CN111378579A - 一种带圆弧挡板的振荡式生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带圆弧挡板的振荡式生物反应器，本发明所提供的一种带圆弧挡板结构振荡式生物反应器，包括罐体，夹套；所述罐体与振荡器刚性连接，振荡器运动形式为偏心圆周运动；所述罐体的罐壁内部设置有圆弧挡板；所述罐体的罐盖上设置有氧浓度检测装置，pH检测装置，温度检测装置；所述罐体的下半部分被夹套包裹。本发明的特征是在罐体内部设置圆弧挡板，提高了反应器溶氧和混合的性能，并且剪切力比较低，能满足细胞培养的要求。

Description

一种带圆弧挡板的振荡式生物反应器
技术领域
本发明属于动物细胞生物反应器工程技术领域，具体涉及一种带圆弧挡板的振荡式生物反应器。
背景技术
生物反应器是动植物细胞培养最重要的设备，它是利用生物体或酶所具有的生物功能，在体外进行生物化学反应的系统装置。在设计生物反应器时，要尽可能的考虑到细胞生长对外界环境的要求，减轻不利因素对细胞的损伤，使细胞拥有较高的培养密度和表达效率。动物细胞没有细胞壁，对外界环境比较敏感，对培养条件要求更高，因此动物细胞体外培养需要特殊的生物反应器，在保证充分的混合效果的情况下尽可能降低反应器中的剪切力。为了克服传统搅拌式生物反应器剪切力较大这一缺点，研究人员提出一种新型的生物反应器，即振荡式生物反应器。
振荡式生物反应器(OSR)是近几年新出现的一种动物细胞生物反应器，它最大的特点在于供氧方式的设计上，此前的生物反应器多采用液面下鼓泡传氧，而振荡式生物反应器基于一种无鼓泡式表面曝气供氧方式，这种新型传氧方法的溶氧效率比鼓泡式的要高，为细胞高密度培养提供了充足的溶氧，并且避免了鼓泡传氧在气泡破裂时给细胞造成的破坏以及搅拌桨转动时产生的强剪切力对细胞的损伤，提高了细胞存活率。振荡式动物细胞生物反应器可广泛用于：基因治疗产品、单克隆抗体类药物、病毒类疫苗、重组蛋白类药物产品的大规模生产，具有广阔的市场应用前景。但同时，振荡式生物反应器也存在一定的局限性。反应器在小规模时，能够提供充足的养分，从而得到较高的细胞存活率、密度和代谢产物量，但是随着培养规模的增大，单位体积的动物细胞存活率、密度和代谢产物都会明显呈下降趋势。所以在反应器中设置挡板结构成为新的研究方向之一。
因此需要一种新型的振荡式生物反应器结构，既能保留振荡式生物反应器较低剪切的特点，又能有效提升反应器的混合和溶氧能力。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种圆弧挡板结构的振荡式生物反应器，提高了混合和溶氧性能，同时剪切力较低，能满足细胞培养的需求。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明所提供的一种圆弧挡板结构振荡式生物反应器，包括罐体，罐体包括罐盖和罐壁，在罐体上设置有圆弧挡板，所述圆弧挡板为两头封顶的空心半圆柱结构，半圆两端作圆弧过渡，圆弧过渡段与罐壁连接，所述罐盖上设有接种口，培养基入口，氧浓度检测口，pH检测口，加碱口和测温口；所述罐壁上设有进气口和排气口；所述罐体与振荡器刚性连接；所述罐体被保温夹套包裹，所述保温夹套上设有加热介质进口，加热介质出口。
与现有技术相比，该反应器采用无鼓泡式溶氧方式，即不直接向溶液中通入氧气，而是向溶液上方通入氧气，以表面曝气的形式为细胞提供生命活动所必须的氧气。同时采用圆弧挡板结构，对培养液混合起到了促进作用，同时圆弧的存在降低了培养液与挡板直接碰撞造成的较大剪切率对细胞的损伤，提高了细胞的成活率。
附图说明
图1为本发明一种带圆弧挡板的振荡式生物反应器主视示意图
图2为本发明一种带圆弧挡板的振荡式生物反应器俯视示意图
图3为本发明一种带圆弧挡板的振荡式生物反应器挡板设置示意图
图4为本发明一种带圆弧挡板的振荡式生物反应器挡板结构示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述：
一种带圆弧挡板的振荡式生物反应器，包括罐体1，罐体1包括罐盖和罐壁，在罐体1上设置有圆弧挡板2，所述罐盖上设有接种口3，培养基入口4，氧浓度检测口5，pH检测口8，加碱口9，测温口10，备用口11；所述罐壁上设有进气口6，排气口7；所述罐体1被保温夹套12包裹，所述保温夹套12上设有加热介质进口13，加热介质出口14。
所述罐体1与振荡器刚性连接，振荡器运动形式为偏心圆周运动，优选的，振荡器偏心半径为30～60mm，振荡频率为40～70转每分钟。
所述罐体1形状为圆柱形，优选的，罐体1的底部为圆锥结构，更优选的，圆锥结构的半锥角为50°～70°。
