一種氣動自循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種氣動自循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器，特點是包括大罐、位于大罐內的小罐、位于大罐底部的磁力攪拌系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，大罐上端設置有密封蓋，大罐兩側設置有與加熱系統(tǒng)連接的夾套，大罐內上部設置有大罐最高液位傳感器；小罐上端設置有封頭且其下端設置有開口，封頭與密封蓋通過通氣管密封固定連接，通氣管上端穿出密封蓋且分別連接有真空抽氣泵和空氣壓縮泵，其下端穿出封頭進入小罐內，小罐中部的上下兩個水平不銹鋼網板與小罐內壁圍成用于放置細胞載體的腔體，小罐內位于腔體上方設置有小罐上液位傳感器，位于腔體下方設置有小罐下液位傳感器，優(yōu)點是密封性好、操作簡單，污染率低，細胞質量好，收率高。
【專利說明】一種氣動自循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種動物細胞培養(yǎng)裝置，尤其是涉及一種氣動自循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器。
【背景技術】
[0002]生物反應器，指以活細胞或酶為生物催化劑進行細胞增殖或生化反應提供適宜環(huán)境的設備，它是生物反應過程中的關鍵設備。生物反應器的結構、操作方式和操作條件的選定對生物化工產品的質量、收率(轉化率)和能耗有密切關系。隨著生物技術的不斷發(fā)展，大規(guī)模動物細胞生物反應器培養(yǎng)技術正逐步取代玻璃瓶靜置培養(yǎng)和旋轉培養(yǎng)技術，因為它能及時地給所培養(yǎng)對象提供最佳的生存環(huán)境，從而最高效率的提高產品的產量和質量，應該說這是動物細胞培養(yǎng)史上的一次質的飛躍，也是生物制藥技術的重大突破，它不僅簡化了工藝，更重要的是它可以生產出高質量的產品，目前市場上有很多種生物反應器，包括國產的和進口的，各有優(yōu)勢和缺陷，有的甚至存在不可避免的硬傷，從而限制了它優(yōu)勢的最大發(fā)揮。
[0003]中國實用新型專利名稱為外循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器(申請?zhí)朇N201010242025.4)，公開了一種生物反應器包括罐體及外循環(huán)管路、加熱器、蠕動泵和控制系統(tǒng)，所述罐體包括大罐和小罐，小罐套置于大罐的內部，并分別通過管道D、A、G與大罐卡套固定，外循環(huán)管路包括罐外循環(huán)管路、罐體外上部通過三通與罐外循環(huán)管路相連接的管道A和管道B、罐體外下部通過三通與罐外循環(huán)管路相連接的管道E和管道D ;罐外循環(huán)管路穿過蠕動泵；管道D在其最低位連接排污管，具有滅菌徹底，操作簡單，細胞培養(yǎng)污染率低的顯著特點，但是存在以下缺點:1)設計原理:通過外接循環(huán)泵使大罐的液體流經小罐細胞再回到大罐，由于液體永遠是優(yōu)先從阻力最小的地方流通，及在氣液系統(tǒng)中存在的“溝流現(xiàn)象”，這樣就會形成細胞生長局部死角，造成局部細胞凋亡，影響產品收率；2)循環(huán)動力:利用外接循環(huán)泵循環(huán)，對培養(yǎng)或產物有較大剪切力，不利于后續(xù)進一步應用；3)攪拌方式:通過外接循環(huán)泵將液體輸送回大罐時的切向沖力帶動大罐液體轉動來混合,這樣會造成大罐內上下以及兩側液體混合不均勻；4)通氣模式:直接深層通氣，氣泡很多很大，對目標物有剪切力，通氣量很大，而且往往還不能保證溶氧，而在缺氧狀態(tài)下，乳酸增多，這樣就要消耗大量碳酸氫鈉，液體的PH往往還控制不住，只能靠加入大量的堿性液體控制，液體的滲透壓會很高，從而影響到產品的質量；5)結構設計:管路縱多，整體結構設計復雜，利用外接循環(huán)泵循環(huán)，這種循環(huán)模式下，各管路在長時間工作狀態(tài)下，產生疲勞應力，從而會影響單位時間流通量。

