一种具有实时监控系统的大型细胞工厂培养箱的制作方法

本发明属于细胞培养监测，特别是涉及一种具有实时监控系统的大型细胞工厂培养箱，可以实时观察且可实时监测多位置，可监测活细胞生长过程，以判断细胞生长的好坏。

背景技术：

1、活细胞生长状态直接影响下游生物药的质量及产量，现有的细胞培养箱有人工和智能监测两种，人工监测培养箱对细胞生长状态的监测，只能依赖离线的分析手段，存在一定的时间滞后性，无法对细胞培养的温度、湿度、气体浓度等环境参数进行精确控制；无法对细胞生产过程进行及时干预。现有的智能监测培养箱，可以对培养箱内部环境参数进行一定程度的调整，但其自动化控制系统存在滞后性，无法实现对细胞培养环境的实时、精确调控，也无法对培养箱内的细胞的生长状态进行实时观察。

技术实现思路

1、针对上述存在的技术问题，本发明提供一种具有实时监控系统的大型细胞工厂培养箱，可以实时观察细胞在培养箱内的生长状态，并实时调整培养箱内环境参数，使其满足细胞的生长需求。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、本发明一种具有实时监控系统的大型细胞工厂培养箱，包括箱体、设置于箱体内的托盘、细胞工厂及控制系统，在所述箱体内还设置有托盘支架、上实时观察装置、下实时观察装置、加湿模块、加热模块、co2浓度控制模块，所述细胞工厂置于托盘上，通过托盘置于箱体内底部的托盘支架上，在细胞工厂顶部的箱体顶板和细胞工厂底部托盘支架内相对设置有上实时观察装置、下实时观察装置，在箱体上设置有多个加热模块，箱体顶部设置co2浓度控制模块，箱体内底部设置有加湿模块，各所述加热模块、co2浓度控制模块、加湿模块、上实时观察装置及下实时观察装置分别连接控制系统，通过控制系统控制上实时观察装置、下实时观察装置的成像设备移动或光源转动，以实时观察细胞工厂内细胞的生长状态，并根据细胞的生长状态控制加热模块、co2浓度控制模块、加湿模块的开关。

4、进一步地，所述上实时观察装置和下实时观察装置结构相同，均包括底板、x轴传动装置、y轴传动装置、z轴传动装置及影像观察装置，在底板长度方向上设置有x轴传动装置，y轴传动装置连接在x轴传动装置上，沿x轴传动装置的x轴滑轨水平横向移动；z轴传动装置设置于y轴传动装置上，沿y轴传动装置的y轴滑轨水平纵向移动；影像观察装置设置于z轴传动装置上，沿z轴传动装置的z轴直线模组竖直移动，其中，x轴滑轨、y轴滑轨和z轴直线模组形成空间垂直设置，影像观察装置连接控制系统，通过各传动装置带动影像观察装置在培养箱内移动，实时监测活细胞的生长状况。

5、进一步地，所述x轴传动装置包括步进电机、x轴滚珠丝杆及x轴滑轨，在底板长度方向上设置有两平行的x轴滑轨，与两x轴滑轨平行设置有x轴滚珠丝杆，x轴滚珠丝杆两端分别通过轴承座安装于底板上，其一端伸出轴承座连接步进电机，与x轴滚珠丝杆配合的丝母、与x轴滑轨配合的滑块均与y轴传动装置的xy连板连接

6、进一步地，所述y轴传动装置包括xy连板、y轴滑轨、y轴丝杆、贯穿式丝杆电机及两安装板，所述xy连板由沿y轴方向设置的y轴底板和垂直x轴方向的两竖向连板构成，在y轴底板上连接与x轴滚珠丝杆配合的丝母，在两竖向连板上分别设置与x轴滑轨配合的滑块，所述y轴底板两端设置安装板，y轴滑轨和y轴丝杆上下平行安装在两安装板间，贯穿式丝杆电机贯穿在y轴丝杠上，其上连接与y轴丝杆配合的丝母，在贯穿式丝杆电机安装板上连接有与y轴滑轨配合的滑块，且贯穿式丝杆电机安装板与所述z轴传动装置连接。

7、进一步地，所述z轴传动装置包括yz连板、z轴直线模组，所述yz连板由两连接板垂直连接构成，一端连接在y轴传动装置的贯穿式丝杆电机顶部，另一端设置z轴直线模组，z轴直线模组上的滑轨与y轴滑轨垂直，与z轴直线模组滑轨配合的滑块连接所述影像观察装置的防护箱上。

8、进一步地，所述影像观察装置包括防护箱及置于防护箱内的光学反射镜镜头、工业相机、永磁步进电机、光源安装板及光源，所述防护箱为密封箱，内部填充氮气，防护箱顶部端口设置平面玻璃板，光学反射镜镜头对应所述顶部端口的平面玻璃板，用于透光，工业相机和光学反射镜镜头连接，光通过光学反射镜镜头，经反射后，进入工业相机成像，用于拍照，光源安装板连接在工业相机支架上，工业相机支架一端固定工业相机，另一端固定在防护箱体上，防护箱体与z轴直线模组的滑块固定；光源安装板另一端为自由端，其上安装永磁步进电机，其输出轴穿过光源安装板连接光源，通过永磁步进电机调整光源的角度。

