CN102925355B - 一种鼓浪式细胞生物反应器 - Google Patents

Abstract

一种鼓浪式细胞生物反应器，包括由一斜边为弧线的倒直角三角形沿一直角边旋转而成的倒锥形鼓浪搅拌桨⑺。所述倒锥形鼓浪搅拌桨⑺的弧线斜边包括但不限于圆弧和椭圆弧。其优点在于：结构简单、适用性广、可扩展性强；可同时用于纯悬浮细胞和微载体贴壁细胞的培养，并可根据不同细胞培养方式灵活调整桨的结构和运动方式；本发明鼓浪式生物反应器易于放大，通过改变搅拌桨及罐体尺寸，很容易实现动物细胞硬件尺度上的放大培养，为大规模培养动物细胞并工业化生产生物及组织制品创造了条件。

Description

一种鼓浪式细胞生物反应器

技术领域

本发明涉及生物工程技术领域，具体的说是一种细胞培养用鼓浪式细胞生物反应器。

背景技术

生物反应器是动物细胞培养过程中的关键设备，旨在人为设计了一种细胞适宜的生长环境，使其能在体外快速增殖以获得人们所需的生物制品。由于动物细胞在其形态结构、生长方式、营养需求以及液体热力学环境等方面较微生物有很大区别，可以说动物细胞培养对生物反应器的要求更为严格，经典的微生物反应器已显然不适用于动物细胞的培养和组织工程的需要，这促使新型动物细胞生物反应器的研究与开发。

动物细胞无细胞壁，环境耐受力低，相对于微生物培养用生物反应器而言，动物细胞生物反应器除了提供其生长所需要的适宜温度和pH环境、充足的氧气和营养物质外，在设计上还需考虑培养过程最大限度的减小搅拌和通气造成的对细胞的剪切损伤。动物细胞生长方式依据其对基质的依赖性差异可分为两类：贴壁依赖型和非贴壁依赖型。大多数动物细胞为贴壁依赖型的，需要贴附于固形支持物表面才能生长，如成纤维细胞等，少数细胞可直接悬浮生长如杂交瘤细胞等，部分细胞可通过驯化培养由贴壁培养可转化为悬浮培养，如幼仓鼠肾细胞等。

动物细胞生物反应器设计上要求尽可能的既适用于非贴壁细胞的悬浮培养，又适用于贴壁细胞的悬浮或静止培养。目前国内外主流使用的动物细胞生物反应器包括德国贝朗、荷兰Applikon、美国NBS和杭州安普等。其中，德国贝朗、荷兰Applikon反应器分别采用机械搅拌桨，鼓泡通气模式，常用于非贴壁动物细胞的悬浮培养，但对于微载体贴壁细胞的悬浮或静止培养效果不理想；美国NBS、杭州安普分别采用提升式搅拌桨微载体系统和激流式反应器一次性纸片载体系统，用于贴壁细胞的微载体悬浮培养和静止培养效果不错，但美国NBS生物反应器对于非贴壁细胞的悬浮培养效果欠佳，杭州安普生物反应器在细胞培养规模存在瓶颈。因此，开发一种新型通用型可满足工业化大规模细胞培养生物反应器具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种鼓浪式细胞生物反应器，通过适当改变搅拌桨形状及罐体尺寸，可方便实现反应器硬件尺度上的放大培养。

一种鼓浪式细胞生物反应器，包括由一斜边为弧线的倒直角三角形沿一直角边旋转而成的倒锥形鼓浪搅拌桨7。

所述倒锥形鼓浪搅拌桨7的弧线斜边包括但不限于圆弧和椭圆弧。

所述鼓浪式细胞生物反应器，还包括罐体9、罐盖8、电动机1、转轴2、转子3和轴套4，所述轴套4底部和倒锥形鼓浪搅拌桨7相连；所述转子3末端设置有滚动轴承6，轴套4内壁开设有用于限制滚动轴承6运动方向的闭合曲线凹槽10；罐盖8下表面设置有两根以上相对于轴套圆心呈中心对称分布的限位杆5，轴套4外圈还设置有用于嵌入限位杆5的限位凹槽11。

