[發(fā)明專利]塔板型灌注式生物反應器流場測速方法及其實現(xiàn)裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310225408.4
• 申請日: 2013-06-07
• 公開（公告）號: CN103336143A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發(fā)明（設計）人: 羅語溪;高玉寶;蔣慶;龔逸鴻;周煒紅
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G01P5/18
• 分類號: G01P5/18;C12M1/34
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 林麗明

1.一種塔板型灌注式生物反應器流場測速方法，在全流場中取平行塔板之間流體的層流場測速，其特征在于，包括以下步驟：

S1.采用圓柱形激光束平行照射入層流場，激光束在層流場液體的散射作用下，形成一段激光束的圓柱形光柱區(qū)域；

S2.采用加液管向激光束的圓柱形光柱區(qū)域注入有色溶液，調節(jié)注入有色溶液的量與注入的速度，使有色溶液能隨塔板間的培養(yǎng)液向塔板中心流動；其中有色溶液的比重與培養(yǎng)液的比重相同，有色溶液無毒性且能與培養(yǎng)液及激光顏色明顯區(qū)分；

S3.采用相機連續(xù)抓拍并保存圖像，當有色溶液邊緣移至塔板中心時，停止相機的連續(xù)抓拍；其中所述相機所成像的中心水平線與激光束的圓柱形光柱區(qū)域水平面相平，并使塔板邊緣到塔板中心端激光束的圓柱形光柱區(qū)域成像在相機所成像的水平中心區(qū)域；

S4.對相機抓拍的圖像按照抓拍的先后順序進行相同順序的數(shù)字圖像處理，得到所測塔板層流場的流速；

所述步驟S4得到所測塔板層流場流速的方式為：

在第一幅圖像中搜索出塔板邊緣到塔板中心的激光束圓柱形光柱區(qū)域，作為該層塔板上表面層流場的測速區(qū)域Zone，以塔板邊緣位置作為該測速區(qū)域的起始位置Start，以塔板中心作為該測速區(qū)域的終點位置End，

得到起始位置Start與終點位置End之間的水平中心線上像素個數(shù)為L，水平激光束圓柱形光柱區(qū)域圖像在豎直方向上的高度為H個像素，

對剩下的各幅圖像按抓拍的先后順序以同樣的先后順序分別進行處理，搜索出起始位置Start處出現(xiàn)所用有色溶液顏色的圖像，以該圖像抓拍的時刻作為測速的起始時間t0，以Start處像素作為該有色溶液圖像在???????????????????????????????????????????????測速區(qū)域內的前沿邊緣Edge，以Start處像素的灰度值作為該前沿邊緣像素的灰度值；繼續(xù)檢測其后圖像的測速區(qū)域中出現(xiàn)該有色溶液的所有像素，并用圖像邊緣檢測算法檢測出該有色溶液的圖像在區(qū)域內的前沿邊緣；當在時間t0后第n副圖像中該有色溶液的圖像的前向邊緣Edge距離起始位置Start為M個像素時，，得測速區(qū)域內該邊緣Edge所在位置的流場速度為：，其中，R為塔板的半徑，為數(shù)字相機抓拍圖像的間隔時間。

2.根據(jù)權利要求1所述的塔板型灌注式生物反應器流場測速方法，其特征在于，所述步驟S1中激光束的圓柱形光柱區(qū)域下表面距離塔板上表面最近但不接觸到細胞培養(yǎng)層面；激光束從塔板外邊緣水平指向塔板中心，即激光束的指向與塔板間層流場流向一致。

3.根據(jù)權利要求1或2所述的塔板型灌注式生物反應器流場測速方法，其特征在于，所述圖像邊緣檢測算法為多重梯度推進法，多重梯度推進法具體為：

在t0后第n幅圖像個像素的目標區(qū)域內，對于檢測到的邊緣Edge上的像素，與第n-1幅圖像檢測到的邊緣Edge上像素進行像素灰度值比較，判斷兩圖中邊緣Edge上像素的灰度值是否發(fā)生改變，如果其灰度值的變化超過閾值，則從第n幅圖像中邊緣線Edge開始，在目標區(qū)域內沿與流場流向相反的方向搜索有色溶液的像素，以灰度值與第n-1幅圖像中邊緣Edge上像素灰度值相同或差值最小的像素，作為第n幅圖像新的邊緣Edge，并更新流場速度計算的像素位置為Edge。

4.一種應用于權利要求1、2或3所述的塔板型灌注式生物反應器流場測速方法的實現(xiàn)裝置，包括培養(yǎng)罐和塔板組，所述塔板組放置在培養(yǎng)罐內，所述塔板組由若干個平行的塔板組成，培養(yǎng)罐下端設有培養(yǎng)液入口，上端設有培養(yǎng)液出口，所述塔板組中心設有塔板中心導流管，

其特征在于，還包括加液管、激光筆、相機、處理器和支架，所述相機與處理器連接，支架包括相機支架、激光筆支架和直角支架，相機支架和激光筆支架分別接在直角支架兩端，所述相機通過可調結構安裝在相機支架上，所述激光筆通過可調結構安裝在激光筆支架上；所述加液管安裝在直角支架上，加液管放置在培養(yǎng)罐內并位于塔板組邊緣，所述加液管的頂部為有色溶液加注口，加液管的側壁面上開設有一列細孔，各細孔之間的孔間距與各層塔板之間的間距相同，各細孔的孔徑自上至下依次增大，使得從有色溶液加注口加注有色溶液時，從各細孔內流出的有色溶液速度相近，從各細孔中流出的有色溶液的方向與塔板邊緣相切，各細孔與各層塔板上表面的圓柱形光柱區(qū)域的水平軸線在同一水平面；

所述激光筆發(fā)出的激光束方向為水平方向，并指向塔板中心；

所述相機拍攝激光束照射層流場形成的圓柱形光柱區(qū)域。