無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器及培養動物細胞方法

專利名稱：無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器及培養動物細胞方法
技術領域：
本發明涉及一種細胞生物反應器，具體涉及一種用于動物細胞培養的無機械攪 拌裝置的填充床式細胞反應器培養動物細胞方法。
背景技術：
目前世界生物技術制藥產業發展迅猛，并已取得了巨大的成就。通過動物細胞 體外培養表達和生產各類診斷和治療用單克隆抗體，疫苗，生長因子等生物活性蛋白質 具有十分廣泛的市場應用前景。因此，用來大規模高密度培養動物細胞的細胞生物反應 器，就成了生物技術制藥產業中最重要的裝備。它很大程度上決定了生物技術制藥企業 的產品成本，生產規模和產品種類。現有的反應器采用插入罐體內的機械攪拌，攪拌 裝置結構及其潤滑物質經常帶來的微生物污染的問題，攪拌潤滑帶入雜菌的情況發生率 高，一旦雜菌污染，就會造成細胞死亡，或者由于機械攪拌的剪切造成細胞死亡，腐敗 物質迅速蔓延，也會造成整罐細胞死亡。

發明內容
本發明的目的是提供一種性能獨特，原理創新的無攪拌裝置的填充床式細胞反 應器的實現方法。上述的目的通過以下的技術方案實現無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，其組成包括反應罐罐體，所述的反 應罐罐體底部連接搖床，所述的反應罐罐體上部為圓臺形、下部為圓柱形，所述的反應 罐的上部裝有導流管，所述的導流管的進口連接所述的反應罐的內壁，所述的導流管的 出口端沿中心漏斗的切線方向進入所述的中心漏斗，所述的反應罐罐體上具有帶進出口 的罐蓋，所述的反應罐罐體內具有填充床。所述的無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，所述的填充床包括空套管，所 述的空套管通過下孔板連接所述的反應罐罐體，所述的空套管上端連接上孔板，片狀微 載體充填在所述的下孔板和所述的上孔板之間。所述的無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，所述的中心漏斗有外套，所述 的中心漏斗外套內和中心漏斗固定連接，所述的中心漏斗設置于罐體的中心線位置，所 述的外套有和所述的罐體連接的固定支架。所述的無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，所述的反應罐罐體上部的半錐 角α為25° -55°，所述的反應罐體外部具有保溫水夾套、所述的反應罐體內側底部有 分配錐。所述的無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，進氣管上端穿過所述的罐蓋， 所述的進氣管的另一端伸到中心漏斗內，所述的進氣管的中心漏斗內的一端的底部為環 形并且分布有出氣微孔，所述的反應罐罐蓋上裝有進液管和出液管，所述的反應罐罐體下部圓柱體與底面之間通過半徑大于50mm圓弧過渡。一種利用無攪拌裝置的填充床式細胞反應器培養活性細胞的方法啟動搖床，加培養基至反應罐工作容積后，將動物活性細胞接種到填充床的片 狀微載體中；被固定在圓錐內壁上的導流管將上部的培養液導至罐體中心的中心漏斗 中；培養液在與填充床分離的中心漏斗中進行溶氧；經過中心漏斗的出口出來的營養液 穿過填充床給活性動物細胞輸送營養和氧氣；在搖床的離心力作用下培養液向外并向上 運動進入導流管，在導流管的引導下回到中心漏斗，完成一個循環；補充氧氣和營養， 開始下一個循環流。所述的利用無攪拌裝置的填充床式細胞反應器培養活性細胞的方法，所述的培 養液在反應罐中的與填充床分離中心漏斗中的溶氧區進行溶氧是指在中心漏斗的液面 下，由進氣管把混合氣由罐外輸入，經進氣管下部的環形管上的出氣微孔，以鼓泡形式 進入液體漩渦里，形成氣-液相混合的溶氧過程，混合氣體溶解\混合于培養液中，并隨 培養液做循環流動；在振蕩回流的作用下中心漏斗里的培養液形成漩渦向下流動；中心 漏斗下部出口流出的培養液，沖至罐內底部經分配錐并折反向上沿外環呈螺旋線軌跡運 動。所述的利用無攪拌裝置的填充床式細胞反應器培養活性細胞的方法，所述的通 過填充床給活性動物細胞輸送營養和氧氣過程中，所述的填充床包括由上孔板和下孔板 與空套管和罐體圓柱形內壁構成的空間，其中填滿片狀微載體，細胞就貼附于片狀微載 體之上，作為活性動物細胞的生長區域，當培養液流穿過填充床時，將營養和氧氣帶給 細胞，并將排泄物帶走，完成為細胞提供營養物質和溶解氧的過程。