CN207079244U - 一种生物反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了医药设备领域的一种生物反应器，包括罐体、导流筒、多级调速搅拌器，以及水平置于所述罐体内的上固定板和下固定板，所述导流筒在所述罐体的中心竖直贯穿所述上固定板和所述下固定板，所述上固定板和所述下固定板均为多孔板，所述罐体，所述导流筒、所述上固定板和所述下固定板之间形成细胞培养床；所述导流筒的内圆周壁上固定有竖直设置的通气管，所述通气管的顶端高于所述导流筒的顶端，所述通气管的底端连通与所述下固定板等高，外圆周紧贴所述导流筒内圆周的环形气体分布器，所述环形气体分布器为一根水平设置的环形管，所述环形气体分布器的圆周上均布多个供氧通气孔，所述多级调速搅拌器竖直伸入所述导流筒的底部。

Description

一种生物反应器

技术领域

本实用新型涉及医药设备领域的一种生物反应器。

背景技术

目前进行细胞培养的生物反应器，主要分为流化床生物反应器和固定床生物反应器。固定床生物反应器在一个固定的容器中间装填有细胞培养载体来进行细胞培养的填料。所述填料是由细胞培养载体组成的，所述细胞培养载体通常是直径2-6mm颗粒载体、多孔球载体或者片状纤维载体。细胞培养液循环通过细胞培养载体，细胞培养液依靠搅拌器在搅拌中产生的负压不断在固定床生物反应器内流动，以进行营养成分和/或氧的传递。刚接种的细胞生长在所述细胞培养载体的表面，随着细胞增殖，细胞开始充满所述细胞培养载体间的空隙。固定床生物反应器内细胞培养液流动速度大，细胞生长密度高，可减少无血清培养时的蛋白的用量，适用于增殖悬浮细胞，且对细胞无机械损害，但是，由于所述填料被上固定板和下固定板压紧，细胞的代谢产物及死细胞很难排出，同时细胞培养液不均匀的流动而造成沟流现象和营养分布不均匀，细胞生长速度一致性差。

流化床生物反应器包括罐体、搅拌器，以及由细胞培养载体组成的填料等，通过所述搅拌器在所述罐体内产生向上的漩流，使支持细胞生长的细胞培养液呈流态化，并使内部装填的所述填料中的细胞培养载体上下翻动，依附所述细胞培养载体生长的大量细胞在悬浮状态下生长。流化床生物反应器内，细胞培养液的流动性好，细胞的生长所需的营养在流化床生物反应器内分布均匀，细胞生长一致性好，但细胞和细胞培养载体容易冲出，同时随着细胞的增多，细胞在流化床生物反应器内悬浮态变差。同时流化床生物反应器的规模无法放大，现有流化床生物反应器的深度最大为仅为2m左右，横截面积最大规模仅为1m³。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种生物反应器，其有助于在对细胞培养床进行深层供氧前，实现溶解氧和氧气气泡的分离，防止氧气气泡进入细胞培养床，从而防止氧气气泡破裂而损伤气泡。

实现上述目的的一种技术方案是：一种生物反应器，包括罐体、导流筒、多级调速搅拌器，以及水平置于所述罐体内的上固定板和下固定板，所述导流筒在所述罐体的中心竖直贯穿所述上固定板和所述下固定板，所述上固定板和所述下固定板均为多孔板，所述罐体，所述导流筒、所述上固定板和所述下固定板之间形成细胞培养床；

所述导流筒的内圆周壁上固定有竖直设置的通气管，所述通气管的顶端高于所述导流筒的顶端，所述通气管的底端连通与所述下固定板等高，外圆周紧贴所述导流筒内圆周的环形气体分布器，所述环形气体分布器为一根水平设置的环形管，所述环形气体分布器的圆周上均布多个供氧通气孔，所述多级调速搅拌器竖直伸入所述导流筒的底部。

所述多级调速搅拌器竖直伸入所述导流筒的底部。

进一步的，所述导流筒分为从上至下依次同心连接的垂直导流管、内径上小下大的喇叭口结构，以及垂直搅拌室，所述垂直导流管贯穿所述上固定板并与所述上固定板固定，所述喇叭口结构的顶端同心连接所述垂直导流管的底端，所述喇叭口结构的底端与所述下固定板固定，所述垂直搅拌室的顶端同心连接所述喇叭口结构的底端并与所述下固定板固定；所述环形气体分布器与所述下固定板等高并紧贴所述喇叭口结构的内圆周壁，所述多级调速搅拌器从所述罐体的底端伸入垂直搅拌室，所述补气管紧贴所述垂直导流管和所述喇叭口结构的内圆周壁。

