CN114736797A - 一种细胞培养反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低剪切力培养贴壁细胞和悬浮细胞的生物反应器技术领域，具体涉及一种细胞培养反应器。该反应器包括反应筒及盖体，反应筒其底部设有磁力搅拌底座,其内部设有引流腔，引流腔依次设有紊流盘体、扰流盘体和固定盘体,紊流盘体上设有若干培养筒,所述固定盘体其中部设有中心通孔,所述中心通孔上方设有用于搅拌桨,所述搅拌桨通过旋转搅动，驱动反应筒内的培养基液从所述的中心通孔流入引流腔，穿过扰流盘体和紊流盘体后从培养筒顶部流出，回到反应筒中，形成一个培养基液内部循环的液体流向。本发明解决了流速不易控制使得细胞在整个载体腔内分布不均匀和剪切力较大不适宜与细胞增殖的问题，能够以简单有效的方式使贴壁细胞生长。
Description
技术领域
本发明专利涉及低剪切力培养贴壁细胞和悬浮细胞的生物反应器技术领域，具体涉及一种细胞培养反应器。
背景技术
生物反应器广泛用于实验室规模和工业规模的微生物(细菌、真菌、细胞等)的培养。其设计通常针对通过机械装置搅拌的罐，使微生物培养物悬浮。细胞悬液由分布在运动环境中的游离细胞和细胞聚集体组成。当待生长的细胞是被称为“贴壁体”的细胞时，这成为一个问题。这些细胞需要一个能够生长和增殖的表面，从而使得维持细胞悬浮的生物反应器提供的溶液不适合它们。只有当微生物能够悬浮增殖时，微生物才有可能在生物反应器中生长。为其提供一个可附着生长的表面积，让培养基以较低的流速流过附着生长的细胞，为其提供细胞增殖代谢所需的必须营养元素是一个有效的解决办法。
为了能够使这些贴壁细胞生长，目前多采用静态培养瓶，但其中可用于使这些细胞增殖从而定殖在器皿底部可用区域的表面是非常有限的，因此难以适应大规模培养的需求。还有部分全悬浮细胞虽然可以生长，以及贴附于微载体上悬浮培养的方式，但在剪切力作用下蛋白表达量和病毒产量较低。目前虽有细胞相对固定，液体在自重情况下流过细胞的篮式反应器解决了剪切力较大的难题，但其流速不易控制使得细胞在整个载体腔内分布不均匀，给工艺控制带来极大的难度。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种性能可靠的细胞培养反应器，解决了流速不易控制使得细胞在整个载体腔内分布不均匀和剪切力较大不适宜与细胞增殖的问题，能够以简单有效的方式使贴壁细胞生长。
本发明的技术方案是这样实现的：一种细胞培养反应器，包括圆柱状反应筒及其密封连接的盖体，其特征在于：所述反应筒其底部设有磁力搅拌底座,其内部设有引流腔，所述引流腔由上至下，依次设有紊流盘体、扰流盘体和固定盘体,所述紊流盘体上设有若干按圆周阵列分布的培养筒,所述固定盘体其中部设有中心通孔,所述中心通孔上方设有用于旋转搅水的搅拌桨,所述搅拌桨通过旋转搅动，驱动反应筒内的培养基液从所述的中心通孔流入引流腔，穿过扰流盘体和紊流盘体后从培养筒顶部流出，回到反应筒中，形成一个培养基液内部循环的液体流向。
所述紊流盘体包括设置在盘体上的若干紊流孔和盘体周边的若干凹状扰流槽，所述紊流孔能让培养基液均匀、线性通过，防止形成中心边缘效应；所述凹状扰流槽能让培养基液往多个方向进行分流。
所述培养筒其底部和顶部两端可拆卸连接有滤网，其内部设有若干用于细胞培养的纤维状载体片，所述培养筒安装位置与紊流孔相匹配。
