一種生物反應器的制作方法

本發明涉及醫藥設備領域的一種生物反應器。

背景技術：

目前進行細胞培養的生物反應器，主要分為流化床生物反應器和固定床生物反應器。固定床生物反應器在一個固定的容器中間裝填有細胞培養載體來進行細胞培養的填料。所述填料是由細胞培養載體組成的，所述細胞培養載體通常是直徑2-6mm顆粒載體、多孔球載體或者片狀纖維載體。細胞培養液循環通過細胞培養載體，細胞培養液依靠攪拌器在攪拌中產生的負壓不斷在固定床生物反應器內流動，以進行營養成分和/或氧的傳遞。剛接種的細胞生長在所述細胞培養載體的表面，隨著細胞增殖，細胞開始充滿所述細胞培養載體間的空隙。固定床生物反應器內細胞培養液流動速度大，細胞生長密度高，可減少無血清培養時的蛋白的用量，適用于增殖懸浮細胞，且對細胞無機械損害，但是，由于所述填料被上固定板和下固定板壓緊，細胞的代謝產物及死細胞很難排出，同時細胞培養液不均勻的流動而造成溝流現象和營養分布不均勻，細胞生長速度一致性差。

流化床生物反應器包括罐體、攪拌器，以及由細胞培養載體組成的填料等，通過所述攪拌器在所述罐體內產生向上的漩流，使支持細胞生長的細胞培養液呈流態化，并使內部裝填的所述填料中的細胞培養載體上下翻動，依附所述細胞培養載體生長的大量細胞在懸浮狀態下生長。流化床生物反應器內，細胞培養液的流動性好，細胞的生長所需的營養在流化床生物反應器內分布均勻，細胞生長一致性好，但細胞和細胞培養載體容易沖出，同時隨著細胞的增多，細胞在流化床生物反應器內懸浮態變差。同時流化床生物反應器的規模無法放大，現有流化床生物反應器的深度最大為僅為2m左右，橫截面積最大規模僅為1m³。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種生物反應器，其有助于在對細胞培養床進行深層供氧前，實現溶解氧和氧氣氣泡的分離，防止氧氣氣泡進入細胞培養床，從而防止氧氣氣泡破裂而損傷氣泡。

實現上述目的的一種技術方案是：一種生物反應器，包括罐體、導流筒、多級調速攪拌器，以及水平置于所述罐體內的上固定板和下固定板，所述導流筒在所述罐體的中心豎直貫穿所述上固定板和所述下固定板，所述上固定板和所述下固定板均為多孔板，所述罐體，所述導流筒、所述上固定板和所述下固定板之間形成細胞培養床；

所述導流筒的內圓周壁上固定有豎直設置的通氣管，所述通氣管的頂端高于所述導流筒的頂端，所述通氣管的底端連通與所述下固定板等高，外圓周緊貼所述導流筒內圓周的環形氣體分布器，所述環形氣體分布器為一根水平設置的環形管，所述環形氣體分布器的圓周上均布多個供氧通氣孔，所述多級調速攪拌器豎直伸入所述導流筒的底部。

所述多級調速攪拌器豎直伸入所述導流筒的底部。

進一步的，所述導流筒分為從上至下依次同心連接的垂直導流管、內徑上小下大的喇叭口結構，以及垂直攪拌室，所述垂直導流管貫穿所述上固定板并與所述上固定板固定，所述喇叭口結構的頂端同心連接所述垂直導流管的底端，所述喇叭口結構的底端與所述下固定板固定，所述垂直攪拌室的頂端同心連接所述喇叭口結構的底端并與所述下固定板固定；所述環形氣體分布器與所述下固定板等高并緊貼所述喇叭口結構的內圓周壁，所述多級調速攪拌器從所述罐體的底端伸入垂直攪拌室，所述補氣管緊貼所述垂直導流管和所述喇叭口結構的內圓周壁。

再進一步的，所述垂直導流管的內圓周壁固定有豎直設置的補料管，所述補料管的頂端高于所述導流筒的頂端并低于所述通氣管的頂端，底端與所述垂直導流管的底端等高。

再進一步的，所述多級調速攪拌器伸入所述垂直攪拌室部分的高度為所述多級調速攪拌器總高度的四分之一到三分之一。

進一步的，所述上固定板與所述導流筒之間通過O形圈固定，所述下固定板與所述導流筒之間焊接固定，所述上固定板的外圓周與所述罐體的內圓周壁之間通過套接在所述上固定板外圓周上的法蘭以及套接在所述法蘭外圓周上的墊圈密封，所述下固定板的外圓周與所述罐體的內圓周壁之間通過套接在所述下固定板外圓周上的法蘭以及套接在所述法蘭外圓周上的墊圈密封。

