CN115747052A - 一种摇摆式生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种摇摆式生物反应器，包括：摇摆装置模块；所述摇摆装置模块包括动力单元、连接单元以及反应单元；动力单元与反应单元通过连接单元连接，动力单元提供动力，连接单元带动反应单元摇摆。通过本发明一种摇摆式生物反应器的设计，能够通过装置的摇摆提高生物反应进行时液体与气体的接触面积，较传统生物反应器相比混匀效果更好，溶氧较高，且细胞成活率高、操作简单、剪切力小。本发明解决了现有技术中存在的生物反应器细胞成活率低且溶氧低等问题。

Description

一种摇摆式生物反应器

技术领域

本发明涉及生物科技技术领域，具体涉及一种摇摆式生物反应器。

背景技术

生物反应器是利用酶或生物体所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，它是一种生物功能模拟机。目前市场上的生物反应器一般分为机械搅拌式生物反应器、气升式生物反应器、鼓泡塔生物反应器、膜生物反应器，还有本发明涉及的一次性生物反应器等反应器类型。然而在实际的使用过程中，这些类型的反应器都存在着不同程度的一些问题。以传统的机械搅拌式生物反应器为例，其主要是以桨叶的旋转运动混合培养液，机械搅拌式生物反应器的优点在于结构简单，培养液中的溶氧含量高，但是桨叶的旋转造成的剪应力大，对细胞的成活率有很大的影响。以传统的气升式生物反应器为例，其主要是气体鼓泡通过含有反应物或催化剂的液层以实现气液相反应过程，这种方法的优点在于结构简单，造价低，易控制，混合和传热、传质性能好，但液体返混严重，气泡易产生聚并，效率较低。针对现有生物反应器在实际中存在的各种问题而言，一种溶氧效果好，细胞成活率高，操作简单，剪切力小的生物反应器的出现就很有必要。对于市场上常见的摇摆式生物反应器，其动力系统一般采用电动缸或者杠杆传动组件，这种动力系统结构较为复杂，而且需要额外的部件来控制摇摆的角度。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种摇摆式生物反应器摆动装置，可以解决传统生物反应器细胞成活率低、液体返混以及溶氧较差的问题，且不需要额外的部件来控制摇摆角度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种摇摆式生物反应器，其特征在于，包括：摇摆装置模块；所述摇摆装置模块包括动力单元、连接单元以及反应单元；所述动力单元与所述反应单元通过所述连接单元连接，所述动力单元提供动力，所述连接单元带动所述反应单元摇摆。

进一步地，所述连接单元采用绝对值编码器控制，精度≤20arcmin，摇摆角度范围为-12°～12°，频率≤40/分钟。

进一步地，所述连接单元包括中心轴、第一支架、第二支架、深沟球轴承、载重板支架以及摆杆，所述载重板支架一端通过所述深沟球轴承设置在所述中心轴上，所述中心轴设置在所述第一支架上，所述摆杆设置在所述第一支架上。

进一步地，所述动力单元包括伺服电机，所述伺服电机的输出端与所述摆杆相连接。

进一步地，所述动力单元还包括：箱体底板、传感器、支脚、电气安装板、电气元件以及底座罩壳；所述支脚及所述传感器设置于所述箱体底板下方，所述电气安装板设置于所述箱体底板上，所述电气元件集成在所述电气安装板上，所述底座罩壳设置在所述箱体底板上并覆盖所述电气安装板、电气元件以及伺服电机；所述第一支架和所述第二支架穿过所述底座罩壳。

进一步地，所述反应单元包括：载重板、温度电极以及托盘结构，所述载重板设置在所述载重板支架以及摆杆上，所述托盘结构设置在所述载重板上，所述温度电极设置在所述载重板上，用于侦测所述托盘结构内细胞培养袋的温度。

进一步地，所述托盘结构包括托盘底板、加热模块、托盘面板、托盘边、棘轮装置以及旋钮，所述托盘底板设置在所述载重板上，所述加热模块设置在所述托盘底板上，所述托盘面板设置在所述托盘底板上，所述托盘边设置在所述托盘面板上，所述棘轮装置设置在所述托盘边内部，用于固定细胞培养袋，所述旋钮设置在所述托盘边上，用于控制所述棘轮旋转。

