CN111534411A - 一种交替切向流罐装培养装置及其控制方法 - Google Patents

一种交替切向流罐装培养装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交替切向流罐装培养装置及其控制方法，反应釜的出口连接过滤器组件的上端，过滤器组件的下端连接交替式卫生隔膜泵；所述的反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上设置有蒸汽进口以及冷凝水收集管路；反应釜内设置有搅拌装置。本发明可以在实现交替式切向流罐装培养装置的反应和过滤的同时对反应釜和过滤器组件分别进行高温消毒，并及时将系统内的冷凝水排出；所采用的隔膜泵对体系的排液量大大提升，密封性增强，膜片使用寿命延长。

Description

一种交替切向流罐装培养装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及用于生物流体和产品的罐装培养装置，尤其涉及一种交替切向流罐装培养装置及其控制方法。
背景技术
细胞截留手段之一是使用交替切向流的中空纤维过滤来灌注生物反应器培养。商业规模过程和开发规模过程二者都使用控制隔膜泵执行交替切向流(Alternatingtangential flow,ATF)细胞截留过程，以使得液体通过中空纤维过滤器的装置(参见例如第6,544,424号美国专利)，其中，泵和过滤器封闭在不锈钢件中，并且在使用之前进行高压灭菌以保持无菌。为了经济性和灵活性，许多生产设施都在努力使用一次性产品，然而，由不锈钢ATF系统转换为一次性预灭菌装置具有重大挑战。
使用ATF装置进行大规模生产需要能承受很大力并保持硅隔膜完整性的泵腔室壳体。需要将隔膜密封在一次性塑料泵的半球内的构件。
现有技术中，反应釜直接与过滤器连接，持续工作后，不能直接进行高温消毒灭菌，不符合卫生要求；同时，气动隔膜泵产生正负压从而达到流体的往复运动，实现过滤，其对密封性和卫生要求高，同时，压力不易控制。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明能够实现对反应釜和过滤器组件实现高温消毒灭菌。
为了解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案：
一种交替切向流罐装培养装置，包括包括反应釜，反应釜的进口通过泵连接放置容器，反应釜的出口连接过滤器组件的上端，过滤器组件的下端连接交替式卫生隔膜泵；所述的反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上设置有蒸汽进口以及冷凝水收集管路；反应釜内设置有搅拌装置。
进一步的，所述的冷凝水收集管路包括进气阀Ⅰ，冷凝水收集管路一端连接至反应釜出口与过滤器组件相连接的管路上，冷凝水收集管路的另一端连接收集器；冷凝水收集管路上设置有温度传感器、自动排水阀；
进一步的，所述的蒸汽进口通过进气阀Ⅱ连通反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路；
进一步的，所述的反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上设置有进气阀Ⅲ和进气阀Ⅳ；进气阀Ⅲ位于进气阀Ⅱ的上游；进气阀Ⅳ位于进气阀Ⅰ的下游。
进一步的，所述的交替式卫生隔膜泵包括上腔体，上腔体连接执行腔，上腔体与执行腔之间设置支撑膜片；上腔体与支撑膜片形成密封空腔；执行腔内安装有可移动的推杆，推杆的一端连接支撑膜片的底部，推杆另一端连接频率可控的执行器。
进一步的，所述的上腔体设置为漏斗型。
进一步的，所述的支撑膜片采用弹性体材料双层结构；
进一步的，所述的支撑膜片的上层接触层采用USP或者VI硅胶。
进一步的，所述的支撑膜片采用底部为圆形，四周与底部形成具有倾斜角度的凹槽结构。
进一步的，所述的支撑膜片由中心向径向周边延伸的方向上设置有延伸边，延伸边设置在上腔体与执行腔相连接的部位之间。
进一步的，所述的延伸边上设置有凸起，上腔体或者/和执行腔上设置有与凸起相匹配的凹槽。通过凸起与凹槽的配合可以使支撑膜片固定更牢固，并进一步提升密封性。
进一步的，所述的支撑膜片的底部设置有安装孔，安装孔内穿过有排液塞头，排液塞头的底部连接推杆的上端。
