[发明专利]高通量微型生物反应器温度控制系统与方法

说明书

技术领域

本发明属于控制系统领域，具体涉及一种高通量微型生物反应器温度控制系统与方法。

背景技术

温度的控制对工业生产环境以及设备工作环境具有重要的关系。在生物发酵行业中，温度是必须严格控制的理化参数之一，其测量和控制的精度直接影响着反应液中菌种的活性及其生物化学反应，从而对产品质量以及生产效率具有重要的影响。

随着技术的进步与发展，传感器的小型化得以实现，从而使得小型的生物发酵过程也可以利用小型温度传感器实现温度的在线测量。

目前生物反应器或者生物发酵的温度检测与温度控制，大多是针对大型的生物发酵系统，缺乏基于微型生物反应器的温度检测与温度控制。同时，现有的生物反应器温度控制系统大多只能控制单一的反应器单元，尚没有出现高通量的、同时控制多路反应器单元的温度控制系统。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种高通量微型生物反应器温度控制系统，该系统可以实现多路高通量的微型生物反应器温度的同时控制，控制精度达到±0.1℃，具有实时监控、故障显示报警以及实时曲线的功能，使反应过程的温度调节更加自动化、系统化，简化了人员操作，使用简单、操作方便，成本低廉。

为了实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种高通量微型生物反应器温度控制系统，包括上位机、控制器MCU和多路生物反应器单元；每一路生物反应器单元包括微型反应罐、温度传感器、加热器和制冷器，温度传感器可插入所述微型反应罐内部，加热器和制冷器均与微型反应罐外侧相接触；在温度传感器与控制器MCU之间设有与每一路生物反应器单元对应的一变送器，变送器将温度传感器的输出信号发送给控制器MCU；控制器MCU还连接有对应于每一路所述生物反应器单元的驱动电路，驱动电路的输出连接所述加热器和制冷器，用于根据控制器的指令驱动加热器或制冷片动作，实现温度调节；所述微型反应罐的体积在60mL以下。

本发明可以实现同时控制多路生物反应器，实现高通量的微型生物反应器温度控制控制，通过采用上位机还可以将每一路温度变化过程的实时曲线存储下来，并实现历史数据查询功能，方便生物反应的数据获取和分析，对生物技术研发、科研工作等提供了巨大的帮助。

进一步的，所述控制器MCU还连接有报警单元，当某一路温度超出设定区间时，发出报警信号。其有益效果是，可以提醒用户当前生物反应器内部异常温度的出现，辅助用户维护系统正常工作。

进一步的，所述控制器MCU还连接有显示单元，用于实时显示每一路生物反应器单元中微型反应罐的内部温度。其有益效果是直观得向用户提供了每一路温度变化过程，使该温度控制系统的控制过程具有易读性。

进一步的，所述微型反应罐放置于基座上，加热器设于微型反应罐底部和基座之间，制冷器与微型反应罐的外壁相接触，且沿外壁周向均匀布置，微型反应罐顶部还设有带通孔的密封盖，温度传感器可通过该通孔插入微型反应罐内部。本发明适用于微型生物反应器，具体的设置了上述的加热与制冷结构，保证了加热和制冷的高效，微型反应罐与外界的热交换有效降低，可以使温度控制更精确。

进一步的，所述制冷器包括依次相接触的导冷片、半导体制冷片和散热片，导冷片与微型反应管的侧壁相接触，散热片一端还连接有散热风扇。本发明采用半导体制冷片作为主要制冷器，并在其两端再连接导冷片和散热片，其有益效果是可以加速制冷效果，温度降低过程更迅速。

进一步的，所述温度检测器的精度满足AAA级检测精度。其有益效果是系统温度检测较准确，可以达到±0.036℃，最终也使温度控制更精确。

本发明还提出了一种高通量微型生物反应器温度控制方法，包括以下步骤

（1）探测微型生物反应器内部的温度；

（2）采用模糊控制方法，将探测温度与设定的温度进行模糊处理，然后根据设定的模糊规则进行PID参数的自整定，最后对PID参数的自整定的结果进行解模糊化处理；

（3）采用PID控制方法，根据探测温度与设定的温度之差和（2）中的解模糊化处理结果进行计算，确定加热或者制冷的目标温度；

（4）根据所述加热或者制冷的目标温度，对所述探测生物反应器进行加热或制冷；

重复步骤（1）至（4），使所述生物反应器的内部温度恒定于所述设定的温度。