CN106520552B - 一种细胞培养生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种细胞培养生物反应器，包括大罐、小罐和控制系统，小罐设置在所述的大罐内且由所述大罐底部的支撑架支撑，所述的小罐的上端设置有封头，下端设置有磁力搅拌系统，底部靠近罐底位置设置有隔离板，所述的封头和隔离板为不锈钢网板，大罐、小罐内还设置有进液管、排液管、传感器系统、进气出气管，小罐的罐体上还设置有若干夹持装置。因此，本发明能够利用一台反应器实现多种形式的细胞培养，具有密封性好、操作简单，污染率低，细胞质量好，收率高的有点。具有良好的功能性、经济性，可广泛适用于动物细胞大规模培养。

Description

一种细胞培养生物反应器
技术领域
本发明属于细胞培养装置领域，具体涉及一种细胞培养生物反应器。
背景技术
目前世界生物技术制药产业发展迅猛，并已取得了巨大的成就。通过动物细胞体外培养表达和生产各类诊断和治疗用单克隆抗体，疫苗，生长因子等生物活性蛋白质具有十分广泛的市场应用前景。因此，用来大规模高密度培养动物细胞的细胞生物反应器，就成了生物技术制药产业中最重要的装备。它很大程度上决定了生物技术制药企业的产品成本，生产规模和产品种类。
生物反应器，指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过程中的关键设备。生物反应器的结构、操作方式和操作条件的选定对生物化工产品的质量、收率(转化率)和能耗有密切关系。随着生物技术的不断发展,大规模动物细胞生物反应器培养技术正逐步取代玻璃瓶静置培养和旋转培养技术,因为它能及时地给所培养对象提供最佳的生存环境，从而最高效率的提高产品的产量和质量，应该说这是动物细胞培养史上的一次质的飞跃,也是生物制药技术的重大突破,它不仅简化了工艺,更重要的是它可以生产出高质量的产品,目前市场上有很多种生物反应器,包括国产的和进口的，各有优势和缺陷，有的甚至存在不可避免的硬伤，从而限制了它优势的最大发挥。
现有的反应器往往只能满足一种培养方式的需求，而目前细胞培养方式又有很多种，不同的细胞对培养方式的需求的不同，况且，现有的反应器大部分采用插入罐体内的机械搅拌方式，搅拌装置结构及其润滑物质经常带来的微生物污染的问题，搅拌润滑带入杂菌的情况发生率高，一旦杂菌污染，就会造成细胞死亡，或者由于机械搅拌的剪切造成细胞死亡，而且高密度的培养，往往溶氧水平偏低，不能满足需要，也是造成密度不高，表达量偏低的重要原因。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种细胞培养生物反应器，通过控制培养基的不同存在方式和反应器的构造的变化，能够对细胞进行不同形式的培养，从而实现一机多种培养方式的功能。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种细胞培养生物反应器，包括大罐、小罐和控制系统，
所述的大罐的上端设置有密封盖，所述的密封盖上设置有进液口、排液口、传感器口、进气出气口，所述的大罐设置有夹套，所述的夹套与所述的控制系统连接，所述的大罐内设置传感器系统，包含有液位、温度和压力等传感器，所述传感器均与控制系统相连接；
所述的小罐设置在所述的大罐内且由所述大罐底部的支撑架支撑，所述的小罐的上端设置有封头，下端设置有磁力搅拌系统，底部靠近罐底位置设置有隔离板，所述的封头和隔离板为不锈钢网板，反应器还设置有贯穿密封盖和封头的进液管、排液管、传感器系统、进气出气管；所述的进液管一端连接大罐外的培养基罐，一端开口于小罐的罐底；所述的排液管外接端连接到大罐外的培养基罐或储液罐，排液管还设有一个支排液管，支排液管伸入到大罐和小罐的空腔之中，开口于大罐底部；所述进气出气管一端连接到大罐外的真空抽气泵和空气压缩泵，一端开口于小罐内底部；所述的传感器系统，还设置有支传感器系统，支传感器系统伸入到大罐和小罐的空腔之中，传感器系统和支传感器系统都连接到控制系统；所述的小罐的罐体上还设置有若干夹持装置；