進一步的，所述罐體的底部插有取樣閥，所述取樣閥包括一根閥桿，所述閥桿從所述下固定板的底部插入細胞培養床。

進一步的，所述細胞培養床中填裝有填料，所述填料由細胞培養載體構成，所述填料的高度為所述細胞培養床高度的三分之二至五分之四，所述細胞培養載體的直徑大于所述所上固定板以及所述下固定板的孔徑。

再進一步的，所述細胞培養載體為片狀纖維細胞培養載體。

進一步的，所述罐體的頂部設有出泡口，所述出泡口與冷凝器連接。

進一步的，所述多級調速攪拌器的槳葉為平葉或螺旋槳形槳葉。

采用了本發明的一種生物反應器的技術方案，包括罐體、導流筒、多級調速攪拌器，以及水平置于所述罐體內的上固定板和下固定板，所述導流筒在所述罐體的中心豎直貫穿所述上固定板和所述下固定板，所述上固定板和所述下固定板均為多孔板，所述罐體，所述導流筒、所述上固定板和所述下固定板之間形成細胞培養床；所述導流筒的內圓周壁上固定有豎直設置的通氣管，所述通氣管的頂端高于所述導流筒的頂端，所述通氣管的底端連通與所述下固定板等高，外圓周緊貼所述導流筒內圓周的環形氣體分布器，所述環形氣體分布器為一根水平設置的環形管，所述環形氣體分布器的圓周上均布多個供氧通氣孔，所述多級調速攪拌器豎直伸入所述導流筒的底部。其技術效果是：其有助于在對細胞培養床進行深層供氧前，實現溶解氧和氧氣氣泡的分離，防止氧氣氣泡進入細胞培養床，從而防止氧氣氣泡破裂而損傷氣泡。

附圖說明

圖1為本發明的一種生物反應器的結構示意圖。

圖2為本發明的一種生物反應器中通氣管和環形氣體分布器的結構示意圖。

圖3為本發明的一種生物反應器中環形氣體分布器的俯視圖。

具體實施方式

請參閱圖1，本發明的發明人為了能更好地對本發明的技術方案進行理解，下面通過具體地實施例，并結合附圖進行詳細地說明：

請參閱圖1，本發明的一種生物反應器，屬于一種固定床生物反應器，包括：包括罐體1、導流筒18、補料管11、通氣管9、環形氣體分布器10、多級調速攪拌器8、上固定板15和下固定板17。

其中，罐體1的頂部設出泡口2和冷凝器口(圖未標出)，出泡口2和冷凝器口均與冷凝器(圖未標出)連接，生物反應器內的細胞培養液從出泡口進入所述冷凝器，并通過所述冷凝器內的旋液分離器進行氣液分離，經過氣液分離的細胞培養液通過所述冷凝器口返回罐體1內，氣體經過所述冷凝器的尾氣濾芯和比例閥排出。

罐體1的圓周壁上設有四個補液口，以及出液口和電極口。所述補液口用于向罐體1內添加細胞培養液及調節pH值用的堿液。

上固定板15和下固定板17均水平置于罐體1內并同心設置。上固定板15的外圓周上套接有法蘭和套接在所述法蘭外圓周上的墊圈，用于實現上固定板15的外圓周與罐體1的內圓周壁之間的密封。下固定板17的外圓周上套接有法蘭和套接在所述法蘭外圓周上的墊圈，用于實現下固定板17與罐體1的內圓周壁之間的密封。導流筒18位于罐體1的中心，導流筒18的上部豎直向上貫穿上固定板15，導流筒18的下部豎直向下貫穿下固定板17。也就是說上固定板15的外圓周和下固定板17的外圓周是與罐體1的內圓周壁分離的，因此便于生物反應器的安裝和拆卸。

導流筒18從上至下分為依次同心連接的垂直導流管12、內徑上小下大的喇叭口結構13和垂直攪拌室14。垂直導流管12豎直貫穿上固定板15。垂直導流管12的頂端高于上固定板15的頂面，底端與喇叭口結構13的頂端連接。垂直導流管12與上固定板15之間通過O形圈固定，O形圈卡接在位于上固定板15內圓周的卡槽中。也就是說，上固定板15的內圓周與導流筒15是分離的，因此便于生物反應器的安裝和拆卸。