所述搅拌桨包括多个以轮盘为中心均匀分布的弧状旋转叶片，所述旋转叶片包括叶端，所述叶端靠近轮盘中心，并延伸至与轮盘边缘贴合的叶尾处，所述叶端与叶尾沿其长度方向呈流线弧形设置，且叶端至叶尾之间高度呈渐变减小，所述叶尾端面与轮盘边缘相切。
所述搅拌桨转速可调，所述细胞培养反应器通过调整搅拌桨转速，准确控制通过培养筒培养基液的线性流速以及培养工艺参数。
所述搅拌桨转速为0～200r/min。
所述反应筒直径1160mm，高度768mm，所述紊流盘体与扰流盘体之间间距为70mm，扰流盘体与固定盘体之间的间距为83mm。
所述磁力搅拌底座上连接有磁力机，所述磁力机与搅拌桨传动连接。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷,具有以下有益效果：
本发明结构设计科学合理，解决了流速不易控制使得细胞在整个载体腔内分布不均匀的问题，能够以简单有效的方式使贴壁细胞生长。本发明通过搅拌桨旋转驱动培养基液从底部的中心通孔流入，穿过引流腔内部的扰流盘体和紊流盘体载体片，最后从培养筒顶部流出，回到反应筒内，形成一个培养基液内部循环的液体流向。同时还可以通过调整搅拌桨的转速，准确控制通过培养筒液体的线性流速，以实现高流速时，强制细胞悬液快速通过载体片，可使细胞均匀贴附于培养筒中各个载体片上。在贴壁完成后将低流速，让溶液以一极低的线性流速均匀通过载体片，就实现在极低剪切力的情况下，不断有新鲜培养基流过细胞，为细胞生长提供必要的营养物质。通过在设置扰流盘体和紊流盘体，能让流体均匀水平进入培养筒内，防止形成中心边缘效应，进一步使细胞均匀贴附于各载体片上。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的半剖立体示意图；
图3为图2中固定盘体的截面示意图；
图4为图2中扰流盘体的截面示意图；
图5为图2中紊流盘体的截面示意图；
图6为图2中培养筒的结构示意图；
图7为图2中搅拌桨的结构示意图；
图8为图7的仰视示意图；
图9为图7中旋转叶片的结构示意图；
图10为Z方向流量平均速度分布图；
图11为Z方向流量的流场分析图；
图中：1-反应筒，2-盖体，3-磁力搅拌底座，4-搅拌桨，41-旋转叶片，42-轮盘，411-叶端,412-叶尾，5-固定盘体，6-扰流盘体，7-紊流盘体，71-紊流孔，8-培养筒，9-中心通孔，10-扰流槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参看如图1至图9所示的细胞培养反应器实施例，包括圆柱状反应筒1及其密封连接的盖体2，反应筒1直径1160mm，高度768mm，其底部设有磁力搅拌底座3,其内部设有引流腔，引流腔由上至下，依次设有紊流盘体7、扰流盘体6和固定盘体5,所述紊流盘体7上设有若干按圆周阵列分布的培养筒8,固定盘体5其中部设有中心通孔9,中心通孔9上方设有用于旋转搅水的搅拌桨4,搅拌桨4通过旋转搅动，驱动反应筒1内的培养基液从所述的中心通孔9流入引流腔，穿过扰流盘体6和紊流盘体7后从培养筒8顶部流出，回到反应筒1中，形成一个培养基液内部循环的液体流向。紊流盘体7包括设置在盘体上的若干紊流孔71和盘体周边的若干凹状扰流槽10，紊流孔71能让培养基液均匀、匀速通过，防止形成中心边缘效应；凹状扰流槽10能让培养基液往多个方向进行分流。紊流盘体7与扰流盘体6之间间距为70mm，扰流盘体6与固定盘体5之间的间距为83mm。