旋转式生物反应器的制作方法.docx

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专利名称:旋转式生物反应器的制作方法
技术领域:
本发明涉及一种利用旋转动力驱动的生物反应器,该生物反应器主要用于动物细胞培养以及利用动物细胞进行生物技术产品的生产,也可用于微生物,昆虫细胞,和植物细胞的培养及其生物技术产品的生产。
背景技术:
生物反应器是用于实现生化反应过程,特别是能够控制培养条件以产生最佳的生物产品的容器。生物反应器可用于细菌、芽孢、真菌、昆虫细胞,禽类细胞、哺乳动物细胞和植物细胞以及其他活细胞的体外培养,以进行生命科学研究,临床疾病的细胞移植治疗和生物技术产品的生产,包括培养生物体所产生的代谢产物、抗体、蛋白、病毒、多糖、DNA,细胞组分,以及细胞衍生物等。由于一些生物细胞,特别是动物细胞生长缓慢且无细胞壁,对温度和PH等环境变化适应能力差以及对通气和搅拌造成的剪切力敏感,因而在进行培养时,要在适宜的温度和PH环境下,提供细胞充分的氧气(02)和营养物质,而最大限度地避免搅拌和充气气泡造成的剪切损伤,因此需要研制既能充分混合又低剪切力的适于不同类型动物细胞培养的生物反应器。现有的用于悬浮细胞培养,或贴壁细胞微载体悬浮培养的生物反应器的混合方式主要有旋转涡流式混合,搅拌式混合,气升式混合和波浪式混合等类型。从溶氧和气体交换的机制上来看,主要有向培养液直接鼓气的方式
(如鼓泡式或气升式)和通过气液交界面进行气体交换两种方式。混合的目的一方面是使培养的细胞保持悬浮状态,另一方面是提供细胞充分的营养和氧分。基于上述不同混合机制的现有生物反应器分别存在如下缺点
,均是利用旋转涡流式的混合和气液交换界面氧传递的机制,在旋转时使培养液产生涡流并增加气液交换界面,从而实现气体交换和混合。该类生物反应器存在的缺点是规模小和效率低,只限于小规模的或种子链细胞的培养。,也是美国FDA批准的用于生物制药的最主要的生物反应器,包括常见的螺旋桨搅拌式生物反应器和磁力搅拌式生物反应器。该类生物反应器一般采用搅拌桨混合和鼓泡充氧的机制,以保持细胞悬浮并获得充分的氧分和营养,缺点是搅拌桨的叶轮产生的剪切力以及气泡造成的剪切力会导致细胞的死亡或使细胞与微载体分离。气泡越大细胞死亡率越高,因此需要采用无泡或微泡分布器。尽管在供氧方式和搅拌桨的叶轮形状上不断改进,譬如采用笼式供氧,即用丝网将气泡与细胞隔开,但仍难避免细胞与叶轮的碰撞或相互碰撞的剪切力大的问题。以外,由于这种设备昂贵,非一次性使用,因此原位清洁和蒸汽灭菌方面耗时费力,验证也很昂贵。
(美国专利USPatentApplication20050239198)。,也是动物细胞高密度培养的较常用设备之一,缺点是气液交界面的气泡破裂所产生的剪切力会导致细胞损伤或死亡,因此需要安装消泡装置。高密度培养时混合不够均勻,造成高密度死区。此外,该设备非一次性使用也存在交叉污染问题。,例如一次性使用的塑料软袋式反应器(美国专利6,544,788),缺点是在反应器的最低处可能无法保持细胞悬浮而造成沉淀和培养基的营养和酸碱度不均一,特别在小规模培养时,细胞和微载体更不易悬浮,沉在底部相互摩擦而使细胞与微载体脱离,因而可能对细胞产生损害或导致产品的产量降低。此外,液体流动方向的不断改变,会导致悬浮细胞的相互碰撞。综上所述,现有的生物反应器的混合方式分别存在着剪切力大易造成细胞损伤的问题以及混合不充分造成的细胞沉淀和氧分和营养不均一的问题。此外,大多数生物反应器还存在结构和设备复杂,成本花费高和交叉污染的问题。因此,需要研发混合效果更好,剪切力更低,结构简单和使用方便的新型生物反应器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合效果好,剪切力小,结构简单,使用方便,既适于悬浮细胞培养,又适于贴壁细胞微载体悬浮培养,既适于小规模制备又能实现一定规模化生产的新型生物反应器。为实现上述目的,本发明采用如下技术方案一种旋转式生物反应器,包括内壁平滑的环路腔体,该环路腔体具有一段以上的狭窄段,环路腔体的与狭窄段相邻的开阔段的内侧壁上连通设置有供培养料出入的进出管。所述的进出管为一个弯管,该进出管通过一端连通设置在环路腔体上,另一端与环路腔体所在的平面之间具有夹角。所述狭窄段为两段,两段狭窄段相对设置,两段狭窄段的长度均小于任意一段开阔段的长度。