进一步地，所述摇摆式生物反应器还包括控制模块以及人机交互模块；所述人机交互模块与所述摇摆装置模块连接，所述控制模块与所述摇摆装置模块连接。

进一步地，所述控制柜模块包括：控制柜、指示灯、蜂鸣器、急停按钮、pH光纤接头、DO光纤接头以及蠕动泵；所述pH光纤接头以及所述DO光纤接头连接光纤传感器。

进一步地，所述人机交互模块包括：工控屏、人机交互屏幕、电源接头以及网线接头；所述人机交互屏幕设置在所述工控屏上，所述电源接头以及所述网线接头皆连接所述人机交互屏幕与所述摇摆装置模块。

相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：所述摇摆式生物反应器包括：摇摆装置模块；所述摇摆装置模块包括动力单元、连接单元以及反应单元；所述动力单元与所述反应单元通过所述连接单元连接，所述动力单元提供动力，所述连接单元带动所述反应单元摇摆。由此，采用摇摆方式达到混合细胞培养液的目的，摇摆式生物反应器剪切力较小，不会破坏细胞，因此细胞的成活率较高；且摇摆式生物反应器在工作过程中细胞培养液混合充分的过程中与空气接触面积较大，因此，摇摆式生物反应器中的培养液溶氧较高，有助于提高培养成功率。

进一步地，摇摆式生物反应器采用伺服电机以及关节模组等动力传动组件，较采用传统电动缸或者杠杆传动相比，摇摆式生物反应器的结构较为简单，精度高，操作维修方便。

附图说明

图1为本发明一个实施例摇摆式生物反应器的模块示意图；

图2为本发明一个实施例摇摆式生物反应器摇摆装置模块示意图；

图3为本发明一个实施例摇摆式生物反应器摇摆装置模块内部结构示意图；

图4为本发明一个实施例摇摆式生物反应器摇摆装置模块的内部结构另一角度示意图；

图5为本发明一个实施例摇摆式生物反应器摇摆装置模块的底座罩壳示意图；

图6为本发明一个实施例摇摆式生物反应器摇摆装置模块的反应单元示意图；

图7为本发明一个实施例棘轮装置的示意图；

图8为本发明一个实施例控制模块的示意图；

图9为本发明一个实施例人机交互模块的示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明一种摇摆式生物反应器进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供一种摇摆式生物反应器，在一个具体的实施例中，参考图1所示，本发明的摇摆式生物反应器包括摇摆装置模块1、控制模块2以及人机交互模块3；所述人机交互模块3与所述摇摆装置模块1连接，所述控制模块2与所述摇摆装置模块1连接。

在本发明的一个实施例中，所述摇摆装置模块1的正面、侧面以及后面设置有数个电气接头，以便于实现与所述控制模块2以及人机交互模块3的连接和交互。

参考图2所示，所述摇摆装置模块1包括动力单元11、连接单元12以及反应单元13；所述动力单元11与所述反应单元13通过所述连接单元12连接，所述动力单元11提供动力，所述连接单元12带动所述反应单元13摇摆。

在一个具体的实施例中，动力单元11采用绝对值编码器控制，精度≤20arcmin，摇摆角度范围为-12°～12°，频率≤40/分钟。可以根据细胞的特性自由选择摇摆的角度频率。

具体的，参考图3所示，本发明一个实施例中，所述连接单元12包括中心轴123、第一支架121、第二支架122、深沟球轴承、载重板支架123以及摆杆124，所述载重板支架123一端通过所述深沟球轴承设置在所述中心轴上，所述中心轴设置在所述第一支架121上，所述摆杆124设置在所述第一支架121上。

优选地，所述中心轴与所述载重板支架123之间通过轴承连接，可以有效减少系统磨损。

作为示例，所述第一支架121设置为一对，从而便于设置所述中心轴。

请继续参考图3所示，本发明一个实施例中，所述动力单元11包括伺服电机114，所述伺服电机114的输出端与所述摆杆124相连接。由此，当所述伺服电机114运作时，所述摆杆124可摆动。

