CN216473252U - 一种用于细胞培养的微型反应器系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于细胞培养的微型反应器系统，属于生物工程技术领域。所述用于细胞培养的微型反应器系统包括培养箱、动力装置和反应器皿，所述培养箱包括顶盖、主反应室、储水槽和气体混合区，所述储水槽上方设有加热片、温湿度传感器和液位传感器，储水槽与气体混合区之间设有风扇；所述顶盖连接有气体流量控制器，所述气体流量控制器与气体混合区连通；所述主反应室内设有CO₂传感器、支架、底座和反应器皿；所述反应器皿内设有光学传感器。本实用新型将静止的反应器皿与运动形式的动力装置相耦合，添加多种传感器，精确在线测量或控制气速、温度、湿度、CO₂浓度、溶氧等环境参数以及细胞相对浓度等指标，可实现高通量，高密度培养。

Description

一种用于细胞培养的微型反应器系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于细胞培养的微型反应器系统，属于生物工程技术领域。

背景技术

生物反应器目的在于为所培养的生物体系如微生物细胞、昆虫细胞、动物细胞等提供适合其生长或产品合成的环境。这些环境参数包括但不限于温度，湿度，溶氧，二氧化碳分压 (pCO2)，酸度(pH)，渗透压，离子强度，底物浓度，压强，剪切应力等。其中，动物细胞培养对环境条件的要求尤为苛刻。

现有的实验室规模细胞培养一般在CO₂培养箱内进行，此类培养箱仅具备控制温度、湿度、气相CO₂浓度等简单功能。整个培养箱体积较大且仅在单一条件下进行静置培养，无法进行充分的混合以及高效的传质，因此无法达到较高的细胞浓度和产量。此外，某些细胞体系如动物肌肉细胞，需要贴附在载体上并在一定的剪切应力下才能正常发育，因此必须在动态的反应器内进行悬浮培养。若使用常规CO₂培养箱进行悬浮培养，需要将整个摇床放进培养箱内，占据大量空间，造成设备震动影响同一培养箱内的其他实验。培养箱内的湿热环境还影响摇床的使用寿命。更重要的，这种操作因为缺乏必要的传感器元件，尤其是缺少针对生物体系的参数监控，得出的数据价值不高。现有的悬浮培养一般是在转瓶或者搅拌釜反应器中完成，但这些设备体积较大，等使用成本较高，难以实现高通量培养。

实用新型内容

[技术问题]

现有的实验室规模的细胞培养一般在CO₂培养箱内进行，此类培养箱功能简单，无法进行充分的混合以及高效的传质，无法达到较高的细胞浓度；某些细胞体系如动物肌肉细胞，须在动态的反应器内悬浮培养；常规的搅拌式反应器体积大，消耗大量的实验材料，使用成本较高，难以实现高通量实验。

[技术方案]

本实用新型提供了一种用于细胞培养的微型反应器系统，该微型反应器系统将一次性培养瓶等器皿与多种运动形式的摇床相耦合，添加多种传感器，精确在线测量或控制气速、温度、湿度、CO₂浓度、溶氧、pH等环境参数以及细胞相对浓度等指标，实现高通量，高密度培养。尤其是在微小体积内实现基于微载体的贴壁依赖型动物细胞悬浮培养。

所述用于细胞培养的微型反应器系统包括培养箱、动力装置和反应器皿，所述培养箱包括顶盖、主反应室、储水槽和气体混合区，所述储水槽上方设有加热片、温湿度传感器和液位传感器，储水槽与气体混合区之间设有风扇；所述顶盖连接有气体流量控制器，所述气体流量控制器与气体混合区连通；所述主反应室内设有CO₂传感器、支架、底座和反应器皿；所述反应器皿内设有光学传感器。

在本实用新型的一种实施方式中，所述底座设有凹槽，凹槽内固定有光纤适配器，所述光纤适配器的尺寸根据底座凹槽的尺寸进行调整，光纤适配器位于光学传感器的正下方。

在本实用新型的一种实施方式中，所述光学传感器为溶氧传感器、pH传感器与光密度传感器三者当中的任意一者或该三者的任意组合。

在本实用新型的一种实施方式中，所述主反应室与气体混合区之间设有隔板，所述隔板上设有导流孔，所述导流孔与导流板联通，所述导流板的一端伸入主反应室，另一端伸入气体混合区。

在本实用新型的一种实施方式中，所述底座为可拆卸设计，底座位于主反应室的底部，底座数量至少为一个，底座上方安装有支架，支架内固定有反应器皿，所述反应器皿不与培养箱底板的上平面接触，所述支架为可拆卸设计。

