高通量小型生物反应器系统的制作方法

本发明涉及一种高通量小型生物反应器系统的溶解氧检测和温度控制。可用于高通量生物发酵过程中溶解氧检测和温度控制。

背景技术：

生物技术和生命科学将成为21世纪引发科技革命的重要推动力。以生物发酵技术为核心的新一代工业生物技术正在发挥越来越重要的作用。高产菌种大规模筛选技术被列为重点研究的新一代工业生物技术之一。常用的菌种选育技术根据其原理可分：随机选育和理性选育两大类。但从菌种选育实践来看，无论是随机选育还是理性选育，都无法绕开大量繁琐且费时费力的菌株筛选工作。我国是世界上的发酵大国，但是由于种种原因，我国的发酵技术仍处于落后地位，与国际先进水平存在很大的差距。因此，提高工业生产菌种发酵能力是提升我国发酵工业整体水平的重要基础。

传统技术有摇瓶和搅拌式。对于传统摇瓶而言，具有高通量，温度、转速可控制的特点，但数据不可记录且工艺参数不可控制。对于搅拌式反应器而言，具有工艺参数可控制，数据可记录，但无法实现高通量(空间、基础设施的限制)。

根据生物技术的发展需要，希望生物反应器廉价、快速、可靠，可以进行多参数、平行在线监测和具有高通量分析功能。

目前生物反应器广泛使用摇瓶，一般将生物反应的摇瓶放置在在恒温箱里，缺乏对溶解氧检测。而存在的能够同时对溶解氧和温度控制的生物反应器系统大多都是单一的反应器单元，且都是较大型的，缺乏对小型生物反应器的溶解氧和温度控制。温度和溶解氧作为小型生物反应器设备的重要技术，对生物发酵起着至关重要的作用。

技术实现要素：

本发明提出了一种高通量小型生物反应器系统(溶解氧检测和温度控制)。该系统可以实现高通量小型生物反应器同时进行多路溶解氧检测和温度控制。具有相关数据值和数据曲线实时显示和存储功能，使其更加自动化，使用更加简单。

1.一种高通量小型生物反应器系统，其特征在于：包括有摇床、直流电机、电机驱动器、温控模块、电压采集模块、开关电源电路、微控制器mcu、上位机、激发光光源、光电转换模块，电压信号放大电路和多路小型生物反应器单元；直流电机通过带传动带动摇床进行摇动；直流电机使用电机驱动器驱动；电机驱动器通过微控制器mcu连接上位机；

每一路小型生物反应器单元包含小型生物反应器、固态继电器、温度传感器、y型光纤、荧光氧传感膜、加热器；y型光纤和温度传感器都固定在反应器底座，小型生物反应器底部分别集成了荧光氧传感膜和导热管，小型生物反应器放在反应器底座上，荧光氧传感膜正对着y型光纤探头，导热管包裹着温度传感器探头；

每一路小型生物反应器通过温控模块控制温度，并向上位机传送温度数据以及加热器状态；每一路小型生物反应器荧光信号经过y型光纤传输，被光电转换模块转换为电压信号放大后，再由电压采集模块采集电压，并向上位机传送数据。

2.进一步，摇床结构为三偏心轴结构，采用三个偏心轴、6个轴承座以及组成。

3.进一步，电机驱动器通过微控制器mcu向其输出pwm波对直流电机进行启停和调速。

4.进一步，激发光光源为蓝色led光源。

5.进一步，所述加热器为硅胶加热片，包裹在小型生物反应器外侧，可拆卸。

6.进一步，光电转换及信号放大使用±5v线性电路供电。

7.进一步，上位机通过rs485与温控模块和电压采集模块通信，通信协议为modbusrtu；上位机实时显示每一路反应器温度数据和加热器加热状态，以及保存温度数据；上位机将电压信号转换为相应的溶解氧浓度值并实时显示和保存。

本发明所述系统包括有摇床、带轮、皮带、直流电机、电机驱动器、反应器底座、温控模块、电压采集模块、开关电源电路、微控制器mcu、上位机、激发光光源、线性电源、光电转换，电压信号放大电路和多路小型生物反应器单元；每一路小型生物反应器单元包含小型生物反应器、固态继电器、温度传感器、y型光纤、荧光氧传感膜、加热器；每一路小型生物反应器通过温控模块控制温度，并向上位机传送温度数据以及加热器状态；每一路小型生物反应器荧光信号被转换为电压信号，再由电压采集模块采集电压，并向上位机传送数据。

设计一个摇床，为三偏心轴结构，机械部分采用偏心轴、轴承座、上固定板、底座组成。

通过电机带传动带动摇床进行摇动；电机固定于摇床底座，电机采用无刷直流电机，且使用电机驱动器驱动。通过微控制器mcu向电机驱动器输出pwm波对直流电机进行启停和调速。

