CN101974408B - 一种微重力环境下膜式离心转轴生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微重力环境下膜式离心转轴生物反应器，属于生物设备制造工程领域。包括反应器壳体、挡板、氧气供应组件、膜式离心转轴和参数测量装置；挡板焊接在反应器壳体的内壁上，挡板上有支撑孔，挡板支撑固定氧气供应组件，氧气供应组件环形缠绕在挡板的支撑孔上；膜式离心转轴的顶端固定连接在反应器壳体的顶端，膜式离心转轴的底端位于反应器壳体的底部的上方，参数测量装置设置在反应器壳体上部并与反应器壳体固定连接，参数测量装置与反应器壳体之间的夹角为30-60度。本发明的反应器适合于微重力环境下，培养体系内氧气的高效率供给，气液传质均匀，微生物细胞的高效培养与尾气二氧化碳的快速、高效分离和排放。

Description

一种微重力环境下膜式离心转轴生物反应器
技术领域
本发明涉及一种微重力环境下膜式离心转轴生物反应器，属于生物设备制造工程领域。
背景技术
空间微重力环境是科学家利用空间资源进行空间生命科学研究的一个重要极端条件，利用空间微重力环境进行微生物细胞生物学、微生物代谢调控、微生物重组基因表达等方面的研究，可以从细胞水平来解释空间适应的机理，也使人们从另一个角度来认识地球重力环境下生命长期进化现象成为可能，同时也具有十分重要的生物医学及商业应用价值。
空间生物反应器是人类利用空间资源进行空间生物学与空间生物技术研究的重要硬件设备，他的应用为空间生命科学研究提供了必要的生物材料，如细胞、组织和微生物等。
在微重力环境下，液体内由于密度梯度、固体质点或气泡等析出而形成的对流现象基本消失。不同密度液体之间的分层、漂浮和沉淀等现象也不复存在。液体受表面张力的约束、润湿现象和毛细管现象占主导地位。这使得气液固三相很难分离，从而使地面上很容易实现的过程变得十分复杂，增加了培养过程中培养基质、氧气的供应、废气的排出以及高效培养等的难度，使得进行微重力环境下的生物培养研究非常困难。然而，随着空间生命科学和空间生物应用研究等的发展，作为提供生物研究材料的生物反应器逐渐被科学家所重视。
到目前为止，世界各国已经研制了旋转壁式，连续灌注式，脉冲式等多种不同类型的用于微重力环境细胞培养的装置，其中不少已经经历过空间飞行的检验。如美国在上世纪90年由NASA Johnson Space Center代初开发的用于微重力环境进行细胞和组织悬浮培养的RWV(Rotating Wall Vessel Bioreactor)反应器。NASA开发的满足美国在国际空间站上进行生命科学领域研究的细胞培养单元反应器(Cell Culture Unit Bioreactor，CCUB)。美国宇航局艾姆斯研究中心等研制的单环路细胞培养反应器(Single Loop for Cell Culture Bioreactor，SLCCB)等。该系列反应器系统通过外循环改变供排气方式和加装消泡装置等一系列措施较好地解决了反应器系统培养生物体的不足，能更好的适应空间微重力环境进行生物培养研究的需求。但目前世界开发的各类生物反应器不能完全实现微重力环境下生物培养中的气-液传质、分离等技术难题，实现微生物细胞的高效培养以及相关参数的检测。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种微重力环境下膜式离心转轴生物反应器，该方法结构简单、氧气供给效率高，气液传质均匀，可实现微生物高效培养和尾气二氧化碳快速、高效分离和排放。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种微重力环境下膜式离心转轴生物反应器，包括反应器壳体、挡板、氧气供应组件、膜式离心转轴和参数测量装置；挡板焊接在反应器壳体的内壁上，挡板上有支撑孔，挡板支撑固定氧气供应组件，氧气供应组件环形缠绕在挡板的支撑孔上；膜式离心转轴的顶端固定连接在反应器壳体的顶端，膜式离心转轴的底端位于反应器壳体的底部的上方，参数测量装置设置在反应器壳体上部并与反应器壳体固定连接，参数测量装置与反应器壳体之间的夹角为30-60度；
膜式离心转轴包括膜式搅拌桨和磁力搅拌组件；磁力搅拌组件位于膜式搅拌桨的底端并通过法兰固定连接；在膜式搅拌桨表面设置一层疏水不对称聚四氟乙烯膜；
氧气供应组件为硅橡胶模供氧组件。
工作过程：
首先，将膜式离心转轴生物反应器内充满无菌培养液，然后向反应器内培养液中接种待培养生物细胞的种子液进行发酵培养；当反应器内溶解氧浓度过低时，空气气源经减压阀、气体流量计以一定压力从转轴生物反应器壁接口进入转轴生物反应器，通过控制气体与转轴生物反应器内的压力差，使沿着转轴生物反应器内壁侧盘绕的氧气供应组件内的气体以无泡供给的方式向培养液中渗透，从而提供生物生长代谢所需的营养；
在进行生物细胞发酵培养的前期，生物细胞处于适应期，生长代谢所需营养和代谢产生的废物较少；在磁力搅拌器的驱动下，膜式离心转轴以较低的速度旋转，膜式离心转轴中的膜式搅拌桨通过旋转带动流体运动实现转轴生物反应器内营养的混合与传质均匀；同时挡板起到增强气液错流传质效率和提高氧的利用率的双重作用；
在发酵培养的中后期，生物细胞快速繁殖与生长代谢产生大量的二氧化碳和代谢废物，在磁力搅拌器的驱动下，膜式离心转轴中的膜式搅拌桨以较高的速度绕中心轴旋转，在惯性离心力的作用下，使培养液分布于膜式离心转轴生物反应器内外侧，而气体分布于膜式搅拌桨表面形成的空穴中，通过真空泵的抽负压作用和膜式离心转轴生物反应器内气-液流体的压力，加速二氧化碳废气透过膜式搅拌桨表面的疏水透气聚四氟乙烯膜，实现废气与培养液的快速、高效分离和排放；
在培养的整个过程中，通过参数测量装置对培养液的温度、溶氧、pH和压力参数值进行实时测定。
有益效果
本发明的反应器适合于微重力环境下，培养体系内氧气的高效率供给，气液传质均匀，微生物细胞的高效培养与尾气二氧化碳的快速、高效分离和排放。
附图说明
图1为本发明的生物反应器结构示意图；
图2为膜式离心转轴的横截面示意图；
其中，1-反应器壳体，2-挡板，3-氧气供应组件，4-膜式离心转轴，5-参数测量装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例
一种微重力环境下膜式离心转轴生物反应器，包括反应器壳体1、挡板2、氧气供应组件3、膜式离心转轴4和参数测量装置5；4块挡板2均匀分布在反应器壳体1的内壁上，每个挡板2上均匀分布有9个支撑孔，挡板2支撑固定氧气供应组件3，氧气供应组件3环形缠绕在挡板2的9个支撑孔上；膜式离心转轴4的顶端固定连接在反应器壳体1的顶端，膜式离心转轴4的底端位于反应器壳体1的底部的上方，参数测量装置5设置在反应器壳体1上部并与反应器壳体1固定连接，参数测量装置5与反应器壳体1之间的夹角为30-60度；
膜式离心转轴4包括膜式搅拌桨和磁力搅拌组件；磁力搅拌组件位于膜式搅拌桨的底端并与其通过法兰固定连接；在膜式搅拌桨表面设置一层疏水不对称聚四氟乙烯膜；膜式离心转轴4的表面呈凹凸锯齿状结构；
氧气供应组件3为硅橡胶模供氧组件。
工作过程：
首先，将膜式离心转轴生物反应器内充满无菌培养液，然后向反应器内培养液中按接种量1％-5％接种待培养生物细胞的种子液进行发酵培养；当反应器内溶氧值低于20％时，空气气源经减压阀、气体流量计以30ml/min的流速从转轴生物反应器壁接口进入转轴生物反应器，通过控制气体与转轴生物反应器内的压力差0.1-0.2MPa，使沿着转轴生物反应器内壁侧盘绕的氧气供应组件3内的气体以无泡供给的方式向培养液中渗透，从而提供生物生长代谢所需的营养；
在进行生物细胞发酵培养的前期(0-12h)，生物细胞处于适应期，生长代谢所需营养和代谢产生的废物较少；在磁力搅拌器的驱动下，膜式离心转轴4以5-30rpm的速度旋转，膜式离心转轴4中的膜式搅拌桨通过旋转带动流体运动实现转轴生物反应器内营养的混合与传质均匀；同时挡板2起到增强气液错流传质效率和提高氧的利用率的双重作用；
在生物细胞发酵培养的中后期(24-48h)，生物细胞快速繁殖和生长代谢产生大量的二氧化碳和代谢废物，在磁力搅拌器的驱动下，膜式离心转轴4中的膜式搅拌桨以80-120rpm的较高速度旋转，在惯性离心力的作用下，使培养液分布于转轴生物反应器内外侧，而气体分布于膜式搅拌桨表面形成的空穴中，通过真空泵的抽负压(-0.02MPa)作用和转轴生物反应器内气-液流体的压力，加速二氧化碳废气透过膜式搅拌桨表面微孔疏水透气聚四氟乙烯膜，实现废气与培养液的快速、高效分离和排放；
在培养的整个过程中，通过参数测量装置5对培养液的温度(37℃)、溶氧值(0-100％)、pH值(2-12)和压力值(0-0.1MPa)进行实时测定。

