CN108034575A - 微泡通气装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动物细胞生物反应器工程技术领域，具体而言，涉及一种微泡通气装置及系统。所述微泡通气装置为带有缺口的不闭合圆形环，环壁上设置有一个进气口以及若干个均匀分布的微孔；所述微泡通气装置的环体内部中空，所述微孔贯穿环壁与所述环体的中空腔体相通。所述微泡通气系统包括生物反应器罐体，搅拌装置以及如上所述的微泡通气装置。由于国内之前从来没有使用大容量生物反应器(3000L～6000L)培养细胞的先例，因而现有技术中缺乏针对大容积生物反应器设备的优化与调整。本发明申请人通过调整通气装置，并适应改造搅拌系统，从而实现了大容积生物反应器的均匀布气，还减少了氧气的用量，提高了细胞的活率。

Description

微泡通气装置及系统

技术领域

本发明涉及动物细胞生物反应器工程技术领域，具体而言，涉及一种微泡通气装置及系统。

背景技术

随着兽用生物疫苗行业的不断发展，尤其生物反应器细胞全悬浮培养技术的应用，人们开始日益关注细胞高密度、高质量、大体积培养。由此细胞培养过程中气体的供给成为细胞放大培养所研究的重点工作。微泡通气装置作为传统的细胞培养反应器进气装置被广泛应用。

现有的微泡通气装置多为棒状结构，通过设置多孔的结构将氧气打碎成微泡，但该装置氧气扩散效率低，容易造成反应器内氧气分散不均、局部氧气浓度过高；此外，多孔结构也不利于拆卸和清洗，使用一段时间后容易堵塞。

搅拌式反应器通过搅拌桨的持续搅拌均匀分布营养、气体(氧气等)及热量，为动物细胞提供相对稳定的生长环境。现有的搅拌式反应器虽然搅拌结构简单，但氧气经过搅拌后很快地就会上浮于反应器液面表面排出，不利于氧气的充分利用；现有的生物反应器搅拌效率低，也不利于营养及气体的分散；此外，在大容积的生物反应器(3000L～6000L)进行细胞培养室，气体和营养物质难以混合均匀，因而需要搅拌桨提供更大的转速，但如此以来细胞活率也会受到很大的影响。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明涉及一种微泡通气装置，所述微泡通气装置为带有缺口的不闭合圆形环，环壁上设置有一个进气口以及若干个均匀分布的微孔；所述微泡通气装置的环体内部中空，所述微孔贯穿环壁与所述环体的中空腔体相通。

该微泡通气装置易于清洁，不易被细胞碎片堵塞，且具有更好的布气效果。

优选的，如上所述的微泡通气装置，所述微孔均分布于所述圆形环所在平面的一侧；

优选的，所述微孔沿所述环壁成一列排布；更优选的，所述微孔距离所述微泡通气装置圆心的距离均相等。

优选的，如上所述的微泡通气装置，所述进气口与所述缺口相对设置，所述进气口通过连接装置固定于生物反应器底部。

优选的，如上所述的微泡通气装置，所述进气口通过所述连接装置连接一个中空连接杆固定于生物反应器底部；

优选的，所述连接杆为中部弯曲的L形结构；更优选的，所述连接杆中部弯曲的角度为120°～160°。

优选的，如上所述的微泡通气装置，所述微泡通气装置的环体可拆卸为两个半环；

优选的，所述微泡通气装置的环体拆卸为两个半环的拆卸点设置于所述进气口附近；更优选的，所述连接装置为三通装置，一端与所述连接杆相通，另外两端则分别与两个半环相通，且与两个半环中的至少一个活动连接。

优选的，如上所述的微泡通气装置，所述微泡通气装置缺口处的环体端部为可打开的结构；更优选的，所述微泡通气装置缺口处的环体端部设置有可拆卸的堵头。

本发明还涉及一种微泡通气系统，其包括生物反应器罐体，搅拌装置以及如上所述的微泡通气装置。

该系统能够配合所述微泡通气装置，进一步增加生物反应器内的溶氧量、降低氧气耗费量，布气更加均匀，且能使得细胞保持96％以上的活率正常分裂增殖，非常适合大容积的生物反应器的使用。

