CN114250147A - 一种生物反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物反应装置，包括设于反应腔中的导流容器，施压机构和载体柱，载体柱包括相套合的第一筒体和第二筒体，第一筒体侧壁上设有第一窗口，第二筒体侧壁上设有第二窗口，第一筒体和第二筒体之间形成封闭空腔,空腔中设有具有多个折叠面的折叠式载体；施压机构将由反应腔第一腔室经导流容器流入反应腔第二腔室的培养液压送至第一筒体中，使培养液通过第一窗口单向流动并充填至空腔中，再继续通过第二窗口进一步单向流动充填至第一腔室中，最终再次经导流容器流入第二腔室并被压送至第一筒体中形成循环。本发明可将载体整体取出，并可防止抽提细胞培养液时造成细胞死亡，显著提高了载体表面积，可实现大规模培养各种动物细胞。

Description

一种生物反应装置
技术领域
本发明涉及生物制药设备技术领域，特别是涉及一种生物反应装置。
背景技术
生物反应器是医药工业里面的重要设备，其作用是对进行医药实验的细胞进行培养。
目前，常用的生物反应器包括流化床反应器和固定床反应器。然而，目前的生物反应器，无论是流化床反应器还是固定床反应器，都存在以下问题：
首先，需要向生物反应器中填装颗粒状的细胞培养载体，不仅费时费力，而且操作困难。并且，受到细胞新陈代谢，以及细胞培养液分布的影响，采用颗粒状的载体方式进行细胞培养，对生物反应器容量进行放大存在很大困难。
同时，颗粒状的细胞培养载体在细胞培养完成后，必须依靠人力并采用网兜等工具捞出，重复处理困难，极大影响了生物反应器的使用效率。
特别是针对流化床反应器，在细胞培养液抽提时，会把细胞培养载体也一并提取，造成操作上的更大困难。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种生物反应装置。
本发明实现上述目的的一种技术方案是：
一种生物反应装置，包括：
反应腔，其内部具有位于上方的第一腔室和位于所述第一腔室下方的第二腔室；
导流容器，设于所述第一腔室中，所述导流容器的上端为开口，所述导流容器的下端连通所述第二腔室；
施压机构，设于所述第二腔室中，并位于所述导流容器的下端下方；
载体柱，设于所述第一腔室中，所述载体柱包括相互套合的第一筒体和第二筒体，所述第一筒体的上端封闭，所述第一筒体的下端连通所述第二腔室，所述第一筒体和所述第二筒体之间形成封闭的空腔，所述第一筒体的侧壁上设有第一窗口，所述第二筒体的侧壁上设有第二窗口，所述第一窗口和所述第二窗口分别连通所述空腔，所述空腔中设有具有多个折叠面的折叠式载体；
其中，通过所述施压机构将由所述第一腔室经所述导流容器流入所述第二腔室中的培养液压送至所述第一筒体中，使所述培养液在压力作用下通过所述第一窗口单向流动并充填至所述空腔中，然后再在压力作用下继续通过所述第二窗口进一步单向流动充填至所述第一腔室中，最终再次经所述导流容器流入所述第二腔室并被压送至所述第一筒体中形成循环。
进一步地，所述载体柱为一至多个，且当所述载体柱为多个时，各所述载体柱围绕所述导流容器设置。
进一步地，所述载体柱为多个，各所述载体柱之间按以各自的所述第一筒体的上下端依次对接方式设于所述第一腔室中，其中，各所述载体柱的所述第一筒体之间相互连通，位于最上面的一个所述载体柱的所述第一筒体的上端封闭，位于最下面的一个所述载体柱的所述第一筒体的下端连通所述第二腔室。
进一步地，多个所述载体柱按以各自的所述第一筒体的上下端依次对接方式形成载体柱组，所述载体柱组中，各所述载体柱的所述第一筒体之间相互连通，位于最上面的一个所述载体柱的所述第一筒体的上端封闭，位于最下面的一个所述载体柱的所述第一筒体的下端连通所述第二腔室，所述载体柱组为多个，各所述载体柱组围绕所述导流容器设置。
