CN105886398A - 三维内腔的软膜生物反应器及其支撑架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物发酵细胞培养领域，特别是涉及一种三维内腔的软膜生物反应器及其支撑架，软膜生物反应器具有由塑料软膜构成的软膜壁，软膜壁上设有作为外部牵拉抓手的牵拉结构；软膜生物反应器支撑架包括架体，架体上设有用于牵拉软膜生物反应器上的牵拉结构以使软膜生物反应器的软膜壁保持设定形状的牵拉定位结构。使用时，通过外部设置的牵拉定位结构对软膜壁上的牵拉结构进行牵拉，即可时软膜壁产生变形，形成设定形状的三维内腔，能够实现像硬质反应容器一样，不需鼓气即可进行生物发酵和细胞培养，操作简单、使用方便，并且可以省去昂贵的鼓气设备，大大降低设备成本和使用成本。

Description

三维内腔的软膜生物反应器及其支撑架

技术领域

本发明涉及生物发酵细胞培养领域，特别是涉及到了一种三维内腔的软膜生物反应器及其支撑架。

背景技术

硬质材料的细胞培养容器，例如静止培养用的细胞培养瓶，悬浮培养用的锥形摇瓶，锥底摇瓶，滚瓶以及小型搅拌罐等，是目前广泛使用的生物细胞培养工具，这些细胞培养容器通常由玻璃或硬质塑料制成，共同结构特征就是设置有供自然通气和液料输送的培养容器口以及容纳气体和液体的三维内腔，具有操作简单，使用方便的优点。然而硬质材料的细胞培养容器有其难以克服的缺点：即玻璃容器重复使用不仅需要费时费力的清洗消毒准备工作，而且还潜在交叉污染的风险；硬质塑料细胞培养容器虽然可一次性使用，但由于其形状固定和体积较大，不仅生产成本高，废物产生多，而且在灭菌、运输和储存以及垃圾处理等环节均由于其容纳气体的三维内腔所占用空间大而导致费用增加。

利用塑料膜生产一次性软膜生物反应器或静止培养袋进行生物发酵和细胞培养是近年来生物技术领域的重大进步，不仅省去了玻璃器皿重复性使用费时费力的清洗消毒工作，避免了交叉污染的风险，而且可克服传统的硬质塑料材料细胞培养容器体积大，生产、灭菌和运输成本高以及废物产生多的缺点。然而，现有的软膜生物反应器和静止培养的细胞培养袋均不能在自然通气条件下保持袋内三维容纳气体和液体的内腔，例如，美国GE公司发明的用于悬浮培养的波浪式细胞培养摇袋必须通过连续正压鼓气才能使培养袋膨胀并形成供气体交换的袋内容气内腔，这种连续鼓气设备不仅价格昂贵，而且操作复杂，特别不适合实验室小规模的细胞培养；而用于静止培养的细胞分化增殖袋，虽然可利用其膜材料透气不透水的特性实现气体交换和静止培养，但不能形成袋内三维容气内腔因而不能进行高效的悬浮培养。因为如果在现有细胞培养袋上设置像硬质细胞培养容器一样供自然通气和液料输送的开放容器口，两层软膜在其和培养液重力下垂以及吸附力和牵引力的作用下就会挤出两层软膜之间的空气，软膜在外部大气压的作用下趋于贴在一起，从而失去气体交换和培养液混合所必须的内部空间，进而导致培养液体从培养袋口溢出。因此，现有的软膜培养袋或软膜生物反应器均不能在自然通气状态下形成气-液交换的三维内腔，在克服硬质培养容器占用空间的缺点的同时也失去了硬质培养容器使用方便的优点。为了克服现有细胞培养袋/软膜生物反应器上述的缺点并实现像硬质培养容器一样的操作简单和使用方便，需要研发新型的无需鼓气可保持容纳气体和液体内腔的软膜生物反应器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种像硬质培养容器一样，操作简单，使用方便，不需鼓气便可保持其三维容气内腔的三维内腔的软膜生物反应器，同时，本发明还提供了一种用于与上述软膜生物反应器配套使用的软膜生物反应器支撑架。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：三维内腔的软膜生物反应器，所述软膜生物反应器具有由塑料软膜构成的软膜壁，所述软膜壁上设有作为外部牵拉抓手的牵拉结构。

