CN117050880A - 一种灌流装置及灌流方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种灌流装置及灌流方法，灌流装置包括过滤元件、回收元件、动力元件、袋体，过滤元件两端分别与生物反应器和动力元件连通，回收元件两端与过滤元件两端连接，动力元件包括由若干夹板形成的夹板组件，袋体设于夹板之间，过滤元件用于将生物反应器内培养液进行过滤并流入袋体中，回收元件用于将过滤元件产生的废液进行回收，夹板组件的一侧设有按压组件，按压组件用于周期性的按压夹板组件，以使得生物反应器与袋体之间的培养液实现动态循环，袋体的上方连接有调压组件，调压组件用于调整袋体内的气压。本发明提供的灌流装置通用性强、管路设计灵活、整体结构简单。

Description

一种灌流装置及灌流方法

技术领域

本发明涉及生物培养技术领域，具体涉及一种灌流装置及灌流方法。

背景技术

细胞培养(cell culture)是指在体外模拟体内环境(无菌、适宜温度、酸碱度和一定营养条件等)，使之生存、生长、繁殖并维持主要结构和功能的一种方法，由于细胞在培养过程中的新陈代谢会使得反应液中的代谢产物浓度升高，导致细胞死亡。

灌流是新兴的一种细胞培养模式。其原理是采用过滤方式，持续将细胞培养液中的液体滤出，同时以等速对培养体系加入新鲜的培养液，实现长时间内细胞培养体系中，代谢产物的的动态平衡。目前灌流系统主要包括过滤元件、主动力元件、控制元件等，一般采用蠕动泵，磁力泵等作为动力源驱动一个容器腔体的膨胀和收缩来实现流体进出过滤元件；然而采用泵等作为动力系统，对细胞的剪切力较大，系统结构复杂，可变化余地小。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种灌流装置及灌流方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

本发明一方面提供一种灌流装置，连接在生物反应器底部，用于实现所述生物反应器内培养液的代谢产物动态平衡，所述灌流装置包括过滤元件、回收元件、动力元件、袋体，所述过滤元件一端与所述生物反应器的底部连接，另一端与所述动力元件连通，所述回收元件两端与所述过滤元件两端连接，所述动力元件包括由若干夹板形成的夹板组件，所述袋体设于所述夹板之间，所述袋体的底部与所述过滤元件连接，所述袋体的顶部与调压组件连接，所述调压组件用于调整所述袋体内的气压，所述过滤元件用于将所述生物反应器内培养液中的代谢产物进行过滤，并将过滤后的培养液流入所述袋体中，所述回收元件用于将所述过滤元件产生的废液进行回收，所述夹板组件的一侧设有按压组件，所述按压组件用于周期性的调整所述夹板组件运动，以使得所述生物反应器与所述袋体之间的培养液实现动态循环。

本发明的有益效果是：本发明提供的灌流装置与生物反应器的底部连接，在液位差压力和生物反应器罐内压力的作用下，生物反应器内培养液的培养液通过过滤元件进行过滤后进入袋体，直至袋体内的压强与生物反应器内的压力相同，所述动力元件包括由若干夹板形成的夹板组件，所述袋体设于所述夹板之间，进入通过按压组件推动夹板组件运动，进而对袋体进行压缩释放，使得袋体产生“呼吸”，袋体内的压力产生变化，使得袋体内的培养液通过过滤元件重新回收至生物反应器中，在液位差压力、生物反应器罐内压力的和按压的作用下，使得生物反应器与袋体内的培养液循环流动，实现生物反应器内培养液的代谢产物的动态平衡；培养液经过过滤元件产生的废液通过与过滤元件两端连接的回收元件回收。本装置中袋体、夹板组件等可采用市场通用产品，成本较低；夹板可对不同大小的袋体进行按压，管路设计灵活，整体结构简单，通过袋体内的气体压力变化使得培养液流动，对细胞剪切力小，适合大范围推广。

优选地，所述生物反应器与所述过滤元件之间设有液体调节阀。

优选地，所述过滤元件为中空纤维膜柱。

优选地，所述回收元件包括与所述过滤元件两端连接的回收管路，所述回收管路连接有回收泵，所述回收泵用于调节所述废液的回收流速。

优选地，所述调压组件包括依次与所述袋体连接的气体过滤器、气体调压阀和气体压缩泵。

优选地，所述袋体与所述夹板通过粘胶粘接。

优选地，所述按压组件包括与所述夹板组件连接的伸缩杆和用于驱动所述伸缩杆的驱动电机，所述伸缩杆与所述夹板组件连接，用于调整所述夹板组件中各夹板之间的距离，以调整所述袋体内的培养液含量。

