CN1049008C - 气升内错流式生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本气升内错流式生物反应器由壳体和与之同轴放置于内的上部开有多排孔的圆筒提升管(10)、放于外壳(9)和排液室(5)相接处的复合型筛板过滤器(7)及位于过滤器(7)上方的向上喷气的气体分布器(1)、向下喷气的气体分布器(2)组成，该反应器可抑制气泡聚合，制止气泡在液面爆破；提高降液区气含率，强化传递速率，可大幅度降低反应器高度；可同时进行过滤、洗涤操作，一器多用，结构简单，操作方便，剪切力小，不易污染，特别适用于植物细胞培养等生物反应过程。

Description

气升内错流式生物反应器
本发明涉及一种气升式内循环生物反应器，特别是一种气升内错流式(ALICROF即Air Lift Lnternal Cross FLow)生物反应器。适用于细胞的生长与生产培养，尤其适用于对剪切力敏感，培养周期长，易污染，承受气泡冲击和爆破力作用弱的植物细胞的培养。
目前国内外普遍认为气升式反应器是一类适用面广的生物反应器。这类反应器的结构由外部是一个鼓泡柱式圆筒外壳，圆筒外壳内装一垂直挡板或圆筒提升管，即由中心提升管、下降管、上部气液分离室和升降液管在底部的连通室等构成。在提升管下部装一喷嘴，压缩空气由喷嘴通入，借助压缩空气的动能，在流体系统内造成密度差，使流体由提升管上升，经气液分离室后由下降管下降，再进入提升管底部，因而形成流体系统的循环流动过程。提升管有单圆筒管和多段圆筒管两种。但是传统气升式反应器的主要缺点和不足，是它强调了反应器的高度，即设计了大的高径比，因而降液区的气含率低或降液区匮氧；在长提升管中又导致气泡聚合、长大，在液面爆破时产生对细胞的破坏力。
本发明的目的既是对传统气升式反应器的改进，又是针对新疆紫草细胞的理化性质特点，培养周期长和代谢过程的要求，而设计出的低高径比、径向错流、一器多用、结构简单的气升内错流式生物反应器，该反应器适合植物细胞培养，可得到合格的次生代谢物。
本发明提供的气升内错流式生物反应器内，可进行洗涤、过滤、换液等工艺操作，因而在该生物反应器内可连续进行细胞的生长与生产两步培养过程，对于培养周期长、培养基随培养过程而蒸发减少的生物反应过程，在本反应器内，勿需补充或增加培养液，仍能正常操作。
本发明提供的气升内错流式生物反应器，包括壳体、提升管，其特征在于还包括过滤器和气体分布器；
所述的壳体由圆柱筒形外壳(11)、倒圆锥筒形外壳(9)、圆柱筒形排液室(5)及顶部气液分离室(24)组成，顶部气液分离室(24)位于圆柱筒形外壳(11)的上面，圆柱筒形外壳(11)下面是倒圆锥筒形外壳(9)，再下面是圆柱筒型排液室(5)，它们两两底部相接，反应器顶部和底部采用平板式或圆拱形封头；
在圆柱筒形外壳(11)内安装有与之同轴的提升管(10)，提升管(10)为上部开有多排孔的圆筒；
过滤器(7)为复合筛板型过滤器，位于倒圆锥筒形外壳(9)和圆柱筒形排液室(5)相接处；
在倒圆锥筒形外壳(9)内，过滤器(7)的上方，提升管(10)下方安装有向上喷气的气体分布器(1)和向下喷气的气体分布器(2)，向上喷气的气体分布器(1)和向下喷气的气体分布器(2)，为两组组合式喷嘴分布器，由环形管(23)和位于环形管上的组合喷嘴(3)构成，向上喷气的气体分布器(1)上的喷嘴(3)位于提升管(10)内部构成的升液通道的正下方，向上喷气，向下喷气的气体分布器(2)上的喷嘴向下喷气；
提升管(10)为上部开有多排孔的圆筒，每相邻两排孔呈三角形排列，相邻两排孔面积之和与提升管的断面积相等或相近似，其开孔段长度为提升管总高度的4/5-1/2，提升管按同轴方式安装在位于圆柱筒形外壳(11)和倒圆锥筒形(9)相接处的支撑筋板(20)上；在提升管两端一定距离的断面上，各装置三个等长度均布的定位柱(19)，以保持同圆柱筒形外壳(11)之间的等环间距离；
向上喷气的气体分布器(1)和向下喷气的气体分布器的喷嘴(3)由支座和喷头组成，喷头顶面和侧面开有小于0.5毫米的气孔，向上喷气的气体分布器(1)上的喷嘴位于提升管(10)内部构成的升液通道的正下方，向上喷气，向下喷气的气体分布器(2)上的喷嘴向下喷气，使倒圆锥筒形外壳(9)内部的物料处于流态化，无死区存在；
