水平轉筒式生物反應器的製作方法

2023-09-19 18:35:15

專利名稱：水平轉筒式生物反應器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於進行動物和植物細胞培養或微生物發酵的生物反應器。
背景技術：
在工程學上習慣於把用於培養細菌、酵母等微生物的容器稱為」發酵罐」(fermentor)，而把培養動植物細胞的容器稱為「生物反應器」(bioreactor)。由於本發明的目的主要是用於動物細胞的高密度體外培養，同時可能兼用於植物細胞或細菌的培養，因此本文件中統稱為「生物反應器」。
隨著生物技術產業的不斷發展，迫切需要解決用於微生物和動、植物細胞大規模培養的生物反應器。以往曾採用化學工業生產設備改良的機械攪拌式反應器(也稱反應罐)。由於這類機械攪拌式反應罐在攪拌混合物料過程中的剪切力較大，當用於動物細胞培養時，因動物細胞沒有細胞壁的保護、不能耐受劇烈的攪拌和通氣等原因，易損壞被培養的細胞。攪拌器高速旋轉時所形成的氣泡也會對敏感細胞產生損傷作用。為降低攪拌器槳葉對細胞的剪切力和提升反應器的傳質能力，對於反應器的傳統機械攪拌方式和傳氣、傳熱、傳質方法也進行許多改進。已經設計出漿式、棒式、船舶推進漿、斜槳葉或船帆形機械攪拌器及往復振動錐孔篩板攪拌反應器、籠式通氣攪拌反應器、雙層籠式通氣攪拌反應器等。其中主要針對動物細胞培養發明的反應器有轉瓶反應器、流化床反應器、中空纖維反應器、膜式反應器、空氣提升式反應器等。
由於細胞生存條件的多樣型，這些設備仍然沒有從根本上解決動、植物細胞大規模培養存在的攪拌剪切力大、物料傳遞不均勻、設備內部積料和死角的問題，以及進行高密度、大規模培養所面臨的連續生產和在線收集產品等問題。

發明內容
為克服現有的設備用於動、植物細胞高密度培養存在的攪拌剪切力損傷細胞、物料傳遞不均勻、設備內部積料和死角的問題，以及進行大規模培養所面臨的在線收集產品等問題。本發明提供一種攪拌性能獨特、機械攪拌剪切力小、物料傳質過程對細胞生長幹擾少、能進行高密度的分步或連續流細胞培養、並可以在線收集產品的生物反應器。本發明既可以用於細胞的懸浮培養、也可以用於貼壁細胞的微載體培養。
技術方案採用水平滾動雙層轉筒式密封結構，可滾動旋轉的內筒作為容納細胞和微載體的培養罐，固定的外筒為細胞生存提供必要的物質環境。需要補加物料、調節pH或更換培養液時，可以在外筒中或在調節罐中進行。內外筒之間有微孔網分隔，被培養的細胞不能通過微孔，而細胞生產的蛋白質或病毒能夠通過微孔網被在線收穫。
技術特點1、本生物反應器由於採用了雙層水平滾動轉筒式結構，當用它進行細胞培養時，活細胞或接種細胞的微載體是生長在內筒中，外筒中的培養基只是為細胞提供生長代謝的間接環境保障。內筒中的細胞通過內筒壁上的微孔(或篩網)與外筒內的培養基進行養份和代謝物的交換。當需要向培養基中補加物料、氧氣或調節酸鹼度時，既可以在外筒內直接進行，也可以將培養液從外筒引出到另外的調節罐內循環進行。減低了操作因素對培養體系的影響。
2、本反應器用於基因工程菌或動物細胞的微載體懸浮培養時，細菌發酵產生的大分子蛋白質或細胞培養的病毒能夠通過內簡微孔濾網不斷的轉移到外筒的培養液中。在不影響筒內細菌或細胞繼續生長的情況下，能通過收集外筒培養液將產物及時的收集起來，實現半連續批式培養或連續培養。