由于該生物反應器便于安裝拆卸，故可以重復多次使用，這對于科研工作而言，極大地降低成本。

喇叭口結構13的底端與下固定板17以及垂直攪拌室14的頂端焊接固定，垂直攪拌室14的頂端與喇叭口結構13的底端以及下固定板17焊接固定，從而使下固定板17與喇叭口結構13和垂直攪拌室14連接的部位焊接固定。喇叭口結構13的外圓周為一個錐面。

導流筒18的中部設置內徑上小下大的喇叭口結構13，利于細胞培養液在生物反應器內的循環。下固定板17的下方形成回流腔7，下固定板17、上固定板15、罐體1以及導流筒18之間形成細胞培養床，上固定板15底面是該細胞培養床頂面，下固定板17頂面為該細胞培養床的底面。多級調速攪拌器8從罐體1的底部伸入垂直攪拌室14，即導流筒18的底部。多級調速攪拌器8伸入垂直攪拌室14部分的高度h2為多級調速攪拌器8總高度h1的四分之一到三分之一，而且多級調速攪拌器8的槳葉的頂端低于環形氣體分布器10。

上固定板15的底面與下固定板17的頂面之間的細胞培養床中填充由細胞培養載體組成的填料5，細胞培養載體通常采用的是片狀纖維載體。本實施例中，上固定板15、下固定板17都是多孔板，選用多孔不銹鋼板制成。上固定板15、下固定板17所采用的多孔板的孔徑，必須小于填料5中細胞培養載體的直徑，起到對填料5中細胞培養載體的阻隔作用，也防止在填料5進到垂直攪拌室14中而導致細胞培養載體內培養的細胞受到多級調速攪拌器8剪切力的作用。填料5的高度d為細胞培養床高度h的三分之二至五分之四。

罐體1的底部設有出料閥6和取樣閥4，取樣閥4包括一根閥桿，所述閥桿從下固定板17的底部插入細胞培養床，對細胞培養床內的細胞進行取樣。

在罐體1內，細胞培養液從導流筒18流向罐體1的底部，導流筒18內形成向下流動的漩流，該向下流動的漩流從導流筒18底部的垂直攪拌室14的底部沖出進入罐體1底部的回流腔7。向下流動的漩流，在多級調速攪拌器8的作用下，多級調速攪拌器8在轉動時形成的離心力將細胞培養液甩向多級調速攪拌器8的下方，細胞培養液在碰到罐體1底壁后反彈向上在回流腔7內分散轉而形成了向上流動的漩流。由于上固定板15和下固定板17均為多孔板，該向上流動的漩流從下固定板17的底部進入填料5，為填料5中細胞培養載體內的細胞提供營養和溶解氧。該向上流動的漩流的繼續向上流動，穿過上固定板15，同時因為多級調速攪拌器8離心力的作用，多級調速攪拌器8處形成負壓，罐體1內細胞培養液就從頂部經導流筒18內部回流到回流腔7，再經過多級調速攪拌器8的轉動向下后反彈上升，從而達到罐內循環的目的。這樣細胞培養床內的細胞培養載體向下沉降，而細胞培養床內細胞培養液向上流動速度與細胞培養床內細胞培養載體沉降的速度趨于平衡的情況下，實現細胞培養載體的懸浮。回流腔7的另外一個目的是減少細胞培養液循環過程中的循環死角。

本實施例中，通過改變多級調速攪拌器8的攪拌速度，可以改變該向上流動的漩流在該填料5內向上的運動速度。當多級調速攪拌器8處于零檔時，罐體1底部的回流腔7內無法形成向上流動的漩流。當多級調速攪拌器8的旋轉速度處于最低速的一檔時，該向上流動的漩流向上流動的速度低于填料5中細胞培養載體的沖出點，填料5中細胞培養載體可以在細胞培養床中沉降下來，形成類似固定床培養的培養方式。當多級調速攪拌器8的旋轉速度處于中速的一檔時，填料5中細胞培養載體之間存在較大間隙，并且可以觀察到所述細胞培養載體在進行微小的晃動，這種晃動有助于使細胞培養液在填料5內的均勻分布，比現有的固定床培養方式優越。

