專利名稱：一種小型生物反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于生物工程技術領域，涉及一種細胞培養(yǎng)的罐式生物反應器。
背景技術：
常規(guī)小型罐式生物反應器通常采用以下方法1)使用內置加熱裝置或將反應器整體放入恒溫箱中保持培養(yǎng)溫度；2)采用磁力攪拌方式直接對培養(yǎng)物進行攪拌或氣體提升方式，即利用從罐底開口進入的氣體形成氣泡上升與培養(yǎng)物混合起到攪拌作用；3)檢測培養(yǎng)進程采用人工取樣檢測方式；4)補液采用電動泵；5)生物反應器滅菌采用原位蒸汽滅菌法。常規(guī)方法在實際使用中存在一定局限性。常規(guī)生物反應器的蒸汽滅菌法無法有效解決死角問題，保溫措施存在能耗高的缺點。很多真核細胞對機械剪切力敏感，常規(guī)生物反應器采用的攪拌方式容易造成局部剪切力大，容易破壞細胞結構；氣體提升式生物反應器在細胞培養(yǎng)物體積比較小的情況下整體效率不高。真核細胞的培養(yǎng)周期一般比較長(一周左右)，要求生物反應器具有較高的可靠性、穩(wěn)定性和培養(yǎng)效果較高的重復性。補液采用的電動泵一般使用易損耗管材，現(xiàn)頻繁啟動和關閉會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。人工檢測細胞培養(yǎng)密度無法實現(xiàn)整體自動控制和系統(tǒng)整體重復性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了提供一種高整合度、低能耗和高可靠性的生物反應器，能夠提供一定程度的自動控制功能，使細胞在培養(yǎng)體積放大的過程中處于一定細胞密度范圍內，從而優(yōu)化細胞表達系統(tǒng)制備基因工程重組蛋白的條件。本發(fā)明涉及的生物反應器以實現(xiàn)細胞有效增殖，促進細胞高效表達重組蛋白產物為培養(yǎng)目的，可應用于可懸浮培養(yǎng)的昆蟲細胞、哺乳動物細胞和其他細胞。本發(fā)明提出的生物反應器所采取的方案是1.溫度控制方面生物反應器細胞培養(yǎng)罐體放置于帶有隔熱層的恒溫套筒中，套筒中的傳熱介質(如水)的溫度以高精度的熱電偶測溫和加熱套管開關配合控制，實現(xiàn)高精度控溫。2.細胞培養(yǎng)罐體罐體為無機材質，可承受高溫蒸汽滅菌處理；細胞培養(yǎng)罐體的內表面經(jīng)拋光處理，結合內表面的球缺幾何形狀能降低對細胞的表面摩擦損傷；針對對溶氧需求高的細胞種類，細胞培養(yǎng)罐體可增加氣孔，允許外界通過管道供氧，起到增加溶氧和輔助細胞懸浮的作用。細胞培養(yǎng)罐體依靠外部機械搖動實現(xiàn)細胞懸浮，避免了因攪拌造成的局部剪切力大對細胞造成損傷。3.細胞光密度檢測方面細胞光密度檢測套件包括光源、光線傳輸與接收裝置與光強檢測與分析電路。應用光伏電池板檢測光路中細胞培養(yǎng)物密度變化，可以應用于多種波長的光源，實現(xiàn)在檢測細胞密度的同時檢測基因工程重組蛋白的表達情況，比如在使用熒光蛋白共表達體系中檢測目標蛋白的共表達產物。4.補液系統(tǒng)本發(fā)明所涉及的補液系統(tǒng)為一種高效、低運行能耗機械裝置。細胞密度檢測裝置控制補液系統(tǒng)開關，使用低速電機通過磁力驅動套筒旋轉，使得預置在封閉套筒開口的周期性開合，允許外界液體以不連續(xù)形式導入培養(yǎng)罐體，在需要時可以應用于氣體補充。補液裝置的材質可承受高溫蒸汽滅菌并具有低摩擦阻力的特點，有利于降低運行能耗。5.補液系統(tǒng)與細胞密度檢測裝置聯(lián)動，實現(xiàn)控制細胞培養(yǎng)密度處于一定范圍內的目的。