3、本反應器採用水平轉筒式攪拌傳質方式，可以消除積料或死角，實現物料與微載體的高效混合。同時也減低了葉片式攪拌器的剪切力對細胞的傷害作用。
4、本反應器的氣體混合供給不是直接在細胞培養系統中進行的，這有利於避免氣泡的表面張力對細胞的傷害作用。
5、在培養結束時需要收集筒內的細菌或細胞，可以在放空培養基後，直接提高內筒轉速，甩濾回收細胞。還可以利用內筒的甩濾作用，在筒內對細胞進行反覆洗滌處理。
6、本反應器還具有製作簡單，能夠在線消毒，容易進行規模放大等特點。下面結合附圖對本發明的實施步驟作進一步說明


附圖1為本發明的結構示意圖附圖2為本發明的內筒結構圖附圖3為本發明的外筒結構圖實施步驟在附圖1中，本生物反應器主要由可旋轉的內筒(1)和帶有恆溫夾套的外筒(2)以及箱體支架(3)和附件(4)組成。
在附圖2所示實施例中，內筒(1)是由內筒圓筒(1-1)與內筒後蓋(1-2)、內筒前蓋(1-3)、內筒三角架組件(1-4)鉚接(或焊接)組成(附圖二)。內筒圓筒(1-1)周壁上布滿微小的孔，孔的直徑0.1-9000微米，孔與孔之間的距離為50-9000微米。內筒(1)主體選用0.5--8毫米厚不鏽鋼板衝壓、彎卷、焊接、拋光製成，其有微孔的局部位置也可選用50--800目的燒結不鏽鋼篩網製作。
在內筒(1)的內壁沿軸線向有輕微突起的三到六條凸筋(1-1-1)，呈幾何對稱分置，用以增加內筒轉動時培養物的翻滾效果。在內筒圓筒(1-1)的外壁上，沿軸線向有向內筒旋轉方向翹起的三到六條提水槽(1-1-2)，呈幾何對稱分置。使用時，內筒緩慢轉動，當提水槽轉離液面時，會將外筒中的部分培養液帶離液面，再通過內筒壁上的微孔進入內筒，以增加內、外筒的液體交換。內筒的徑寬比為0.1--20。內筒前蓋的中央部位有一適當大小的圓形接物孔，用於觀察筒內情況或從筒內取樣。
內筒三角架組件(1-4)是由內筒三角架(1-4-1)、主軸(1-4-2)、組成。內筒三角架組件與內筒後蓋(1-2)鉚接(或焊接)在一起，支撐內筒(1)。
在圖3所示實施例中，外筒(2)是由1--10毫米厚不鏽鋼製作的外筒圈(2-1)、外筒前蓋(2-2)、外筒後蓋(2-3)、外筒圈前部密封法蘭(2-4)、外筒三角架組件(2-5)等組成(附圖三)。外筒圈(2-1)是由外筒內圈和外筒外圈共同組成的同心夾套。將外筒的內圈和外圈以同軸心方式兩端分別焊接在外筒後蓋(2-3)和外筒前部密封法蘭(2-4)上，就構成外筒主體。在外筒外圈上設有夾層循環水進、出口。向該夾層中通入流動介質，可以對筒內環境起到調節溫度作用。外筒(2)是用來為反應器培養室(內筒)提供恆溫環境和盛放培養液，同時對主電機、加熱器、溫度控制器、傳感器及筒內外物質交換通道等起支撐作用。
在外筒後蓋(2-3)的中心部位有一個圓孔，內筒主軸(1-4-2)從外筒後蓋(2-3)的中心圓孔穿過，將外筒及內筒轉軸聯接起來，使內外筒成為一體。主軸上安裝有聯接主電機的皮帶輪或齒輪，通過可調速的主電機驅動內筒轉動。
在外筒圈靠近外筒前蓋的位置，上下都設有數個貫通外筒圈(2-1)的通道(2-6)，用於安裝消毒蒸汽進、出口閥，物料進、出口閥，控溫加熱器，外筒傳感器等附件。