再进一步的，所述垂直导流管的内圆周壁固定有竖直设置的补料管，所述补料管的顶端高于所述导流筒的顶端并低于所述通气管的顶端，底端与所述垂直导流管的底端等高。

再进一步的，所述多级调速搅拌器伸入所述垂直搅拌室部分的高度为所述多级调速搅拌器总高度的四分之一到三分之一。

进一步的，所述上固定板与所述导流筒之间通过O形圈固定，所述下固定板与所述导流筒之间焊接固定，所述上固定板的外圆周与所述罐体的内圆周壁之间通过套接在所述上固定板外圆周上的法兰以及套接在所述法兰外圆周上的垫圈密封，所述下固定板的外圆周与所述罐体的内圆周壁之间通过套接在所述下固定板外圆周上的法兰以及套接在所述法兰外圆周上的垫圈密封。

进一步的，所述罐体的底部插有取样阀，所述取样阀包括一根阀杆，所述阀杆从所述下固定板的底部插入细胞培养床。

进一步的，所述细胞培养床中填装有填料，所述填料由细胞培养载体构成，所述填料的高度为所述细胞培养床高度的三分之二至五分之四，所述细胞培养载体的直径大于所述所上固定板以及所述下固定板的孔径。

再进一步的，所述细胞培养载体为片状纤维细胞培养载体。

进一步的，所述罐体的顶部设有出泡口，所述出泡口与冷凝器连接。

进一步的，所述多级调速搅拌器的桨叶为平叶或螺旋桨形桨叶。

采用了本实用新型的一种生物反应器的技术方案，包括罐体、导流筒、多级调速搅拌器，以及水平置于所述罐体内的上固定板和下固定板，所述导流筒在所述罐体的中心竖直贯穿所述上固定板和所述下固定板，所述上固定板和所述下固定板均为多孔板，所述罐体，所述导流筒、所述上固定板和所述下固定板之间形成细胞培养床；所述导流筒的内圆周壁上固定有竖直设置的通气管，所述通气管的顶端高于所述导流筒的顶端，所述通气管的底端连通与所述下固定板等高，外圆周紧贴所述导流筒内圆周的环形气体分布器，所述环形气体分布器为一根水平设置的环形管，所述环形气体分布器的圆周上均布多个供氧通气孔，所述多级调速搅拌器竖直伸入所述导流筒的底部。其技术效果是：其有助于在对细胞培养床进行深层供氧前，实现溶解氧和氧气气泡的分离，防止氧气气泡进入细胞培养床，从而防止氧气气泡破裂而损伤气泡。

附图说明

图1为本实用新型的一种生物反应器的结构示意图。

图2为本实用新型的一种生物反应器中通气管和环形气体分布器的结构示意图。

图3为本实用新型的一种生物反应器中环形气体分布器的俯视图。

具体实施方式

请参阅图1，本实用新型的发明人为了能更好地对本实用新型的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：

请参阅图1，本实用新型的一种生物反应器，属于一种固定床生物反应器，包括：包括罐体1、导流筒18、补料管11、通气管9、环形气体分布器10、多级调速搅拌器8、上固定板15和下固定板17。

其中，罐体1的顶部设出泡口2和冷凝器口(图未标出)，出泡口2和冷凝器口均与冷凝器(图未标出)连接，生物反应器内的细胞培养液从出泡口进入所述冷凝器，并通过所述冷凝器内的旋液分离器进行气液分离，经过气液分离的细胞培养液通过所述冷凝器口返回罐体1内，气体经过所述冷凝器的尾气滤芯和比例阀排出。

罐体1的圆周壁上设有四个补液口，以及出液口和电极口。所述补液口用于向罐体1内添加细胞培养液及调节pH值用的碱液。

上固定板15和下固定板17均水平置于罐体1内并同心设置。上固定板15的外圆周上套接有法兰和套接在所述法兰外圆周上的垫圈，用于实现上固定板15的外圆周与罐体1的内圆周壁之间的密封。下固定板17的外圆周上套接有法兰和套接在所述法兰外圆周上的垫圈，用于实现下固定板17与罐体1的内圆周壁之间的密封。导流筒18位于罐体1的中心，导流筒18的上部竖直向上贯穿上固定板15，导流筒18的下部竖直向下贯穿下固定板17。也就是说上固定板15的外圆周和下固定板17的外圆周是与罐体1的内圆周壁分离的，因此便于生物反应器的安装和拆卸。