优选的，如上所述的微泡通气系统，所述搅拌装置包括搅拌轴和搅拌桨；

所述搅拌轴垂直于水平面且固定于罐底，所述搅拌桨设置于所述搅拌轴上，所述搅拌轴的底部与动力装置相连；

所述微泡通气装置设置于所述搅拌桨的正下方，环绕所述搅拌轴；优选的，所述微泡通气装置的微孔均朝下设置。

优选的，如上所述的微泡通气系统，所述搅拌桨有三个，从所述搅拌轴由上至下依次为第一搅拌桨、第二搅拌桨以及第三搅拌桨；所述第二搅拌桨搅拌液体由上向下运动；所述第一、三搅拌桨搅拌液体由下向上运动；

优选的，所述搅拌桨为涡轮式搅拌桨或推进式搅拌桨；

更优选的，所述搅拌桨为四叶推进式搅拌桨。

优选的，如上所述的微泡通气系统，所述罐体的罐壁内部还设置有挡板，所述挡板垂直于水平面；

优选的，所述罐体为圆柱体；更优选的，所述挡板有3～5个，更优选为4个，且均匀分布于所述罐体的罐壁上；

优选的，所述挡板均偏其与所述罐体连接点所在的经向线30°～40°，且各挡板偏转方向一致。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例所提供的微泡通气装置的结构示意图；

图2为本发明一个实施例所提供的微泡通气装置缺口端放大的示意图；

图3为本发明一个实施例所提供的微泡通气装置进气口端放大的示意图；

图4为本发明一个实施例所提供的连接杆的示意图；

图5为本发明一个实施例所提供的生物反应器；

图6为本发明一个实施例所提供的生物反应器的俯视图。

附图标记：

生物反应器罐体A；

微泡通气装置1；进气孔101；微孔102；连接装置103；锁定部1031；突出部1032；连接杆104；堵头105；

搅拌装置2；搅拌轴201；搅拌桨202；

动力装置3；

挡板4。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明涉及一种微泡通气装置，如图1所示，所述微泡通气装置1为带有缺口的不闭合圆形环；所述微泡通气装置1的环壁上设置有一个进气口101以及若干个均匀分布的微孔102；所述微泡通气装置的环体内部中空，所述微孔102贯穿环壁与所述环体的中空腔体相通。

优选的，在所述微泡通气装置1使用时，所述进气口101所通入的气体为氧气、二氧化碳、无菌空气，或本领域进行细胞培养时常用的其他气体，优选上述气体均为压缩气体。

通入的空气构成了细胞培养反应器的深层进气系统，该压缩空气通入方式可以延长空气在培养基中的流动路径，增加二氧化碳和氨的转移量。

优选的，压缩空气的压力为0.02～0.06MPa，更优选为0.04MPa，所述压缩空气均经过两级空气过滤器过滤。

在所述微泡通气装置1进行使用时，由所述进气孔101将气体例如氧气注入，在一定的气压下，氧气由内部中空的环体充满整个微泡通气装置，并由所述微孔102释放。该装置结构简单，因而微孔不易堵塞，维护也更为方便。环形的结构增大了布气面积，能够更均匀将氧气释放于细胞培养液中。

优选的，所述微孔102的直径为0.05mm～0.2mm。

为能够尽可能地增加使用该装置时氧气在培养液中的滞留时间，优选的，所述微孔102均分布于所述圆形环所在平面的一侧，这样使用时，可将微孔102所在面朝下设置增加氧气上浮所行进的路程。

根据通气需求量所需，所述微孔102可按照S形或Z形进行排列，也可以设置为多列。为了降低工艺难度，优选的，所述微孔102沿所述环壁成一列排布；更优选的，所述微孔102距离所述微泡通气装置1圆心的距离均相等。