【發(fā)明內容】

[0004]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種液體充分混合均勻的質量好、收率高從而有效保證培養(yǎng)效果的結構簡單，操作簡便的氣動自循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器。
[0005]本實用新型解決上述技術問題所采用的技術方案為:一種氣動自循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器，包括大罐、小罐、磁力攪拌系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，
[0006]所述的大罐的上端設置有密封蓋，所述的密封蓋上設置有進液口和排液口，所述的大罐的兩側設置有夾套，所述的夾套與所述的加熱系統(tǒng)連接，所述的大罐內上部設置有大罐最高液位傳感器；
[0007]所述的小罐設置在所述的大罐內且靠近所述的密封蓋，所述的小罐的上端設置有封頭且其下端設置有與所述的大罐相通的開口，所述的封頭與所述的密封蓋通過通氣管密封固定連接，所述的通氣管的上端穿出所述的密封蓋且分別連接有真空抽氣泵和空氣壓縮泵，所述的通氣管的下端穿出所述的封頭進入所述的小罐內，所述的小罐的中部水平設置有上下兩個不銹鋼網板，兩個所述的不銹鋼網板與所述的小罐的內壁圍成用于放置細胞載體的腔體，所述的小罐內位于所述的腔體的上方設置有小罐上液位傳感器，所述的小罐內位于所述的腔體的下方設置有小罐下液位傳感器；
[0008]所述的磁力攪拌系統(tǒng)設置在所述的大罐的底部，用于混勻所述的大罐內的細胞培
養(yǎng)液；
[0009]所述的控制系統(tǒng)用于監(jiān)測和控制大罐和小罐內培養(yǎng)液的溶氧量，pH值、溫度、液位高度、進液量和排液量并根據(jù)預先設定時間控制所述的真空抽氣泵和所述的空氣壓縮泵交替運行，以及控制與所述的進液口連接的進液泵的啟閉、控制與所述的排液口連接的排液栗的啟閉。
[0010]所述的磁力攪拌系統(tǒng)包括位于所述的大罐外的帶電子稱的磁力攪拌器和位于所述的大罐內的磁力攪拌棒，所述的磁力攪拌器內設置有用于帶動所述的磁力攪拌棒轉動的磁力攪拌電機。
[0011]所述的磁力攪拌棒通過陶瓷軸承固定在所述的大罐的底部中央的鋼柱上。使磁力攪拌棒轉動時不與大罐底部產生摩擦，并且陶瓷軸承沒有溶出物。
[0012]所述的加熱系統(tǒng)包括加熱器和用于將所述的加熱器內的熱水送入所述的夾套的水循環(huán)泵，所述的加熱器的出水口通過所述的水循環(huán)泵與所述的夾套的進水管連接，所述的夾套的出水管與所述的加熱器的進水口連接。
[0013]所述的控制系統(tǒng)包括固定在所述的密封蓋上的溶氧探頭、pH探頭、溫度探頭、用于輸出開關量信號的大罐最高液位開關、用于輸出開關量信號的小罐上液位開關、用于輸出開關量信號的小罐下液位開關、大罐溫度探頭、加熱器溫度探頭、進液開關、排液開關和控制操作柜，所述的控制操作柜上設置有若干氣動閥、電磁閥、進液泵和排液泵、液晶顯示器和數(shù)據(jù)記錄儀。
[0014]所述的大罐內設置有若干個分別用于輸送氧氣、二氧化碳和氮氣的輸氣管，各個所述的輸氣管的外壁均設置有用于消除氣泡的篩網孔徑大小不同的不銹鋼網罩。
