CN111635861A - 一种用于动物细胞培养的气升式反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于动物细胞培养的气升式反应器，属于动物细胞培养技术领域。所述反应器包括：外壳、一次性柔性内胆、隔膜、上升管区域、降液管区域、阀门、顶部空间；所述一次性柔性内胆设于外壳内，所述隔膜设于一次性柔性内胆内部，并将一次性柔性内胆的腔室左右分为上升管区域和降液管区域，所述隔膜上方为顶部空间；所述阀门有多个并纵向设于隔膜上；所述浮筒根据反应器内的液位自动打开或者关闭阀门的膜瓣。本发结合浮筒设计，在上升管和降液管之间的隔膜上开有若干个可以根据液位自动开闭的阀门，使反应器操作在不同液位时，上升管和下降管区域之间都有液体交换，达到促进混合和传质的效果。

Description

一种用于动物细胞培养的气升式反应器
技术领域
本发明涉及一种用于动物细胞培养的气升式反应器，尤其适用于中等规模以上的动物细胞高密度培养，尤其是作为用于食用动物肌肉细胞高密度、大规模培养的种子反应器或扩增反应器，属于动物细胞培养技术领域。
背景技术
生物反应器的目的在于为所培养的细胞提供适合其生长或者产品生产的最优环境。这些环境参数包括但不限于溶氧(DO)、二氧化碳分压(pCO2)、酸度(pH)、渗透压、离子强度、底物浓度、温度、压强、剪切应力等。维持这些参数恒定(指不随时间变化，或按照指定的曲线随时间变化)和均一(指不随空间变化，或按照指定的形式随空间变化)的方式一般是通过内部搅拌或循环，其中动物细胞培养以搅拌为主。但是，由于搅拌带来的剪切力对细胞有较大的损害，细胞培养生物反应器搅拌速率很低，造成混合效果较差，反应器体积大了以后无法保证各处浓度的均一性。尤其是在细胞浓度较高时，即便是反应器体积不是很大，混合不足也会造成局部代谢废物积累，pH偏离最优值等情况，影响细胞的生长和产物的生产，严重时造成细胞死亡。虽然有各种不同的搅拌桨设计旨在降低剪切力，但是只要是采用这种形式的搅拌，问题是无法从本上避免的。气升式生物反应器没有搅拌部件，靠通气后在上升管和降液管之间产生的静压差连续推动反应器内液体的循环流动。气升式反应器具有结构简单、剪切力低等有点，适合大规模、高密度动物细胞培养。然而传统气升式反应器上升管与降液管之间互相隔离，只有液位超过降液管以上才能形成循环流动。因传统气升式反应器允许操作的液位范围很窄，不能用于补料分批培养。
发明内容
[技术问题]
常规气升式反应器可操作液位范围过窄的问题。
[技术方案]
本发明提供一种用于动物细胞培养的气升式反应器，包括：外壳、一次性柔性内胆、隔膜、上升管区域、降液管区域、阀门、顶部空间；所述一次性柔性内胆设于外壳内，所述隔膜设于一次性柔性内胆内部，并将一次性柔性内胆的腔室左右分为上升管区域和降液管区域，所述隔膜上方为顶部空间；所述阀门有多个并纵向设于隔膜上；所述阀门包括：开口、膜瓣、浮筒；所述开口设于隔膜上，所述膜瓣的一端与开口的下端相连并自由转动，所述膜瓣的另一端连有浮筒，所述浮筒根据反应器内的液位自动打开或者关闭膜瓣。
在本发明的一种实施方式中，所述膜瓣与柔性内胆材料相同但厚度较厚，刚性较强，可以承受上升管区域与降液管区域之间的压差而不发生形变。
在本发明的一种实施方式中，所述膜瓣的尺寸等于或者大于开口的尺寸。