所述的环路腔体的外缘为圆形或椭圆形。所述环路腔体的内缘在与狭窄段相对应的两端为外凸的弧形,中间为将两端的弧连接起来的直线或向内凸的弧形。所述进出管的端口上旋设有螺帽,螺帽的端面上设置有供气体出入的滤菌膜。所述进出管的端口上旋设有密封的螺帽,所述开阔段的内侧壁上还设置有与充气设备连通的充气管以及用于排气的排气管,所述充气管和排气管的管口上均安装有滤菌膜。所述开阔段的内侧壁上设置有PH传感器端口和溶氧传感器端口。所述环路腔体的外轮廓上布设有用于将旋转式反应器固定在旋转驱动装置上的固定耳,固定耳上设置有固定通孔。所述的环路腔体为软质材料制成的软袋状腔体。在使用时,将适量的含培养细胞的培养液通过进出管注入本发明的生物反应器的环路腔体内,并将该生物反应器固定在旋转驱动装置上,让旋转驱动装置驱动反应器以环路腔体的中心部位为圆心在竖直面上或是在与竖直面成一个锐角的平面上旋转,在重力的作用下,培养液会始终位于环路腔体的处于下方的腔体段内,当环状腔体转动时,液体会经过环路腔体的所有部分,由于本发明的环路腔体上具有狭窄段,当培养液经过开阔段与狭窄段的交界处时会发生混合,这种混合会使培养在培养液中的非贴壁细胞或附在微载体上的贴壁细胞悬浮在培养液内,并且使气液交界面
不断改变而实现气体交换。在旋转的环路腔体的一部分离开液体转向上方时会带着一些小液珠,留在环路腔体的内壁上的小液珠会与气体充分交换变得富含氧气,随着转动进行这些小液珠会被再带入培养液中与培养液混合,从而提高培养液的溶氧效果。培养液的液面起伏不大,势位变化不大,在驱动本发明申请的生物反应器时,只需要使其转动即可,驱动能量不大,当采用电机提供能量时,电机的发热量不大,由于电机发热而造成的环境温度波动不大,有助于稳定培养环境的温度。同时,本发明的环路腔体的与狭窄段相邻的开阔段的内侧壁面上设置有供培养料出入的进出管,在小规模培养时,可将本发明放入培养箱内使用,环路腔体内的培养液通过其上设置的进出管与培养箱内的气体进行气体交换。由于进出管设置在开阔段的内侧壁面上,当注入环路腔体适量培养液的情况下,培养液的液面会始终处于进出管的下方,不会流入进出管,特别是在与竖直面成一个锐角的平面上并保持进出管的端口始终朝向上方的斜面上旋转时,培养液更不能流入进出管。当培养容器的体积较大时,培养液仅通过进出管与培养箱内的气体弥散交换所溶解的氧无法满足需要时,可通过充气管向反应器中充入含氧气体,同时通过排气管排出生物体产生的废气,以保证生物
体的生长活动。当培养箱不能满足更大规模生产时,本发明的生物反应器可在提供适当温度的环境下,充入适当气体(例如氧气,二氧化碳气和氮气)并在溶氧和PH感应器监测和调控下进行规模化生产。
图1是本发明的实施例1的结构示意图;图2是图1中的A-A剖面图3是图1中的B-B剖面图;图4是图1中的C-C剖视图;图5是本发明的实施例1使用时的结构示意图;图6是图5的左视图7是本发明的实施例1使用时的功能原理图;图8是本发明的实施例2的结构示意图;图9是本发明的实施例2使用时的结构示意图;图10是图9的左视图11是本发明的实施例2使用时的功能原理图;图12是本发明的实施例3的结构示意图;图13是本发明的实施例3使用时的结构示意图;图14是图13的左视图15是本发明的实施例3使用时的功能原理图;图16是本发明的实施例4的结构示意图;图17是本发明的实施例4使用时的结构示意图;
图18是图17的左视图;图19是本发明的实施例4使用时的功能原理图;图20是本发明的实施例5的结构示意图;图21是图20中的D-D剖面图;图22是图20中的E-E剖面图;图23是本发明的实施例5使用时的结构示意图;图M是图23的左视图;图25是本发明的实施例6的结构示意图;图26是本发明的实施例6使用时的结构示意图;图27是图沈的左视图;图28是本发明的实施例7的结构示意图;图四是本发明的实施例7使用时的结构示意图;图30是图四的左视图;图31是本发明的实施例8的结构示意图;图32是本发明的实施例8使用时的结构示意图;图33是图32的左视图34是与本发明申请配合使用的旋转驱动装置的主视图;图35是与本发明申请配合使用的旋转驱动装置一种状态的结构示意图;图36是与本发明申请配合使用的旋转驱动装置另一种状态的结构示意图;图37是本发明的实施例10的结构示意图。
