一种气动自循环动物细胞培养生物反应器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种气动自循环动物细胞培养生物反应器，特点是包括大罐、位于大罐内的小罐、位于大罐底部的磁力搅拌系统、加热系统和控制系统，大罐上端设置有密封盖，大罐两侧设置有与加热系统连接的夹套，大罐内上部设置有大罐最高液位传感器；小罐上端设置有封头且其下端设置有开口，封头与密封盖通过通气管密封固定连接，通气管上端穿出密封盖且分别连接有真空抽气泵和空气压缩泵，其下端穿出封头进入小罐内，小罐中部的上下两个水平不锈钢网板与小罐内壁围成用于放置细胞载体的腔体，小罐内位于腔体上方设置有小罐上液位传感器，位于腔体下方设置有小罐下液位传感器，优点是密封性好、操作简单，污染率低，细胞质量好，收率高。
【专利说明】一种气动自循环动物细胞培养生物反应器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种动物细胞培养装置，尤其是涉及一种气动自循环动物细胞培养生物反应器。
【背景技术】
[0002]生物反应器，指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过程中的关键设备。生物反应器的结构、操作方式和操作条件的选定对生物化工产品的质量、收率(转化率)和能耗有密切关系。随着生物技术的不断发展，大规模动物细胞生物反应器培养技术正逐步取代玻璃瓶静置培养和旋转培养技术，因为它能及时地给所培养对象提供最佳的生存环境，从而最高效率的提高产品的产量和质量，应该说这是动物细胞培养史上的一次质的飞跃，也是生物制药技术的重大突破，它不仅简化了工艺，更重要的是它可以生产出高质量的产品，目前市场上有很多种生物反应器，包括国产的和进口的，各有优势和缺陷，有的甚至存在不可避免的硬伤，从而限制了它优势的最大发挥。
[0003]中国实用新型专利名称为外循环动物细胞培养生物反应器(申请号CN201010242025.4)，公开了一种生物反应器包括罐体及外循环管路、加热器、蠕动泵和控制系统，所述罐体包括大罐和小罐，小罐套置于大罐的内部，并分别通过管道D、A、G与大罐卡套固定，外循环管路包括罐外循环管路、罐体外上部通过三通与罐外循环管路相连接的管道A和管道B、罐体外下部通过三通与罐外循环管路相连接的管道E和管道D ;罐外循环管路穿过蠕动泵；管道D在其最低位连接排污管，具有灭菌彻底，操作简单，细胞培养污染率低的显著特点，但是存在以下缺点:1)设计原理:通过外接循环泵使大罐的液体流经小罐细胞再回到大罐，由于液体永远是优先从阻力最小的地方流通，及在气液系统中存在的“沟流现象”，这样就会形成细胞生长局部死角，造成局部细胞凋亡，影响产品收率；2)循环动力:利用外接循环泵循环，对培养或产物有较大剪切力，不利于后续进一步应用；3)搅拌方式:通过外接循环泵将液体输送回大罐时的切向冲力带动大罐液体转动来混合,这样会造成大罐内上下以及两侧液体混合不均匀；4)通气模式:直接深层通气，气泡很多很大，对目标物有剪切力，通气量很大，而且往往还不能保证溶氧，而在缺氧状态下，乳酸增多，这样就要消耗大量碳酸氢钠，液体的PH往往还控制不住，只能靠加入大量的碱性液体控制，液体的渗透压会很高，从而影响到产品的质量；5)结构设计:管路纵多，整体结构设计复杂，利用外接循环泵循环，这种循环模式下，各管路在长时间工作状态下，产生疲劳应力，从而会影响单位时间流通量。
【发明内容】
[0004]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种液体充分混合均匀的质量好、收率高从而有效保证培养效果的结构简单，操作简便的气动自循环动物细胞培养生物反应器。
[0005]本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种气动自循环动物细胞培养生物反应器，包括大罐、小罐、磁力搅拌系统、加热系统和控制系统，
[0006]所述的大罐的上端设置有密封盖，所述的密封盖上设置有进液口和排液口，所述的大罐的两侧设置有夹套，所述的夹套与所述的加热系统连接，所述的大罐内上部设置有大罐最高液位传感器；
[0007]所述的小罐设置在所述的大罐内且靠近所述的密封盖，所述的小罐的上端设置有封头且其下端设置有与所述的大罐相通的开口，所述的封头与所述的密封盖通过通气管密封固定连接，所述的通气管的上端穿出所述的密封盖且分别连接有真空抽气泵和空气压缩泵，所述的通气管的下端穿出所述的封头进入所述的小罐内，所述的小罐的中部水平设置有上下两个不锈钢网板，两个所述的不锈钢网板与所述的小罐的内壁围成用于放置细胞载体的腔体，所述的小罐内位于所述的腔体的上方设置有小罐上液位传感器，所述的小罐内位于所述的腔体的下方设置有小罐下液位传感器；
