生物反应器和使用该生物反应器的贴壁细胞培养物的生产方法

技术领域

本发明涉及一种生物反应器(也称为发酵罐)，其在使用微生物或细胞系统来生产生物产品的生物化学过程中具有特殊应用。本发明还涉及使用所述微生物反应器的贴壁细胞培养物的生产方法，特别是组织和培养肉的形成。

背景技术

生物反应器有多种应用，例如食品和发酵工业、废物处理和许多生物医学设备。

发酵罐是一个罐，在该罐中，在所需条件下发生有机反应，从而提供适合多种微生物的环境。发酵罐必须允许通过热或冷来控制温度，以控制pH，以及控制曝气范围、养分含量等。

常见的生物反应器通常是保持生物活性气氛的容器或系统。在某些情况下，生物反应器是一个容器，在该容器中发生涉及生物体或源自这种生物体的生化活性物质的化学过程。该过程可以是需氧的或厌氧的。这些生物反应器通常是圆柱形的，大小从几毫升到立方米不等，并且通常由不锈钢制成。

生物反应器也可以是用于在细胞培养操作中使细胞或组织生长的装置或系统。这些装置正在开发来用于组织工程。

概括而言，生物反应器旨在为正在培养的生物体或化学物质维持某些有利的环境条件(pH、温度、氧气浓度等)。

大型工业发酵罐由不锈钢制成。该类型的发酵罐是顶部和底部封闭的圆柱体，其中已经适配有许多管子和阀门。也使用了其他材料，并且有一次性塑料的趋势；然而，只有当产生的产品具有高市场价值(例如：通过哺乳动物和昆虫的细胞的培养获得的抗体、疫苗、治疗性蛋白质等)时，耗材的高成本才是合理的。

一个好的发酵罐设计必须满足两个基本要求：保持无死区的均匀培养基，同时使用尽可能少的能量将氧气转移到环境中。

发酵罐的设计应考虑以下几个方面：

-混合和流动模式

-反应器的几何构型和类型

-氧气在整个罐中的转移

-最小的能源消耗。

市场上可获得的发酵罐类型具有一系列部件和共同特征：

-罐必须设计为无菌操作多天

-最低能耗

-包括pH控制系统

-取样系统

-足够的曝气和搅拌系统来满足微生物的代谢需求

-温度控制

-最小蒸发

-它必须是通用的(各种应用或方法)

-罐内表面必须是光滑的

-材料便宜

-发酵罐备件的充分服务

-消泡剂的类型。

生物反应器广泛用于实验室规模和工业规模的微生物(细菌、真菌、细胞等)的培养。其设计通常针对通过机械装置搅拌的罐，无论通过旋转叶片还是鼓泡塔搅拌。并且使微生物培养物悬浮。细胞悬液由分布在运动环境中的游离细胞和细胞聚集体组成。

当待生长的细胞是被称为“贴壁体”的细胞时，这成为一个问题。这些细胞，由于它们是肌肉细胞或上皮细胞，需要一个能够生长和增殖的表面，从而使得维持细胞悬浮的生物反应器提供的溶液不适合它们。只有当微生物能够悬浮增殖时，微生物才有可能在生物反应器中生长。

为了能够使这些贴壁细胞生长，已经提出并市场推广了各种提议：

-固定床生物反应器，其中可用于使这些细胞增殖从而定殖在器皿底部可用区域的表面是非常有限的。

-CO2炉内的静态培养瓶：同样地，它们只保持少量的生产力，并受到可用二维表面的限制。

使贴壁细胞生长的最显著的进步是以下提议：使用悬浮在传统发酵罐/生物反应器的溶液中的微球，以这样的方式增加这些细胞可以在悬浮液中找到的比表面积，并在那里它们可以固定自己去生长和增殖。

另一个例子是

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种生物反应器，该生物反应器允许以简单有效的方式使贴壁细胞生长，从而使其大规模生产，特别是用于生产组织和培养肉。

本发明提供了一种生物反应器，其包括带盖的容器，并且还包括内部承托架，至少一个托盘从该承托架突出，该托盘支撑安装在其上的三维聚合物基元件，以便当生物反应器填充有培养基时，至少一个托盘和三维聚合物基元件被该培养基所围绕。

本发明还提供了一种使用所述生物反应器的贴壁细胞培养物的生产方法，包括以下步骤：

-将承托架连带生物反应器的至少一个托盘以及三维聚合物基元件浸入培养基中，

-从生物反应器外部接种想要种植在三维聚合物基元件上的细胞，以及

-将培养物留在生物反应器中，以使其产生细胞增殖。

生物反应器的配置允许增殖的贴壁细胞实现它们的如下生长功能：以更类似于体内过程的方式形成细胞外基质和组织，并且相应的过程生产力更强。这样，形成的组织具有较高的蛋白质价值。

在从属权利要求中概述了本发明的其他有利的实施方式。

附图说明

下面参考附图给出一个说明性实施方式，其在任何意义上都不是对本发明目的的限制，其中：

图1示出了本发明的生物反应器的视图，其中示出了承托架和托盘；

图2示出了由本发明的生物反应器的承托架、托盘、环和三维聚合物基元件形成的组件；

图3示出了图2的组件，已经在每个托盘下方添加了气泡发生器。

具体实施方式

图1示出了从商业或传统生物反应器获得的本发明的生物反应器1的视图。传统的生物反应器包括带有盖3的容器2。本发明的生物反应器1的内部还包括承托架4，托盘5可以安装在承托架4上。在图1、图2和图3的实施方式中，生物反应器1具有三个托盘5，托盘5可由不锈钢制成。托盘5的数量可以根据需要和生物反应器1的尺寸增加或减少。

