CN112410222A - 一种用于动物细胞培养的多室鼓泡塔生物反应器 - Google Patents

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Abstract

一种用于动物细胞培养的多室鼓泡塔生物反应器，包括反应器，反应器内部分隔成若干腔室，各腔室上部封闭底部联通，各腔室下部分别具有至少一个气体分布器，各腔室顶部分别具有至少一个阀口；若干腔室中至少一个腔室的顶部具有气体；各气体分布器分别向各腔室内输入气体，同时各阀口交替打开或关闭使各腔室内液体的液面交替上升或下降。本发明的一种用于动物细胞培养的多室鼓泡塔生物反应器，实现了无搅拌混合，并同时克服了低气速、大气泡操作时混合时间过长和可操作液位范围过窄的问题。培养的细胞浓度能够达到106细胞/毫升以上。使用较低的气体流量和较大的气泡，仍能保持较好的混合效果。可应用于大规模培养剪切力敏感的动物细胞。

Description

一种用于动物细胞培养的多室鼓泡塔生物反应器
技术领域
本发明涉及生物反应器领域，具体涉及一种适用于对剪切敏感的动物细胞大规模、高密度培养，尤其适用于贴壁依赖型动物细胞微载体悬浮培养的双室鼓泡塔生物反应器。
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合成的最优环境。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。维持这些参数恒定和均一的方式一般是通过内部搅拌。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也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合成，严重时造成细胞的凋亡。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，问题就无法从根本上避免。因此，动物细胞培养反应器的体积通常被限制在了1～2m3，仅在特殊情况下有达到20m3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，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。然而气升式反应器的混合，依赖于较大的气体流量和较小气泡。但是，动物细胞耗氧量较小，无需大量通气；而且微小气泡破裂时产生的剪切作用对细胞也有较大的损害。传统气升式反应器还有一个不足是无法操作在低液位。李等发明了一种靠活塞往复运动推动液体混合的无搅拌反应器(ZL201910535312.5)解决了快速混合和剪切之间的矛盾，但该设计结构复杂，运行维护成本较高。
发明内容
[技术问题]
常规气升式反应器或鼓泡塔反应器在较低气速和较大气泡时混合不足；常规气升式反应器无法操作在低液位。
[技术方案]
一种用于动物细胞培养的多室鼓泡塔生物反应器，包括反应器，反应器内部分隔成若干腔室，各腔室上部封闭底部联通，各腔室下部分别具有至少一个气体分布器，各腔室顶部分别具有至少一个阀口；若干腔室中至少一个腔室的顶部具有气体；各气体分布器分别向各腔室内输入气体，同时各阀口交替打开或关闭使各腔室内液体的液面交替上升或下降。
优选的，所述反应器的腔室为两个。
优选的，所述反应器的两个腔室由隔板或圆筒隔开。
优选的，所述反应器为圆柱状。
优选的，所述反应器的底部是平面、半球面或椭球面。
优选的，所述气体是空气、氧气、氮气、二氧化碳中的至少一种。
优选的，所述阀口是电磁阀。
优选的，还包括若干液位开关，液位开关位于其中一个腔室上部或若干腔室上部，根据液位开关探测的液位信息控制所述阀口的打开或关闭。
优选的，所述腔室为两个，所述液位开关也为两个，两个液位开关上下分布与同一腔室上部或水平分布于各腔室上部。
优选的，所述反应器内培养的是悬浮的动物细胞或者悬浮的贴附有动物细胞的微载体。
[有益效果]
本发明的一种用于动物细胞培养的多室鼓泡塔生物反应器，与常规气升式反应器相比，实现了无搅拌混合，并同时克服了低气速、大气泡操作时混合时间过长和可操作液位范围过窄的问题；反应器内培养的细胞浓度能够达到106细胞/毫升以上；使用较低的气体流量(通气比<0.1vvm)和较大的气泡(直径>3mm)，仍能保持较好的混合效果；可应用于大规模培养(大于20m3)剪切力敏感的动物细胞。
附图说明
图1是本发明实施例1的套筒式双室交替排气鼓泡塔反应器的结构示意图及工作原理示意图；
图2是本发明实施例2的单筒分隔式交替排气鼓泡塔反应器的结构示意图及工作原理示意图；
图3是本发明实施例3中的单筒分隔式交替排气鼓泡塔反应器内流场模拟结果，其中，A是气体体积分数分布情况；B是液体流动情况；
图1中：主反应室1、套筒2、主反应室气体分布器3a、3b，套筒气体分布器4、主反应室顶部空间5、套筒顶部空间6、主反应室排气阀门7、套筒排气阀门8、主反应室高液位开关9、主反应室低液位开关10；
图2中：左反应室1’、右反应室2’、左反应室气体分布器3’，右反应室气体分布器4’、左反应室顶部空间5’、右反应室顶部空间6’、左反应室排气阀门7’、右反应室排气阀门8’、左反应室液位开关9’、右反应室液位开关10’。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的工作原理作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，一种用于动物细胞培养的套筒式双室交替排气鼓泡塔反应器，包括：主反应室1、套筒2、主反应室气体分布器3a、3b，套筒气体分布器4、主反应室顶部空间5、套筒顶部空间6、主反应室排气阀门7、套筒排气阀门8、主反应室高液位开关9、主反应室低液位开关10。主反应室11为圆柱状结构，底部优选半球状结构或椭圆状结构，亦可是平底结构。套筒2为圆柱状结构，下端开口与主反应室1相联通，上端封闭。套筒2优选与主反应室1同轴。主反应室1中下部安装有一个或多个气体分布器(图1中所示为两个3a、3b)，用于向主反应器以气泡的形式引入空气、氮气、氧气、二氧化碳等气体中的一种或多种的任意比例的混合物。套筒2下部装有一个或多个气体分布器4，用于向套筒2通入空气、氮气、氧气、二氧化碳等气体中的一种或多种的任意比例的混合物。通入主反应室1和套筒2的气泡，在浮力作用下，分别上升至主反应室1的顶部空间5和套筒的顶部空间6。主反应室1及套筒2的顶部，分别安装排气阀门7和排气阀门8(排气阀门7和排气阀门8可以是一个或者多个)。排气阀门均为电动或气动阀门，可以由控制器(如PLC、DCS、单片机等)控制其打开或者关闭，用于分别控制主反应室1和套筒2的排气及顶部空间的气压。
