CN108641960A - 一种多用途生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用途生物反应器，包括培养罐体、搅拌机构、通气机构、补料机构、收获装置和排气装置，培养罐体包括夹层玻璃罐体和罐盖，夹层玻璃罐体具有水套夹层，罐盖可拆卸的安装在夹层玻璃罐体的顶部开口处，夹层玻璃罐体的底部设有支架底座，支架底座上安装有若干根支撑杆，支撑杆的顶部与罐盖连接，本发明的有益效果是：能根据培养细胞的不同，更换生物反应器内相关模块组件，满足多种细胞的培养需求，可广泛用于生物制药行业中大规模高密度细胞培养及目标产物表达。

Description

一种多用途生物反应器

技术领域

本发明涉及生物制药技术领域，具体是一种多用途生物反应器。

背景技术

近数十年来，由于人类对生长激素、干扰素、单克隆抗体、疫苗及白细胞介素等生物制品的需求猛增，通过大规模体外培养技术进行细胞培养是生产生物制品的有效方法。

所谓细胞大规模培养技术是指在人工条件下（设定pH、温度、溶氧等），在生物反应器中高密度大量培养动物细胞用于生产生物制品的技术。目前可大规模培养的动物细胞有鸡胚、猪肾、猴肾、地鼠肾等多种原代细胞及人二倍体细胞、CHO细胞、BHK-21、Vero细胞等，已成功生产了包括狂犬病疫苗、口蹄疫疫苗、甲型肝炎疫苗、乙型肝炎疫苗、红细胞生成素、单克隆抗体等产品。

生物反应器指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是大规模动物细胞培养过程中的关键设备。动物细胞培养生物反应器，由于为细胞生长提供了一个适宜、可控的生长环境，并能够扩大生产规模，符合生物制品生产要求，使动物细胞工业化大规模培养成为可能。生物反应器的应用，在生物制品生产上具有较大优越性，能够持续提高生产力，进而降低成本，增强竞争力。生物反应器是动物细胞体外大规模培养时，整个培养过程的关键设备，动物细胞培养技术能否大规模工业化、商业化，关键在于能否设计出合适的动物细胞培养生物反应器。

细胞培养指模拟体内生存环境，在无菌、适当温度及酸碱度和一定营养条件下，使其生长繁殖并维持结构和功能的培养技术。根据细胞特性分为三种方式：全悬浮、微载体贴壁、固定床。

全悬浮培养，适用于细胞为非贴壁信赖性细胞，无需支撑面，细胞或细胞聚集体悬浮于液体培养基中增殖。全悬浮培养是大规模细胞培养的理想方式。

微载体贴壁培养，适用于细胞为贴壁信赖性细胞，需贴附于不发生化学作用的物质（玻璃或塑料等无活性物质）表面上生长、生存和维持，并最终在附着面生长至单层。支撑物表面演常带有适量电荷。

固定床培养，动物细胞因无细胞膜，易受剪切力影响，固定床技术可较好保护细胞免受机械力及环境变化的影响，提高细胞耐受力，促使细胞高密度培养，提高目的产物的产率。常用固定方式有吸附、包埋、中空纤维或胶囊化等，具有剪切力低，传递效果好和抗污染能力强、细胞生长密度高、产物易收集和分离纯化的特点；但培养规模会受到限制。

根据细胞培养方式，需提供特定的生物反应器进行细胞培养。当改变培养细胞类型时（即培养的细胞发生变化），可能需要更换全新设计的生物反应器，来适应细胞的培养需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多用途生物反应器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多用途生物反应器，包括培养罐体、搅拌机构、通气机构、补料机构、收获装置和排气装置，培养罐体包括夹层玻璃罐体和罐盖，夹层玻璃罐体具有水套夹层，罐盖可拆卸的安装在夹层玻璃罐体的顶部开口处，夹层玻璃罐体的底部设有支架底座，支架底座上安装有若干根支撑杆，支撑杆的顶部与罐盖连接；

