一种固定床式生物反应器

技术领域

本发明专利涉及低剪切力培养贴壁细胞和悬浮细胞的生物反应器技术领域，具体涉及一种固定床式生物反应器。

背景技术

传统的细胞大规模培养多采用STR反应器(stirred tank bioreactor，STR)即细胞贴附于微载体、纤维载体片上或自身全悬浮，在生物反应器搅拌桨的搅拌下悬浮生长于生物反应器内。但这种搅拌形式带来的剪切力会导致细胞的损伤或死亡。部分已用于生产的贴壁细胞在传统的STR反应器上难于生长，只能采用传统的静置培养方式，难以适应大规模培养的需求。还有部分全悬浮细胞虽然可以生长，但在剪切力作用下蛋白表达量较低。目前虽有细胞相对固定，液体在自重情况下流过细胞的篮式反应器解决了剪切力较大的难题，但其流速不易控制使得细胞在整个载体腔内分布不均匀，给工艺控制带来极大的难度。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种性能可靠的固定床式生物反应器，解决了部分细胞难于在生物反应器内生长和部分悬浮细胞在普通STR反应器内产毒或蛋白表达量低的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：该固定床式生物反应器，包括罐体和载体柱，罐体上部密封连接有罐盖，其特征在于：所述罐体内部下方设有磁力搅拌底座,所述磁力搅拌底座其底部开有引流孔，其内部装有一用于旋转搅水的磁力搅拌子，其上方引流腔内可拆卸插装有所述的载体柱，所述载体柱内填充有若干纤维状载体片；所述磁力搅拌子通过旋转搅动，驱动培养基从底部的引流孔流入引流腔，穿过载体柱内部载体片，最后从载体柱顶部流出，回到罐体中，形成一个培养基内部循环的液体流向。

所述载体柱包括圆柱状外壳，所述外壳其侧壁下方设有密封圈和与引流腔内卡扣连接的卡扣板,所述外壳内由下至上，依次嵌套有扰流板、紊流板和顶部挡板,所述扰流板为圆形薄板，其圆周上均布有三个让液体流向分流的扰流凹槽，下紊流板为开有蜂窝状紊流孔的圆形薄板，紊流孔能让流体均匀水平进入柱内，防止形成中心边缘效应；所述载体片填充在紊流板与顶部挡板之间。

所述罐盖上设有用于取样及观察的GL45取样口、添加培养基的补料口、用于培养基液面控制的中长出料管。

所述中长出料管外接有蠕动泵，通过蠕动泵或空气压力作用，向外泵出多余培养基液体，以保证罐内液体体积不变。

所述罐体和罐盖之间通过法兰盘和硅胶垫圈实现密封连接。

所述磁力搅拌子转速可调，所述固定床式生物反应器通过调整磁力搅拌子转速，准确控制通过载体柱液体的线性流速以及培养工艺参数。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷,具有以下有益效果：

本发明结构设计科学合理，解决了STR反应器剪切力过大的问题，强制可控液体流速解决了现有篮式反应器中细胞贴壁不均匀的问题，让难于悬浮培养的贴壁细胞也能进行生物反应器大规模培养。本发明通过磁力搅拌子旋转驱动液体培养基从磁力搅拌底座的底部引流孔流入，穿过载体柱内部载体片，最后从载体柱顶部流出，回到反应器罐体中，形成一个培养基内部循环的液体流向。同时还可以通过调整磁力搅拌子转速，准确控制通过载体柱液体的线性流速，以实现高流速时，强制细胞悬液快速通过载体片，可使细胞均匀贴附于载体柱中各个载体片上；而在贴壁完成后将低流速，让溶液以一极低的流速通过载体片，就实现在极低剪切力的情况下，不断有新鲜培养基流过细胞，为细胞生长提供必要的营养物质。所需循环或灌流等培养策略所需要的流速就由中长出料管所接蠕动泵就能实现精确控制。通过在载体柱上设置扰流板和紊流板，能让流体均匀水平进入柱内，防止形成中心边缘效应，进一步使细胞均匀贴附于各载体片上。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中磁力搅拌底座的结构示意图；