进一步地，所述载体包括以所述第一筒体为中心并朝所述第二筒体呈辐射状分布的具有多个折叠面的折叠式载体。
进一步地，所述载体包括按上下相堆叠设置在所述空腔中的第一载体和第二载体；其中，所述第一载体上的辐射状折叠面的折叠数大于所述第二载体上的辐射状折叠面的折叠数，且/或所述第一载体的高度小于所述第二载体的高度。
进一步地，所述载体材料包括无纺布。
进一步地，所述第二筒体的侧壁上环绕设有网格和网眼，所述网眼作为所述第二窗口。
进一步地，所述载体柱被配置为在所述第一腔室中自转和公转，所述培养液自所述第一筒体的下端被向上压送至所述第一筒体中，在压力和离心力的共同作用下通过所述第一窗口单向流动并充填至所述空腔中，并在压力和离心力的共同作用下进一步通过所述第二窗口单向流动充填至所述第一腔室中，最终通过溢流再次经所述导流容器流入所述第二腔室并被压送至所述第一筒体中形成循环。
进一步地，所述第一腔室和所述第二腔室之间通过隔板相分隔，所述隔板上设有第一导流口和第二导流口，所述导流容器的下端通过所述第一导流口连通所述第二腔室，所述第一筒体的下端通过与所述第二导流口相旋接而与所述第二腔室相连通。
相比现有技术，本发明具有以下优点：
(1)以整体片状的折叠式载体代替了传统小颗粒状载体，突破了传统的技术方式，大幅度降低了劳动成本及减少了载体的损耗。
(2)将折叠式载体设置在载体柱中，可以随载体柱整体取出，克服了传统人力网兜捞取的缺陷，解决了以往生物反应器用载体不便于取出的问题，同时完美解决了以往在细胞培养液抽提时，会把细胞培养载体也一并提取，造成细胞死亡的情况。
(3)通过设计呈辐射状分布的具有多个折叠面的折叠式载体，不但提供了细胞生长的良好支持面，而且显著提高了细胞培养载体的表面积，可实现大规模有效地培养各种动物细胞。
(4)通过科学设计载体柱结构，在载体柱内部(空腔)与反应腔内部(第一腔室)之间成功建立培养液的单向循环通路，并提高了培养液的循环效果。
(5)利用设置多个载体柱，及其之间的不同组合形式，可以对生物反应腔容量进行有效放大，显著提高了产能。
(6)通过在载体柱中对载体按上下堆叠方式进行分层设置，提高了载体在载体柱中的结构强度，成功解决了载体承重力小的问题。
(7)通过在载体柱侧面上设置培养液流动窗口，可利用载体柱在反应腔中的自转和公转，使培养液能够在压力和离心力的共同作用下进行流动循环，明显提高了溶解氧的比例，有效促进了细胞生长。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例的一种生物反应装置的结构示意图。
图2-图4为本发明一较佳实施例的一种载体柱的结构示意图。
图5为本发明一较佳实施例的一种载体在载体柱中的横向设置结构示意图。
图6为本发明一较佳实施例的一种载体在载体柱中的纵向设置结构示意图。
图7为本发明一较佳实施例的一种载体柱在生物反应装置中的组合结构示意图。
具体实施方式
为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体的实施方式对本发明进行详细的说明。
请参阅图1。本发明的一种生物反应装置，包括反应腔10，设于反应腔10中的导流容器，施压机构，以及载体柱14等几个主要结构组成部分。
其中，反应腔10的内部被分隔为位于上方的第一腔室11和位于第一腔室11下方的第二腔室15。
导流容器设于第一腔室11中。导流容器的上端为开口，导流容器的下端连通第二腔室15。
施压机构设于第二腔室15中，并位于导流容器的开口下端的下方。
