CN116948790B - 生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种生物反应器，其中，生物反应器包括转轴组件、第一搅拌轮和第二搅拌轮，第一搅拌轮包括叶轮主体和多个第一叶片，叶轮主体连接于转轴组件，叶轮主体包括轮毂，多个第一叶片安装于轮毂，且沿轮毂的周向分布；第二搅拌轮连接于多个第一叶片，第二搅拌轮包括多个第二叶片，第二叶片的端部相对轮毂的高度大于第一叶片的端部相对轮毂的高度。本发明技术方案通过采用在第一搅拌轮上设置有第二搅拌轮，且第二叶片相对轮毂的高度大于第一叶片相对轮毂的高度，能有效解决传统生物反应器内搅拌桨翻动量不均的劣势，在保证一定细胞增值效果和细胞活性的同时，还提高培养液流场氧气的传质效率以及其他气体的混合度。

Description

生物反应器

技术领域

本发明涉及生物反应器技术领域，特别涉及一种生物反应器。

背景技术

机械搅拌式动物细胞培养生物反应器是应用最为广泛的动物细胞培养生物反应器。它依靠搅拌桨来提供液相搅拌动力，具有较大的操作范围。目前的常规的生物反应器搅拌桨无法满足容量为10L以及更大容量的生物反应器对剪切力的要求，并且在细胞培养过程中存在垂直流场混匀度和翻动量不均等问题，也会存在明显的搅拌盲区。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种生物反应器，旨在提升生物反应器内培养液流场的混匀度和翻动量。

为实现上述目的，本发明提出的生物反应器，包括：

转轴组件；

第一搅拌轮，所述第一搅拌轮包括叶轮主体和多个第一叶片，所述叶轮主体连接于所述转轴组件，所述叶轮主体包括轮毂，所述多个第一叶片安装于所述轮毂，且沿所述轮毂的周向分布；

第二搅拌轮，所述第二搅拌轮连接于所述多个第一叶片，所述第二搅拌轮包括多个第二叶片，所述第二叶片的端部相对所述轮毂的高度大于所述第一叶片的端部相对所述轮毂的高度。

在一实施例中，所述第一叶片和所述第二叶片沿所述叶轮主体的径向延伸。

在一实施例中，所述第二叶片与所述第一叶片一体成型。

在一实施例中，所述第一叶片的长度设置为L1，所述第二叶片的长度设置为L2，所述第一叶片与所述第二叶片满足1/3≤L2/L1≤2/3。

在一实施例中，所述第一叶片包括第一直板段和位于所述第一叶片端部的第一折弯段，所述第二叶片包括第二直板段和位于所述第二叶片端部的第二折弯段，所述第一直板段和所述第二直板段沿所述叶轮主体的同一径向延伸。

在一实施例中，所述第一折弯段和所述第二折弯段沿所述第一搅拌轮的周向折弯。

在一实施例中，所述叶轮主体还包括与所述轮毂相连的两个第一轮壁，所述两个第一轮壁分别连接于多个所述第一叶片的相对两侧，所述第一叶片的端部与所述第一轮壁的外周壁齐平。

在一实施例中，所述第二搅拌轮与两个所述第一轮壁间的距离相等。

在一实施例中，其中一所述第一轮壁的外侧设置有多个驱动配合件。

在一实施例中，所述第二搅拌轮还包括与所述多个第一叶片相连的两个第二轮壁，所述两个第二轮壁分别连接于多个所述第二叶片的相对两侧，所述第二轮壁的外径大于所述第一轮壁的外径。

在一实施例中，所述第二叶片的端部与所述第二轮壁的外周壁齐平。

在一实施例中，所述转轴组件包括转轴以及连接于所述转轴的多个桨叶，多个所述桨叶的叶缘连接于所述轮毂的内周壁。

本发明技术方案通过采用在第一搅拌轮上设置有第二搅拌轮，且第二叶片相对轮毂的高度大于第一叶片相对轮毂的高度，能有效解决传统生物反应器内搅拌桨翻动量不均的劣势，在保证一定细胞增值效果和细胞活性的同时，还提高培养液流场氧气的传质效率以及其他气体的混合度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为第一搅拌轮和第二搅拌轮以及转轴组件的结构示意图；