所述罐体1的罐壁内部设置有圆弧挡板2，所述圆弧挡板2为两头封顶的空心半圆柱结构，半圆两端作圆弧过渡，圆弧过渡段与罐壁以焊接的形式连接，焊接完成后需对焊缝位置进行打磨，以保证焊接处的光滑性，减少反应器内液体与挡板直接碰撞而产生的剪切力。所述圆弧挡板2半径为1/20～3/20的罐体半径，高度与罐体圆柱形部分长度相等，保证底部圆锥结构的完整性。所述圆弧挡板2根据挡板数量的不同，等间距均匀分布在罐体四周，优选的，挡板数量为2～6个，更优选的，挡板数量为4个，即每隔90°设置一个挡板。
所述罐体1的罐盖上设置有接种口3，用于将待培养的细胞种子接入反应器。
所述罐体1的罐盖上设置有培养基入口4，用于将培养基接入反应器内。
所述罐体1的罐盖上设置有氧浓度检测口5，罐壁上部设置有进气口6，排气口7。氧浓度检测口5用于安装溶氧电极，检测反应器内的氧浓度，通过控制输氧管路的调节阀，将氧气或者无菌空气通过进气口6通入反应器内，将二氧化碳通过排气口7排出反应器，控制培养基的氧浓度。
所述罐体1的罐盖上设置有pH检测口8，加碱口9。在pH检测口8设置pH电极，pH信号反馈控制加碱口9，向培养基中添加NaHCO3溶液。
所述罐体1的罐盖上设置有测温口10，温度传感器通过测温口10接入反应器内，测量培养基的温度，通过闭环(PID)控制夹套中的加热介质流量，实现反应器内培养基温度恒定。
所述罐体1的下半部分被保温夹套12包裹，加热介质进口13，加热介质出口14设置于夹套上，加热介质进口13设置于夹套锥体底部，加热介质出口14设置于夹套圆筒的顶部。根据测温口反馈的温度信息，调节加热介质的流量，从而控制反应器内的培养液温度恒定。
例如，在一个实施方式中，生物反应器罐体为50L罐体，罐体底部是半锥角为60°的圆锥结构。罐壁上均匀设置4个圆弧挡板，圆弧挡板的宽度为1/10罐径。反应器振荡偏心半径为40mm，振荡频率为40转每分钟。在此实施例基础上设置对比例；
对比例1：与实施例区别仅在于，圆弧挡板改为矩形挡板。
对比例2：与实施例区别仅在于，去除挡板。
模拟所得反应器混合、溶氧、剪切性能如下数据：
Figure BDA0002500756910000051
注1：实施例增幅＝(实施例数值-对比例2数值)÷对比例2数值×100％；
注2：对比例1增幅＝(对比例1数值-对比例2数值)÷对比例2数值×100％。
注3：湍动能和湍动能耗散率表征了反应器的混合性能，单位体积氧传质系数表征了反应器的溶氧性能，平均剪切率表征了反应器的剪切性能。
从对比例1和2可知，相较于无挡板条件而言，圆弧挡板打破了原有反应器内液体的稳定流动状态，对液体混合效果起到了较好的促进作用；而相较于相同条件下的矩形挡板，圆弧挡板缓和了液体与挡板垂直碰撞的情况，有效降低了反应器内液体的平均剪切率大小，改善了细胞生存的剪切环境，使其变得有利于细胞生长发育。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种带圆弧挡板的振荡式生物反应器，其特征在于，包括罐体，罐体包括罐盖和罐壁，在罐体上设置有圆弧挡板，所述圆弧挡板为两头封顶的空心半圆柱结构，半圆两端作圆弧过渡，圆弧过渡段与罐壁连接，所述罐盖上设有接种口，培养基入口，氧浓度检测口，pH检测口，加碱口和测温口；所述罐壁上设有进气口和排气口；所述罐体与振荡器刚性连接；所述罐体被保温夹套包裹，所述保温夹套上设有加热介质进口，加热介质出口。
2.根据权利要求1所述的一种带圆弧挡板的振荡式生物反应器，其特征在于，所述反应器采用无鼓泡式溶氧方式。
3.根据权利要求1所述的一种带圆弧挡板的振荡式生物反应器，其特征在于，所述振荡器运动形式为偏心圆周运动，振荡器偏心半径为30～60mm，振荡频率为40～70转每分钟。
4.根据权利要求1所述的一种带圆弧挡板的振荡式生物反应器，其特征在于，所述罐体形状为圆柱形，所述罐体的底部为圆锥结构，所述圆锥结构的半锥角为50°～70°。
5.根据权利要求4所述的一种带圆弧挡板的振荡式生物反应器，其特征在于，所述圆弧挡板的半径为1/20～3/20的罐体半径，所述圆弧挡板与罐体圆柱形长度相同。
6.根据权利要求1所述的一种带圆弧挡板的振荡式生物反应器，其特征在于，所述圆弧挡板等间距均匀分布在罐体四周，所述圆弧挡板数量为2～6个。
7.根据权利要求1所述的一种带圆弧挡板的振荡式生物反应器，其特征在于，所述罐体的下半部分被保温夹套包裹，加热介质进口，加热介质出口设置于夹套上，加热介质进口设置于夹套锥体底部，加热介质出口设置于夹套圆筒的顶部。
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