CN101100640A - 一种帘状锚固培养生物反应器的培养床 - Google Patents
一种帘状锚固培养生物反应器的培养床 Download PDFInfo
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Abstract
一种帘状锚固培养生物反应器的培养床，具有床体(E)，床体(E)顶部安装有复合流注补料器(F)，床体(E)外套装有一次性无菌封膜(G)，培养床(E)具有附着绒黏附层(6)的双层支持网(7)，两支持网间有空隙形成床内腔(10)，复合流注补料器(F)的流注补料槽(11)连通培养床(E)的床内腔(10)和设置在复合流注补料器(F)上的进液管(15)。本发明适用于长期连续大规模生产培养，其具有结构简单、制造成本低、能耗低、非生产过程短而简单、易于工业化放大、无规模限制、可连续培养反复收获等优点，可极大地降低生物反应器的制造成本和植物离体培养的规模化生产成本及分散化解规模风险。
Description
技术领域
本发明涉及生物反应器，特别是一种生物反应器的培养床，属于生物技术植物细胞培养工程领域，或根据应用范围归属于生物技术与化学工程与技术的交叉领域——生物工业化生产领域。
背景技术
为了实现植物细胞、组织和器官大量培养工厂化生产有用次生代谢产物，自1956年Routies和Nichell申请第1个利用鼓泡塔反应器培养植物细胞生产有用次生代谢物质的专利以来，全世界研制开发了机械搅拌式(STR)反应器，气升式(AL)反应器，转鼓式生物反应器，流化床生物反应器，填充床生物反应器[Panda A K，MishhraS，Bisaria US，Bhojwani S S.Plant cell reactor，a perspective.Enzyme MicrobTechnol，1989，11：386-397]，膜生物反应器，连续灌注式生物反应器等很多种生物反应器，规模由几升到75000升不等，已应用的植物有常春藤、紫松果菊、紫草、人参、黄花蒿、黄连、红豆杉等数十种，日本率先实现了紫草、人参、黄连细胞大规模培养制备紫草宁、人参皂甙和黄连素的工业化生产[Hara Y.Research on theproduction of useful compounds by plant cell cultures in Japan.In：Di CosmoF，Misawa M，eds.Plant Cell Culture Secondary Metabolism Toward IndustrialApplicatong.Boca Ratton；CRC Press，1996，187-202]，但大多数技术仍停留在实验室或工业化放大试验阶段。这些研究和技术成果都有一个共同特点，即所采用无论为何种反应器，培养都在密闭容器中进行，即培养床大都为罐体，其沿袭的基本都是微生物发酵的有关理论、方法和原理，均需梯级放大。由于植物的培养周期要比微生物长得多，因而在长期持续培养过程中均要面临植物细胞、组织和器官优良遗传特性和生理生化特性的持续保持、细胞生长的一致性控制、培养过程的无菌条件和各理化因子的控制、细胞生长和结团所造成的各种不确定性、气液、液固及能量传质特性的持续保持等难以解决的问题，多难以工业化放大。过高的投资成本和因过多、过长的非生产过程所造成过高的运营成本，加上太多控制上的不确定性给工业化大规模生产带来的过高、企业无法承受的商业风险，严重阻碍了其大规模商业化生产的实现。特别是梯级放大，更是将成本风险成倍的放大，到最后，只要一次失败，就可能导致企业破产。植物细胞、组织和器官培养所需时间长，过程中变数太多，仅控制无菌就非常困难。所以，若一次性投入的成本过分集中，其大规模培养工业化生产的商业投资风险就异常巨大，任何企业都无法承受。
