生物反应器或发酵罐的自动补料装置及方法与流程

1.本发明涉及生物反应器领域，特别涉及一种定时定量且自动补偿的生物反应器或发酵罐的自动补料装置及方法。


背景技术：

2.在细胞培养的生产过程中，补料装置提供的营养物质为细胞的生长及产物的合成提供了必要能量。在细胞培养的整个过程中，为满足反应器中细胞达到期望的培养效率和培养浓度，罐内的营养供给平衡是必须满足的条件之一。当来自补料系统的营养物质长时间供给过少时，会直接影响微生物及细胞的培养效率，降低罐内细胞的培养浓度。当营养物质长时间过盛时，会造成细胞的过量利用，加快代谢过程，积累大量的代谢废产物，从而也抑制了其自身的生长，降低了细胞的活力及生产力，间接降低了细胞的培养浓度。
3.目前反应器的补料装置常用的补料方法主要是定量补料法和手动补料法两种。
4.定量补料法通过监视反应器内产品的总质量并进行补料前后质量对比来完成定量补料控制。如罐内当前总质量为30kg,需进行补料5kg，则将控制程序结束条件设为35kg,启动补料程序后系统将开始进行自动补料，在补料的过程中当监视到罐内总质量达到35kg时，补料程序将自动停止，完成补料。
5.手动补料法则是通过手动控制来进行手动补料，当生产人员手动打开装置时，补料装置开始向罐内进行补料。需要停止补料则需手动关断装置。
6.由此可见，在上述现有技术中，每次补料时无法准确的得出所需准备的供应物料量，定量补料法的补料时间存在较大的控制误差，手动补料法由于需要操作员进行人为干预，较定量补料法存在较大的操作误差和更大的控制误差，既不便实现定量补料，也不便定时补料，从而导致会产生营养过盛和补料不足的问题。
7.由此可见，能否基于现有技术中的不足，提供一种用于生物反应器或发酵罐的改进的自动补料装置及方法成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。


