CN104357324B - 一种用于生物反应器的摇动平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生物反应器的摇动平台，其包括固定平台(2)和设置于该固定平台(2)的一侧的第一活动平台(1)，其中第一活动平台(1)能相对于固定平台(2)所在的平面成正角或负角上下摇动。在备选的实施方案中，还省略掉所述固定平台(2)，由此将所述第一活动平台(1)和第二活动平台(1’)比邻设置。本发明的摇动平台，能够产生更丰富的浪型，强化氧气传质，并有利于细胞在反应器内的均匀分布，可大大提高细胞培养效率。

Description

一种用于生物反应器的摇动平台

技术领域

本发明属于生化设备领域，更具体地，本发明涉及用于生物反应器的摇动平台。

技术背景

生物反应器中的一大类是细胞培养反应器，用于培养动物细胞和植物细胞。这些细胞在生长的过程中，需要向液相培养介质中供应足量的氧气，故需要设法加快氧气的气液传质。传统方法是使用搅拌桨搅拌培养介质，或者向培养介质中鼓入氧气气泡，以增大气液接触面积，加速氧气从培养介质上方的气相到液相培养介质中的扩散。但机械搅拌或这鼓泡法在液体培养介质中产生较高的剪切力，导致细胞损伤。为此，上个世纪90年代以来，逐步开发了波浪式生物反应器，其将细胞和培养介质置于无菌的一次性塑料培养袋中，并放在特殊设计的摇动平台上。平台的摇动使得培养介质产生波浪，通过波浪代替搅拌和鼓泡来实现气液之间的表面更新，既强化氧气传质，又避免了搅拌浆叶端和鼓泡对细胞的伤害，提供温和低剪切力同时相对较高的溶氧的细胞培养微环境，有利于改善细胞状态、提高细胞密度和产量。

一种代表性的波浪式生物反应器是美国GE Healthcare Wave Products Group公司的波浪生物反应器,其包括“跷跷板式”摇动平台和置于该摇动平台上的细胞培养袋,通过该摇动平台的跷跷板式上下摇动，在培养液中产生波浪，但此“跷跷板式”摇动平台作为一个整体围绕中间支承点上下摇动，平台上反应器内液体培养物形成的波浪形态及混合状态只能通过调节平台上下运动的角度来调节，液体培养物波浪形态及混合状态可调节性较少，不能形成回头浪而充分混合，液体中固体培养物与液体之间传氧、传热等不很充分，波浪形态和混合状态调整可选择性较少。

另一种改进的波浪式生物反应器见以下文献：Two new disposable bioreactorsfor plant cell culture:the wave and undertow bioreactor and the slug bubblebioreactor,Terrier,et al.,Biotehnology and Bioengineering,2006,vol.96,No.5,914-923，将该论文全文并入本文供参考。该论文描述了将柔性塑料生物培养袋置于“仰卧起坐式”摇动平台上，本发明的图1展示了该摇动平台的结构。该摇动平台有一个水平固定桌和位于该水平固定桌一侧的上升平台，上升平台周期性地从与该水平固定桌同一水平面的起始位置向上升起一定角度并回落至该起始位置。随着上升平台的上升和回落，在柔性塑料生物培养袋内产生波浪，该波浪传递至培养袋的另一端时，产生回头浪，反向传递，由此强化气液表面的更新。该“仰卧起坐式”摇动平台比“跷跷板式”摇动平台具有更丰富的浪型调整能力。

但发明人在实践中发现，该“仰卧起坐式”摇动平台也存在一些缺点：其波浪和回头浪，更多地发生在液体深度的中上层，例如在液体深度的上1/3至上1/2之间，而液体中下层，则较少受到波浪和回头浪的影响。因此，大一些的细胞团簇，易于沉积在液体的中下层，尤其是在柔性塑料生物培养袋的中间位置处的中下层，由于起始波浪和回头浪都对此位置影响薄弱，故有大量的细胞团簇沉积于此，如本发明的附图1中的团簇细胞相对沉积区5所示。其中“相对沉积”并非指细胞团簇静止于此处不动，而是细胞团簇并没有遍及整个培养袋而运动，仅仅是在该相对沉积区内来回随波摆动，且深度方向上翻滚更新作用变弱。因此，细胞团簇并没有充分分散于培养介质中，其而这显然降低了细胞对溶解氧和培养介质的利用率。

