專利名稱：水平轉(zhuǎn)筒式生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于進(jìn)行動(dòng)物和植物細(xì)胞培養(yǎng)或微生物發(fā)酵的生物反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
在工程學(xué)上習(xí)慣于把用于培養(yǎng)細(xì)菌、酵母等微生物的容器稱為”發(fā)酵罐”(fermentor)，而把培養(yǎng)動(dòng)植物細(xì)胞的容器稱為“生物反應(yīng)器”(bioreactor)。由于本發(fā)明的目的主要是用于動(dòng)物細(xì)胞的高密度體外培養(yǎng)，同時(shí)可能兼用于植物細(xì)胞或細(xì)菌的培養(yǎng)，因此本文件中統(tǒng)稱為“生物反應(yīng)器”。
隨著生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，迫切需要解決用于微生物和動(dòng)、植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)的生物反應(yīng)器。以往曾采用化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備改良的機(jī)械攪拌式反應(yīng)器(也稱反應(yīng)罐)。由于這類機(jī)械攪拌式反應(yīng)罐在攪拌混合物料過(guò)程中的剪切力較大，當(dāng)用于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)，因動(dòng)物細(xì)胞沒(méi)有細(xì)胞壁的保護(hù)、不能耐受劇烈的攪拌和通氣等原因，易損壞被培養(yǎng)的細(xì)胞。攪拌器高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所形成的氣泡也會(huì)對(duì)敏感細(xì)胞產(chǎn)生損傷作用。為降低攪拌器槳葉對(duì)細(xì)胞的剪切力和提升反應(yīng)器的傳質(zhì)能力，對(duì)于反應(yīng)器的傳統(tǒng)機(jī)械攪拌方式和傳氣、傳熱、傳質(zhì)方法也進(jìn)行許多改進(jìn)。已經(jīng)設(shè)計(jì)出漿式、棒式、船舶推進(jìn)漿、斜槳葉或船帆形機(jī)械攪拌器及往復(fù)振動(dòng)錐孔篩板攪拌反應(yīng)器、籠式通氣攪拌反應(yīng)器、雙層籠式通氣攪拌反應(yīng)器等。其中主要針對(duì)動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)明的反應(yīng)器有轉(zhuǎn)瓶反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、中空纖維反應(yīng)器、膜式反應(yīng)器、空氣提升式反應(yīng)器等。
由于細(xì)胞生存條件的多樣型，這些設(shè)備仍然沒(méi)有從根本上解決動(dòng)、植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)存在的攪拌剪切力大、物料傳遞不均勻、設(shè)備內(nèi)部積料和死角的問(wèn)題，以及進(jìn)行高密度、大規(guī)模培養(yǎng)所面臨的連續(xù)生產(chǎn)和在線收集產(chǎn)品等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有的設(shè)備用于動(dòng)、植物細(xì)胞高密度培養(yǎng)存在的攪拌剪切力損傷細(xì)胞、物料傳遞不均勻、設(shè)備內(nèi)部積料和死角的問(wèn)題，以及進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)所面臨的在線收集產(chǎn)品等問(wèn)題。本發(fā)明提供一種攪拌性能獨(dú)特、機(jī)械攪拌剪切力小、物料傳質(zhì)過(guò)程對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)干擾少、能進(jìn)行高密度的分步或連續(xù)流細(xì)胞培養(yǎng)、并可以在線收集產(chǎn)品的生物反應(yīng)器。本發(fā)明既可以用于細(xì)胞的懸浮培養(yǎng)、也可以用于貼壁細(xì)胞的微載體培養(yǎng)。
