[发明专利]塔板型灌注式生物反应器流场测速方法及其实现装置

权利要求书

1.一种塔板型灌注式生物反应器流场测速方法，在全流场中取平行塔板之间流体的层流场测速，其特征在于，包括以下步骤：

S1.采用圆柱形激光束平行照射入层流场，激光束在层流场液体的散射作用下，形成一段激光束的圆柱形光柱区域；

S2.采用加液管向激光束的圆柱形光柱区域注入有色溶液，调节注入有色溶液的量与注入的速度，使有色溶液能随塔板间的培养液向塔板中心流动；其中有色溶液的比重与培养液的比重相同，有色溶液无毒性且能与培养液及激光颜色明显区分；

S3.采用相机连续抓拍并保存图像，当有色溶液边缘移至塔板中心时，停止相机的连续抓拍；其中所述相机所成像的中心水平线与激光束的圆柱形光柱区域水平面相平，并使塔板边缘到塔板中心端激光束的圆柱形光柱区域成像在相机所成像的水平中心区域；

S4.对相机抓拍的图像按照抓拍的先后顺序进行相同顺序的数字图像处理，得到所测塔板层流场的流速；

所述步骤S4得到所测塔板层流场流速的方式为：

在第一幅图像中搜索出塔板边缘到塔板中心的激光束圆柱形光柱区域，作为该层塔板上表面层流场的测速区域Zone，以塔板边缘位置作为该测速区域的起始位置Start，以塔板中心作为该测速区域的终点位置End，

得到起始位置Start与终点位置End之间的水平中心线上像素个数为L，水平激光束圆柱形光柱区域图像在竖直方向上的高度为H个像素，

对剩下的各幅图像按抓拍的先后顺序以同样的先后顺序分别进行处理，搜索出起始位置Start处出现所用有色溶液颜色的图像，以该图像抓拍的时刻作为测速的起始时间t0，以Start处像素作为该有色溶液图像在                                               测速区域内的前沿边缘Edge，以Start处像素的灰度值作为该前沿边缘像素的灰度值；继续检测其后图像的测速区域中出现该有色溶液的所有像素，并用图像边缘检测算法检测出该有色溶液的图像在区域内的前沿边缘；当在时间t0后第n副图像中该有色溶液的图像的前向边缘Edge距离起始位置Start为M个像素时，，得测速区域内该边缘Edge所在位置的流场速度为：，其中，R为塔板的半径，为数字相机抓拍图像的间隔时间。

2.根据权利要求1所述的塔板型灌注式生物反应器流场测速方法，其特征在于，所述步骤S1中激光束的圆柱形光柱区域下表面距离塔板上表面最近但不接触到细胞培养层面；激光束从塔板外边缘水平指向塔板中心，即激光束的指向与塔板间层流场流向一致。

3.根据权利要求1或2所述的塔板型灌注式生物反应器流场测速方法，其特征在于，所述图像边缘检测算法为多重梯度推进法，多重梯度推进法具体为：

在t0后第n幅图像个像素的目标区域内，对于检测到的边缘Edge上的像素，与第n-1幅图像检测到的边缘Edge上像素进行像素灰度值比较，判断两图中边缘Edge上像素的灰度值是否发生改变，如果其灰度值的变化超过阈值，则从第n幅图像中边缘线Edge开始，在目标区域内沿与流场流向相反的方向搜索有色溶液的像素，以灰度值与第n-1幅图像中边缘Edge上像素灰度值相同或差值最小的像素，作为第n幅图像新的边缘Edge，并更新流场速度计算的像素位置为Edge。

4.一种应用于权利要求1、2或3所述的塔板型灌注式生物反应器流场测速方法的实现装置，包括培养罐和塔板组，所述塔板组放置在培养罐内，所述塔板组由若干个平行的塔板组成，培养罐下端设有培养液入口，上端设有培养液出口，所述塔板组中心设有塔板中心导流管，

其特征在于，还包括加液管、激光笔、相机、处理器和支架，所述相机与处理器连接，支架包括相机支架、激光笔支架和直角支架，相机支架和激光笔支架分别接在直角支架两端，所述相机通过可调结构安装在相机支架上，所述激光笔通过可调结构安装在激光笔支架上；所述加液管安装在直角支架上，加液管放置在培养罐内并位于塔板组边缘，所述加液管的顶部为有色溶液加注口，加液管的侧壁面上开设有一列细孔，各细孔之间的孔间距与各层塔板之间的间距相同，各细孔的孔径自上至下依次增大，使得从有色溶液加注口加注有色溶液时，从各细孔内流出的有色溶液速度相近，从各细孔中流出的有色溶液的方向与塔板边缘相切，各细孔与各层塔板上表面的圆柱形光柱区域的水平轴线在同一水平面；

所述激光笔发出的激光束方向为水平方向，并指向塔板中心；

所述相机拍摄激光束照射层流场形成的圆柱形光柱区域。