发明内容
本发明的目的就是针对目前植物细胞培养工程领域所研制生物反应器存在的上述问题，提供一种帘状锚固培养生物反应器的培养床。其采用窗网结构，尤其适用于长期连续大规模生产培养，对微生物和动物也较适合。其具有结构简单、制造成本低、能耗低、非生产过程短而简单、不受培养过程不确定性限制、商业运营风险低、过程控制简单容易、易于工业化放大、无规模限制、可连续培养反复收获、易于在线适时实施调控等优点，可极大地降低生物反应器的制造成本和植物离体培养的规模化生产成本及分散化解规模风险。
为达到上述目的，本发明的实施方案为：一种帘状锚固培养生物反应器的培养床，其特征在于，具有床体、复合流注补料器和一次性无菌封膜，床体为窗网结构，具有双层支持网，支持网安装在边框内，在支持网上附着绒黏附层，两支持网间有空隙形成床内腔，复合流注补料器安装在床体的顶部，具有流注补料槽，流注补料槽连通床体的床内腔和设置在复合流注补料器上的进液管，床体套装有一次性无菌封膜，一次性无菌封膜上设有排液管和空气连通管。
所述床体的两支撑网之间有间隙调控板，边框上设有限厚框，边框的上边框外配置有承重连接横梁。
所述复合流注补料器具有铆闩和铆闩预留孔，通过铆闩和铆闩预留孔将复合流注补料器安装于床体的顶部，复合流注补料器的顶部安装有吊环。
所述一次性无菌封膜为耐高温塑料薄膜制成的塑料膜袋，其至少一边边缘设有待粘结带，下边倾斜设置，排液管设在下边较低边角处。
所述绒黏附层为具有强亲水性纤维制成。
本发明提供的生物反应器的培养床的设计构建原理不同于目前以微生物发酵为参照的植物细胞培养工程的理论和原理，而是对高等植物高度分化结构特征的仿生。高等植物在自然状态下，即有器官分化，又有组织分化，且依照分化有功能上的分工，如其中的微管组织是连接各个细胞、组织和器官，并为其生长、分化和防御等提供物质和信号传导的输导组织。因此，本发明根据高等植物在细胞、组织和器官水平上的高度分工和相互间的有机联系及目标培养体在原植物体中所处解剖学结构的层次，以使植物培养体与培养生物反应器能有机紧密结合、持续稳定生长为目的，仿生植物果实中充满维管束、专为胚提供水分和营养的植物胎座设计构建了帘状锚固培养生物反应器的培养床，以高亲水性纤维织成的网绒代替植物胎座上的维管束，循环给养系统通过该仿生“微管系统”将水分和营养连续不断地输送给借助固化培养基像植物“胚”一样附着锚固在该网绒上的植物培养体，随着培养体的不断生长，二者就像植物的胚与胎座一样紧密结合在一起直至结合形成为整体，这样只需接种一次，就可反复多次地收获其生物产物，达到连续大规模工厂化生产植物培养体的目的，并使植物细胞、组织和器官大量培养的起始投资成本得到极大降低，分散化解因资本投入过分集中所造成的巨大投资规模风险。
附图说明
图1为本发明的轴侧示意图；
图2为本发明I-I方向的剖视图；
图3为本发明床体的轴侧示意图；
图4为本发明床体的分层结构轴侧示意图；
图5为本发明复合流注补料器的纵剖结构示意图和正立面示意图；
图6为图II-II方向的剖视图；
图7为本发明一次性无菌封膜的结构示意图；
图8为本发明悬挂安装就位后的轴侧示意图；
图9为本发明与循环供养系统连接示意图。
其中：A-帘状锚固培养生物反应器的培养床，B-循环供养系统，C-吊挂装置，D-阳光照明系统，E-床体，F-复合流注补料器，G-一次性无菌封膜。1-承重连接横梁，2-限厚框，3-边框，4-下边框，5-上边框，6-绒黏附层，7-支持网，8-间隙调控板，9-预留孔，10-床内腔，11-流注补料槽，12-槽套，13-铆闩，14-铆孔，15-进液管，16-吊环，17-待粘结带，18-薄膜，19-空气连通管，20-排液管。
具体实施方式