9、进一步地，所述托盘支架包括滚轮安装板、挡板、滚轮、导向块及导向轮，所述滚轮安装板安装在上/下实时观察装置的底板两侧，在滚轮安装板顶部等间距设置多个滚轮，滚轮顶端轮面与滚轮安装板顶端面平行，滚轮顶端轮面高于滚轮安装板顶端面5-10mm，用于与培养箱托盘的托轨在水平方向上配合滚动导向，在两滚轮安装板顶端面的相邻滚轮间对称开有梯形凹槽，在梯形凹槽内设置有导向轮，相邻导向轮间距相等，导向轮轮面与滚轮轮面垂直，且导向轮端面高于滚轮安装板顶端面3-5mm，用于与培养箱托盘的卡轨在竖直方向上配合滚动导向，两滚轮安装板一端上部设置挡板，下部开口，另一端为开口端，在两滚轮安装板的开口端靠近滚轮位置对称设置有伸出滚轮安装板的导向块，用于与转运小车配合导向定位。

10、进一步地，所述培养箱托盘是在托板上设置横向放置的u型框架，在托板上的u型框架内等间隔设置多个间隔架，形成多个放置细胞工厂的框架空间，在托板上u型框架的开口端设置有筐门，u型框架、托板及筐门均为中部带空腔的框架结构，托板底部外端面沿长度方向上设置有两对称卡轨，与托盘支架的滚轮在竖直方向上配合滚动导向，两卡轨内侧对称设置有与托盘支架的滚轮配合的两托轨，在两托轨间的托板上一端设置有与转运小车配合的卡孔挡块。

11、进一步地，所述控制系统包括单片机和上位机，单片机分别连接各加热模块、加湿模块及co2浓度控制模块的各传感器、上实时观察装置、下实时观察装置的各个电机及上位机，接收各传感器测量的信号，反馈给上位机，由上位机发送指令给单片机，控制各个电机、各加热模块、加湿模块及co2浓度控制模块的开关，实时观察细胞工厂内细胞的生长状态的方法为：通过透射光照明成像时，下实时观察装置的光源用于上实时观察装置成像的透射照明，上实时观察装置的光源用于下实时观察装置成像的透射照明；通过反射光透射照明成像时，下实时观察装置的光源用于下实时观察装置成像的透射照明；

12、观察细胞工厂底部第1～3层时，通过反射光透射照明成像；调整培养箱的下实时观察装置的光源，通过x轴、y轴传动装置移动下实时观察装置至预观察层的细胞工厂的位置，通过z轴传动装置调节至预观察层的物距，转动光源的角度至预观察层成像质量最优的预设角度，使其发出的入射光照射到预观察层的顶部细胞工厂壁后形成反射光，反射光再照射预观察层的底部上的细胞，并穿过细胞工厂壁形成透射光，传递至下实时观察装置的光学反射镜镜头，再经反射镜传递至工业相机成像；

13、观察细胞工厂底部第4层至顶部第1层，通过透射光照明成像；同时调整培养箱的下实时观察装置及上实时观察装置：调整下实时观察装置光源的角度至预观察层成像质量最优的预设角度，使其发出的入射光照射到预观察层的底部细胞工厂壁后形成透射光，传递至上实时观察装置的光学反射镜镜头，再经反射镜传递至上实时观察装置的工业相机成像；

14、或者，同时调整培养箱的下实时观察装置及上实时观察装置：调整上实时观察装置光源的角度至预观察层成像质量最优的预设角度，使其发出的入射光照射到预观察层的底部细胞工厂壁后形成透射光，传递至下实时观察装置的光学反射镜镜头，再经反射镜传递至下实时观察装置的工业相机成像。

15、进一步地，所述单片机控制培养箱的内部环境参数的方法为：

16、通过各个温度传感器分别检测不同空间区域的温度，并把温度信号传化成电信号，再反馈给单片机，单片机通过每个传感器的反馈信号，监测对应空间区域测的实时温度，并且控制对应空间区域的加热模块的工作状态，使培养箱中的各个空间区域的温度趋于一致，当温度达到设定值时，单片机控制ptc加热板停止加热，风扇停止吹风；当温度低于设定值时，单片机控制ptc加热板加热，风扇吹风，将热气流送入培养箱内；

17、当湿度低于设定值时，单片机控制雾化头开始雾化，并排入到培养箱内，使培养箱内的湿度增加；当湿度达到或高于设定值时，单片机控制雾化头关闭，停止雾化；

18、当达co2浓度达到设定值时，单片机控制电磁阀关闭，不再向培养箱内输送co2；当co2浓度达低于设定值时，单片机控制电磁阀打开，向培养箱内输送co2，使培养箱内的co2浓度达增加直至达到到设定值。

19、本发明的有益效果为：

20、1.本发明通过设置上、下实时观察装置、环境参数调整模块，通过控制系统控制培养箱内环境参数，并调整上、下实时观察装置的位置，以便实时观察培养箱内细胞工厂各层的细胞生长状态。

21、2.本发明在培养箱内每个托盘上的细胞工厂组顶部和底部分别设有上、下实时观察装置，可移动监测多个点位；追踪细胞形态变化记录及细胞培养情况，并实现细胞实时长时间连续的观察及监测。

22、3.本发明的上、下实时观察装置通过设置三轴传动装置，可以实现三维移动，通过摄像设备及光学反射透射，实现多点观察、监测，及时得知细胞生产过程中的优劣状态。

23、4.本发明控制系统，可以实现对培养箱内环境参数(温度、湿度、co2气体浓度等)的实时、精确调整，以保持细胞生长的理想条件，提供对细胞状态的即时反馈。本发明中控制系统可联网，通过远程实时监测活细胞生产培养的过程。