專利名稱：罐外循環的填充床式細胞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罐外循環的 無機械攪拌裝置的填充床式細胞反應器及培養動物細胞方法。
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 了聲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方式，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，而且高密度的培養，往 往溶氧水平偏低，不能滿足需要，也是造成密度不高，表達量偏低的重要原因。
發明內容
本發明的目的是提供一種性能獨特，原理創新的罐外循環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一種罐外循環的填充床式細胞反應器，其組成包括反應罐罐體，所述的反應罐罐 體底部連接搖床，所述的反應罐的上部裝有外導管，所述的外導管沿罐體外繞罐體旋下并 在底部回到罐體內，所述的外導管的進口開在所述的反應罐的圓臺形內壁上，所述的外導 管的出口端的回液口從罐體底部的中心進入所述的反應罐體內，所述的反應罐罐體上具有 帶進出氣管和出氣管的罐蓋，所述的反應罐罐體內具有填充片狀微載體的填充床。所述的罐外循環的填充床式細胞反應器，所述的反應罐罐體上部為圓臺形、下部 為圓柱形、底部為圓錐形，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，所述的外導管沿罐體外繞罐體旋轉的角度為180度。所述的罐外循環的填充床式細胞反應器，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圓錐形口和 回液口。所述的罐外循環的填充床式細胞反應器，所述的進氣管上端穿過所述的罐蓋，所 述的進氣管的另一端為出氣矩形管并伸到罐內，所述的出氣矩形管上具有出氣微孔，所述 的出氣矩形管安裝在外導管的液面下，所述的反應罐罐蓋上裝有進液管、出液管、溶氧探 頭、P H探頭和溫度探頭，所述的反應罐罐體下部圓柱體與圓錐底面之間通過圓弧過渡，所 述的圓錐底面有天圓地方結構連接到外導管末端的回液口。一種利用罐外循環的填充床式細胞反應器培養動物細胞的方法，
加培養基至反應罐工作容積后，啟動搖床，將動物活性細胞接種到填充床的片狀 微載體中；開在圓錐內壁上的外導管進口將上部的培養液導至外導管中；培養液在罐體上 部，外導管上部空間和外導管液面下區域中進行溶氧；經過回液口出來的營養液向上穿過 填充床過程中，給活性動物細胞輸送營養和氧氣；由于在搖床的離心力作用下培養液向外 并向上運動進入外導管進口，培養液在外導管的引導下回到罐體底部，然后由下向上做螺 旋上升運動，直至再次進入外導管進口，經過反復循環，直到營養被動物細胞汲取完成；補 充氧氣和營養，開始下一個循環流。所述的利用罐外循環的填充床式細胞反應器培養動物細胞的方法，所述的培養液 在與外導管下部的液體溶氧區域進行溶氧是指在溶氧區域中，由進氣管把混合氣由罐外輸 入，經進氣管下部的出氣矩形管上的出氣微孔，進入外導管液面下的液體中與做圓周震蕩 的培養液，形成氣-液相混合的溶氧過程，混合氣體中的氧氣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外導管中的培養液向下流動；經回液口再次回到罐 體底部向上呈螺旋上升的軌跡運動。所述的利用罐外循環的填充床式細胞反應器培養動物細胞的方法，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存區域，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，所述的出氣管的出口壓力為4000Pa，營 養液體溫度為35-38°C，沖擊波頻率為75-110次/分鐘。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，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外導管輸出并回流到罐內，形成罐 內的液體通過外導管的循環運動在振蕩環流混合的作用下溶氧。由于不存在機械攪拌力， 剪切力小，在罐內外的循環過程中，溶氧速度快、工作容積可線性放大、結構簡單但有效。本 產品脈沖式的供氧、供養分的方式仿生命程度高，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，由于動物細胞對剪切力敏感性，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泄漏所帶來的微生物污染的問題和機械攪拌破損問題。同 時，沒有機械攪拌裝置，也大大降低了攪拌剪切力和設備成本。3.本產品的細胞生長區域_填充床和氣_液混合溶氧區域分開，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是本發明的主視結構示意圖。附圖2是附圖1的左視圖。附圖3是附圖1的俯視圖。