优选的，如上所述的微泡通气装置，所述进气口101与所述缺口相对设置，所述进气口101通过连接装置103固定于生物反应器底部。

优选的，如上所述的微泡通气装置，所述进气口101通过所述连接装置103连接一个中空的连接杆104固定于生物反应器底部；

优选的，如图3所示，所述连接杆104为中部弯曲的L形结构；更优选的，所述连接杆104中部弯曲的角度为120°～160°；也可以选择130°～150°，或140°。

连接杆104中部弯曲的角度为120°～160°，即其一段与所述微泡通气装置相连时，另一端会水平面呈20°～60°角上翘，其作用是将微泡通气装置至于搅拌桨下方，又不与搅拌桨有刮碰。连接杆104另一侧与反应器可以丝口螺母相连，拆卸方便。

为了方便对所述微泡通气装置1进行清洗，优选的，所述微泡通气装置1的环体可拆卸为两个半环；清洗方式可为超声清洗。

为了能够更好地精简结构，优选的，所述微泡通气装置1的环体拆卸为两个半环的拆卸点设置于所述进气口附近；更优选的，如图2所示，所述连接装置103为三通装置，一端与所述连接杆104相通，另外两端则分别与两个半环相通，且与两个半环中的至少一个活动连接。活动连接处可由一个连接件进行连接，如图2所示，所述连接件由锁定部1031和突出部1032组成；二者可通过锁扣的形式连接，也可设置为磁力连接。

优选的，如上所述的微泡通气装置，所述微泡通气装置1缺口处的环体端部为可打开的结构；更优选的，如图4所示，所述微泡通气装置缺口处的环体端部设置有可拆卸的堵头105。

可拆卸的堵头也利于微泡通气装置的清洗。

在本发明的一个实施方式中，所述微泡通气装置1的圆环直径为570mm，缺口处的长度为80mm，微孔102间距有2.5mm，微孔102直径为0.05mm～0.2mm。

本发明还涉及一种微泡通气系统，如图5所示，其包括生物反应器罐体A，搅拌装置2以及如上所述的微泡通气装置1。

本发明所提供的微泡通气装置，由于具有更大的布气面积，因而优选的，所述生物反应器为大容积的生物反应器，特别是3000L～6000L的生物反应器。

优选的，如上所述的微泡通气系统，所述搅拌装置2包括搅拌轴201和搅拌桨202；

所述搅拌轴201垂直于水平面且固定于罐底，所述搅拌桨202设置于所述搅拌轴201上，所述搅拌轴201的底部与动力装置3相连；

所述微泡通气装置1设置于所述搅拌桨202的正下方，环绕所述搅拌轴201；优选的，所述微泡通气装置1的微孔102面朝下设置。

优选的，所述动力装置3为磁力搅拌装置。

动物细胞反应器对无菌要求非常严格，装料、灭菌和接种等操作及机械密封装置等都可能带来染菌风险，一旦导致反应器内部染菌，造成巨大的经济损失。本发明开发了针对6000L动物细胞培养的生物反应器具有完全隔离功能的磁力传动搅拌系统，其动力传递完全依靠磁缸产生的电磁力，彻底杜绝了因密封造成的染菌问题。

所述微泡通气装置1通过其缺口套入所述搅拌轴201周围。

优选的，如上所述的微泡通气系统，所述搅拌桨202有三个，从所述搅拌轴由上至下依次为第一搅拌桨、第二搅拌桨以及第三搅拌桨，所述第二搅拌桨搅拌液体由上向下运动；所述第一、三搅拌桨搅拌液体由下向上运动。

通过上述设置方式，微泡通气装置1中释放的氧气能够被困于第一、三搅拌桨之间(可以认为在三个搅拌桨之间形成了螺旋形的液流)，从而延长氧气微泡在培养液中的驻留时间，增大氧气的利用率。

优选的，所述搅拌桨202为涡轮式搅拌桨或推进式搅拌桨；

推进式搅拌桨的桨叶有一定的弧度，能够使得培养液形成轴向流动，对混合搅动和悬浮作用更有利。

更优选的，所述搅拌桨202为四叶推进式搅拌桨。

优选的，所述搅拌桨的桨叶倾斜角度为40°～60°；更优选为50°；由于各搅拌桨使液流的运动方向不同，因而优选所述第二搅拌桨的偏转角度与所述第一、三搅拌桨的偏转角度镜像对称。

