CN114307940A - 一种卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，包括卧式罐体本体，所述卧式罐体本体的内壁上布设有自搅拌桨叶组件，所述自搅拌桨叶组件适于在所述卧式罐体本体的旋转过程中对其内的蛋白合成反应液进行搅拌。本发明能使反应液充分混合，提高反应效率，保持制品活性，可进行工业化放大。

Description

一种卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置

技术领域

本发明属于生物反应设备技术领域，具体涉及一种卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置。

背景技术

目前蛋白质的合成方法可以分为两类：一是传统的细胞培养法合成蛋白质，二是体外无细胞法合成蛋白质。传统的细胞培养法是指通过模式生物细菌、真菌、植物细胞或动物细胞等表达外源基因的一种分子生物学技术。而体外无细胞法合成蛋白质主要依赖于无细胞表达体系，是以外源目的DNA为蛋白质合成模板，通过人工控制补加蛋白质合成所需的底物和转录、翻译相关蛋白的辅助因子等物质，能实现目的蛋白质的合成。体外翻译系统中表达蛋白质无需进行质粒构建、转化、细胞培养、细胞收集和破碎步骤，是一种相对快速、省时、便捷的蛋白质表达方式。

然而，由于体外蛋白质合成体系的制备繁琐，添加辅助因子复杂，使得目前市场上所有的体外蛋白质合成产品的活性都较低，且极其昂贵(成本100-1000倍于传统细胞培养法)，目前仅有极个别实验室能以少量IVTT(In vitro transcription and translation，体外转录和翻译)反应液制备得到活性较高的蛋白。实验室制备时采用的反应器为24孔板，其中加入的IVTT反应液为uL级。

以24孔板uL级反应为对照，当将反应器换成容积更大的容器，如直径16cm的培养皿、20×26cm的塑料盆、30×40cm的塑料盆、1L烧杯、L级微管、L级立式反应罐等，加入mL级或L级的IVTT反应液进行放大反应时，最终得到的制品的活性均大幅降低，没有工业实用价值。由此可见，仅从反应器的容积角度进行尺寸放大是不可行的，亟待研制一种既能大幅放大容积，又能使最终制品活性得到最大限度保持的工业化放大设备。

发明内容

本发明的目的是解决目前体外蛋白合成仅能在实验室少量完成，不能进行工业级规模放大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，包括卧式罐体本体，所述卧式罐体本体的内壁上布设有自搅拌桨叶组件，所述自搅拌桨叶组件适于在所述卧式罐体本体的旋转过程中对其内的蛋白合成反应液进行搅拌。

进一步地，所述自搅拌桨叶组件突出罐体内壁的高度占所述卧式罐体本体的内圆半径的比例不超过60％。

进一步地，所述自搅拌桨叶组件包括多片桨叶，各所述桨叶沿所述卧式罐体本体的轴向延伸，各所述桨叶沿所述卧式罐体本体的内圆周向间隔布设。

进一步地，各所述桨叶等间距布设。

进一步地，各所述桨叶一体成型，通过焊接固定在所述卧式罐体本体的内壁，焊缝处抛光。

进一步地，各所述桨叶远离所述卧式罐体本体内壁的一侧为凹弧形结构。

进一步地，各所述桨叶的长度方向与所述卧式罐体本体的轴向之间具有夹角a。

进一步地，所述夹角a≤20°。

进一步地，各所述桨叶的轮廓面与过所述桨叶内边的卧式罐体本体的切平面之间具有夹角b，b<90°。

进一步地，各所述桨叶的轮廓面上布设有多个通孔。

进一步地，各所述桨叶上多个通孔的总面积占桨叶面积的30％-50％，各相邻通孔之间间距相等。

进一步地，各所述桨叶的边沿以及各所述通孔的孔口边沿均具有圆角结构。

进一步地，所述卧式罐体本体的容积为10L-10000L。

进一步地，工作状态下所述卧式罐体本体的轴向平行于水平面。

进一步地，所述卧式罐体本体的外壁上设有一圈滚动筋。

进一步地，所述卧式罐体本体的一端设有进料口，另一端设有转轴。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少有：