培养筒8其底部和顶部两端可拆卸连接有滤网，其内部设有若干用于细胞培养的纤维状载体片，培养筒8安装位置与紊流孔71相匹配。培养筒直径200mm，高度250mm。搅拌桨4包括多个以轮盘42为中心均匀分布的弧状旋转叶片41，旋转叶片41包括叶端411，叶端411靠近轮盘42中心，并延伸至与轮盘42边缘贴合的叶尾412处，叶端411与叶尾412沿其长度方向呈流线弧形设置，且叶端411至叶尾412之间高度呈渐变减小，叶尾412端面与轮盘42边缘相切。搅拌桨4独特的叶片结构设计，具有低扬程、低比转速和高效率的优点。搅拌桨4转速可调，所述细胞培养反应器通过调整搅拌桨4转速，准确控制通过培养筒8培养基液的线性流速以及培养工艺参数。搅拌桨4转速为50r/min。磁力搅拌底座3上连接有磁力机，磁力机与搅拌桨4传动连接。
本发明的工作过程是：首先将载体片以一定的密度填充于培养筒8内,然后将培养筒8对应安装在紊流盘体7的紊流孔71上。然后将紊流盘体7、扰流盘体6和固定盘体5依次封装在引流腔内成形。高压灭菌后将细胞培养反应器与控制柜相连接，或与相应电极变送器相连，进行细胞培养。该搅拌桨4由磁力机驱动下进行旋转，从而驱动反应筒1内的培养基液从固定盘体5底部的中心通孔9流入引流腔内，穿过扰流盘体6和紊流盘体7后从培养筒8顶部流出，回到反应筒1中，再次进入扰流盘体6，形成一个培养基液内部循环的液体流向。该细胞培养模式为高密度培养，培养过程中需不断补加消耗掉的营养物质。培养基液体积能确保在外部驱动磁力搅拌器在特定转速时，流过载体片的液体流速是一定的。在确保该培养基体积的情况下，通过培养筒8的液体流速是准确可调的。在细胞贴壁过程中提高该流速，强制细胞悬液快速通过载体片，可使细胞均匀贴附于培养筒8内的各个载体片上。而在贴壁完成，或悬浮细胞定位后，可调低流速，让溶液以极低的流速线性且均匀通过载体片，就实现在极低剪切力的情况下，不断有新鲜培养基流过细胞，为细胞生长提供必要的营养物质。同时还可以通过调整搅拌桨4转速，准确控制通过载体柱液体的线性流速，以方便控制培养工艺参数。经验证，搅拌桨4转速为50r/min为最优，流速均匀且呈液体呈线性分布。
见附图11所示的Z方向液体流场分析，本发明通过设置扰流盘体6和紊流盘体7，其圆周边缘处均布有多个凹状扰流槽10，能让培养基液流向扰流盘体6和紊流盘体7圆周边缘从多个方向进入到引流腔内部；紊流盘体7的圆形阵列紊流孔71能让培养基液均匀水平进入若干培养筒8内，防止形成中心边缘效应，从而使细胞均匀贴附于各载体片上。低剪切力让可悬浮细胞也能在载体片上生长并高效表达。培养筒8内填充的纤维状载体片能提供极大的培养面积，从而实现细胞的高密度培养。
通过将培养筒的高度设置为250mm，内径尺寸设置为200mm，科学合理的尺寸搭配，能使匹配的搅拌泵在不损伤细胞的条件下，搅动培养基液产生的流体通过培养筒8时，筒中不同高度处的速度差异明显降低，即各处速度较均匀，进一步可使细胞更均匀的贴附于各载体片上。
本发明独特的叶片结构设计，具有低扬程、低比转速和高效率的优点。通过在轮盘42上设置4片中心均匀分布的旋转叶片41，使流体通过离心力的作用在叶端411处时发生分流，使培养基液往多个方向分流错开，从而使液流平缓，减少水流产生的影响。通过使叶端411与叶尾412沿其长度方向呈流线弧形设置，且叶端411至叶尾412之间高度呈渐变减小，培养基液从叶端411位置向四周叶尾412方向运动时，线速度增加的同时所受阻力逐渐减小，使整片旋转叶片411的受剪切力分布均匀，使得液体流动较为均匀，便于细胞培养反应器的细胞培养工作。