导流筒18从上至下分为依次同心连接的垂直导流管12、内径上小下大的喇叭口结构13和垂直搅拌室14。垂直导流管12竖直贯穿上固定板15。垂直导流管12的顶端高于上固定板15的顶面，底端与喇叭口结构13的顶端连接。垂直导流管12与上固定板15之间通过O形圈固定，O形圈卡接在位于上固定板15内圆周的卡槽中。也就是说，上固定板15的内圆周与导流筒15是分离的，因此便于生物反应器的安装和拆卸。

由于该生物反应器便于安装拆卸，故可以重复多次使用，这对于科研工作而言，极大地降低成本。

喇叭口结构13的底端与下固定板17以及垂直搅拌室14的顶端焊接固定，垂直搅拌室14的顶端与喇叭口结构13的底端以及下固定板17焊接固定，从而使下固定板17与喇叭口结构13和垂直搅拌室14连接的部位焊接固定。喇叭口结构13的外圆周为一个锥面。

导流筒18的中部设置内径上小下大的喇叭口结构13，利于细胞培养液在生物反应器内的循环。下固定板17的下方形成回流腔7，下固定板17、上固定板15、罐体1以及导流筒18之间形成细胞培养床，上固定板15底面是该细胞培养床顶面，下固定板17顶面为该细胞培养床的底面。多级调速搅拌器8从罐体1的底部伸入垂直搅拌室14，即导流筒18的底部。多级调速搅拌器8伸入垂直搅拌室14部分的高度h2为多级调速搅拌器8总高度h1的四分之一到三分之一，而且多级调速搅拌器8的桨叶的顶端低于环形气体分布器10。

上固定板15的底面与下固定板17的顶面之间的细胞培养床中填充由细胞培养载体组成的填料5，细胞培养载体通常采用的是片状纤维载体。本实施例中，上固定板15、下固定板17都是多孔板，选用多孔不锈钢板制成。上固定板15、下固定板17所采用的多孔板的孔径，必须小于填料5中细胞培养载体的直径，起到对填料5中细胞培养载体的阻隔作用，也防止在填料5进到垂直搅拌室14中而导致细胞培养载体内培养的细胞受到多级调速搅拌器8剪切力的作用。填料5的高度d为细胞培养床高度h的三分之二至五分之四。

罐体1的底部设有出料阀6和取样阀4，取样阀4包括一根阀杆，所述阀杆从下固定板17的底部插入细胞培养床，对细胞培养床内的细胞进行取样。

在罐体1内，细胞培养液从导流筒18流向罐体1的底部，导流筒18内形成向下流动的漩流，该向下流动的漩流从导流筒18底部的垂直搅拌室14的底部冲出进入罐体1底部的回流腔7。向下流动的漩流，在多级调速搅拌器8的作用下，多级调速搅拌器8在转动时形成的离心力将细胞培养液甩向多级调速搅拌器8的下方，细胞培养液在碰到罐体1底壁后反弹向上在回流腔7内分散转而形成了向上流动的漩流。由于上固定板15和下固定板17均为多孔板，该向上流动的漩流从下固定板17的底部进入填料5，为填料5中细胞培养载体内的细胞提供营养和溶解氧。该向上流动的漩流的继续向上流动，穿过上固定板15，同时因为多级调速搅拌器8离心力的作用，多级调速搅拌器8处形成负压，罐体1内细胞培养液就从顶部经导流筒18内部回流到回流腔7，再经过多级调速搅拌器8的转动向下后反弹上升，从而达到罐内循环的目的。这样细胞培养床内的细胞培养载体向下沉降，而细胞培养床内细胞培养液向上流动速度与细胞培养床内细胞培养载体沉降的速度趋于平衡的情况下，实现细胞培养载体的悬浮。回流腔7的另外一个目的是减少细胞培养液循环过程中的循环死角。