进一步地：

所述牵拉结构为以下三种形式的至少一种：形式一，由软膜壁经热塑成型而局部向外膨凸的软膜泡或由所述软膜泡经嵌夹热合而成的软膜片；形式二，粘附在软膜生物反应器软膜壁外表面的外贴膜片，所述外贴膜片具有粘贴在软膜生物反应器的软膜壁的外表面的粘贴部和作为牵拉抓手的牵拉部；形式三，贯通软膜壁并融合在软膜壁上的连通管，连通管的位于软膜壁内部的端面上设有与软膜壁相融合的融合片，连通管的位于软膜壁外部的基部设有供相应支撑架的定位叉卡入的卡槽。

所述软膜生物反应器包括层叠设置的第一膜片和第二膜片，第一膜片和第二膜片具有相互分离而形成反应腔的腔体部分和围绕腔体部分设置的相互融合的联合部分。

所述第一膜片和第二膜片均具有所述软膜壁，第一膜片的软膜壁上设有所述连通管，所述第二膜片的软膜壁上设有所述软膜泡、软膜片和/或外贴膜片。

所述软膜泡、软膜片或外贴膜片设有两处以上，各软膜泡、软膜片或外贴膜片均为长条结构且相互并列设置。

软膜生物反应器支撑架，所述软膜生物反应器支撑架包括架体，架体上设有用于牵拉软膜生物反应器上的牵拉结构以使软膜生物反应器的软膜壁保持设定形状的牵拉定位结构。

进一步地：

所述牵拉定位结构包括支撑悬臂，支撑悬臂的末端设有用于卡入软膜生物反应器的连通管基部的卡槽内以牵拉和定位连通管的定位叉，或者设有用于夹持软膜生物反应器上的软膜泡、双层软膜片和/或外贴膜片的定位夹。

所述支撑悬臂为弹性臂。

所述软膜生物反应器支撑架还设有用于夹持软膜生物反应器的第一膜片和第二膜片所形成的联合部分的夹框。

所述夹框包括上层夹框和下层夹框，上层夹框和下层夹框的一侧铰接，与该侧相对的一侧设有扣合锁紧结构。

有益效果：本发明三维内腔的软膜生物反应器具有由塑料软膜构成的软膜壁，所述软膜壁上设有作为外部牵拉抓手的牵拉结构，使用时，通过外部设置的牵拉定位结构对软膜壁上的额牵拉结构进行牵拉，即可时软膜壁产生变形，形成设定形状的三维内腔，与现有技术相比，能够实现像硬质反应容器一样，不需鼓气即可进行生物发酵和细胞培养，操作简单、使用方便，并且可以省去昂贵的鼓气设备，大大降低设备成本和使用成本。同时，设置软膜壁可以减小生物反应器占用的空间，为运输、灭菌等环节提供方便，降低成本。

进一步地，所述牵拉结构可以为贯通软膜壁并融合在软膜壁上的连通管，连通管的位于软膜壁内部的端面上设有与软膜壁相融合的融合片，连通管的位于软膜壁外部的基部设有供相应支撑架的叉齿卡入的卡槽，这样，连通管除具有软膜生物反应器内外气体交换和培养液料输送功能外，还可以作为牵拉结构，作为牵拉结构使用时融合片能够对成片的软膜壁进行牵拉，能够减少牵拉点位，减少操作，同时能够避免软膜壁出现皱褶。

附图说明

图1是本发明实施例1的第一膜片的结构示意图；

图2是本发明实施例1的第二膜片的结构示意图；

图3是本发明实施例1的剖面示意图；

图4是本发明实施例1的支撑架和软膜生物反应器整体视图；

图5是本发明实施例1的软膜生物反应器的平置状态视图；

图6是本发明实施例1的平置使用状态示意图；

图7是本发明实施例1的竖置使用状态的视图；

图8是本发明实施例1竖置使用状态的侧视图；

图9是本发明实施例2的下部的结构示意图；

图10是本发明实施例2的固定于支撑架时下部的结构示意图；

图11是本发明实施例2的平置使用状态示意图；

图12是本发明实施例2的竖置使用状态示意图；

图13是本发明实施例3的下部的结构示意图；

图14是本发明实施例4的下部的结构示意图；

图15是本发明实施例4的牵拉状态示意图；

图16是本发明实施例5的下部的结构示意图。

图中各附图标记对应的名称为：1-第一膜片，2-第二膜片，3-支撑悬臂，4-波纹结构，5-连通管，6-管盖，7-联合边，8-软膜泡，9-叉齿，10-培养液，11-融合片，12-卡槽，13-外贴膜片，14-夹框，15-定位叉，16-定位夹，17-铰链，18-卡扣，19-支撑架，20-粘贴部，21-牵拉部。