试验例：
以附图5中，以紊流盘体7上的16个培养筒8进行编号，然后在搅拌桨4不同转速下进行试验。转速分别为200r/min、150r/min、100r/min和50r/min、测试通过各培养筒8其的液体的流速并进行流场分析，结果如附图10和附图11所示。由图可以得出：在转速50r/min，进入各培养筒8内液体流速呈线性，均匀分布，可使细胞在整个培养筒8内分布均匀。此外对搅拌桨4在各转速下进行了受力和功耗分析，在搅拌桨4转速50r/min，磁力机的扭矩仅1.23N.m,功率仅6.4w，能耗低，剪切力小，流速均一可控非常适宜大规模的细胞培养。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (8)
1.一种细胞培养反应器，包括圆柱状反应筒(1)及其密封连接的盖体(2)，其特征在于：所述反应筒(1)其底部设有磁力搅拌底座(3),其内部设有引流腔，所述引流腔由上至下，依次设有紊流盘体(7)、扰流盘体(6)和固定盘体(5),所述紊流盘体(7)上设有若干按圆周阵列分布的培养筒(8),所述固定盘体(5)其中部设有中心通孔(9),所述中心通孔(9)上方设有用于旋转搅水的搅拌桨(4),所述搅拌桨(4)通过旋转搅动，驱动反应筒(1)内的培养基液从所述的中心通孔(9)流入引流腔，穿过扰流盘体(6)和紊流盘体(7)后从培养筒(8)顶部流出，回到反应筒(1)中，形成一个培养基液内部循环的液体流向。
2.根据权利要求1所述的细胞培养反应器，其特征在于：所述紊流盘体(7)包括设置在盘体上的若干紊流孔(71)和盘体周边的若干凹状扰流槽(10)，所述紊流孔(71)能让培养基液均匀、线性通过，防止形成中心边缘效应；所述凹状扰流槽(10)能让培养基液往多个方向进行分流。
3.根据权利要求1或2所述的细胞培养反应器，其特征在于：所述培养筒(8)其底部和顶部两端可拆卸连接有滤网，其内部设有若干用于细胞培养的纤维状载体片，所述培养筒(8)安装位置与紊流孔(71)相匹配。
4.根据权利要求1所述的细胞培养反应器，其特征在于：所述搅拌桨(4)包括多个以轮盘(42)为中心均匀分布的弧状旋转叶片(41)，所述旋转叶片(41)包括叶端(411)，所述叶端(411)靠近轮盘(42)中心，并延伸至与轮盘(42)边缘贴合的叶尾(412)处，所述叶端(411)与叶尾(412)沿其长度方向呈流线弧形设置，且叶端(411)至叶尾(412)之间高度呈渐变减小，所述叶尾(412)端面与轮盘(42)边缘相切。
5.根据权利要求1所述的细胞培养反应器，其特征在于：所述搅拌桨(4)转速可调，所述细胞培养反应器通过调整搅拌桨(4)转速，准确控制通过培养筒(8)培养基液的线性流速以及培养工艺参数。
6.根据权利要求5所述的细胞培养反应器，其特征在于：所述搅拌桨(4)转速为0～200r/min。
7.根据权利要求1所述的细胞培养反应器，其特征在于：所述反应筒(1)直径1160mm，高度768mm，所述紊流盘体(7)与扰流盘体(6)之间间距为70mm，扰流盘体(6)与固定盘体(5)之间的间距为83mm。
8.根据权利要求1所述的细胞培养反应器，其特征在于：所述磁力搅拌底座(3)上连接有磁力机，所述磁力机与搅拌桨(4)传动连接。
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