图2为本发明在一剖面视角下的结构示意图；

图3为图2中A处的放大图；

图4为本发明的生物反应器与对照组的生物反应器的速度云图；

图5为图1在另一视角下的结构示意图；

图6为图1在又一视角下的结构示意图。

附图标号说明：

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的一部分实施例，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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以 “A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

机械搅拌式动物细胞培养生物反应器是应用最为广泛的动物细胞培养生物反应器。它依靠搅拌桨来提供液相搅拌动力，具有较大的操作范围。目前的常规的生物反应器搅拌桨无法满足容量为10L以及更大容量的生物反应器对剪切力的要求，并且在细胞培养过程中存在垂直流场混匀度和翻动量不均等问题，也会存在明显的搅拌盲区。

鉴于此，本发明提出一种生物反应器。

在本发明实施例中，如图1所示，该生物反应器包括转轴组件300、第一搅拌轮100和第二搅拌轮200，其中，第一搅拌轮100包括叶轮主体110和多个第一叶片120，叶轮主体110连接于转轴组件300，叶轮主体110包括轮毂111，多个第一叶片120安装于轮毂111，且沿轮毂111的周向分布；第二搅拌轮200连接于多个第一叶片120，第二搅拌轮200包括多个第二叶片210，第二叶片210的端部相对轮毂111的高度大于第一叶片120的端部相对轮毂111的高度。

具体地，叶轮主体110连接于转轴组件300，具体为轮毂111的内壁连接于转轴组件300，多个第一叶片120间隔分布在轮毂111的外周，第一叶片120大致呈片状设置，具体安装方式可以是多个第一叶片120胶接于轮毂111，也可以是焊接，还可以是其他的连接方式，在此不作具体地限定。第二搅拌轮200连接于多个第一叶片120，第二叶片210大致呈片状设置，可以是第二叶片210连接于多个第一叶片120，也可以是第二搅拌轮200的侧壁连接于多个第一叶片120，还可以是第二叶片210和第二搅拌轮200的侧壁都连接于第一叶片120，其中连接方式可以是胶接，也可以是焊接，还可以是其他的连接方式，在此不作具体地限定。

请参阅图4，生物反应器还包括壳体，壳体内设置有一容纳腔，所述第一搅拌轮100设置于容纳腔内，第一搅拌轮100大致位于壳体底部，且第一搅拌轮100于壳体底壁的内表面保持一定间距，第一搅拌轮100与壳体通过转轴组件300相连。

其中设置第二叶片210的端部相对轮毂111的高度大于第一叶片120的端部相对轮毂111的高度，需要说明的是，第一叶片120的端部即第一叶片120远离轮毂111的一端，第二叶片210的端部即第二叶片210远离轮毂111的一端。设置第二叶片210的端部相对轮毂111的高度大于第一叶片120相对轮毂111的高度，在不增大生物反应器搅拌桨剪切力的前提下，增大了生物反应器搅拌桨的剪切范围，改善了生物反应器内流场的混匀度和翻动量不佳的问题。

另外地，考虑到保护第一叶片120和第二叶片210，避免第一叶片120和第二叶片210碰撞受损，可以在多个第一叶片120的两侧设置有与多个第一叶片120相连的轮壁，也可以不在多个第一叶片120的两侧设置有轮壁；相对应的，可以在多个第二叶片210的两侧设置有与多个第二叶片210相连的轮壁，也可以不在多个第二叶片210的两侧设置有轮壁。

本发明技术方案通过采用在第一搅拌轮100上设置有第二搅拌轮200，且第二叶片210相对轮毂111的高度大于第一叶片120相对轮毂111的高度，能有效解决传统生物反应器内搅拌桨翻动量不均的劣势，在保证一定细胞增值效果和细胞活性的同时，还提高培养液流场氧气的传质效率以及其他气体的混合度。