图3为图2中磁力搅拌底座的横截面示意图；

图4为图1中载体柱的结构示意图；

图5为图4中扰流板的结构示意图；

图6为图4中紊流板的结构示意图；

图中：1-罐体，2-罐盖，3-载体柱，4-磁力搅拌底座，5-补料口，6-中长出料管，7-GL45取样口，8-磁力搅拌子，9-培养基，10-卡扣，11-引流孔，12-引流腔，31-外壳，32-扰流板，33-紊流板，34-顶部挡板，35-卡扣板，321-扰流凹槽，331-紊流孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参看如图1至图6所示的固定床式生物反应器实施例，包括罐体1和载体柱3，罐体1上部密封连接有罐盖2，罐体1内部下方设有磁力搅拌底座4,磁力搅拌底座4其底部开有引流孔11，其内部装有一用于旋转搅水的磁力搅拌子8，其上方引流腔12内可拆卸插装有所述的载体柱3，载体柱3内填充有若干纤维状载体片；磁力搅拌子8通过旋转搅动，驱动培养基9从底部的引流孔11流入引流腔12，穿过载体柱3内部载体片，最后从载体柱3顶部流出，回到罐体中，形成一个培养基9内部循环的液体流向。磁力搅拌子8转速可调，固定床式生物反应器通过调整磁力搅拌子8转速，准确控制通过载体柱3液体的线性流速，控制培养工艺参数。载体柱3包括圆柱状外壳31，外壳31其侧壁下方设有密封圈和与引流腔12内卡扣10连接的卡扣板35,外壳31内由下至上，依次嵌套有扰流板32、紊流板33和顶部挡板34,扰流板32为圆形薄板，其圆周上均布有三个让液体流向分流的扰流凹槽321，下紊流板33为开有蜂窝状紊流孔331的圆形薄板，紊流孔能让流体均匀水平进入柱内，防止形成中心边缘效应；载体片填充在紊流板33与顶部挡板34之间。罐盖2上设有用于取样及观察的GL45取样口7、添加培养基9的补料口5、用于培养基9液面控制的中长出料管6。中长出料管6外接有蠕动泵，通过蠕动泵或空气压力作用，向外泵出多余液体，以保证罐内溶液体积不变。罐体1和罐盖2之间通过法兰盘和硅胶垫圈实现密封连接。

本发明的工作过程是：按要求，将载体片装填在紊流板33与顶部挡板34之间，保证载体片以一定的密度存在于载体柱内,然后安装下部的扰流板32，所有部件一次性封装成形。载体柱3在使用时，将密封圈端部插入至罐体1底部的磁力搅拌底座4内，并旋转将卡扣板35与搅拌底座上卡扣10对位卡接。安装完成后进行保压测试，确保生物反应器的密封。高压灭菌后将生物反应器与生物反应器控制柜相连接，或与相应电极变送器相连，进行细胞培养。该磁力搅拌子8由磁力搅拌器电机提供动力旋转。从而驱动液体培养基9从磁力搅拌底座4的底部引流孔11流入引流腔12内，穿过载体柱内部载体片，最后从载体柱3顶部流出，回到反应器罐体中，又向下流到磁力搅拌底座4的底部，再次进入载体柱内3，形成一个培养基9内部循环的液体流向。该细胞培养模式为高密度培养，培养过程中需不断补加消耗掉的营养物质，为确保罐体内营养液总体积不变，通过在罐盖上设有一个中长出料管6，其通过硅胶管与蠕动泵相连，始终向外泵送溶液，当培养基9液面低于该管口时将无法泵出溶液，以保证罐内溶液体积不变。培养基体积能确保在外部驱动磁力搅拌器在特定转速时，流过载体片的液体流速是一定的。在确保该培养基体积的情况下，通过载体柱3的液体流速是准确可调的。在细胞贴壁过程中提高该流速，强制细胞悬液快速通过载体片，可使细胞均匀贴附于载体柱3中各个载体片上。而在贴壁完成，或悬浮细胞定位后，可调低流速，让溶液以一极低的流速通过载体片，就实现在极低剪切力的情况下，不断有新鲜培养基流过细胞，为细胞生长提供必要的营养物质。因此只需设置与其相连蠕动泵转速略大于补料口蠕动泵转速就能简单实现循环和灌流等不同的培养模式，以满足不同细胞生长的需要。而所需循环或灌流等培养策略所需要的流速就由中长出料管6所接蠕动泵就能实现精确控制。同时还可以通过调整磁力搅拌子8转速，准确控制通过载体柱液体的线性流速，以方便控制培养工艺参数。本发明通过设置扰流板32，其圆周上均布有三个扰流凹槽321，能让细胞悬液流向从载体柱3圆周边缘从多个方向进入到载体柱3内；紊流板33的蜂窝状紊流孔331能让流体均匀水平进入柱内，防止形成中心边缘效应，从而使细胞均匀贴附于各载体片上。低剪切力让可悬浮细胞也能在载体片上生长并高效表达。同时载体柱内填充的纤维状载体片能提供极大的培养面积，从而实现细胞的高密度培养。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。