在本发明的一种实施方式中，所述反应器还包括：气体分布器、进气管、补料管路、排液管路、尾气管路、消泡剂管路；所述气体分布器设于上升管区域底部，并连接穿过不锈钢外壳、一次性柔性内胆的进气管；所述补料管路、排液管路、尾气管路、消泡剂管路分别连接阀门；所述补料管路、排液管路设于反应器底部，所述尾气管路、消泡剂管路设于反应器顶部；所述消泡剂管路下方连接有消泡剂喷头，所述消泡剂喷头位于顶部空间中；所述尾气管路设于柔性内胆顶部。
在本发明的一种实施方式中，所述反应器底部还设有一个或者多个过程监测探头，所述过程监测探头用于检测如pH、溶氧浓度、二氧化碳浓度、葡萄糖浓度、乳酸浓度或其它过程参数。
在本发明的一种实施方式中，所述隔膜的顶部和底部区域的隔膜所在的平面向反应器中轴线方向突出并与水平面呈夹角，且与内胆的侧壁连接，形成上、下导流板。
在本发明的一种实施方式中，所述上、下导流板与水平面的夹角成10-80°。
在本发明的一种实施方式中，所述上升管区域的体积大于降液管区域。
在本发明的一种实施方式中，所述反应器顶部由隔膜的上导流板分割出顶部空间；所述隔膜的上导流板的长度需保证上升管区域与顶部空间之间的通道截面积大于或等于降液管区域的截面积；所述隔膜的下导流板的下端不超过反应器的中轴线。
在本发明的一种实施方式中，所述外壳为不锈钢材质且为圆柱状结构，底部为半球状结构或椭圆状结构。
在本发明的一种实施方式中，所述一次性柔性内胆为含氟聚合物材质，如PTFE(聚四氟乙烯)。
在本发明的一种实施方式中，所述隔膜为柔性隔膜。
在本发明的一种实施方式中，所述阀门有两个。
本发明的一种动物细胞培养的气升式反应器的使用方法，包括：反应器在不同液位时，在上升管区域和降液管区域间通过隔膜上的阀门进行气液交换；当反应器液位低时，向气体分布器的进气管通入惰性气体促进混合，所述惰性气体不包括生物反应所需的氧气或者二氧化碳；通入的气体造成上升管区域内气液混合物的平均密度低于降液管区域内气液混合物的平均密度，在密度差的作用下，反应器内的液体在上升管区域和降液管区域之间循环，达到混合的目的。
在本发明的一种实施方式中，当反应器内液位到达顶部空间时或气体流速大时，通过消泡剂管路加入消泡剂防止产生太多泡沫。
在本发明的一种实施方式中，当细胞培养结束后或培养过程中要进行排液操作时，排液管路的阀门打开，排液时反应器保留部分含有细胞的液体，重新向补料管路加入新鲜的培养液、营养物质和非营养物质，继续进行培养。
[有益效果]
本发明所设计的一次性生物反应器解决了常规气升式反应器可操作液位范围过窄的问题。允许反应器以较低的液位启动，因而需要较少的培养基和细胞接种；接种后，本反应器允许流加培养基，进而实现补料操作。液位上升时，位于上升管和降液管之间的浮筒阀门自动关闭，保证上升管和降液管之间的降压差，促进液体循环和混合。
本发明针对常规气升式反应器的不足，设计出一种可以操作在不同液位的一次性使用反应器。适用于高密度，尤其是>106cells/ml，中等规模以上，主要是20L～20m3动物细胞悬浮培养反应器，包括使用微载体的细胞培养生物反应器。
本发利用一次性反应器柔性材料的特点，结合浮筒设计，在上升管和降液管之间的隔膜上开有若干个可以根据液位自动开闭的阀门，使反应器操作在不同液位时，上升管和下降管区域之间都有液体交换，达到促进混合和传质的效果。
附图说明
图1是实施例1的一种用于动物细胞的气升式反应器结构示意图。A、B、C分别为当反应器内液位较低、处于中等水平、处于较高水平时的示意图。
图2是实施例1的一次性反应器内胆示意图。
图3A是根据本发明设计的一个体积为20L的反应器通气后时操作在高液位所有自动阀门关闭时的流场模拟图。
图3B是根据本发明设计的一个体积为20L的反应器，上升管和降液管之间的隔膜上有开口，但没有自动浮筒阀门的情况下，通气后操作在高液位时的流场模拟图。