本發明的有益效果1.就細胞生物反應器本身而言，面對動物細胞大規模高密度培養的要求，細胞 生物反應器必須解決自身功能的放大和強化問題，這些困難主要源于兩方面的矛盾；一 方面用于培養過程的生物反應器必須有足夠的氣液傳質能力并能提供良好的流體混合條 件和生存條件，否則就難以支持細胞的生長。尤其在大規模高密度細胞培養過程中這 一要求更加苛刻，細胞生物反應器在培養細胞過程中，需要確保提供良好的傳質混合能 力。本產品有效的克服了現在技術的缺點和不足，通過偏心旋轉將溶氧流體通過導流管 輸出并回流到中心漏斗，形成罐內的液體循環具有振蕩環流混合的效果。由于不存在機 械攪拌力，剪切力小，在延中心漏斗內壁的循環下降中，溶氧速度快、工作容積可線性 放大、結構簡單但有效。本產品為生存在填充床中片狀微載體中的細胞賦予了仿生命特 征的良好生存條件，可應用到人體活性細胞和動物活性細胞培養過程中。2.另一方面，由于動物細胞的剪切力敏感性，生物反應器中因攪拌和鼓泡產生 的流體剪切力和氣泡破裂會無可避免的導致細胞損傷甚至死亡，造成培養失敗。所以， 為了實現細胞生物反應器在培養細胞過程中，既要確保提供良好的傳質混合能力，又要 盡可能使流體剪切力降低來減少對細胞的損傷，從而確保大規模高表達的蛋白質生產， 盡可能的降低微生物的污染概率，本發明的方案中，反應器的罐體內取消了傳統的機械 攪拌裝置，這樣就徹底消除了由攪拌裝置結構及其潤滑物質所帶來的微生物污染的問 題。同時，沒有機械攪拌裝置，也大大降低了攪拌剪切力。3.本產品的細胞生長區域-填充床和氣-液混合鼓泡區域分開，也避免了氣泡破裂給細胞帶來的損傷。既確保大規模高表達的蛋白質生產，又盡可能的降低了微生物的 污染概率。


附圖1是本發明的結構示意圖。附圖2是本發明的俯視圖。
具體實施例方式實施例1 無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，其組成包括反應罐罐體110，所述 的反應罐罐體經偏心搖盤58連接搖床50上，搖床搖動偏心搖盤使反應罐體作偏心轉動。 所述的反應罐罐體110上部為圓臺形100、下部為圓柱形113，所述的圓臺形的上部裝有 導流管130，所述的導流管的進口 131貼近所述的反應罐罐體的內壁，所述的導流管的出 口 133端沿中心漏斗的切線方向進入中心漏斗160，所述的反應罐罐體上具有帶進氣口、 出氣口、進液口、出液口的罐蓋140，所述的反應罐罐體內具有填充床120。實施例2 實施例1所屬的無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，所述的填充床包括上 孔板125、下孔板122和空套管124。所述的反應罐罐體110內圓柱形113內壁連接下孔 板122和空套管124，所述的空套管124上端連接上孔板125，所述的上孔板125、空套 管124、下孔板122構成填充床120，片狀微載體26充填在所述的下孔板和上孔板之間。 所述的填充床120與反應罐罐體110中心線一致。所述的反應罐有底座114，所述的反應 罐110與搖盤58之間通過底座114連接，所述的反應罐罐體110與罐蓋140之間用螺栓 連接。所述的圓臺形100內表面連接導流管進口 131端，所述的導流管出口 133端法線 沿中心漏斗的切線方向或者與切線平行的方向進入到中心漏斗160，所述的反應罐罐體有 罐蓋140，所述的罐蓋140連接進氣管115的一端，所述的進氣管115的另一端伸到中心 漏斗160內，所述的反應罐罐體110內有進液管117和出液管118。實施例3 實施例1或2所述的無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，所述的中心漏斗有 外套164，所述的中心漏斗外套164內將中心漏斗用壓環165和壓環頂絲166壓緊，所述 的中心漏斗設置于罐體的中心線位置，中心漏斗外套通過圖2中的3個中心漏斗外套支架 168固定。所述的無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，所述的反應罐罐體上部圓臺形 的圓錐表面的半錐角α為25°到55°，例如30°或者35°、40°、45°或者50°，可 以根據需要的營養液的濃度和要求循環的速度通過實驗確定，一般在30-42°之間都是比 較好的，所述的反應罐體外部有保溫水夾套111。所述的無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，所述的反應罐罐體與搖盤之間 用螺栓固定；所述的罐體與罐蓋之間用“O”形膠圈來密封；所述的反應罐罐體下部是 有大圓角底部的圓柱形，所述的反應罐體內側底部有分配錐119。