进一步的，所述第二支架122设置有通孔，所述伺服电机114的输出端穿过所述通孔与所述摆杆124相连接。

进一步的，所述第二支架122的通孔中设置有轴承，以降低所述伺服电机114的输出端所受阻力。

所述伺服电机114为本发明中的集成式关节模组，空间紧凑，在使用中噪音小，适合实验室等场所的使用。

在一个具体的实施例中，参考图3所示，本发明的所述动力单元11还包括：箱体底板110、传感器112、支脚111、电气安装板113、电气元件以及底座罩壳115(如图5所示)；所述支脚111及所述传感器112设置于所述箱体底板110下方，所述电气安装板113设置于所述箱体底板110上，所述电气元件集成在所述电气安装板113上，所述底座罩壳115设置在所述箱体底板110上并覆盖所述电气安装板113、电气元件以及伺服电机114；所述摆杆124和所述载重板支架132穿过所述底座罩壳115，并且，所述底座罩壳115上设置有开口1151，为所述所述摆杆124和所述载重板支架132摆动提供空间。

在一个具体的实施例中，参考图3和图4所示，四个称重传感器112分别设置在箱体底板110的四个顶点处，用于称重，四个支脚111设置在称重传感器112下方。

所述电气元件均集成在电气安装板113上，包括开关电源、PLC以及各种变送器等电气元件。

所述第一支架121以及所述第二支架122设置在所述箱体底板110上，底座罩壳115也设置在箱体底板110上，摆杆124和载重板支架132穿过底座罩壳115连接反应单元13。

所述伺服电机114提供摇摆式生物反应器运行所需的动力。

在一个具体的实施例中，参考图3-4，图6所示，本发明的反应单元13包括：载重板130、温度电极131以及托盘结构，所述载重板130设置在所述载重板支架123以及摆杆124上，所述托盘结构设置在所述载重板130上，所述温度电极131设置在所述载重板130上，用于侦测所述托盘结构内细胞培养袋的温度。

在一个具体的实施例中，参考图3所示，优选地，温度电极131设置在载重板130中心。

优选地，所述载重板130与所述托盘结构之间通过六颗螺柱以及两个定位销连接，可以理解的是，所述螺柱以及定位销的数量并不限于此。所述载重板130与所述托盘结构之间拆装简单。

在一个具体的实施例中，参考图6-7所示，本发明托盘结构包括托盘底板、加热模块、托盘面板132、托盘边133、棘轮装置135以及旋钮134，所述托盘底板设置在所述载重板130上，所述加热模块设置在所述托盘底板上，所述托盘面板132设置在所述加热模块上，所述托盘边133设置在所述托盘面板133上，所述棘轮装置135设置在所述托盘边133内部，用于固定细胞培养袋，所述旋钮设置134在所述托盘边133两侧，用于控制所述棘轮装置135旋转。

优选地，所述加热模块为加热毯，可以提供细胞生长需要的温度。

优选地，本发明的托盘结构上还包括托盘罩壳以及罩壳正面的可开启挡板。在摇摆式生物反应器工作时，罩壳可用于遮光以及保温，可选择打开或者关闭可开启挡板，进行补料、取样等动作。

所述托盘结构采用可拆卸模式，适用于各种规格的细胞培养袋。

所述摇摆装置模块1大部分部件可以采用铝合金制造，重量轻，维修方便。

在一个具体的实施例中，参考图8所示，所述控制模块包括：控制柜、指示灯22、蜂鸣器21、急停按钮23、pH光纤接头24、DO光纤接头25以及蠕动泵26；所述pH光纤接头24以及所述DO光纤接头25连接光纤传感器。

在一个具体的实施例中，控制柜放置在装置外侧，蠕动泵26排列设置在装置一侧，所述蠕动泵26为装置补料。所述控制柜正面设置有所述蜂鸣器21，用于报警；设置有所述指示灯22，用于显示系统运行状态；设置有所述急停按钮23，用于紧急停止系统；设置有所述PH光纤接头24以及DO光纤接头25，用于连接摇摆单元的光纤传感器，显示细胞培养袋中的溶氧和酸碱度参数。