图中：不锈钢外壳1、一次性使用柔性内胆2、隔膜3、上升管区域4、降液管区域5、气体分布器6、低位阀门7、高位阀门8、补料管路9、排液管路10、顶部空间11、尾气管路12、消泡剂管路13、消泡剂喷头14、过程监测探头15；
第一开口7a、第一膜瓣7b、第一浮筒7c、第二开口8a、第二膜瓣8b、第二浮筒8c。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种用于动物细胞的气升式反应器，包括：不锈钢外壳1、一次性柔性内胆2、隔膜3、上升管区域4、降液管区域5、气体分布器6、低位阀门7、高位阀门8、补料管路9、排液管路10、顶部空间11、尾气管路12、消泡剂管路13；
所述不锈钢外壳1为圆柱状结构，底部为半球状结构或椭圆状结构，所述一次性柔性内胆2设于不锈钢外壳1内且与不锈钢外壳1同轴，所述一次性柔性内胆2结构与不锈钢外壳1相同且紧贴不锈钢外壳1的内壁；所述一次性柔性内胆2为聚合物材质；可选含氟聚合物材质，如PTFE(聚四氟乙烯)等。
所述隔膜3设于一次性柔性内胆2内部，所述隔膜3为柔性隔膜，并将一次性柔性内胆2的腔室左右分为上升管区域4和降液管区域5，所述隔膜3上方为顶部空间11；所述上升管区域4体积比降液管区域5体积大或者相等；本实施例中，上升管区域4的体积大于降液管区域5；所述气体分布器6设于上升管区域4底部，并连接穿过不锈钢外壳1与一次性柔性内胆2的进气管，所述气体分布器6用于给一次性柔性内胆2充气使其与不锈钢外壳1内壁贴合，还用于将所述生物反应所需的气体或者惰性气体从气体分布器6进入一次性柔性内胆2内部。所述低位阀门7、高位阀门8设于隔膜3上。
进一步地，所述不锈钢外壳1底部还设有补料管路9、排液管路10；所述不锈钢外壳1顶部设有尾气管路12、消泡剂管路13；所述补料管路9、排液管路10、尾气管路12、消泡剂管路13分别连接阀门；所述补料管路9、排液管路10设于反应器底部，所述尾气管路12、消泡剂管路13设于反应器顶部；所述消泡剂管路13下方连接有消泡剂喷头14，所述消泡剂喷头14位于顶部空间11中；所述尾气管路12用于调节反应器内部压力；所述补料管路9用于在培养开始前及或培养过程中向反应器内注入培养液及或种子液；所述排液管路10用于在培养过程中或培养结束时排出反应器内的细胞和培养液；所述消泡剂管路13用于往反应器内部加入消泡剂，控制泡沫的产生；
进一步地，所述补料管路9、排液管路10、尾气管路12有一个或多个。
如图2所示，所述低位阀门7包括：第一开口7a、第一膜瓣7b、第一浮筒7c，所述高位阀门8包括：第二开口8a、第二膜瓣8b、第二浮筒8c；所述隔膜3上设有有一个或多个开口，本实施例开口数量为两个，分别为第一开口7a、第二开口8a，所述第一开口7a、第二开口8a上分别设有第一膜瓣7b、第二膜瓣8b；所述第一膜瓣7b、第二膜瓣8b的一端分别与第一开口7a、第二开口8a的下端相连但是可以自由转动；所述第一膜瓣7b、第二膜瓣8b与柔性内胆材料相同但厚度较厚，刚性较强，可以承受上升管区域4与降液管区域5之间的压差而不发生形变；所述第一膜瓣7b、第二膜瓣8b也可以是能够实现上述功能的其它材料。所述第一膜瓣7b、第二膜瓣8b的尺寸等于或者稍大于第一开口7a、第二开口8a的尺寸；所述第一膜瓣7b、第二膜瓣8b的另一端分别连有密度低于反应器内液体的第一浮筒7c、第二浮筒8c；所述第一浮筒7c、第二浮筒8c根据反应器内的液位自动打开或者关闭所述第一膜瓣7b、第二膜瓣8b。