Claims (2)

1.一种微重力环境下膜式离心转轴生物反应器，其特征在于：包括反应器壳体(1)、挡板(2)、氧气供应组件(3)、膜式离心转轴(4)和参数测量装置(5)；挡板(2)焊接在反应器壳体(1)的内壁上，挡板(2)上有支撑孔，挡板(2)支撑固定氧气供应组件(3)，氧气供应组件(3)环形缠绕在挡板(2)的支撑孔上；膜式离心转轴(4)的顶端固定连接在反应器壳体(1)的顶端，膜式离心转轴(4)的底端位于反应器壳体(1)的底部的上方，参数测量装置(5)设置在反应器壳体(1)上部并与反应器壳体(1)固定连接，参数测量装置(5)与反应器壳体(1)之间的夹角为30-60度；膜式离心转轴(4)包括膜式搅拌桨和磁力搅拌组件；磁力搅拌组件位于膜式搅拌桨的底端并与膜式搅拌桨固定连接；
膜式搅拌桨表面有一层疏水不对称聚四氟乙烯膜。
2.根据权利要求1所述的一种微重力环境下膜式离心转轴生物反应器，其特征在于：氧气供应组件(3)为硅橡胶膜供氧组件。
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微重力组织工程的产生与发展;江青艳等;《中国生物工程杂志》;20020630;第22卷(第3期);32，37-39 *
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