在本实用新型的一种实施方式中，所述光学传感器附着于反应器皿底部内壁，所述光纤适配器内固定有光纤，所述光纤的一端与反应器皿内的光学传感器联通，光纤的另一端连接有光信号变送器，所述光信号变送器连接有控制器。

在本实用新型的一种实施方式中，所述培养箱的下方设有动力装置，所述动力装置为翘板摇床、圆周摇床或摆床。

在本实用新型的一种实施方式中，所述培养箱与所述动力装置之间为可拆卸设计，所述培养箱与动力装置均通过导线与控制器连接，所述控制器连接有计算机。

在本实用新型的一种实施方式中，所述主反应室和顶盖内均设有隔热夹层。

在本实用新型的一种实施方式中，所述用于细胞培养的微型反应器系统用于培养微生物细胞或动物细胞。

[有益效果]

1、本实用新型在储水槽内设有加热片、温湿度传感器和液位传感器，在主反应室内设有 CO₂传感器，在反应器皿中设有光学传感器如溶氧传感器、pH传感器、光密度传感器，通过多种传感器测量培养箱内的各种环境参数，实现细胞培养过程的多参数监测与控制，产生高质量的实验数据。

2、本实用新型在顶盖的上方设有气体流量控制器，气体流量控制器与气体混合区连通，气体混合区通过导流板与主反应室连通，通过气体流量控制器、风扇以及加热片，促进培养箱内的空气和热量循环，提高传质效率，进而达到较高的细胞密度，提高细胞表达产物的产量。

3、本实用新型在培养箱下方设有动力装置，将一次性反应器皿和多种运动形式的动力装置相结合，促进反应器皿内的营养物质混合，尤其是可以实现贴壁依赖型细胞基于微载体的悬浮培养，达到高于静置培养数倍的细胞密度，使用微型反应器皿，可实现高通量培养，减少实验次数，加速相关生物制品的市场化。

4、本实用新型的动力装置与培养箱以及反应器皿均为可分离式，培养箱内设有适配不同尺寸反应器皿的支架，使用方便；分离后的培养箱可以转移到无菌操作台或者生物安全柜内进行其他操作，满足不同使用场景的需要。

5、本实用新型的微型反应器系统与传统的CO₂培养箱或恒温摇床相比，解决了可监控参数少，混合时间长、传质效率低、细胞密度低等问题，可以实现高密度培养，尤其是可以实现基于微载体的贴壁依赖型动物细胞的悬浮培养，大幅度提高产量；与传统搅拌式反应器相比，单个反应器皿体积微小，消耗极少的试剂即可实现高通量培养，降低研发成本，加速产品推向市场。

附图说明

图1是本实用新型培养箱的一种实施方式的立体结构图；

图2是本实用新型用于细胞培养的微型反应器系统的结构示意图；

图3是本实用新型支架的一种实施方式的立体结构图；

图4是本实用新型支架与反应器皿连接的一种实施方式的立体结构图；

图5是本实用新型光纤适配器的第一种实施方式的立体结构图

图6是本实用新型光纤适配器的第二种实施方式的立体结构图；

图7是本实用新型光纤适配器的第三种实施方式的立体结构图；

图中：1、顶盖；2、主反应室；3、储水槽；4、导流板；5、风扇；6、加热片；7、温湿度传感器；8、CO₂传感器；9、光信号变送器；10、光纤；11、气体流量控制器；12、液位检测器；13、支架；14、底座；15、培养箱；16、控制器；17、计算机；18、动力装置；19、气体混合区；20、反应器皿；21、光学传感器；22、光纤适配器。

具体实施方式

为使得本实用新型实现上述目的、特征和优点且能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。

实施例1

一种用于细胞培养的微型反应器系统，如图1或2所示，包括培养箱15、动力装置18和反应器皿20，所述培养箱15包括顶盖1、主反应室2、储水槽3和气体混合区19，所述储水槽3上方设有加热片6、温湿度传感器7和液位传感器12，储水槽3与气体混合区19之间设有风扇5；所述顶盖1连接有气体流量控制器11，所述气体流量控制器11与气体混合区 19连通；所述主反应室2内设有CO₂传感器8、支架13、底座14和反应器皿20；所述反应器皿20内设有光学传感器21。所述底座14设有凹槽，凹槽内固定有光纤适配器22，所述光纤适配器22的尺寸根据底座14凹槽的尺寸进行调整，光纤适配器22位于光学传感器21的正下方，所述光学传感器21为溶氧传感器、pH传感器与光密度传感器三者当中的任意一者或该三者的任意组合，光学传感器21与底座14上的光纤适配器22对应。