所述闭合曲线凹槽10，其线形包括但不限于正弦曲线形、余弦曲线形、抛物线形、波浪线形和锯齿线形。

转子3的支点数为2～4个。

所述闭合曲线凹槽10的闭合曲线周期数与转子支点数相同或为转子支点数的偶数倍。

所述限位杆5为正梯形，限位凹槽11为倒梯形，用于使限位杆5上下垂直运动的同时限位杆不脱离限位凹槽11。

所述罐体9底部为半球形或半椭球形，总培养容积为3L～3000L，罐体9的高径比为1:1～1:8。

所述罐体9的高径比优选为1:1.5～1:4。

所述鼓浪式细胞生物反应器，还包括控温装置，所述控温装置为用于包裹罐体9的带电加热控制的电热毯或设置在罐体9底部的外换热式的通冷热水的夹套。

本发明鼓浪式细胞生物反应器是这样实现的：启动电动机1，电动机1带动转轴2旋转，进而带动转子3水平方向的旋转，通过轴套4转换为垂直方向的上下运动，实现了力的方向转移。轴套4外部开有限位凹槽11，限位杆5嵌入其中配合紧密，起到水平方向的固定和垂直方向的定轨。轴套4与鼓浪搅拌桨7通过端面固定在一起，轴套4的周期性上下运动带动鼓浪搅拌桨7的上下运动，由于鼓浪搅拌桨7有一定体积，且外形为一倒锥体，当鼓浪搅拌桨向下运动时会将液体沿鼓浪搅拌桨凹面向上向外排开，排开的液体受罐壁阻挡并积累势能，而当鼓浪搅拌桨向上运动时其周围液体会填补鼓浪搅拌桨所占有的体积，所积累的势能转化为动能，形成液体沿罐壁的向下向内运动，故而形成了图示液体沿箭头方向的运动与混合的效果，达到了培养过程有效传质的目的。

本发明鼓浪式细胞生物反应器的优点是：

本发明鼓浪式生物反应器对细胞剪切小，气液、液液传质效果好，溶氧效率高；本发明所述的鼓浪搅拌桨为上下周期性运动的方式，由于鼓浪搅拌桨本身有一定体积并具有特殊的形状，其上下周期性运动会造成三种力学效果：1）液体沿桨周围排开并沿罐壁向下运动形成湍流，增强了液液间的混合传质；2）液面水平方向以中心为波源形成规则简谐波浪沿四周散开，竖直方向会有高度变化，如同海面的涨潮和退潮，增强了气体与液体之间的交换，使得细胞培养所需的氧的溶解效率高；3）桨的上下运动与液体的作用比较温和，溶氧效率高，消除了由于鼓泡通气过程气泡对细胞剪切的影响，在保证液体充分混合的同时降低了剪切作用；