优选的，所述搅拌桨的桨径与罐径的比值为0.2～0.7，更优选为0.3～0.5。

优选的，所述搅拌桨的转速为30～50rpm。

优选的，如上所述的微泡通气系统，所述罐体A的罐壁内部还设置有挡板4，所述挡板4垂直于水平面；

更优选的，所述挡板4的底部与所述第三搅拌桨平齐，顶部高于细胞培养液的液面高度。

优选的，所述罐体为圆柱体；更优选的，所述挡板4有3～5个，更优选为4个，且均匀分布于所述罐体的罐壁上；

优选的，如图6所示，所述挡板4均偏离其与所述罐体A连接点所在的经向线30°～40°，且各挡板偏转方向一致；

优选的，所述挡板的宽度为1/13～1/10罐径。

更优选的，各挡板偏转方向与所述第一、三搅拌桨的旋转方向一致；例如所述第一、三搅拌桨的旋转方向，为逆时针，则所述挡板4的偏转方向就如图6所示，沿逆时针水流呈钝角偏转。

由于所述第二搅拌桨与所述第一、三搅拌桨将液体搅动的方向相反，培养液在进行搅动时液体流动方向会比三个搅拌桨同方向(向上搅动)更加混乱，因此，这种搅动方式虽然会大大增加溶氧量，但同时也更容易因为液流的混乱冲击形成湍流，进而造成细胞破碎死亡。基于此原因，本发明设置了挡板4，且其偏转角度与搅拌桨的旋转方向一致，挡板4可起到导流的作用，由于细胞培养液在生物反应器的临近罐壁处流速最大，因而罐壁上的挡板4能够减缓此处液体流速、引导液体流向，进而有效避免湍流的产生。

例如，在一个实施方式中，生物反应器罐体为6000L罐体，所用微泡通气装置为图1中所示的圆环状通气装置。如图5所示，罐内底部设置有搅拌装置，所述搅拌装置包括搅拌轴和搅拌桨，所述搅拌轴垂直于水平面且固定于罐底，所述搅拌桨设置于所述搅拌轴上，所述搅拌轴的底部与动力装置相连；搅拌轴上设置三个搅拌桨，转速均为40转/min，均为逆时针转动。所述第二搅拌桨搅拌液体由上向下运动；所述第一、三搅拌桨搅拌液体由下向上运动。搅拌桨的桨叶倾斜角度为50°，桨径与罐径的比值为0.4。罐壁上设置四个挡板，挡板的偏转方向均为逆时针偏离其与所述罐体连接点所在的经向线35°，挡板的宽度为1/12罐径。将此实施例设置为实验组，在此基础上设置对比例；

对比例1：与实验组区别仅在于，去除挡板。

对比例2：与实验组区别仅在于，挡板垂直于罐体设置。

对比例3：与实验组区别仅在于，三个搅拌桨均将培养液向上搅动，且去除挡板。

对比例4：与实验组区别仅在于，该微泡通气装置为常规的圆柱体，内部具有多孔的网状结构。

所培养细胞为MDCK细胞，按细胞培养密度为180万/ml培养5天后，检测如下数据：

注：细胞成活率＝(细胞总数-死亡细胞数)÷细胞总数×100％，台盼蓝染色法计算。

从对比例1和2可知，挡板设置方式不正确或是去除挡板，虽然会降低氧气用量，但会形成更为剧烈的湍流，导致细胞活率大幅度降低。由对比例3可知，三个搅拌桨均将培养液向上搅动时，由于氧气在培养液中驻留缩短，因而氧气利用率下降，耗氧总量攀升明显；此外，液体搅动方式的改变也不利于氧气分散均匀，有可能造成局部氧气浓度的下降，导致细胞活率降低。由对比例4可知，现有技术中的常规微泡通气装置，由于布气不均匀，同样会降低细胞活率，并由于氧气溶解效率的下降导致氧气用量的升高。此外，由于现有技术所采用的常规微泡通气装置不易清洗，在常时间使用后微孔会发生堵塞，此时若加大气源压力，又回导致没有堵塞的通气孔气流流出速度过快，导致气体利用率降低，尤其是在6000L反应器培养细胞时，在不损害细胞的最大搅拌速度下微泡进气只能供给培养物0-20％的溶氧量，无法达到细胞生长所需的30-50％的溶氧量。