在一实施例中，请参阅图1和图2，第一叶片120和第二叶片210沿叶轮主体110的径向延伸。

具体而言，叶轮主体110大致呈圆筒状设置，则叶轮主体110具有位于转轴组件300中心处的轴线，垂直于所述轴线的方向即为叶轮的径向方向。第一叶片120沿叶轮主体110的径向方向延伸，即多个第一叶片120均沿叶轮主体110的径向方向延伸。相似的，第二叶片210沿叶轮主体110的径向方向延伸，即多个第二叶片210均沿叶轮主体110的径向方向延伸。相比于第一叶片120和第二叶片210与叶轮主体110的径向方向形成夹角，在叶轮主体110大小与第一叶片120和第二叶片210相对于壳体的长度一致的情况下，第一叶片120与第二叶片210沿径向方向延伸使流场有更好的混匀度和翻动量。

在一实施例中，请参阅图1至图3，所述第二叶片210与所述第一叶片120一体成型。

需要说明的是，依据上一实施例所述，第二叶片210和第一叶片120均沿叶轮主体110的径向方向延伸，且第二叶片210和第一叶片120一体成型，则第一叶片120和第二叶片210位于叶轮主体110的同一径向方向，如此可使通过多个第一叶片120搅拌后产生的流场和通过多个第二叶片210搅拌后产生的流场方向相对一致。其中，第一叶片120的长度和第二叶片210的长度可以是相同的，也可以是第一叶片120的长度大于大于第二叶片210的长度，在本实施例中不作具体地限定。

在一实施例中，请参阅图1和图5，所述第一叶片120的长度设置为L1，所述第二叶片210的长度设置为L2，所述第一叶片120与所述第二叶片210满足1/3≤L2/L1≤2/3。

进一步地，依据上述实施例所述，第二叶片210相对轮毂111的高度大于第一叶片120相对轮毂111的高度，如此，第二叶片210相比第一叶片120更靠近壳体，考虑到动物细胞对流体和桨叶320的剪切力较为敏感，较大的剪切力会抑制细胞的繁殖效果和细胞活性，如此将第二叶片210的长度设置小于第一叶片120的长度，且满足第一叶片120与所述第二叶片210具有1/3≤L2/L1≤2/3的数量关系，在此范围内，第二叶片210既可以较好的产生流场翻动细胞，又可以保持细胞所需的繁殖效果和细胞活性。

在一较佳实施例中，请参阅图2至图4，所述第一叶片120包括第一直板段121和位于所述第一叶片120端部的第一折弯段122，所述第二叶片210包括第二直板段211和位于所述第二叶片210端部的第二折弯段212，所述第一直板段121和所述第二直板211段沿所述叶轮主体110的同一径向延伸。

具体而言，如图4所示，图4为生物反应器在转速为25rpm时的流体速度分布图，且生物反应器沿逆时针的方向旋转。其中图4中的上部分为具有第一折弯段122和第二折弯段212的生物反应器的流体速度分布图，图4的下部分为将第一叶片120和第二叶片210设置为直板状时生物反应器的流体速度分布图。将两组生物反应器的流速云图进行对比，可以明显看出的是，具有第一折弯段122和第二折弯段212的生物反应器的流速分布更加均匀，特别是在两个生物反应器的右侧部分，将第一叶片120和第二叶片210设置为直板状的生物反应器明显流速的分布更加不均，流场混匀度较差，而具有第一折弯段122和第二折弯段212的生物反应器的流速分布更加均匀流场混匀度更好。鉴于此，在第一叶片120端部设置有第一折弯段122和第二叶片210设置有第二折弯段212的生物反应器的流场混匀度更好，当然，将第一叶片120和第二叶片210设置为直板状的实施例也在上述实施例的保护范围内。

