CN113355242A - 灌流模块及灌流培养系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种灌流模块及灌流培养系统，其包括：生物反应模块，包括至少一个生物反应器；灌流模块，包括至少一个灌流室，每个灌流室与一供气流流入或流出的调压管相连，调压管上设有使调压管通断且可改变气流输送方向的泵组件；当所述灌流室为多个时，相邻的两个灌流室间通过所述调压管连通；生物反应器、灌流模块和过滤模块依次相连通，灌流模块内若具有两个以上的灌流室则所有灌流室并列设置；生物反应器中的细胞培养液流入灌流模块内的灌流室中，再由灌流室流出进入所述过滤器内过滤，过滤器中的渗透物经所述渗透物出口流入收获装置。本发明解决了灌流培养系统的高剪切力的问题。

Description

灌流模块及灌流培养系统
技术领域
本发明涉及一种灌流培养设备，特别是涉及一种灌流模块及灌流培养系统。
背景技术
当前动物细胞大规模发酵工艺中的主流方向是搅拌式悬浮连续发酵工艺，特别是抗体等重组蛋白的规模化生产。在工业化生产中，悬浮培养工艺参数的放大原理和过程控制比其他发酵系统更易理解和掌握，因此在规模化动物细胞发酵生产中多选择此种工艺。悬浮发酵工艺(Suspension Culture)是指细胞自由悬浮于培养液内生长增殖的一种发酵方法。目前国际上该项技术发展较快，已逐渐趋向成熟。
灌流培养工艺是一种常用的发酵工艺，多采用搅拌式细胞发酵系统，也可采用管式系统。在发酵过程中，不断向发酵罐灌流培养液，同时以相同流量流出。灌流工艺的优点是可在发酵过程中不断去除细胞碎片和副产物，降低细胞死亡后释放的各种酶类可能对产物的影响。同时，由于连续不断的灌流新鲜培养液而提供一个较恒定的培养环境，因此可获得较高的单位体积产率。由于灌流系统多采用细胞截留与回收系统，因而可实现细胞的高密度发酵。
目前，对于动物细胞培养方法选取，主要决定于细胞生长的特性和目的蛋白的性质。灌流培养的显著优势在于蛋白可以随着培养基及时地被分离出，蛋白在反应器内停留时间短，较少受到培养体系内各种水解酶的降解作用，有利于蛋白质量的提高。这一特点，对于化学性质不稳定的蛋白，例如酶、凝血因子等生产极为有利。而当细胞生长和蛋白质量不受培养方式限制时，例如对于化学性质相对稳定的抗体等药物生产而言，是选择细胞灌流培养还是补料批次培养，需综合衡量成本、效益、规模、风险、操作灵活性等因素。
当前多样化的生产环境中，生物技术公司越来越倾向于开发高度灵活和高效能的生产制造工艺。灌流培养作为实现提高稳定性低的重组蛋白产量的有效手段已广泛用于生物工程产业。灌流培养能够凭借小型生物反应器生产达到补料批次培养大规模生产所得的蛋白量，实现了培养规模小型化，增加了操作的灵活度。
随着悬浮细胞的大规模应用，悬浮细胞灌流培养技术也日益发展。细胞截留是悬浮细胞灌注培养的工艺要素之一，如何有效地截留细胞而不会对细胞造成损害成为工艺的重点和挑战。目前的细胞截留设备主要基于过滤、沉降、离心原理设计，包括旋转过滤器、涡流过滤器、倾斜沉降器、旋液分离器等。基于过滤原理设计的细胞截留设备，可以100％分离细胞，但滤膜容易被细胞碎片、消泡剂等堵塞，最终导致灌流培养终止。对细胞进行离心分离，可能引起细胞损伤。沉降和离心均不能完全截留细胞，细胞分离效果还会受到灌流速率的影响。除此之外，能否简单而有效地进行放大也成为大部分细胞截留设备应用的限制条件。
基于中空纤维柱截留原理而设计的交替式切向流(Alternating TangentialFlow，ATF)系统具有有效缓解滤膜堵塞，剪切力低等优点，是目前较优良的细胞截留设备。中空纤维柱通过一根管道与反应器相连，另一侧由高压空气泵入与真空泵抽负压的反复交替切换带动硅胶隔膜泵运动，使得动物细胞培养液通过中空纤维柱进出反应器。这一过程同时实现了低剪切力情况下充分地冲洗中空纤维柱，有效地降低了中空纤维柱滤饼堆积效应产生的堵塞影响。利用ATF系统，可以在较高的灌流速率下达到较高的细胞密度和较高的蛋白产量，还可以通过培养体积与中空纤维柱膜面积比有效放大到大规模生产中。
