(jì)算機(jī)的通訊接口引入生化分析儀測(cè)量信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理與相應(yīng)接口輸出，利用程控軟件預(yù)設(shè)的多種反饋控制算法調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)物流加用蠕動(dòng)泵的動(dòng)作，實(shí)時(shí)控制流加到生物反應(yīng)器內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物的添加速率，從而實(shí)現(xiàn)生化分析儀、蠕動(dòng)泵和生物反應(yīng)器的閉環(huán)協(xié)同自動(dòng)測(cè)控，對(duì)生物反應(yīng)器內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度進(jìn)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(yīng)器，對(duì)培養(yǎng)過(guò)程中兩種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度同時(shí)進(jìn)行精確控制，每小時(shí)自動(dòng)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(yàn)顯示該系統(tǒng)能按設(shè)置要求完成營(yíng)養(yǎng)物濃度的反饋控制，并達(dá)到了預(yù)期的控制精度與效果。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2是調(diào)理電路原理圖；圖3～圖13是本發(fā)明的計(jì)算機(jī)控制界面示意圖。
以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
(一)反饋控制系統(tǒng)構(gòu)成參見(jiàn)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(zhuǎn)換模塊、通訊口擴(kuò)展卡、計(jì)算機(jī)及專用控制軟件、電壓輸出卡、信號(hào)調(diào)理與驅(qū)動(dòng)電路、蠕動(dòng)泵組及生物反應(yīng)器構(gòu)成。
(二)應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)的基本原理PID反饋控制原理當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)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(shí)用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡(jiǎn)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(yīng)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(guān)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(shè)定三個(gè)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(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。
首先，PID應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過(guò)程是非線性或時(shí)變的，但通過(guò)對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)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(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)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(shí)現(xiàn)1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想與工作原理基于生化分析儀反饋的程控補(bǔ)料系統(tǒng)研制項(xiàng)目是優(yōu)化動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)平臺(tái)，提高過(guò)程控制自動(dòng)化程度的重要措施。
本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想是
通過(guò)計(jì)算機(jī)的通訊接口，引入生化分析儀反饋測(cè)量信號(hào)，通過(guò)專用軟件處理數(shù)據(jù)，通過(guò)輸出接口，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)靈活強(qiáng)大的控制算法來(lái)控制蠕動(dòng)泵調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)生化分析儀、蠕動(dòng)泵和生物反應(yīng)器的閉環(huán)協(xié)同自動(dòng)測(cè)控，使培養(yǎng)過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)物濃度得以精確控制，提高培養(yǎng)效率。
硬件總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，其中數(shù)字控制虛擬儀器為普通計(jì)算機(jī)，控制輸出通過(guò)專門的數(shù)字I/O卡和信號(hào)調(diào)理與驅(qū)動(dòng)電路后控制多個(gè)蠕動(dòng)泵的調(diào)節(jié)，計(jì)算機(jī)的反饋信號(hào)由分化分析儀的各采集量經(jīng)由計(jì)算機(jī)串口輸入，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
