本發(fā)明涉及一種多級搖動式生物反應(yīng)器。

背景技術(shù)：

生物科技作為一種新興的技術(shù)，目前已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的經(jīng)濟價值和社會價值，發(fā)展到當(dāng)前主要包括基因工程技術(shù)、發(fā)酵工程、細胞工程、酶工程以及蛋白質(zhì)工程等。這些工程技術(shù)無論從技術(shù)研究到最后的規(guī)模生產(chǎn)都將涉及到細胞代謝與細胞培養(yǎng)。其中涉及到細胞培養(yǎng)的關(guān)鍵設(shè)備生物反應(yīng)器的研究已成為生物科技中重要的核心技術(shù)之一。

隨著生物反應(yīng)器技術(shù)的發(fā)展，尤其是一次性使用技術(shù)的發(fā)展，一次性的生物反應(yīng)器已廣泛應(yīng)用于種子擴大培養(yǎng)，小到中試規(guī)模的哺乳動物細胞、植物細胞和昆蟲細胞的培養(yǎng)，單克隆抗體、疫苗和重組蛋白等的生產(chǎn)，并逐漸拓展到微生物發(fā)酵、藻類培養(yǎng)等領(lǐng)域。其最大的商業(yè)用途是用于種子擴大培養(yǎng)以及培養(yǎng)哺乳動物細胞生產(chǎn)抗體、疫苗等。

在現(xiàn)行一次性的生物反應(yīng)器種類中，波浪混合式的一次性生物反應(yīng)器最早被提出。波浪混合式的一次性生物反應(yīng)器主要部件為一個滅菌的一次性生物反應(yīng)袋，其細胞袋安置在搖動平臺上，平臺的搖動使培養(yǎng)基產(chǎn)生波浪，這些波浪給培養(yǎng)物提供充分的混合與氧氣傳遞。這種單支撐、整體搖擺式的生物反應(yīng)器，在造浪形態(tài)方面以及可調(diào)節(jié)性方面欠缺，難以提供高質(zhì)量的氣體傳質(zhì)過程。

在一種用于生物反應(yīng)器的搖動平臺專利中其分析了一種“仰臥起坐式”搖動平臺的不足，并提出一種單極搖動式的平臺，有效地提高了生物反應(yīng)器的造浪能力和平臺的可調(diào)節(jié)性能。

但上述所提到的搖動平臺在面對更大體積的生產(chǎn)應(yīng)用時，難以提供更高質(zhì)量的造浪能力，固定板支撐區(qū)域的培養(yǎng)液底層湍動程度小，氣體傳質(zhì)效率不高，這影響了平臺的更廣應(yīng)用范圍的適用性，限制了平臺生產(chǎn)能力的可放大性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對目前的搖動式平臺面對更大體積的生產(chǎn)應(yīng)用時，難以提供更高質(zhì)量的造浪能力，固定板支撐區(qū)域的培養(yǎng)液底層湍動程度小，氣體傳質(zhì)效率不高的問題，提出一種培養(yǎng)液底層湍動程度大、氣體傳質(zhì)效率高的多級搖動式生物反應(yīng)器。

本發(fā)明所述的一種多級搖動式生物反應(yīng)器，其特征在于：包括用于支撐一次性生物反應(yīng)袋的多級搖動式平臺、用于增加固定板支撐區(qū)域底層培養(yǎng)液湍動程度的分階式環(huán)形擾動器、用于提供驅(qū)動力的驅(qū)動裝置以及用于驅(qū)動裝置的控制器，所述多級搖動式平臺與所述分階式環(huán)形擾動器固接，所述驅(qū)動裝置設(shè)置在所述多級搖動平臺處，并且所述驅(qū)動裝置的控制端與所述控制器的相應(yīng)引腳電連；

所述多級搖動式平臺包括多邊形平板和搖動平板，所述多邊形平板的邊數(shù)為偶數(shù)，所述多邊形平板中心設(shè)有供分階式環(huán)形擾動器穿出的通孔；所述多邊形平板的每條邊對應(yīng)鉸接一塊搖動平板，其中兩塊搖動平板為一組，至少有兩組搖動平臺同時運動；