所述的控制系统安装于大罐罐体外，通过管道连接于传感器系统、支传感器系统和培养基罐、储液罐；用于监测和控制大罐和小罐内培养液的溶氧量、pH值、温度、液位高度、进液量和排液量并根据预先设定时间控制所述的真空抽气泵和所述的空气压缩泵交替运行，以及控制与所述的进液口连接的进液泵的启闭、控制与所述的排液口连接的排液泵的启闭；
还包括生物反应器外管路系统，所述的生物反应器外管路系统包括气体管路系统，所述的气体管路系统包括压缩空气气体管路、抽真空气体管路、氧气气体管路、二氧化碳气体管路、氮气气体管路，气体减压阀和气动隔膜阀，各个气体管路分别通过大罐罐盖上的快接口与位于大罐、小罐内的进气出气管相接，所述的进气出气管的出气口的外壁均设置有用于消除气泡的孔径大小不同的筛网；
所述的生物反应器外管路系统还包括液体管路系统，所述的液体管路系统包括进液管和出液管，在蠕动泵作用下将培养液补加进入罐体内或从罐体排出；
还包括生物反应器外的辅助系统，如工作架、加热恒温水箱等；
还包括细胞培养载体，所述细胞培养载体是海绵状多孔固定床载体或颗粒状载体。
优选的，所述的传感器系统和所述支传感器系统都包含有液位传感器、pH值电极。
优选的，所述的封头和隔离板的网孔大小根据颗粒状载体的大小设置。
优选的，所述的夹持装置为可拆卸连接固定床载体的装置。
优选的，所述的进气出气管出口端设计成不锈钢筛网状的盘管。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、封头、隔离板与所述的小罐的内壁围成用于放置细胞载体的腔体，小罐的内壁上还有可拆卸固定床载体的装置，小罐内外都有排液管，这样设计，即可以直接用液体培养基静止或流动来培养细胞，也可以使用颗粒状载体或固定床载体来培养细胞，在使用载体培养时，液体培养基同样也可以选择静止或流动的方式进行培养；
2、本发明除开始装培养基时，为使培养基混匀，使用磁力搅拌外，其它时间采用通气和培养液的流动来实现培养液的运动，动力和循环液量都相对很稳定，对细胞没有剪切力；使得液体充分混合均匀，不仅能确保培养液的均一性，也彻底解决了其他搅拌方式带来的机械密封性不好而造成的污染问题；这种循环模式下，液体的pH能很好的控制在一定范围内，培养的细胞生长代谢无死角；
3、通过在管道出气口端外壁设置不锈钢筛网状的盘管来消除气泡，对细胞没有任何剪切力，还能完全满足液体的溶氧要求；
4、通过大罐、小罐内各电极、传感器来对罐内参数进行检测，并结合控制系统一起进行调控，保证管内各培养条件符合细胞生长要求；
5、整个控制系统设计可随实际装置要求进行调整，操作简单，设置了报警系统，并可远程控制。
综上所述，本发明具有密封性好、操作简单，污染率低，细胞质量好，收率高的有点。具有良好的功能性、经济性，可广泛适用于动物细胞大规模培养。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图中，1-大罐；2-小罐；3-进液管；4-排液管；5-进气出气管；6-传感器系统；7-封头；8-隔离板；9-夹持装置；10-磁力搅拌系统；11-支撑架；12-密封盖。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。
实施例一
如图1所示，一种细胞培养生物反应器，包括大罐1、小罐2和控制系统，所述的大罐1的上端设置有密封盖12，所述的密封盖12上设置有进液口、排液口、传感器口、进气出气口，所述的大罐1的两侧设置有夹套，所述的夹套与所述的控制系统连接，所述的大罐内设置传感器系统6，包含有液位、温度和压力等传感器，所述传感器均与控制系统相连接；