在图2和图3中，注意到在本发明的生物反应器1中，每个托盘5支撑安装在其上的三维聚合物基元件6，也就是说，这些托盘5代表用作贴壁细胞的生长“支架”的三维元件6(三维阵列)的支撑位置。

这些“支架”可以是水凝胶型三维聚合物基结构6，在其上可以通过用针从生物反应器1外部接种来播种细胞，并将细胞留下培养直到实现所需的增殖。

当生物反应器1填充有培养基时，托盘5和三维聚合物基元件6被培养基所围绕。

可以发现承托架4悬挂在生物反应器1的盖3上，使得当生物反应器1关闭时，托盘5和三维聚合物基元件6浸没在培养基中。在一个实施方式中，承托架4可垂直地从盖3突出。

承托架4也可以不依赖盖3而由生物反应器1的底座进行支撑。

可以将托盘5钻出一系列孔，以允许流体更好地流遍整个生物反应器1。

在图2和图3中可以看出，生物反应器1可以包括三维聚合物基元件6(“支架”)的保持环7，该保持环7也在与对应的托盘5平行的位置处从承托架4突出，使得三维聚合物基元件6位于托盘5和对应的环7之间。

承托架4可以包括支撑托盘5和环7的各种型材或支撑杆。可以在这些型材上包括一些可以被供以交流电或直流电的电触点8。这种交流电或直流电(可以是微安培的量级)促进并增加细胞增殖。

这种细胞增殖增加的原因是，在极化的表面和环境中，蛋白质通过静电吸引更加集中，细胞有更多的营养物质可用于其代谢活动。与没有直流电刺激的系统相比，所进行的测试使得这种增殖增加了7倍。

生物反应器1还可包括位于每个托盘5下方的气泡发生器9。通过在每个托盘5下方引入气泡发生器9(“喷射器”)来改变鼓泡空气的大小和频率的能力利用了这些微小气泡的压力对“支架”施加机械刺激。这种改变旨在模拟肌肉细胞的收缩/伸展运动，以提升与体内增殖的相似性。

使用生物反应器1的细胞培养物的生产方法包括以下步骤：

-将承托架4连带生物反应器1的至少一个托盘5以及三维聚合物基元件6浸入培养基中，

-从生物反应器1外部接种想要种植在三维聚合物基元件6上的细胞，以及

-将培养物留在生物反应器1中，以使其产生细胞增殖。

该方法可进一步包括细胞增殖刺激阶段，该细胞增殖刺激阶段包括向生物反应器1的承托架4上的电触点8供给交流电或直流电。

此外，该方法可进一步包括细胞增殖刺激阶段，该细胞增殖刺激阶段包括通过气泡发生器9在每个托盘5下方产生气泡。

本发明特别适用于培养动物肌肉细胞以生产培养肉，但不仅限于该应用，也不仅限于该类型的贴壁细胞。

虽然已经描述和示出了本发明的一些实施方式，但是显然在同一范围内可以对它们进行修改，并且这不应被认为限于这些实施方式，而仅限于所附权利要求的内容。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.生物反应器(1)，所述生物反应器(1)包括带有盖(3)的容器(2)，内部还包括承托架(4)，至少一个托盘(5)从所述承托架(4)突出，所述至少一个托盘(5)支撑安装在其上的三维聚合物基元件(6)，使得当所述生物反应器(1)填充有培养基时，所述至少一个托盘(5)和所述三维聚合物基元件(6)被所述培养基所围绕，其特征在于，所述承托架(4)包括一系列能够被供以交流电或直流电的电触点(8)。

2.根据权利要求1所述的生物反应器(1)，其中，所述承托架(4)悬挂在所述盖(3)上。

3.根据权利要求2所述的生物反应器(1)，其中，所述承托架(4)从所述盖(3)垂直地突出。

4.根据权利要求1所述的生物反应器(1)，其中，所述承托架(4)被支撑在所述生物反应器(1)的底座上。

5.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器(1)，其中，所述至少一个托盘(5)钻有一系列通孔。

6.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器(1)，还包括从所述承托架(4)突出的至少一个环(7)，使得每个环(7)被布置为平行于对应的托盘(5)，所述三维聚合物基元件(6)位于对应的托盘(5)和对应的环(7)之间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器(1)，还包括位于每个托盘(5)下方的气泡发生器(9)。

8.使用根据权利要求7所述的生物反应器(1)的贴壁细胞培养物的生产方法，包括以下步骤：

-将所述承托架(4)连带所述生物反应器(1)的所述至少一个托盘(5)以及三维聚合物基元件(6)浸入培养基中，

-从所述生物反应器(1)外部接种想要种植在所述三维聚合物基元件(6)上的细胞，

-将所述培养物留在所述生物反应器(1)中，以产生细胞增殖；以及

-细胞增殖刺激阶段，所述细胞增殖刺激阶段包括向所述生物反应器(1)的所述承托架(4)的所述电触点(8)供给交流电或直流电。

9.根据权利要求8所述的贴壁细胞培养物的生产方法，还包括细胞增殖刺激阶段，所述细胞增殖刺激阶段包括通过所述气泡发生器(9)在每个托盘(5)下方产生气泡。