軟件開(kāi)發(fā)工具為L(zhǎng)abView6.1。
本系統(tǒng)的控制對(duì)象生物反應(yīng)器內(nèi)營(yíng)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(duì)象?，F(xiàn)有反饋控制方法是普通PID控制，采樣速度為1小時(shí)一次。由于純滯后環(huán)節(jié)的存在，低采樣速率帶來(lái)的后果是加大了對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)，使?jié)舛冗_(dá)到期望穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)，影響細(xì)胞培養(yǎng)。但采取如此慢的采樣速度是因?yàn)槿芤簼舛茸兓^(guò)程較慢，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗時(shí)濃度有較大的滯后改變時(shí)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(duì)象變化的速度不同步，從而使?jié)舛瘸{(diào)過(guò)大，難以達(dá)到穩(wěn)態(tài)。但不更改采樣速度，濃度控制達(dá)到穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間又很長(zhǎng)，且調(diào)節(jié)一次的慣性也很大，從而超調(diào)誤差較大。針對(duì)上述矛盾，本設(shè)計(jì)中應(yīng)用了以下幾點(diǎn)控制策略以提高控制精度1.采取帶Smith預(yù)估器的PID控制算法由上述所知，由于濃度反應(yīng)的滯后時(shí)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(yù)估器的作用正是針對(duì)滯后時(shí)間問(wèn)題提出的純滯后補(bǔ)償控制算法。其基本原理是用引入與對(duì)象并聯(lián)Smith預(yù)估器，使補(bǔ)償后的等效對(duì)象不包含純滯后特性，從而可以用一般PID算法達(dá)到較好控制效果。對(duì)于本系統(tǒng)而言，就是相當(dāng)于蠕動(dòng)泵輸出控制量時(shí)，生物反應(yīng)器內(nèi)的濃度立即發(fā)生變化，沒(méi)有任何延時(shí)，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(dá)到很好的效果。
2.改進(jìn)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)，避免異常控制)，本設(shè)計(jì)中將普通PID算法改進(jìn)為積分分離PID控制，即限制偏差在某個(gè)門限內(nèi)，超門限的偏差時(shí)，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(shè)計(jì)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(dāng)算法，如用戶希望被控對(duì)象更快的達(dá)到穩(wěn)態(tài)，而不關(guān)心超調(diào)量時(shí)，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(yù)估PID算法的比較，普通PID與積分分離PID控制的比較等。通過(guò)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(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的效率。
2.硬件部分設(shè)計(jì)2.1硬件組成本系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，由計(jì)算機(jī)，數(shù)字I/O卡和信號(hào)調(diào)理與驅(qū)動(dòng)電路，以及生化分析儀，蠕動(dòng)泵組成，每一個(gè)蠕動(dòng)泵連接一個(gè)濃縮營(yíng)養(yǎng)液容器，用于按程序設(shè)定向生物反應(yīng)器內(nèi)流加濃縮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。計(jì)算機(jī)的控制對(duì)象為生物反應(yīng)器中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度。
計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)為實(shí)驗(yàn)室已有普通計(jì)算機(jī)，當(dāng)然后續(xù)研究時(shí)建議采用專用工控計(jì)算機(jī)，以取得較穩(wěn)定可靠的控制效果。計(jì)算機(jī)完成以下功能(1)為擴(kuò)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(yùn)行平臺(tái)；(3)生物反應(yīng)器AFS軟件運(yùn)行平臺(tái)；(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(kuò)展了兩塊板卡，其中數(shù)據(jù)通信卡為PCI-1612，功能為擴(kuò)展普通PC機(jī)的串口數(shù)量和串口的電平標(biāo)準(zhǔn)。由于實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)集中控制的需要，本臺(tái)電腦不僅作為此系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)，而且還作為UPS，AFS的控制計(jì)算機(jī)，后者剛好已經(jīng)用完兩個(gè)串口。