反应器底座整体固定在摇床的上固定板上，y型光纤和温度传感器都固定在反应器底座，y型光纤和温度传感器探头为圆柱状，并伸出反应器底座一小截。反应器底座整体可以同时放置多通道小型生物反应器单元。

小型生物反应器底部分别集成了荧光氧传感膜和导热管，小型生物反应器放在反应器底座上时，荧光氧传感膜正对着y型光纤探头，导热管包裹着温度传感器探头。y型光纤探头和温度传感器探头除了探测荧光和温度之外，还能起到小型生物反应器辅助定位作用。小型生物反应器可以更换。反应器的体积在50ml以下。

所述加热器为硅胶加热片，包裹在小型生物反应器外侧，可拆卸。硅胶加热片供电端接固态继电器，通过温控模块输出加热信号给固态继电器进行加热控制。

溶解氧检测原理是荧光猝灭原理。每一路小型生物反应器荧光信号通过y型光纤传输，经光电转换成电压信号再放大后，再由电压采集模块采集电压，并向上位机传送数据。

光电转换及信号放大使用±5v线性电路供电，电源纹波为10mv左右。

上位机通过rs485与温控模块和电压采集模块通信，通信协议为modbusrtu；一个温控模块或电压采集模块都是多路的，可以基于rs485组网。

建立stern-volmer方程曲线，将电压信号转换为溶解氧浓度信号。

上位机可实时显示每一路反应器温度数据和加热器加热状态，以及保存温度数据；上位机可将电压信号转换为相应的溶解氧浓度值并实时显示和保存。上位机显示温度值实时曲线以及溶解氧浓度实时曲线。

主要设计了反应器(即反应罐的)结构，通过这种反应器结构，可以实现高通量溶解氧和温度的检测，不像传统的需要将温度传感器和测氧光纤伸进溶液里面，这样避免了溶液对传感器的直接接触。

荧光光强度经过光电二极管转换成电压信号后，需要进行放大，所以需要使用二级运放放大，通过电压采集模块采集得到的电压信号是有噪声和偶尔的脉冲干扰的，这样的信号直接拿来转换成溶解氧的值是不行的，即有较大的波动，所以需要采用限幅平均滤波算法对噪声进行滤波处理，得到较为平滑的数据。

另外设计了一个机械摇床，摇床起到一个对液体进行搅拌的作用，没有摇床效果是不行的。

一、小型生物反应器固定在摇床上，利用摇床的摇动代替传统的对反应器溶液的搅拌，一个原因是由于是高通量，这么多反应器都要单独加入搅拌器，这样操作复杂，麻烦而且成本高；另外一个原因是本来反应器容积就小，加入搅拌器会占去很多空间。所以采用摇床，既能够保证反应器里面溶液能摇晃均匀，达到和搅拌相同的效果，又能够避免以上问题。

二、三偏心轴结构设计有以下优点：

1.设计简单，成本较低；

2.能够获得更大的承重；

3.能够获得更快的转速，转速调节精度高；

4.在高运行转速下，得到更好的平衡；

5.确保在运行状态下，摇床平台上各位置的震荡和摇动一致；

6.减少机构使用磨损，提高机构组件的使用寿命。

附图说明

图1为高通量小型生物反应器系统(溶解氧检测和温度控制)系统结构示意图；

图2为摇床整体示意图；

图3为每一反应器单元结构示意图；

图4为每一单元反应器底座结构示意图；

图5为每一反应器单元放置在每一反应器底座的结构示意图；

图6为线性电源电路图；

图7为电压信号二级运放电路图；

图中1-摇床的上固定板，2-偏心轴，3-轴承座，4-大带轮，5-小带轮，6-摇床底座，7-电机，8-反应器罐体，9-加热片，10-导热管，11-荧光氧传感膜，12-石英玻璃片，13-硬质塑料管，14-反应器底座，15-温度传感器，16-光纤探头。

具体实施方式

本发明所述系统包括有摇床、带轮、皮带、直流电机、电机驱动器、反应器底座、温控模块、电压采集模块、开关电源电路、微控制器mcu、上位机、激发光光源、线性电源、光电转换，电压信号放大电路和多路小型生物反应器单元；每一路小型生物反应器单元包含小型生物反应器、固态继电器、温度传感器、y型光纤、荧光氧传感膜、加热器；

机械摇床结构为三偏心轴结构，偏心轴偏心距5mm，底座和偏心轴材料都采用45#钢，上固定板材料采用铝合金。通过使用螺钉将6个法兰轴承座分别与固定板以及底座连接。轴承座里轴承部分加入润滑脂起到润滑作用。

通过电机转动带传动驱动摇床进行摇动，大带轮通过紧定螺钉固定在一个偏心轴上，小带过紧定螺钉固定在电机转动轴；电机由四个螺钉固定在摇床底座上，电机采用24v、功率60w的无刷直流电机；电机使用电机驱动器驱动。

