細(xì)胞擴(kuò)增生物反應(yīng)器控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、目的：近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)中，如蛋白質(zhì)藥物研發(fā)、干細(xì)胞移植、疫苗生產(chǎn)、人造組織器官等領(lǐng)域。例如造血干細(xì)胞移植可長(zhǎng)期重建造血和免疫，它適用于治療造血干、祖細(xì)胞或相關(guān)基因有缺陷的疾病，如白血病、重度免疫缺損、自身免疫病等，是一種重要的生物治療或細(xì)胞治療方法。但往往人體本身可提供的造血干細(xì)胞不足，這就迫切需要在體外對(duì)這些干細(xì)胞進(jìn)行大規(guī)模擴(kuò)增。生物反應(yīng)器的提出就為造血干細(xì)胞的體外擴(kuò)增提供

2、了一種非常有效的方法。細(xì)胞的培養(yǎng)擴(kuò)增過程是極其復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過程，其代謝必須在適宜的周圍環(huán)境中才能有效進(jìn)行。國(guó)外已經(jīng)有比較成熟的生物反應(yīng)器，但國(guó)內(nèi)還沒有商品化的動(dòng)物細(xì)胞生物反應(yīng)器。本文對(duì)波浪式生物反應(yīng)器的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，旨在完成一套基于波浪式生物反應(yīng)器的細(xì)胞培養(yǎng)條件的控制系統(tǒng)，使其能更好的應(yīng)用在細(xì)胞的擴(kuò)增培養(yǎng)上，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)生物反應(yīng)器行業(yè)向前發(fā)展。
　　方法：通過對(duì)當(dāng)前生物反應(yīng)器培養(yǎng)條件的控制方法和控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和討論，提

3、出適合波浪式生物反應(yīng)器培養(yǎng)系統(tǒng)的控制方法?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)主要可以分為三部分：培養(yǎng)條件控制方法的設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)軟/硬件部分設(shè)計(jì)、仿真及實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證部分。關(guān)于控制方法的設(shè)計(jì)，根據(jù)溫度控制要求及溫度控制大滯后的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出Fuzzy-PID控制算法；根據(jù)PH控制要求及PH過程強(qiáng)烈非線性的特性，對(duì)分段式變?cè)鲆?PID進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出四區(qū)段變?cè)鲆?PID控制算法；根據(jù)溶解氧濃度非定值控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出TP-PID的控制算法。關(guān)于控制系統(tǒng)軟/硬件部

4、分的設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)為主控芯片，結(jié)合MPLAB、MATLAB等實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的連接與配合。實(shí)驗(yàn)部分，在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制算法的效果以及控制系統(tǒng)的性能。
　　內(nèi)容：本文研究工作主要包括以下幾個(gè)方面：
　?、偕锓磻?yīng)器控制系統(tǒng)分類及參數(shù)控制方法調(diào)研、控制系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)。通過大量查閱文獻(xiàn)并與相關(guān)行業(yè)人士接觸，調(diào)研生物反應(yīng)器細(xì)胞培養(yǎng)的最新進(jìn)展情況。分析各類控制方法和控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，從而為文章控制系統(tǒng)的選擇

5、和控制方法的提出提供研發(fā)的現(xiàn)實(shí)意義與應(yīng)用前景。設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體控制方案，通過比較硬件元器件的性能以及滿足應(yīng)用的情況，選出最佳的系統(tǒng)方案。
　?、诳刂葡到y(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括下位機(jī)執(zhí)行部件的選擇、上位機(jī)主控部件的選擇以及上、下位機(jī)之間的集成。下位機(jī)硬件部分由主控芯片、檢測(cè)器件、執(zhí)行器件、傳輸線等幾部分組成。主控芯片選擇dspic30f6014a單片機(jī)為控制系統(tǒng)下位機(jī)的核心，該芯片將核心處理層及整個(gè)外圍電路層如輸入/輸出端

6、口、內(nèi)存、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等全部都集成在一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一整套的接收、計(jì)算、存儲(chǔ)、發(fā)送功能；檢測(cè)器件根據(jù)需要控制的T、PH、DO三個(gè)培養(yǎng)條件分別選擇Pt100、在線PH儀、在線溶解氧儀；執(zhí)行器件根據(jù)控制原理選擇電熱毯、蠕動(dòng)泵、電磁閥等。上位機(jī)主控部件根據(jù)需要選擇集顯示、控制、存儲(chǔ)等功能于一體的 DGUS屏，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的整體監(jiān)控。上、下位機(jī)集成主要由它們之間的通訊線連接及統(tǒng)一的通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)。
　?、劭刂葡到y(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)