优选地，所述按压组件包括气囊与所述气囊连通的气体控制器，所述气体控制器用于控制所述气囊内气体的体积变化，调整所述夹板组件中各夹板之间的距离，以调整所述袋体内的培养液含量。

本发明第二方面提供一种基于上述灌流装置的灌流方法，所述灌流方法包括：

将所述过滤元件的一端连接在所述生物反应器的底部，并依次安装所述回收元件和所述动力元件，所述回收元件两端与所述过滤元件两端连接；

通过所述调压组件调节所述袋体内的气压至第一预设值，所述生物反应器内的罐内压力和液位差压力之和大于所述第一预设值，同时所述按压组件朝远离所述夹板组件的方向运动；

开启所述生物反应器，关闭所述调压组件，在罐内压力和液位差压力的作用下所述生物反应器内的培养液自发的流过所述过滤元件并流入所述袋体内；

启动所述回收元件，通过所述回收元件对所述过滤元件过滤过程中产生的废液进行回收；

通过所述按压组件按压所述夹板组件，所述按压组件朝靠近所述夹板组件的方向运动，袋体内的培养液通过所述过滤元件回流至所述生物反应器内；

通过所述按压组件周期性的控制所述夹板组件运动，使得所述生物反应器与所述袋体之间的培养液实现动态循环。

优选地，关闭所述回收元件，通过按压元件按压所述夹板组件，与使得所述夹板组件中各夹板间的距离达到预设值；

开启所述调压组件，通过调压组件调节所述袋体内的气压至第二预设值，在所述第二预设值下，所述灌流装置内滞留的培养液回流至所述生物反应器内，以对所述灌流装置进行吹扫。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的灌流装置工作状态结构示意图；

图2为图1中灌流装置局部放大的结构示意图；

图3为图1夹板组件与排列结构示意图；

图4为图1中袋体的结构示意图；

图5为1中袋体压缩状态的结构示意图；

图6为1中袋体膨胀状态的结构示意图；

图7为第二实施例提供的灌流装置局部放大的结构示意图。

主要元件符号说明：

10、生物反应器；11、液体调节阀；20、过滤元件；30、回收元件；31、回收管路；32、回收泵；40、动力元件；41、夹板组件；42、按压组件；421、伸缩杆；422、驱动电机；423、气囊；424、气体控制器；50、袋体；60、调压组件；61、气体过滤器；62、气体调压阀；63、气体压缩泵。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供一种灌流装置，与生物反应器的底部连接，生物反应器内培养液的培养液通过过滤元件进行过滤后进入袋体，通过按压组件周期性的按压夹板组件，进而对袋体进行压缩释放，使得袋体产生“呼吸”，袋体内的压力产生变化，在液位差压力、生物反应器罐内压力的和按压的作用下，使得生物反应器与袋体内的培养液循环流动，实现生物反应器内培养液的代谢产物的动态平衡。本申请提出的灌流装置，成本较低、管路设计灵活，整体结构简单，适合大范围推广。

实施例1

如图1至图6所示，本发明第一实施例提供一种灌流装置，连接在生物反应器10底部，用于实现生物反应器10内培养液代谢产物的动态平衡，灌流装置包括过滤元件20、回收元件30、动力元件40、袋体50，过滤元件20一端与生物反应器10的底部连接，另一端与动力元件40连通，回收元件30的两端与过滤元件20的两端连接，动力元件40包括由若干夹板形成的夹板组件41，袋体50设于夹板之间，袋体50的底部与过滤元件20连接，袋体50的顶部与调压组件60连接，调压组件60用于调整袋体内的气压，如图3所示，具体的，多个袋体可以预先布置在各夹板之间，按需求一个一个使用，不使用的袋体，可以通过夹板夹紧并锁住，此时不使用袋体被完全挤压，可以根据灌流的时长配置相应的袋体数量，多个袋体可以依次投入使用，提高装置的使用寿命，具体的，在本实施例中，袋体50可以通过高粘度粘胶粘接在夹板之间。过滤元件20用于将生物反应器内培养液中的代谢产物进行过滤，并将过滤后的培养液流入袋体50中，回收元件30用于将过滤元件20过滤过程中产生的废液进行回收，夹板组件41的一侧设有按压组件42，按压组件42用于周期性的按压夹板组件41，以使得生物反应器10与袋体50之间的培养液实现动态循,。