1.平卧式可旋转罐体结构，在罐腔内壁上设置定制的自搅拌桨叶组件，工作时持续向罐腔内通入新鲜空气，向罐腔内加入的反应液的体积仅占罐体容积的一小部分，这样在反应过程中，一方面，通过罐体的旋转可将反应液摊薄在腔壁上，摊薄的程度可通过控制加入的反应液的体积的大小来调节，摊薄后的反应液能更充分地与空气接触，提高反应效率；另一方面，旋转中罐体内壁上的自搅拌桨叶组件能对反应液进行自动搅拌，由于桨叶的夹角设计及两头宽中间窄的凹弧形结构，会形成多方向的喘流和涡流，能使反应液充分混合，提高反应效率。

2.基于该罐体装置可形成体外蛋白合成反应器，对多种具有不同罐体容积的反应器进行了体外蛋白合成试验，罐体容积最小10L，最大10000L，对每种反应器的最终制品的活性进行了测定，与实验室制备的活性相当，具有工业化推广价值，是一种高效、便捷、低成本的体外蛋白质合成反应器及合成方法，无疑将成为推动未来生物工业革命、科技进步、医药研发和药物生产的蒸汽机车，对于整个生物产业的进步具有革命性的作用。

附图说明

图1为本发明一个实施例的正视图；

图2为本发明一个实施例的横截面图；

图3为本发明一个实施例的左视图；

图4为本发明一个实施例的罐腔内部透视图；

图5为本发明一个实施例中自搅拌桨叶组件的结构示意图；

图6为本发明一个实施例中桨叶的结构示意图；

图7为本发明一个实施例的使用状态图；

图8为使用本发明一个实施例组成的反应器制得的目标蛋白EGFP的活性测试结果图。

附图中，机架1；卧式罐体本体2；自搅拌桨叶组件20；桨叶21；罐体锁扣22；滚动筋23；转轴24；进料口25；进气管31；排气管33；驱动装置4；轴承座5；旋转轮6；带轮传动机构7。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员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与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如图1-图6所示，本发明的卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置的一个实施例，包括卧式罐体本体2，所述卧式罐体本体2的内壁上布设有自搅拌桨叶组件20，所述自搅拌桨叶组件20适于在所述卧式罐体本体2的旋转过程中对其内的蛋白合成反应液进行搅拌。

本实施例中，采用卧式罐体本体2代替常用的立式反应罐，将立式反应罐中常见的独立的立式搅拌桨替换成与罐体内壁固定为一体的连壁式卧式搅拌桨，这种平卧式罐体本体结构通过罐体的旋转可将反应液摊薄在腔壁上，摊薄的程度可通过控制加入的反应液的体积的大小来调节，摊薄后的反应液具有更大的表面积，能更充分地与空气接触，从而提高反应效率。常规的立式反应罐，反应液由于重力作用沉积在罐底，即使有搅拌桨不停地搅拌，但反应液的厚度基本不变，即搅拌不能起到将反应液摊薄使其更充分接触空气的效果。本实施例的结构可以说已颠覆了本领域的一贯做法。

在本发明的一个实施例中，所述自搅拌桨叶组件20突出罐体内壁的高度占所述卧式罐体本体2的内圆半径的比例不超过60％。优选地，该比例为50％以下。自搅拌桨叶组件20的高度不宜过高，具体高度可根据罐内反应液的体积进行定制，一般反应液越多，高度越大，这样可更充分地进行搅拌。由于要对反应液进行摊薄处理，所以反应液的体积也不能超出罐体容积的一定比例，相应地，自搅拌桨叶组件20的高度就要进行限制。

在本发明的一个实施例中，所述自搅拌桨叶组件20包括多片桨叶21，各所述桨叶21沿所述卧式罐体本体2的轴向延伸，各所述桨叶21沿所述卧式罐体本体2的内圆周向间隔布设。图4和图5中示出了6片间隔设置的桨叶21，这样可将罐腔分割成6个区域，工作时，随着卧式罐体本体2的旋转，在离心力、重力和叶片搅拌力的共同作用下，反应液会在各个区域中分别摊薄，由于每个区域是由两片桨叶21和罐壁围合成的，反应液在该区域内可以被摊薄到三个面上，这样同样体积的反应液会被摊得更薄，与空气的接触面积也就更大，提高反应效率。桨叶21的数量可以根据卧式罐体本体2的容积大小进行增减，一般容积越大，桨叶21的数量越多，以便能分割成容积较小的多个区域，有利于反应液的摊薄。