所述的小罐2设置在所述的大罐1内且由所述大罐1底部的支撑架11支撑，所述的小罐2的上端设置有封头7，下端设置有磁力搅拌系统10，底部靠近罐底位置设置有隔离板8，所述的封头7和隔离板8为不锈钢网板，并设置有与所述的密封盖12相同的进液口、排液口、传感器口、进气出气口；反应器还设置有贯穿密封盖12和封头7的进液管3、排液管4、传感器系统6、进气出气管5；所述的进液管4一端连接大罐1外的培养基罐，一端开口于小罐2内罐底；所述的排液管3外接端连接到大罐1外的培养基罐或储液罐，排液管3还设有一个支排液管，支排液管伸入大罐1和小罐2的空腔之中；进气出气管5一端连接到大罐1外的真空抽气泵和空气压缩泵，一端开口于小罐2内底部；传感器系统6还设置有支传感器系统，支传感器系统伸入到大罐1和小罐2的空腔之中，传感器系统和支传感器系统都连接到控制系统；所述的小罐的罐体上还设置有若干夹持装置9；
纯液体培养的工作原理：进行细胞培养时，将消毒好的罐体、各配套装置安置好，加入混匀的液体培养基和待培养细胞，开通控制系统，按培养要求控制气体的流量和罐压、温度等，待培养一段时间，收获；
或者进行流动式培养，将培养基从小罐2底部导入，加入待培养细胞，培养一段时间后开始缓缓流加培养基，培养基及培养好的细胞就不断的从封头7溢出到大罐1的底部，通过排液管4导出，收获。
实施例二
如图1所示，一种细胞培养生物反应器，包括大罐1、小罐2和控制系统，所述的大罐1的上端设置有密封盖12，所述的密封盖12上设置有进液口、排液口、传感器口、进气出气口，所述的大罐1的两侧设置有夹套，所述的夹套与所述的控制系统连接，所述的大罐内设置传感器系统6，包含有液位、温度和压力等传感器，所述传感器均与控制系统相连接；
所述的小罐2设置在所述的大罐1内且由所述大罐1底部的支撑架11支撑，所述的小罐2的上端设置有封头7，下端设置有磁力搅拌系统10，底部靠近罐底位置设置有隔离板8，所述的封头7和隔离板8为不锈钢网板，并设置有与所述的密封盖12相同的进液口、排液口、传感器口、进气出气口；反应器还设置有贯穿密封盖12和封头7的进液管3、排液管4、传感器系统6、进气出气管5；所述的进液管4一端连接大罐1外的培养基罐，一端开口于小罐2内罐底；所述的排液管3外接端连接到大罐1外的培养基罐或储液罐，排液管3还设有一个支排液管，支排液管伸入大罐1和小罐2的空腔之中；进气出气管5一端连接到大罐1外的真空抽气泵和空气压缩泵，一端开口于小罐2内底部；传感器系统6还设置有支传感器系统，支传感器系统伸入到大罐1和小罐2的空腔之中，传感器系统和支传感器系统都连接到控制系统；所述的小罐的罐体上还设置有若干夹持装置9；
颗粒状载体培养的工作原理：将消毒好的将消毒好的罐体、各配套装置安置好，在小罐2内导入部分液体培养基，然后在封头7和隔离板8间加入颗粒状载体和待培养细胞，添加培养基至适量，打开控制系统，调节好各培养条件(温度、溶氧、其它气体浓度、罐压等)进行培养，中间如需补料，可通过小罐2内的进液管3和排液管4进行调节。培养到一定时间，收获；
或者，每隔一段时间将液体培养基导出，再导入新鲜的液体培养基，循环往复进行培养，这样保证了培养基的各营养成分的恒定，并降低了细胞受到的剪切力，更有利于细胞的生长。
实施例三
如图1所示，一种细胞培养生物反应器，包括大罐1、小罐2和控制系统，所述的大罐1的上端设置有密封盖12，所述的密封盖12上设置有进液口、排液口、传感器口、进气出气口，所述的大罐1的两侧设置有夹套，所述的夹套与所述的控制系统连接，所述的大罐内设置传感器系统6，包含有液位、温度和压力等传感器，所述传感器均与控制系统相连接；