技術(shù)方案采用水平滾動(dòng)雙層轉(zhuǎn)筒式密封結(jié)構(gòu)，可滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)的內(nèi)筒作為容納細(xì)胞和微載體的培養(yǎng)罐，固定的外筒為細(xì)胞生存提供必要的物質(zhì)環(huán)境。需要補(bǔ)加物料、調(diào)節(jié)pH或更換培養(yǎng)液時(shí)，可以在外筒中或在調(diào)節(jié)罐中進(jìn)行。內(nèi)外筒之間有微孔網(wǎng)分隔，被培養(yǎng)的細(xì)胞不能通過(guò)微孔，而細(xì)胞生產(chǎn)的蛋白質(zhì)或病毒能夠通過(guò)微孔網(wǎng)被在線收獲。
技術(shù)特點(diǎn)1、本生物反應(yīng)器由于采用了雙層水平滾動(dòng)轉(zhuǎn)筒式結(jié)構(gòu)，當(dāng)用它進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)，活細(xì)胞或接種細(xì)胞的微載體是生長(zhǎng)在內(nèi)筒中，外筒中的培養(yǎng)基只是為細(xì)胞提供生長(zhǎng)代謝的間接環(huán)境保障。內(nèi)筒中的細(xì)胞通過(guò)內(nèi)筒壁上的微孔(或篩網(wǎng))與外筒內(nèi)的培養(yǎng)基進(jìn)行養(yǎng)份和代謝物的交換。當(dāng)需要向培養(yǎng)基中補(bǔ)加物料、氧氣或調(diào)節(jié)酸堿度時(shí)，既可以在外筒內(nèi)直接進(jìn)行，也可以將培養(yǎng)液從外筒引出到另外的調(diào)節(jié)罐內(nèi)循環(huán)進(jìn)行。減低了操作因素對(duì)培養(yǎng)體系的影響。
2、本反應(yīng)器用于基因工程菌或動(dòng)物細(xì)胞的微載體懸浮培養(yǎng)時(shí)，細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生的大分子蛋白質(zhì)或細(xì)胞培養(yǎng)的病毒能夠通過(guò)內(nèi)簡(jiǎn)微孔濾網(wǎng)不斷的轉(zhuǎn)移到外筒的培養(yǎng)液中。在不影響筒內(nèi)細(xì)菌或細(xì)胞繼續(xù)生長(zhǎng)的情況下，能通過(guò)收集外筒培養(yǎng)液將產(chǎn)物及時(shí)的收集起來(lái)，實(shí)現(xiàn)半連續(xù)批式培養(yǎng)或連續(xù)培養(yǎng)。
3、本反應(yīng)器采用水平轉(zhuǎn)筒式攪拌傳質(zhì)方式，可以消除積料或死角，實(shí)現(xiàn)物料與微載體的高效混合。同時(shí)也減低了葉片式攪拌器的剪切力對(duì)細(xì)胞的傷害作用。
4、本反應(yīng)器的氣體混合供給不是直接在細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行的，這有利于避免氣泡的表面張力對(duì)細(xì)胞的傷害作用。
5、在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)需要收集筒內(nèi)的細(xì)菌或細(xì)胞，可以在放空培養(yǎng)基后，直接提高內(nèi)筒轉(zhuǎn)速，甩濾回收細(xì)胞。還可以利用內(nèi)筒的甩濾作用，在筒內(nèi)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行反復(fù)洗滌處理。
6、本反應(yīng)器還具有制作簡(jiǎn)單，能夠在線消毒，容易進(jìn)行規(guī)模放大等特點(diǎn)。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施步驟作進(jìn)一步說(shuō)明


附圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖附圖2為本發(fā)明的內(nèi)筒結(jié)構(gòu)圖附圖3為本發(fā)明的外筒結(jié)構(gòu)圖實(shí)施步驟在附圖1中，本生物反應(yīng)器主要由可旋轉(zhuǎn)的內(nèi)筒(1)和帶有恒溫夾套的外筒(2)以及箱體支架(3)和附件(4)組成。
在附圖2所示實(shí)施例中，內(nèi)筒(1)是由內(nèi)筒圓筒(1-1)與內(nèi)筒后蓋(1-2)、內(nèi)筒前蓋(1-3)、內(nèi)筒三角架組件(1-4)鉚接(或焊接)組成(附圖二)。內(nèi)筒圓筒(1-1)周壁上布滿微小的孔，孔的直徑0.1-9000微米，孔與孔之間的距離為50-9000微米。內(nèi)筒(1)主體選用0.5--8毫米厚不銹鋼板沖壓、彎卷、焊接、拋光制成，其有微孔的局部位置也可選用50--800目的燒結(jié)不銹鋼篩網(wǎng)制作。