具體實施例方式實施例1 罐外循環的填充床式細胞反應器，其組成包括反應罐罐體100，所述的反應罐罐體連接搖床50，搖床搖動使反應罐體作偏心轉動。所述的反應罐罐體100上部為圓臺形 107、下部為圓柱形109、底部為圓錐形120，所述的圓臺形的上部開有外導管進口 105，外導 管在罐體外繞罐體旋下并在底部回到罐體內，所述的外導管在罐體外繞罐體1800左右，所 述的外導管的回液口 106在罐體底部的中心進入所述的反應罐體內，所述的反應罐罐體上 蓋具有帶進氣管85的罐蓋，出液管86、進液管87、溶氧探頭80、P H探頭81穿過罐蓋進入到 罐體中，所述的反應罐罐體內具有由上孔板110、下孔板112、空套管116及片狀微載體111 組成的填充床。實施例2 實施例1所屬的罐外循環的填充床式細胞反應器，所述的填充床包括上孔板110、 下孔板112、空套管115和片狀微載體111。所述的反應罐罐體100內圓柱形109內壁連接 下孔板112和空套管115，所述的空套管115上端連接上孔板110，所述的上孔板110、空套 管115、下孔板112構成填充床，片狀微載體111充填在所述的下孔板和上孔板之間。所述 的填充床與反應罐罐體100中心線一致。所述的反應罐有底盤102，所述的反應罐110與搖 盤50之間通過底盤102連接，所述的反應罐罐體100裝有上蓋101，所述的反應罐罐體100 與上蓋之間用螺栓連接。所述的外導管進口 105在圓臺形表面上端，所述的外導管108繞罐體1800左右不 超過360度不小于90度，所述的上蓋101上的進氣管85、進液管87、出液管86、溶氧探頭 80和P H探頭81穿過罐蓋進入到罐體中。實施例3 實施例1或2所述的罐外循環的填充床式細胞反應器，所述的反應罐罐體上部圓 臺形的表面的半椎角α為25°到55°，例如30°或者35°、40°、45°或者50°，可以根 據需要的營養液的溶氧水平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套104。所述的罐外循環的填充床式細胞反應器，所述的反應罐罐體與搖床之間用螺栓固 定；所述的罐體與上蓋之間用“0”形膠圈來密封；所述的反應罐罐體下部的圓柱形有圓角 過渡到底部圓錐形，所述的反應罐體內側底部有圓錐形，通過天圓地方結構過渡連接到外 導管下部末端。實施例4 以上實施例所述的罐外循環的填充床式細胞反應器，所述的搖床50設置在地面上，所述的反應罐體100放在搖床50上，用螺栓緊固連接，當搖床搖動時，是反應罐體偏心轉動，罐內培養液產生圓周振蕩運動，而沒有中心死角，培養液的靜態平液面變為振蕩液面 即動態液面115，并繞罐體中心線轉動；加上罐內外循環結構的作用，實現了罐體內培養液 的垂直方向的循環流動。實施例5 實施例1所述的罐外循環的填充床式細胞反應器，所述的外導管108，其外導管進 口 105開在罐體內側圓錐表面上，所述的外導管繞罐體外1800，所述的外導管的下部末端 的回液口 106連接到罐體底部的圓錐體末端口，做圓周振蕩運動的培養液流進外導管進口 105，后經外導管108再經回液口 106流回到罐內，從下向上做螺旋上升運動，隨著罐體的圓 周震蕩運動培養液流一直上升到外導管進口 105再次進入到外導管內如此循環往復，形成 罐內的培養液循環流。實施例6 實施例1所述的罐外循環的填充床式細胞反應器，所述的填充床的上部是上孔板 110連接到空套管116的上端，下部是下孔板112與空套管116連接向內至空套管的外壁， 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。混合氣體由進氣管進入罐體內由進氣管的另一端位于外導管液面下的出氣矩形 管上的出氣微孔出氣進入外導管的液面下，與做圓周振蕩和沖刷罐體內表面的培養液進行 氣-液相混合，溶混合氣體中的氧氣進入培養液中，同時含有溶解氧的培養液流入外導管 中，然后又經下部回液口 106回到罐體底部，再向上做螺旋上升運動，流經填充床，供給營 養物質和溶解氧給在片狀微載體上貼附的細胞。實施例7 一種利用罐外循環的填充床式細胞反應器及培養動物細胞方法，加培養基至反應 罐工作容積后，啟動搖床，將動物活性細胞種子液接種到填充床的片狀微載體中；隨著罐體 做圓周振蕩運動，罐內上部培養液進入外導管105，同時，在罐體上部、外導管上部空間和外 導管液面下氣-液相混合，將混合氣中的氧氣溶入培養液中，這些含有溶解氧的培養液被 外導管108引導至罐體底部的回液口，重新進入罐體內，從下向上做螺旋上升運動，穿過填 充床時，把營養和溶解氧送給活性動物細胞；隨后培養液繼續向上做螺旋上升運動，直至再 次進入罐體上部的外導管進口 105，經過反復循環，直到營養動物細胞汲取完成；補充氧氣 和營養，開始下一個循環流周期。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，所述的出氣管 的出口壓力為4000Pa，營養液體溫度為35-38°C，沖擊波頻率為75-110次/分鐘。
