CN1254531C - 带有筛网型导流筒的气升式植物细胞培养生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种筛网型导流筒气升式植物细胞培养生物反应器，包括反应器主体、导流筒、外置光源和气体分布器，其中，反应器主体为圆型或方型透明筒体，导流筒固定在反应器主体中，并与反应器主体的上下壁之间留有间距，反应器主体的上壁上设有接种口、空气出口和补液口，其下壁上设有空气进口，该空气进口与安装在反应器主体底部的气体分布器相连通，外置光源均匀分布在反应器主体的四周，其特征在于：所述的导流筒为由金属筛网制成的筛网型导流筒，位于反应器主体的中心处，气体分布器位于筛网型导流筒的正下方。该反应器使植物细胞附着于筛网上生长，降低气流对植物细胞的剪切力，适于植物细胞的大规模培养，且具有结构简单、操作方便的优点。

Description

带有筛网型导流筒的气升式植物细胞培养生物反应器

技术领域

本发明属于生物技术领域中使用的生物反应器，特别涉及一种带有筛网型导流筒的气升式植物细胞培养生物反应器。

背景技术

生物反应器是用于大规模培养微生物、植物和动物细胞的反应器，如适于微生物、植物和动物细胞培养的外环流生物反应器(W.W.Su，US5342781)；由三个通过膜互相连通的反应室(包括细胞培养室、培养液室和产物室)组成的生物反应器(K.Hermann，EP0155237)；用于硝化细菌培养的膜式生物反应器(徐又一等，CN1239709A)；用于单细胞蛋白生产的气-液环流生物反应器(王洪祺等，CN85109440A)；用于微生物细胞培养的生物反应器(森敬，CN87104667；许骁增等，CN1124292A)。人们已利用生物反应器培养植物细胞组织器官来进行工业化生产，如用生物反应器培养人参毛状根(B.Hwang et al.，KR9500443)；用气升式生物反应器培养长春花细胞生产蛇根碱(Scragg & Altan，Biotechnology in agriculture andforestry，1993，pp.249-268)；三井石油化学公司采用750L搅拌式反应器二步法培养紫草细胞，实现紫草宁的工业化生产(Noguchi et al.，Plant tissue culture and itsbiotechnological application，1977，pp.85.)。德国建立了75L、750L、7500L、1500L和75000L系列搅拌式生物反应器组成的植物细胞培养工厂，并利用这些反应器培养紫松果菊(Echinacea purpurea)细胞，生产免疫活性多糖(Mavituna F，Recent advancesin biotechnology，1992，pp.209-226)。

从七十年代后期开始，植物细胞、组织和器官的培养较多采用气升式生物反应器，如本申请人的已于1999年11月13日授权的专利号为98205797.0L的气升式周期浸没光照植物细胞组织器官培养反应器，该反应器主要由反应器主体、筛网隔板、接种管、气体分布器、光源、储液槽、电磁阀、气液循环管和气液分配管组成，是一种适于大规模培养的生物反应器，可以实现植物组织和器官培养的均匀接种并克服植物组织器官长期浸没产生的玻璃化和变异现象，但是，这种生物反应器只能适用于植物组织和器官的培养；又如《医药工程设计》1999年第5期第3页“气升式发酵罐设计”一文所介绍的导流筒气升式生物反应器，该气升式生物反应器是在反应器主体中设置一导流筒，该导流筒位于气体分布器的上方，可以将反应器分为上升区和下降区，培养液在反应器中循环流动，但无法穿透导流筒的侧壁作径向的流动，因此该气升式生物反应器在气速过大时，气流造成的剪切力仍然较大，对植物细胞的生长不利。

因为植物细胞的个体大，细胞壁僵脆和具有大的液泡，因此，植物细胞对流体剪切力较为敏感，流体剪切力对植物细胞的影响有正反两方面：一方面，流体剪切力对植物细胞的积极影响表现为增加通气，保持良好的混合状态和细胞分散性，在合适的条件下甚至可以提高细胞产率和增加次生代谢产物的产量；另一方面，在多数情况下流体剪切力对植物细胞的生长呈副作用，造成细胞损伤，影响细胞形态、代谢及聚集状态等。在气升式生物反应器中，植物细胞主要受到随着时间和液层高度变化而变化的剪切力的影响，越靠近气体分布器，气流速度越大，细胞所受到的剪切力也越大，剪切力过大时会严重损伤细胞膜并导致细胞溶解，因此在气升式生物反应器中选择合适的气流速度和方向，减少剪切力就显得非常重要。而现有的导流筒气升式反应器中的剪切力对植物细胞造成的伤害仍然较大，且无细胞可以附着的固体表面，影响了细胞的生长及代谢产物的生成。另外，利用现有的气升式生物反应器培养植物细胞时接种量均不能过大，否则细胞会由于供氧不足而容易褐化以至死亡。