载体柱14设于第一腔室11中。载体柱14包括相互套合的第一筒体141和第二筒体142。其中，第一筒体141和第二筒体142以平行方式相互套合，且能够以纵向方向悬设于第一腔室11中。
在一较佳实施例中，导流容器可以是具有圆筒形筒体的导流筒12。
在一较佳实施例中，施压机构可以是一种搅拌机构，例如搅拌泵16，搅拌泵16的叶片161可朝向导流筒12的开口下端方向设置。
在一较佳实施例中，载体柱14上的第一筒体141和第二筒体142可包括圆筒形筒体，且第一筒体141的圆筒形筒体和第二筒体142的圆筒形筒体之间以同轴心方式相互套合。
请参阅图1。第一筒体141的上端为封闭端，第一筒体141的下端为开口端，并连通第二腔室15。同时，第一筒体141的上端与第二筒体142的上端之间形成封闭，第一筒体141的下端与第二筒体142的下端之间也形成封闭，从而在第一筒体141的侧壁与第二筒体142的侧壁之间形成一个封闭的空腔146。
请参阅图2。空腔146内部用于设置提供细胞生长支持面的载体143。本发明采用设置在空腔146中的具有多个折叠面的折叠式载体143，用以提供具有更大表面积的载体143进行细胞培养，提高细胞培养产能及效率。
请参阅图3。第一筒体141的侧壁上设有第一窗口1411，第二筒体142的侧壁上设有第二窗口1421。第一窗口1411和第二窗口1421通过空腔146相连通，使得设置在空腔146中的载体143通过第一窗口1411与第一筒体141的内部相连通，同时通过第二窗口1421与载体柱14外部的第一腔室11相连通。
这样，可以通过开启施压机构例如搅拌泵16，对由第一腔室11中经导流容器例如导流筒12的开口上端，向下流入第二腔室15中的培养液13，通过搅拌施加压力作用，将培养液13从第一筒体141的开口下端压送充填至第一筒体141内部。由于第一筒体141的上端处于封闭状态，因而进入第一筒体141内部的培养液13将在压力作用下通过第一窗口1411单向流入空腔146中，并将空腔146充满，使空腔146中的载体143浸没在培养液13中，对附着在载体143表面上的细胞进行培养。
同时，由于第二筒体142的侧壁上还设有第二窗口1421，因而空腔146中的培养液13在压力作用下，将透过载体143继续通过第二窗口1421，进一步单向流动充填到第一腔室11中。通过设置使第一腔室11中培养液13的液位高于导流筒12的开口上端，可通过培养液13的溢流，由导流筒12的开口上端向下回流入第二腔室15中，在搅拌泵16施加的压力作用下，培养液13经第一筒体141的下端再次被压送充填进入第一筒体141中，形成培养液13的动态循环。其中稳定的动态循环状态下，第一腔室11中培养液13的液位高于导流筒12的开口上端，使导流筒12、第二腔室15和载体柱14中都充满着培养液13。
在一较佳实施例中，第一窗口1411和第二窗口1421可以是横向设置的条状窗口，即第一窗口1411和第二窗口1421的横向长度大于第一窗口1411和第二窗口1421的竖向高度。
并且，第一窗口1411和第二窗口1421在第一筒体141和第二筒体142的侧壁上可分别设置多个，使得通过每个第一窗口1411和第二窗口1421，都能够显露出空腔146中的载体143的多个折叠面。
在一较佳实施例中，在垂直方向上，任意相邻两层第一窗口1411之间和任意相邻两层第二窗口1421之间可以按位置交错方式进行排列，例如可以形成品字形的第一窗口1411之间分布形式，和品字形的第二窗口1421之间分布形式，如图3所示。
进一步地，在水平方向上，每个(每层)第一窗口1411与相对侧的一个(一层)第二窗口1421之间可位于相同垂直高度上。或者，第一窗口1411与相对侧的第二窗口1421之间在垂直方向上可错开分布。再或者，第一窗口1411在第一筒体141上的设置数量和层数，与第二筒体142上的第二窗口1421的设置数量和层数可相同或不同。