需要说明的是，将第一直板段121和第二直板段211沿叶轮主体110的统一径向延伸有利于进一步提高流场的混匀度。

进一步地，请参阅图2和图3，依据上一实施例所述，相对应的，为了进一步提升流场的混匀度，将第一折弯段122和第二折弯段212沿第一搅拌轮100的周向折弯，使流速的分布更加均匀，更加利于细胞培养。

在一实施例中，请参阅图1和图2，所述叶轮主体110还包括与所述轮毂111相连的两个第一轮壁112，所述两个第一轮壁112分别连接于多个所述第一叶片120的相对两侧，所述第一叶片120的端部与所述第一轮壁112的外周壁齐平。

具体而言，第一轮壁112具有内壁，第一轮壁112的内壁与所述轮毂111相连，连接方式可以是胶接，也可以是焊接，还可以是其他连接方式，第一轮壁112靠近多个第一叶片120的一侧与多个第一叶片120相连，连接方式可以是胶接，也可以是焊接，还可以是其他连接方式，通过设置有两第一轮壁112，使多个第一叶片120的安装更加稳定。其中，叶片厚度较薄，容易碰撞弯折，鉴于此，设置第一叶片120的端部与第一轮壁112的外周壁齐平，可避免叶片因碰撞而受损破坏，另一方面第一轮壁112若超出端部较多，则会产生与第一叶片120同一方向且更贴近壳体壁面的流场，进而存在抑制细胞生长的风险。

在一实施例中，请参阅图5，所述第二搅拌轮200与两个所述第一轮壁112间的距离相等。

具体地，依据上述实施例所述，第二叶片210的长度小于第一叶片120的长度，考虑到壳体呈曲面设置，具体为底板的内表面与垂直于所述面板的平面的相交线为开口背向所述底板外表面的凹弧线，将第二搅拌轮200设置为与两个第一轮壁112间的距离相等，使第二搅拌轮200和第一搅拌轮100与壳体之间的距离大致相等。

在一实施例中，请参阅图1和图6，其中一所述第一轮壁112的外侧设置有多个驱动配合件1121。

需要说明的是，本发明提出的生物反应器通过外界驱动件驱动，对应所述第一轮壁112的外侧设置有与驱动件配合的多个驱动配合件1121。具体而言，驱动件和驱动配合件1121均具有为磁性件，通过外界驱动件转动，带动驱动配合件1121转动从而带动第一搅拌轮100和第二搅拌轮200转动。通过在第一轮壁112的外侧设置有多个凸起的容置槽1122，将多个驱动配合件1121设置于所述容纳槽内，考虑到较佳的驱动效果以及制造成本，在本实施例中的驱动配合件1121共有六个，当然不仅限于本实施例，驱动配合件1121的数量可以少于六个，驱动配合件1121的数量也可以多于六个。

在一实施例中，请参阅图1，所述第二搅拌轮200还包括与所述多个第一叶片120相连的两个第二轮壁220，所述两个第二轮壁220分别连接于多个所述第二叶片210的相对两侧，所述第二轮壁220的外径大于所述第一轮壁112的外径。

具体而言，第二轮壁220具有内壁，第二轮壁220的内壁与多个第一叶片120的叶缘相连，连接方式可以是胶接，也可以是焊接，还可以是其他连接方式，第二轮壁220靠近多个第二叶片210的一侧与多个第二叶片210相连，连接方式可以是胶接，也可以是焊接，还可以是其他连接方式，通过设置有两第二轮壁220，使多个第二叶片210的安装更加稳定。考虑到，壳体壁面呈曲面设置，为了进一步使第二搅拌轮200贴合壳体壁面，使流场分布均匀，如此设置第二轮壁220的外径大于第一轮壁112的外径。

在一实施例中，请参阅图2，所述第二叶片210的端部与所述第二轮壁220的外周壁齐平。

具体地，考虑到，叶片厚度较薄，容易碰撞弯折，鉴于此，设置第二叶片210的端部与第二轮壁220的外周壁齐平，可避免叶片因碰撞而受损破坏，另一方面第二轮壁220若超出端部较多，则会产生一方向相同更贴近壳体壁面的流场，进而存在抑制细胞生长的风险。

