CN116694467A - 一种用于细胞规模化培养的生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物技术领域，尤其是涉及一种用于细胞规模化培养的生物反应器，包括用于细胞培养的容器及用于培养过程中工艺参数控制的控制系统；容器为具有顶部、侧部和底部的器皿结构，容器在顶部、侧部和底部之中的至少一个区域设置有气体交换结构；容器的内部设置有至少一个搅拌桨，搅拌桨连接有驱动装置。控制系统通过容器上的工艺接口及电路信号接口与容器连接。本发明是针对细胞与基因治疗领域的细胞培养设计的反应器，利用特殊设计的搅拌桨和容器形状，提供低剪切力及均一湍动能耗散率的流场，利用底部和/或侧部的透气膜增加气体交换效率，从而制造一个可调节的且适合动物细胞在体外生长的环境。

Description

一种用于细胞规模化培养的生物反应器

技术领域

本发明涉及生物技术领域，尤其是涉及一种用于细胞规模化培养的生物反应器。

背景技术

随着生物技术的发展，细胞与基因疗法逐渐成为一种攻克多种类型严重疾病的治疗方式。其中相对成熟的是利用自体细胞培养相应治疗性细胞，治愈相关疾病。然而该疗法无法规模化生产，导致其高昂的费用让人望而却步。得益于生物技术的进步，目前已经攻克同源异体细胞治疗技术的瓶颈，使治疗性细胞的规模化及商业化生产成为可能。因此，开发可用于该领域细胞规模化培养的装置将大幅降低药物的生产成本，为这个行业带来一场革命性巨变。

当前市面上用于细胞规模化培养的生物反应器，主要为搅拌式反应器，通常可以将培养体积放大至2000L及以上。该类生物反应器均使用底部通气鼓泡的方式，通过搅拌桨配合，实现混合，传质的目的，该模式在单抗，疫苗，重组蛋白等领域广泛使用。

根据研究表明，细胞与基因治疗领域常用的治疗性细胞，如干细胞，免疫细胞等，相比于单抗，疫苗领域中常用的细胞，都对培养的微环境，剪切力异常敏感。目前成熟的方案都是采用静态培养的方式进行培养，细胞的体外培养往往采用摇瓶及T型方瓶。尽管摇瓶及T型方瓶可为细胞提供温和的流场环境及适宜的气体交换，但其难以实现工艺放大，培养规模往往在几十毫升到几百毫升，无法满足市场商业化的规模要求。

当前市面上的搅拌式反应器，其剪切力偏大，无法满足该领域细胞培养对剪切力的要求。同时，该类搅拌式反应器为了满足细胞培养过程中对氧气的需求，均采用底部通气鼓泡的形式传氧。然而气泡在破碎时会产生较大的剪切力，对细胞有损伤。因此该类反应器无法满足细胞与基因治疗领域所使用的细胞培养。

此外，在细胞与基因治疗领域，除了需要考虑细胞的扩增以外，细胞的定向分化也是需要考虑的重要因素之一。细胞分化的一致性将直接影响产物质量。根据研究，湍动能的耗散率对细胞分化结果有显著影响。当流场的湍动能耗散率均一时，细胞的分化结果容易保持一致性。同时，湍动能耗散率一致也是此类细胞工艺放大过程中考虑的重要因素之一。

市面上常用的波浪式反应器，尽管没有鼓泡，但其反复摇摆的工作特点，使其流场难以实现工艺放大。同时湍动能耗散率无法做到一致，因此不适合本领域内细胞培养的需求。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于细胞规模化培养的生物反应器，以解决现有技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种用于细胞规模化培养的生物反应器，其包括：用于细胞培养的容器；所述容器为具有顶部、侧部和底部的器皿结构，所述容器在顶部、侧部和底部之中的至少一个区域设置有气体交换结构；所述容器壁上具有细胞培养所需的工艺接口；所述容器的内部设置有至少一个搅拌桨，所述搅拌桨连接有驱动装置，所述驱动装置设置于容器的外部。