在一较佳实施例中，第一窗口1411和第二窗口1421的侧壁分别具有朝向外侧的倾角，使得第一窗口1411和第二窗口1421成为朝向外侧开设的广角窗口。
请参阅图4。在一较佳实施例中，在第二筒体142的侧壁上环绕第二筒体142的侧壁均匀设有网格和网眼，其中的网眼可作为第二窗口1421，能够最大程度地促进培养液13的流动循环。载体柱14可依靠第一筒体141的支撑作用，保持整体结构的稳定。
第一窗口1411和第二窗口1421分别作为设置在封闭的空腔146上的培养液13流动更新的进口和出口发挥作用。
请参阅图5。在一较佳实施例中，从垂直方向看，载体143可以采用以第一筒体141的轴心为中心，并朝向第二筒体142的侧壁方向呈辐射状分布的折叠式载体143，此折叠式载体143具有按反复对折方式形成的多个折叠面，各折叠面首尾相连并环绕在第一筒体141的周围形成具有辐射状折叠面轮廓的竖直筒形结构，其具有相对更大的能提供细胞培养支持面的表面积。
请参阅图6。在一较佳实施例中，从水平方向看，载体143可包括第一载体1431和第二载体1432；并且，第一载体1431和第二载体1432按上下相堆叠的方式设置在空腔146中。
在一较佳实施例中，可将位于上层的第一载体1431上的辐射状折叠面的折叠数设置为大于位于下层的第二载体1432上的辐射状折叠面的折叠数。
在一较佳实施例中，可将第一载体1431的垂直高度设置为小于第二载体1432的垂直高度。
这样，可以利用折叠数相对较少但高度相对较高的第二载体1432，作为折叠数相对较多但高度相对较低的第一载体1431的支撑结构，能够消除因载体143材质较柔软，满载生长细胞后重量增加而带来的结构坍塌问题，同时可利用第一载体1431和第二载体1432之间结构上的独立，促进培养液13在空腔146中的对流能力。
在一较佳实施例中，载体143材料可包括无纺布。但本发明不限于此。
请参阅图7并结合参阅图1。在一较佳实施例中，当载体柱14为多个时，各载体柱14之间可以按环绕方式悬设于第一腔室11中。例如图示的六个载体柱14，按环绕第一腔室11(导流筒12)中心的方式均匀地悬设于第一腔室11中，从而可以通过相应扩大反应腔10面积来扩大反应腔10容积，显著增加细胞培养的产出，实现大规模有效地培养各种动物细胞。
在一较佳实施例中，当载体柱为多个时，还可以使各载体柱之间按以各自的第一筒体的上下端依次对接方式悬设于第一腔室中。其中，各载体柱的第一筒体之间以各自上端和下端对接而相互连通，位于最上面的一个载体柱的第一筒体的上端封闭，位于最下面的一个载体柱的第一筒体的下端为开口，并连通第二腔室，用于向上方各第一筒体内充填培养液。从而可以通过相应提高反应腔高度来扩大反应腔容积，同样可以显著增加细胞培养的产出，实现大规模有效地培养各种动物细胞。
在一较佳实施例中，还可采用多个载体柱按以各自的第一筒体的上下端依次对接方式悬设于第一腔室中，形成载体柱组。每个载体柱组中，各载体柱的第一筒体之间相互连通，位于最上面的一个载体柱的第一筒体的上端封闭，位于最下面的一个载体柱的第一筒体的下端为开口，并连通第二腔室，用于向上方各第一筒体内充填培养液。并且，设置多个载体柱组，使各载体柱组之间按环绕方式悬设于第一腔室中。从而可以通过同时提高反应腔面积和高度，来进一步扩大反应腔容积，实现更大规模的细胞培养。