过滤器(7)为复合筛板型过滤器，由两块孔口相对、孔率大于20％的多孔板组成，在两块孔板之间装有不锈钢网，不锈钢网孔径在40目-180目之间；
当本发明提供的反应器放在室外或无温控条件的环境中时，需要在反应器圆柱筒形外壳(11)外面安装圆筒形控温夹套(12)。
下面将结合附图、实施例具体描述本发明。
图1为本发明气升内错流式生物反应器的结构示意图。
图2为图1沿A-A方向的剖面图。
其中：
(1)-气体分布器   (2)-气体分布器  (3)-喷嘴
(4)-管道         (5)-排液室      (6)-排液管
(7)-过滤器       (8)-排料管      (9)-外壳
(10)-提升管      (11)-外壳       (12)-控温夹套
(13)-开孔区      (14)-气液分离区 (15)-降液区
(16)-溶氧测孔    (17)-接种管     (18)-PH值测孔
(19)-定位柱      (20)-支撑筋板   (21)-进水
(22)-出水        (23)-环形管     (24)-气液分离室
如图1、2所示，本发明及实施例提供的气升内错流式生物反应器的组成包括圆柱筒形外壳(11)、倒圆锥筒形外壳(9)、圆柱筒形排液室(5)及顶部气液分离室(24)、提升管(10)、向上喷气的气体分布器(1)、向下喷气的气体分布器(2)、过滤器(7)等；气液分离室(24)位于圆柱筒形外壳(11)的上面，圆柱筒形外壳(11)下面是倒圆锥筒形外壳(9)，再下面是圆柱筒形排液室(5)，它们两两底部相接，圆柱筒形外壳(11)内安装有与之同轴的提升管(10)，倒圆锥筒形外壳(9)和圆柱筒形排液室(5)相接处安放有过滤器(7)，在倒圆锥筒形外壳(9)内过滤器(7)的上方安装向上喷气的气体分布器(1)和向下喷气的气体分布器(2)、反应器顶部和底部采用圆拱形封头(也可以采用平板式封头)。
圆柱筒形外壳(11)和倒圆锥筒形外壳(9)相接处安装有支撑筋板(20)，在圆柱筒形外壳(11)内支撑筋板(20)上垂直固定安装提升管(10)，提升管(10)和圆柱筒形外壳(11)同轴。
提升管(10)上部开有多排孔，每相邻两排孔呈三角形排列，相邻两排孔面积之和与提升管的断面积相等或相近似，其开孔段长度为提升管总长度的4/5-1/2，提升管(10)按同轴方式安装在位于圆柱筒形外壳(11)与倒圆锥筒形外壳(9)相接处的支撑筋板(20)上，在提升管(10)两端一定距离的断面上，各设置三个等长度均布的定位柱(19)，以保证提升管同圆柱筒形外壳(11)之间等环间距离。
过滤器(7)为复合型筛板式过滤器，由两块孔口相对，孔率大于20％的多孔板组成，在两块孔板之间装有不锈钢网，不锈钢网孔径在40目-180目之间。
本发明的向上喷气的气体分布器(1)和向下喷气的气体分布器(2)为两组组合式喷嘴分布器，由环形管(23)和固定在环形管的喷嘴(3)构成，喷嘴由支座和喷头组成，喷头顶面和侧面开有小于0.5毫米的气孔，向上喷气的气体分布器(1)上的喷嘴(3)位于提升管(10)内构成的升液通道的正下方，向上喷气，向下喷气的气体分布器(2)上的喷嘴(3)向下喷气，使倒圆锥筒形外壳(9)内部的物料处于流态化。气液分离室(24)上端开有溶氧测孔(16)和PH值测孔(18)。
本实施例提供的反应器在圆柱筒形外壳(11)外面安装了圆筒形控温夹套(12)。本发明所用的材料均为不锈钢。
本发明提供的气升内错流式生物反应器具体的工作过程如下：
蒸汽经管道(4)从底部圆柱筒形排液室(5)进入反应器内，由接种管(17)阀门排出，按灭菌操作规程完成反应器的消毒工序。蒸汽冷凝水经排液管(6)排出。悬浮培养细胞株随培养基一道经接种管(17)加入圆柱筒形外壳(11)内，经过滤的空气由向上喷气的气体分布器(1)和向下喷气的气体分布器(2)通入，向上喷气的气体分布器(1)上的喷嘴(3)位于提升管(10)内部构成的升液通道的正下方，向上喷气，造成密度差，使培养基、细胞株、气泡三相流体进入提升管(10)，沿(F)向上提升，流体上升至提升管(10)的开孔区(13)后，向四周经孔口径向递减分流(错流)进入降液区(15)，上升到提升管(10)顶部的流体，经气液分离室(14)也进入降液区(15)，经向下喷气的气体分布器(2)上的喷嘴(3)通入的空气向下喷出，使沿降液区(15)下降的气、液、固三相流体在倒圆锥筒形外壳(9)内呈流态化状态，可消除死区。需置换的培养基通过组合过滤器(7)进入圆柱排液室(5)，由排液管(6)排出。培养产物由排料管(8)排出，进行提取分离后处理。对于需要进行温度控制的生物反应器，可通过控制进水(21)和出水(22)的温度来进行。