如图1、图3、图4所示，一种帘状锚固培养生物反应器的培养床A，具有床体E、复合流注补料器F和一次性无菌封膜G，床体E具有双层支持网7和边框3，支持网7安装在边框3内，在支持网7上附着绒黏附层6，两支持网7间有空隙形成床内腔10，复合流注补料器F安装在床体E的顶部，复合流注补料器F的顶部安装有进液管15，一次性无菌封膜G套装在床体E外，一次性无菌封膜G上设有排液管20和空气连通管19。
如图4所示，床体E为一整体厚度约2cm左右的窗式帘状结构，边框3外设有限厚框2，两层支持网7正对限厚框2竖直边框之间夹有间隙调控板8。床体E上方两面的两根承重连接横梁1可以用丝杆和螺母安装在床体E上，是床体E像窗帘一样悬挂时的承重梁，上有供套铆复合流注补料器F的预留孔9，两根承重连接横梁1在床体E灌注培养基、高压蒸汽灭菌后才在无菌条件下安装，其大小、厚薄、材料、力学特性及其上预留孔的大小和多少均因床的大小、重量而定。限厚框2、绒黏附层6、支持网7和夹在两支持网间的间隙调控板8各层被用螺丝、螺帽紧密固定在一起，也可以压铆固定在一起，使各层固定在一起时都必须将绒黏附层6和支持网7足够绷紧，保证在间隙调控板8的间隔作用下两支持网7之间保持一定间隔空间。间隙调控板8厚1.2mm～2.3mm，与限厚框2的竖直边框等宽、长，夹在两支持网7之间，使两支持网间间隔形成一1.2mm～2.3mm的薄层补料通道床内腔10，补料通过此床内腔10流下时穿过支持网7渗进绒黏附层6，通过绒黏附层6的纤毛绒将培养液导流传质给粘附在帘状锚固培养生物反应器的培养床A上的植物细胞、组织、器官等培养体。在间隙调控板8的两面各有一与限厚框2竖直边框内表面凹槽相对应的条状突起，且二者能互相嵌合，以嵌压固定绒黏附层6和支持网7，阻止培养液从床的两边渗出。绒黏附层6是利用具有极强亲水性的纤维所制成的纤维网绒，其朝床内的一面为网状，朝床外的一面有约5mm厚的纤毛绒，起粘附固化培养基和导流培养液给培养体传质供给营养的作用，是粘附培养基、植物细胞、组织和器官的关键构件，其上边缘与限厚框2上边框5的上边缘相平齐，自其上边缘向下正对承重连接梁1上铆闩预留孔9处也相应地打有预留孔，以有利复合流注补料器F套装。支持网7是被压固在间隙调控板8二面的一种高强度网，起保护绒黏附层6、防止床内腔10阻塞的作用，其上边缘与绒黏附层6相平齐，在与绒黏附层6上预留孔相对应的位置也打有预留孔。
如图2、图5、图6、图8所示，复合流注补料器F具有流注补料槽11和槽套12，流注补料槽11位于槽套12内，槽套12顶部安装有吊环16，流注补料槽11与设在复合流注补料器F顶部的进液管15和床体E中的床内腔10相通。槽套12下部设有铆孔14，通过铆闩13和铆孔14使复合流注补料器F安装在床体E的顶部。其除吊环为不锈钢制成外，其余均为高强度、耐高温工程塑料制成，且制成后经灭菌处理为无菌制品、无菌包装备用，可高温高压蒸汽灭菌、反复使用。所述流注补料槽11其实是槽套12夹在最内层的一横截面形状为一长方形加等腰三角形所组成五边形长槽，五边形的底朝上为槽顶，五边形的顶朝下为槽底，槽顶上装有一进液管15，槽底三角形楔尖部开有1.0mm～1.8mm窄缝，安装时伸入到床体E两支持网7间的床内腔10中，补料培养液由进液管15，经补料槽11底部的缝隙注流入床体E的床内腔10中。槽套12带有悬挂吊环16。流注补料槽11与床体E装有承重连接梁1的一端等厚，槽套12内腔与床体E装有承重连接梁1的一端等大，组装时将床体E装有承重连接梁1端插入槽套12、在铆闩预留孔14中闩上铆闩13即可。帘状锚固培养生物反应器的培养床A悬挂到吊挂装置C上时，其全部重量均由槽套12上的悬挂吊环16承载，故复合流注补料器F又是帘状锚固培养生物反应器的培养床A悬挂承重的关键构件之一。
