CN217600748U - 适用于哺乳动物细胞高密度培养的低剪切力灌流培养系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种适用于哺乳动物细胞高密度培养的低剪切力灌流培养系统，将中空纤维柱两端均连接反应器单元，反应器单元下设置有升降单元；通过升降单元使两个反应器产生液位差，驱使含细胞培养基在中空纤维柱中流动，通过流量控制单元控制流量，通过进液泵补加新鲜的培养基，通过出液泵将外腔中废弃培养基(滤出液)抽出。灌流系统的剪切力仅来自于中空纤维柱以及管路的壁面摩擦力，剪切力低，对细胞造成的损伤可以忽略。通过两个反应器的交替式升降，在中空纤维柱膜表面产生切向流，有效清洁滤膜，提高中空纤维柱膜面积利用效率。所述灌流培养系统无需使用循环系统，管路连接简单，避免管路清洁以及管路破损风险。

Description

适用于哺乳动物细胞高密度培养的低剪切力灌流培养系统

技术领域

本专利涉及动物细胞灌流培养技术领域，具体涉及了适用于哺乳动物细胞高密度培养的低剪切力灌流培养系统。

背景技术

采用动物细胞规模化培养广泛用于生产疫苗、抗体等生物制品的生产，为了提高产量，需要追求较高的细胞密度。灌流培养通常选用中空纤维柱作为细胞截留组件，并使用蠕动泵、离心泵或隔膜泵作为循环系统驱动培养基在中空纤维柱内部流动。但动物细胞由于无细胞壁保护，对剪切力十分敏感，有研究表明当剪切力高于3000s^-1便会对细胞造成损伤，细胞生长减缓乃至死亡。尽管通过添加剪切力保护成分可降低循环系统对细胞的损伤，但对于无血清培养尤其是敏感型细胞，灌流设备的循环系统所产生的剪切力仍不可忽视。尽管使用低剪切力离心泵、隔膜泵等作为循环系统可以降低对细胞的损伤，但普遍存在对设备要求高(需要压缩空气以及真空泵作为驱动力)，管线复杂，管路易破损等问题。此外由于其结构的限制，对纤维膜柱一端利用率高，另一端利用率低，无法对中空纤维膜柱充分利用。

实用新型内容

本实用新型针对细胞灌流培养系统的剪切力大的缺陷，设计了一种适用于哺乳动物细胞高密度培养的低剪切力灌流培养系统。

一种适用于哺乳动物细胞高密度培养的低剪切力灌流培养系统，主要包括控制器、两个反应器单元(第一反应器单元与第二反应器单元)、中空纤维柱、升降单元、流量控制单元、进液泵、出液泵。在中空纤维柱两端均连接有反应器单元，两个反应器单元分别固定在两个升降单元上，通过调整两个反应器单元的高度差实现含细胞培养基在中空纤维柱中流动，通过流量控制单元控制中空纤维柱中的流量。通过进液泵补加新鲜的培养基，通过出液泵将外腔中废弃培养基抽出。升降单元的升高、降低、升降速度、升降高度、升降频率可由控制器进行控制。所述升降单元的升高高度取决于两个反应器单元的液位差。优选地，通过升降单元调整两个反应器单元的液位差为1/8至1个培养体积高度。

升降单元的升降频率取决于两个反应器单元的液位差以及设定流量(流量控制单元的设定值)。当两个反应器单元的液位差不足以维持设定流量时(流量控制单元的设定值)，第一/第二升降单元开始交替。

所述反应器单元为用于细胞培养的搅拌式(STR)反应器、波浪式反应器等一次性反应器和不锈钢反应器生物反应器，可对温度、pH、DO进行自动化控制。也可为储液袋、储液瓶等储液容器。

进一步地，所述两个反应器单元除了通过中空纤维柱连接以外，也可以增设连接管路实现加速培养基在两个反应器单元之间转移。

所述控制器对升降单元、流量控制单元、进液泵、出液泵、夹管阀进行自动控制。

中空纤维柱两端设置有一个或多个流量控制单元，通过升降单元的升降调整两个反应器的高度差实现含细胞培养基在中空纤维柱中流动，通过流量控制单元控制调节流量至所需流量，对经过中空纤维柱的流量进行自动化调节。流量控制单元可以设置在中空纤维柱一端，也可两端各设置一个。

进一步地，所述流量控制单元包括流量测量单元与管路内径调节单元，通过流量测量单元对管路内径调节单元的反馈调节，调节管路内流量达到所需。优选的方案为基于超声波测速原理的流量流速测量模块。

进一步地，当两个反应器单元的液位差不足以维持所需流量时，第一/第二升降单元开始交替。

所述低剪切力灌流培养系统，其中空纤维柱两端外腔上设置有出口，出口处设置有夹管阀，两个出口通过三通管路与安装有出液泵的出液管路连通，通过调整夹管阀的开启与关闭，选择外腔出口供滤出液排出。