进一步的，所述的排液塞头采用T型结构，T型结构的顶部为圆弧球面，T型结构穿过安装孔的部分为圆柱体结构，圆柱体结构的直径小于或等于安装孔的直径；推杆的上端设置有凹槽，排液塞头的T型结构底端的圆柱体结构与推杆的上端设置的凹槽相匹配。
进一步的，所述的T型结构的顶部圆弧球面的弧度与上腔体的内侧顶部的弧度相匹配。
进一步的，所述的排液塞头与推杆的上端通过螺栓连接。
进一步的，所述的过滤器组件上分别设置有流体收集端口和流体监测端口；流体收集端口通过管路连接流体收集器。
进一步的，所述的反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上、流体收集端口与流体收集器之间的管路以及交替式卫生隔膜泵上至少一处设置有压力传感器。
一种对上述交替切向流罐装培养装置的控制方法，包括以下操作中的至少一项：
(I)使流体依次经过反应釜、过滤器组件和交替式卫生隔膜泵；
(II)向反应釜通入高温蒸汽进行消毒；
(III)向过滤器组件通入高温蒸汽进行消毒；
对操作(I)、(II)、(III)的切换通过蒸汽进口、冷凝水收集管路以及反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上分别设置的进气阀的开闭来实现。
进一步的，所述对操作(I)、(II)、(III)的切换包括：
关闭蒸汽进口的进气阀Ⅱ和冷凝水收集管路的进气阀Ⅰ，打开反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上的进气阀Ⅲ和进气阀Ⅳ，进行所述操作(I)；
关闭蒸汽进口的进气阀Ⅱ和反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上的进气阀Ⅳ，打开反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上的进气阀Ⅲ和冷凝水收集管路进气阀Ⅰ，由反应釜壳体连接的消毒剂入口将高温气体通入反应釜，进行所述操作(II)；
关闭反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上进气阀Ⅲ和冷凝水收集管路的进气阀Ⅰ，打开蒸汽进口的进气阀Ⅱ和反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上的进气阀Ⅳ，进行所述操作(III)。
进一步的，所述操作(II)还包括通过冷凝水收集管路将冷凝水收集到收集器中。
本发明的有益效果是：
在反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上设置有蒸汽进口以及冷凝水收集管路，可以在实现交替式切向流罐装培养装置的反应和过滤的同时，对反应釜和过滤器组件分别进行高温消毒，并及时将系统内的冷凝水排出；通过不同管路进气阀的设置可以实现反应操作、反应釜消毒、过滤器组件消毒三者之间的操作切换，装置的结构简化，控制便捷；过滤器组件所连接的交替式卫生隔膜泵采用隔膜与平推活塞相结合的结构，并采用双层弹性材料膜片，对体系的排液量大大提升，密封性增强，膜片使用寿命延长。
附图说明
图1为本发明装置对反应釜进行消毒时的结构示意图。
图2为本发明装置对过滤器组件进行消毒时的结构示意图。
图3为本发明的交替式卫生隔膜泵的结构示意图。
图4为图3的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1-2所示，交替式切向流罐装培养装置，包括反应釜1，反应釜1的进口通过泵连接放置容器2，反应釜1的出口连接过滤器组件3的上端，过滤器组件3的下端连接交替式卫生隔膜泵4，反应釜1的出口与过滤器组件3上端连接的管路上设置有蒸汽进口5以及冷凝水收集管路6，反应釜1内设置有搅拌装置7；冷凝水收集管路6包括进气阀Ⅰ61，进气阀Ⅰ61连接管路的一端，管路的另一端连接收集器62；冷凝水收集管路6上设置有温度传感器63以及自动排水阀64；所述的蒸汽进口5通过进气阀Ⅱ51连通反应釜1的出口与过滤器组件3上端连接的管路；反应釜1的出口与过滤器组件3上端连接的管路上设置有进气阀Ⅲ8和进气阀Ⅳ9；进气阀Ⅲ8位于进气阀Ⅱ51的上游；进气阀Ⅳ9位于进气阀Ⅰ61的下游。过滤器组件3上分别设置有流体收集端口31和流体监测端口32；流体收集端口31通过泵连接流体收集器33。反应釜1的出口与过滤器组件3上端连接的管路上、流体收集端口31与流体收集器33之间的管路以及交替式卫生隔膜泵4上分别处设置有压力传感器。