发明内容

本发明的目的是克服现有的导流筒气升式生物反应器中细胞所受到的剪切力较大和接种量小的缺点，从而提供一种带有筛网型导流筒的气升式植物细胞培养生物反应器。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的带有筛网型导流筒的气升式植物细胞培养生物反应器，包括反应器主体、导流筒、外置光源和气体分布器，其中，反应器主体为圆型或方型透明筒体，导流筒固定在反应器主体中，并与反应器主体的上下壁之间留有间距，反应器主体的上壁上设有接种口、空气出口和通过控制阀门与补液瓶相通的补液口，反应器主体下壁上设有供经过滤后的空气进入的空气进口，该空气进口与安装在反应器主体底部的气体分布器相连通，外置光源均匀分布在反应器主体的四周，其特征在于：所述的导流筒为由金属筛网制成的筛网型导流筒，位于反应器主体的中心处，气体分布器位于筛网型导流筒的正下方。

所述的筛网型导流筒为奇数个不同直径的筛网型导流筒套装在一起组成的导流筒组，位于最中心处筛网型导流筒的正下方放置器壁上带喷气孔的圆形气体分布器，由最中心处筛网型导流筒向外依次每两个导流筒之间形成的环形区域的正下方放置器壁上带喷气孔的环形气体分布器。

所述的筛网型导流筒为偶数个不同直径的筛网型导流筒套装在一起组成的导流筒组，由里向外依次每两个导流筒之间形成的环形区域的正下方放置器壁上带喷气孔的环形气体分布器。

本发明提供的带有筛网型导流筒的气升式植物细胞培养生物反应器，还包括一沿反应器主体的中心轴线设置的内置光源。

本发明提供的带有筛网型导流筒的气升式植物细胞培养生物反应器，还可进一步包括一位于反应器主体外部且与空气进气口相连通的气体控温装置。

所述的筛网型导流筒螺合固定在反应器内的支架上，以便拆卸。

本发明的优点在于：本发明的反应器根据所培养的植物组织或细胞的大小不同而可以改变筛网孔径的大小，结构简单、操作方便，筛网结构增加了通气量，筛网型导流筒内外之间的径向流动减小了植物细胞所受的剪切力；设置多个筛网型导流筒，径向流动的流体可以使细胞附着在筛网导流筒壁上，提供大部分细胞生长所需的足够的附着表面，可增加植物细胞悬浮培养时的接种量，并为细胞生长和代谢创造了一个良好的聚集附着条件。同时多个环形气体分布器可以在气流量不变的情况下，保证流出气体的速度减低，并增加导流筒内外之间的径向流动，既可减少剪切力，又有利于细胞的流动，减少沉降现象，解决因单个导流筒内气速过大造成植物细胞破裂自溶的缺点，另外，内外设置光源也为细胞生长提供了充足的光照环境。

附图说明

图1为本发明的具有1个筛网型导流筒的气升式生物反应器的结构示意图

图2为本发明的具有2个筛网型导流筒的气升式生物反应器的结构示意图

图3为本发明的具有3个筛网型导流筒的气升式生物反应器的结构示意图

其中：

反应器主体1          筛网型导流筒2          气体分布器3

接种口4              空气进口5              气体流量计6

空气出口7            补液瓶8                外置光源9

内置光源10           空气过滤器11           阀门12

气体控温装置13       补液口14

具体实施方式

实施例1：

制备1套2L的本发明提供的筛网型导流筒气升式植物细胞培养生物反应器，如图1所示，一由φ120mm×300mm耐热玻璃制造的反应器主体1，内置光源10沿反应器主体1的轴线固定在反应器主体的顶盖上，将用不锈钢筛网制成的1个筛网型导流筒2轴向螺合固定在反应器底部的支架上，且位于反应器主体1中心，位于筛网型导流筒2的正下方的圆形气体分布器3固定在反应器主体1的底板上，该圆形气体分布器3与底板上的空气进口5相连通，空气进口5与外部的空气压缩机相连，其连接管道上安装有空气过滤器11，和气体流量计6(用来调节气流量的大小)，反应器主体1外围均匀设外置日光灯管9，反应器主体的顶盖上设有设有一接种口4、一空气出口7和一通过控制阀门12与补液瓶8相连通的补液口14。

实施例2

制备1套2L的本发明提供的筛网型导流筒气升式植物细胞培养生物反应器，如图2所示，一由φ120mm×300mm耐热玻璃制造的反应器主体1，内置光源10沿反应器主体1的轴线固定在反应器主体的顶盖上，将用不锈钢筛网制成的2个直径分别40mm和80mm的筛网型导流筒2同轴套装固定于反应器主体1内，所述筛网型导流筒2的环形区的正下方设置一环形气体分布器3，该环形气体分布器3安装在反应器主体1底板上，与空气进口5相连通，空气进口5与外部的空气压缩机相连，其连接管道上安装有空气过滤器11、气体控温装置13和气体流量计6，反应器主体1外围均匀设外置日光灯管9，反应器主体的顶盖上设有设有一接种口4、一空气出口7和一通过控制阀门12与补液瓶8相连通的补液口14。气体控温装置13用以控制培养所需气体的温度。