当第一反应器单元低于第二反应器单元时，靠近第一反应器单元一端中空纤维柱外腔夹管阀打开，靠近第二反应器单元一端中空纤维柱外腔夹管阀关闭，滤出液从靠近第一反应器单元一端的中空纤维柱外腔流出；反之，当第二反应器单元低于第一反应器单元时，靠近第二反应器一端中空纤维柱外腔夹管阀打开，靠近第一反应器单元一端中空纤维柱外腔夹管阀关闭，滤出液从靠近第二反应器单元一端的中空纤维柱外腔流出。

进一步地，所述低剪切力灌流培养系统，第一/第二反应器单元交替升降以及中空纤维柱两个外腔的交替使用，可对两端的膜面积进行充分利用。相对于传统的切向流过滤灌流培养系统，对中空纤维柱膜面积利用效率更高。

进一步地，所述低剪切力灌流培养系统，通过控制器对进液泵与出液泵自动化控制实现向反应器中补加新鲜培养基、将废旧培养基经中空纤维柱过滤后排出反应器。

所述低剪切力灌流培养系统，由中空纤维柱与流量控制单元组成的灌流管路通过硅胶管、焊接管(例如C-FLEX)、快接头(CPC接头、鲁尔接头、ReadyMate接头等)与反应器连接。灌流管路采用封闭式设计，可通过辐照灭菌、高温高压灭菌等形式实现无菌化。

两个反应器单元除了通过中空纤维柱连接以外，也可以增设与中空纤维柱相平行的连接管路(例如硅胶管)实现加速培养基在两个反应器单元之间转移。

通过控制器对进液泵与出液泵自动化控制实现向反应器中补加新鲜培养基，将废旧培养基经中空纤维柱过滤后排出反应器。所述两个反应器单元可通过增加反应器内压力辅助液位差，驱使含细胞培养基在中空纤维柱中流动，如，例如向反应器中通气，增加反应器的压力等措施。

本实用新型所达到的有益效果是：

本实用新型中空纤维柱两端与两个反应器单元相连，通过调整两个反应器单元的高度利用液位差驱动含细胞培养基在中空纤维柱中流动，无需额外使用循环系统，从而实现低剪切力灌流培养，对细胞造成的损伤可以忽略。通过两个反应器的交替式升降，含细胞培养基在中空纤维膜柱的膜丝内部进行流动，培养基透过膜表面渗透至外腔，从而在中空纤维柱膜表面产生切向流，有效清洁滤膜，提高中空纤维柱膜面积利用效率。所述灌流培养系统结构简单，避免管路清洁以及管路破损风险。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是适用于哺乳动物细胞高密度培养的低剪切力灌流培养系统的示意图；

图2是工作时液体流向示意图之一；

图3是工作时液体流向示意图之一；

图4是流量控制单元原理示意图；

图5是本实用新型的工作流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例

如图1所示，一种适用于哺乳动物细胞高密度培养的低剪切力灌流培养系统，包括：

反应器单元包括第一反应器单元1与第二反应器单元2

升降单元包括第一反应器升降单元3与第二反应器升降单元4

中空纤维柱5

流量控制单元包括第一流量控制单元6和第二流量控制单元7

纤维柱外腔出口夹管阀包括第一夹管阀8与第二夹管阀9

出液泵10、进液泵11和控制器12。

升降单元、流量控制单元、中空纤维柱外腔出口夹管阀、进液泵、出液泵均通过通讯线与控制器相连。

中空纤维柱5通过硅胶管等弹性管路分别与第一反应器单元1与第二反应器单元2相连。硅胶管预留一定长度，用于补偿或调整第一反应器单元1与第二反应单元2在升降过程中需要的长度的变化。

如图2所示，灌流培养过程中，当第一升降单元3抬升第一反应器单元1时，第二反应器单元2位置维持初始位置，即第一反应器单元1高度高于第二反应器单元2，此过程中：第一流量控制单元6完全打开，通过第二流量控制单元7调节流量；第一夹管阀8关闭，第二夹管阀9开启，滤出液从纤维柱第二外腔出口14排出。第二流量控制单元7开启后，含细胞培养基由第一反应器单元1流向第二反应器单元2，通过第二流量控制单元7对流量进行控制。在第一反应器单元1与第二反应器单元2的液位差以及出液泵10的抽力下，中空纤维柱5内部的培养基透过膜表面并进入到中空纤维至外腔，外腔的滤出液由第二外腔出口14排出。