在一较佳实施例中，载体柱14可被配置为在第一腔室11中自转和围绕第一腔室11中心公转。这种设置结构的优点是，当培养液13自第一筒体141的开口下端被向上泵送至第一筒体141中时，可以在泵送压力和转动离心力的共同作用下，顺利地通过第一窗口1411单向流动并充填至空腔146中，并在压力和离心力的共同作用下，进一步顺利地通过第二窗口1421单向流动充填至第一腔室11中。同时，利用载体柱14的自转和公转设置形式，可以对第一腔室11中的培养液13起到一定的搅动作用，从而可以进一步提高溶解氧(DO)含量，因此增进了细胞培养效能。
请参阅图2并结合参阅图1。在一较佳实施例中，空腔146的下端可通过一个底板145进行封闭。
在一实例中，可设置第一筒体141的下端露出于第二筒体142的下端端面，并设置底板145上具有与第一筒体141的外径对应的安装孔。将底板145以安装孔从第一筒体141的下端套在第一筒体141上，并使底板145的内缘和外缘分别与第一筒体141的下端侧壁和第二筒体142的下端端面相固定，实现对空腔146下端的封闭。
在一较佳实施例中，在第一筒体141露出于底板145的下端端面上可设置一个外旋转接口，用于与反应腔10的第一腔室11底面进行旋合安装，或者与下方需要堆叠的另一个载体柱14的第一筒体141上端的内旋转接口进行旋合连接相连通。这样，当培养完成时，可以通过旋转载体柱14，使载体柱14从第一腔室11的底面上脱离，从而可方便地将载体柱14从反应腔10中提出。
多个相接的载体柱之间，也可以方便地相分离。
在一较佳实施例中，空腔146的上端可通过一个可拆卸的端盖144封闭。
在一实例中，可设置第一筒体141的上端与第二筒体142的上端平齐或相接近，并设置端盖144为法兰口形，使端盖144的法兰口与第一筒体141的上端口径对应。其中，在端盖144的法兰口内壁上设置有内旋转接口，用于与封口盖配合，对第一筒体141的上端进行旋合封口。或者，与上方需要堆叠的另一个载体柱的第一筒体下端的外旋转接口进行旋合连接相连通。
进一步地，端盖144的外周上还设有外螺纹，第二筒体142上端的内壁上还对应设有内螺纹。在将载体143放入空腔146后，对空腔146进行封闭时，将端盖144的法兰口与第一筒体141的上端对准，利用端盖144的法兰口内壁上的内旋转接口，与第一筒体141的上端外侧上设有的外螺纹配合，同时利用端盖144外周上的外螺纹与第二筒体142上端内壁上的内螺纹配合，将端盖144同时旋紧在第一筒体141和第二筒体142的上端上，实现将空腔146封闭，并实现载体柱14结构的稳固。
在一可选实施例中，端盖144与封口盖也可以合为一体。
在一较佳实施例中，在端盖144下方的空腔146中还可设置滤网，载体143可通过设于其上端与端盖144之间的滤网固定在空腔146中。滤网可以起到防止载体143上的细胞吸附在端盖144内表面上的作用。
请参阅图1。在一较佳实施例中，第一腔室11和第二腔室15之间可通过隔板18相分隔，隔板18可水平固定安装在反应腔10的内壁上。其中，隔板18上设有第一导流口和第二导流口；导流筒12的下端可通过隔板18上的第一导流口连通第二腔室15，每个载体柱14上的第一筒体141的下端可通过与隔板18上对应的第二导流口相旋接而与第二腔室15相连通。
当需要设置载体柱14自转和公转时，可在隔板18下方的第二腔室15中设置相应的自转和公转传动机构，并可使得隔板18形成随动自转。自转和公转传动机构同时提供对隔板18、载体柱14和导流筒12等上方各部件的支撑。可参考现有的自转和公转驱动传动机构加以实现。
反应腔10上端上还可设置腔盖111，腔盖111上可设有多个导入阀门112。可通过导入阀门112向导流筒12内设置的通气管121通气，以及向反应腔10内添加培养液13等。反应腔10下端上还可设置支撑支架17。在反应腔10下端上还可设置连通第二腔室15的导出阀门，可用于更换培养液13等。