在內(nèi)筒(1)的內(nèi)壁沿軸線向有輕微突起的三到六條凸筋(1-1-1)，呈幾何對(duì)稱分置，用以增加內(nèi)筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)培養(yǎng)物的翻滾效果。在內(nèi)筒圓筒(1-1)的外壁上，沿軸線向有向內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)方向翹起的三到六條提水槽(1-1-2)，呈幾何對(duì)稱分置。使用時(shí)，內(nèi)筒緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)提水槽轉(zhuǎn)離液面時(shí)，會(huì)將外筒中的部分培養(yǎng)液帶離液面，再通過(guò)內(nèi)筒壁上的微孔進(jìn)入內(nèi)筒，以增加內(nèi)、外筒的液體交換。內(nèi)筒的徑寬比為0.1--20。內(nèi)筒前蓋的中央部位有一適當(dāng)大小的圓形接物孔，用于觀察筒內(nèi)情況或從筒內(nèi)取樣。
內(nèi)筒三角架組件(1-4)是由內(nèi)筒三角架(1-4-1)、主軸(1-4-2)、組成。內(nèi)筒三角架組件與內(nèi)筒后蓋(1-2)鉚接(或焊接)在一起，支撐內(nèi)筒(1)。
在圖3所示實(shí)施例中，外筒(2)是由1--10毫米厚不銹鋼制作的外筒圈(2-1)、外筒前蓋(2-2)、外筒后蓋(2-3)、外筒圈前部密封法蘭(2-4)、外筒三角架組件(2-5)等組成(附圖三)。外筒圈(2-1)是由外筒內(nèi)圈和外筒外圈共同組成的同心夾套。將外筒的內(nèi)圈和外圈以同軸心方式兩端分別焊接在外筒后蓋(2-3)和外筒前部密封法蘭(2-4)上，就構(gòu)成外筒主體。在外筒外圈上設(shè)有夾層循環(huán)水進(jìn)、出口。向該夾層中通入流動(dòng)介質(zhì)，可以對(duì)筒內(nèi)環(huán)境起到調(diào)節(jié)溫度作用。外筒(2)是用來(lái)為反應(yīng)器培養(yǎng)室(內(nèi)筒)提供恒溫環(huán)境和盛放培養(yǎng)液，同時(shí)對(duì)主電機(jī)、加熱器、溫度控制器、傳感器及筒內(nèi)外物質(zhì)交換通道等起支撐作用。
在外筒后蓋(2-3)的中心部位有一個(gè)圓孔，內(nèi)筒主軸(1-4-2)從外筒后蓋(2-3)的中心圓孔穿過(guò)，將外筒及內(nèi)筒轉(zhuǎn)軸聯(lián)接起來(lái)，使內(nèi)外筒成為一體。主軸上安裝有聯(lián)接主電機(jī)的皮帶輪或齒輪，通過(guò)可調(diào)速的主電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)筒轉(zhuǎn)動(dòng)。
在外筒圈靠近外筒前蓋的位置，上下都設(shè)有數(shù)個(gè)貫通外筒圈(2-1)的通道(2-6)，用于安裝消毒蒸汽進(jìn)、出口閥，物料進(jìn)、出口閥，控溫加熱器，外筒傳感器等附件。
外筒前蓋(2-2)是通過(guò)法藍(lán)與外筒圈前部法藍(lán)(2-4)接合，在外筒前蓋上安裝有安全釋放閥(2-2-1)，耐壓玻璃觀察視窗(2-2-2)、采樣孔(2-2-3)、內(nèi)筒傳感器支架(2-2-4)。當(dāng)外筒前蓋(2-2)通過(guò)法藍(lán)與外筒密封接合后，就可用于細(xì)胞培養(yǎng)。如果關(guān)閉有關(guān)的物料進(jìn)、出口閥和采樣孔，開(kāi)啟內(nèi)加熱器或向反應(yīng)器中通入水蒸氣，可以進(jìn)行反應(yīng)器的在線消毒。
在使用本生物反應(yīng)器進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)，將適量預(yù)處理好的微載體放置在反應(yīng)器的內(nèi)筒中，在內(nèi)外筒中都加入培養(yǎng)液。培養(yǎng)液的加量以在內(nèi)筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)筒中的液體不能濺出到外筒為好。培養(yǎng)時(shí)內(nèi)筒緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，筒內(nèi)的微載體或細(xì)胞隨內(nèi)筒的轉(zhuǎn)動(dòng)不斷翻動(dòng)。內(nèi)筒中的培養(yǎng)液通過(guò)內(nèi)筒壁上的微孔，與外筒中的培養(yǎng)液進(jìn)行交換。