權利要求
一種罐外循環的填充床式細胞反應器，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，所述的反應罐的上部裝有外導管，所述的外導管沿罐體外繞罐體旋下并在底部回到罐體內，所述的外導管的進口開在所述的反應罐的圓臺形內壁上，所述的外導管的出口端的回液口從罐體底部的中心進入所述的反應罐體內，所述的反應罐罐體上具有帶進出氣管和出氣管的罐蓋，所述的反應罐罐體內具有填充片狀微載體的填充床。
2.根據權利要求1所述的罐外循環的填充床式細胞反應器，其特征是所述的反應罐 罐體上部為圓臺形、下部為圓柱形、底部為圓錐形，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，所述的外導管沿罐體外繞罐體旋轉的角度為180度。
3.根據權利要求1或2所述的罐外循環的填充床式細胞反應器，其特征是所述的反 應罐罐體上部的半錐角a為25° -55°，所述的反應罐體外部具有保溫水夾套、所述的反 應罐體內側底部有圓錐形口和回液口。
4.根據權利要求1或2或3所述的罐外循環的填充床式細胞反應器，其特征是所述的 進氣管上端穿過所述的罐蓋，所述的進氣管的另一端為出氣矩形管并伸到罐內，所述的出 氣矩形管上具有出氣微孔，所述的出氣矩形管安裝在外導管的液面下，所述的反應罐罐蓋 上裝有進液管、出液管、溶氧探頭、PH探頭和溫度探頭，所述的反應罐罐體下部圓柱體與圓 錐底面之間通過圓弧過渡，所述的圓錐底面有天圓地方結構連接到外導管末端的回液口。
5.一種利用罐外循環的填充床式細胞反應器培養動物細胞的方法，其特征是加培養基至反應罐工作容積后，啟動搖床，將動物活性細胞接種到填充床的片狀微載 體中；開在圓錐內壁上的外導管進口將上部的培養液導至外導管中；培養液在罐體上部， 外導管上部空間和外導管液面下區域中進行溶氧；經過回液口出來的營養液向上穿過填充 床過程中，給活性動物細胞輸送營養和氧氣；由于在搖床的離心力作用下培養液向外并向 上運動進入外導管進口，培養液在外導管的引導下回到罐體底部，然后由下向上做螺旋上 升運動，直至再次進入外導管進口，經過反復循環，直到營養被動物細胞汲取完成；補充氧 氣和營養，開始下一個循環流。
6.根據權利要求5所述的利用罐外循環的填充床式細胞反應器培養動物細胞的方法， 其特征是所述的培養液在與外導管下部的液體溶氧區域進行溶氧是指在溶氧區域中，由 進氣管把混合氣由罐外輸入，經進氣管下部的出氣矩形管上的出氣微孔，進入外導管液面 下的液體中與做圓周震蕩的培養液，形成氣-液相混合的溶氧過程，混合氣體中的氧氣溶 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外導管中的培養液向下 流動；經回液口再次回到罐體底部向上呈螺旋上升的軌跡運動。
7.根據權利要求6所述的利用罐外循環的填充床式細胞反應器培養動物細胞的方法， 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存區域，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，所述的出氣 管的出口壓力為4000Pa，營養液體溫度為35-38°C，沖擊波頻率為75-110次/分鐘。
全文摘要
罐外循環的填充床式細胞生物反應器及培養動物細胞方法。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。現有的反應器采用插入罐體內的機械攪拌方式，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，或者由于機械攪拌的剪切造成細胞死亡，而且高密度的培養，往往溶氧水平偏低，不能滿足需要。本產品組成包括反應罐罐體(100)，所述的反應罐罐體底部連接搖床(50)，所述的反應罐的上部裝有外導管(105)，所述的外導管沿罐體外繞罐體旋下并在底部回到罐體內，所述的外導管的進口開在所述的反應罐的圓臺形內壁上，所述的外導管的出口端的回液口(106)從罐體底部的中心進入所述的反應罐體內，所述的反應罐罐體上具有帶進出氣管和出氣管(85)的罐蓋，所述的反應罐罐體內具有填充片狀微載體(111)的填充床。本發明為動物細胞培養提供了優質環境。
文檔編號C12N5/07GK101831385SQ20101015615
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月27日 優先權日2010年4月27日
發明者惠識瑤 申請人:惠識瑤