所述分階式環(huán)形擾動器包括多個同軸套接的套筒和多級伸縮式氣缸，相鄰套筒滑動連接排布成環(huán)型，套筒從內(nèi)向外長度漸減；除位于中心的套筒外，其余套筒底部端面均裝有阻擋板，阻擋板上設(shè)有供多級伸縮式氣缸的伸縮桿穿過的中心通孔，套筒從內(nèi)向外對應(yīng)的阻擋板中心通孔孔徑漸增；所述多級伸縮式氣缸的伸縮桿的伸縮級數(shù)與套筒的個數(shù)一致，并且最外層套筒與所述多級伸縮式氣缸伸縮桿的第一級桿體對應(yīng)，次外層套筒與所述多級伸縮式氣缸的第二級桿體對應(yīng)，以此類推，位于中心的套筒與所述多級伸縮式氣缸的最高級桿體對應(yīng)，所述多級伸縮式氣缸的伸縮桿的最高級桿體外端與位于中心的套筒底部固接，最外層套筒的中心通孔孔徑介于第一級桿體外徑與第二級桿體外徑之間，次外層套筒的中心通孔孔徑介于第二級桿體外徑與第三級桿體外徑之間，以此類推；所述套筒隨多級伸縮式氣缸的伸縮形成能從多邊形平板通孔穿出的臺階；所述多級伸縮式氣缸的控制端與所述控制器相應(yīng)的控制引腳電連；

所述驅(qū)動裝置包括若干用于驅(qū)動搖動平板的驅(qū)動氣缸、若干用于控制驅(qū)動氣缸運動方向的換向閥以及控制換向閥工作的中間繼電器，且一個驅(qū)動氣缸對應(yīng)一塊搖動平板，驅(qū)動氣缸的底部與多邊形平板鉸接，驅(qū)動氣缸的伸縮桿與相應(yīng)的搖動平板底部鉸接，使得所述搖動平板以多邊形平板表面為界上下擺動；所述驅(qū)動氣缸與所述換向閥一一對應(yīng)，且驅(qū)動氣缸的進氣口與出氣口分別與換向閥相應(yīng)的通路連通，且所述換向閥的控制端通過中間繼電器與所述控制器的相應(yīng)控制端電連，實現(xiàn)驅(qū)動氣缸的換向。

所述換向閥為三位五通換向閥，且每個換向閥配置一個用于控制換向閥的a線圈與b線圈交替通電的中間繼電器。

所述搖動平板的一端與多邊形平板的邊一致，另一端為半圓形板，且搖動平板向上擺動的上極限位置與多邊形平板的夾角為60°，搖動平板向下擺動的下極限位置與多邊形平板的夾角為30°。

所述分階式環(huán)形擾動器為四階環(huán)形構(gòu)件，即所述分階式環(huán)形擾動器包括4個套筒，所述多級伸縮式氣缸為四級伸縮式氣缸，其中位于中心的套筒底部設(shè)有用于與四級伸縮式氣缸的第四級桿體固接的安裝部。

所述套筒為空心套筒，并且套筒的上下均封口。

同一組的兩塊搖動平板處于相對、相鄰或者間隔的位置，且同一組的搖動平板同時向上或者向下擺動。

搖動平板在氣缸的帶動下實現(xiàn)一定角度的擺動，擺動的角度和頻率可進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。分階式環(huán)形擾動器與一次性生物反應(yīng)袋的分階式環(huán)形底部連接。分階式環(huán)形擾動器各階的運動帶動一次性生物反應(yīng)袋的分階式環(huán)形底部運動，分階式環(huán)形擾動器各階的不同運動模式會使得一次性生物反應(yīng)袋固定板支撐區(qū)域產(chǎn)生不同的湍動效果。分階式環(huán)形擾動器一般設(shè)計為四階，其每一階的高度在一定范圍內(nèi)是可調(diào)的，每一階都由一個氣缸支撐帶動，依靠氣缸的升降實現(xiàn)環(huán)形擾動器各階的運動。搖動平板的擺動和分階式環(huán)形擾動器各階的運動等都需要氣缸來完成。搖動平板擺動的角度和頻率的改變需要調(diào)節(jié)氣缸的升程和進排氣的速度?？刂破骺梢愿鶕?jù)需求自適應(yīng)地控制可動氣缸數(shù)量、自適應(yīng)地調(diào)節(jié)氣缸的升程和進排氣速度。

本發(fā)明的有益效果是：搖動平板在氣缸的帶動下實現(xiàn)一定角度的擺動，擺動的角度和頻率可進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)；提供多種搖動狀態(tài)，并且通過分階式環(huán)形擾動器使得底層培養(yǎng)液湍動程度大，從而在面對更大體積的生產(chǎn)應(yīng)用時，具有更高質(zhì)量的造浪能力，而且中心的固定板支撐區(qū)域的培養(yǎng)液底層湍動程度大，氣體傳質(zhì)效率高，提高平臺的更廣應(yīng)用范圍的適用性，提高平臺生產(chǎn)能力的可放大性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的兩級搖動式平臺；

