[發明專利]高通量微型生物反應器溫度控制系統與方法

在審

• 申請號: 201710041872.6
• 申請日: 2017-01-20
• 公開（公告）號: CN106774516A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 郭慶強;李歧強;李剛;張紅敏
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G05D23/20
• 分類號: G05D23/20
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明屬于控制系統領域，具體涉及一種高通量微型生物反應器溫度控制系統與方法。

背景技術

溫度的控制對工業生產環境以及設備工作環境具有重要的關系。在生物發酵行業中，溫度是必須嚴格控制的理化參數之一，其測量和控制的精度直接影響著反應液中菌種的活性及其生物化學反應，從而對產品質量以及生產效率具有重要的影響。

隨著技術的進步與發展，傳感器的小型化得以實現，從而使得小型的生物發酵過程也可以利用小型溫度傳感器實現溫度的在線測量。

目前生物反應器或者生物發酵的溫度檢測與溫度控制，大多是針對大型的生物發酵系統，缺乏基于微型生物反應器的溫度檢測與溫度控制。同時，現有的生物反應器溫度控制系統大多只能控制單一的反應器單元，尚沒有出現高通量的、同時控制多路反應器單元的溫度控制系統。

發明內容

本發明為了解決上述問題，提出了一種高通量微型生物反應器溫度控制系統，該系統可以實現多路高通量的微型生物反應器溫度的同時控制，控制精度達到±0.1℃，具有實時監控、故障顯示報警以及實時曲線的功能，使反應過程的溫度調節更加自動化、系統化，簡化了人員操作，使用簡單、操作方便，成本低廉。

為了實現上述目的，本發明采用如下方案：

一種高通量微型生物反應器溫度控制系統，包括上位機、控制器MCU和多路生物反應器單元；每一路生物反應器單元包括微型反應罐、溫度傳感器、加熱器和制冷器，溫度傳感器可插入所述微型反應罐內部，加熱器和制冷器均與微型反應罐外側相接觸；在溫度傳感器與控制器MCU之間設有與每一路生物反應器單元對應的一變送器，變送器將溫度傳感器的輸出信號發送給控制器MCU；控制器MCU還連接有對應于每一路所述生物反應器單元的驅動電路，驅動電路的輸出連接所述加熱器和制冷器，用于根據控制器的指令驅動加熱器或制冷片動作，實現溫度調節；所述微型反應罐的體積在60mL以下。

本發明可以實現同時控制多路生物反應器，實現高通量的微型生物反應器溫度控制控制，通過采用上位機還可以將每一路溫度變化過程的實時曲線存儲下來，并實現歷史數據查詢功能，方便生物反應的數據獲取和分析，對生物技術研發、科研工作等提供了巨大的幫助。

進一步的，所述控制器MCU還連接有報警單元，當某一路溫度超出設定區間時，發出報警信號。其有益效果是，可以提醒用戶當前生物反應器內部異常溫度的出現，輔助用戶維護系統正常工作。

進一步的，所述控制器MCU還連接有顯示單元，用于實時顯示每一路生物反應器單元中微型反應罐的內部溫度。其有益效果是直觀得向用戶提供了每一路溫度變化過程，使該溫度控制系統的控制過程具有易讀性。

進一步的，所述微型反應罐放置于基座上，加熱器設于微型反應罐底部和基座之間，制冷器與微型反應罐的外壁相接觸，且沿外壁周向均勻布置，微型反應罐頂部還設有帶通孔的密封蓋，溫度傳感器可通過該通孔插入微型反應罐內部。本發明適用于微型生物反應器，具體的設置了上述的加熱與制冷結構，保證了加熱和制冷的高效，微型反應罐與外界的熱交換有效降低，可以使溫度控制更精確。

進一步的，所述制冷器包括依次相接觸的導冷片、半導體制冷片和散熱片，導冷片與微型反應管的側壁相接觸，散熱片一端還連接有散熱風扇。本發明采用半導體制冷片作為主要制冷器，并在其兩端再連接導冷片和散熱片，其有益效果是可以加速制冷效果，溫度降低過程更迅速。

進一步的，所述溫度檢測器的精度滿足AAA級檢測精度。其有益效果是系統溫度檢測較準確，可以達到±0.036℃，最終也使溫度控制更精確。

本發明還提出了一種高通量微型生物反應器溫度控制方法，包括以下步驟

（1）探測微型生物反應器內部的溫度；

（2）采用模糊控制方法，將探測溫度與設定的溫度進行模糊處理，然后根據設定的模糊規則進行PID參數的自整定，最后對PID參數的自整定的結果進行解模糊化處理；

（3）采用PID控制方法，根據探測溫度與設定的溫度之差和（2）中的解模糊化處理結果進行計算，確定加熱或者制冷的目標溫度；

（4）根據所述加熱或者制冷的目標溫度，對所述探測生物反應器進行加熱或制冷；

重復步驟（1）至（4），使所述生物反應器的內部溫度恒定于所述設定的溫度。