参照图3、图4所示，交替式卫生隔膜泵4通过L型的管路10与过滤器组件3相连，为经过过滤器组件3的流体提供输送动力。交替式卫生隔膜泵4包括上腔体41，上腔体设置为漏斗型；上腔体41连接执行腔42，执行腔42为圆柱体；上腔体41与执行腔42之间设置支撑膜片43，支撑膜片采用弹性体材料双层结构，支撑膜片的上层接触层采用USP或者VI硅胶可以耐受SIP；支撑膜片43采用底部为圆形，四周与底部具有倾斜角度的凹槽结构，支撑膜片43由中心向径向周边沿伸的方向上设置有延伸边431，延伸边431设置在上腔体41与执行腔42相连接的部位之间；延伸边431上设置有凸起432，上腔体或者/和执行腔上设置有与凸起相匹配的凹槽，防止支撑膜片43产生位移和转动；支撑膜片43的底部设置有安装孔，安装孔内穿过有排液塞头44，排液塞头44的轴向横截面为T型结构，T型结构的顶部为圆弧球面，圆弧球面的弧度与上腔体的漏斗型内侧表面顶部的弧度相匹配，便于提高单位排量，T型结构穿过安装孔的部分为圆柱体结构，圆柱体结构的直径等于安装孔的直径；执行腔42内部还设有推杆45，推杆45的上端设置有凹槽，T型结构的底端与推杆45的上端设置的凹槽相匹配。排液塞头44与推杆45具有凹槽的一端通过螺栓连接，推杆45的另一端连接电机46。
本发明的工作原理：
使用时，反应釜1内通入培养基、缓冲液以及样品，在反应釜1内发酵反应，一段时间后，交替式卫生隔膜泵4开始工作。推杆45的顶部维持支撑膜片43的底部为圆形，使得支撑膜片43四周的延伸边431与支撑膜片43底部形成的具有一定倾斜角度的弧形凹槽结构的结构不变(如图1)，此时，支撑膜片43未在外力作用下发生形变，该位置为推杆5的初始位置；；当电机46工作时，电机46推动推杆45向上腔体41的漏斗型空间内部运动，推杆45带动支撑膜片43的底部向左运动的同时使支撑膜片43产生形变，对上腔体41的漏斗型空间内部产生正压，当支撑膜片43上的排液塞头44的顶部圆弧球面与上腔体41的漏斗型内侧顶部接触时，电机46反向工作，使得推杆45带动支撑膜片43的底部回到初始位置，对上腔体41的漏斗型空间内部产生负压，通过漏斗型空间内部的正负压驱动实现流体在过滤器组件3中往复运动，利用过滤器组件3的过滤器滤芯实现对流体过滤。通过过滤器组件3上的流体监测端口32实时监测流体是否达标，当流体达标，通过过滤器组件3上的流体收集端口31进行收集。反应釜1的出口与过滤器组件3上端入口连接的管路上、流体收集端口31与流体收集器33之间的管路以及交替式卫生隔膜泵4上分别处设置有压力传感器，实时监测各处的压力值。
当过滤工作完成时，需要对反应釜1进行消毒处理(如图1)，此时关闭进气阀Ⅱ51和进气阀Ⅳ9，打开进气阀Ⅲ8和气阀Ⅰ61，由反应釜1壳体连接的消毒剂入口将高温气体通入反应釜1中对反应釜1内部进行高温消毒，并实时观测冷凝水收集管路6上的温度传感器63显示的温度值。当冷凝水收集管路6中的冷凝水达到一定的量时，自动排水阀64开启，将冷凝水收集到收集器62中。
当需要对过滤器组件3进行高温消毒时(如图2)，关闭进气阀Ⅲ8和气阀Ⅰ61，打开进气阀Ⅱ51和进气阀Ⅳ9，高温气体通过蒸汽进口5进入，高温气体经过进气阀Ⅱ51和进气阀Ⅳ9，达到过滤器组件3和交替式卫生隔膜泵4，高温气体产生的冷凝水通过交替式卫生隔膜泵4上的排水口47进行收集。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种交替切向流罐装培养装置，其特征在于，包括反应釜，反应釜的进口通过泵连接放置容器，反应釜的出口连接过滤器组件的上端，过滤器组件的下端连接交替式卫生隔膜泵；所述的反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上设置有蒸汽进口以及冷凝水收集管路；反应釜内设置有搅拌装置。
2.根据权利要求1所述的交替切向流罐装培养装置，所述的冷凝水收集管路包括进气阀Ⅰ，冷凝水收集管路一端连接至反应釜出口与过滤器组件相连接的管路上，冷凝水收集管路的另一端连接收集器；冷凝水收集管路上设置有温度传感器、自动排水阀。
3.根据权利要求1所述的交替切向流罐装培养装置，所述的蒸汽进口通过进气阀Ⅱ连通反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路。