7、與實(shí)現(xiàn)。本文主要設(shè)計(jì)完成了三個(gè)控制算法，即針對(duì)溫度控制的Fuzzy-PID控制算法、針對(duì)PH控制的四區(qū)段變?cè)鲆鍼ID控制算法和針對(duì)溶解氧濃度控制的 TP-PID控制算法。其中，F(xiàn)uzzy-PID控制算法并非采用傳統(tǒng)的并聯(lián)使用的模式，而是將兩種方法整合到一起，以檢測(cè)信號(hào)作為模糊控制的輸入，以模糊控制的輸出作為 PID控制的輸入，最后以 PID控制的輸出作為系統(tǒng)控制信號(hào)的輸出；四區(qū)段變?cè)鲆?PID控制是在分段式變?cè)鲆?PID的基礎(chǔ)上根據(jù)生物

8、反應(yīng)器的實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)得到的，充分考慮了PH控制的強(qiáng)烈的非線性特性；溶解氧濃度控制算法的設(shè)計(jì)考慮只需將其控制在某一范圍內(nèi)即可，主要是參考傳統(tǒng)控制的模式。
　?、苋藱C(jī)交互界面設(shè)計(jì)及觸控配置完成。上位機(jī)人機(jī)交互界面選用 D G US屏，型號(hào)為DWT80600T080_06WT，使用Microsoft Visio Premium2010進(jìn)行圖片制作，需要顯示的圖片主要包括系統(tǒng)初始化部分、主界面部分、數(shù)據(jù)輸入界面部分等。觸控配置使用 D

9、GUS配置工具 V49，將制作好的圖片導(dǎo)入配置工具，按照顯示屏操作要求在相應(yīng)區(qū)域位置添加文本顯示、按鍵返回、RTC顯示等配置操作，并設(shè)置好相應(yīng)配置的變量地址、文本長(zhǎng)度、按鍵值、案件效果等。將配置好觸控功能的顯示圖片導(dǎo)入到DGUS屏里就完成了人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。
　　⑤仿真實(shí)驗(yàn)加實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法可靠性及控制系統(tǒng)性能。為驗(yàn)證控制算法的可靠性，首先使用MATLAB軟件中的Simulink軟件包設(shè)計(jì)Fuzzy-PID的溫度控制仿真實(shí)驗(yàn)和分

10、段式變?cè)鲆鍼ID的PH控制仿真實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)均以控制時(shí)間和控制精度作為控制算法性能可靠的判斷依據(jù)。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法可靠性之后設(shè)計(jì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。使用MPLAB軟件按照算法設(shè)計(jì)編寫三種控制算法的程序并將其導(dǎo)入單片機(jī)進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)依然是控制的時(shí)間和穩(wěn)定后的控制精度。
　　結(jié)果：本文根據(jù)細(xì)胞培養(yǎng)的要求，完成了波浪式生物反應(yīng)器控制系統(tǒng)中T、PH、DO三個(gè)培養(yǎng)條件控制算法的設(shè)計(jì)，完成了控制系統(tǒng)硬件選擇，完成了控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，

11、完成了上、下位機(jī)通訊設(shè)計(jì)，完成了人機(jī)交互界面的選擇和設(shè)計(jì)，完成了單片機(jī)對(duì)應(yīng)程序的編寫，最后在仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)完成了算法可靠性的驗(yàn)證工作。發(fā)表了兩篇論文。
　　結(jié)論：本文介紹了各類生物反應(yīng)器控制系統(tǒng)及控制方法，具體分析了各控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出采用單片機(jī)作為主控芯片對(duì)波浪式生物反應(yīng)器控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，并根據(jù)要調(diào)節(jié)的培養(yǎng)條件的特性設(shè)計(jì)出不同的控制方法。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)進(jìn)行控制時(shí)，溫度控制精度可達(dá)到±0.1℃，PH控制精度可達(dá)到±0

12、.05，溶解氧濃度精度可達(dá)到±6％。表明本文所研制的控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行且控制效果良好，說明控制系統(tǒng)能很好地維持細(xì)胞生長(zhǎng)需要的適宜的環(huán)境，滿足細(xì)胞培養(yǎng)過程的控制要求。
　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于根據(jù)不同被控條件設(shè)計(jì)出相應(yīng)的控制方法，如針對(duì)溫度控設(shè)計(jì)了模糊 PID控制、針對(duì) PH控制設(shè)計(jì)了四區(qū)段變?cè)鲆?PID控制；使用dsPIC30f6014a型號(hào)單片機(jī)作為主控芯片，不僅降低了研發(fā)成本，還提高了系統(tǒng)靈活性，縮短了開發(fā)周期；使用 DG