但是，上述交替式切向流系统(即ATF系统)其也具有以下缺陷：目前ATF灌流系统最大型号(如ATF10)的处理能力为500～800L/套(或每个批次)，对于吨级或更大规模反应器需要并联多套ATF系统，使用者为此需要大量的资金投入；ATF系统由于设计缺陷，存才一定的死体积，死体积内的液体往复运动，对于细胞培养是不利的。
因此，需要一种低成本、大规模(1000-30000L)的灌流培养系统。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种灌流模块及灌流培养系统，用于解决现有技术中大规模反应器使用成本高、剪切力高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种灌流模块，所述灌流模块包括至少一个灌流室，每个灌流室与一供气流流入或流出的调压管相连，且调压管上设有使调压管通断且可改变气流输送方向的泵组件；当所述灌流室为多个时，相邻的两个灌流室间通过所述调压管连通。通过每个灌流室与一调压管相连，可根据需要来调节气流从灌流室内流出或流入，更好地使细胞培养液流动，解决了灌流培养系统的高剪切力的问题，实现大规模的细胞培养。
本发明还提供一种灌流培养系统，其包括：
生物反应模块，包括至少一个生物反应器；
灌流模块，包括至少一个灌流室，每个灌流室与一供气流流入或流出的调压管相连，调压管上设有使调压管通断且可改变气流输送方向的泵组件；当所述灌流室为多个时，相邻的两个灌流室间通过所述调压管连通；
过滤模块，包括至少一个过滤器，过滤器具有相对设置的进口端和出口端，进口端设有细胞培养液进口，出口端设有渗透物出口和V细胞培养液出口；
生物反应器、灌流模块和过滤模块依次相连通，灌流模块内若具有两个以上的灌流室则所有灌流室并列设置；生物反应器中的细胞培养液流入灌流模块内的灌流室中，再由灌流室流出进入所述过滤器内过滤，过滤器中的渗透物经所述渗透物出口流入收获装置。
优选的，所述过滤器上的进口端还设有培养基进口，所述培养基进口与培养基供给系统相连。
优选的，所述过滤器的细胞培养液出口通过回流管与所述生物反应器相连通，经所述过滤器过滤后的细胞培养液由回流管回流至生物反应器中。
优选的，所述培养基供给系统通过培养基输送管与所述生物反应器相连。
优选的，所述灌流模块中具有一个所述灌流室时，灌流室的顶部通过调压管路与所述生物反应器的顶部相连通。
优选的，所述泵组件为隔膜泵组件。
优选的，所述灌流室通过气流输送管与气流质量流量控制器相连。
优选的，所述气流输送管上设有气体过滤器或/和开关阀。
优选的，所述生物反应器通过输液管与所述灌流室相连，所述输液管上设有使输液管通断的通断阀。
优选的，所述过滤模块中设有两个并列设置的所述过滤器，两个过滤器交替工作。
如上所述，本发明的灌流培养系统，具有以下有益效果：通过管路连通生物反应器、灌流室和过滤器，多个灌流室的设置，其可实现大规模(1000-30000L)的灌流培养；而且通过每个灌流室与一调压管相连，可根据需要来调节气流从灌流室内流出或流入，即实现了灌流室的正压调节，更好地使细胞培养液流动，解决了灌流培养系统的高剪切力的问题。
附图说明
图1显示为本发明的灌流培养系统的一实施例示意图。
图2显示为本发明的灌流培养系统的另一实施例示意图。
元件标号说明
1 生物反应器
2、2a、2b 灌流室
3、3a、3b 过滤器
4 培养基供给系统
5 收获装置
6 质量流量控制器
7 收获泵
9 输送泵
10 电磁流量计