[0015]工作原理:當液體觸碰到小罐上液位傳感器時，控制系統(tǒng)自動停止抽真空，此時設定一個液體在小罐內滯留周期，以供細胞代謝，代謝周期完成后，控制系統(tǒng)自動打開壓縮空氣,把小罐內經過代謝的液體壓到大罐內，當液體觸碰到小罐下液位傳感器時,控制系統(tǒng)自動斷開壓縮空氣開關，此時設定一個液體在大罐內滯留周期，以供攪拌系統(tǒng)混勻大罐內液體,混勻周期完成后,控制系統(tǒng)自動開始抽真空,直到液體觸碰到小罐內上液位傳感器時，控制系統(tǒng)自動停止抽真空，如此循環(huán)往復,從而使大小罐內液體自動循環(huán)交換。整個培養(yǎng)過程為灌流培養(yǎng)，即控制系統(tǒng)通過進液泵自動給大罐全天候補充新鮮培養(yǎng)液，同時控制系統(tǒng)通過排液泵自動全天候排出大罐內的代謝培養(yǎng)液，設置時，一般是補充液體的速度稍大于排出液體的速度，時間一長，大罐內液位會升高，當液體觸碰到大罐內的大罐高液位傳感器時，控制系統(tǒng)就自動延長排液泵打開時間來排掉多余的液體，以保證大罐內的液體總平衡。
[0016]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的優(yōu)點在于:
[0017](I)設計原理:通過抽真空和壓縮空氣交替使液體培養(yǎng)液流穿細胞，抽真空時，液體完全淹沒細胞，給細胞提供最佳生存條件，壓縮空氣能將被細胞代謝過的液體排空到大罐內混勻，真空再把新鮮液體帶給細胞，如此往復循環(huán)，完全保障小罐內細胞生長代謝無死角；
[0018](2)循環(huán)動力:利用壓縮空氣和抽真空使液體在細胞之間循環(huán)，動力和循環(huán)液量都相對很穩(wěn)定，對細胞沒有剪切力。這種循環(huán)模式下，液體的pH能很好的控制在一定范圍內；
[0019](3)攪拌方式:磁力攪拌器的電機通過磁力感應帶動大罐內的磁力攪拌棒轉動，讓大罐內的液體充分混合均勻，不僅能確保培養(yǎng)液的均一性，也徹底解決了其他攪拌方式帶來的機械密封性不好而造成的污染問題，也就是說磁力攪拌系統(tǒng)能確保大罐的密封性；電子稱用于直觀輔助控制大罐內的總液量；
[0020]( 4 )通氣模式:通過在管道外壁設置不銹鋼網罩來消除氣泡，通過上下不銹鋼篩網孔徑大小不同而完全達到消泡的效果，不僅對細胞沒有任何剪切力，而且能完全滿足液體的溶氧和pH值要求；
[0021](5)滅菌方式:結構設計合理，管道布局簡潔，在濕熱滅菌柜里進行滅菌，操作簡單，沒有滅菌死角，也無需按壓力容器維護管理，更具安全性；
[0022](4)加熱模式:通過大罐內和加熱器內雙溫度探頭來控制液體溫度，這樣可以完全解決加熱滯后和加熱過充問題，基本可以保證大罐內處于恒溫狀態(tài)；
[0023](5)控制系統(tǒng):整個控制系統(tǒng)設計理念先進，操作簡單，設置了報警系統(tǒng)，并可遠程控制。
[0024]綜上所述，本實用新型氣動自循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器結構設計科學，管道布局簡潔，使細胞和培養(yǎng)液巧妙的隔離，而且能及時給培養(yǎng)對象提供最佳的生存環(huán)境，從結構上規(guī)避了現(xiàn)有設備中存在的許多硬傷和缺陷，充分發(fā)揮了動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術的特點，具有密封性好、滅菌徹底，操作簡單，污染率低，質量好，收率高的顯著特點，具有良好的功能性、經濟性，可廣泛適用于動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本實用新型氣動自循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器的結構示意圖；
[0026]圖2為本實用新型氣動自循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器的俯視圖。
【具體實施方式】
[0027]以下結合附圖實施例對本實用新型作進一步詳細描述。
[0028]具體實施例一