本发明的目的是要解决上述细胞团簇沉积的问题，同时，本发明还希望能提供具有更强造浪能力和浪型更丰富可调的摇动平台。

发明内容

本发明提供了一种用于生物反应器的摇动平台，其包括固定平台(2)和设置于该固定平台(2)的一侧的第一活动平台(1)，其中，第一活动平台(1)能相对于固定平台(2)所在的平面成正角或负角上下摇动。

本文中，所述正角是指活动平台位于固定平台所在的平面上方时所成的角，所述负角是指活动平台位于固定平台所在的平面下方所成的角。

在本发明的优选实施方案中，所述固定平台(2)的两侧分别设有第一活动平台(1)和第二活动平台(1’)，二者以各自独立的角度和频率相对于固定平台(2)所在的平面成正角或负角上下摇动。

在本发明的进一步优选实施方案中，所述第一活动平台(1)和第二活动平台(1’)各自独立与所述固定平台(2)通过轴(7)可转动式连接。

在本发明的进一步优选实施方案中，所述第一活动平台(1)和第二活动平台(1’)同向摇动或反向摇动。

在本发明的优选实施方案中，还可以省略掉所述固定平台(2)，由此将所述第一活动平台(1)和第二活动平台(1’)比邻设置。优选地，所述第一活动平台(1)和所述第二活动平台(1’)各自独立地在电机和传动装置推动下做上下往复摇动。

用于推动本发明中的活动平台上下摇动的机械装置都是已知的，不再赘述。

在本发明的优选实施方案中，所述生物反应器为柔性袋状生物反应器(3)。

本发明的优点如下：

本发明的摇动平台比传统的跷跷板式摇动平台和仰卧起坐式摇动平台，在产生回头浪的强度和浪型方面更具优势，强化了气液表面的更新速率，因此强化了氧气从气相到液相的传质过程，有利于待培养的植物细胞的生长，也有利于避免细胞的团聚和相对沉积，因此，实现了很高的细胞产率。此外，因本发明的摇动平台造浪作用更强，则可以在更短时间内完成预定产率的细胞培养，减少了柔性塑料袋的弯折次数，或者，活动平台可抬起更低的角度，减少柔性袋弯折角度，这些益处均能保护柔性塑料袋更不容易因反复弯折或大角度弯折而破损。