图1(A)显示的是，当套筒2顶部的排气阀门8关闭，主反应室1顶部的排气阀门7开启的时候，经套筒2的气体分布器4鼓入的气体在其顶部空间6聚集，顶部空间6内的气压升高，将套筒2内的液面向下推动。套筒2内的液体经底部流向主反应室1内。
图1(B)显示的是，当主反应室1内的液位达到一定高度时，套筒2顶部的排气阀门8打开，释放套筒顶部空间6内的气体，顶部空间6内的气压降低，主反应室1内的液体，经底部流向套筒2，直至主反应室1和套筒2内的液位大致的相等。
图1(C)显示的是，当套筒2顶部的排气阀门8开启，主反应室1顶部的排气阀门关闭时，经主反应室1气体分布器3a、3b鼓入的气体在其顶部空间5聚集，顶部空间5的气压升高，推动主反应室1的液体经底部流向套筒2，直至套筒2内的液位达到一定高度后，排气阀门7打开，释放顶部空间5内的压力，液体从套筒流向主反应室。
以上过程循环往复，达到液体混合的目的，尤其是达到防止培养体系内的固体颗粒在反应器底部沉积的目的。
排气阀门7和8的开关状态，根据液位开关9、10测得的信号来决定。具体的，当液位开关9和液位开关10的状态均为湿的时候，排气阀7、排气阀8均开启；当液位开关9状态保持为干同时液位开关10状态保持为湿一定时间后，排气阀门7关闭，排气阀门8打开；当液位开关9和液位开关10均为干的状态时，排气阀7、排气阀8均开启；当液位开关9状态再次保持为干同时液位开关10状态再次保持为湿一定时间后，排气阀门8关闭，排气阀门7打开；以上过程不停循环，达到排气阀门7和排气阀门8交替开启的效果。
根据本发明所公开的设计思想，本领域内从业人员均熟知反应器顶部可以安装多个液位开关，或者使用液位计对液位进行连续测量，进而实现更加精细的控制。
实施例2
如图2所示，一种用于动物细胞的分隔式双室交替排气鼓泡塔反应器，包括：左反应室1’、右反应室2’、左反应室气体分布器3’，右反应室气体分布器4’、左反应室顶部空间5’、右反应室顶部空间6’、左反应室排气阀门7’、右反应室排气阀门8’、左反应室液位开关9’、右反应室液位开关10’。反应器主体1’为圆柱状结构，底部优选半球状结构或椭圆状结构，亦可是平底结构。沿反应器纵剖面插入一垂直挡板，将反应器内部分隔成两个空间，分别称作左反应室1’和右反应室2’。左、右两个反应室仅底部相通。左右两个反应室中下部各安装有一个气体分布器3’、4’(也可以是多个)，分别用于向各自对应的反应室以气泡的形式引入空气、氮气、氧气、二氧化碳等气体中的一种或多种的任意比例的混合物。通入主反应室内的气泡，在浮力作用下，分别上升至左反应室1’的顶部空间5’和右反应室的顶部空间6’。左反应室1’及右反应室2’的顶部，分别安装有一个或者多个排气阀门7’和排气阀门8’。排气阀门均为电动或气动阀门，可以由控制器(如PLC、DCS、单片机等)控制其打开或者关闭，用于分别控制左反应室1和右反应室2的排气及顶部空间的气压。
图2(A)显示的是，当右反应室2顶部的排气阀门8’关闭，左反应室1’顶部的排气阀门7’开启的时候，经右反应室2’气体分布器4’鼓入的气体在其顶部空间6’聚集，顶部空间6’内的气压升高，将右反应室2’内的液面向下推动。右反应室2’内的液体，经底部流向左反应室1’内。
图2(B)显示的是，当左反应室1’内的液位达到一定高度时，右反应室2’顶部的排气阀门8’打开,释放右反应室顶部空间6’内的气体，顶部空间6’内的气压降低，左反应室1’内的液体，经底部流向右反应室2’，直至左、右反应室内的液位大致的相等。
图2(C)显示的是，当右反应室2’顶部的排气阀门8’开启，左反应室1’顶部的排气阀门关闭时，经左反应室1’气体分布器3’鼓入的气体在其顶部空间5’聚集，顶部空间5’的气压升高，推动左反应室1’的液体经底部流向右反应室2’，直至右反应室2’内的液位达到一定高度后，排气阀门7’打开，释放左反应室顶部空间5’内的压力，液体从右反应室流回左反应室。
以上过程循环往复，达到液体混合的目的，尤其是达到防止培养体系内的固体颗粒在反应器底部沉积的目的。
排气阀门7’和8’的开关状态，根据液位开关9’、10’测得的信号来决定。具体的，当液位开关9’的状态为湿、液位开关10’的状态为干的时候，排气阀7’、排气阀8’均开启；当液位开关9’和液位开关10’的状态均保持为干一定时间后，排气阀门7’关闭，排气阀门8’打开；当液位开关10’的状态为湿且液位开关9’均为干的状态时，排气阀7’、排气阀8’均开启；当液位开关9’和10’的状态均再次保持为干一定时间后，排气阀门8’关闭，排气阀门7’打开；以上过程不停循环，达到排气阀门7和排气阀门8交替开启的效果。
根据本发明所公开的设计思想，本领域内从业人员均熟知反应器顶部可以安装多个液位开关，或者使用液位计对液位进行连续测量，进而实现更加精细的控制。
实施例3
图3所示是一个直径3米，高4.5米，总体积35立方米的单筒分隔式交替排气鼓泡塔反应器的流场模拟结果。图3对应图2(C)的运行状态。图3(A)是左右两个反应室内气体体积分数分布情况。其中，左反应室顶部空间内充满气体，液位较低。右反应室顶部空间内是气液混合物，处于高液位。图3(B)显示的是同一时刻，反应器内液体流动方向。可以看到，左反应室内的液体，正在通过底部流向右反应室。
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，比如，阀门的开合除根据液位计探测的液位信号进行控制外，还可以设定为按预定的时间间隔打开或关闭，也能实现同样的效果。