由于微孔的孔徑小，細(xì)胞或微載體不能通過(guò)微孔進(jìn)入外筒。通過(guò)外置恒溫器調(diào)節(jié)外筒夾層中循環(huán)水的溫度來(lái)保證反應(yīng)器的溫度恒定。當(dāng)外筒中的培養(yǎng)液需要補(bǔ)充養(yǎng)分或調(diào)節(jié)酸堿度時(shí)，將培養(yǎng)液從外筒引入到調(diào)節(jié)罐中進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)加，然后通過(guò)蠕動(dòng)泵再泵回反應(yīng)器中循環(huán)使用。如果需要進(jìn)行連續(xù)流加式培養(yǎng)，可以將新加入的培養(yǎng)液直接加入內(nèi)筒，控制外筒的排放量，使流入、流出的液體達(dá)到平衡。選擇合適大小微孔的內(nèi)筒，能夠在內(nèi)筒進(jìn)行微載體培養(yǎng)細(xì)胞，而從外筒液中連續(xù)的收集單克隆抗體或收獲病毒等產(chǎn)物。
權(quán)利要求
1.一種用于進(jìn)行動(dòng)物和植物細(xì)胞培養(yǎng)或微生物發(fā)酵的水平轉(zhuǎn)筒式生物反應(yīng)器，采用雙層轉(zhuǎn)筒式密封結(jié)構(gòu)，其特征是該裝置是由周壁有微孔的可滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)內(nèi)筒(1)、固定的有夾層外筒(2)以及箱體支架(3)和附件(4)組成，內(nèi)筒作為容納細(xì)胞和微載體的培養(yǎng)罐，外筒為細(xì)胞提供物質(zhì)生存環(huán)境，需補(bǔ)加物料、調(diào)節(jié)pH和更換培養(yǎng)液時(shí)先在外筒或調(diào)節(jié)罐中進(jìn)行后再交換回內(nèi)筒，培養(yǎng)的細(xì)胞不能通過(guò)微孔逸出，而細(xì)胞生產(chǎn)的蛋白質(zhì)或病毒能夠通過(guò)微孔進(jìn)入外筒被在線收獲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所描述的水平轉(zhuǎn)筒式生物反應(yīng)器，其特征在于反應(yīng)器內(nèi)筒(1)的筒圈內(nèi)壁有凸筋，外壁有提水槽，周壁有直徑0.1-9000微米的微孔，前蓋中部有圓形接物孔。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1所描述的水平轉(zhuǎn)筒式生物反應(yīng)器，其特征在于反應(yīng)器的外筒(2)是由外筒圈、外筒前蓋、外筒后蓋、密封法蘭、外筒三角架組件、物料進(jìn)出閥，蒸汽消毒閥，加熱管、傳感器等部件組成。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1、3所描述的水平轉(zhuǎn)筒式生物反應(yīng)器裝置，其特征在于其外筒的前蓋上安裝有觀察視窗、采樣孔，內(nèi)筒傳感器支架等附件，并通過(guò)密封法藍(lán)與外筒圈接合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于進(jìn)行動(dòng)物和植物細(xì)胞培養(yǎng)或微生物發(fā)酵的生物反應(yīng)器。本發(fā)明主要由周壁有微孔的可旋轉(zhuǎn)內(nèi)筒和帶有恒溫夾套的外筒以及有關(guān)組件和附件組成。本發(fā)明采用水平雙層轉(zhuǎn)筒式密封結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)的內(nèi)筒作為容納細(xì)胞和微載體的培養(yǎng)罐，固定的外筒為細(xì)胞提供物質(zhì)生存環(huán)境。補(bǔ)加物料、調(diào)節(jié)pH和更換培養(yǎng)液先在外筒或調(diào)節(jié)罐中進(jìn)行，然后再交換到內(nèi)筒供細(xì)胞使用。培養(yǎng)的細(xì)胞不能通過(guò)內(nèi)筒壁的微孔，而細(xì)胞生產(chǎn)的蛋白質(zhì)或病毒能夠通過(guò)微孔進(jìn)入外筒被在線收集。本發(fā)明適用于貼壁細(xì)胞的分批式、半連續(xù)式或連續(xù)微載體培養(yǎng)，也可以用于微生物或懸浮系細(xì)胞的懸浮培養(yǎng)。
文檔編號(hào)C12M1/00GK1687386SQ20051004320
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月30日
發(fā)明者韓毅鵬 申請(qǐng)人:韓毅鵬