所述搅拌机构包括电机、搅拌轴和搅拌桨叶，电机安装在罐盖上，电机的输出端与置于夹层玻璃罐体内的搅拌轴连接，搅拌轴上安装有一组或多组搅拌桨叶；

所述通气机构包括通气管和气泡分布器，通气管穿过罐盖插入到夹层玻璃罐体的下部，且通气管的端部位置安装有气泡分布器，通气管上安装有流量计；

所述补料机构包括若干根补料管，补料管均安装在罐盖上，补料管为医用硅胶管，补料管上安装有高精度蠕动泵；

所述收获装置包括收获管，收获管安装在罐盖上，收获管上安装有高精度蠕动泵，收获管为医用硅胶管；

在所述罐盖上设有排气装置。

作为本发明进一步的方案：所述夹层玻璃罐体采用硼硅酸盐玻璃材质制成，罐盖采用316L不锈钢制成，夹层玻璃罐体为具有碟形浅底的圆柱形结构，夹层玻璃罐体的高度与直径的比例为1.2~2。

作为本发明再进一步的方案：所述排气装置包括回流冷凝器和0.2μm无菌过滤器。

作为本发明再进一步的方案：所述搅拌桨叶采用3D打印一次铸造成型，搅拌桨叶通过无缝焊接方式固定在搅拌轴上。

作为本发明再进一步的方案：所述水套夹层内安装有电热棒，电热棒的发热温度受温度控制器控制，水套夹层内通有循环水。

作为本发明再进一步的方案：所述夹层玻璃罐体内还设有拦截装置，所述拦截装置包括旋转过滤器和排料管，旋转过滤器固定在搅拌轴上，与搅拌轴同步转动，排料管与旋转过滤器连接。

作为本发明再进一步的方案：所述旋转过滤器包括外层的不锈钢丝网和内层的不锈钢烧结陶瓷内芯，不锈钢烧结陶瓷内芯的孔径为0.1~200μm，采用不锈钢材质制成的排料管穿过罐盖并置于不锈钢烧结陶瓷内芯内。

作为本发明再进一步的方案：所述夹层玻璃罐体内还设有固定床夹具，固定床夹具包括下底板、导流圆筒和上盖板，导流圆筒的上下两端焊接固定有上盖板和下底板，导流圆筒的轴线方向上设有对搅拌轴和搅拌桨叶的让位，上盖板和下底板上均开设有孔洞，补料管和通气管设置为弯管状。

作为本发明再进一步的方案：所述孔洞的孔径为1~10mm。

作为本发明再进一步的方案：所述固定床夹具为采用不锈钢材质制成的圆柱形结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：能根据培养细胞的不同，更换生物反应器内相关模块组件，满足多种细胞的培养需求，可广泛用于生物制药行业中大规模高密度细胞培养及目标产物表达。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图。

图2为实施例2的结构示意图。

图3为实施例3的结构示意图。

图中：1-电机、2-补料管、3-通气管、4-搅拌轴、5-搅拌桨叶、6-气泡分布器、7-支架底座、8-支撑杆、9-夹层玻璃罐体、10-罐盖、11-收获管、12-旋转过滤器、13-固定床夹具、14-排料管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本多用途生物反应器，包括搅拌机构、培养罐体、通气机构、补料机构、收获机构、自动化控制器等。

实施例1

请参阅图1，本发明实施例中，一种多用途生物反应器，包括培养罐体、搅拌机构、通气机构、补料机构、收获装置和排气装置，培养罐体包括夹层玻璃罐体9和罐盖10，夹层玻璃罐体9具有水套夹层，可以进行升温和降温，便于提供生物培养等所需的温度，罐盖10可拆卸的安装在夹层玻璃罐体9的顶部开口处，也方便更换和维护夹层玻璃罐体9内的模块组件，夹层玻璃罐体9采用硼硅酸盐玻璃材质制成，易清洗无死角，罐盖10采用316L不锈钢制成，夹层玻璃罐体9为具有碟形浅底的圆柱形结构，体积利用率大，夹层玻璃罐体9的高度与直径的比例为1.2~2，适合细胞培养需求，夹层玻璃罐体9的底部设有支架底座7，支架底座7上安装有若干根支撑杆8，支撑杆8的顶部与罐盖10连接；

所述搅拌机构可以为机械搅拌式或磁力搅拌式机构，在本实施例中，搅拌机构为机械搅拌式，搅拌机构包括电机1、搅拌轴4和搅拌桨叶5，电机1安装在罐盖10上，电机1的输出端与置于夹层玻璃罐体9内的搅拌轴4连接，搅拌轴4上安装有一组或多组搅拌桨叶5，搅拌桨叶5采用3D打印一次铸造成型，搅拌桨叶5通过无缝焊接方式固定在搅拌轴4上；