[0008]所述的磁力搅拌系统设置在所述的大罐的底部，用于混匀所述的大罐内的细胞培
养液；
[0009]所述的控制系统用于监测和控制大罐和小罐内培养液的溶氧量，pH值、温度、液位高度、进液量和排液量并根据预先设定时间控制所述的真空抽气泵和所述的空气压缩泵交替运行，以及控制与所述的进液口连接的进液泵的启闭、控制与所述的排液口连接的排液栗的启闭。
[0010]所述的磁力搅拌系统包括位于所述的大罐外的带电子称的磁力搅拌器和位于所述的大罐内的磁力搅拌棒，所述的磁力搅拌器内设置有用于带动所述的磁力搅拌棒转动的磁力搅拌电机。
[0011]所述的磁力搅拌棒通过陶瓷轴承固定在所述的大罐的底部中央的钢柱上。使磁力搅拌棒转动时不与大罐底部产生摩擦，并且陶瓷轴承没有溶出物。
[0012]所述的加热系统包括加热器和用于将所述的加热器内的热水送入所述的夹套的水循环泵，所述的加热器的出水口通过所述的水循环泵与所述的夹套的进水管连接，所述的夹套的出水管与所述的加热器的进水口连接。
[0013]所述的控制系统包括固定在所述的密封盖上的溶氧探头、pH探头、温度探头、用于输出开关量信号的大罐最高液位开关、用于输出开关量信号的小罐上液位开关、用于输出开关量信号的小罐下液位开关、大罐温度探头、加热器温度探头、进液开关、排液开关和控制操作柜，所述的控制操作柜上设置有若干气动阀、电磁阀、进液泵和排液泵、液晶显示器和数据记录仪。
[0014]所述的大罐内设置有若干个分别用于输送氧气、二氧化碳和氮气的输气管，各个所述的输气管的外壁均设置有用于消除气泡的筛网孔径大小不同的不锈钢网罩。
[0015]工作原理:当液体触碰到小罐上液位传感器时，控制系统自动停止抽真空，此时设定一个液体在小罐内滞留周期，以供细胞代谢，代谢周期完成后，控制系统自动打开压缩空气,把小罐内经过代谢的液体压到大罐内，当液体触碰到小罐下液位传感器时,控制系统自动断开压缩空气开关，此时设定一个液体在大罐内滞留周期，以供搅拌系统混匀大罐内液体,混匀周期完成后,控制系统自动开始抽真空,直到液体触碰到小罐内上液位传感器时，控制系统自动停止抽真空，如此循环往复,从而使大小罐内液体自动循环交换。整个培养过程为灌流培养，即控制系统通过进液泵自动给大罐全天候补充新鲜培养液，同时控制系统通过排液泵自动全天候排出大罐内的代谢培养液，设置时，一般是补充液体的速度稍大于排出液体的速度，时间一长，大罐内液位会升高，当液体触碰到大罐内的大罐高液位传感器时，控制系统就自动延长排液泵打开时间来排掉多余的液体，以保证大罐内的液体总平衡。
[0016]与现有技术相比，本实用新型的优点在于:
[0017](I)设计原理:通过抽真空和压缩空气交替使液体培养液流穿细胞，抽真空时，液体完全淹没细胞，给细胞提供最佳生存条件，压缩空气能将被细胞代谢过的液体排空到大罐内混匀，真空再把新鲜液体带给细胞，如此往复循环，完全保障小罐内细胞生长代谢无死角；
[0018](2)循环动力:利用压缩空气和抽真空使液体在细胞之间循环，动力和循环液量都相对很稳定，对细胞没有剪切力。这种循环模式下，液体的pH能很好的控制在一定范围内；
[0019](3)搅拌方式:磁力搅拌器的电机通过磁力感应带动大罐内的磁力搅拌棒转动，让大罐内的液体充分混合均匀，不仅能确保培养液的均一性，也彻底解决了其他搅拌方式带来的机械密封性不好而造成的污染问题，也就是说磁力搅拌系统能确保大罐的密封性；电子称用于直观辅助控制大罐内的总液量；
[0020]( 4 )通气模式:通过在管道外壁设置不锈钢网罩来消除气泡，通过上下不锈钢筛网孔径大小不同而完全达到消泡的效果，不仅对细胞没有任何剪切力，而且能完全满足液体的溶氧和pH值要求；
[0021](5)灭菌方式:结构设计合理，管道布局简洁，在湿热灭菌柜里进行灭菌，操作简单，没有灭菌死角，也无需按压力容器维护管理，更具安全性；
[0022](4)加热模式:通过大罐内和加热器内双温度探头来控制液体温度，这样可以完全解决加热滞后和加热过充问题，基本可以保证大罐内处于恒温状态；
[0023](5)控制系统:整个控制系统设计理念先进，操作简单，设置了报警系统，并可远程控制。