4.根据权利要求1所述的交替切向流罐装培养装置，所述的反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上设置有进气阀Ⅲ和进气阀Ⅳ；进气阀Ⅲ位于进气阀Ⅱ的上游；进气阀Ⅳ位于进气阀Ⅰ的下游。
5.根据权利要求1-4任一项所述的交替切向流罐装培养装置，所述的交替式卫生隔膜泵包括上腔体，上腔体连接执行腔，上腔体与执行腔之间设置支撑膜片；上腔体与支撑膜片形成密封空腔；执行腔内安装有可移动的推杆，推杆的一端连接支撑膜片的底部，推杆另一端连接频率可控的执行器。
6.根据权利要求5所述的交替切向流罐装培养装置，所述的上腔体设置为漏斗型。
7.根据权利要求5所述的交替切向流罐装培养装置，所述的支撑膜片采用弹性体材料双层结构；所述的支撑膜片的上层接触层采用USP或者VI硅胶。
8.根据权利要求5所述的交替切向流罐装培养装置，所述的支撑膜片采用底部为圆形四周与底部形成具有倾斜角度的凹槽结构。
9.根据权利要求8所述的交替切向流罐装培养装置，所述的支撑膜片由中心向径向周边延伸的方向上设置有延伸边，延伸边设置在上腔体与执行腔相连接的部位之间。
10.根据权利要求9所述的交替切向流罐装培养装置，所述的延伸边上设置有凸起，上腔体或者/和执行腔上设置有与凸起相匹配的凹槽。
11.根据权利要求5所述的交替切向流罐装培养装置，所述的支撑膜片的底部设置有安装孔，安装孔内穿过有排液塞头，排液塞头的底部连接推杆的上端。
12.根据权利要求11所述的交替切向流罐装培养装置，所述的排液塞头采用T型结构，T型结构的顶部为圆弧球面，T型结构穿过安装孔的部分为圆柱体结构，圆柱体结构的直径小于或等于安装孔的直径；推杆的上端设置有凹槽，排液塞头的T型结构底端的圆柱体结构与推杆的上端设置的凹槽相匹配。
13.根据权利要求12所述的交替切向流罐装培养装置，所述的T型结构的顶部圆弧球面的弧度与上腔体的内侧顶部的弧度相匹配。
14.根据权利要求1-4任一项所述的交替切向流罐装培养装置，所述的过滤器组件上分别设置有流体收集端口和流体监测端口；流体收集端口通过管路连接流体收集器。
15.根据权利要求1-4任一项所述的交替切向流罐装培养装置，所述的反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上、流体收集端口与流体收集器之间的管路以及交替式卫生隔膜泵上至少一处设置有压力传感器。
16.一种权利要求1-15所述的交替切向流罐装培养装置的控制方法，包括以下操作中的至少一项：
(I)使流体依次经过反应釜、过滤器组件和交替式卫生隔膜泵；
(II)向反应釜通入高温蒸汽进行消毒；
(III)向过滤器组件通入高温蒸汽进行消毒；
对操作(I)、(II)、(III)的切换通过蒸汽进口、冷凝水收集管路以及反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上分别设置的进气阀的开闭来实现。
17.根据权利要求16所述的交替切向流罐装培养装置的控制方法，所述对操作(I)、(II)、(III)的切换包括：
关闭蒸汽进口的进气阀Ⅱ和冷凝水收集管路的进气阀Ⅰ，打开反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上的进气阀Ⅲ和进气阀Ⅳ，进行所述操作(I)；
关闭蒸汽进口的进气阀Ⅱ和反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上的进气阀Ⅳ，打开反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上的进气阀Ⅲ和冷凝水收集管路进气阀Ⅰ，由反应釜壳体连接的消毒剂入口将高温气体通入反应釜，进行所述操作(II)；
关闭反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上进气阀Ⅲ和冷凝水收集管路的进气阀Ⅰ，打开蒸汽进口的进气阀Ⅱ和反应釜的出口与过滤器组件上端连接的管路上的进气阀Ⅳ，进行所述操作(III)。
18.根据权利要求16或17所述的交替切向流罐装培养装置的控制方法，所述操作(II)还包括通过冷凝水收集管路将冷凝水收集到收集器中。
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