外筒前蓋(2-2)是通過法藍與外筒圈前部法藍(2-4)接合，在外筒前蓋上安裝有安全釋放閥(2-2-1)，耐壓玻璃觀察視窗(2-2-2)、採樣孔(2-2-3)、內筒傳感器支架(2-2-4)。當外筒前蓋(2-2)通過法藍與外筒密封接合後，就可用於細胞培養。如果關閉有關的物料進、出口閥和採樣孔，開啟內加熱器或向反應器中通入水蒸氣，可以進行反應器的在線消毒。
在使用本生物反應器進行細胞培養時，將適量預處理好的微載體放置在反應器的內筒中，在內外筒中都加入培養液。培養液的加量以在內筒轉動時，內筒中的液體不能濺出到外筒為好。培養時內筒緩慢轉動，筒內的微載體或細胞隨內筒的轉動不斷翻動。內筒中的培養液通過內筒壁上的微孔，與外筒中的培養液進行交換。由於微孔的孔徑小，細胞或微載體不能通過微孔進入外筒。通過外置恆溫器調節外筒夾層中循環水的溫度來保證反應器的溫度恆定。當外筒中的培養液需要補充養分或調節酸鹼度時，將培養液從外筒引入到調節罐中進行調整和補加，然後通過蠕動泵再泵回反應器中循環使用。如果需要進行連續流加式培養，可以將新加入的培養液直接加入內筒，控制外筒的排放量，使流入、流出的液體達到平衡。選擇合適大小微孔的內筒，能夠在內筒進行微載體培養細胞，而從外筒液中連續的收集單克隆抗體或收穫病毒等產物。
權利要求
1.一種用於進行動物和植物細胞培養或微生物發酵的水平轉筒式生物反應器，採用雙層轉筒式密封結構，其特徵是該裝置是由周壁有微孔的可滾動旋轉內筒(1)、固定的有夾層外筒(2)以及箱體支架(3)和附件(4)組成，內筒作為容納細胞和微載體的培養罐，外筒為細胞提供物質生存環境，需補加物料、調節pH和更換培養液時先在外筒或調節罐中進行後再交換回內筒，培養的細胞不能通過微孔逸出，而細胞生產的蛋白質或病毒能夠通過微孔進入外筒被在線收穫。
2.根據權利要求1所描述的水平轉筒式生物反應器，其特徵在於反應器內筒(1)的筒圈內壁有凸筋，外壁有提水槽，周壁有直徑0.1-9000微米的微孔，前蓋中部有圓形接物孔。
3.一種根據權利要求1所描述的水平轉筒式生物反應器，其特徵在於反應器的外筒(2)是由外筒圈、外筒前蓋、外筒後蓋、密封法蘭、外筒三角架組件、物料進出閥，蒸汽消毒閥，加熱管、傳感器等部件組成。
4.一種根據權利要求1、3所描述的水平轉筒式生物反應器裝置，其特徵在於其外筒的前蓋上安裝有觀察視窗、採樣孔，內筒傳感器支架等附件，並通過密封法藍與外筒圈接合。
全文摘要
本發明涉及一種用於進行動物和植物細胞培養或微生物發酵的生物反應器。本發明主要由周壁有微孔的可旋轉內筒和帶有恆溫夾套的外筒以及有關組件和附件組成。本發明採用水平雙層轉筒式密封結構，旋轉的內筒作為容納細胞和微載體的培養罐，固定的外筒為細胞提供物質生存環境。補加物料、調節pH和更換培養液先在外筒或調節罐中進行，然後再交換到內筒供細胞使用。培養的細胞不能通過內筒壁的微孔，而細胞生產的蛋白質或病毒能夠通過微孔進入外筒被在線收集。本發明適用於貼壁細胞的分批式、半連續式或連續微載體培養，也可以用於微生物或懸浮系細胞的懸浮培養。
文檔編號C12M1/00GK1687386SQ20051004320
公開日2005年10月26日 申請日期2005年3月30日 優先權日2005年3月30日
發明者韓毅鵬 申請人:韓毅鵬