Claims (10)

1.一种用于动物细胞培养的多室鼓泡塔生物反应器，包括反应器，其特征在于，反应器内部分隔成若干腔室，各腔室上部封闭底部联通，各腔室下部分别具有至少一个气体分布器，各腔室顶部分别具有至少一个阀口；若干腔室中至少一个腔室的顶部具有气体；各气体分布器分别向各腔室内输入气体，同时各阀口交替打开或关闭使各腔室内液体的液面交替上升或下降。
2.根据权利要求1所述的一种用于动物细胞培养的多室鼓泡塔生物反应器，其特征在于，所述反应器的腔室为两个。
3.根据权利要求1所述的一种用于动物细胞培养的多室鼓泡塔生物反应器，其特征在于，所述反应器的两个腔室由隔板或圆筒隔开。
4.根据权利要求3所述的一种用于动物细胞培养的多室鼓泡塔生物反应器，其特征在于，所述反应器为圆柱状。
5.根据权利要求4所述的一种用于动物细胞培养的多室鼓泡塔生物反应器，其特征在于，所述反应器的底部是平面、半球面或椭球面。
6.根据权利要求1所述的一种用于动物细胞培养的多室鼓泡塔生物反应器，其特征在于，所述气体是空气、氧气、氮气、二氧化碳中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种用于动物细胞培养的多室鼓泡塔生物反应器，其特征在于，所述阀口的开闭由电磁阀或者气动阀控制。
8.根据权利要求1所述的一种用于动物细胞培养的多室鼓泡塔生物反应器，其特征在于，还包括若干液位开关，液位开关位于其中一个腔室上部或若干腔室上部，根据液位开关探测的液位信息控制所述阀口的打开或关闭。
9.根据权利要求1所述的一种用于动物细胞培养的多室鼓泡塔生物反应器，其特征在于，所述腔室为两个，所述液位开关也为两个，两个液位开关上下分布于同一腔室上部或水平分布于各腔室上部。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种用于动物细胞培养的多室鼓泡塔生物反应器，其特征在于，所述反应器内培养的是悬浮的动物细胞或者悬浮的贴附有动物细胞的微载体。
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