所述通气机构包括通气管3和气泡分布器6，在本实施例中，通气管3穿过罐盖10插入到夹层玻璃罐体9的下部，且通气管3的端部位置安装有气泡分布器6，用于向夹层玻璃罐体9内输入点状微泡、柱状微泡或环形大泡等，通气管3通入的气体类型可以为空气、氧气、二氧化碳、氮气等，通气管3上安装有流量计，用来精准的控制气体的输入量；

所述补料机构包括若干根补料管2，补料管2均安装在罐盖10上，补料管2为医用硅胶管，补料管2上安装有高精度蠕动泵，可根据细胞培养工艺需求，更换补料物质，满足细胞的培养工艺需求；

所述收获装置包括收获管11，收获管11安装在罐盖10上，收获管11上安装有高精度蠕动泵，用于在进行灌流培养时，可将夹层玻璃罐体9内的液体吸出，将细胞代谢的物质排出，收获管11为医用硅胶管；

由于通气机构的设置，会导致夹层玻璃罐体9内呈正压状态，因此，在罐盖10上设有排气装置，具体的，排气装置包括回流冷凝器和0.2μm无菌过滤器。

所述水套夹层内安装有电热棒，电热棒的发热温度受温度控制器控制，水套夹层内通有循环水，工作时，电热棒发热，通过循环，水套夹层内的水将热量传递至夹层玻璃罐体9内的液体，来完成升温，降温时，水套夹层中通入循环冷水，通过循环，夹套内的水将冷量传递至夹层玻璃罐体9的液体，来完成降温。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例增加了拦截装置，具体如下：

请参阅图2，所述拦截装置包括旋转过滤器12和排料管14，旋转过滤器12固定在搅拌轴4上，与搅拌轴4同步转动，旋转过滤器12包括外层的不锈钢丝网和内层的不锈钢烧结陶瓷内芯，不锈钢烧结陶瓷内芯的孔径为0.1~200μm，采用不锈钢材质制成的排料管14穿过罐盖10并置于不锈钢烧结陶瓷内芯内，其主要目的是实现当用于动物细胞微载体贴壁细胞培养时，培养模式为灌流培养，采用连续补加连续收获的补料方式时使用。

实施例3

在实施例1的基础上，本实施例增加了固定床夹具13，具体如下：

请参阅图3，所述固定床夹具13为采用不锈钢材质制成的圆柱形结构，固定床夹具13包括下底板、导流圆筒和上盖板，导流圆筒的上下两端焊接固定有上盖板和下底板，导流圆筒的轴线方向上设有对搅拌轴4和搅拌桨叶5的让位，上盖板和下底板上均开设有孔径为1~10mm的孔洞，用于供培养液等液体自由流过，此外，补料管2和通气管3设置为弯管状，以避免和固定床夹具13的位置发生干涉。

另外，需要特别说明的是，为了简化技术方案，方便理解，上述实施例中，对通气管3、排料管14、补料管2、收获管11上的接头、泵等，以及本发明的自动化控制器等电气控制设备等进行了省略，但其均属于现有技术，也属于常见必要的一些设备，因此上述的省略的一些部件不会影响本技术方案的完整性。

下面对各个实施例的具体实施方式进行说明：

结合实施例1，其适合使用在动物细胞全悬浮培养中，培养模式为批次培养，采用逐次补加营养物策略。

按照实施例1中的部件连接关系，将各个组件安装完成，将生物反应器整体放入灭菌装置内，进行离线灭菌；培养过程中所需用的各种营养物质和补料液体，应提前进行无菌处理（高温高压灭菌或无菌过滤处理等），并装入合适的无菌容器中（带有合适的无菌管道及接头）。

通过自动化控制器控制补料管上的蠕动泵工作，可以选择手动或自动操作，当补充到指定体积液体后，操作停止，需要补充的液体有细胞培养液、碱液等；

之后将足够数量的全悬浮细胞导入到夹层玻璃罐体内，并设定温度、搅拌转速、pH、DO等参数，自动运行，另pH模块与补料管路关联，DO模块与深层通气管道关联，pH模块和DO模块主要是用于测定培养参数的，不属于本申请的保护范畴，因此在实施例中未进行说明；