技术实现要素：

8.发明所要解决的课题
9.本发明的目的是在于克服现有技术的缺陷，提供一种改进的自动补料装置及方法。根据本发明所提供的改进的自动补料装置及方法，解决了营养过盛和补料不足的技术问题，能够对补料量、补料时间进行准确的控制，使得补料装置能够实现定时定量的自动补料，实现了对细胞适时适量的提供生长所需的能量，从而提高细胞的培养浓度和生产效率。
10.用于解决课题的方法
11.本发明第一方面涉及一种生物反应器或发酵罐的自动补料装置，包括：
12.通过补料管道与反应器或发酵罐连接的流量计，用于对流经补料管道的流量进行测量；
13.与流量计连接的补料阀；
14.与补料阀连接的蠕动泵，用于与补料阀一起控制补料速度；
15.与蠕动泵连接的补料器，用于盛放用于补料的物料；
16.设于反应器下的反应器称重装置，用于对反应器进行称重；
17.设于补料器下的物料称重装置，用于对物料进行称重；
18.控制装置，用于对自动补料装置的补料过程进行控制。
19.优选地，流量计为涡轮流量计。
20.优选地，补料器为物料桶。
21.优选地，物料称重装置为台秤。
22.本发明第二方面涉及一种生物反应器或发酵罐的自动补料方法，采用本发明第一方面的自动补料装置进行补料，该方法包括以下步骤：
23.管道充满步骤，用物料充满补料管道；
24.自动补料及补偿步骤，根据设定值进行定时定量补料，在定时定量补料的过程中，根据物料的偏差进行自动补偿。
25.优选地，采用分段控制方式进行自动补料及补偿步骤，
26.分段控制方式为，将补料过程分为多个阶段，根据每个阶段的设定补料量、补偿时间点、蠕动泵的运行频率计算出补料偏差量，按照补料偏差量进行自动补偿。
27.优选地，采用连续pid控制方式进行自动补料及补偿步骤，
28.连续pid控制方式为，根据设定的补料量、补料时间计算出期望补料流量，将计算得到的期望补料流量作为pid的设定值，检测到流量计的实时流量值作为pid的测量值，然后根据设定值和测量值的实时偏差进行自动补偿，从而进行自动补料。
29.发明的效果
30.根据本发明所提供的改进的自动补料装置及方法，解决了营养过盛和补料不足的技术问题，能够对补料量、补料时间进行准确的控制，使得补料装置能够实现定时定量的自动补料，实现了对细胞适时适量的提供生长所需的能量，从而提高细胞的培养浓度和生产效率。
附图说明
31.图1为本发明的第一实施方式的自动补料装置的示意图。
32.图2为本发明的第二实施方式的自动补料方法的流程图。
具体实施方式
33.以下，首先对于本发明所涉及的自动补料装置和方法详细地进行说明。
34.图1为本发明的第一实施方式的自动补料装置的示意图。如图1所示，流量计2通过补料管道与反应器1连接，补料阀3与流量计2连接，蠕动泵4与补料阀3连接，补料器5与蠕动泵4连接，在反应器1下设有反应器称重装置6，在补料器5下设有物料称重装置7。另外，虽然在图1中没有示出，但是自动补料装置还包括控制装置，控制装置对自动补料装置的补料过程进行控制。具体来说，控制装置对自动补料装置的补料过程进行控制，实现了定时定量且自动补偿的自动补料。
35.蠕动泵4与补料阀3用于控制物料的补料速度。流量计2主要用于测量流经补料管
道的物料流量。补料器5主要用于盛装每次添补的物料。反应器称重装置6用于对反应器1进行称重。物料称重装置7主要用于测量每次供应物料的重量。
36.优选地，流量计2为涡轮流量计。涡轮流量计具有机构紧凑、读数直观清晰、可靠性高、不受外界电源干扰、抗雷击、成本低等明显优点。但并不限于此，流量计2也可以为其他合适的测量仪器。
37.优选地，补料器5为物料桶，但并不限于此，也可以为其他合适的补料装置。
38.优选地，物料称重装置7为台秤，但并不限于此，也可以为其他合适的称重装置。
39.如上所述，第一实施方式采用了合适量程范围的称重装置，与现有技术相比，比现有补料装置所采用的大量程装置相比，测量更为准确。同时，通过采用控制装置实现了定时定量且自动补偿的自动补料，与现有技术相比，自动化程度更高，同时也减少了操作员的人工干预，让操作员从频繁的上位机操作中解放出来，也大大降低了因操作误差而影响控制精度的概率，提升了生产过程的稳定性。而且由于实现了自动补偿，解决了现有技术中营养过盛和补料不足的技术问题。
40.由此可见，根据本发明的第一实施方式的自动补料装置，解决了营养过盛和补料不足的技术问题，能够对补料量、补料时间进行准确的控制，使得补料装置能够实现定时定量的自动补料，实现了对细胞适时适量的提供生长所需的能量，从而提高细胞的培养浓度和生产效率。
41.本发明第二方面涉及一种自动补料方法，采用本发明第一方面的自动补料装置进行补料。如图2所示，该方法包括：管道充满步骤101，自动补料及补偿步骤102。
42.具体来说，在管道充满步骤101中，当需要对反应器内的细胞补充营养物质时，就需要用物料充满补料管道。通过监测反应器内物料的质量来判断补料管道是否充满。当反应器内物料的质量小于或等于填充前的物料质量与预先设定的最大允许偏差值可设定之和时，判定为补料管道未充满。反之则判定为补料管道已充满，可进行后续步骤。
43.在自动补料及补偿步骤102中，优选为采用分段控制方式，分段控制法是将补料过程分为多个阶段，根据每个阶段的设定补料量、补偿时间点、蠕动泵的运行频率形成一个多元函数表，从而根据多元函数表计算出单位补偿时间内对应蠕动泵的运行频率及所需补料的质量进行补料，在每个补偿时间点，计算出该阶段所补物料质量，并与该阶段期望补料量进行比较，当所补量与期望量有偏差时，下一阶段期望补料量中将会加上该阶段少补的物料或减去该阶段多补的物料，然后再根据当下期望补料量及下一阶段补料时间再次计算出对应的蠕动泵运行频率进行补料，直到所需的补料量等于0时停止补料。由此实现了在设定时间内完成设定补料量的补料，并且可以通过每次的补偿来消减各阶段的补料偏差。补料量的设定引用实时测量的物料质量作为设定上限，超限时作出提示，防止设定补料量大于物料桶中的实际物料质量。具体来说，下一阶段期望补料量＝设定补料量
±
本阶段补料偏差量。
44.此外，在自动补料及补偿步骤102中，还优选为采用连续pid(proportionintegrationdifferentiation，比例-积分-微分)控制方式，连续pid控制是根据设定的补料量、补料时间计算出期望的补料流量，将计算得到的期望补料流量作为pid的设定值，检测到流量计的实时流量值作为pid的测量值，然后再根据设定值和测量值的实时偏差对蠕动泵的频率进行调节，从而控制补料量流量进行补料。当出现计算出的期望补料流量大于实际补料
流量时，会自动增大蠕动泵运行频率，当期望补料流量小于实际补料流量时，会自动减小蠕动泵运行频率，在两者相等时，蠕动泵的运行频率将保持不变。直到待补料量等于0，会自动结束控制完成补料。补料量的设定引用实时测量的物料质量作为设定上限，超限时作出提示，防止设定补料量大于物料桶中的实际物料质量。具体来说，通过设定的补料量以及物质质量与补料时间获得期望补料流量。
45.如上所述，第二实施方式通过采用与第一实施方式配套的补料方法，与现有技术中相比，自动化程度更高，实现了定时定量的补料，同时也减少了操作员的人工干预，让操作员从频繁的上位机操作中解放出来，也大大降低了因操作误差而影响控制精度的概率，提升了生产过程的稳定性。
46.由此可见，根据本发明的第二实施方式的自动补料方法，解决了营养过盛和补料不足的技术问题，能够对补料量、补料时间进行准确的控制，使得补料装置能够实现定时定量的自动补料，实现了对细胞适时适量的提供生长所需的能量，从而提高细胞的培养浓度和生产效率。
47.产业应用性
48.根据本发明所涉及的自动补料方法及方法，解决了营养过盛和补料不足的技术问题，能够对补料量、补料时间进行准确的控制，使得补料装置能够实现定时定量的自动补料，实现了对细胞适时适量的提供生长所需的能量，从而提高细胞的培养浓度和生产效率。
49.虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

