CN112143651A - 一种用于细胞培养的一体式旋转搅拌过滤器 - Google Patents
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Abstract
本专利提供了一种具有低剪切效应，防止细胞损伤，能促进细胞生长，泡沫少，混合性能好的用于细胞培养的一体式旋转搅拌过滤器，它包括搅拌轴、搅拌桨，它还包括由框架式圆筒、连接在框架式圆筒两端的上法兰盘和下法兰盘、固定在框架式圆筒外周的筛网组成的笼型气体交换器；筛网的筛孔尺寸为10um‑75um；在笼型气体交换器的内底部具有一个环形管，环形管上均布有出气孔，环形管与向上延伸穿过上法兰盘的连通管相通；搅拌桨包括固定座、连接在固定座周边的作为桨叶的圆管；在固定座上端连接搅拌轴，下端连接上法兰盘；在搅拌轴内沿搅拌轴的轴线开有进气通道，进气通道通过穿过固定座的过渡通道与连通管相连通。
Description
技术领域
本专利涉及应用于生物反应器及细胞培养的旋转搅拌过滤器。
背景技术
磁悬浮工艺灌注设备等无菌培养领域使用的过滤器一般安装在另外一个轴上伸入到罐（生物反应罐、细胞培养罐等）内，且轴固定不动。这样罐内的溶氧就不能做到充分均匀。一旦搅拌功能启动，势必产生大量的气泡，气泡的破碎就会砸死细胞，在细胞培养过程中，细胞会有一定的流失。
对于动物细胞没有细胞壁的保护，因此对剪切作用十分敏感，直接的机械搅拌很容易对其造成损害，传统的用于微生物的搅拌反应器用作动物细胞的培养显然是不合适的。
发明内容
本专利提供了一种具有低剪切效应，防止细胞损伤，能促进细胞生长，泡沫少，混合性能好的用于细胞培养的一体式旋转搅拌过滤器，适用于细胞在大规模生物反应器中实现高密度培养。
为实现上述目的，本专利的用于细胞培养的一体式旋转搅拌过滤器，包括搅拌轴、搅拌桨，它还包括由框架式圆筒、连接在框架式圆筒两端的上法兰盘和下法兰盘、固定在框架式圆筒外周的筛网组成的笼型气体交换器；筛网的筛孔尺寸为10um-75um；在笼型气体交换器的内底部具有一个环形管，环形管上均布有出气孔，环形管与向上延伸穿过上法兰盘的连通管相通；搅拌桨包括固定座、连接在固定座周边的作为桨叶的圆管；在固定座上端连接搅拌轴，下端连接上法兰盘；在搅拌轴内沿搅拌轴的轴线开有进气通道，进气通道通过穿过固定座的过渡通道与连通管相连通。
作为对上述的一体式旋转搅拌过滤器的进一步改进，在固定座的上部连接有环绕搅拌轴的消泡器，消泡器主体为框架结构，框架结构外周包覆有丝网；丝网的网孔尺寸100-120 um；圆管有多根，各根圆管通过开在固定座内部的流道相连通，与所述流道相通的排气管穿过固定座伸入到消泡器内部。
作为对上述的一体式旋转搅拌过滤器的进一步改进，消泡器主体的框架结构包括顶部法兰盘、底部法兰盘、连接在顶部法兰盘和底部法兰盘之间的与搅拌轴成30-60°夹角的竖立板片。
作为对上述的一体式旋转搅拌过滤器的进一步改进，圆管在搅拌轴的径向延伸，远离搅拌轴轴线的圆管端面与圆管轴线成30-60°夹角。
本专利的有益效果：
1、解决营养供给和混合；利用搅拌轴中心位置设有的进气通道与外部的气源相通（现有技术）。进气通道通过过渡通道、连通管与环形管相通，环形管上均匀分布出气孔，环形管固定在笼型气体交换器内部的笼型气体交换腔的底部。进气通道、环形管等为四种气体通入管：可通入氧气，为细胞生长需要提供氧分；可通入空气提高溶氧度；可通入氮气赶走多余的氧气；可通入二氧化碳调整细胞培养时所需的PH值。供气采用环形气体分布器-环形管，气泡能沿着环形管的外壁和在笼型气体交换腔内产生，笼型气体交换腔外层为筛网，筛网孔径10um级。