為此，本系統(tǒng)中另擴(kuò)展了一塊通信板卡PCI-1612，此卡能另加四個(gè)串行口。另外，由于生化分析儀和計(jì)算機(jī)不在一個(gè)房間中，需要進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，此卡擴(kuò)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(dòng)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(hào)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(dòng)調(diào)理電路以控制蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動(dòng)量。此輸出卡有8個(gè)電壓輸出通道，可獨(dú)立控制8臺(tái)蠕動(dòng)泵。8個(gè)數(shù)字通道，可以用來(lái)緊急停止蠕動(dòng)泵的運(yùn)行。此模擬輸出卡的軟件操作主要是驅(qū)動(dòng)安裝，驅(qū)動(dòng)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(hào)調(diào)理箱信號(hào)調(diào)理箱主要由機(jī)箱，電源，調(diào)理板組成。
機(jī)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(kāi)關(guān)，通信座槽，輸出插槽都經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)箱面板組成如下表

電源為100W四輸出標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)，基本電路原理為電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，電壓控制三極管開(kāi)關(guān)電路。其中電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，輸入0-10信號(hào)，輸出4-20mA電路，符合蠕動(dòng)泵的控制信號(hào)要求，而且電流信號(hào)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸不衰減，達(dá)到了精確控制泵轉(zhuǎn)速的目標(biāo)，具體電路見(jiàn)附錄中調(diào)理電路原理圖。電壓控制開(kāi)關(guān)電路由輸出卡的數(shù)字量輸出口(DIO)電平控制，能產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)，用于蠕動(dòng)泵的緊急停機(jī)。當(dāng)然此功能和電壓輸出歸零等價(jià)，具體電路見(jiàn)附錄中圖2。
此調(diào)理電路可接收4路輸入控制信號(hào)，4路輸出控制信號(hào)，能獨(dú)立控制四臺(tái)蠕動(dòng)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(hào)與傳輸線配線箱與線架選購(gòu)的為符合通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配線箱和專用接線架，使電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)與通信信號(hào)能方便的更改線序與連接。
信號(hào)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(jié)構(gòu)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(hào)轉(zhuǎn)接，所以其兩端的線序?qū)嵸|(zhì)還是1對(duì)1，2對(duì)2，但是為了增強(qiáng)抗干擾能力，特將實(shí)際用到的線盡量保持了雙絞線兩兩相連。
通信接口轉(zhuǎn)換模塊通信接口轉(zhuǎn)換模塊為485轉(zhuǎn)232用，從卡中來(lái)的信號(hào)為485電平，經(jīng)轉(zhuǎn)換后變?yōu)?32，和生化分析儀接口相容。電源使用了12V單獨(dú)充電電源，232端口為DB9接口，經(jīng)轉(zhuǎn)接頭與生化分析儀連接，轉(zhuǎn)接頭線序如下表所示。485端口只有DATA-和DATA+兩個(gè)引腳，分別與配線中來(lái)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(hào)為YSI-2700，自帶串行接口保證了和PC機(jī)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(hào)源，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物反應(yīng)器內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度。
蠕動(dòng)泵蠕動(dòng)泵為藍(lán)格BT300型泵，提供了DB9外控結(jié)構(gòu)，4-20mA標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制信號(hào)輸入，0-300r/m轉(zhuǎn)速輸出，STOP開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入用于緊急停機(jī)。