进一步地，所述一次性柔性材料内胆2的底部设有一个或者多个过程监测探头15；所述过程监测探头15用于检测如pH、溶氧浓度、二氧化碳浓度、葡萄糖浓度、乳酸浓度及其它任何有必要检测的过程参数。
进一步地，位于隔膜3的顶部和底部区域的隔膜所在的平面向反应器中轴线方向突出并与水平面呈夹角，且与内胆2的侧壁连接，形成上、下导流板。所述上、下导流板与水平面的夹角成10-80°，较优为45°夹角。所述反应器顶部由隔膜3的上导流板分割出顶部空间11。隔膜3的上导流板的长度需保证上升管区域4与顶部空间11之间的通道截面积大于或等于降液管区域5的截面积；隔膜3的下导流板的长度保证该导流板下端不超过反应器的中轴线。
进一步地，在不同液位时，在上升管区域4和降液管区域5间可以通过隔膜3上的低位阀门7或高位阀门8进行气液交换，形成循环，达到混合的目的。
本发明原理：
本发明反应器内培养的是悬浮的动物细胞，或者是悬浮的，贴附有动物细胞的微载体。该动物细胞包括但不限于动物肌肉细胞，尤其是包括但不限于用于供人类食用的动物肌肉细胞。且细胞浓度能够达到并且超过106细胞/毫升。
图1(A)显示当反应器内液位较低时，低位阀门7和高位阀门8均处于打开状态，气体液体可以通过第一开口7a进行交换，形成循环，达到液体混合的目的。图1(B)显示，当反应器内液位处于中等水平时，低位阀门7在浮力的作用下成关闭状态。高位阀门8仍处于打开状态，上升管4和降液管5通过高位阀门8联通，气体、液体可以通过高位阀门8的第二开口8a完成交换，形成循环，达到液体混合的目的。图1(C)显示当反应器内液位处于较高水平时，低位阀门7和高位阀门8在浮力的作用下均处于关闭的状态，上升管4和下降管5通过顶部空间11相连；液体与气体跨过隔膜互相沟通，整个反应器形成循环。此时反应器内液位较高，气速较大，通过消泡剂管路13及与其相连的消泡剂喷头14加入消泡剂防止产生太多泡沫。
此外，当反应器操作液位较低时，可以向气体分布器6的进气管通入额外的惰性气体促进混合；该惰性气体不包括生物反应所需的氧气或者二氧化碳。通入的气体造成上升管区域4内气液混合物的平均密度低于降液管区域5内气液混合物的平均密度，在密度差的作用下，反应器内的液体在上升管区域4和降液管区域5之间循环，达到混合的目的。
当细胞培养结束后或培养过程中有必要进行排液操作时，排液管路10的阀门打开，排液时反应器可以保留一部分含有细胞的液体，然后重新向补料管路9加入新鲜的培养液和其它必要的营养物质和非营养物质包括但不限于抗生素等，继续进行培养。
从图3A中的计算流体力学(CFD)模拟中可以看到，当浮筒阀门自动关闭时，降液管内的气液流动方向全部为向下，气液混合物以较快的流速循环，混合效果较好，有利于反应器内维持均一的温度、溶氧、pH等参数。较快的流速还可以防止反应器内的固体物质，例如微载体，沉积在反应器底部。如果没有浮筒阀门自动闭合，但隔膜上仍有开口，反应器内流场较为混乱，流速较低，不利于反应器内的混合与传质，如图3B所示。
本发明所公开的设计思想，并不局限于每个反应器只有一个隔膜，也不限制隔膜上安装的浮筒阀门的数量和尺寸，也不限于一个反应器只有一个气体分布器，也不限于一个反应器只有一个补料管路，一个排液管路。本发明公开的设计思想，不限制消泡剂喷嘴的具体形态，也不限制柔性内胆的具体材料。内胆可以从顶部装入不锈钢外壳，也可以从侧面装入不锈钢外壳，也可以从底部装入不锈钢外壳。