本发明鼓浪式生物反应器结构简单、适用性广、可扩展性强；可同时用于纯悬浮细胞和微载体贴壁细胞的培养，并可根据不同细胞培养方式灵活调整桨的结构和运动方式；

本发明鼓浪式生物反应器易于放大，通过改变搅拌桨及罐体尺寸，很容易实现动物细胞硬件尺度上的放大培养，为大规模培养动物细胞并工业化生产生物及组织制品创造了条件。

附图说明

图1为鼓浪式细胞生物反应器的结构示意图。

图2为轴套的主视图。

图3为轴套的A-A向剖视图。

图4为轴套的B-B向剖视图。

其中：1为电动机，2为转轴，3为转子，4为轴套，5为限位杆，6为滚动轴承，7为倒锥形鼓浪搅拌桨，8为罐盖，9为罐体，10为闭合曲线凹槽，11为限位凹槽。

具体实施方式

实施例一

下面结合附图，对本发明进行进一步说明：如图1-4所示，一种鼓浪式细胞生物反应器，包括由一斜边为弧线的倒直角三角形沿一直角边旋转而成的倒锥形鼓浪搅拌桨7。

所述倒锥形鼓浪搅拌桨7的弧线斜边为圆弧。

一种鼓浪式细胞生物反应器，还包括罐体9、罐盖8、电动机1、转轴2、转子3和轴套4，轴套4与倒锥形鼓浪搅拌桨7通过端面固定在一起，轴套4的周期性上下运动带动鼓浪搅拌桨7的上下运动，由于鼓浪搅拌桨7有一定体积，且外形为一倒锥体，当鼓浪搅拌桨向下运动时会将液体沿鼓浪搅拌桨凹面向上向外排开，排开的液体受罐壁阻挡并积累势能，而当鼓浪搅拌桨向上运动时其周围液体会填补鼓浪搅拌桨所占有的体积，所积累的势能转化为动能，形成液体沿罐壁的向下向内运动，故而形成了图示液体沿箭头方向的运动与混合的效果，达到了培养过程有效传质的目的。

罐盖8下表面设置有两根以上相对于轴套圆心呈中心对称分布的限位杆5，轴套4外圈还设置有用于嵌入限位杆5的限位凹槽11。

电动机1作为搅拌的动力源被安装在了罐体9的上方，与罐体9接触部分采用传统双机械密封，有效降低染菌的风险。电动机1下方连接有中心转轴2，中心转轴2下端固定水平转子3，转子3末端装有滚动轴承6，滚动轴承6嵌入轴套4的闭合曲线凹槽10内，电动机1带动中心转轴2转动，进而带动转子3水平方向的转动，通过轴套4转换为垂直方向的上下运动，实现了力的方向转移。轴套4外部开有限位凹槽11，限位杆5嵌入其中配合紧密，起到水平方向的固定和垂直方向的定轨。

所述的轴套4的内部闭合曲线凹槽10可设计成各种平滑的连续线形凹槽，其线形为正弦曲线形。外部限位凹槽11为倒梯形，限位杆为正梯形，目的是为了保证限位杆上下垂直运动的同时限位杆不脱离凹槽，凹槽及限位杆相互接触的表面光滑以减小摩擦。

转子3的支点数为2个。

所述闭合曲线凹槽10的闭合曲线周期数与转子支点数相同。

所述罐盖8上开有至少一个进气(液)口、传感器接口、取样口和排气(液)口。进气口及排气口作为细胞培养过程中通入气体(包括空气、氧气、氮气、二氧化碳)和排出废气；进液口及排液口是作为细胞培养过程中补料、补碱液和收获用的；传感器接口是用来安装监测细胞培养过程参数包括温度、溶氧、pH、氧化还原电位，并达到通过计算机中央控制器实施过程反馈控制的目的；取样口用于过程取样分析。

所述的进气及排气口都装有无菌过滤器，传感器接口包括溶氧电极接口、pH电极接口、温度电极接口和氧化还原电极接口，进气方式为表面通气，由气体流量计和电磁阀控制。

所述罐体9底部为半球形，总培养容积为3L，罐体的高径比为1:1。

本发明还可包括控温装置，所述控温装置为用于包裹罐体9的带电加热控制的电热毯。

实施例二

下面结合附图，对本发明进行进一步说明：如图1-4所示，一种鼓浪式细胞生物反应器，包括由一斜边为弧线的倒直角三角形沿一直角边旋转而成的倒锥形鼓浪搅拌桨7。

所述倒锥形鼓浪搅拌桨7的弧线斜边为椭圆弧。

一种鼓浪式细胞生物反应器，还包括罐体9、罐盖8、电动机1、转轴2、转子3和轴套4，轴套4与倒锥形鼓浪搅拌桨7通过端面固定在一起，轴套4的周期性上下运动带动鼓浪搅拌桨7的上下运动，由于鼓浪搅拌桨7有一定体积，且外形为一倒锥体，当鼓浪搅拌桨向下运动时会将液体沿鼓浪搅拌桨凹面向上向外排开，排开的液体受罐壁阻挡并积累势能，而当鼓浪搅拌桨向上运动时其周围液体会填补鼓浪搅拌桨所占有的体积，所积累的势能转化为动能，形成液体沿罐壁的向下向内运动，故而形成了图示液体沿箭头方向的运动与混合的效果，达到了培养过程有效传质的目的。