圖2是本發(fā)明的三級搖動式平臺；

圖3為兩級搖動平臺主視圖；

圖4為環(huán)形擾動器構(gòu)成圖；

圖5為環(huán)形擾動器動作圖；

圖6為單個驅(qū)動氣缸的控制回路圖；

圖7為兩級搖動式生物的實施案例圖

圖8為多組分動態(tài)配氣系統(tǒng)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明

參照附圖：

實施例1本發(fā)明所述的一種多級搖動式生物反應(yīng)器，包括用于支撐一次性生物反應(yīng)袋的多級搖動式平臺1、用于增加固定板支撐區(qū)域底層培養(yǎng)液湍動程度的分階式環(huán)形擾動器2、用于提供驅(qū)動力的驅(qū)動裝置以及用于驅(qū)動裝置的控制器，所述多級搖動式平臺1與所述分階式環(huán)形擾動器2固接，所述驅(qū)動裝置設(shè)置在所述多級搖動平臺1處，并且所述驅(qū)動裝置的控制端與所述控制器的相應(yīng)引腳電連；

所述多級搖動式平臺1包括多邊形平板11和搖動平板12，所述多邊形平板11的邊數(shù)為偶數(shù)，所述多邊形平板11中心設(shè)有供分階式環(huán)形擾動器穿出的通孔；所述多邊形平板11的每條邊對應(yīng)鉸接一塊搖動平板12，其中兩塊搖動平板12為一組，至少有兩組搖動平板12同時運動；

所述分階式環(huán)形擾動器2包括4個同軸套接的套筒21和多級伸縮式氣缸22，相鄰套筒21滑動連接排布成環(huán)型，套筒21從內(nèi)向外長度等差漸減；除位于中心的套筒外，其余套筒底部端面均裝有阻擋板23，阻擋板23上設(shè)有供多級伸縮式氣缸22的伸縮桿穿過的中心通孔，套筒從內(nèi)向外對應(yīng)的阻擋板中心通孔孔徑等差漸增；所述四級伸縮式氣缸的伸縮桿的伸縮級數(shù)與套筒的個數(shù)一致，并且最外層套筒與所述多級伸縮式氣缸伸縮桿的第一級桿體對應(yīng)，次外層套筒與所述多級伸縮式氣缸的第二級桿體對應(yīng)，以此類推，位于中心的套筒與所述四級伸縮式氣缸的第四級桿體對應(yīng)，所述四級伸縮式氣缸的伸縮桿的第四級桿體外端與位于中心的套筒底部固接，最外層套筒的中心通孔孔徑介于第一級桿體外徑與第二級桿體外徑之間，次外層套筒的中心通孔孔徑介于第二級桿體外徑與第三級桿體外徑之間，以此類推；所述套筒隨四級伸縮式氣缸的伸縮形成能從多邊形平板通孔穿出的臺階；所述四級伸縮式氣缸的控制端與所述控制器相應(yīng)的控制引腳電連；其中，定義四級伸縮式氣缸直徑最粗的桿體為第一級桿體，從下到上依次為第一級桿體221、第二級桿體222、第三級桿體223以及第四級桿體224；套筒從內(nèi)向外依次定義為第一階211、第二階212、第三階213和第四階214；

所述驅(qū)動裝置包括若干用于驅(qū)動搖動平板的驅(qū)動氣缸3、若干用于控制驅(qū)動氣缸運動方向的換向閥4以及控制換向閥工作的中間繼電器，且一個驅(qū)動氣缸對應(yīng)一塊搖動平板，驅(qū)動氣缸的底部與多邊形平板鉸接，驅(qū)動氣缸3的伸縮桿與相應(yīng)的搖動平板12底部鉸接，使得所述搖動平板12以多邊形平板表面為界上下擺動；所述驅(qū)動氣缸與所述換向閥4一一對應(yīng)，且驅(qū)動氣缸3的進氣口31與出氣口32分別與換向閥相應(yīng)的通路連通，且所述換向閥4的控制端通過中間繼電器與所述控制器的相應(yīng)控制端電連，實現(xiàn)驅(qū)動氣缸的換向。

所述換向閥4為三位五通換向閥，且每個換向閥配置一個用于控制換向閥的a線圈41與b線圈42交替通電的中間繼電器。

所述搖動平板的一端與多邊形平板的邊一致，另一端為半圓形板，且搖動平板向上擺動的上極限位置與多邊形平板的夾角為60°，搖動平板向下擺動的下極限位置與多邊形平板的夾角為30°。

所述分階式環(huán)形擾動器為四階環(huán)形構(gòu)件，即所述分階式環(huán)形擾動器包括4個套筒，所述多級伸縮式氣缸為四級伸縮式氣缸，其中位于中心的套筒底部設(shè)有用于與四級伸縮式氣缸的第四級桿體固接的安裝部。