[0029]一種氣動自循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器，如圖1和圖2所示，包括大罐1、小罐
2、磁力攪拌系統(tǒng)3、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，大罐I的上端設置有密封蓋4，密封蓋4上設置有進液口 35和排液口 36，大罐I的兩側設置有夾套5，夾套5與加熱系統(tǒng)連接，大罐I內上部設置有大罐最高液位傳感器6 ;小罐2設置在大罐I內且靠近密封蓋4，小罐2的上端設置有封頭7且其下端設置有與大罐2相通的開口 8，封頭7與密封蓋4通過通氣管9密封固定連接，通氣管9的上端穿出密封蓋4且分別連接有真空抽氣泵10和空氣壓縮泵11，通氣管9的下端穿出封頭7進入小罐2內，小罐2的中部水平設置有上下兩個不銹鋼網板12，兩個不銹鋼網板12與小罐2的內壁圍成用于放置細胞載體(細胞依附在細胞載體上生長)的腔體13，小罐2內位于腔體13的上方設置有小罐上液位傳感器14，小罐2內位于腔體13的下方設置有小罐下液位傳感器15 ;磁力攪拌系統(tǒng)3設置在大罐I的底部，用于混勻大罐I內的培養(yǎng)液；控制系統(tǒng)用于監(jiān)測和控制大罐I和小罐2內培養(yǎng)液的溶氧量，pH值、溫度、液位高度、進液量和排液量并根據(jù)預先設定時間控制真空抽氣泵10和空氣壓縮泵11交替運行，以及控制與進液口 36連接的進液泵(圖中未顯示)的啟閉、控制與排液口 37連接的排液泵(圖中未顯示)的啟閉。
[0030]在此具體實施例中，如圖1所示，磁力攪拌系統(tǒng)3包括位于大罐I外的帶電子稱的磁力攪拌器16和位于大罐I內的磁力攪拌棒17，磁力攪拌器16內設置有用于帶動磁力攪拌棒17轉動的磁力攪拌電機18 ;磁力攪拌棒17通過陶瓷軸承固定在大罐I的底部中央的鋼柱19上。使磁力攪拌棒17轉動時不與大罐I底部產生摩擦，陶瓷軸承沒有溶出物。
[0031]在此具體實施例中，如圖1和圖2所示，加熱系統(tǒng)包括加熱器20和用于將加熱器20內的熱水送入夾套5的水循環(huán)泵21，加熱器20的出水口通過水循環(huán)泵21與夾套5的進水管22 (處于下方)連接，夾套5的出水管23 (處于上方)與加熱器20的進水口連接。水循環(huán)泵21將熱水通過進水管22泵入夾套5，從出水管23回流到加熱器20，如此往復循環(huán)，以保證大罐I內溫度的穩(wěn)定。
[0032]在此具體實施例中，如圖2所示，控制系統(tǒng)包括固定在密封蓋4上的溶氧探頭24、pH探頭25、用于輸出開關量信號的大罐最高液位開關26、用于輸出開關量信號的小罐上液位開關27、用于輸出開關量信號的小罐下液位開關28、大罐溫度探頭29、加熱器溫度探頭30 (用以控制加熱器20內的最高水溫，這樣就提高了生物反應器溫度控制的靈敏性和穩(wěn)定性，完全杜絕了加熱滯后和加熱過充現(xiàn)象，基本可以保證大罐I內處于恒溫狀態(tài))、進液開關31、排液開關32和控制操作柜(圖中未顯示)，控制操作柜上設置有若干氣動閥、電磁閥、力口液和排液的蠕動泵、液晶顯示器和數(shù)據(jù)記錄儀。生物反應器控制功能由集成的控制操作柜實現(xiàn)，包括顯示屏、溶氧控制器、PH控制器、溫度控制器、液位控制器，數(shù)據(jù)記錄儀等。
[0033]其中pH控制器:采用獨立模塊控制方式，pH控制器單獨設置。使用PID控制模式實現(xiàn)自動控制，具有自適應PID控制調整功能，可自動設定最佳的PID參數(shù)。pH控制是將pH探頭25與二氧化碳通氣控制閥，以及酸、堿蠕動泵相關聯(lián)，通過控制二氧化碳、酸液、堿液的開關，實現(xiàn)PH的自動控制。當pH低于設定值時，pH控制器啟動堿液蠕動泵，補堿提高pH至設定值；ipH高于設定值時，pH控制器啟動二氧化碳氣體電磁閥，或酸液螺動泵，降低pH至設定值。二氧化碳流量可通過轉子流量計調節(jié)，酸液、堿液蠕動泵流量可通過泵調速閥進行調節(jié)，進一步提高了 pH控制的靈敏度，pH控制響應偏差±0.01。