8、12、13、17、18、16、 阀门
23、22
14 开关阀
15 气体过滤器
16 隔膜泵组件
11、20 通断阀
19 常开阀
21 保护阀
101 输液管
102 回流管
103 培养基输送管
104 输送管
105 调压管
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图2。须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明的一核心在于提供一种可实现正压调节的灌流模块，见图1及图2所示，灌流模块包括至少一个灌流室2，每个灌流室2与一供气流流入或流出的调压管105相连，且调压管105上设有使调压管105通断且可改变气流输送方向的泵组件；当灌流室2为多个时，相邻的两个灌流室2间通过所述调压管105连通。通过每个灌流室2与一调压管105相连，可根据需要来调节气流从灌流室内流出或流入，更好地使细胞培养液流动，解决了灌流培养系统的高剪切力的问题，实现大规模的细胞培养。
若灌流室2为一个时，其连接的调压管可独立使用；当细胞培养液规模很大时，可将多个灌流室2并列设置，交替使用，相邻的两个灌流室2间通过调压管105连通，以此可便于灌流室2中的气体在注入细胞培养液时流出、方便细胞培养液的进入，而在排出细胞培养液侧而使气体流入，增大灌流室内的压力，便于细胞液排出。
如图1及图2所示，本实施例提供一种灌流培养系统，其包括：
生物反应模块，包括至少一个生物反应器1；
灌流模块，其为上述灌流模块，具体为：包括至少一个灌流室2，每个灌流室2与一供气流流入或流出的调压管105相连，调压管105上设有使调压管105通断且可改变气流输送方向的泵组件，本实施例中泵组件可为隔膜泵组件；当所述灌流室2为多个时，相邻的两个灌流室2间通过所述调压管105连通；
过滤模块，包括至少一个过滤器3，过滤器3具有相对设置的进口端和出口端，进口端设有细胞培养液进口，出口端设有渗透物出口和细胞培养液出口；
生物反应器1、灌流模块和过滤模块依次相连通，灌流模块内若具有两个以上的灌流室2则所有灌流室2并列设置；生物反应器1中的细胞培养液流入灌流模块内的灌流室2中，同时灌流室2中的气体通过调压管105排出，细胞培养液再由灌流室2流出进入所述过滤器3内过滤，过滤器3中的渗透物经所述渗透物出口流入收获装置5。
本发明通过管路连通生物反应器1、灌流室2、过滤器3，多个灌流室的设置，其可实现大规模(1000-30000L)的灌流培养，而且通过每个灌流室与一调压管相连，可根据需要来调节气流从灌流室内流出或流入，即实现了灌流室的正压调节，更好地使细胞培养液流动，解决了灌流培养系统的高剪切力的问题。
为更好的使培养基循环利用，本实施例中在过滤器3上的进口端还设有培养基进口，所述培养基进口与培养基供给系统4相连。培养基供给系统4其直接与过滤器3相连，可实现对过滤器的冲洗，提过滤器3其利用效率。培养基供给系统4包括培养基存储容器以及输送泵9，且在与过滤器相连的管路上设置阀门18，根据需要控制阀门18启闭。
更进一步的，上述培养基供给系统4通过培养基输送管103与生物反应器1相连，培养基输送管103上设有阀门12，通过阀门12的启闭向生物反应器1输送培养基，为生物反应器1内的细胞培养液更好地补充养分。
为便于细胞培养液的循环流动，本实施例中过滤器3的细胞培养液出口通过回流管102与所述生物反应器1相连通，即经过滤器3过滤后的细胞培养液可由回流管102回流至生物反应器1中，其也加大了细胞培养液的规模。