2.2系統(tǒng)硬件操作步驟1)打開(kāi)生化分析儀電源，按要求正確設(shè)定，將通信線正確連接；2)在蠕動(dòng)泵上夾好補(bǔ)料管道，打開(kāi)蠕動(dòng)泵電源，正確設(shè)定運(yùn)行方向，將控制開(kāi)關(guān)打到“外控”檔，正確連接外控連線；3)到主控計(jì)算機(jī)室，正確連接通信線與輸出線，先開(kāi)電腦電源，再開(kāi)調(diào)理箱電源，接著進(jìn)入主控軟件界面，按軟件操作步驟正確操作主控軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；4)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，退出主控軟件后，請(qǐng)先關(guān)閉調(diào)理箱電源，再關(guān)閉電腦電源，然后是生化分析儀和蠕動(dòng)泵電源，結(jié)束各項(xiàng)操作。
3.軟件部分設(shè)計(jì)3.1運(yùn)行要求PIII800以上機(jī)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(dòng)從資源管理器選擇profeed.exe或在開(kāi)始菜單、運(yùn)行中輸入profeed.exe所在目錄\profeed，按回車鍵后啟動(dòng)profeed.exe，經(jīng)提示插入啟動(dòng)盤(如果有啟動(dòng)盤)，程序?qū)⒈粏?dòng)，出現(xiàn)如圖3所示的主界面。
3.2操作界面與設(shè)定點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕即出現(xiàn)本程序主界面(圖3)，在最上端有流速測(cè)量、參數(shù)設(shè)置、實(shí)測(cè)顯示、歷史查詢這四個(gè)按鈕。
3.2.1流速測(cè)量點(diǎn)擊流速測(cè)量按鈕，進(jìn)入流速測(cè)量子程序界面(圖4)。
在子程序界面有“液體容量”和“轉(zhuǎn)速”兩項(xiàng)。
“液體容量”指的是在為測(cè)試本次溶液每分鐘的流速而事先選定的補(bǔ)充溶液的容量。單位是ml。
“轉(zhuǎn)速”指的是蠕動(dòng)泵每分鐘轉(zhuǎn)速。例如設(shè)定為10，即指轉(zhuǎn)速為每分鐘10圈。
將硬件系統(tǒng)接好后，點(diǎn)擊開(kāi)始測(cè)量，觀察補(bǔ)充溶液所在的容器，當(dāng)全部被抽完后，點(diǎn)擊結(jié)束測(cè)量。
這時(shí)另外一個(gè)顯示欄目單位轉(zhuǎn)速流量會(huì)顯示出經(jīng)過(guò)計(jì)算后的本次試驗(yàn)每分鐘的溶液補(bǔ)充量。
點(diǎn)擊返回，將會(huì)返回到主程序界面，測(cè)量的數(shù)據(jù)一并返回。
3.2.2參數(shù)設(shè)置點(diǎn)擊“參數(shù)設(shè)置”按鈕，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置主界面(圖5)，在界面的右邊設(shè)有“通訊參數(shù)設(shè)置”、“狀態(tài)參數(shù)設(shè)置”、“PID參數(shù)設(shè)置”、“數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置”和“參數(shù)設(shè)置完畢”5個(gè)選項(xiàng)按鈕。
1)通訊參數(shù)設(shè)置點(diǎn)擊“通訊參數(shù)設(shè)置”按鈕，進(jìn)入通訊參數(shù)設(shè)置界面(圖6)，設(shè)定通訊各參數(shù)。
buffer size緩沖區(qū)大小(200)port number端口號(hào)(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(shí)間單位秒(3600)注括號(hào)中為本程序的默認(rèn)值。
2)狀態(tài)參數(shù)設(shè)置點(diǎn)擊狀態(tài)參數(shù)設(shè)置按鈕，進(jìn)入狀態(tài)設(shè)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(duì)溶液濃度的控制中起作用。
3)PID參數(shù)設(shè)置點(diǎn)擊PID參數(shù)設(shè)置按鈕，進(jìn)入PID參數(shù)設(shè)置界面(圖8)。
主要有以下欄目第一個(gè)項(xiàng)目上限第一種溶液濃度允許的最高值，超過(guò)此數(shù)值程序?qū)⒔o出警示。
第一個(gè)項(xiàng)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(gè)項(xiàng)目上限第二種溶液濃度允許的最高值，超過(guò)此數(shù)值程序?qū)⒔o出警示。
第二個(gè)項(xiàng)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(gè)項(xiàng)目目標(biāo)濃度第一種溶液在本次實(shí)驗(yàn)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(gè)項(xiàng)目目標(biāo)濃度第二種溶液在本次實(shí)驗(yàn)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(shè)定設(shè)定當(dāng)次實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)液流速。有兩個(gè)選項(xiàng)，第一個(gè)為流速測(cè)量設(shè)定，第二個(gè)為手動(dòng)設(shè)定。設(shè)置手動(dòng)設(shè)定可以在實(shí)驗(yàn)條件不改變的前提下，再次啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)跳過(guò)流速測(cè)定步驟，繼續(xù)沿用上次設(shè)定值，為使用人員提供方便。
反應(yīng)罐容積當(dāng)次培養(yǎng)生物反應(yīng)器內(nèi)溶液的總?cè)莘e。
PID參數(shù)第一個(gè)為比例系數(shù)，第二個(gè)為積分系數(shù)，第三個(gè)為微分系數(shù)；程序?qū)凑赵O(shè)定的系數(shù)進(jìn)行PID反饋控制。