[0034]溶氧控制器:采用獨立模塊控制方式，溶氧控制器單獨設置。使用PID控制模式實現(xiàn)自動控制，具有自適應PID控制調整功能，可自動設定最佳的PID參數(shù)。溶氧控制是將溶氧探頭24與氧氣和氮氣通氣控制閥關聯(lián)，通過控制閥開關，實現(xiàn)溶氧的自動控制。當溶氧低于設定值時，溶氧控制器啟動氧氣控制閥，向反應器中通氧氣提高溶氧至設定值，當溶氧高于設定值時，溶氧控制器啟動氮氣控制閥，向反應器中通氮氣降低溶氧至設定值。氣體流量可通過轉子流量計調節(jié)，進一步提高了溶氧控制的靈敏度，溶氧響應偏差5%。
[0035]其中生物反應器外管路系統(tǒng)包括氣體管路和液體管路，氣體管路系統(tǒng)包括壓縮空氣氣體管路、抽真空氣體管路、氧氣氣體管路、二氧化碳氣體管路、氮氣氣體管路，氣體減壓閥、氣動隔膜閥自動控制，各個氣體管路分別通過大罐I罐蓋上的快接口與位于大罐I內相應的33輸氣管相接(如氧氣輸氣管與氧氣氣體管路相接、二氧化碳輸氣管和二氧化碳氣體管路相接等等)。各個輸氣管33的外壁均設置有用于消除氣泡的篩網孔徑大小不同的不銹鋼網罩34 (如圖1所不)。液體管路系統(tǒng)包括液體補充管路和液體排出管路，分別與罐外循環(huán)管路連接，并在蠕動泵作用下將培養(yǎng)液補加進入罐體內或從罐體排出。
[0036]具體實施例二
[0037]應用實施例
[0038]I)細胞培養(yǎng):按無菌要求連接好所有管道，向大罐I中注入細胞培養(yǎng)液進行預培養(yǎng)，然后向大罐中注入細胞懸液和細胞培養(yǎng)液，直到大罐I內培養(yǎng)液觸碰到大罐高液位傳感器6，打開磁力攪拌器16保持3-5分鐘，同時設置好溫度、溶液、pH值、通氣量等一系列參數(shù)，開啟氣動自循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)15-20分鐘后，把所有設置好的參數(shù)控制都置于自動控制，連續(xù)自動灌流培養(yǎng)5-7天，讓細胞增殖到能滿足生產要求的數(shù)量。
[0039]2)病毒培養(yǎng):排出細胞培養(yǎng)液，向大罐中I注入病毒培養(yǎng)液和毒種液，直到大罐I內培養(yǎng)液觸碰到大罐高液位傳感器6，打開磁力攪拌器16攪拌，同時設置好溫度、溶液、pH值、通氣量等一系列參數(shù)，開啟氣動自循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)5-10分鐘后，把所有設置好的參數(shù)控制都置于自動控制，繼續(xù)循環(huán)一段時間后開始自動灌流培養(yǎng)，根據(jù)不同制品收獲感染了病毒的細胞(一次性收獲)，或通過收集病毒培養(yǎng)液(根據(jù)細胞維持情況可以連續(xù)多天收獲病毒培養(yǎng)液)，這樣就完成一個生產周期。
[0040]本實用新型可提供工作體積30L - 150L的氣動自循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器。
[0041]上述說明并非對本實用新型的限制，本實用新型也并不限于上述舉例。