综上所述，随着整体容积的变大，细胞布氧难度陡升。由于国内之前从来没有使用大容积生物反应器(3000L～6000L)培养细胞的先例，因而现有技术中缺乏针对大容积生物反应器设备的优化与调整。本发明申请人通过调整通气装置，并适应改造搅拌系统，从而实现了大容积生物反应器的均匀布气，还减少了氧气的用量，提高了细胞的成活率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种微泡通气装置，其特征在于，所述微泡通气装置为带有缺口的不闭合圆形环，环壁上设置有一个进气口以及若干个均匀分布的微孔；所述微泡通气装置的环体内部中空，所述微孔贯穿环壁与所述环体的中空腔体相通。

2.根据权利要求1所述的微泡通气装置，其特征在于，所述微孔均分布于所述圆形环所在平面的一侧；

优选的，所述微孔沿所述环壁成一列排布；更优选的，所述微孔距离所述微泡通气装置圆心的距离均相等。

3.根据权利要求1所述的微泡通气装置，其特征在于，所述进气口与所述缺口相对设置，所述进气口通过连接装置固定于生物反应器底部。

4.根据权利要求3所述的微泡通气装置，其特征在于，所述进气口通过所述连接装置连接一个中空连接杆固定于生物反应器底部；

优选的，所述连接杆为中部弯曲的L形结构；更优选的，所述连接杆中部弯曲的角度为120°～160°。

5.根据权利要求4所述的微泡通气装置，其特征在于，所述微泡通气装置的环体可拆卸为两个半环；

优选的，所述微泡通气装置的环体拆卸为两个半环的拆卸点设置于所述进气口附近；更优选的，所述连接装置为三通装置，一端与所述连接杆相通，另外两端则分别与两个半环相通，且与两个半环中的至少一个活动连接。

6.根据权利要求1所述的微泡通气装置，其特征在于，所述微泡通气装置缺口处的环体端部为可打开的结构；更优选的，所述微泡通气装置缺口处的环体端部设置有可拆卸的堵头。

7.一种微泡通气系统，其包括生物反应器罐体，搅拌装置以及权利要求1～6任一项所述的微泡通气装置。

8.根据权利要求7所述的微泡通气系统，其特征在于，所述搅拌装置包括搅拌轴和搅拌桨；

所述搅拌轴垂直于水平面且固定于罐底，所述搅拌桨设置于所述搅拌轴上，所述搅拌轴的底部与动力装置相连；

所述微泡通气装置设置于所述搅拌桨的正下方，环绕所述搅拌轴；优选的，所述微泡通气装置的微孔朝下设置。

9.根据权利要求8所述的微泡通气系统，其特征在于，所述搅拌桨有三个，从所述搅拌轴由上至下依次为第一搅拌桨、第二搅拌桨以及第三搅拌桨；所述第二搅拌桨搅拌液体由上向下运动；所述第一、三搅拌桨搅拌液体由下向上运动；

优选的，所述搅拌桨为涡轮式搅拌桨或推进式搅拌桨；

更优选的，所述搅拌桨为四叶推进式搅拌桨。

10.根据权利要求7～9任一项所述的微泡通气系统，其特征在于，所述罐体的罐壁内部还设置有挡板，所述挡板垂直于水平面；

优选的，所述罐体为圆柱体；更优选的，所述挡板有3～5个，更优选为4个，且均匀分布于所述罐体的罐壁上；

优选的，所述挡板均偏离其与所述罐体连接点所在的经向线30°～40°，且各挡板偏转方向一致。