4)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置本數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)為微軟公司的ACCESS，安裝系統(tǒng)后需要設(shè)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(biāo)。點(diǎn)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(duì)話框，選擇“Microsoft Access Drive”選項(xiàng)，單擊“完成”，出現(xiàn)安裝對(duì)話框，單擊“選擇”，把為保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果而指定的數(shù)據(jù)庫(kù)選中，再單擊“確定”，完成數(shù)據(jù)源設(shè)置。注意，此步驟在系統(tǒng)安裝后進(jìn)行1次即可。
點(diǎn)擊數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置按鈕，進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置界面(圖9)。
單擊“設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)”選項(xiàng)，將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框是否重新設(shè)置數(shù)據(jù)表。單擊“是”，將為本次實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建一個(gè)新的數(shù)據(jù)表，單擊“否”，將從下拉菜單中選擇一個(gè)數(shù)據(jù)表保存此次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。
5)參數(shù)設(shè)置完畢參數(shù)設(shè)置好后，單擊“參數(shù)設(shè)置完畢”，將返回主界面，等待用戶開(kāi)始執(zhí)行程序。
3.2.3運(yùn)行程序1)開(kāi)始及實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)所有參數(shù)設(shè)置完畢、所有實(shí)驗(yàn)條件準(zhǔn)備好后單擊“開(kāi)始測(cè)量”，監(jiān)控程序?qū)㈤_(kāi)始啟動(dòng)，程序進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控界面(圖10)。
1#濃度當(dāng)前值說(shuō)明的是測(cè)量的第一種溶液當(dāng)前的濃度；2#濃度當(dāng)前值說(shuō)明的是測(cè)量的第二種溶液當(dāng)前的濃度；趨勢(shì)圖顯示的是對(duì)應(yīng)的溶液濃度走勢(shì)，可以十分清晰的看出整個(gè)實(shí)驗(yàn)的控制效果。
下側(cè)對(duì)應(yīng)的指示燈表示當(dāng)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(shí)顯示越限類型。
2)歷史數(shù)據(jù)查詢。
點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)瀏覽”按鈕，進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)查詢界面。
先單擊“數(shù)據(jù)庫(kù)查詢”按鈕，此時(shí)，程序?qū)言O(shè)定好的數(shù)據(jù)庫(kù)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(huì)顯示本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的“時(shí)間-濃度”曲線(圖11)，拖動(dòng)圖形中的十字架，將會(huì)在把鼠標(biāo)所在位置對(duì)應(yīng)時(shí)間的濃度顯示出來(lái)。在下面的顯示框中，將顯示出最大、最小濃度出現(xiàn)的時(shí)間以及各種溶液的平均濃度。
單擊“表格顯示”按鈕，界面中會(huì)顯示本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的報(bào)表形式(圖12)，方便使用人員查詢每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的具體數(shù)據(jù)，并進(jìn)行前后對(duì)照。
在實(shí)驗(yàn)完畢后，單擊“報(bào)表設(shè)定”按鈕，填入實(shí)驗(yàn)人員名稱以及報(bào)表名稱，單擊報(bào)表打印，將會(huì)自動(dòng)生成本次試驗(yàn)的報(bào)表，見(jiàn)圖13。
實(shí)驗(yàn)完畢后，點(diǎn)擊“結(jié)束測(cè)量”并退出程序。
權(quán)利要求
1.一種細(xì)胞培養(yǎng)用程控反饋補(bǔ)料系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由生化分析儀、生物反應(yīng)器、蠕動(dòng)泵組及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)回路，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)生化分析儀的特定營(yíng)養(yǎng)物濃度測(cè)定信號(hào)，通過(guò)反饋控制原理控制蠕動(dòng)泵組向生物反應(yīng)器內(nèi)流加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的速度，使生物反應(yīng)器、蠕動(dòng)泵組和生化分析儀協(xié)同工作，將生物反應(yīng)器內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