所述主反应室2与气体混合区19之间设有隔板，所述隔板上设有导流孔，所述导流孔与导流板4联通，所述导流板4的一端伸入主反应室2，另一端伸入气体混合区19。所述底座 14为可拆卸设计，底座14位于主反应室2的底部，底座14数量至少为一个，底座14上方安装有支架13。如图3或4所示，所述支架13内固定有反应器皿20。优选的，所述反应器皿20为一次性容器。反应器皿20不与培养箱15底板的上平面接触，所述支架13为可拆卸设计，可以适配不同尺寸的反应器皿20。所述光学传感器21附着于反应器皿20底部内壁。所述光纤适配器22内固定有光纤10，所述光纤10的一端与反应器皿20内的光学传感器21 联通，光纤10的另一端连接有光信号变送器9，所述光信号变送器9连接有控制器16。光学传感器21产生的信号，通过安装于光纤适配器10的光纤10传送到变送器9，变送器9将光信号转换为电信号或数字信号，并进一步发送给控制器16，控制器16根据变送器9产生的信号，调整动力装置18的功率以及气体流量控制器11的流量设定值以保证细胞生长所需的氧气供应和混合。

所述气体流量控制器11根据培养箱15内的细胞生长需要，按一定比例通入空气，氮气，氧气，二氧化碳的混合物。所述液位传感器12用于测量水槽3内的液体量，当液位传感器 12检测到储水槽3内的液位低于预设位置时，补加一定量液体。所述顶盖1与主反应室2嵌合，两者嵌合后形成密闭的空间，主反应室2和顶盖1均设有隔热夹层。所述风扇5、加热片6、温湿度传感器7和CO₂传感器8，用于促进培养箱15内的气体混合，监控环境参数。

所述培养箱15的下方设有动力装置18，所述动力装置18为翘板摇床、圆周摇床或摆床，动力装置18的运动可以是连续的，也可以是间歇，所述动力装置18用于带动培养箱15运动。本实施例中动力装置18为翘板摇床，所述翘板摇床的摆动幅度为±7°，摆动频率为0～80rpm，运动频率与幅度可以根据所培养的细胞的需要自动或者手动调整，包括但不限于与反应容器的溶氧浓度进行关联，通过自动控制震荡频率和幅度维持溶氧在一定的范围。所述培养箱15 与所述动力装置18之间为可拆卸设计，分离后的培养箱15可以转移到无菌操作台或者生物安全柜内进行其他操作，满足多种使用场景的需要。

如图2所示，所述培养箱15与动力装置18均通过导线连接有控制器16，所述控制器连接有计算机17，用以数据记录和可视化。所述控制器16不连接计算机17时仍能独立运行。

所述用于细胞培养的微型反应器系统可以直接进行贴壁培养，也可以进行悬浮培养，包括基于微载体的悬浮培养，培养的细胞可以是微生物细胞或动物细胞，包括但不限于动物肌肉细胞、昆虫细胞，尤其是包括但不限于用于供人类食用的动物肌肉细胞或动物脂肪细胞。

如图5所示，图5为光纤适配器22的第一种实施方式的立体结构图，在本实施方式中光纤适配器22为盲板，即光纤适配器22为实心板，中间无孔洞，此种设计的目的是不需测量该光纤适配器22上方的反应器皿20内的数据，即该光纤适配器22上方的反应器皿20与临近的反应器皿20内的数据基本一致，无需重复测量，节省了成本。如图6所示，图6为光纤适配器22的第二种实施方式的立体结构图，在本实施方式中光纤适配器22的内部开设有一个孔洞，此孔洞用于穿过一根光纤，此种设计用于测量反映器皿20中的一种类型的数据，即溶氧数据、pH数据或细胞密度数据其中的一种，根据测量需要来选择不同类型的光学传感器21。如图7所示，图7为光纤适配器22的第三种实施方式的立体结构图，在本实施方式中光纤适配器22的内部开设有三个孔洞，此孔洞用于穿过三根光纤10，所述三根光纤10分别对应反映器皿20内的溶氧传感器、pH传感器与光密度传感器，即同时可以测量一个反映器皿 20中的溶氧、pH和细胞密度的数据，提高了测量效率。