具体实施例方式一种旋转式生物反应器的实施例1,在图广4中,该生物反应器包括一个环路腔体,环路腔体的内腔壁为平滑的腔壁,没有尖锐的棱角。该环路腔体的外缘4为圆形,环路腔体的内缘3为腰形,这里的腰形是由两端设置的外凸的弧形与将这两段弧形连接起来的两条直线形成的形状。内缘3的中心点不处于外缘4的圆心处,这样,环路腔体上就出现了一个狭窄段13,与狭窄段13相邻的为开阔段2,狭窄段
13的长度远小于开阔段2的长度。在开阔段2的内侧壁上设置有进出管1,进出管1用于供培养液、培养的细胞和气体等培养料进出。进出管1为具有一个折弯的弯管,进出管通过一端与向环路腔体连通,进出管1的另一端与进出管所在的平面成一个夹角,也就是说进出管1的另一端不在环路腔体所在的平面上。进出管1上旋设有螺帽6,螺帽6的端面上设置有滤菌膜5,气体能通过滤菌膜5进出环路腔体。本实施例中的进出管1为两个,也可以设置成一个或多个在利用培养箱培养时,培养箱的气体通过弥散与反应器腔内进行气体交换,设置2个进出管以保持对流通畅增加气体交换效率。本实施例中的进出管1上设置有螺帽6,螺帽的端面上设置有滤菌膜5。螺帽6的端面上也可以不设滤膜,使用时不要将螺帽与进出管口旋紧,疏松旋盖上即可,保持螺帽与进出管口有缝隙使气体相通。本实施例的进出管1向环路腔体的内侧悬伸,进出管1也可以与环路腔体所在的平面成一定的夹角。本实施例的进出管1向环路腔体的内侧悬伸,进出管1也可以与环路腔体所在的平面成一定的夹角。在使用时,如图5和图6所示,在环路腔体内注入适量的培养液,将环路腔体固定设置在一个旋转驱动装置15上,旋转驱动转装置如图34、35、36所示,旋转驱动装置包括用于与基础固定的基座18,基座18的上表面上通过紧固螺栓铰接设置有一根连接杆21,紧固螺栓充当铰轴将连接杆与机座铰接在一起,连接杆
21的另一端与电机固定盘20在外缘处铰接,连接杆与电机固定盘之间也通过紧固螺栓铰接,电机固定盘20上转配有电机17,电机17固定在电机固定盘上,电机17的输出轴上固定装配有一个转盘19,转盘19为圆形,在转盘上设置有四个在沿转盘的直径方向延伸的调节槽22,每个调节槽22上均穿设有固定螺杆16,固定螺栓通过螺母固定在转盘19上,固定螺杆16可以在调节槽内径滑动,以调整固定螺杆相对于转盘中心的位置。在环路腔体的外缘布设有四个固定耳11,固定耳11上具有腰形固定孔12,在将反应器固定在旋转驱动装置上时,使四个固定螺栓穿设在固定孔内即可。连接杆21与机座18座之间的角度可以调整,调整时先将紧固螺栓上螺帽拧松,改变连接杆与机座18之间的角度然后在将紧固螺栓上的螺帽拧紧保证连接杆21与机座18之间角度恒定即可。同样,连接杆与电机固定盘之间的角度调整方法和连接杆21与机座18之间的角度调整方法一样。当电机通电后,电机会带动转盘及其上的生物反应器旋转。可以调节连杆与机座和电机固定盘之间的角度使得环路腔体在竖直平面内旋转,或是在与竖直平面成一个锐角的平面内转动,旋转驱动装置驱动反应器以环路腔体的中心点为圆心在竖直平面或在与竖直平面具有一个锐角夹角的平面内旋转,这时,如图7所示,培养液在重力作用下,始终位于各种管口下方,在流经不断变换的开阔段和狭窄段时使得气体与液体充分混合,使反应期内的培养的细胞,包括非贴壁细胞或附在微载体上的贴壁细胞悬浮或培养的微生物在培养液内生长。在旋转过程中,环路腔体的内壁上会沾上来自培养液的大量微小液珠,当环路腔体的沾有小液珠的内壁旋到上方后,小液珠会与气体进行交换并随环路腔体旋至下方进入培养液内,从而提高溶氧度。培养液始
终处于环路腔体位于下部的部分内,当环路腔体的狭窄段转动下部时,由于腔体横截面积的变化,培养液会出现混合,借此混合,培养液内的培养细胞或培养的微生物会始终浮在培养液中不会沉下去,并且,这种混合会使得下层的培养液翻上来进行气体交换,从而为所培养的细胞或培养的微生物提供充分营养和氧分,本实施例在旋转状态时所产生的混合机制是反应器下部腔体内的培养液液和培养细胞反复流经不断变换的狭窄段和开阔段,就像反复流经首尾相连成环的漏斗,因而既产生充分的混合,又产生很小的剪切力。本实施例中的环路腔体为由软质塑料成型的软袋状腔体。当然,环路腔体也可以是由玻璃,硬质塑料或不锈钢制成的硬质腔体。本实施例的环路腔体具有固定耳,当环路腔体没有设置固定耳时,可以采用绳子将环路腔体捆设在旋转驱动装置上。一种旋转式生物反应器的实施例2,在图纩11中,本实施例与实施例1的区别在于本实施例的内缘3的中心点处于外缘4的圆心处,这样,环路腔体上就出现了两个狭窄段13。相应的,开阔段也就有了两段。这两段狭窄段