CN104195043B - 一种可在线灭菌的水平旋转式生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可在线灭菌的水平旋转式生物反应器，其结构合理，设计巧妙，既能模拟微重力环境，又可实现在线灭菌，是一种全新的水平旋转式生物反应器系统。本发明的可在线灭菌的水平旋转式生物反应器，包括旋转机体、反应器、培养基外循环系统和控制系统；旋转机体包括电机、旋转轴、轴承座、轴承、密封圈、进出液管和底座；旋转轴套装在轴承座内，电机直接与旋转轴一端连接，旋转轴另一端连接反应器，轴承座与底座连接在一起，用于固定整个反应器，旋转轴水平设置。

Description

一种可在线灭菌的水平旋转式生物反应器

技术领域：

本发明涉及生物工程领域中的生物反应器，具体讲为一种可在线灭菌的用于体外培养细胞、组织等生物体的水平旋转式生物反应器。

背景技术：

生物反应器是使细胞大规模培养得以实现的装置。从发展的角度看，20世纪40年代生物反应器所发生的重大变革源于人们将化学反应器的知识移植到发酵工业，开发了机械搅拌式生物反应器，从而使得纯种大规模培养成为可能。70年代发展起来的基因工程、细胞工程技术，使发酵工程不单纯是天然微生物，而扩展到基因工程菌、动物和植物细胞的培养，同时对生物反应器提出了新的要求，形成了生物反应工程“四传（动量、质量、热量、信息）一反（生物反应动力学）”的结构框架。近几十年来，由于生物工程和组织工程学的发展，相应的生物反应器水平也在不断提高，用于组织工程化培养的生物反应器已越来越接近于生物体内环境的培养条件。

模拟微重力培养是一种新兴的培养技术，可用于组织工程、细胞培养等多个领域。水平旋转式生物反应器可以模拟微重力环境，具有充分的氧和营养物质交换、三维立体结构、极低的剪切力和独特的流体力学特征等优点。从而改善离体细胞的培养条件，使在普通条件下只能呈二维贴壁生长的哺乳动物细胞表现出三维增殖与细胞分化，这类分化的细胞团可进一步形成有功能的组织块。以美国航空航天局（NASA）发明的旋转式细胞培养系统（RCCS）为代表的水平旋转式生物反应器被广泛应用于生命科学领域，但其在消毒灭菌时或用高压锅蒸汽灭菌法，或用乙醇浸泡法消毒，操作复杂、时间长，且容易消毒不彻底，特别是大规模化生产更显不足。

发明内容：

本发明提供一种可在线灭菌的水平旋转式生物反应器，其结构合理，设计巧妙，既能模拟微重力环境，又可实现在线灭菌，是一种全新的水平旋转式生物反应器系统，且容积不受限制，可大规模进行细胞或组织培养。

本发明的具体技术方案如下：

一种可在线灭菌的水平旋转式生物反应器，包括旋转机体、反应器、培养基外循环系统和控制系统；旋转机体包括电机、旋转轴、轴承座、轴承、密封圈、进出液管和底座；旋转轴套装在轴承座内，电机直接与旋转轴一端连接，旋转轴另一端连接反应器，轴承座与底座连接在一起，用于固定整个反应器，旋转轴水平设置。

所述旋转轴上至少设有二个L型孔，各L型孔一端沿旋转轴轴向引出，另一端由旋转轴侧壁径向引出；轴承座上设有与旋转轴侧壁开孔的位置相对应的进液孔和出液孔，在轴承座内与进液孔和出液孔两侧相对应的位置安装有多个密封圈，且在相邻两密封圈之间留有间隙，与轴形成检漏腔，检漏腔下部在轴承座上钻有检漏孔，用于检查密封圈是否泄漏，轴承座上的进液孔和出液孔上可装有进液管或出液管，用于连接外循环系统；

所述反应器与旋转机体上旋转轴连接，反应器包括连接轴和设于连接轴外围的至少三个环形室，该连接轴与旋转轴通过法兰连接，（或者还有一种可行的连接方式为在连接轴中心钻有通孔，插入螺栓与旋转轴中心的螺纹孔固定）；该连接轴上至少设有两个L型孔与旋转轴L型孔位置相对应，且连接轴上至少有一个L型孔连通至进液腔，一个L型孔连通至回液腔；