本实施例中灌流模块中仅具有一个灌流室2，见图1所示，灌流室2的顶部通过调压管105与生物反应器1的顶部相连通，调压管105上设有使调压管105通断且可改变气流输送方向的隔膜泵组件16。本实施例通过调压管105连通灌流室2和生物反应器1，当灌流室2中的细胞培养液排空后，灌流室2与过滤器3相连的输送管104上的阀门关闭，同时与灌流室2相连的输液管101上的通断阀11打开，且将调压管105上的隔膜泵组件16打开，使灌流室2内的气体可进入生物反应器1内，使细胞培养液流入灌流室2中，调压管105和隔膜泵组件16的设置可正向调节灌流室2内的气压，便于细胞培养液的流通，解决了灌流培养系统的高剪切力的问题。
为更好的适应大规模的细胞培养液，本实施例中灌流模块中具有两个以上的灌流室2，见图2所示，相邻灌流室2通过调压管105相连通，调压管105上设有使调压管105通断且改变气流输送方向的隔膜泵组件。本实施例中隔膜泵组件由阀门17、8、16组合而成的管路式隔膜泵，三个阀门依次开启和关闭，可实现向左或向右泵送灌流室中液面以上部分的空气，便于细胞培养液进入相应的灌流室内，也便于送另一灌流室内输出。
生物反应器1通过输液管101与灌流室2相连，输液管101上设有使输液管通断的通断阀11，当多个灌流室时，见图2所示，每个与灌流室相连的支路上可配置通断阀11、20，而总管路上配置常开阀19。为便于灌流室2a、2b向过流模块输送细胞培养液，本实施例中在每个灌流室2a、2b的输送端口处设有阀门23、22，阀门23、22的启闭可实现灌流室2a、2b的打开或关闭，当打开时可使灌流室2a、2b内的细胞培养液输出。为更好的控制，在灌流室2a、2b与过滤模块相连的输送管104上还设有保护阀21和电磁流量计10，对细胞培养液的输送更加精准控制；为确保安全，灌流室2上均设有压力表，以检测其内压力。
上述过滤器3内含中空纤维膜柱，其可称为中空纤维型过滤器。中空纤维(HF)型过滤器给予了更长的工作寿命，并且它们可以获得许多尺寸、构造、材料、孔径和孔隙率。另外，该过滤器3不需要被限制于使用中空纤维过滤器，其也可以在中空纤维壳体中插入其他的分离装置。
本实施例中过滤模块中设有两个并列设置的所述过滤器3a、3b，两个过滤器3a、3b交替工作，使整个系统确保正常使用。
作为两个灌流室、两个过滤器的一实施例，其具体工作过程为：见图2所示，本实施例中两个灌流室2a、2b交替使用，常开阀19常开、通断阀11打开，生物反应器1中的细胞培养液通过输液管101向灌流室2a中输送，本实施例中灌流室2内均设有液位计，通过液位计来检测其内细胞培养液是否达到最高液位和达到最低液位，依此控制该灌流室应输入细胞培养液还是输出细胞培养液。待灌流室2a中的细胞培养液达到最大工作体积，关闭通断阀11，开启通断阀20、阀门23和阀门14，此时生物反应器1通过输液管101向灌流室2b输送，输送中将隔膜泵组件中的各阀门按阀门16-8-17依次打开，实现向灌流室2a内泵送灌流室2b中液面以上部分的空气，即调压管105中的气流流向为从左向右，同时由质量流量控制器6向灌流室2a通入压缩空气，以便保证灌流室2a拥有足够的灌流压力，使灌流室2a中的细胞培养液经输送管104流入过滤器3内过滤，两个过滤器3a、3b交替使用，确保始终有一个过滤器处于工作状态；经过滤器后渗透物经所述渗透物出口由收获泵7输送至收获装置5，而细胞培养液经回流管102回流至生物反应器1中。
当灌流室2b中的细胞培养液达到最大体积，灌流室2a中的细胞培养液达到最低液位，则控制通断阀11开启，通断阀20关闭、阀门22开启、阀门23关闭，生物反应器1中的细胞培养液通过输液管101向灌流室2b中输送，此时将隔膜泵组件中的各阀门按阀门17-8-16依次打开，使向灌流室2b内泵送灌流室2a中液面以上部分的空气，即调压管105中的气流流向为从右向左，同时由质量流量控制器6向灌流室2b通入压缩空气，以便保证灌流室2b拥有足够的灌流压力，使灌流室2b中的细胞培养液经输送管104流入过滤器3内过滤。