可选的，在本实施例中，生物反应器10可以用于培养细胞等微生物，微生物培养过程中会产生代谢产物，生物反应器10存储的高度高于灌流装置的高度，以使得生物反应器10与灌流装置之间存在液位差，优选的，为了提高培养液通过过滤元件20的效率，生物反应器10罐内预设有一定的罐内压力，在生物反应器10与中空纤维膜柱之间设有液体调节阀11，过滤元件20可以选用中空纤维膜柱；回收元件30包括与过滤元件20两端连接的回收管路31，回收管路31连接有回收泵32，回收泵32用于调节废液的回收流速，可选的，在本实施例中，调节回收泵32，使得废液的流速为100ml/min。使用时，通过调压组件60调整袋体内气体的压力达到预设值，打开液体调节阀11，通过罐内压力和液位差压力共同作用下，生物反应器内的培养液自发的通过中空纤维膜柱流入袋体50中，直至压力平衡，然后关闭调压组件60，开启回收泵，通过按压组件周期性的控制夹板组件运动，由于袋体50连接的调压组件关闭，使得袋体50内的气体量保持不变，夹板组件41中的各夹板相互靠近时，袋体50受到挤压，袋体内的培养液回流至生物反应器内，夹板组件41中的各夹板相互远离时，袋体50膨胀，生物反应器内的培养液流入袋体内，实现生物反应器10与袋体50之间的培养液实现动态循环；中空纤维膜柱过滤过程中产生的代谢产物浓度较高的废液会流入中空纤维膜柱的两端，在回收泵32的作用下沿回收管路31流出，然后集中回收处理，进而使得生物反应器内培养液的代谢产物动态平衡。

可选的，调压组件60包括依次与袋体连接的气体过滤器61、气体调压阀62和气体压缩泵63，气体压缩泵内设有压缩空气，通过气体过滤器61防止空气中的杂质进入装置内；通过调节气体调压阀62，可以调节袋体50内的气压，进而调节袋体50内的液位，可选的，在本实施例中，使用前，首先通过气体调压阀62调节气压，使得袋体内的气体压力为生物反应器10罐内压力和液位压力的50％左右，同时按压组件向外退缩，袋体50膨胀，打开液体调节阀11，在液位差和罐内压力的作用下，生物反应器10的培养液通过中空纤维膜柱进入袋体50内，然后根据进入袋体内的液位调节气体调压阀62，使得袋体内的液位达到要求值，然后关闭气体调压阀62，使得袋体内的气体量保持不变，然后通过按压组件42周期性的按压夹板组件41，使得生物反应器10与袋体50之间的培养液实现动态循环；另外，由于使得袋体内的气体量保持不变，使得灌流过程中，袋体上方存在部分空气，培养液不会溢出到袋体50上端的气路中。

另外，在本实施例中，如图2所示，按压组件42包括与夹板组件41连接的伸缩杆421和用于驱动伸缩杆421的驱动电机422，具体的，按压组件42固定，通过驱动电机422推动驱动伸缩杆421伸缩，伸缩杆421与夹板组件41连接，用于调整夹板组件41中各夹板之间的距离，以调整袋体内的培养液含量；具体的，当伸缩杆421伸长时，伸缩杆421推动夹板组件，使得各夹板间的间距减小，袋体50被压缩，由于袋体50内的气体体积不变，因此，袋体50内压力增大，的液体被挤压，回流至生物反应器10内；当伸缩杆421回缩时，伸缩杆421作用在夹板组件上的力减小，由于袋体50内存在一定的气体，袋体膨胀，袋体50内压力减小，生物反应器10内的培养液经过中空纤维膜柱再次自发流入袋体内。