在一实施例中，请参阅图6，所述转轴组件300包括转轴310以及连接于所述转轴310的多个桨叶320，多个所述桨叶320的叶缘连接于所述轮毂111的内周壁。

具体地，转轴组件300除了包括用于带动第一搅拌轮100转动的的转轴310外，还包括连接于转轴310的多个桨叶320，多个桨叶320的叶缘处连接于轮毂111的内周壁，所述转轴310通过桨叶320连接于第一搅拌轮100，从而带动第一搅拌轮100转动。依据上述实施例所述，多个第一叶片120和多个第二叶片210均位于轮毂111的外侧，用于搅拌贴附壳体壁面上细胞，搅拌轮内部的空间可能导致搅拌不够产生细胞堆积，鉴于此，通过多个桨叶320进一步搅动第一搅拌轮100内部流体，提高内部及两侧流体的流场运动，完成整个流体区域的流场形成。在本实施例中，桨叶320的数量为两个，不限于本实施例，桨叶320的数量可以是三个，也可以是更多个。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种生物反应器，用于培养动物细胞，其特征在于，包括：

转轴组件（300）；

第一搅拌轮（100），所述第一搅拌轮（100）包括叶轮主体（110）和多个第一叶片（120），所述叶轮主体（110）连接于所述转轴组件（300），所述叶轮主体（110）包括轮毂（111），所述多个第一叶片（120）安装于所述轮毂（111），且沿所述轮毂（111）的周向分布；

第二搅拌轮（200），所述第二搅拌轮（200）连接于所述多个第一叶片（120），所述第二搅拌轮（200）包括多个第二叶片（210），所述第二叶片（210）的端部相对所述轮毂（111）的高度大于所述第一叶片（120）的端部相对所述轮毂（111）的高度；所述第一叶片（120）的长度设置为L1，所述第二叶片（210）的长度设置为L2，所述第一叶片（120）与所述第二叶片（210）满足1/3≤L2/L1≤2/3；

其中，所述第一叶片（120）包括第一直板段（121）和位于所述第一叶片（120）端部的第一折弯段（122），所述第二叶片（210）包括第二直板段（211）和位于所述第二叶片（210）端部的第二折弯段（212），所述第一直板段（121）和所述第二直板段（211）沿所述叶轮主体（110）的同一径向延伸，且所述第二叶片（120）连接所述第一叶片（210）的端部；所述第一折弯段（122）和所述第二折弯段（212）沿所述第一搅拌轮（100）的周向折弯。

2.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述第二叶片（210）与所述第一叶片（120）一体成型。

3.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述叶轮主体（110）还包括与所述轮毂（111）相连的两个第一轮壁（112），所述两个第一轮壁（112）分别连接于多个所述第一叶片（120）的相对两侧，所述第一叶片（120）的端部与所述第一轮壁（112）的外周壁齐平。

4.如权利要求3所述的生物反应器，其特征在于，所述第二搅拌轮（200）与两个所述第一轮壁（112）间的距离相等。

5.如权利要求3所述的生物反应器，其特征在于，其中一所述第一轮壁（112）的外侧设置有多个驱动配合件（1121）。

6.如权利要求3所述的生物反应器，其特征在于，所述第二搅拌轮（200）还包括与所述多个第一叶片（120）相连的两个第二轮壁（220），所述两个第二轮壁（220）分别连接于多个所述第二叶片（210）的相对两侧，所述第二轮壁（220）的外径大于所述第一轮壁（112）的外径。

7.如权利要求6所述的生物反应器，其特征在于，所述第二叶片（210）的端部与所述第二轮壁（220）的外周壁齐平。

8.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述转轴组件（300）包括转轴（310）以及连接于所述转轴（310）的多个桨叶（320），多个所述桨叶（320）的叶缘连接于所述轮毂（111）的内周壁。