所述反应器的环形室由连接轴、外圈、墙板以及中间的微孔隔板围成，并至少形成中间一个培养室和两端一个进液腔、一个回液腔，培养室的外圈上还开有三个孔：一个排气孔、一个进料/收获孔、一个取样/疏水孔。

本发明的进一步设计在于：

反应器与旋转机体的连接采用法兰式或螺栓式连接方式，旋转轴与反应器连接轴相对应的L型孔的相接面上设有O型圈密封，并由定位销定位。

反应器培养室外圈上开有排气孔，排气孔内嵌有过滤器，过滤器被孔盖压住密封，过滤器与孔盖中间形成气泡陷阱，孔盖上装有直通阀。

反应器培养室外圈上开有进料/收获孔，并装有堵头。

反应器培养室外圈上开有取样/疏水孔，并连接有三通阀，分别连通取样口和疏水阀。

排气孔和进料/收获孔在培养室外壁的一侧（且两孔沿同一水平直线分布），取样/疏水孔在培养室外壁另一侧，相差180°。本发明中，反应器内部连接轴上分别套装有若干微孔板。并至少形成三个环形室，中间环形室为培养室，两侧环形室分别为进液腔和回液腔。中间微孔板上设有均匀分布的微孔，其形状可以是圆形、方形、矩形、菱形等任意形状，以起到阻挡培养物（如细胞、微载体等）跑出培养室外的作用。培养室外圈上还装有排气接头、进料/收获接头和取样/疏水接头。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、相比现有的微重力生物反应器及模拟水平旋转式生物反应器受结构上和某些材料不能耐高温的局限，均不能做到在线灭菌，本发明装置既能模拟微重力环境，又可实现在线灭菌，并具有在线取样、在线灌流生产、在线参数检测及控制等功能，且容积不受限制，可大规模进行细胞或组织培养。

2、本发明装置带有自检其密封性功能，即旋转的反应器是一个密闭的空间，灭菌时蒸汽的进入均通过轴承座上进、出液管进入旋转轴内部和连接轴内部的长孔到达反应器内，旋转轴与轴承座间的密封圈若磨损，则会有液体从检漏孔流出，此时便需要更换对应检漏孔位置处的密封圈，从而保障了本发明装置的安全性。

3、本发明装置的独特性还在于反应器内部的2个中间微孔板设置使得反应器具有内部物质交换充分，无死腔，出口不会堵塞，细胞均匀悬浮并保持在微重力状态下三维生长的特点。

4、带有营养物质（如氨基酸、葡萄糖等）和氧气的培养基首先通过旋转轴和连接轴长孔进入进液腔，反应器的旋转增加了物质的混合效果，使得灌注均匀，无死腔。再经微孔板上的微孔流入培养室，减缓液体流速，使细胞均匀的悬浮在培养室内三维生长。废液从回液腔中连接轴上的出口孔中排出，不会有出口被堵塞的现象。灌流方向从左至右或者从右至左不受限制。

附图说明：

图1为本发明中旋转体的结构示意图。

图2为本发明中反应器的结构示意图。

图3为本发明的总装图。

图中：1-电机；2-轴承座；3-旋转轴；4-连接轴；5-培养室；6-进液腔；7-回液腔；8-轴承；9-密封圈；10-进液孔；11-出液孔；12-检漏腔；13-检漏孔；14-O型密封圈；15-底座；16-进样/收获孔；17-直通阀（排气孔）；18-取样/疏水孔；19-墙板；20-外圈；21-微孔隔板；22-三通阀；23-法兰；24-螺栓。

实施例一：

如图1-图3所示，本发明的可在线灭菌的水平旋转式生物反应器，包括旋转机体、反应器、培养基外循环系统和控制系统。

旋转机体包括电机1、旋转轴3、轴承座2、轴承8、密封圈、进出液管和底座15；旋转轴3套装在轴承座2内，电机1直接与旋转轴3一端连接，旋转轴3另一端连接反应器，轴承座2与底座15连接在一起，用于固定整个反应器，旋转轴3水平设置。