罐盖8下表面设置有两根以上相对于轴套圆心呈中心对称分布的限位杆5，轴套4外圈还设置有用于嵌入限位杆5的限位凹槽11。

电动机1作为搅拌的动力源被安装在了罐体9的上方，与罐体9接触部分采用传统双机械密封，有效降低染菌的风险。电动机1下方连接有中心转轴2，中心转轴2下端固定水平转子3，转子3末端装有滚动轴承6，滚动轴承6嵌入轴套4的闭合曲线凹槽10内，电动机1带动中心转轴2转动，进而带动转子3水平方向的转动，通过轴套4转换为垂直方向的上下运动，实现了力的方向转移。轴套4外部开有限位凹槽11，限位杆5嵌入其中配合紧密，起到水平方向的固定和垂直方向的定轨。

所述的轴套4的内部闭合曲线凹槽10可设计成各种平滑的连续线形凹槽，为抛物线形。外部限位凹槽11为倒梯形，限位杆为正梯形，目的是为了保证限位杆上下垂直运动的同时限位杆不脱离凹槽，凹槽及限位杆相互接触的表面光滑以减小摩擦。

转子3的支点数为4个。

所述闭合曲线凹槽10的闭合曲线周期数为转子支点数的2倍。

所述罐盖8上开有至少一个进气(液)口、传感器接口、取样口和排气(液)口。进气口及排气口作为细胞培养过程中通入气体(包括空气、氧气、氮气、二氧化碳)和排出废气；进液口及排液口是作为细胞培养过程中补料、补碱液和收获用的；传感器接口是用来安装监测细胞培养过程参数包括温度、溶氧、pH、氧化还原电位，并达到通过计算机中央控制器实施过程反馈控制的目的；取样口用于过程取样分析。

所述的进气及排气口都装有无菌过滤器，传感器接口包括溶氧电极接口、pH电极接口、温度电极接口和氧化还原电极接口，进气方式为表面通气，由气体流量计和电磁阀控制。

所述罐体9底部为半椭球形，总培养容积为3000L，罐体的高径比为1:4。

本发明还包括控温装置，所述控温装置为设置在罐体9底部的外换热式的通冷热水的夹套。

实施例三

下面结合附图，对本发明进行进一步说明：如图1-4所示，一种鼓浪式细胞生物反应器，包括由一斜边为弧线的倒直角三角形沿一直角边旋转而成的倒锥形鼓浪搅拌桨7。

所述倒锥形鼓浪搅拌桨7的弧线斜边为椭圆弧。

一种鼓浪式细胞生物反应器，还包括罐体9、罐盖8、电动机1、转轴2、转子3和轴套4，轴套4与倒锥形鼓浪搅拌桨7通过端面固定在一起，轴套4的周期性上下运动带动鼓浪搅拌桨7的上下运动，由于鼓浪搅拌桨7有一定体积，且外形为一倒锥体，当鼓浪搅拌桨向下运动时会将液体沿鼓浪搅拌桨凹面向上向外排开，排开的液体受罐壁阻挡并积累势能，而当鼓浪搅拌桨向上运动时其周围液体会填补鼓浪搅拌桨所占有的体积，所积累的势能转化为动能，形成液体沿罐壁的向下向内运动，故而形成了图示液体沿箭头方向的运动与混合的效果，达到了培养过程有效传质的目的。