6.培養(yǎng)規(guī)模的放大采用按比例簡單增大細胞培養(yǎng)罐體和保溫套件的方法即可實現(xiàn)培養(yǎng)規(guī)模的放大，適應擴大細胞制備規(guī)模的需要。本發(fā)明的優(yōu)點是1.生物反應器將細胞培養(yǎng)罐體、溫控套件和補液系統(tǒng)高度整合，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)培養(yǎng)過程的自動控制，大幅度提高細胞培養(yǎng)效果的穩(wěn)定性和重復性。2.細胞培養(yǎng)罐體經(jīng)過拋光處理，除導光棒(光纖)外無直接與細胞培養(yǎng)物接觸的物體，結合培養(yǎng)罐幾何設計，可以最大限度地減少細胞與罐體固體表面的摩擦損失。3.根據(jù)工作容積的大小，細胞培養(yǎng)罐可采用外界機械搖動和氣體提升混合攪拌方式，滿足不同大小體積細胞培養(yǎng)物對細胞懸浮的要求。4.細胞培養(yǎng)罐體與補液系統(tǒng)材質為無機材料，可整體蒸汽滅菌，具有高可靠性和抗污染能力強的特點。5.生物反應器的工作容量具有可放大性，適合生物工程實驗室、中試生產中對中低規(guī)模細胞培養(yǎng)(1升到數(shù)十升培養(yǎng)規(guī)模)和基因重組蛋白表達的需要。


圖1為小型生物反應器縱面示意圖[主要部分代表符號]1、溫度檢測探頭；11、發(fā)熱套管；12、保溫套筒；21、細胞培養(yǎng)罐體；22、罐體頂蓋； 23、頂蓋密封膠墊與緊固件；24、橡膠支架；31、光源；32、導光棒；33、光伏電池板；34、頂蓋接口密封圈；41、外氣密筒；42、內氣密筒；43、內外氣密筒預置開口 ；44、外部支撐殼；45、內氣密筒頂部內置磁棒；46、外部電機所接磁棒；47、電機；48、外部培養(yǎng)液流入開口 ；49、空氣過濾裝置；50、培養(yǎng)液流入管道；51、控制系統(tǒng)。
具體實施例方式實施例1有效工作體積為1. 0-1. 5升的生物反應器。按照圖1設計生物反應器，使用環(huán)境為22-25°C室溫環(huán)境。首先，以無機玻璃材料制作細胞培養(yǎng)罐體21 其球缺部分半徑為10cm，高為8cm，相接圓筒半徑為10cm，高為6cm。 使用無機玻璃加工罐體頂蓋22，使用密封膠墊和緊固件23與細胞培養(yǎng)罐體組裝，在頂蓋中央部位開口以接入頂蓋密封圈34。
光源31與導光棒32裝配后通過頂蓋密封圈，使導光棒靠近罐體底部一定距離；通過另一個頂蓋密封圈接入空氣過濾裝置49和外部培養(yǎng)液流入管道50。內氣密筒42與外氣密筒41設置預置開口 43，內氣密筒上端設置磁棒45，與外部電機磁棒46相互作用，產生旋轉。外氣密筒設置培養(yǎng)液流入流出口 48，外氣密筒由外部支撐殼44所支撐，內部氣密筒由外氣密筒支撐。使用玻璃加保溫材料制作保溫套筒12，使用橡膠制作支架M，在支架上設置溫度檢測探頭1和發(fā)熱套管11的插口，在保溫套筒底部中央設置光伏電池板33及密封圈、線路出口。將組裝后的培養(yǎng)罐體放入保溫套筒，將控制系統(tǒng)51與電機47，光伏電池板、加熱套筒與溫度檢測探頭連接。通過溫度檢測探頭開口向保溫套筒和細胞培養(yǎng)罐體之間加入純水，待溫度恒定后，通過培養(yǎng)液流入口 50向細胞培養(yǎng)罐體內加入細胞培養(yǎng)液，即可開始培養(yǎng)。按比例放大后的生物反應器可以適合大規(guī)模細胞培養(yǎng)使用。
權利要求