本发明旋转轴3上设有二个L型孔，两L型孔一端沿旋转轴轴向引出，另一端由旋转轴侧壁径向引出；轴承座2上设有与旋转轴侧壁开孔的位置相对应的进液孔10和出液孔11，在轴承座内与进液孔10和出液孔11两侧相对应的位置安装有多个密封圈（如密封圈9，进液孔10两侧各设一个密封圈；出液孔11两侧各设一个密封圈），且在相邻两密封圈（如进液孔10右侧的密封圈与出液孔11左侧的密封圈）之间留有间隙，与轴形成检漏腔12，检漏腔12下部在轴承座上钻有检漏孔13，用于检查密封圈是否泄漏，轴承座上的进液孔和出液孔上可装有进液管或出液管，用于连接外循环系统；

反应器与旋转机体中的旋转轴连接，反应器包括连接轴4和设于连接轴外围的三个环形室，该连接轴4与旋转轴3通过法兰连接，（或者还有一种可行的连接方式为在连接轴中心钻有通孔，插入螺栓与旋转轴中心的螺纹孔固定）；该连接轴上设有两个L型孔，与旋转轴L型孔位置相对应，且有一个L型孔连通至进液腔，一个L型孔连通至回液腔；

反应器的环形室由连接轴4、外圈20、墙板19以及中间的微孔隔板21围成，并在形成中间一个培养室5和两端的一个进液腔6、一个回液腔7，培养室的外圈上还开有三个孔：一个排气孔、一个进料/收获孔16、一个取样/疏水孔18。

该反应器与旋转机体的连接采用法兰式或螺栓式连接方式，旋转轴与反应器连接轴相对应的L型孔的相接面上设有由O型圈密封并由定位销定位。

本例中，反应器与旋转轴采用法兰连接，法兰23与旋转轴3采用一体式结构，法兰23与反应器之间通过螺栓24连接为一体。

反应器培养室外圈上开有排气孔，排气孔内嵌有过滤器，过滤器被孔盖压住密封，过滤器与孔盖中间形成气泡陷阱，孔盖上装有直通阀17。

反应器培养室外圈上的进料/收获孔16上还装有堵头。

反应器培养室外圈上的取样/疏水孔连接有三通阀，分别连通取样口和疏水阀。

实施例二：

该反应器还包括PC控制系统和培养基外循环系统，其培养基外循环系统如图3所示，培养基外循环系统的进、排口分别与旋转轴上的L型孔相连。

本发明的反应器容器与旋转机体的安装有如下两种方法：

清洗干净反应器，先将二个O型密封圈装在旋转轴2个L型孔的端面上，将反应器的定位销对准旋转轴上的定位孔，两法兰用螺钉旋紧固定，此时旋转轴上的二个流道与反应器上的二个流道经O型圈已经密封在一起了。

清洗干净反应器，先将二个O型密封圈装在旋转轴2个L型孔的端面上，然后将反应器的定位销对准旋转轴上的定位孔，装上螺栓，用螺母将反应器牢牢地固定在旋转轴上，此时旋转轴上的二个流道与反应器上的二个流道经O型圈已经密封在一起了。

本发明的SIP（在线灭菌）工作过程如下：

安装完反应器容器，启动电机将装有疏水器的阀门旋转到最下方，此时反应器上的排气口和进料口在最上方，蒸汽通过组合阀门连接至轴承座上的二个进、出液口，打开排气口上的排气阀及取样/疏水口上的疏水阀，在进料/收获口上装上堵头，开启蒸汽，待蒸汽充满反应器内部，排气阀有蒸汽冒出时，关闭排气阀门，蒸汽对流道及反应器进行121℃灭菌30分钟，冷凝水通过反应器上的疏水阀排出。

反应器SIP结束后，关闭疏水阀上的阀门，打开排气阀，关闭组合阀上的蒸汽端阀门，打开与外循环系统连接的进液阀门，启动蠕动泵，新鲜培养基从进液口被泵入反应器培养室中，反应器中的气体经过滤器排出，直到反应器中培养基加满，气泡清除干净，然后关闭排气口手阀，启动电机，让反应器旋转，培养基经罐外循环，待温度、pH、DO达到工艺要求稳定一段时间，然后加载体接种进行细胞培养。