如图3所示，当第一反应器单元1中培养基低于一定体积后，第一/第二反应器单元液位差不足以提供中空纤维内的流量，第一升降单元3恢复原位，第二升降单元4抬升第二反应器单元2，即第二反应器单元2高于第一反应器单元1，此过程中：第二流量控制单元7完全打开，通过第一流量控制单元6调节流量；第二夹管阀9关闭，第一夹管阀8开启，滤出液从第一外腔出口13排出。第一流量控制单元6开启后，含细胞培养基由第二反应器单元2流向第一反应器单元1，通过第一流量控制单元6对流量进行控制。在出液泵10的驱动下，滤出液由第一外腔出口13排出。当第二反应器单元2中培养基低于一定体积后，第二升降单元4回复原位，第一升降单元3抬升第一反应器单元1，依次循环。

如图4所示，流量控制单元包括流量测量单元15与管路内径调节单元16。当流量测量单元测定流经中空纤维柱的实际流量大于设定值时，通过管路内径调节单元16缩小管道内径，从而降低流量至设定值；当流量测量单元测定流经中空纤维柱的实际流量小于设定值时，通过管路内径调节单元16扩大管道内径，从而提高流量至设定值。当两个反应器单元的液位差无法满足所需流量时，第一/第二升降单元开始交替。

本实用新型的整体工作流程(图5)包括如下步骤：

步骤1、向第一反应器单元1中加入培养基后接种细胞，待细胞生长至一定密度后，将中空纤维柱(已安装流量控制单元、外腔管路、夹管阀)分别与第一反应器单元、第二反应器单元相连；

步骤2、第一升降单元升高第一反应器单元，第一夹管阀关闭，第二夹管阀开启，第一流量控制单元完全打开，第二流量控制单元调节中空纤维柱流量至所需流量，含细胞培养基从第一反应器单元流向第二反应器单元，滤出液从第二外腔出口14排出；

步骤3、当第一反应器单元内培养基体积降至一定体积后(或液位差不足以维持所需流量时，步骤3a)第一升降单元恢复原位，第二升降单元升高第二反应器单元，第二夹管阀关闭，第一夹管阀开启，第二流量控制单元完全打开，第一流量控制单元调节中空纤维柱流量至所需流量，含细胞培养基从第二反应器单元流向第一反应器单元，滤出液从第一外腔出口13排出(步骤3b)；

步骤4、当第二反应器单元内培养基体积降至一定体积后(或液位差不足以维持所需流量时，步骤4a)，第二升降单元恢复原位，第一升降单元升高第一反应器单元，第一夹管阀关闭，第二夹管阀开启，第一流量控制单元完全打开，第二流量控制单元调节中空纤维柱流量至所需流量，含细胞培养基从第一反应器单元流向第二反应器单元，滤出液从第二外腔出口14排出(步骤4b)；

步骤5、交替重复步骤3-步骤4，在整个过程中，出液的同时，等量的新鲜培养基通过进液泵泵入反应器中。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于哺乳动物细胞高密度培养的低剪切力灌流培养系统，其特征在于，包括中空纤维柱，在中空纤维柱两端均连接有反应器单元，反应器单元下设置有升降单元；通过升降单元使两个反应器产生液位差，驱使含细胞培养基在中空纤维柱中流动。

2.如权利要求1所述的适用于哺乳动物细胞高密度培养的低剪切力灌流培养系统，其特征在于，中空纤维柱通过弹性管路分别与反应器单元相连，弹性管路上设置有流量控制单元。

3.如权利要求2所述的适用于哺乳动物细胞高密度培养的低剪切力灌流培养系统，其特征在于，所述流量控制单元包括流量测量单元与管路内径调节单元，通过流量测量单元对管路内径调节单元的反馈调节，调节管路内流量达到所需。

4.如权利要求3所述的适用于哺乳动物细胞高密度培养的低剪切力灌流培养系统，其特征在于，所述的流量测量单元为基于超声波测速原理的流量流速测量模块。

5.如权利要求1所述的适用于哺乳动物细胞高密度培养的低剪切力灌流培养系统，其特征在于，中空纤维柱的两端设置有外腔出口，外腔出口上设置有出液泵，两个外腔出口通过三通管路与出液泵连接。

6.如权利要求5所述的适用于哺乳动物细胞高密度培养的低剪切力灌流培养系统，其特征在于，外腔出口上设置有夹管阀。

7.如权利要求5所述的适用于哺乳动物细胞高密度培养的低剪切力灌流培养系统，其特征在于，在至少一个反应器上设置有用于补加新鲜的培养基的进液泵，出液的同时补充等量的新鲜培养基。

8.如权利要求1所述的适用于哺乳动物细胞高密度培养的低剪切力灌流培养系统，其特征在于，两个反应器单元增设有与中空纤维柱相平行的连接管路。

9.如权利要求1所述的适用于哺乳动物细胞高密度培养的低剪切力灌流培养系统，其特征在于，反应器单元内设置压力辅助装置。

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