穿过的搅拌式反应器在工作时还常伴有鼓泡。为给细胞生长提供所需氧分,细胞培养时需要温和混匀的特性，针对动物细胞对鼓泡的剪切很敏感的特点，本专利中，搅拌轴中心处的进气通道、环形管等也可作为鼓泡管在筛网内鼓泡，筛网外侧的细胞不与气泡直接接触。带有筛网的笼型气体交换腔随搅拌轴一起旋转时将气泡由筛网隔开，不与筛网外的细胞直接接触，既能保证混合效果又有尽可能小的剪切力，可满足动物细胞生长的要求。笼型气体交换腔的外表面是不锈钢丝网或铁氟龙网。
2、解决细胞在罐内均匀分布；搅拌桨的形式对细胞生长影响非常大，主要考虑如何减小细胞受剪切力的影响和微载体培养需要提供一个稳定均一的环流。本专利中采用一个圆管式桨叶，搅拌桨包括三根圆管和固定座组成。当搅拌轴旋转时圆管式桨叶一起旋转。固定座上均匀焊接了三根圆管，三根圆管通过固定座内的流通联通。圆管长度由容积大小决定，远离搅拌轴的三个圆管口（溢出口）端面成45度斜切口（增大溢流口面积），三个溢出口随着搅拌轴的旋转可以使中空的圆管中形成负压，使罐内的培养基可以通过联通的三根圆管形成规则的运动（流动）。持续的运动（流动）维持细胞在罐内部均匀分布。
3、消除气泡；在固定座的上面设计一个消泡器。消泡器为框架式，在框架的外层覆盖丝网。当桨叶随搅拌轴旋转时，因搅拌产生的气泡通过与流道相通的排气管送入消泡器，通过消泡器外周的丝网，对气泡或泡沫切割、破坏。
实验证明，本专利的一体式旋转搅拌过滤器用于昆虫细胞的培养，最终的培养密度达到6×106个/mL，成活率在98%以上。
附图说明
图1是一体式旋转搅拌过滤器的主视图；
图2是图1中的固定座等的A-A剖视图；
图3是图1中的环形管的仰视图。
图中，搅拌轴1、搅拌桨2、笼型气体交换器3、消泡器4、进气部分5；
固定座21、圆管22、圆管端面221、流道23、排气管24；
框架式圆筒33、上法兰盘31、下法兰盘32、筛网34、下端板35；
框架结构41、丝网42、顶部法兰盘411、底部法兰盘412、竖立板片413；
进气通道51、过渡通道52、连通管53、环形管54。
具体实施方式
参见图1所示的用于细胞培养的一体式旋转搅拌过滤器，包括搅拌轴1、搅拌桨2、笼型气体交换器3、消泡器4、进气部分5。
搅拌桨2包括固定座21、在周向均匀连接在固定座周边的作为桨叶的三根圆管22。各根圆管通过开在固定座内部的流道23相连通，与所述流道23垂直相通的排气管24向上穿过固定座21伸入到消泡器4内部。圆管22在搅拌轴的径向延伸，远离搅拌轴轴线的圆管端面221与圆管轴线成30°夹角，使其增大接触面积。当然，固定座在搅拌轴的带动下，是沿着背向圆管端面221的方向转动的（对于图2来说，是逆时针方向）。
笼型气体交换器3由框架式圆筒33、密封连接在框架式圆筒两端的上法兰盘31和下法兰盘32、固定在框架式圆筒外周的筛网34组成、下端板35组成。筛网34的筛孔尺寸为10um-25um。框架式圆筒由多个片板和圆棍组成。下法兰盘32中心位置设有大孔，孔径必须大于环形管54的外径，便于环形管54由此放入框架式圆筒33内。环形管54置于笼型气体交换器3的底部，这样可以很好的将气体无菌输送到较低点，随着搅拌轴的慢速混合均匀分散到物料内。当上法兰盘、下法兰盘与框架式圆筒33焊接成型后，需打磨所有焊缝并抛光后在其外表面覆盖一层不锈钢过筛网34，或根据工艺采用其他材质的虑布。再在下法兰盘下部通过螺钉密封连接一下端板35。