具体实施方式

实施例1：

该实施例的结构如图1-图8所示，三维内腔的软膜生物反应器，包括第一膜片1和第二膜片2，第一膜片1和第二膜片2均采用塑料软膜制成。

其中，第一膜片1为平面软膜，平面软膜中心位置贯通融合有作为软膜生物反应器内外通道的连通管5，连通管5上配置的管盖为密封盖或带滤菌膜的透气滤膜盖6。连通管5具有与第一膜片1的软膜内面相融合的融合片11，在软膜外的连通管5的基部设置有供外部牵拉和固定的卡槽12，使得连通管5构成牵拉结构。上述“融合片”是指用于与软膜融合在一起的硬片，相当于在软膜的基础上形成了部分骨架，能够承受一定的力且不发生较大变形，该手段为现有技术，具体不再详细介绍。此处的“波纹结构”是指横截面为波纹形状的结构。连通管5的外部管口上配置有管盖6，该管盖6为带滤菌膜的透气滤膜盖。当然，在其它实施例中，连通管5上配置的管盖6还可以为密封盖（完全密封）或者通过周隙通气的盖子，此处所称“通过周隙通气的盖子”是指在盖子的内壁面与连通管5的外壁面之间留出间隙，该间隙可作为软膜生物反应器内外透气的通道。

由第二膜片2形成的软膜壁上具有由软膜经热塑成型而成的波纹结构4，波纹结构4为闭合的波纹圈结构，整体呈长方形，其四角处设为弧形，即呈“弧线内角的长方形”。波纹结构4的横截面大致为仅具有一个波峰的正弦波，并且波峰背向第一膜片，在展开后能够形成较为平滑的容器壁，有利于生物培养。在其它实施例中，波纹结构的数量还可以根据需要设为平行套置的两圈以上，并且波形也可以采用其他形式的波形，例如方波、半圆波、锯齿波等等，但是波峰处优选采用平滑过渡结构，以尽量减少对生物细胞产生剪切力。

第一膜片1和第二膜片2具有相互分离而形成反应腔的腔体部分和围绕腔体部分设置的相互融合的联合部分，联合部分构成了一个联合边7，联合边7可作为整个软膜生物反应器的支撑，将软膜生物反应器固定或者架在设定的位置处。

如图4-图8所示，本实施例的软膜生物反应器配置有与其形状大小相适配的支撑架19，支撑架19设置有用于固定软膜生物反应器的联合边7的夹框14，夹框14包括上层夹框和下层夹框，上、下层夹框的一侧通过铰链17形成转轴，在与铰链17的相反的另一侧设置有卡扣18，卡扣18构成扣合锁紧结构，用于保持上、下层夹框的夹合状态。夹框14设有铰链17的侧边上还设置有支撑悬臂3，支撑悬臂3的悬伸端设有用于卡入软膜生物反应器的连通管基部的卡槽12内以牵拉和定位连通管的定位叉15，定位叉15的叉齿9与连通管5的卡槽12相适配；支撑悬臂3的固定端转动装配在夹框14上，转动轴线与夹框14所形成的框架平面垂直，从而便于定位叉15卡入卡槽12内和从卡槽12内旋出。为了对软膜壁形成有效的定位，支撑悬臂3为弹性臂。上述定位叉15形成用于牵拉软膜生物反应器上的牵拉结构以使软膜生物反应器的软膜壁保持设定形状的牵拉定位结构。