在一个具体的实施例中，参考图9所示，本发明人机交互模块3包括：工控屏32、人机交互屏幕31、电源接头以及网线接头；所述人机交互屏幕31设置在所述工控屏32上，所述电源接头以及所述网线接头皆连接所述人机交互屏幕31与所述摇摆装置模块1。

在一个具体的实施例中，参考图9所示，工控屏32放置在装置外侧，人机交互模块3用于控制装置的摇摆角度、频率，以及温度、重量、通气等参数。

综上所述，本发明通过一种摇摆式生物反应器的设计，采用摇摆的方式混合细胞培养液，有着优于传统生物反应器的的溶氧且细胞成活率较高。采用摇摆装置模块进行传动，结构简单，精度高，剪切力小且操作简单，维修方便。本发明摇摆式生物反应器提供了细胞增殖扩增所需要的稳定适宜的生长环境，进一步满足了细胞药物制备生产规范和工艺的要求，可以制备获得符合安全性和有效性要求的细胞产品。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种摇摆式生物反应器，其特征在于，包括：摇摆装置模块；所述摇摆装置模块包括动力单元、连接单元以及反应单元；所述动力单元与所述反应单元通过所述连接单元连接，所述动力单元提供动力，所述连接单元带动所述反应单元摇摆。

2.如权利要求1所述的摇摆式生物反应器，其特征在于，所述连接单元采用绝对值编码器控制，精度≤20arcmin，摇摆角度范围为-12°～12°，频率≤40/分钟。

3.如权利要求2所述的摇摆式生物反应器，其特征在于，所述连接单元包括中心轴、第一支架、第二支架、深沟球轴承、载重板支架以及摆杆，所述载重板支架一端通过所述深沟球轴承设置在所述中心轴上，所述中心轴设置在所述第一支架上，所述摆杆设置在所述第一支架上。

4.如权利要求3所述的摇摆式生物反应器，其特征在于，所述动力单元包括伺服电机，所述伺服电机的输出端与所述摆杆相连接。

5.如权利要求4所述的摇摆式生物反应器，其特征在于，所述动力单元还包括：箱体底板、传感器、支脚、电气安装板、电气元件以及底座罩壳；所述支脚及所述传感器设置于所述箱体底板下方，所述电气安装板设置于所述箱体底板上，所述电气元件集成在所述电气安装板上，所述底座罩壳设置在所述箱体底板上并覆盖所述电气安装板、电气元件以及伺服电机；所述第一支架和所述第二支架穿过所述底座罩壳。

6.如权利要求3所述的摇摆式生物反应器，其特征在于，所述反应单元包括：载重板、温度电极以及托盘结构，所述载重板设置在所述载重板支架以及摆杆上，所述托盘结构设置在所述载重板上，所述温度电极设置在所述载重板上，用于侦测所述托盘结构内细胞培养袋的温度。

7.如权利要求6所述的摇摆式生物反应器，其特征在于，所述托盘结构包括托盘底板、加热模块、托盘面板、托盘边、棘轮装置以及旋钮，所述托盘底板设置在所述载重板上，所述加热模块设置在所述托盘底板上，所述托盘面板设置在所述加热模块上，所述托盘边设置在所述托盘面板上，所述棘轮装置设置在所述托盘边内部，用于固定细胞培养袋，所述旋钮设置在所述托盘边上，用于控制所述棘轮旋转。

8.如权利要求1所述的摇摆式生物反应器，其特征在于，所述摇摆式生物反应器还包括控制模块以及人机交互模块；所述人机交互模块与所述摇摆装置模块连接，所述控制模块与所述摇摆装置模块连接。

9.如权利要求8所述的摇摆式生物反应器，其特征在于，所述控制模块包括：控制柜、指示灯、蜂鸣器、急停按钮、pH光纤接头、DO光纤接头以及蠕动泵；所述pH光纤接头以及所述DO光纤接头连接光纤传感器。

10.如权利要求8所述的一种摇摆式生物反应器，其特征在于，所述人机交互模块包括：工控屏、人机交互屏幕、电源接头以及网线接头；所述人机交互屏幕设置在所述工控屏上，所述电源接头以及所述网线接头皆连接所述人机交互屏幕与所述摇摆装置模块。

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