本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡是在本发明构思的精神和原则之内，本领域的专业人员能够做出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于动物细胞培养的气升式反应器，其特征在于，包括：外壳、一次性柔性内胆、隔膜、上升管区域、降液管区域、阀门、顶部空间；
所述一次性柔性内胆设于外壳内，所述隔膜设于一次性柔性内胆内部，并将一次性柔性内胆的腔室左右分为上升管区域和降液管区域，所述隔膜上方为顶部空间；所述阀门有多个并纵向设于隔膜上；所述阀门包括：开口、膜瓣、浮筒；所述开口设于隔膜上，所述膜瓣的一端与开口的下端相连并自由转动，所述膜瓣的另一端连有浮筒，所述浮筒根据反应器内的液位通过浮力使得膜瓣与开口闭合或分离。
2.如权利要求1所述的一种用于动物细胞培养的气升式反应器，其特征在于，所述反应器还包括：气体分布器、进气管、补料管路、排液管路、尾气管路、消泡剂管路；
所述气体分布器设于上升管区域底部，并连接穿过不锈钢外壳、一次性柔性内胆的进气管；所述补料管路、排液管路、尾气管路、消泡剂管路分别连接阀门；所述补料管路、排液管路设于反应器底部，所述尾气管路、消泡剂管路设于反应器顶部；所述消泡剂管路下方连接有消泡剂喷头，所述消泡剂喷头位于顶部空间中；所述尾气管路设于柔性内胆顶部。
3.如权利要求1所述的一种用于动物细胞培养的气升式反应器，其特征在于，所述反应器底部还设有一个或者多个过程监测探头，所述过程监测探头用于检测如pH、溶氧浓度、二氧化碳浓度、葡萄糖浓度、乳酸浓度或其它过程参数。
4.如权利要求1所述的一种用于动物细胞培养的气升式反应器，其特征在于，所述隔膜的顶部和底部区域的隔膜所在的平面向反应器中轴线方向突出并与水平面呈夹角，且与内胆的侧壁连接，形成上、下导流板。
5.如权利要求4所述的一种用于动物细胞培养的气升式反应器，其特征在于，所述上、下导流板与水平面的夹角成10-80°。
6.如权利要求1所述的一种用于动物细胞培养的气升式反应器，其特征在于，所述上升管区域的体积大于降液管区域。
7.如权利要求1所述的一种用于动物细胞培养的气升式反应器，其特征在于，所述反应器顶部由隔膜的上导流板分割出顶部空间；所述隔膜的上导流板的长度需保证上升管区域与顶部空间之间的通道截面积大于或等于降液管区域的截面积；所述隔膜的下导流板的下端不超过反应器的中轴线。
8.一种权利要求1-7任一项所述的动物细胞培养的气升式反应器的使用方法，其特征在于，包括：反应器在不同液位时，在上升管区域和降液管区域间通过隔膜上的阀门进行气液交换；当反应器液位低时，向气体分布器的进气管通入惰性气体促进混合，所述惰性气体不包括生物反应所需的氧气或者二氧化碳；通入的气体造成上升管区域内气液混合物的平均密度低于降液管区域内气液混合物的平均密度，在密度差的作用下，反应器内的液体在上升管区域和降液管区域之间循环，达到混合的目的。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，当反应器内液位到达顶部空间时或气体流速大时，通过消泡剂管路加入消泡剂防止产生太多泡沫。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，当细胞培养结束后或培养过程中要进行排液操作时，排液管路的阀门打开，排液时反应器保留部分含有细胞的液体，重新向补料管路加入新鲜的培养液、营养物质和非营养物质，继续进行培养。
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