如图所示，生物反应器运作时，电机通过旋转轴带动生物反应器沿水平轴径向同心旋转，可以实现微重力环境，利于培养物三维生长。培养基通过进液孔，进入旋转轴及反应器连接轴上的L型流道，进入进液腔，然后经微孔板流入培养室，再经微孔板进入回液腔，最后反应器连接轴及旋转轴上的L型流道流出出液孔进入外循环系统构成灌流循环回路，在外循环系统中分别设有pH、DO、葡萄糖、温度等在线检测仪，培养基废液排出口，新鲜培养基添加口，排气口，四气体进气口，蠕动泵，过滤器。控制系统根据在线检测数据自动添加新鲜培养基、葡萄糖、氨基酸、调节四气体进气比例等以满足细胞培养所需的养分、pH和DO，排出废液。若旋转轴与轴承座间的密封圈磨损，则会有液体从检漏孔流出，此时便需要更换对应检漏孔位置处的密封圈，从而保障了本发明装置的安全性。

Claims (7)

1.一种可在线灭菌的水平旋转式生物反应器，包括旋转机体、反应器、培养基外循环系统和控制系统，其特征是：旋转机体包括电机、旋转轴、轴承座、轴承、密封圈、进出液管和底座；旋转轴套装在轴承座内，电机直接与旋转轴一端连接，旋转轴另一端连接反应器，轴承座与底座连接在一起，用于固定整个反应器，旋转轴水平设置;

所述旋转轴上至少设有二个L型孔，各L型孔一端沿旋转轴轴向引出，另一端由旋转轴侧壁径向引出；轴承座上设有与旋转轴侧壁开孔的位置相对应的进液孔和出液孔，在轴承座内与进液孔和出液孔两侧相对应的位置安装有多个密封圈，且在相邻两密封圈之间留有间隙，与轴形成检漏腔，检漏腔下部在轴承座上钻有检漏孔，用于检查密封圈是否泄漏，轴承座上的进液孔和出液孔上可装有进液管或出液管，用于连接外循环系统；

所述反应器与旋转机体中的旋转轴连接，反应器包括连接轴和设于连接轴外围的至少三个环形室，该连接轴上至少设有两个L型孔与旋转轴L型孔位置相对应，且连接轴上至少有一个L型孔连通至进液腔，一个L型孔连通至回液腔；

所述反应器的环形室由连接轴、外圈、墙板以及中间的微孔隔板围成，并至少形成中间一个培养室和两端一个进液腔、一个回液腔，培养室的外圈上还开有三个孔：一个排气孔、一个进料/收获孔、一个取样/疏水孔。

2.根据权利要求1所述可在线灭菌的水平旋转式生物反应器，其特征是，反应器与旋转机体的连接采用法兰式或螺栓式连接方式。

3.根据权利要求1所述可在线灭菌的水平旋转式生物反应器，其特征是，旋转轴与反应器连接轴相对应的L型孔的相接面上设有O型圈密封并由定位销定位。

4.根据权利要求1所述可在线灭菌的水平旋转式生物反应器，其特征是，反应器培养室外圈上开有排气孔，排气孔上内嵌有过滤器，过滤器被孔盖压住密封，过滤器与孔盖中间形成气泡陷阱，孔盖上装有直通阀。

5.根据权利要求1所述可在线灭菌的水平旋转式生物反应器，其特征是，反应器外圈上开有进料/收获孔，并装有堵头。

6.根据权利要求1所述可在线灭菌的水平旋转式生物反应器，其特征是，反应器外圈上还开有取样/疏水孔，并连接有三通阀，分别连通取样口和疏水阀。

7.根据权利要求1、4、5或6所述可在线灭菌的水平旋转式生物反应器，其特征是，排气孔和进料/收获孔在培养室外壁的同一侧，且两孔沿同一水平直线分布，取样/疏水孔在培养室外壁另一侧，相差180°。