通过微控制器mcu向电机驱动器输出pwm波对直流电机进行启停和调速。上位机通过usb串口与微控制器mcu通信，且可以通过调节微控制器mcu输出pwm的占空比对摇床启停或调速。摇床的摇动带动多路小型生物反应器连同反应器底座进行摇动。

反应器底座通过螺钉固定在摇床的上固定板，摇床的上固定板有一个大的通孔，能使多路y型光纤和温度传感器穿过，而y型光纤和温度传感器都固定在反应器底座，y型光纤和温度传感器探头均为圆柱状，并伸出反应器底座一小截。所述温度传感器为三线制pt100温度传感器，为高精度温度传感器。y型光纤为石英光纤。

小型生物反应器底部分别集成了荧光氧传感膜和导热管；其中荧光氧传感膜紧贴在石英玻璃片上，石英片粘贴固定在生物反应器底部的硬质塑料管上，激发光通过石英玻璃片照射到荧光氧传感膜，产生的荧光又通过石英玻璃片返回到光纤。因此，石英玻璃片除了能够隔离溶液和光纤之外，还能透过光。导热管顶端封死，隔离溶液和温度传感器。

当小型生物反应器放置在反应器底座上时，荧光氧传感膜正对着y型光纤探头，导热管包裹着温度传感器探头。y型光纤探头和温度传感器探头除了探测荧光和温度之外，还能起到小型生物反应器辅助定位作用。小型生物反应器可以更换，直径为28mm的圆柱状，其体积在50ml以下。

加热器为硅胶加热片，12v，功率为5w，包裹在小型生物反应器外侧，可拆卸。硅胶加热片输入端接固态继电器输出端，通过温控模块输出加热信号给固态继电器进行加热控制。

激发光光源为蓝色led灯，发出的激发光中心波长为473nm。

荧光通过y型光纤传输到光电转换部分进行处理，光电转换部分的器件采用雪崩光电二极管(apd)，将光信号转换为电压信号再进行放大，放大电路采用二级运放进行放大，由于电路中存在一些噪声干扰和脉冲干扰，需要将采集到的电压信号采用限幅平均滤波算法进行滤波处理，得到平滑的数据。此算法对周期性干扰和脉冲干扰有良好的抑制作用，平滑度高。

限幅平均滤波算法的方法是将连续采集的n个数据组成一个队列，然后求得这个队列里n个数据的平均值，将平均值作为本次滤波得到的数据。新的数据来之后，将队列首位数据丢弃(先进先出原则)，如果新来的数据值没有超过限定的幅值，把这个新数据放在队列的队尾；如果超过了限定的幅值，将上一个原始数值作为新数据放在队列的队尾。队列里面数据个数一直是n，这n个数据始终是最新更新的数据，同理，求这n个数的平均值作为本次滤波得到的数据，随着数据的不断采集，这个计算将不断进行。n的值选取：n＝10。

光电转换及信号放大电路使用±5v线性电源供电。线性电源的电路使用的元器件有7905、7912、7805、7812四种型号的三端稳压芯片以及电解电容和瓷片电容若干。此电路将±15v直流电压降到±5v同时，也将电源纹波降低，最终电源纹波为10mv左右，满足电路要求。

上位机通过rs485总线与温控模块和电压采集模块通信，通信协议为标准modbusrtu协议；一个温控模块和一个电压采集模块都是多路的，可以基于rs485组网。

上位机使用定时器通过rs485总线定时向下位机(温控模块和电压采集模块)发送指令，指令格式为标准modbusrtu通信协议格式，当下位机收到属于自己的指令时，向上位机返回相应的数据。这里上位机向温控模块发送到指令包括：读取温控模块相应寄存器存放的温度、加热状态数据，以及向相应寄存器写入温度设定值；上位机向电压采集模块发送到指令是：读取电压采集模块相应寄存器存放的电压值。

建立stern-volmer方程曲线，将电压信号转换为溶解氧浓度信号。

上位机可实时显示每一路反应器温度数据和加热器加热状态，并保存温度数据；上位机可将电压信号转换为相应的溶解氧浓度值并实时显示和保存。上位机可将温度值显示实时曲线以及溶解氧浓度实时曲线。

具体还有以下注意事项：

1.摇床底座需要重一点，这样保证在摇床摇动时摇床整体不会出现摆动情况，因此这里采用45#钢作为摇床底座。

2.摇床的上固定板需要很轻，这样保证在摇床摇动时上固定板惯性小，降低对摇床机构的伤害，因此这里采用铝合金作为摇床上固定板。

3.摇床在启动时速度不能太快，需要慢速启动，逐渐加速，这样能够避免因高速启动对摇床机构带来损害。

4.在微控制器mcu通电瞬间，需要保证微控制器mcu输出i/o口不会出现瞬间高电平现象，因为瞬间高电平会使电机突然高速旋转，致使摇床也高速摇动，这样对摇床产生强烈的冲击，很容易对摇床机构会产生严重的损害。