所述套筒為空心套筒，并且套筒的上下均封口。

同一組的兩塊搖動平板處于相對、相鄰或者間隔的位置，且同一組的搖動平板同時向上或者向下擺動。

搖動平板在氣缸的帶動下實現(xiàn)一定角度的擺動，擺動的角度和頻率可進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。分階式環(huán)形擾動器與一次性生物反應(yīng)袋的分階式環(huán)形底部連接。分階式環(huán)形擾動器各階的運動帶動一次性生物反應(yīng)袋的分階式環(huán)形底部運動，分階式環(huán)形擾動器各階的不同運動模式會使得一次性生物反應(yīng)袋固定板支撐區(qū)域產(chǎn)生不同的湍動效果。分階式環(huán)形擾動器一般設(shè)計為四階，其每一階的高度在一定范圍內(nèi)是可調(diào)的，每一階都由一個氣缸支撐帶動，依靠氣缸的升降實現(xiàn)環(huán)形擾動器各階的運動。搖動平板的擺動和分階式環(huán)形擾動器各階的運動等都需要氣缸來完成。搖動平板擺動的角度和頻率的改變需要調(diào)節(jié)氣缸的升程和進排氣的速度?？刂破骺梢愿鶕?jù)需求自適應(yīng)地控制可動氣缸數(shù)量、自適應(yīng)地調(diào)節(jié)氣缸的升程和進排氣速度。

用于支撐一次性生物反應(yīng)袋的兩級搖動式平臺，如圖2所示。圖三中分階式環(huán)形擾動器被移走。兩級搖動式平臺由一固定式的四邊形平板和兩極搖動平板組成，相對的兩個搖動平板12(a和a’、b和b’)以及各自組成一組。如圖3所示，搖動平板在氣缸的帶動下實現(xiàn)一定角度的擺動，搖動平板的上極限位置與水平面成60°，搖動平板的下極限位置與水平面成30°，搖動平板可以在這個范圍內(nèi)擺動。每一個搖動平板由單獨的一個氣缸帶動，改變氣缸的進氣量的上限值可以改變氣缸的升程，進而可以在極限角度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)搖動平板的擺動角度；改變氣缸進排氣的頻率可以改變搖動平板的擺動頻率。

用于增加固定板支撐區(qū)域底層培養(yǎng)液湍動程度的分階式環(huán)形擾動器，如圖4所示。分階式環(huán)形擾動器為四階，各階的結(jié)構(gòu)如圖5所示，材質(zhì)選擇較輕的聚四氟乙烯。環(huán)形擾動器下方是一個四級的氣缸，在氣缸的推動下，環(huán)形階可成圖5所示一種狀態(tài)，兩級搖動平板造成的波浪在經(jīng)過環(huán)形階結(jié)構(gòu)時，其湍動程度將增加，氣體傳質(zhì)效率將提高。氣缸的進排氣速度為可調(diào)節(jié)的，于是其造成的固定板支撐區(qū)域底層培養(yǎng)液湍動將多樣化、品質(zhì)化。

單個氣缸的控制回路如圖6所示。驅(qū)動氣缸選擇雙作用氣缸，換向閥為三位五通換向閥，帶兩個線圈a、b，a通電，閥芯移到位置ⅰ，氣缸升，a斷電，b通電，氣缸降。通過中間繼電器控制線圈a、b通斷，可是實現(xiàn)氣缸的伸縮運動，中間繼電器與控制器連接，通過程序化的設(shè)計可以實現(xiàn)多氣缸的自適應(yīng)控制。

圖7為兩級搖動式生物反應(yīng)器的一個實施例，控制器為plc控制器，plc控制器除了用于氣缸的自適應(yīng)調(diào)節(jié)之外，還可通過加熱毯控制一次性生物反應(yīng)袋內(nèi)的溫度、控制多組分動態(tài)配氣系統(tǒng)的供氣，控制進料、接種、添加消泡劑、酸液、堿液，采集生物反應(yīng)袋內(nèi)的ph、do濃度、orp、溫度等參數(shù)，完成與上位機的通訊、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

以圖8為例，混合氣為空氣、氧氣、co2和n2，其中每種氣體都對應(yīng)存儲的鋼瓶，分別為空氣鋼瓶、氧氣鋼瓶、co2鋼瓶以及n2鋼瓶，且每個鋼瓶的出氣管路均與相應(yīng)的轉(zhuǎn)子流量計的進氣口，轉(zhuǎn)子流量計的出氣口配有相應(yīng)的電磁閥以及mfc(質(zhì)量流量控制器)，其中空氣鋼瓶與氧氣鋼瓶匯入第一混合器中，co2鋼瓶以及n2鋼瓶匯入第二混合器中，最終第一混合器、第二混合器匯入第三混合器中，第三混合器的出氣口作為總的出氣口；其中空氣鋼瓶的出氣管路上配有電磁閥，此處提到的電磁閥均受控于plc控制器，mfc也受控于plc控制器，即可實現(xiàn)向一次性生物反應(yīng)袋內(nèi)多組分動態(tài)配氣。

本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。