全悬浮细胞在夹层玻璃罐体内，混合均匀，培养参数稳定，细胞总数会逐渐扩增，当细胞进入平衡期，细胞密度达到较高水平，此过程，可通过补料管补加一定量营养物质，满足细胞培养代谢所需，此操作可手动操作或自动运行，其中pH调整可通过pH传感器在线监测，自动控制碱液补料进行。DO调整可通过DO传感器在线监测，自动控制流量计和通气管来补充气体。

当全悬浮细胞密度达到较高水平，可接种毒种或自行分泌目标产物，设定补料速度，补加适当营养物质，促使细胞分泌相应的目标产物，可每日从罐体内取样，检测样品中目标产物浓度，记录数据，绘制目标产物浓度曲线。

当全悬浮细胞数量及活力均降低，且目标产物浓度降低时，结束培养，将夹层玻璃罐体内液体，采用无菌方式收获，收获液体进行下游纯化处理，即可获得相应制品。

结合实施例2，其适合使用在动物细胞微载体贴壁细胞培养，培养模式为灌流培养，采用连续补加连续收获的补料策略。

按照实施例2中的部件连接关系，将各个组件安装完成，将生物反应器整体放入灭菌装置内，进行离线灭菌；培养过程中所需用的各种营养物质和补料液体，应提前进行无菌处理（高温高压灭菌或无菌过滤处理等），并装入合适的无菌容器中（带有合适的无菌管道及接头）。

通过自动化控制器控制补料管上的蠕动泵工作，可以选择手动或自动操作，当补充到指定体积液体后，操作停止，需要补充的液体有细胞培养液、碱液等；

之后将足够数量的贴壁细胞导入到夹层玻璃罐体内。在所述自控软件中，设定温度、搅拌转速、pH、DO等参数，并自动控制运行，并设定温度、搅拌转速、pH、DO等参数，自动运行，另pH模块与补料管路关联，DO模块与深层通气管道关联，pH模块和DO模块主要是用于测定培养参数的，不属于本申请的保护范畴，因此在实施例中未进行说明。

贴壁细胞和微载体在夹层玻璃罐体内，混合均匀，培养参数稳定，贴壁细胞会在短时间内，吸附到微载体上并逐渐扩增，当贴壁细胞大部分贴附到微载体上后，设置补料速度，连续往夹层玻璃罐体内补加营养物质，并通过拦截装置，设置收获速度（应与补料速度保持一致）；保证夹层玻璃罐体内不断有新的营养物质进入，不断有代谢产物被排出，且夹层玻璃罐体内液体体积保持不变。

当贴壁细胞进入平衡期，细胞密度达到较高水平，可接种毒种，感染细胞，补料策略保持不变。可每日从罐体内取样，检测样品中目标产物浓度，记录数据，绘制目标产物浓度曲线。

当贴壁细胞数量及活力均降低，且目标产物浓度降低时，结束培养。将夹层玻璃罐体内液体或细胞，采用无菌方式收获。将收获液体进行下游纯化处理，即可获得相应制品。

结合实施例3，其适合使用在动物细胞固定床培养，培养模式为灌流培养，采用连续补加连续收获的补料策略。

按照实施例3中的部件连接关系，将各个组件安装完成，将生物反应器整体放入灭菌装置内，进行离线灭菌；培养过程中所需用的各种营养物质和补料液体，应提前进行无菌处理（高温高压灭菌或无菌过滤处理等），并装入合适的无菌容器中（带有合适的无菌管道及接头）。

通过自动化控制器控制补料管上的蠕动泵工作，可以选择手动或自动操作，当补充到指定体积液体后，操作停止，需要补充的液体有细胞培养液、碱液等；

之后将足够数量的细胞导入到培养罐体内，并设定温度、搅拌转速、pH、DO等参数，自动运行，另pH模块与补料管路关联，DO模块与深层通气管道关联，pH模块和DO模块主要是用于测定培养参数的，不属于本申请的保护范畴，因此在实施例中未进行说明。

载体固定在固定床内，细胞经流体循环，逐渐贴附在固定床内的载体上，培养参数稳定，细胞会在短时间内，吸附到微载体上并逐渐扩增，当细胞大部分贴附到载体上后，应设置补料泵速，连续往罐体内补加营养物质，并排出代谢产物，保证夹层玻璃罐体内不断有新的营养物质进入，不断有代谢产物被排出，且夹层玻璃罐体内液体体积保持不变。