使用时，将本实施例的软膜生物反应器置于支撑架19的两层夹框14之间并通过卡扣18将本实施例的软膜生物反应器夹紧固定，向下按压并旋转定位叉15，使其叉齿9卡入连通管5的卡槽12之中，加入培养液料10，根据不同的使用方式，平置使用时，如图6所示，软膜生物反应器的第一膜片1在定位叉15的弹性作用下向上牵拉，软膜生物反应器第二膜片2上的波纹结构4在培养液料10的重力作用下向下展开，软膜生物反应器形成供液体混合和气体交换的三维内部空间；在一些情况下，也可在软膜生物反应器下方设置负压支撑座，负压支撑座具有与展开后的软膜生物反应器的下部形状吻合的凹槽，在槽口处设置与软膜生物反应器的联合边7密封配合的密封结构，使用时，通过抽吸使支撑座上的凹槽内形成负压，由此帮助软膜生物反应器的第二膜片2更加快捷、平整的展开，而且由于波纹结构4展开后比平面软膜鼓气膨胀后弹性回缩力很小甚至无弹性回缩力，因此，容易形成三维内部空间。竖直使用时，如图7、图8所示，软膜生物反应器的第一膜片1在定位叉15的弹性作用下向前牵拉，软膜生物反应器第二膜片2上的波纹结构4在培养液料10的重力作用下向后展开，软膜生物反应器形成供液体混合和气体交换的三维内部空间。

本实施例设置一个连通管5，为了增加气体交换效率和牵拉方便性，也可设置2个以上的连通管5。

本实施例中夹框14形成软膜生物反应器支撑架的架体，在其他实施例中，架体也可以为其他形式，例如框架形式，而软膜生物反应器的联合边7也可以通过框架上对应设置的夹持结构实现夹持固定，还可以不对联合边7进行固定，直接依靠第一膜片上的牵拉结构对整个软膜生物反应器进行悬挂固定。

在其他实施例中，波纹结构还可为2个或2个以上相互平行套置，以增加软膜生物反应器展开后的深度。此外，波纹结构的整体形状也可呈圆形、椭圆形、标准田径跑道的形状、半圆形、半椭圆形、U形或其它弧线内角多边形的几何形状等等。当波纹结构的整体形状为半圆形、半椭圆形或U形时，优选适用于竖直使用状态，使半圆形、半椭圆形或U形的开口朝上，并且使波纹结构设有开口的端部在波纹结构的高度方向上平缓地与相应膜片的平整部位过渡连接，以减小或消除褶皱。

实施例2：

如图9-12所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例软膜生物反应器的第一膜片1和第二膜片2均为平面软膜构成，第二膜片2上设置有由软膜热塑成型而成的供外部牵拉的软膜泡8，在支撑固定软膜生物反应器的支撑架19的夹框14上还通过另一支撑悬臂3设置有牵拉固定软膜泡8的定位夹16。上述定位夹16形成用于牵拉软膜生物反应器上的牵拉结构以使软膜生物反应器的软膜壁保持设定形状的牵拉定位结构。使用方法除将定位夹16夹持牵拉第二膜片2的软膜泡8外，其余同实施例1。本实施例中软膜泡8为长条形，此处的“软膜泡”是指由软膜经热塑成型而局部向外鼓起的软膜膨凸，软膜泡8在使用时经夹持牵拉变瘪，形成双层软膜皱褶的软膜片，在其它的实施例中，软膜生物反应器的软膜泡8也可经预先热合嵌夹形成软膜片，也可热塑成型形成两个滴管帽状软膜泡，形成两个相互孤立的牵拉点，根据2点成一线的道理，牵拉两个点的滴管帽状软膜泡等同牵拉牵拉1个长条形软膜泡的效果。

本实施例中，由于第一膜片1和第二膜片2均为平面软膜构成，弹性回缩力大，加入培养液料10后，第一膜片1和第二膜片2均为平面软膜趋于粘合一起，因此需要同时向相反的两个方向分别牵拉连通管5和软膜泡8才能本实施例的软膜生物反应器保持其三维内部空间。

实施例3：

如图13所示，本实施例与实施例2的区别仅在于：软膜生物反应器的第二膜片2的外表面粘附有如图所示的外贴膜片13代替热塑成型的软膜泡8，其余同实施例2。外贴膜片13整体呈长条形，截面呈T形，外贴膜片13包括粘贴在软膜生物反应器软膜外表面的粘贴部20和作为夹持或钩挂抓手的牵拉部21，牵拉部21的末端为两侧粘贴部20的转折处，可以保留其发卡样结构的环形圈，供定位叉的叉齿进行钩挂。T形外贴膜片可以通过粘性胶粘贴膜制成，也可通过静电贴膜制成，静电贴膜无胶质污染的担忧。通过静电贴膜吸附时，粘贴部20宽度大于牵拉部21的宽度，使牵拉部21处于粘贴部20的中间位置，不易破坏负压作用使吸附更大，牵拉粘贴部20的边缘容易破坏负压而使粘贴部20从软膜生物反应器软膜揭开。