本申请提供的灌流装置，使用时，首先通过管路将中空纤维膜柱的一端与生物反应器10连通，另一端与袋体50连通，当存在多个袋体时，将多个袋体连通在干管上，然后将中空纤维膜柱与干管连通，通过气体调压阀62调节充入袋体50内的气体压力，经过气体过滤器61过滤后的空气将袋体膨胀，打开液体调节阀11，在液位差和罐内压力的作用下，生物反应器10内的培养液经过中空纤维膜柱后流入袋体内，通过气体调压阀62调节袋体内液体的液位，然后关闭气体调压阀62，使得袋体内的气体量不变，启动回收泵32，通过驱动电机422往复控制伸缩杆421伸缩，让袋体产生“呼吸”效应；袋体50膨胀时，生物反应器10内的培养液自发流入袋体50内。袋体50压缩时，袋体50内的液体回流至生物反应器10内。中空纤维膜柱过滤过程中产生的代谢产物浓度较高的废液会流入中空纤维膜柱的两端，在回收泵32的作用下沿回收管路31流出，然后集中回收处理，进而使得生物反应器内培养液的代谢产物动态平衡。本装置中袋体、夹板组件等可采用市场通用产品，成本较低、选型多样化；夹板可对不同大小的袋体进行按压，管路设计灵活，整体结构简单，通过袋体内的气体压力变化使得培养液流动，对细胞剪切力小；另外，本装置的各元件可以采用一次性使用组件，耐受gamma辐照处理，无需蒸汽灭菌，即插即用，适合大范围推广。

实施例2

本实施例提供的灌流装置与第一实施例提供的灌流装置的不同之处在于：

在本实施例中，袋体50上设有可插入挂件的凹槽，在夹板上设有与所述凹槽相适配插片，袋体50通过凹槽和插片设于夹板之间；另外，在本实施例中，如图7所示，按压组件42包括气囊423与气囊连通的气体控制器424，气体控制器424用于控制气囊423内气体的体积变化，进而调整夹板组件41中各夹板之间的距离，以调整袋体50内的培养液含量；可以理解的是，气囊423置于夹板组件41外侧限定空间的套盒(图中未示出)内，套盒固定，以使得气囊423内气体变化时能推动夹板组件41运动，例如，套盒靠近夹板组件41的一侧为开口，气囊423设于套盒内，气囊423体积的变化可部分凸起套盒的开口，以推动夹板组件41运动。

实施例3

本实施例提供一种采用上述实施例1或实施例2任意一项的灌流装置进行的灌流方法，包括以下步骤：

将所述过滤元件的一端连接在所述生物反应器的底部，并依次安装所述回收元件和所述动力元件，所述回收元件两端与所述过滤元件两端连接；

通过所述调压组件调节所述袋体内的气压至第一预设值，所述生物反应器内的罐内压力和液位差压力之和大于所述第一预设值，同时所述按压组件朝远离所述夹板组件的方向运动；

具体实施时，开启气体调压阀，调节袋体内的气压压力，通时袋体内由于充入气体而膨胀，按压组件朝远离夹板组件的方向运动。

开启所述生物反应器，关闭所述调压组件，在罐内压力和液位差压力的作用下所述生物反应器内的培养液自发的流过所述过滤元件并流入所述袋体内；

具体实施时，打开液体调节阀，关闭气体调压阀，袋体内的气体体积量不变，在罐内压力和液位差压力的作用下生物反应器内的培养液自发的流过过滤元件并流入袋体内。

启动所述回收元件，通过所述回收元件对所述过滤元件过滤过程中产生的废液进行回收；

通过所述按压组件按压所述夹板组件，所述按压组件朝靠近所述夹板组件的方向运动，袋体内的培养液通过所述过滤元件回流至所述生物反应器内；

通过所述按压组件周期性的控制所述夹板组件运动，使得所述生物反应器与所述袋体之间的培养液实现动态循环。

进一步的，当随着使用时间的加长，袋体或中空纤维膜柱内存在较多杂质而需要更换时，灌流方法还包括：

关闭所述回收元件，通过按压元件按压所述夹板组件，与使得所述夹板组件中各夹板间的距离达到预设值；

具体实施时，通过按压夹板组件，使得各夹板间的距离达到预设值后暂停，此时袋体没有被完全压紧，袋体内允许空气通过。

开启所述调压组件，通过调压组件调节所述袋体内的气压至第二预设值，在所述第二预设值下，所述灌流装置内滞留的培养液回流至所述生物反应器内，以对所述灌流装置进行吹扫。

具体实施时，第二预设值为罐内压力和液位差压力之和的1.2倍左右，灌流装置中各元件与管路内滞留的培养液回流至所述生物反应器内，以对所述灌流装置进行吹扫，然后关闭液体调节阀，即可进行更换。