在本发明的一个实施例中，如图4所示，各所述桨叶21等间距布设。等间距的6片桨叶21可将罐腔分割成6个容积相等的区域，这样每个区域内的反应液的摊薄程度是相当的，即与控制的接触面积相当，反应效率均匀，使整体的反应效果更好。

在本发明的一个实施例中，如图6所示，各所述桨叶21一体成型，通过焊接固定在所述卧式罐体本体2的内壁，焊缝处抛光。桨叶21是一整片整体成型的，表面光洁，并通过焊接固定在罐壁上，焊缝处抛光处理可提高表面的光洁度，降低对反应液流动的阻碍，加速反应液的混合，提高反应效率。

在本发明的一个实施例中，各所述桨叶21远离所述卧式罐体本体2内壁的一侧为凹弧形结构。如图4-图6所示，各所述桨叶21远离所述卧式罐体本体2内壁的一侧为凹弧形结构。由图可明显看出，桨叶21为两头宽中间窄，两头之间通过凹弧平滑过渡，这样可方便反应液在各分割区域之间流动，提高整体的混合效率。

在本发明的一个实施例中，各所述桨叶的长度方向与所述卧式罐体本体的轴向之间具有夹角a。优选地，所述夹角a≤20°。如图4所示，桨叶21明显不与罐体的中心轴线平的，而是具有一定的夹角a，即倾斜于轴线设置，这样可方便各分割区域的反应液从罐腔的一端流动至另一端，由于桨叶21的端部与相邻区域之间是连通的，进而能流至相邻区域，提高混合效率。夹角a不宜过大，即桨叶21不宜偏离轴线过多，否则反应液将会堆积到罐腔的一端，不利于摊薄。

在本发明的一个实施例中，各所述桨叶21的轮廓面与过所述桨叶21内边的卧式罐体本体2的切平面之间具有夹角b，b<90°。解释一下，其实就是桨叶21并不是完全垂直于罐壁的，而是偏离垂直面一定角度b，这样可对反应液产生一定的下压力或抬升力，具体是哪种力视罐体的转动方向而定，可以提高搅拌效果。进而得到更充分发混合。

在本发明的一个实施例中，各所述桨叶21的轮廓面上布设有多个通孔(图中未示出)。这样各分割区域内的反应液之间可以通过这些通孔互动，提高混合效果。

在本发明的一个实施例中，各所述桨叶21上多个通孔的总面积占桨叶21面积的30％-50％，各相邻通孔之间间距相等。这样可近似形成正反向等速等量的液流，提高混合效果。

在本发明的一个实施例中，各所述桨叶21的边沿以及各所述通孔的孔口边沿均具有圆角结构。这种圆润的边角可减小桨叶21对活性物质的剪切力。

在本发明的一个实施例中，所述卧式罐体本体2的容积为10L-10000L。随着罐体容积的变化，罐内的自搅拌桨叶组件20也会相应变化，如增减其中的桨叶21的数量，以适应不同的工况。罐体容积的具体大小可根据产能定制，工业化大规模生产的容积优选为1000L。

在本发明的一个实施例中，如图7所示，工作状态下所述卧式罐体本体2的轴向平行于水平面。完全平卧的罐体结构可实现最大限度地摊薄其内的反应液，防止反应液向某个方向沉积，提高反应效率。

在本发明的一个实施例中，所述卧式罐体本体2的外壁上设有一圈滚动筋23。工作状态下，卧式罐体本体2的一端通过安装于机架1上的轴承座5支撑，另一端通过安装于机架1上的一对旋转轮6支撑，旋转轮6与滚动筋23接触，这样在卧式罐体本体2转动时，滚动筋23沿着一对旋转轮6滚动，滚动筋突出罐体外壁一定厚度，可对卧式罐体本体2进行保护。

在本发明的一个实施例中，所述卧式罐体本体2的一端设有进料口25，另一端设有转轴24。进料口25用于反应液的进料；转轴24支撑于轴承座5，并通过带轮传动机构7与驱动装置4连接，以便驱动卧式罐体本体2旋转。