本实施例中，通过改变多级调速搅拌器8的搅拌速度，可以改变该向上流动的漩流在该填料5内向上的运动速度。当多级调速搅拌器8处于零档时，罐体1底部的回流腔7内无法形成向上流动的漩流。当多级调速搅拌器8的旋转速度处于最低速的一档时，该向上流动的漩流向上流动的速度低于填料5中细胞培养载体的冲出点，填料5中细胞培养载体可以在细胞培养床中沉降下来，形成类似固定床培养的培养方式。当多级调速搅拌器8的旋转速度处于中速的一档时，填料5中细胞培养载体之间存在较大间隙，并且可以观察到所述细胞培养载体在进行微小的晃动，这种晃动有助于使细胞培养液在填料5内的均匀分布，比现有的固定床培养方式优越。

当多级调速搅拌器8的旋转速度继续上升，即多级调速搅拌器8的旋转速度处于最高速的第N档时，该向上流动的漩流向上流动的速度高于填料5中细胞培养载体的沉降速度，使填料5中细胞培养载体的处于悬浮状态，形成类似于流化床的培养方式。由于上固定板15和下固定板17所采用的多孔板，其孔径均小于填料5中细胞培养载体的直径，填料5中细胞培养载体的受到阻隔，而不会冲出。这样的设计避免了细胞培养液不均匀的流动而造成沟流现象和营养分布不均匀，能够保证细胞生长所需的营养在细胞培养床内分布均匀，细胞生长一致性好。由此克服采用固化床进行细胞培养时，因为载体的积压，细胞培养液流动受阻，导致细胞培养液不均匀的流动而造成沟流现象和营养分布不均匀，从而造成细胞生长速度不一致的缺陷。可对细胞培养床内的细胞进行放大培养。

导流筒18的内圆周壁上固定有竖直的通气管9，通气管9的顶部比导流筒18的顶端高3cm，通气管9的底部沿着导流筒18的内圆周壁延伸到喇叭口结构13的底部。通气管9的底部连通围绕喇叭口结构13底部内圆周壁设置，即外圆周的直径等于喇叭口结构13底部内圆周的直径，并与下固定板17等高的环形气体分布器10，环形气体分布器10为一个水平设置的环形管，通气管9与环形气体分布器10无缝连接并连通，环形气体分布器10的圆周上均布有三十六个供氧通气孔101。外界输入的氧气通过通气管9，输送到环形气体分布器10，并通过环形气体分布器10上的三十六个供养通气孔101，在多级调速搅拌器8的作用力下充分与细胞培养液混合，大部分气泡被多级调速搅拌器8破碎，氧气充分溶解于细胞培养液中，形成溶解在细胞培养液的溶解氧，并通过下固定板17的底部进入填料5，对填料5中细胞培养载体内培养的细胞进行深层供氧，而部分未破裂的含有氧气的气泡则经导流筒18向上逆行到罐体1顶部，经出泡口2排出，不直接接触细胞以减少所述气泡破裂的张力对所述细胞培养载体内细胞的损伤。也就是说，环形气体分布器10有助于延长氧气在进入细胞培养液前的行程，在对细胞培养床进行深层供氧前，实现溶解氧和氧气气泡的分离，防止氧气气泡进入细胞培养床，从而防止氧气气泡破裂时的张力而损伤细胞。

同时，导流管12的内圆周壁固定有四根竖直设置的补料管11，补料管11的顶端高于导流筒18的顶端,即垂直导流管12的顶端,并低于通气管9的顶端。补料管11底端与垂直导流管12的底端等高。细胞培养液以及调节PH值用的碱液通过补料管11先进入导流筒18在多级调速搅拌器8的作用下充分混合均匀后再进入细胞培养床内，避免了补加的细胞培养液和碱液直接进入细胞培养床，导致细胞培养环境的瞬间急剧变化而对细胞生长造成的不利影响。本实施例中，补料管11的顶端比导流筒18的顶端，即垂直导流管12的顶端高2cm，通气管9的顶端比导流筒18的顶端，即垂直导流管12的顶端高3cm，以保证对细胞培养床的深层供氧和深层供养，并防止深层供氧和深层供养过程中气泡的产生。