消泡器4由主体框架结构41和包覆在框架结构外周的丝网42组成，框架结构41包括顶部法兰盘411、底部法兰盘412、连接在顶部法兰盘和底部法兰盘之间的与搅拌轴成30-60°夹角的竖立板片413。竖立板片413与顶部法兰盘和底部法兰盘焊接成一体，竖立板片间距不超过10mm。立板可以更好，更快切碎气泡。丝网42的网孔尺寸100-120 um。在顶部法兰盘411中心设有螺纹与搅拌轴1连接。
进气部分5包括在搅拌轴内沿搅拌轴的轴线开有的进气通道51，在固定座内开有的过渡通道52，连通管53，环形管54。进气通道51、过渡通道52、连通管53、环形管54依次连通，完成气体无菌进入笼型气体交换器3内部。
在固定座21上端连接框架结构41的底部法兰盘412，下端通过螺栓连接笼型气体交换器3的上法兰盘31。主体框架结构41连接在搅拌轴1上。在搅拌轴1下端与固定座21对接，内沿搅拌轴的轴线开有进气通道51，进气通道通过开在固定座内的过渡通道52与穿过上法兰盘31的连通管53上端相连通。连通管53下端与在笼型气体交换器内底部的环形管54相连通，参见图3，环形管上均布有出气孔。
本专利用于细胞培养的一体式旋转搅拌过滤器主要解决了用于基因工程高密度高表达，符合GMP标准的生物反应器以及一些生物细胞培养用的培养罐等。它主要解决供氧问题，具备了低剪切效应，混合性能好等特点，特别是近年来随着微生物基因组测序和系统生物学研究工作的深入展开，一体式旋转搅拌过滤器可以将过程检测与控测参数反馈到控制信息处理器上，为基础的生物过程检测与分析提供方便，它不仅能促进细胞生长、防止细胞损伤，而且还能支持细胞在大规模生物反应器中实现高密度培养，并有利于泡沫控制。
Claims (4)
1.一种用于细胞培养的一体式旋转搅拌过滤器，包括搅拌轴、搅拌桨，其特征是：它还包括由框架式圆筒、连接在框架式圆筒两端的上法兰盘和下法兰盘、固定在框架式圆筒外周的筛网组成的笼型气体交换器；筛网的筛孔尺寸为10um-75um；在笼型气体交换器的内底部具有一个环形管，环形管上均布有出气孔，环形管与向上延伸穿过上法兰盘的连通管相通；搅拌桨包括固定座、连接在固定座周边的作为桨叶的圆管；在固定座上端连接搅拌轴，下端连接上法兰盘；在搅拌轴内沿搅拌轴的轴线开有进气通道，进气通道通过穿过固定座的过渡通道与连通管相连通。
2.如权利要求1所述的一体式旋转搅拌过滤器，其特征是：在固定座的上部连接有环绕搅拌轴的消泡器，消泡器主体为框架结构，框架结构外周包覆有丝网；丝网的网孔尺寸100-120 um；圆管有多根，各根圆管通过开在固定座内部的流道相连通，与所述流道相通的排气管穿过固定座伸入到消泡器内部。
3.如权利要求2所述的一体式旋转搅拌过滤器，其特征是：消泡器主体的框架结构包括顶部法兰盘、底部法兰盘、连接在顶部法兰盘和底部法兰盘之间的与搅拌轴成30-60°夹角的竖立板片。
4.如权利要求1所述的一体式旋转搅拌过滤器，其特征是：圆管在搅拌轴的径向延伸，远离搅拌轴轴线的圆管端面与圆管轴线成30-60°夹角。
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