在本发明的一个实施例中，所述卧式罐体本体2上设有罐体锁扣22，用于罐盖的锁紧，使罐盖紧密地密封进料口。

采用如上述卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置任一实施例所述的卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置组成卧式自搅拌体外蛋白合成反应器进行体外蛋白合成反应时，包括如下步骤：(1)将占卧式罐体本体2容积5％-30％的蛋白合成反应液导入所述卧式罐体本体2内，并密封；(2)启动驱动装置4，使卧式罐体本体2按预设的转速r旋转，持续预设时间T。占卧式罐体本体2容积比例越小的蛋白合成反应液，在罐体旋转过程中会被摊得越薄，反应效率也就越高，但产量会降低，需要在产量和效率或活性之间进行一定的权衡。优选地，所述步骤(2)中，在启动所述驱动装置4的同时，启动气源装置，通过进气管31向所述卧式罐体本体2内持续输入预设气压p的空气，并通过排气管33排出反应过程中产生的废气。更优选地，所述步骤(2)中，r＝20rpm-200rpm，T＝1h-10h，p＝10kPa-300kPa。

需要说明的是，可以通过控制驱动装置4的正反转来调整卧式罐体本体2的转向，通过间歇式或周期性调整卧式罐体本体2的转向来改善反应液的混合效果。也可以根据实际需要，结合转向和转速的调整来共同提高反应液的混合效果，最终达到提高反应效率及制品活性的效果。

图8为通过该卧式自搅拌体外蛋白合成反应器进行体外蛋白合成，分别反应1h、3h和6h制备得到的目标蛋白EGFP的活性测试结果，卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置的容积为50L，反应液的体积为10L，r＝50rpm，p＝1个标准大气压，其中对照组为在实验室使用24孔板制备的目标蛋白。由图8可见，在三种反应时间下，得到的目标蛋白EGFP的活性与对照组均相当，活性得到了很好的保持。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，其特征在于，包括卧式罐体本体，所述卧式罐体本体的内壁上布设有自搅拌桨叶组件，所述自搅拌桨叶组件适于在所述卧式罐体本体的旋转过程中对其内的蛋白合成反应液进行搅拌。

2.根据权利要求1所述的卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，其特征在于，所述自搅拌桨叶组件突出罐体内壁的高度占所述卧式罐体本体的内圆半径的比例不超过60％。

3.根据权利要求1所述的卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，其特征在于，所述自搅拌桨叶组件包括多片桨叶，各所述桨叶沿所述卧式罐体本体的轴向延伸，各所述桨叶沿所述卧式罐体本体的内圆周向间隔布设。

4.根据权利要求3所述的卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，其特征在于，各所述桨叶等间距布设。

5.根据权利要求3所述的卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，其特征在于，各所述桨叶一体成型，通过焊接固定在所述卧式罐体本体的内壁，焊缝处抛光。

6.根据权利要求3所述的卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，其特征在于，各所述桨叶远离所述卧式罐体本体内壁的一侧为凹弧形结构。

7.根据权利要求3所述的卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，其特征在于，各所述桨叶的长度方向与所述卧式罐体本体的轴向之间具有夹角a。

8.根据权利要求7所述的卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，其特征在于，所述夹角a≤20°。

9.根据权利要求3所述的卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，其特征在于，各所述桨叶的轮廓面与过所述桨叶内边的卧式罐体本体的切平面之间具有夹角b，b<90°。

10.根据权利要求3-9任一项所述的卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，其特征在于，各所述桨叶的轮廓面上布设有多个通孔。

11.根据权利要求10所述的卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，其特征在于，各所述桨叶上多个通孔的总面积占桨叶面积的30％-50％，各相邻通孔之间间距相等。

12.根据权利要求10所述的卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，其特征在于，各所述桨叶的边沿以及各所述通孔的孔口边沿均具有圆角结构。

13.根据权利要求1所述的卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，其特征在于，所述卧式罐体本体的容积为10L-10000L。

14.根据权利要求1所述的卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，其特征在于，工作状态下所述卧式罐体本体的轴向平行于水平面。

15.根据权利要求1所述的卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，其特征在于，所述卧式罐体本体的外壁上设有一圈滚动筋。

16.根据权利要求1所述的卧式自搅拌体外蛋白合成反应器的罐体装置，其特征在于，所述卧式罐体本体的一端设有进料口，另一端设有转轴。

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