为了保证多级调速搅拌器8的调速，多级调速搅拌器8采用的桨叶是平叶或螺旋桨形桨叶。

该生物反应器培养方式，多级调速搅拌器8的旋转速度以中速为主，间歇而短暂地改变多级调速搅拌器8的旋转速度，使细填料5中细胞培养载体的处于悬浮状态，形成类似于流化床的培养方式，使生物反应器内的细胞培养液和代谢产物均质化。该生物反应器优选的培养可设定为：固定床的培养方式培养1-3小时，流化床的培养方式培养1-3分钟，停止搅拌0.5-1分钟，再重新开始利用固定床的培养方式进行细胞培养。

该生物反应器可实现高密度的细胞培养，所述细胞培养床内的细胞培养密度可达3-5×10⁷个/ml以上，且可以进行长时间连续培养，这是通过连续往罐体1的底部供给细胞培养液和溶解氧，同时罐体1的顶部输出上清液来实现的。填料5内，细胞在细胞培养载体内部生长，有良好的群体效应，不易脱落。因此其放大潜能好，可在该细胞培养床内实现高密度的细胞培养。该生物反应器尤其适合于无血清培养，长时间连续灌流，长时间收获细胞代谢产物。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种生物反应器，包括罐体、导流筒、多级调速搅拌器，以及水平置于所述罐体内的上固定板和下固定板，所述导流筒在所述罐体的中心竖直贯穿所述上固定板和所述下固定板，所述上固定板和所述下固定板均为多孔板，所述罐体，所述导流筒、所述上固定板和所述下固定板之间形成细胞培养床；其特征在于：

所述导流筒的内圆周壁上固定有竖直设置的通气管，所述通气管的顶端高于所述导流筒的顶端，所述通气管的底端连通与所述下固定板等高，外圆周紧贴所述导流筒内圆周的环形气体分布器，所述环形气体分布器的圆周上均布多个供氧通气孔，所述多级调速搅拌器竖直伸入所述导流筒的底部。

2.根据权利要求1所述的一种生物反应器，其特征在于：所述导流筒分为从上至下依次同心连接的垂直导流管、内径上小下大的喇叭口结构，以及垂直搅拌室，所述垂直导流管贯穿所述上固定板并与所述上固定板固定，所述喇叭口结构的顶端同心连接所述垂直导流管的底端，所述喇叭口结构的底端与所述下固定板固定，所述垂直搅拌室的顶端同心连接所述喇叭口结构的底端并与所述下固定板固定；所述环形气体分布器与所述下固定板等高并紧贴所述喇叭口结构的内圆周壁，所述多级调速搅拌器从所述罐体的底端伸入垂直搅拌室，所述通气管紧贴所述垂直导流管和所述喇叭口结构的内圆周壁。

3.根据权利要求2所述的一种生物反应器，其特征在于：所述垂直导流管的内圆周壁固定有竖直设置的补料管，所述补料管的顶端高于所述导流筒的顶端并低于所述通气管的顶端，底端与所述垂直导流管的底端等高。

4.根据权利要求2所述的一种生物反应器，其特征在于：所述多级调速搅拌器伸入所述垂直搅拌室部分的高度为所述多级调速搅拌器总高度的四分之一到三分之一。

5.根据权利要求2所述的一种生物反应器，其特征在于：所述上固定板与所述导流筒之间通过O形圈固定，所述下固定板与所述导流筒之间焊接固定，所述上固定板的外圆周与所述罐体的内圆周壁之间通过套接在所述上固定板外圆周上的法兰以及套接在所述法兰外圆周上的垫圈密封，所述下固定板的外圆周与所述罐体的内圆周壁之间通过套接在所述下固定板外圆周上的法兰以及套接在所述法兰外圆周上的垫圈密封。

6.根据权利要求1所述的一种生物反应器，其特征在于：所述罐体的底部插有取样阀，所述取样阀包括一根阀杆，所述阀杆从所述下固定板的底部插入细胞培养床。

7.根据权利要求1所述的一种生物反应器，其特征在于：所述细胞培养床中填装有填料，所述填料由细胞培养载体构成，所述填料的高度为所述细胞培养床高度的三分之二至五分之四，所述细胞培养载体的直径大于所述上固定板以及所述下固定板的孔径。

8.根据权利要求7所述的一种生物反应器，其特征在于：所述细胞培养载体为片状纤维细胞培养载体。

9.根据权利要求1所述的一种生物反应器，其特征在于：所述罐体的顶部设有出泡口，所述出泡口与冷凝器连接。

10.根据权利要求1所述的一种生物反应器，其特征在于：所述多级调速搅拌器的桨叶为平叶或螺旋桨形桨叶。