需要说明的是，上述的实施过程只是为了说明本申请的可实施性，但这并不代表本申请的灌流装置及灌流方法只有上述几种实施流程，相反的，只要能够将本申请的灌流装置及灌流方法实施起来，都可以被纳入本申请的可行实施方案。另外，本发明的实施方式中灌流装置的结构部分与本发明制备灌流装置的方法部分是相对应的，其具体实施细节也是相同的，在此不再赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种灌流装置，连接在生物反应器底部，用于实现所述生物反应器内培养液的代谢产物动态平衡，其特征在于，所述灌流装置包括过滤元件、回收元件、动力元件、袋体，所述过滤元件一端与所述生物反应器的底部连接，另一端与所述动力元件连通，所述回收元件两端与所述过滤元件两端连接，所述动力元件包括由若干夹板形成的夹板组件，所述袋体设于所述夹板之间，所述袋体的底部与所述过滤元件连接，所述袋体的顶部与调压组件连接，所述调压组件用于调整所述袋体内的气压，所述过滤元件用于将所述生物反应器内培养液中的代谢产物进行过滤，并将过滤后的培养液流入所述袋体中，所述回收元件用于将所述过滤元件产生的废液进行回收，所述夹板组件的一侧设有按压组件，所述按压组件用于周期性的调整所述夹板组件运动，以使得所述生物反应器与所述袋体之间的培养液实现动态循环。

2.根据权利要求1所述的灌流装置，其特征在于，所述生物反应器与所述过滤元件之间设有液体调节阀。

3.根据权利要求1所述的灌流装置，其特征在于，所述过滤元件为中空纤维膜柱。

4.根据权利要求3所述的灌流装置，其特征在于，所述回收元件包括与所述过滤元件两端连接的回收管路，所述回收管路连接有回收泵，所述回收泵用于调节所述废液的回收流速。

5.根据权利要求1所述的灌流装置，其特征在于，所述调压组件包括依次与所述袋体连接的气体过滤器、气体调压阀和气体压缩泵。

6.根据权利要求1所述的灌流装置，其特征在于，所述袋体与所述夹板通过粘胶粘接。

7.根据权利要求1所述的灌流装置，其特征在于，所述按压组件包括与所述夹板组件连接的伸缩杆和用于驱动所述伸缩杆的驱动电机，所述伸缩杆与所述夹板组件连接，用于调整所述夹板组件中各夹板之间的距离，以调整所述袋体内的培养液容量。

8.根据权利要求1所述的灌流装置，其特征在于，所述按压组件包括气囊与所述气囊连通的气体控制器，所述气体控制器用于控制所述气囊内气体的体积变化，调整所述夹板组件中各夹板之间的距离，以调整所述袋体内的培养液容量。

9.一种采用上述权利要求1-8任意一项所述的灌流装置进行的灌流方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述过滤元件的一端连接在所述生物反应器的底部，并依次安装所述回收元件和所述动力元件，所述回收元件两端与所述过滤元件两端连接；

通过所述调压组件调节所述袋体内的气压至第一预设值，所述生物反应器内的罐内压力和液位差压力之和大于所述第一预设值，同时所述按压组件朝远离所述夹板组件的方向运动；

开启所述生物反应器，关闭所述调压组件，在罐内压力和液位差压力的作用下所述生物反应器内的培养液自发的流过所述过滤元件并流入所述袋体内；

启动所述回收元件，通过所述回收元件对所述过滤元件过滤过程中产生的废液进行回收；

通过所述按压组件按压所述夹板组件，所述按压组件朝靠近所述夹板组件的方向运动，袋体内的培养液通过所述过滤元件回流至所述生物反应器内；

通过所述按压组件周期性的控制所述夹板组件运动，使得所述生物反应器与所述袋体之间的培养液实现动态循环。

10.根据权利要求9所述的灌流方法，其特征在于，所述灌流方法还包括：

关闭所述回收元件，通过按压元件按压所述夹板组件，与使得所述夹板组件中各夹板间的距离达到预设值；

开启所述调压组件，通过调压组件调节所述袋体内的气压至第二预设值，在所述第二预设值下，所述灌流装置内滞留的培养液回流至所述生物反应器内，以对所述灌流装置进行吹扫。