實施例4 以上實施例所述的無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，所述的搖床50設置 在地面上，所述的反應罐Iio放在搖床50的搖盤58上，用螺栓緊固連接，所述的搖床 是底部有四個接觸地面支撐盤55的動力裝置，所述的搖床有主動偏心軸54，所述的主動 偏心軸54有偏心距56，所述的搖床的偏心搖動的工作方法，所述的搖床底部安裝有電機 52，所述的電機52轉動帶動小皮帶輪57，所述的小皮帶輪57帶動大皮帶輪51，所述的 大皮帶輪51帶動主動偏心軸54轉動，所述的主動偏心軸54帶動上搖動盤53，所述的上 搖動盤53和搖盤58通過連接立柱59連接固定為一體并同步搖動；當搖盤搖動時，把振 蕩運動傳給偏心運動的罐體，罐內培養液產生圓周振蕩運動而沒有中線死角，培養液的 靜態液面變為振蕩液面，并繞罐體中心線轉動；同時反應罐體內的培養液產生脈沖式的 圓周振蕩運動，加上罐內循環結構的作用，實現了罐體培養液的循環流動。實施例5:實施例1所述的無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，所述的導流管，其導 流管進口的一側連接在罐體內側圓錐表面上，導流管出口連接中心漏斗外套，圓周振蕩 運動的液體流按Al方向流進導流管進口，按A2方向進入中心漏斗的液流在中心漏斗內 按A3方向成漩渦狀向下流動。然后在中心漏斗的下端口，按A4方向流出，沖底折返后 向上流動，穿過填充床，然后繼續向上做圓周振蕩流動，到達導管進口處，再次按Al方 向進入導流管內，如此循環往復，形成罐內的培養液循環流。實施例6 實施例1所述的無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，所述的填充床的上部 是上孔板連接到空套管的上端，下部是下孔板與空套管，向內至空套管124的外壁，向 外至罐體的圓柱內壁113，形成填充床的空間，并由片狀微載體充滿。進氣管底部為環形并且分布有出氣的微孔，混合氣從管內按A5方向進入，到 達進氣管下端后，再由環狀管上的微孔進入按A3方向做漩渦狀流動的培養液中，開始 氣_液相混合，溶混合氣進入培養液中，剩余氣體上升到液面逸出。同時溶入混合氣體 的培養液流出中心漏斗的下端，按A4方向進入填充床。供給營養物質和溶解氧給在填充 床內片狀微載體上貼附的細胞。實施例7 —種利用無攪拌裝置的填充床式細胞反應器培養活性細胞的方法，啟動搖床， 加培養基至反應罐工作容積后，將動物活性細胞接種到填充床的片狀微載體中；被固定 在圓錐內壁上的導流管將上部的培養液導至罐體中心的中心漏斗中；培養液在與填充床 分離的中心漏斗中進行溶氧；經過中心漏斗的出口出來的營養液穿過填充床給活性動物 細胞輸送營養和氧氣；在搖床的離心力作用下培養液向外并向上運動進入導流管，在導 流管的引導下回到中心漏斗，完成一個循環；補充氧氣和營養，開始下一個循環流。實施例8 實施例1所述的利用無攪拌裝置的填充床式細胞反應器培養活性細胞的方法， 所述的培養液在反應罐中的與填充床分離中心漏斗中的溶氧區進行溶氧是指在中心漏斗 的液面下，由進氣管把混合氣由罐外輸入，經進氣管下部的環形管上的出氣微孔，以鼓 泡形式進入液體漩渦里，形成氣-液相混合的溶氧過程，混合氣體溶解\混合于培養液中，并隨培養液做循環流動；在振蕩回流的作用下中心漏斗里的培養液形成漩渦向下流 動；中心漏斗下部出口流出的培養液，沖至罐內底部經分配錐并折反向上沿外環呈螺旋 線軌跡運動。所述的通過填充床給活性動物細胞輸送營養和氧氣過程中，所述的填充床包括 由上孔板和下孔板與空套管和罐體圓柱形內壁構成的空間，其中填滿片狀微載體，細胞 就貼附于片狀微載體之上，作為活性動物細胞的生長區域，當培養液流穿過填充床時， 將營養和氧氣帶給細胞，并將排泄物帶走，完成為細胞提供營養物質和溶解氧的過程。本申請中與設備結構相關的大部分內容同日申請了實用新型。
權利要求
1.一種無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，其組成包括反應罐罐體，其特 征是所述的反應罐罐體底部連接搖床，所述的反應罐罐體上部為圓臺形、下部為圓柱 形，所述的反應罐的上部裝有導流管，所述的導流管的進口連接所述的反應罐的內壁， 所述的導流管的出口端沿中心漏斗的切線方向進入所述的中心漏斗，所述的反應罐罐體 上具有帶進出口的罐蓋，所述的反應罐罐體內具有填充床。