1.小型生物反應器包括細胞培養(yǎng)罐體、溫控套件、補液(氣)裝置、細胞光密度檢測套件與培養(yǎng)控制裝置五部分，其特征在于所述細胞培養(yǎng)罐體與補液裝置相聯(lián)結，溫控套件、細胞光密度檢測套件與培養(yǎng)控制裝置配合為細胞培養(yǎng)提供優(yōu)化的生長條件。
2.根據(jù)權利要求書1所述的小型生物反應器的細胞培養(yǎng)罐體，所述細胞指可懸浮培養(yǎng)的昆蟲細胞、哺乳動物細胞、酵母細胞以及原核生物細胞。
3.根據(jù)權利要求書1所述的小型生物反應器，其特征在于細胞培養(yǎng)罐體具備部分球缺表面與圓柱幾何形狀的組合。
4.根據(jù)權利要求書1所述的小型生物反應器，其特征在于細胞培養(yǎng)罐體與溫控套件之間以橡膠材料支撐，兼具支撐、緩沖和密封作用；細胞培養(yǎng)罐體材質為玻璃或陶瓷，聯(lián)結管材為特氟龍材質，使用耐高溫硅橡膠與不銹鋼條為密封材料和緊固件。
5.根據(jù)權利要求書1所述的小型生物反應器，其特征在于溫控套件(包括發(fā)熱套管、 熱電偶測溫計與溫控繼電器)控制過程為傳熱介質溫度低于一定數(shù)值時開啟繼電器，使用發(fā)熱套管進行加熱至設定溫度關閉繼電器，待介質溫度緩慢降低后重復該過程。
6.根據(jù)權利要求書1所述的小型生物反應器，其特征在于細胞光密度檢測套件(含光源、光線傳輸、接收裝置、光強檢測與分析電路)中光源波長為600nm、620nm或多波長混合光源；光線由光纖或導光玻璃棒傳導；以光伏電池板接收光線；光強分析電路為光伏電池板產生的電勢差放大電路或所處閉合電路電流放大電路。
7.根據(jù)權利要求書1所述的小型生物反應器，其特征為細胞光密度檢測套件與補液套件相配合實現(xiàn)自動控制，實現(xiàn)維持細胞密度在設定的一定培養(yǎng)密度范圍內，其原理是光路中穿過細胞培養(yǎng)物光線強度隨培養(yǎng)密度升高而降低，在降低到一定范圍時啟動補液系統(tǒng)加入新的培養(yǎng)液從而提高光線透過率；檢測電路直接檢測或經(jīng)放大后檢測光伏電池板產生的電勢差或所處閉合電路電流強度，也可以是檢測維持設定的光伏電池板產生的電勢差所需的光源電壓。
8.根據(jù)權利要求書1所述的小型生物反應器，其特征在于細胞光密度檢測套件中光路可以包括細胞培養(yǎng)罐體一部分，也可以是獨立光路。
9.根據(jù)權利要求書1所述的小型生物反應器，其特征在于補液套件由帶有預置開口的氣密筒配合產生開通與封閉兩種狀態(tài)，在需要補液操作時，利用磁力相互作用推動內筒轉動從默認的封閉位置旋轉至預置開口開通位置，使外界液體或氣體進入細胞培養(yǎng)罐體。
全文摘要
本發(fā)明屬于生物工程技術領域，具體為一種應用于細胞培養(yǎng)的生物反應器裝置，包括培養(yǎng)罐體、溫控套件、補液(氣)裝置、細胞光密度檢測裝置和培養(yǎng)控制裝置。本發(fā)明采用小型無機材料罐體作為細胞培養(yǎng)的主體部件，以無機玻璃、特氟龍材料為補液裝置主要材質，滿足蒸汽滅菌的要求，配合高精度溫控系統(tǒng)和細胞光密度檢測裝置，可以為細胞培養(yǎng)提供優(yōu)化條件。本發(fā)明中的細胞培養(yǎng)主體部件具有高表面光潔度，最大限度降低對細胞的表面摩擦損失；本發(fā)明整體具有高整合度、自動控制、可放大性、高可靠性和節(jié)能環(huán)保的特點，適合生物工程實驗室、中試生產中對中低規(guī)模細胞培養(yǎng)和基因重組蛋白表達的需要。
文檔編號C12M3/02GK102212474SQ201110074298
公開日2011年10月12日 申請日期2011年3月28日 優(yōu)先權日2011年3月28日
發(fā)明者劉士江, 張俊山, 王堃, 黃娜 申請人:北京新節(jié)點生物工程技術有限責任公司