进一步的，根据实际需求，选择不同类型与数量的光学传感器21，所述光纤10和光纤适配器22两者与光学传感器21之间对应设置即可。

进一步的，本实施例中光纤适配器22内部孔洞的形状以及数量不作限定，能起到固定光纤10的作用即可，所述光纤10的数量至少为一根。

进一步的，所述用于细胞培养的微型反应器系统内的各个部件之间均可拆卸并更换，每个部件的数量与类型均可选，以实现所述用于细胞培养的微型反应器系统的模块化结构。

本实用新型工作原理：动力装置18首先开始运行提供动力，同时风扇5启动并运行一定时间，如10～30秒后，控制器16初始化并开始温度控制，包括给加热片6供电。随后，温湿度传感器7、CO₂传感器8、光学传感器21以及气体流量控制器11开始运行。气体流量控制器11对水槽3内通入一定量的气体。控制器16根据用户设定值和CO₂传感器8测定的培养箱15内当前CO₂浓度计算CO₂用量，并控制其流量。进入培养箱15的气体经风扇5推动在主反应室1和导流板4之间循环流动以达到混合的目的。根据温度设定值以及温湿度传感器 7测定当的前值利用加热片6调节温度使得培养箱15内的温度达到设定值。储水槽3内液位低于液位检测器12时，补加一定量的液体。反应过程中，主反应室2内反应容器20内的溶氧、pH、细胞密度等情况可由光学传感器9测定。

本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡是在本实用新型构思的精神和原则之内，本领域的专业人员能够做出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于细胞培养的微型反应器系统，其特征在于，包括培养箱(15)、动力装置(18)和反应器皿(20)，所述培养箱(15)包括顶盖(1)、主反应室(2)、储水槽(3)和气体混合区(19)，所述储水槽(3)上方设有加热片(6)、温湿度传感器(7)和液位传感器(12)，储水槽(3)与气体混合区(19)之间设有风扇(5)；所述顶盖(1)连接有气体流量控制器(11)，所述气体流量控制器(11)与气体混合区(19)连通；所述主反应室(2)内设有CO₂传感器(8)、支架(13)、底座(14)和反应器皿(20)；所述反应器皿(20)内设有光学传感器(21)。

2.根据权利要求1所述的用于细胞培养的微型反应器系统，其特征在于，所述底座(14)设有凹槽，凹槽内固定有光纤适配器(22)，所述光纤适配器(22)的尺寸根据底座(14)凹槽的尺寸进行调整，光纤适配器(22)位于光学传感器(21)的正下方。

3.根据权利要求2所述的用于细胞培养的微型反应器系统，其特征在于，所述光学传感器(21)为溶氧传感器、pH传感器与光密度传感器三者当中的任意一者或该三者的任意组合。

4.根据权利要求3所述的用于细胞培养的微型反应器系统，其特征在于，所述主反应室(2)与气体混合区(19)之间设有隔板，所述隔板上设有导流孔，所述导流孔与导流板(4)联通，所述导流板(4)的一端伸入主反应室(2)，另一端伸入气体混合区(19)。

5.根据权利要求4所述的用于细胞培养的微型反应器系统，其特征在于，所述底座(14)为可拆卸设计，底座(14)位于主反应室(2)的底部，底座(14)数量至少为一个，底座(14)上方安装有支架(13)，支架(13)内固定有反应器皿(20)，所述反应器皿(20)不与培养箱(15)底板的上平面接触，所述支架(13)为可拆卸设计。

6.根据权利要求5所述的用于细胞培养的微型反应器系统，其特征在于，所述光学传感器(21)附着于反应器皿(20)底部内壁，所述光纤适配器(22)内固定有光纤(10)，所述光纤(10)的一端与反应器皿(20)内的光学传感器(21)联通，光纤(10)的另一端连接有光信号变送器(9)，所述光信号变送器(9)连接有控制器(16)。

7.根据权利要求6所述的用于细胞培养的微型反应器系统，其特征在于，所述培养箱(15)的下方设有动力装置(18)，所述动力装置(18)为翘板摇床、圆周摇床或摆床。

8.根据权利要求7所述的用于细胞培养的微型反应器系统，其特征在于，所述培养箱(15)与所述动力装置(18)之间为可拆卸设计，所述培养箱(15)与动力装置(18)均通过导线与控制器(16)连接，所述控制器(16)连接有计算机(17)。

9.根据权利要求8所述的用于细胞培养的微型反应器系统，其特征在于，所述主反应室(2)和顶盖(1)内均设有隔热夹层。

10.根据权利要求1-9任一所述的用于细胞培养的微型反应器系统，其特征在于，所述用于细胞培养的微型反应器系统用于培养微生物细胞或动物细胞。

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