罐盖8下表面设置有两根以上相对于轴套圆心呈中心对称分布的限位杆5，轴套4外圈还设置有用于嵌入限位杆5的限位凹槽11。

电动机1作为搅拌的动力源被安装在了罐体9的上方，与罐体9接触部分采用传统双机械密封，有效降低染菌的风险。电动机1下方连接有中心转轴2，中心转轴2下端固定水平转子3，转子3末端装有滚动轴承6，滚动轴承6嵌入轴套4的闭合曲线凹槽10内，电动机1带动中心转轴2转动，进而带动转子3水平方向的转动，通过轴套4转换为垂直方向的上下运动，实现了力的方向转移。轴套4外部开有限位凹槽11，限位杆5嵌入其中配合紧密，起到水平方向的固定和垂直方向的定轨。

所述的轴套4的内部闭合曲线凹槽10可设计成各种平滑的连续线形凹槽，为波浪线形。外部限位凹槽11为倒梯形，限位杆为正梯形，目的是为了保证限位杆上下垂直运动的同时限位杆不脱离凹槽，凹槽及限位杆相互接触的表面光滑以减小摩擦。

转子3的支点数为3个。

所述闭合曲线凹槽10的闭合曲线周期数与转子支点数相同。

所述罐盖8上开有至少一个进气(液)口、传感器接口、取样口和排气(液)口。进气口及排气口作为细胞培养过程中通入气体(包括空气、氧气、氮气、二氧化碳)和排出废气；进液口及排液口是作为细胞培养过程中补料、补碱液和收获用的；传感器接口是用来安装监测细胞培养过程参数包括温度、溶氧、pH、氧化还原电位，并达到通过计算机中央控制器实施过程反馈控制的目的；取样口用于过程取样分析。

所述的进气及排气口都装有无菌过滤器，传感器接口包括溶氧电极接口、pH电极接口、温度电极接口和氧化还原电极接口，进气方式为表面通气，由气体流量计和电磁阀控制。

所述罐体9底部为半球形，总培养容积为1000L，罐体的高径比为1:1.5。

本发明还包括控温装置，所述控温装置为设置在罐体9底部的外换热式的通冷热水的夹套。

实施例四

下面结合附图，对本发明进行进一步说明：如图1-4所示，一种鼓浪式细胞生物反应器，包括由一斜边为弧线的倒直角三角形沿一直角边旋转而成的倒锥形鼓浪搅拌桨7。

所述倒锥形鼓浪搅拌桨7的弧线斜边为圆弧。

一种鼓浪式细胞生物反应器，还包括罐体9、罐盖8、电动机1、转轴2、转子3和轴套4，轴套4与倒锥形鼓浪搅拌桨7通过端面固定在一起，轴套4的周期性上下运动带动鼓浪搅拌桨7的上下运动，由于鼓浪搅拌桨7有一定体积，且外形为一倒锥体，当鼓浪搅拌桨向下运动时会将液体沿鼓浪搅拌桨凹面向上向外排开，排开的液体受罐壁阻挡并积累势能，而当鼓浪搅拌桨向上运动时其周围液体会填补鼓浪搅拌桨所占有的体积，所积累的势能转化为动能，形成液体沿罐壁的向下向内运动，故而形成了图示液体沿箭头方向的运动与混合的效果，达到了培养过程有效传质的目的。

罐盖8下表面设置有两根以上相对于轴套圆心呈中心对称分布的限位杆5，轴套4外圈还设置有用于嵌入限位杆5的限位凹槽11。

电动机1作为搅拌的动力源被安装在了罐体9的上方，与罐体9接触部分采用传统双机械密封，有效降低染菌的风险。电动机1下方连接有中心转轴2，中心转轴2下端固定水平转子3，转子3末端装有滚动轴承6，滚动轴承6嵌入轴套4的闭合曲线凹槽10内，电动机1带动中心转轴2转动，进而带动转子3水平方向的转动，通过轴套4转换为垂直方向的上下运动，实现了力的方向转移。轴套4外部开有限位凹槽11，限位杆5嵌入其中配合紧密，起到水平方向的固定和垂直方向的定轨。