附图说明

图1是现有技术中的用于生物反应器的仰卧起坐式摇动平台及其上的柔性袋状生物反应器的结构示意图。其中虚线所示为活动平台的另一极限位置，下同。

图2是一种类型的本发明的用于生物反应器的摇动平台及其上的柔性袋状生物反应器的结构示意图，其中活动平台与固定平台所在平面成正角。

图3是图2所示摇动平台及其上的柔性袋状生物反应器的结构示意图，其中活动平台与固定平台所在平面成负角。

图4是另一种类型的本发明的用于生物反应器的摇动平台的结构示意图。

图5是其中固定平台被省略的本发明的用于生物反应器的摇动平台的结构示意图。

附图标记说明：1、活动平台；2、固定平台；3、柔性袋状生物反应器；4、细胞团簇；5、细胞团簇相对沉积区；6、反应器易破损处；7、轴。

具体实施方式

提供以下实施例以具体说明本发明，但不以任何方式限制本发明。

各实施例和对比例中，均采用经消毒的柔性塑料袋作为生物反应器来培养植物细胞，袋内容纳有细胞培养液，待培养的植物细胞是葡萄细胞，并向塑料袋中充入氧气(浓度99.9％)，保持一定气体压力，实施例和比较例中进反应器氧气流量、浓度、压力、温度相同，出气流量、压力经过流量表、压力表等计量器具测定数值，通过进出氧气流量、压力可以计算出单位时间内氧气的消耗量(经过测定，出气温度、压力、浓度变化很小，可以视为数值相同，通过进出气流量数值可以确定单位时间内氧气消耗量，计算公式：一定时间内进气流量减出气流量的差额，除以时间，得到单位时间内氧气消耗量)，然后将该柔性塑料袋(相同体积20升)分别置于传统的跷跷板式摇动平台(1#摇动平台)、仰卧起坐式摇动平台(2#摇动平台)和本发明的摇动平台(3#摇动平台和4#摇动平台)上，各摇动平台长度、宽度相同，在除摇动平台类型不同而其他初始条件均相同的实验条件下进行培养，每12小时记录测定的出气流量、压力、浓度数据，据此计算出袋内细胞的耗氧速率。实验中，用眼睛观察是否有回头浪，以及回头浪的强度，并观察植物细胞的团聚情况。

对比例1

WAVE的跷跷板式生物摇动平台，称为1#摇动平台，其两端在±15°的角度内反相上下运动。其中没有观察到回头浪，第6日平均耗氧量为163mg/L，即平均每升细胞培养液消耗163mg氧气，细胞第6日生长倍数为4.2倍(参见表1)。

对比例2

仰卧起坐式摇动平台，即采用“一个固定平台与一个活动平台组合且活动平台只能运动到水平位置”的形式的摇动平台，称为2#摇动平台，即其活动平台在0-30°范围内运动。随着活动平台的起伏，观察到袋内在远离活动平台一端有回头浪存在，该回头浪能自回头浪发生处起波及到固定平台上的袋长度的约1/2处才逐渐消失。实验中检测的第6日平均耗氧量为198mg/L，这说明该仰卧起坐式摇动平台内的氧气传质效率比跷跷板式摇动平台有所提高。但实验中发现，在培养袋中间部位的液相中下部，存在一个植物细胞团簇的相对沉积区，造成细胞培养效率仍不够高，第6日生长倍数为4.5倍(参见表1)。

实施例1

采用“一个固定平台与一个活动平台组合且活动平台可向下运动”形式的本发明的摇动平台，称为3#摇动平台，其活动平台在±15°范围内上下运动。实验中发现，在远离活动平台的袋端部有更强烈的回头浪发生，该回头浪能自回头浪发生处起波及到固定平台上的袋长度的近2/3甚至3/4处才消失。实验中检测到第6日平均耗氧量为240mg/L，说明氧气传质速率比仰卧起坐式更快。实验中仅观察到很少的细胞团簇沉积，甚至完全没有沉积，这说明在强烈的回头浪作用下，细胞团簇在袋内的分散性更好，因此第6日生长倍数为5.1倍(参见表1)。

实施例2

采用“一个固定平台与两个活动平台组合且活动平台可向下运动”形式的本发明的摇动平台，称为4#摇动平台，其两端的活动平台在±15°范围内反相上下运动。实验中发现，在袋的两个端部都有更强烈的回头浪发生，即能产生双向回头浪，且每一个回头浪能自回头浪发生处起波及到固定平台上的袋长度的近3/4处至全部袋长。实验中检测到第6日平均耗氧量为271mg/L，说明氧气传质速率比3#摇床更快。实验中几乎没有观察到细胞团簇或沉积现象，这说明在强烈的双向回头浪作用下，细胞团簇在袋内的分散性更好，第6日生长倍数为5.5倍(参见表一)。

表1

注：1.袋式柔性反应器体积皆为20升；

2.种源：来自摇瓶培养的同一批次的葡萄细胞；

3.氧气气源：液氧杜瓦瓶，纯度99.9％。

4.表中第0天细胞净重为原始进入反应器内细胞重量，其它净重数据为一定时间内细胞生长后累计总重量；

5.生长倍数为一定时间内细胞生长累计重量，与第0天重量之比，数值越大说明生长越快。

以上实验充分证明了本发明的摇动平台的优点。

Claims (1)

1.一种避免细胞团簇沉积的生物反应器摇动平台，包括固定平台（2）和设置于该固定平台（2）一侧的第一活动平台（1），其特征在于：第一活动平台（1）能相对于固定平台（2）在±15°的范围内摇动，固定平台（2）通过轴（7）与第一活动平台（1）可转动式连接。