當多級調速攪拌器8的旋轉速度繼續上升，即多級調速攪拌器8的旋轉速度處于最高速的第N檔時，該向上流動的漩流向上流動的速度高于填料5中細胞培養載體的沉降速度，使填料5中細胞培養載體的處于懸浮狀態，形成類似于流化床的培養方式。由于上固定板15和下固定板17所采用的多孔板，其孔徑均小于填料5中細胞培養載體的直徑，填料5中細胞培養載體的受到阻隔，而不會沖出。這樣的設計避免了細胞培養液不均勻的流動而造成溝流現象和營養分布不均勻，能夠保證細胞生長所需的營養在細胞培養床內分布均勻，細胞生長一致性好。由此克服采用固化床進行細胞培養時，因為載體的積壓，細胞培養液流動受阻，導致細胞培養液不均勻的流動而造成溝流現象和營養分布不均勻，從而造成細胞生長速度不一致的缺陷。可對細胞培養床內的細胞進行放大培養。

導流筒18的內圓周壁上固定有豎直的通氣管9，通氣管9的頂部比導流筒18的頂端高3cm，通氣管9的底部沿著導流筒18的內圓周壁延伸到喇叭口結構13的底部。通氣管9的底部連通圍繞喇叭口結構13底部內圓周壁設置，即外圓周的直徑等于喇叭口結構13底部內圓周的直徑，并與下固定板17等高的環形氣體分布器10，環形氣體分布器10為一個水平設置的環形管，通氣管9與環形氣體分布器10無縫連接并連通，環形氣體分布器10的圓周上均布有三十六個供氧通氣孔101。外界輸入的氧氣通過通氣管9，輸送到環形氣體分布器10，并通過環形氣體分布器10上的三十六個供養通氣孔101，在多級調速攪拌器8的作用力下充分與細胞培養液混合，大部分氣泡被多級調速攪拌器8破碎，氧氣充分溶解于細胞培養液中，形成溶解在細胞培養液的溶解氧，并通過下固定板17的底部進入填料5，對填料5中細胞培養載體內培養的細胞進行深層供氧，而部分未破裂的含有氧氣的氣泡則經導流筒18向上逆行到罐體1頂部，經出泡口2排出，不直接接觸細胞以減少所述氣泡破裂的張力對所述細胞培養載體內細胞的損傷。也就是說，環形氣體分布器10有助于延長氧氣在進入細胞培養液前的行程，在對細胞培養床進行深層供氧前，實現溶解氧和氧氣氣泡的分離，防止氧氣氣泡進入細胞培養床，從而防止氧氣氣泡破裂時的張力而損傷細胞。

同時，導流管12的內圓周壁固定有四根豎直設置的補料管11，補料管11的頂端高于導流筒18的頂端,即垂直導流管12的頂端,并低于通氣管9的頂端。補料管11底端與垂直導流管12的底端等高。細胞培養液以及調節PH值用的堿液通過補料管11先進入導流筒18在多級調速攪拌器8的作用下充分混合均勻后再進入細胞培養床內，避免了補加的細胞培養液和堿液直接進入細胞培養床，導致細胞培養環境的瞬間急劇變化而對細胞生長造成的不利影響。本實施例中，補料管11的頂端比導流筒18的頂端，即垂直導流管12的頂端高2cm，通氣管9的頂端比導流筒18的頂端，即垂直導流管12的頂端高3cm，以保證對細胞培養床的深層供氧和深層供養，并防止深層供氧和深層供養過程中氣泡的產生。

為了保證多級調速攪拌器8的調速，多級調速攪拌器8采用的槳葉是平葉或螺旋槳形槳葉。

該生物反應器培養方式，多級調速攪拌器8的旋轉速度以中速為主，間歇而短暫地改變多級調速攪拌器8的旋轉速度，使細填料5中細胞培養載體的處于懸浮狀態，形成類似于流化床的培養方式，使生物反應器內的細胞培養液和代謝產物均質化。該生物反應器優選的培養可設定為：固定床的培養方式培養1-3小時，流化床的培養方式培養1-3分鐘，停止攪拌0.5-1分鐘，再重新開始利用固定床的培養方式進行細胞培養。

該生物反應器可實現高密度的細胞培養，所述細胞培養床內的細胞培養密度可達3-5×10⁷個/ml以上，且可以進行長時間連續培養，這是通過連續往罐體1的底部供給細胞培養液和溶解氧，同時罐體1的頂部輸出上清液來實現的。填料5內，細胞在細胞培養載體內部生長，有良好的群體效應，不易脫落。因此其放大潛能好，可在該細胞培養床內實現高密度的細胞培養。該生物反應器尤其適合于無血清培養，長時間連續灌流，長時間收獲細胞代謝產物。

本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發明，而并非用作為對本發明的限定，只要在本發明的實質精神范圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發明的權利要求書范圍內。