所述的轴套4的内部闭合曲线凹槽10可设计成各种平滑的连续线形凹槽，为锯齿线形。外部限位凹槽11为倒梯形，限位杆为正梯形，目的是为了保证限位杆上下垂直运动的同时限位杆不脱离凹槽，凹槽及限位杆相互接触的表面光滑以减小摩擦。

转子3的支点数为2个。

所述闭合曲线凹槽10的闭合曲线周期数为转子支点数的4倍。

所述罐盖8上开有至少一个进气(液)口、传感器接口、取样口和排气(液)口。进气口及排气口作为细胞培养过程中通入气体(包括空气、氧气、氮气、二氧化碳)和排出废气；进液口及排液口是作为细胞培养过程中补料、补碱液和收获用的；传感器接口是用来安装监测细胞培养过程参数包括温度、溶氧、pH、氧化还原电位，并达到通过计算机中央控制器实施过程反馈控制的目的；取样口用于过程取样分析。

所述的进气及排气口都装有无菌过滤器，传感器接口包括溶氧电极接口、pH电极接口、温度电极接口和氧化还原电极接口，进气方式为表面通气，由气体流量计和电磁阀控制。

所述罐体9底部为半椭球形，总培养容积为300L，罐体的高径比为1:8。

本发明还包括控温装置，所述控温装置为用于包裹罐体9的带电加热控制的电热毯。

Claims (9)

1.一种鼓浪式细胞生物反应器，其特征在于：包括由一斜边为弧线的倒直角三角形沿一直角边旋转而成的倒锥形鼓浪搅拌桨⑺，还包括罐体⑼、罐盖⑻、电动机⑴、转轴⑵、转子⑶和轴套⑷，所述轴套⑷底部和倒锥形鼓浪搅拌桨⑺相连；所述转子⑶末端设置有滚动轴承⑹，轴套⑷内壁开设有用于限制滚动轴承⑹运动方向的闭合曲线凹槽⑽；罐盖⑻下表面设置有两根以上相对于轴套圆心呈中心对称分布的限位杆⑸，轴套⑷外圈还设置有用于嵌入限位杆⑸的限位凹槽⑾。

2.如权利要求1所述的鼓浪式细胞生物反应器，其特征在于：所述倒锥形鼓浪搅拌桨⑺的弧线斜边包括但不限于圆弧和椭圆弧。

3.如权利要求1所述的鼓浪式细胞生物反应器，其特征在于：所述闭合曲线凹槽⑽，其线形包括但不限于正弦曲线形、余弦曲线形、抛物线形、波浪线形和锯齿线形。

4.如权利要求1所述的鼓浪式细胞生物反应器，其特征在于：转子⑶的支点数为2～4个。

5.如权利要求1所述的鼓浪式细胞生物反应器，其特征在于：所述闭合曲线凹槽⑽的闭合曲线周期数与转子支点数相同或为转子支点数的偶数倍。

6.如权利要求1所述的鼓浪式细胞生物反应器，其特征在于：所述限位杆⑸为正梯形，限位凹槽⑾为倒梯形，用于使限位杆⑸上下垂直运动的同时限位杆不脱离限位凹槽⑾。

7.如权利要求1所述的鼓浪式细胞生物反应器，其特征在于：所述罐体⑼底部为半球形或半椭球形，总培养容积为3L～3000L，罐体⑼的高径比为1:1～1:8。

8.如权利要求7所述的鼓浪式细胞生物反应器，其特征在于：所述罐体⑼的高径比为1:1.5～1:4。

9.如权利要求1所述的鼓浪式细胞生物反应器，其特征在于：还包括控温装置，所述控温装置为用于包裹罐体⑼的带电加热控制的电热毯或设置在罐体⑼底部的外换热式的通冷热水的夹套。