本【技術領域】的普通技術人員在本實用新型的實質范圍內，作出的變化、改型、添加或替換，也應屬于本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種氣動自循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器，包括大罐、小罐、磁力攪拌系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其特征在于: 所述的大罐的上端設置有密封蓋，所述的密封蓋上設置有進液口和排液口，所述的大罐的兩側設置有夾套，所述的夾套與所述的加熱系統(tǒng)連接，所述的大罐內上部設置有大罐最聞液位傳感器； 所述的小罐設置在所述的大罐內且靠近所述的密封蓋，所述的小罐的上端設置有封頭且其下端設置有與所述的大罐相通的開口，所述的封頭與所述的密封蓋通過通氣管密封固定連接，所述的通氣管的上端穿出所述的密封蓋且分別連接有真空抽氣泵和空氣壓縮泵，所述的通氣管的下端穿出所述的封頭進入所述的小罐內，所述的小罐的中部水平設置有上下兩個不銹鋼網板，兩個所述的不銹鋼網板與所述的小罐的內壁圍成用于放置細胞載體的腔體，所述的小罐內位于所述的腔體的上方設置有小罐上液位傳感器，所述的小罐內位于所述的腔體的下方設置有小罐下液位傳感器； 所述的磁力攪拌系統(tǒng)設置在所述的大罐的底部，用于混勻所述的大罐內的細胞培養(yǎng)液； 所述的控制系統(tǒng)用于監(jiān)測和控制大罐和小罐內培養(yǎng)液的溶氧量，PH值、溫度、液位高度、進液量和排液量并根據(jù)預先設定時間控制所述的真空抽氣泵和所述的空氣壓縮泵交替運行，以及控制與所述的進液口連接的進液泵的啟閉、控制與所述的排液口連接的排液泵的啟閉。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種氣動自循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器，其特征在于:所述的磁力攪拌系統(tǒng)包括位于所述的大罐外的帶電子稱的磁力攪拌器和位于所述的大罐內的磁力攪拌棒，所述的磁力攪拌器內設置有用于帶動所述的磁力攪拌棒轉動的磁力攪拌電機。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種氣動自循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器，其特征在于:所述的磁力攪拌棒通過陶瓷軸承固定在所述的大罐的底部中央的鋼柱上。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種氣動自循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器，其特征在于:所述的加熱系統(tǒng)包括加熱器和用于將所述的加熱器內的熱水送入所述的夾套的水循環(huán)泵，所述的加熱器的出水口通過所述的水循環(huán)泵與所述的夾套的進水管連接，所述的夾套的出水管與所述的加熱器的進水口連接。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種氣動自循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器，其特征在于:所述的控制系統(tǒng)包括固定在所述的密封蓋上的溶氧探頭、PH探頭、溫度探頭、用于輸出開關量信號的大罐最高液位開關、用于輸出開關量信號的小罐上液位開關、用于輸出開關量信號的小罐下液位開關、大罐溫度探頭、加熱器溫度探頭、進液開關、排液開關和控制操作柜，所述的控制操作柜上設置有若干氣動閥、電磁閥、進液泵和排液泵、液晶顯示器和數(shù)據(jù)記錄儀。
6.根據(jù)權利要求1-5中任一項所述的一種氣動自循環(huán)動物細胞培養(yǎng)生物反應器，其特征在于:所述的大罐內設置有若干個分別用于輸送氧氣、二氧化碳和氮氣的輸氣管，各個所述的輸氣管的外壁均設置有用于消除氣泡的篩網孔徑大小不同的不銹鋼網罩。
【文檔編號】C12M1/42GK203582875SQ201320713061
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年11月12日 優(yōu)先權日:2013年11月12日
【發(fā)明者】羅火生 申請人:羅火生