物濃度穩(wěn)定、精確地控制在設(shè)定范圍；生物反應(yīng)器內(nèi)的特定營(yíng)養(yǎng)物濃度由生化分析儀定時(shí)檢測(cè)后，將測(cè)量信號(hào)通過(guò)串口送入接口轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)過(guò)通訊擴(kuò)展卡送入程控計(jì)算機(jī)由程控軟件進(jìn)行讀取，再根據(jù)PID反饋控制原理計(jì)算應(yīng)加入生物反應(yīng)器內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物量，經(jīng)轉(zhuǎn)換為蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)動(dòng)量后其數(shù)字控制量通過(guò)電壓輸出卡輸出模擬控制量，通過(guò)信號(hào)調(diào)理與驅(qū)動(dòng)電路控制蠕動(dòng)泵組工作。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的生物反應(yīng)器，用于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)，罐體上有多個(gè)接口，在細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中可從罐內(nèi)對(duì)培養(yǎng)液取樣放出；或?qū)⑼獠恳后w加入罐內(nèi)，提供細(xì)胞生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一種基于生化分析儀監(jiān)測(cè)信號(hào)，反饋控制生物反應(yīng)器內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度的計(jì)算機(jī)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(hào)調(diào)理與驅(qū)動(dòng)電路，數(shù)字控制虛擬儀器內(nèi)有接口轉(zhuǎn)換模塊，通過(guò)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(hào)調(diào)理與驅(qū)動(dòng)電路連接，數(shù)字控制虛擬儀器內(nèi)裝有專用的細(xì)胞培養(yǎng)用反饋補(bǔ)料控制軟件。
4.如權(quán)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(yīng)檢測(cè)膜后用于定時(shí)監(jiān)測(cè)生物反應(yīng)器內(nèi)特定營(yíng)養(yǎng)物濃度，并且由外部程控軟件讀取其測(cè)量值，錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的蠕動(dòng)泵組由多個(gè)蠕動(dòng)泵構(gòu)成，每一個(gè)蠕動(dòng)泵連接一個(gè)濃縮營(yíng)養(yǎng)液容器，用于按程序設(shè)定向生物反應(yīng)器內(nèi)流加濃縮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。
6.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的接口轉(zhuǎn)換模塊，用于將生化分析儀監(jiān)測(cè)的特定營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)送入程控計(jì)算機(jī)。
7.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的信號(hào)調(diào)理與驅(qū)動(dòng)電路，用于將電壓輸出卡輸出的模擬量進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種細(xì)胞培養(yǎng)用程控反饋補(bǔ)料系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于PID反饋控制原理，由計(jì)算機(jī)的通訊接口引入生化分析儀測(cè)量信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理與相應(yīng)接口輸出，利用程控軟件預(yù)設(shè)的多種反饋控制算法調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)物流加用蠕動(dòng)泵的動(dòng)作，實(shí)時(shí)控制流加到生物反應(yīng)器內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物的添加速率，從而實(shí)現(xiàn)生化分析儀、蠕動(dòng)泵和生物反應(yīng)器的閉環(huán)協(xié)同自動(dòng)測(cè)控，對(duì)生物反應(yīng)器內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度進(jìn)行精確反饋控制。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、控制精度高、過(guò)程控制指標(biāo)明確、可操作性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。適用于動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)生物技術(shù)產(chǎn)品的規(guī)模生產(chǎn)及工藝過(guò)程研究。
文檔編號(hào)C12M3/00GK1687392SQ200510041968
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月18日
發(fā)明者米力, 馮強(qiáng), 李寧, 方陸軍 申請(qǐng)人:陳志南