实施例4：

如图14、图15所示，本实施例与实施例2的区别在于第二膜片2的软膜上热塑成型的牵拉泡为两个，两个牵拉泡均为长条形，并且相互并列设置，使用时，相应的支撑架上的牵拉夹也为两个，牵拉后第二膜片2的软膜呈现5个面，其余与实施例2相同。

实施例5：

如图16所示，本实施例与实施例4的区别在于第二膜片2的牵拉结构为软膜外表面粘附两个T形外贴膜片，其余与实施例4相同。

在其他实施例中，软膜壁上的牵拉结构还可以为连通管、软膜泡、软膜片和外贴膜片的其他组合形式，例如第一膜片和第二膜片上均设置连通管作为牵拉结构，再如在同一膜片上同时设置连通管、软膜泡、软膜片和外贴膜片的至少两种。

本发明中软膜生物反应器支撑架的实施例即上述各实施例中所使用的支撑架，具体结构此处不再赘述。

Claims (10)

1.三维内腔的软膜生物反应器，其特征在于，所述软膜生物反应器具有由塑料软膜构成的软膜壁，所述软膜壁上设有作为外部牵拉抓手的牵拉结构。

2.根据权利要求1所述的三维内腔的软膜生物反应器，其特征在于，所述牵拉结构为以下三种形式的至少一种：形式一，由软膜壁经热塑成型而局部向外膨凸的软膜泡或由所述软膜泡经嵌夹热合而成的软膜片；形式二，粘附在软膜生物反应器软膜壁外表面的外贴膜片，所述外贴膜片具有粘贴在软膜生物反应器的软膜壁的外表面的粘贴部和作为牵拉抓手的牵拉部；形式三，贯通软膜壁并融合在软膜壁上的连通管，连通管的位于软膜壁内部的端面上设有与软膜壁相融合的融合片，连通管的位于软膜壁外部的基部设有供相应支撑架的定位叉卡入的卡槽。

3.根据权利要求2所述的三维内腔的软膜生物反应器，其特征在于，所述软膜生物反应器包括层叠设置的第一膜片和第二膜片，第一膜片和第二膜片具有相互分离而形成反应腔的腔体部分和围绕腔体部分设置的相互融合的联合部分。

4.根据权利要求3所述的三维内腔的软膜生物反应器，其特征在于，所述第一膜片和第二膜片均具有所述软膜壁，第一膜片的软膜壁上设有所述连通管，所述第二膜片的软膜壁上设有所述软膜泡、软膜片和/或外贴膜片。

5.根据权利要求3或4所述的三维内腔的软膜生物反应器，其特征在于，所述软膜泡、软膜片或外贴膜片设有两处以上，各软膜泡、软膜片或外贴膜片均为长条结构且相互并列设置。

6.用于支撑如权利要求1所述的软膜生物反应器的软膜生物反应器支撑架，其特征在于，所述软膜生物反应器支撑架包括架体，架体上设有用于牵拉软膜生物反应器上的牵拉结构以使软膜生物反应器的软膜壁保持设定形状的牵拉定位结构。

7.根据权利要求6所述的软膜生物反应器支撑架，其特征在于，所述牵拉定位结构包括支撑悬臂，支撑悬臂的末端设有用于卡入软膜生物反应器的连通管基部的卡槽内以牵拉和定位连通管的定位叉，或者设有用于夹持软膜生物反应器上的软膜泡、双层软膜片和/或外贴膜片的定位夹。

8.根据权利要求7所述的软膜生物反应器支撑架，其特征在于，所述支撑悬臂为弹性臂。

9.根据权利要求6或7或8所述的软膜生物反应器支撑架，其特征在于，所述软膜生物反应器支撑架还设有用于夹持软膜生物反应器的第一膜片和第二膜片所形成的联合部分的夹框。

10.根据权利要求9所述的软膜生物反应器支撑架，其特征在于，所述夹框包括上层夹框和下层夹框，上层夹框和下层夹框的一侧铰接，与该侧相对的一侧设有扣合锁紧结构。