基于酶改造的自动化高通量筛选平台控制系统设计与实现

作     者：陈怡婧 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谭天伟

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 082203[工学-发酵工程] 0822[工学-轻工技术与工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：硬件集成平台 实验室自动化 控制系统软件 软件开发 

摘      要：自动化技术将原本相互独立的生物实验流程,整合成部分互联的功能网络,提升了实验的稳定性与效率。通过自动化操作,实验人员得以从繁琐的手动任务中解脱出来,减少了人为因素带来的误差,并显著缩短了实验周期。目前生物合成自动化领域的核心技术如设备、机器人及硬件集成等主要由国外公司掌握,这些公司提供的集成方案可实现全流程的自动化整合。然而,搭建一套完整的自动化平台成本高昂,且后续可扩展性受到一定的限制。 本研究旨在搭建一套适用于酶改造的自动化高通量筛选平台,从而提高相关实验的稳定性与效率,并且能在控制平台搭建成本的同时提高后续研究的可扩展性。主要工作从硬件集成方案的设计、设备自动化控制、数据及软件系统的构建、模块化测试及实验四个方面展开。 (1)基于具体实验步骤,分析实验过程中需要的自动化设备,完成设备选型工作。结合已采购的设备和实验室自主研发的培养模块,整合平台硬件设备,设计布局方案;利用传感器信号接入,实现移动轨道原点回归功能;配合末端夹爪完善机械臂夹取功能,实现硬件功能集成。 (2)根据设备通讯方式及开发文档,实现设备基本功能的自动化控制及状态值的实时获取。在机械臂运动控制中,提出“三位置路径规划策略,将机械臂两种运动模式相结合,实现板位精准调节。并在此基础上完成各设备接口功能的二次封装,完善设备控制需求。 (3)基于SQL Server搭建了系统数据平台,使用C#.Net构建系统软件界面,并遵循三层结构,将项目划分为UI、BLL、DAL、Model、Class五个部分。软件系统具有实验流程编辑、实验任务查看、实验运行状态获取等关键功能。 (4)通过模块化功能测试,验证系统具备对各个设备的自动化控制及状态获取功能,根据机械臂及移动轨道调试功能,调节各设备板位,结合孔板流转自动化程序验证系统运输孔板的精准性。最后本平台基于显色反应及酶改造的自动化高通量筛选实验进行了验证,实验结果表明本平台通过自动化技术降低了实验误差,提升了实验的准确性,并且在提高实验效率的同时保证了平台运行的稳定性。