当细胞进入平衡期，细胞密度达到较高水平。可接种毒种，感染细胞。补料策略保持不变。可每日从罐体内取样，检测样品中目标产物浓度，记录数据，绘制目标产物浓度曲线。

当细胞数量及活力均降低，且目标产物浓度降低时，结束培养。将夹层玻璃罐体内液体，采用无菌方式收获。将收获液体进行下游纯化处理，即可获得相应制品。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种多用途生物反应器，包括培养罐体、搅拌机构、通气机构、补料机构、收获装置和排气装置，其特征在于，培养罐体包括夹层玻璃罐体（9）和罐盖（10），夹层玻璃罐体（9）具有水套夹层，罐盖（10）可拆卸的安装在夹层玻璃罐体（9）的顶部开口处，夹层玻璃罐体（9）的底部设有支架底座（7），支架底座（7）上安装有若干根支撑杆（8），支撑杆（8）的顶部与罐盖（10）连接；

所述搅拌机构包括电机（1）、搅拌轴（4）和搅拌桨叶（5），电机（1）安装在罐盖（10）上，电机（1）的输出端与置于夹层玻璃罐体（9）内的搅拌轴（4）连接，搅拌轴（4）上安装有一组或多组搅拌桨叶（5）；

所述通气机构包括通气管（3）和气泡分布器（6），通气管（3）穿过罐盖（10）插入到夹层玻璃罐体（9）的下部，且通气管（3）的端部位置安装有气泡分布器（6），通气管（3）上安装有流量计；

所述补料机构包括若干根补料管（2），补料管（2）均安装在罐盖（10）上，补料管（2）为医用硅胶管，补料管（2）上安装有高精度蠕动泵；

所述收获装置包括收获管（11），收获管（11）安装在罐盖（10）上，收获管（11）上安装有高精度蠕动泵，收获管（11）为医用硅胶管；

在所述罐盖（10）上设有排气装置。

2.根据权利要求1所述的一种多用途生物反应器，其特征在于，所述夹层玻璃罐体（9）采用硼硅酸盐玻璃材质制成，罐盖（10）采用316L不锈钢制成，夹层玻璃罐体（9）为具有碟形浅底的圆柱形结构，夹层玻璃罐体（9）的高度与直径的比例为1.2~2。

3.根据权利要求1所述的一种多用途生物反应器，其特征在于，所述排气装置包括回流冷凝器和0.2μm无菌过滤器。

4.根据权利要求1所述的一种多用途生物反应器，其特征在于，所述搅拌桨叶（5）采用3D打印一次铸造成型，搅拌桨叶（5）通过无缝焊接方式固定在搅拌轴（4）上。

5.根据权利要求1所述的一种多用途生物反应器，其特征在于，所述水套夹层内安装有电热棒，电热棒的发热温度受温度控制器控制，水套夹层内通有循环水。

6.根据权利要求1所述的一种多用途生物反应器，其特征在于，所述夹层玻璃罐体（9）内还设有拦截装置，所述拦截装置包括旋转过滤器（12）和排料管（14），旋转过滤器（12）固定在搅拌轴（4）上，与搅拌轴（4）同步转动，排料管（14）与旋转过滤器（12）连接。

7.根据权利要求5所述的一种多用途生物反应器，其特征在于，所述旋转过滤器（12）包括外层的不锈钢丝网和内层的不锈钢烧结陶瓷内芯，不锈钢烧结陶瓷内芯的孔径为0.1~200μm，采用不锈钢材质制成的排料管（14）穿过罐盖（10）并置于不锈钢烧结陶瓷内芯内。

8.根据权利要求1所述的一种多用途生物反应器，其特征在于，所述夹层玻璃罐体（9）内还设有固定床夹具（13），固定床夹具（13）包括下底板、导流圆筒和上盖板，导流圆筒的上下两端焊接固定有上盖板和下底板，导流圆筒的轴线方向上设有对搅拌轴（4）和搅拌桨叶（5）的让位，上盖板和下底板上均开设有孔洞，补料管（2）和通气管（3）设置为弯管状。

9.根据权利要求8所述的一种多用途生物反应器，其特征在于，所述孔洞的孔径为1~10mm。

10.根据权利要求8所述的一种多用途生物反应器，其特征在于，所述固定床夹具（13）为采用不锈钢材质制成的圆柱形结构。