灌流室2a、2b依次往复使用，确保细胞培养液的正常输送，提高了整个系统的使用规模。
培养基供给系统4一方面实现对过滤器3的冲洗，另一方面通过培养基输送管103与所述生物反应器1相连，为生物反应器补充培养基。
为使灌流室更好的往过滤器输送细胞培养液，本实施例中每个灌流室2a、2b通过气流输送管与一质量流量控制器6相连。气流输送管上设有气体过滤器15或/和开关阀14，气体过滤器15保障由质量流量控制器6供给到灌流室内气体的无菌。
质量流量控制器6和其他阀门或泵等执行器由控制器发送动作指令，使用时需根据工艺参数进行设定。质量流量控制器6是已知的，并且可按照本领域技术人员所已知的方法使用。
本实施例还可根据需要设置多个灌流室，如三个及以上，相邻灌流室可通过一调压管相连，或者使灌流室通过调压管与生物反应器相连，实现对灌流室内气压的正向调控。本实施例通过多个灌流室2交替使用和/或者并列使用，以此可实现大容积的细胞培养液的流动，提高渗透物的收获，整个系统便于控制实施。灌流室的材质通常为316L不锈钢加耐热硅硼玻璃构成。
综上所述，本发明的灌流培养系统，其可实现大规模(1000-30000L)的灌流培养，而且其通过气体正压式的灌流室设置，解决了灌流培养系统的高剪切力的问题，同时该系统可以进行在线灭菌出来，便于操作。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种灌流模块，其特征在于，所述灌流模块包括至少一个灌流室，每个灌流室与一供气流流入或流出的调压管相连，且调压管上设有使调压管通断且可改变气流输送方向的泵组件；当所述灌流室为多个时，相邻的两个灌流室间通过所述调压管连通。
2.一种灌流培养系统，其特征在于，包括：
生物反应模块，包括至少一个生物反应器；
灌流模块，包括至少一个灌流室，每个灌流室与一供气流流入或流出的调压管相连，调压管上设有使调压管通断且可改变气流输送方向的泵组件；当所述灌流室为多个时，相邻的两个灌流室间通过所述调压管连通；
过滤模块，包括至少一个过滤器，过滤器具有相对设置的进口端和出口端，进口端设有细胞培养液进口，出口端设有渗透物出口和细胞培养液出口；
生物反应器、灌流模块和过滤模块依次相连通，灌流模块内若具有两个以上的灌流室则所有灌流室并列设置；生物反应器中的细胞培养液流入灌流模块内的灌流室中，再由灌流室流出进入所述过滤器内过滤，过滤器中的渗透物经所述渗透物出口流入收获装置。
3.根据权利要求2所述的灌流培养系统，其特征在于：所述过滤器上的进口端还设有培养基进口，所述培养基进口与培养基供给系统相连。
4.根据权利要求2所述的灌流培养系统，其特征在于：所述过滤器的细胞培养液出口通过回流管与所述生物反应器相连通，经所述过滤器过滤后的细胞培养液由回流管回流至生物反应器中。
5.根据权利要求2所述的灌流培养系统，其特征在于：所述培养基供给系统通过培养基输送管与所述生物反应器相连。
6.根据权利要求2所述的灌流培养系统，其特征在于：所述灌流模块中具有一个所述灌流室时，灌流室的顶部通过所述调压管与所述生物反应器的顶部相连通。
7.根据权利要求2所述的灌流培养系统，其特征在于：所述泵组件为隔膜泵组件。
8.根据权利要求2所述的灌流培养系统，其特征在于：所述灌流室通过气流输送管与气流质量流量控制器相连。
9.根据权利要求8所述的灌流培养系统，其特征在于：所述气流输送管上设有气体过滤器或/和开关阀。
10.根据权利要求8所述的灌流培养系统，其特征在于：所述生物反应器通过输液管与所述灌流室相连，所述输液管上设有使输液管通断的通断阀。
11.根据权利要求2所述的灌流培养系统，其特征在于：所述过滤模块中设有两个并列设置的所述过滤器，两个所述过滤器交替工作。
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