反应腔10上的其他常规功能结构的设置形式，可参考现有技术加以理解。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种生物反应装置，其特征在于，包括：
反应腔，其内部具有位于上方的第一腔室和位于所述第一腔室下方的第二腔室；
导流容器，设于所述第一腔室中，所述导流容器的上端为开口，所述导流容器的下端连通所述第二腔室；
施压机构，设于所述第二腔室中，并位于所述导流容器的下端下方；
载体柱，设于所述第一腔室中，所述载体柱包括相互套合的第一筒体和第二筒体，所述第一筒体的上端封闭，所述第一筒体的下端连通所述第二腔室，所述第一筒体和所述第二筒体之间形成封闭的空腔，所述第一筒体的侧壁上设有第一窗口，所述第二筒体的侧壁上设有第二窗口，所述第一窗口和所述第二窗口分别连通所述空腔，所述空腔中设有具有多个折叠面的折叠式载体；
其中，通过所述施压机构将由所述第一腔室经所述导流容器流入所述第二腔室中的培养液压送至所述第一筒体中，使所述培养液在压力作用下通过所述第一窗口单向流动并充填至所述空腔中，然后再在压力作用下继续通过所述第二窗口进一步单向流动充填至所述第一腔室中，最终再次经所述导流容器流入所述第二腔室并被压送至所述第一筒体中形成循环。
2.根据权利要求1所述的生物反应装置，其特征在于，所述载体柱为一至多个，且当所述载体柱为多个时，各所述载体柱围绕所述导流容器设置。
3.根据权利要求1所述的生物反应装置，其特征在于，所述载体柱为多个，各所述载体柱之间按以各自的所述第一筒体的上下端依次对接方式设于所述第一腔室中，其中，各所述载体柱的所述第一筒体之间相互连通，位于最上面的一个所述载体柱的所述第一筒体的上端封闭，位于最下面的一个所述载体柱的所述第一筒体的下端连通所述第二腔室。
4.根据权利要求1所述的生物反应装置，其特征在于，多个所述载体柱按以各自的所述第一筒体的上下端依次对接方式形成载体柱组，所述载体柱组中，各所述载体柱的所述第一筒体之间相互连通，位于最上面的一个所述载体柱的所述第一筒体的上端封闭，位于最下面的一个所述载体柱的所述第一筒体的下端连通所述第二腔室，所述载体柱组为多个，各所述载体柱组围绕所述导流容器设置。
5.根据权利要求1所述的生物反应装置，其特征在于，所述载体包括以所述第一筒体为中心并朝所述第二筒体呈辐射状分布的具有多个折叠面的折叠式载体。
6.根据权利要求5所述的生物反应装置，其特征在于，所述载体包括按上下相堆叠设置在所述空腔中的第一载体和第二载体；其中，所述第一载体上的辐射状折叠面的折叠数大于所述第二载体上的辐射状折叠面的折叠数，且/或所述第一载体的高度小于所述第二载体的高度。
7.根据权利要求1、5或6所述的生物反应装置，其特征在于，所述载体材料包括无纺布。
8.根据权利要求1所述的生物反应装置，其特征在于，所述第二筒体的侧壁上环绕设有网格和网眼，所述网眼作为所述第二窗口。
9.根据权利要求1所述的生物反应装置，其特征在于，所述载体柱被配置为在所述第一腔室中自转和公转，所述培养液自所述第一筒体的下端被向上压送至所述第一筒体中，在压力和离心力的共同作用下通过所述第一窗口单向流动并充填至所述空腔中，并在压力和离心力的共同作用下进一步通过所述第二窗口单向流动充填至所述第一腔室中，最终通过溢流再次经所述导流容器流入所述第二腔室并被压送至所述第一筒体中形成循环。
10.根据权利要求1所述的生物反应装置，其特征在于，所述第一腔室和所述第二腔室之间通过隔板相分隔，所述隔板上设有第一导流口和第二导流口，所述导流容器的下端通过所述第一导流口连通所述第二腔室，所述第一筒体的下端通过与所述第二导流口相旋接而与所述第二腔室相连通。
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