本发明具有以下优点与积极效果：
1.本发明由于采用了上部开孔的提升管，因而适用于培养周期长、培养基随培养进程而蒸发减少的生物反应过程，在本反应器内无需补充或增加培养基，仍能正常操作。
2.本发明由于采用了该新型提升管，经提升管上升的流体在开孔区由中心向四周径向递减错流分流，改变了流体的方向，减缓了流体的上冲速度，因而可抑制气泡聚合，制止气泡在液面爆破时产生冲击力对细胞的损伤。
3.本发明由于采用了新型气体分布器和提升管，以及两部件的协同作用，消除了降液区匮氧现象，提高了降液区气含率，强化了混合与传递速率，大大降低了反应器高度。
4.本发明由于底部采用了锥形壳体，因而可适用于粒径分布宽的细胞团块，锥形床层内细胞处于流态化，无死区存在。
5.在本发明的反应器内，可进行过滤、洗涤、换液等操作，一器多用。
6.本发明的反应器无机械传动部件，剪切力小，结构简单，操作方便，不易污染，放大容易。
本发明的反应器已建成7升、30升150升反应器系列植物细胞中试培养工程。经过16罐批的新疆紫草细胞实体培养，细胞产量达12克干重/日.升，紫草宁含量最高可达细胞干重的22％，是天然植株中含量的5-10倍。

Claims (6)

1.一种气升内错流式生物反应器，包括壳体、提升管，其特征在于还包括过滤器和气体分布器；
所述的壳体由圆柱筒形外壳(11)、倒圆锥筒形外壳(9)、圆柱筒形排液室(5)及顶部气液分离室(24)组成，顶部气液分离室(24)位于圆柱筒形外壳(11)的上面，圆柱筒形外壳(11)下面是倒圆锥筒形外壳(9)，再下面是圆柱筒型排液室(5)，它们两两底部相接，反应器顶部和底部采用平板式或圆拱形封头；
在圆柱筒形外壳(11)内安装有与之同轴的提升管(10)，提升管(10)为上部开有多排孔的圆筒；
过滤器(7)为复合筛板型过滤器，位于倒圆锥筒形外壳(9)和圆柱筒形排液室(5)相接处；
在倒圆锥筒形外壳(9)内，过滤器(7)的上方，提升管(10)下方安装有向上喷气的气体分布器(1)和向下喷气的气体分布器(2)，向上喷气的气体分布器(1)和向下喷气的气体分布器(2)为两组组合式喷嘴分布器，由环形管(23)和位于环形管上的组合喷嘴(3)构成，向上喷气的气体分布器(1)上的喷嘴(3)位于提升管(10)内部构成的升液通道的正下方，向上喷气，向下喷气的气体分布器(2)上的喷嘴向下喷气。
2.按权利要求1所述的气升内错流式生物反应器，其特征在于所述的提升管(10)为上部开有多排孔的圆筒，每相邻两排孔呈三角形排列，相邻两排孔面积之和与提升管的断面积相等或相近似，其开孔段长度为提升管总高度的4/5-1/2，提升管按同轴方式安装在位于圆柱筒形外壳(11)和倒圆锥筒形(9)相接处的支撑筋板(20)上。
3.按权利要求1所述的气升内错流式生物反应器，其特征在于所述的提升管两端一定距离的断面上，各装置三个等长度均布的定位柱(19)。
4.按权利要求1所述的气升内错流式生物反应器，其特征在于所述的向上喷气的气体分布器(1)和向下喷气的气体分布器的喷嘴(3)由支座和喷头组成，喷头顶面和侧面开有小于0.5毫米的气孔，向上喷气的气体分布器(1)上的喷嘴位于提升管(10)内部构成的升液通道的正下方。
5.按权利要求1所述的气升内错流式生物反应器，其特征在于所述的过滤器(7)为复合筛板型过滤器，由两块孔口相对、孔率大于20％的多孔板组成，在两块孔板之间装有不锈钢网，不锈钢网孔径在40目-180目之间。
6.按权利要求1所述的气升内错流式生物反应器，其特征在于所述的圆柱筒形外壳(11)外面安装圆筒形控温夹套(12)。
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