2.根據權利要求1所述的無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，其特征是所述 的填充床包括空套管，所述的空套管通過下孔板連接所述的反應罐罐體，所述的空套管 上端連接上孔板，片狀微載體充填在所述的下孔板和所述的上孔板之間。
3.根據權利要求1或2所述的無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，其特征是所 述的中心漏斗有外套，所述的中心漏斗外套內和中心漏斗固定連接，所述的中心漏斗設 置于罐體的中心線位置，所述的外套有和所述的罐體連接的固定支架。
4.根據權利要求1或2所述的無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，其特征是所 述的反應罐罐體上部的半錐角α為25° -55°，所述的反應罐體外部具有保溫水夾套、 所述的反應罐體內側底部有分配錐。
5.根據權利要求3所述的無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器，其特征是所述 的反應罐罐體上部的半錐角α為25° -55°，所述的反應罐體外部具有保溫水夾套、所 述的反應罐體內側底部有分配錐。
6.根據權利要求1或2或3或4或5所述的無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器， 其特征是進氣管上端穿過所述的罐蓋，所述的進氣管的另一端伸到中心漏斗內，所述 的進氣管的中心漏斗內的一端的底部為環形并且分布有出氣微孔，所述的反應罐罐蓋上 裝有進液管和出液管，所述的反應罐罐體下部圓柱體與底面之間通過半徑大于50_圓 弧過渡。
7.一種利用無攪拌裝置的填充床式細胞反應器培養活性細胞的方法，其特征是啟動搖床，加培養基至反應罐工作容積后，將動物活性細胞接種到填充床的片狀微載體中；被固定在圓錐內壁上的導流管將上部的培養液導至罐體中心的中心漏斗中；培 養液在與填充床分離的中心漏斗中進行溶氧；經過中心漏斗的出口出來的營養液穿過填 充床給活性動物細胞輸送營養和氧氣；在搖床的離心力作用下培養液向外并向上運動進 入導流管，在導流管的引導下回到中心漏斗，完成一個循環；補充氧氣和營養，開始下 一個循環流。
8.根據權利要求7所述的利用無攪拌裝置的填充床式細胞反應器培養活性細胞的方 法，其特征是所述的培養液在反應罐中的與填充床分離中心漏斗中的溶氧區進行溶氧 是指在中心漏斗的液面下，由進氣管把混合氣由罐外輸入，經進氣管下部的環形管上的 出氣微孔，以鼓泡形式進入液體漩渦里，形成氣-液相混合的溶氧過程，混合氣體溶解 \混合于培養液中，并隨培養液做循環流動；在振蕩回流的作用下中心漏斗里的培養液形 成漩渦向下流動；中心漏斗下部出口流出的培養液，沖至罐內底部經分配錐并折反向上 沿外環呈螺旋線軌跡運動。
9.根據權利要求7或8所述的利用無攪拌裝置的填充床式細胞反應器培養活性細胞的 方法，其特征是所述的通過填充床給活性動物細胞輸送營養和氧氣過程中，所述的填 充床包括由上孔板和下孔板與空套管和罐體圓柱形內壁構成的空間，其中填滿片狀微載體，細胞就貼附于片狀微載體之上，作為活性動物細胞的生長區域，當培養液流穿過填 充床時，將營養和氧氣帶給細胞，并將排泄物帶走，完成為細胞提供營養物質和溶解氧 的過程。
全文摘要
無攪拌裝置的填充床式細胞生物反應器及培養動物細胞方法。面對動物細胞大規模高密度培養的要求，細胞生物反應器必須解決自身功能的放大和強化問題。本產品組成包括反應罐罐體(110)，反應罐罐體經偏心搖盤(58)連接搖床(50)上，搖床搖動偏心搖盤使反應罐體作偏心轉動。反應罐罐體上部為圓臺形(100)、下部為圓柱形(113)，圓臺形的上部裝有導流管(130)，導流管的進口(131)貼近反應罐罐體的內壁，導流管的出口(133)端沿中心漏斗的切線方向進入中心漏斗(160)，反應罐罐體上具有帶進氣口、出氣口、進液口、出液口的罐蓋(140)，反應罐罐體內具有填充床(120)。本發明為動物細胞培養提供了優質環境。
文檔編號C12M3/00GK102021115SQ200910072940
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月21日 優先權日2009年9月21日
發明者惠識瑤 申請人:惠識瑤