如图1、图2、图7所示，一次性无菌封膜G实际就是一个由耐高温塑料薄膜18制成的塑料膜袋，其上有待粘结带17、空气连通管19和排液管20，具有良好的透光性，不透气，起将所述帘状锚固培养生物反应器的培养床A与外界有菌环境隔开、保持内部无菌的作用。制成后经消毒灭菌成无菌制品备用，为一次性消耗品，即每当一个培养周期结束、收获培养体时，一次性无菌封膜G便被撕下换成新膜。空气连通管19热压铆固在膜袋正面或背面上部靠边缘处，是床内与床外进行空气交换的通道，其上装有过滤器，可滤掉空气中的有害菌，确保床内空气与床外空气进行安全交换。流经床内腔未被吸收的剩余培养液经排液管20回流进循环供养系统B。一次性无菌封膜G的下方倾斜设置，排液管20被热压密封固定在膜袋最下方的顶端部，且向内伸进约3cm，顶部封住，内纳液口开在管顶部的侧面，以防落下的培养体堵塞管口。安装前，膜较长的一侧和膜的下部倾斜边缘为已密封带，剩余两方为待密封带，其边缘为涂有粘胶的待粘结带17，其上有一层保护膜，安装时撕开保护膜即可实施粘结封膜。被灌注培养基、消毒灭菌、接种、无菌安装承重横梁1和复合流注补料器F后的床体E再被套上一次性无菌封膜G封固后即可悬挂就位，打开排液管20与循环给养系统B实施无菌对接。
如图8、图9所示，本发明在使用时，首先给床体E注入固化培养基并进行高压蒸汽消毒灭菌，将待培养材料通过固化培养基接种锚固在床体E的绒黏附层6上，然后将本发明的帘状锚固培养生物反应器的培养床A逐个悬挂在吊挂装置C上，并将每个帘状锚固培养生物反应器的培养床A的进液管15和排液管20与循环供养系统B连通，调节培养室温、湿度到所需的值，培养直至培养体生长达到具有收获价值的生长量，无菌拆卸帘本发明与循环供养系统B之间的连接，撕开套在其上的一次性无菌封膜G，用无菌刀紧靠床体E的两竖直边框3平削下长出边框的培养体，余下部分仍保留在床面上作为下一周期培养的种子，换一新的一次性无菌封膜G重新将床体套封起来，再推回培养室，开始新一轮培养。
Claims (5)
1、一种帘状锚固培养生物反应器的培养床，其特征在于，具有床体(E)、复合流注补料器(F)和一次性无菌封膜(G)，床体(E)为窗网结构，具有双层支持网(7)，支持网(7)安装在边框(3)内，在支持网(7)上附着绒黏附层(6)，两支持网(7)间有空隙形成床内腔(10)，复合流注补料器(F)安装在床体(E)的顶部，具有流注补料槽(11)，流注补料槽(11)连通床体(E)的床内腔(10)和设置在复合流注补料器(F)上的进液管(15)，床体(E)外套装有一次性无菌封膜(G)，一次性无菌封膜(G)上设有排液管(20)和空气连通管(19)。
2、根据权利要求1所述的帘状锚固培养生物反应器的培养床，其特征在于，所述床体(E)的两支撑网(7)之间有间隙调控板(8)，边框(3)上设有限厚框(2)，边框(3)的上边框(5)外配置有承重连接横梁(1)。
3、根据权利要求1所述的帘状锚固培养生物反应器的培养床，其特征在于，所述复合流注补料器(F)具有铆闩(13)和铆孔(14)，通过铆闩(13)和铆闩孔(14)将复合流注补料器(F)安装于床体(E)的顶部，复合流注补料器(F)的顶部安装有吊环(16)。
4、根据权利要求1所述的帘状锚固培养生物反应器的培养床，其特征在于，所述一次性无菌封膜(G)为耐高温塑料薄膜(18)制成的塑料膜袋，其至少一边边缘设有待粘结带(17)，下边倾斜设置，排液管(20)设在下边较低边角处。
5、根据权利要求1所述的帘状锚圆培养生物反应器的培养床，其特征在于，所述绒黏附层(6)为具有强亲水性的纤维制成。
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