所述的小罐2设置在所述的大罐1内且由所述大罐1底部的支撑架11支撑，所述的小罐2的上端设置有封头7，下端设置有磁力搅拌系统10，底部靠近罐底位置设置有隔离板8，所述的封头7和隔离板8为不锈钢网板，并设置有与所述的密封盖12相同的进液口、排液口、传感器口、进气出气口；反应器还设置有贯穿密封盖12和封头7的进液管3、排液管4、传感器系统6、进气出气管5；所述的进液管4一端连接大罐1外的培养基罐，一端开口于小罐2内罐底；所述的排液管3外接端连接到大罐1外的培养基罐或储液罐，排液管3还设有一个支排液管，支排液管伸入大罐1和小罐2的空腔之中；进气出气管5一端连接到大罐1外的真空抽气泵和空气压缩泵，一端开口于小罐2内底部；传感器系统6还设置有支传感器系统，支传感器系统伸入到大罐1和小罐2的空腔之中，传感器系统和支传感器系统都连接到控制系统；所述的小罐的罐体上还设置有若干夹持装置9；
固定床载体培养工作原理：将消毒好的将消毒好的罐体、各配套装置安置好，在小罐2的夹持装置9上安装好固定床载体，导入适量液体培养基，加入待培养细胞，打开控制系统，调节好各培养条件(温度、溶氧、其它气体浓度、罐压等)进行培养，中间如需补料，可通过小罐2内的进液管3和排液管4进行调节。培养到一定时间，收获；
或者，每隔一段时间将液体培养基导出，再导入新鲜的液体培养基，循环往复进行培养，这样保证了培养基的各营养成分的恒定，并降低了细胞受到的剪切力，更有利于细胞的生长。
应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种细胞培养生物反应器，包括大罐、小罐和控制系统，其特征在于，所述大罐的上端设置有密封盖，所述大罐设置有夹套，所述夹套与所述控制系统连接，所述大罐内设置传感器系统，包含有液位、温度和压力传感器，所述传感器均与所述控制系统相连接；
所述小罐设置在所述大罐内且由所述大罐底部的支撑架支撑，所述小罐的上端设置有封头，下端设置有磁力搅拌系统，底部靠近罐底位置设置有隔离板，所述封头和所述隔离板为不锈钢网板，所述反应器设置有贯穿所述密封盖和封头的进液管、排液管、传感器系统、进气出气管；所述进液管一端连接大罐外的培养基罐，一端开口于小罐的罐底；所述排液管外接端连接到所述大罐外的培养基罐或储液罐，所述排液管还设有一个支排液管，所述支排液管伸入所述大罐和小罐的空腔之中；所述进气出气管一端连接到大罐外的真空抽气泵和空气压缩泵，一端开口于小罐内底部；所述传感器系统还设置有支传感器系统，所述支传感器系统伸入到所述大罐和所述小罐的空腔之中，所述传感器系统和所述支传感器系统都连接到所述控制系统；所述小罐的罐体上还设置有若干夹持装置，所述夹持装置为可拆卸连接固定床载体的装置；
所述细胞培养生物反应器还包括生物反应器外管路系统，所述生物反应器外管路系统包括气体管路系统；所述气体管路系统包括压缩空气气体管路、抽真空气体管路、氧气气体管路、二氧化碳气体管路、氮气气体管路，气体减压阀和气动隔膜阀，各个气体管路分别通过所述大罐罐盖上的快接口与位于所述大罐和所述小罐内的进气出气管相接，所述进气出气管的出气口的外壁设置有用于消除气泡的孔径大小不同的筛网；
所述细胞培养生物反应器还包括细胞培养载体，所述细胞培养载体是海绵状多孔固定床载体或颗粒状载体。
2.如权利要求1所述的细胞培养生物反应器，其特征在于，所述控制系统安装于大罐罐体外。
3.如权利要求1所述的细胞培养生物反应器，其特征在于，所述传感器系统和所述支传感器系统都包含有液位传感器、pH值电极。
4.如权利要求1所述的细胞培养生物反应器，其特征在于，所述细胞培养生物反应器还包括生物反应器外的辅助系统，所述辅助系统设置有工作架、加热恒温水箱。
5.如权利要求1所述的细胞培养生物反应器，其特征在于，所述封头和隔离板的网孔大小根据颗粒状载体的大小设置。
6.如权利要求1所述的细胞培养生物反应器，其特征在于，所述进气出气管出口端为不锈钢筛网状的盘管。
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