优选的，所述气体交换结构包括开设于容器顶部的透气膜或进排气管路。

优选的，所述气体交换结构包括开设于容器壁部的隔水透气膜或带单向阀的气体过滤器。

优选的，所述搅拌桨的桨叶直径d与容器直径D的比值介于0.6-0.99之间。

优选的，所述容器的直径D与高度H的比值介于0.5-2之间。

优选的，容器有满足工艺需求的工艺接口，包括不限于（进气接口，排气接口，进液接口，出液接口，取样接口，收获接口及用于过程监控的各类传感器接口）。

优选的，生物反应器还包括：容器保持装置；所述容器保持装置的底部具有可透气托盘，所述容器设置于可透气托盘，所述容器保持装置上配置有驱动装置。

优选的，所述搅拌桨桨叶底部距离容器底部高度h与容器直径D的比值介于0.05-0.25之间。

优选的，所述搅拌桨的桨叶为螺旋线形状，桨叶的布置呈连续设置或者间断设置，所述桨叶上开设置有开孔或者扰流板。

优选的，生物反应器还包括：控制系统，所述控制系统与容器上配置的传感检测元件通讯连接。

具体的，容器可与控制器连接，通过容器上配置的传感器采集容器内各工艺参数值，通过控制程序，同时配合泵，流量计等装置，实现容器中物理参数的自动化控制，包括不限于温度，转速，PH，DO，气体流量等。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

目前细胞与基因治疗领域的细胞培养，如免疫细胞，干细胞等，均是采用的体外静态培养，其培养体积较小，无法实现大规模的培养。本发明通过设计特定搅拌方式及特定气体交换模式，实现用3D动态培养代替现行静态培养模式，效率更高，可以满足CGT领域产品研发，中试，商业化生产的要求，以此降低细胞治疗药物的总体研发及生产成本，填补国内行业空白。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的生物反应器的立体图；

图2为本发明实施例提供的生物反应器的正视图；

图3为本发明实施例提供的生物反应器的剖视图；

图4为本发明实施例提供的搅拌桨的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的容器的剖视图；

图6为本发明实施例提供的在1000ml流场模拟下的湍动能耗散率分布和剪切率分布的示意图；

图7为本发明实施例提供的在100ml流场模拟下的湍动能耗散率分布和剪切率分布的示意图。

图标：1-容器；2-容器保持装置；3-驱动装置；4-上盖；5-透气孔；6-网状托盘；7-搅拌桨。

实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本实施例提供一种用于细胞规模化培养的生物反应器，其包括：用于细胞培养的容器1。容器1为具有顶部、侧部和底部的器皿结构。容器1的直径与高度的比值（径高比）介于0.5-2之间。容器1在顶部、侧部和底部之中的至少一个区域设置有气体交换结构，本实施例中的气体交换结构可以为透气膜，也可以为进气及排气管路等。

优选的，本实施例中，容器1在顶部设置的气体交换结构包括但不限于透气膜，进气及排气管路等，用于细胞培养过程中的气体交换。

本实施例中，容器1在侧部和底部的部分或全部由隔水透气膜组成，其材料包括但不限于硅胶，塑料，橡胶，复合材料等。非膜部分的材料包括但不限于不锈钢，塑料，硅胶，橡胶等。该设计允许内容液体与周围气体进行交换。配合顶部的气体交换结构，无需底部鼓泡即可满足细胞生长所需的氧气。

此外，本实施例中，根据需求，透气膜外可使用支撑结构保持装置所需的几何形状，支撑结构的材料包括但不限于金属，塑料，橡胶，硅胶等。

当然，本实施例的容器1还应当设置有细胞培养的相关结构。

例如：容器1的上部、侧部，底部可以根据需要设置传感器接口，传感器类型包括但不限于PH，DO，温度，电导，液位，葡萄糖等。

例如：容器1的上部、侧部，底部还可以包含工艺接口，包括但不限于液体补充及排放，气体补充及排放，粉末补充等功能。

本实施例中，容器1的内部设置有至少一个搅拌桨7，搅拌桨7连接有驱动装置3，驱动装置3设置于容器1的外部。具体的，在本实施例中，驱动装置3位于容器1的上方。当然，驱动装置3也可以位于容器1的下方。

本实施例中，驱动装置3包括电机，电机通过传动装置与搅拌轴连接，带动搅拌轴转动。传动装置的形式包括但不限于机械传动，磁力传动等。搅拌轴可带动经过特殊设计的桨叶转动。该桨叶直径与容器1直径的比值（桨径比）介于0.6-0.99之间。当桨叶在0-100rpm转速范围内，流场的剪切力低，同时湍动能分布均匀。