用实施例2所述的2L筛网型导流筒气升式植物细胞培养生物反应器来培养肉苁蓉悬浮细胞，其接种量由已有技术中的气升式生物反应器接种量的2.5％增加至5％，通气量由0.010m³/n增加至0.075m³/h，培养20天后，细胞干重由4.6g/L增加至8.69g/L，次级代谢产物苯乙醇糖甙产量由0.42g/L增加至0.85g/L。

实施例3：

制备一40L的筛网型导流筒气升式植物细胞培养生物反应器，如图3所示，一由φ230mm×1400mm耐热玻璃制造的反应器主体1，将用不锈钢筛网制成的3个直径分别为60mm、120mm和180mm的筛网型导流筒2同轴套装固定于反应器主体1内，内置光源10沿反应器主体1的轴线固定在反应器主体的顶盖上，该内置光源10是在φ40mm耐热玻璃内置光照管中插入日光灯管制成。

位于中心的筛网型导流筒的正下方的圆形区域内有一圆形气体分布器，其外围的两个筛网型导流筒之间的环形区域的正下方有一环形气体分布器3，该两个气体分布器3均安装在反应器主体1底板上，并与空气进口5相连通，空气进口5与外部的空气压缩机相连，其连接管道上安装有空气过滤器11、气体控温装置13和气体流量计6，反应器主体1外围均匀设外置日光灯管9，反应器主体的顶盖上设有设有一接种口4、一空气出口7和一通过控制阀门12与补液瓶8相连通的补液口。

用实施例3所述的40L筛网型导流筒气升式植物细胞培养生物反应器培养植物细胞时，先用高温蒸汽灭菌，灭菌温度为103-115℃，灭菌50-200分钟；然后通入培养液，待温度降至室温后打开接种口封帽，在无菌环境下将培养物种子加入，盖好封帽，通入空气进行培养。培养过程中细胞受筛网导流筒内外压差的影响可以附着于筛网壁上生长，同时培养液的径向流动使得细胞所受的剪切力降低。

当然，本发明中的筛网型导流筒也为由多个不同直径的筛网型导流筒套装在一起组成的导流筒组。

Claims (10)

1、一种带有筛网型导流筒的气升式植物细胞培养生物反应器，包括反应器主体、导流筒、外置光源和气体分布器，其中，反应器主体为圆型或方型透明筒体，导流筒固定在反应器主体中，并与反应器主体的上下壁之间留有间距，反应器主体的上壁上设有接种口、空气出口和通过控制阀门与补液瓶相通的补液口，反应器主体下壁上设有供经过滤后的空气进入的空气进口，该空气进口与安装在反应器主体底部的气体分布器相连通，外置光源均匀分布在反应器主体的四周，其特征在于：所述的导流筒为由金属筛网制成的筛网型导流筒，位于反应器主体的中心处，气体分布器位于筛网型导流筒的正下方。

2、按权利要求书1所述的带有筛网型导流筒的气升式植物细胞培养生物反应器，其特征在于：所述的筛网型导流筒为奇数个不同直径的筛网型导流筒套装在一起组成的导流筒组，位于最中心处筛网型导流筒的正下方放置器壁上带喷气孔的圆形气体分布器，由最中心处筛网型导流筒向外依次每两个导流筒之间形成的环形区域的正下方放置器壁上带喷气孔的环形气体分布器。

3、按权利要求书1所述的带有筛网型导流筒的气升式植物细胞培养生物反应器，其特征在于：所述的筛网型导流筒为偶数个不同直径的筛网型导流筒套装在一起组成的导流筒组，由里向外依次每两个导流筒之间形成的环形区域的正下方放置器壁上带喷气孔的环形气体分布器。

4、按权利要求书1、2或3所述的带有筛网型导流筒的气升式植物细胞培养生物反应器，其特征在于：还包括一沿反应器主体的中心轴线设置的内置光源。

5、按权利要求书1、2或3所述的带有筛网型导流筒的气升式植物细胞培养生物反应器，其特征在于：还包括一位于反应器主体外部且与空气进气口相连通的气体控温装置。

6、按权利要求书4所述的带有筛网型导流筒的气升式植物细胞培养生物反应器，其特征在于：还包括一位于反应器主体外部且与空气进气口相连通的气体控温装置。

7、按权利要求书1、2或3所述的带筛网型导流筒的气升式植物细胞培养生物反应器，其特征在于：所述的筛网型导流筒螺合固定在反应器内的支架上。

8、按权利要求书4所述的带筛网型导流筒的气升式植物细胞培养生物反应器，其特征在于：所述的筛网型导流筒螺合固定在反应器内的支架上。

9、按权利要求书5所述的带筛网型导流筒的气升式植物细胞培养生物反应器，其特征在于：所述的筛网型导流筒螺合固定在反应器内的支架上。

10、按权利要求书6所述的带筛网型导流筒的气升式植物细胞培养生物反应器，其特征在于：所述的筛网型导流筒螺合固定在反应器内的支架上。

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