技术特征：
1.一种生物反应器或发酵罐的自动补料装置，其特征在于，包括：通过补料管道与反应器或发酵罐连接的流量计，用于对流经补料管道的流量进行测量；与流量计连接的补料阀；与补料阀连接的蠕动泵，用于与补料阀一起控制补料速度；与蠕动泵连接的补料器，用于盛放用于补料的物料；设于反应器下的反应器称重装置，用于对反应器进行称重；设于补料器下的物料称重装置，用于对物料进行称重；控制装置，用于对自动补料装置的补料过程进行控制。2.如权利要求1所述的自动补料装置，其特征在于，流量计为涡轮流量计。3.如权利要求1所述的自动补料装置，其特征在于，补料器为物料桶。4.如权利要求1所述的自动补料装置，其特征在于，物料称重装置为台秤。5.一种生物反应器或发酵罐的自动补料方法，其特征在于，采用权利要求1至4中任意一项所述的自动补料装置进行补料，该方法包括以下步骤：管道充满步骤，用物料充满补料管道；自动补料及补偿步骤，根据设定值进行定时定量补料，在定时定量补料的过程中，根据物料的偏差进行自动补偿。6.如权利要求5所述的自动补料方法，其特征在于，采用分段控制方式进行自动补料及补偿步骤，分段控制方式为，将补料过程分为多个阶段，根据每个阶段的设定补料量、补偿时间点、蠕动泵的运行频率计算出补料偏差量，按照补料偏差量进行自动补偿。7.如权利要求5所述的自动补料方法，其特征在于，采用连续pid控制方式进行自动补料及补偿步骤，连续pid控制方式为，根据设定的补料量、补料时间计算出期望补料流量，将计算得到的期望补料流量作为pid的设定值，检测到流量计的实时流量值作为pid的测量值，然后根据设定值和测量值的实时偏差进行自动补偿，从而进行自动补料。

技术总结
本发明涉及一种生物反应器或发酵罐的自动补料装置及方法，装置包括：通过补料管道与反应器或发酵罐连接的流量计，用于对流经补料管道的流量进行测量；与流量计连接的补料阀；与补料阀连接的蠕动泵，用于与补料阀一起控制补料速度；与蠕动泵连接的补料器，用于盛放用于补料的物料；设于反应器下的反应器称重装置，用于对反应器进行称重；设于补料器下的物料称重装置，用于对物料进行称重；控制装置，用于对自动补料装置的补料过程进行控制。根据本发明，能够对补料量、补料时间进行准确的控制，使得补料装置能够实现定时定量的自动补料，实现了对细胞适时适量的提供生长所需的能量，从而提高细胞的培养浓度和生产效率。而提高细胞的培养浓度和生产效率。而提高细胞的培养浓度和生产效率。


技术研发人员：卢卫东 孙亮 刘永刚
受保护的技术使用者：安及义实业（上海）有限公司
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/10/11