本实施例中，桨叶形状为螺旋形。

本实施例中，桨叶底部与容器底部距离与容器直径的比值介于0.05-0.25之间。

本实施例采用了一种经过特殊设计的搅拌桨7对液体进行搅拌。其中，桨径比d/D介于0.6-0.99之间，径高比D/H介于0.5-2之间，桨高比h/H介于0.05-0.25之间。根据流体仿真计算结果显示，在0-100rpm的转速范围内，相比于传统的搅拌式反应器，在相同培养体积下，使用本发明混合传质时，所产生的流场剪切力更小，同时湍动能耗散率在95%以上的区域均低于3E-03m2/s3，且呈现出一致性。该流场对细胞与基因治疗领域内常使用的细胞生长更加有利。同时，该特殊设计的桨叶，其流场具有工艺可放大性。根据流体仿真结果可知，在100ml以及1L的体积下，通过调整转速，其流场中湍动能的分布可以实现相同的均一性，同时剪切力都保持在相对温和的范围内。

其CFD模拟结果如下，结合图6至图7所示：

同时，湍动能耗散率分布情况如下表：

由此可以看出，从100ml放大到1000ml的过程中，湍动能耗散率的值以及其分布保持高度一致性。

本实施例中，生物反应器还包括：容器保持装置2；容器保持装置2的底部具有网状托盘6，容器1设置于网状托盘6；容器保持装置2的顶部固定驱动装置3。

下面，结合附图1至5所示，以一具体实施例对本申请进行描述。

例如：在容器1的顶部具有一上盖4，上盖4开设有透气孔5，透气孔5采用透气膜覆盖。将容器1的底部设置为隔水透气膜，将容器1的侧部设置为塑料材质，两者焊接成为圆筒状的容器1。电机位于上盖4上方，提供动力输入，可带动顶部磁头转动，利用磁力传动原理带动搅拌桨7转动。容器1底部利用网状托盘6托起，使底部透气膜与周围气体有足够交换面积。

本实施例培养流程包括如下步骤：

1、利用辐照提前将容器1灭菌。

2、在生物安全柜中，加入含有初始密度细胞的培养基，盖上上盖4。

3、将电机磁头与搅拌桨7上磁头对接。

4、将容器1至于托架上，一起放入二氧化碳培养箱。

5、将培养箱的温度，空气及二氧化碳流量设置到工艺所需的值

6、开启搅拌，设置适宜转速

7、上盖4上的透气膜可以实现培养基上表面的气体交换，同时底部的透气膜可以提供培养基与周围气体的交换。在搅拌的作用下可保持整个培养介质的混合传质。

8、过程中如需取样或补换液，在生物安全柜中打开上盖4操作。对于配置有工艺管路的，可以直接使用工艺管路。

9、取样检测，满足工艺质量要求后，结束培养。

综上，本发明是针对细胞与基因治疗领域的细胞培养设计的反应器，利用特殊设计的桨叶和容器1形状，提供低剪切力及均一湍动能耗散率的流场，利用底部和/或侧部的透气膜增加气体交换效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种用于细胞规模化培养的生物反应器，其特征在于，包括：用于细胞培养的容器；所述容器为具有顶部、侧部和底部的器皿结构，所述容器在顶部、侧部和底部之中的至少一个区域设置有气体交换结构；所述容器壁上具有细胞培养所需的工艺接口；所述容器的内部设置有至少一个搅拌桨，所述搅拌桨连接有驱动装置，所述驱动装置设置于容器的外部。

2.根据权利要求1所述的用于细胞规模化培养的生物反应器，其特征在于，所述气体交换结构包括开设于容器顶部的透气膜或进排气管路。

3.根据权利要求1所述的用于细胞规模化培养的生物反应器，其特征在于，所述气体交换结构包括开设于容器壁部的隔水透气膜或带单向阀的气体过滤器。

4.根据权利要求1所述的用于细胞规模化培养的生物反应器，其特征在于，所述搅拌桨的桨叶直径d与容器直径D的比值介于0.6-0.99之间。

5.根据权利要求1所述的用于细胞规模化培养的生物反应器，其特征在于，所述容器的直径D与高度H的比值介于0.5-2之间。

6.根据权利要求1所述的用于细胞规模化培养的生物反应器，其特征在于，还包括：容器保持装置；所述容器保持装置的底部具有可透气托盘，所述容器设置于可透气托盘，所述容器保持装置上配置有驱动装置。

7.根据权利要求1所述的用于细胞规模化培养的生物反应器，其特征在于，所述搅拌桨桨叶底部距离容器底部高度h与容器直径D的比值介于0.05-0.25之间。

8.根据权利要求1所述的用于细胞规模化培养的生物反应器，其特征在于，所述搅拌桨的桨叶为螺旋线形状，桨叶的布置呈连续设置或者间断设置，所述桨叶上开设置有开孔或者扰流板。

9.根据权利要求1所述的用于细胞规模化培养的生物反应器，其特征在于，还包括：控制系统，所述控制系统与容器上配置的传感检测元件通讯连接。