[0024]综上所述，本实用新型气动自循环动物细胞培养生物反应器结构设计科学，管道布局简洁，使细胞和培养液巧妙的隔离，而且能及时给培养对象提供最佳的生存环境，从结构上规避了现有设备中存在的许多硬伤和缺陷，充分发挥了动物细胞大规模培养技术的特点，具有密封性好、灭菌彻底，操作简单，污染率低，质量好，收率高的显著特点，具有良好的功能性、经济性，可广泛适用于动物细胞大规模培养。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本实用新型气动自循环动物细胞培养生物反应器的结构示意图；
[0026]图2为本实用新型气动自循环动物细胞培养生物反应器的俯视图。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
[0028]具体实施例一
[0029]一种气动自循环动物细胞培养生物反应器，如图1和图2所示，包括大罐1、小罐
2、磁力搅拌系统3、加热系统和控制系统，大罐I的上端设置有密封盖4，密封盖4上设置有进液口 35和排液口 36，大罐I的两侧设置有夹套5，夹套5与加热系统连接，大罐I内上部设置有大罐最高液位传感器6 ;小罐2设置在大罐I内且靠近密封盖4，小罐2的上端设置有封头7且其下端设置有与大罐2相通的开口 8，封头7与密封盖4通过通气管9密封固定连接，通气管9的上端穿出密封盖4且分别连接有真空抽气泵10和空气压缩泵11，通气管9的下端穿出封头7进入小罐2内，小罐2的中部水平设置有上下两个不锈钢网板12，两个不锈钢网板12与小罐2的内壁围成用于放置细胞载体(细胞依附在细胞载体上生长)的腔体13，小罐2内位于腔体13的上方设置有小罐上液位传感器14，小罐2内位于腔体13的下方设置有小罐下液位传感器15 ;磁力搅拌系统3设置在大罐I的底部，用于混匀大罐I内的培养液；控制系统用于监测和控制大罐I和小罐2内培养液的溶氧量，pH值、温度、液位高度、进液量和排液量并根据预先设定时间控制真空抽气泵10和空气压缩泵11交替运行，以及控制与进液口 36连接的进液泵(图中未显示)的启闭、控制与排液口 37连接的排液泵(图中未显示)的启闭。
[0030]在此具体实施例中，如图1所示，磁力搅拌系统3包括位于大罐I外的带电子称的磁力搅拌器16和位于大罐I内的磁力搅拌棒17，磁力搅拌器16内设置有用于带动磁力搅拌棒17转动的磁力搅拌电机18 ;磁力搅拌棒17通过陶瓷轴承固定在大罐I的底部中央的钢柱19上。使磁力搅拌棒17转动时不与大罐I底部产生摩擦，陶瓷轴承没有溶出物。
[0031]在此具体实施例中，如图1和图2所示，加热系统包括加热器20和用于将加热器20内的热水送入夹套5的水循环泵21，加热器20的出水口通过水循环泵21与夹套5的进水管22 (处于下方)连接，夹套5的出水管23 (处于上方)与加热器20的进水口连接。水循环泵21将热水通过进水管22泵入夹套5，从出水管23回流到加热器20，如此往复循环，以保证大罐I内温度的稳定。
[0032]在此具体实施例中，如图2所示，控制系统包括固定在密封盖4上的溶氧探头24、pH探头25、用于输出开关量信号的大罐最高液位开关26、用于输出开关量信号的小罐上液位开关27、用于输出开关量信号的小罐下液位开关28、大罐温度探头29、加热器温度探头30 (用以控制加热器20内的最高水温，这样就提高了生物反应器温度控制的灵敏性和稳定性，完全杜绝了加热滞后和加热过充现象，基本可以保证大罐I内处于恒温状态)、进液开关31、排液开关32和控制操作柜(图中未显示)，控制操作柜上设置有若干气动阀、电磁阀、力口液和排液的蠕动泵、液晶显示器和数据记录仪。生物反应器控制功能由集成的控制操作柜实现，包括显示屏、溶氧控制器、PH控制器、温度控制器、液位控制器，数据记录仪等。
[0033]其中pH控制器:采用独立模块控制方式，pH控制器单独设置。使用PID控制模式实现自动控制，具有自适应PID控制调整功能，可自动设定最佳的PID参数。pH控制是将pH探头25与二氧化碳通气控制阀，以及酸、碱蠕动泵相关联，通过控制二氧化碳、酸液、碱液的开关，实现PH的自动控制。当pH低于设定值时，pH控制器启动碱液蠕动泵，补碱提高pH至设定值；ipH高于设定值时，pH控制器启动二氧化碳气体电磁阀，或酸液螺动泵，降低pH至设定值。二氧化碳流量可通过转子流量计调节，酸液、碱液蠕动泵流量可通过泵调速阀进行调节，进一步提高了 pH控制的灵敏度，pH控制响应偏差±0.01。
[0034]溶氧控制器:采用独立模块控制方式，溶氧控制器单独设置。使用PID控制模式实现自动控制，具有自适应PID控制调整功能，可自动设定最佳的PID参数。溶氧控制是将溶氧探头24与氧气和氮气通气控制阀关联，通过控制阀开关，实现溶氧的自动控制。当溶氧低于设定值时，溶氧控制器启动氧气控制阀，向反应器中通氧气提高溶氧至设定值，当溶氧高于设定值时，溶氧控制器启动氮气控制阀，向反应器中通氮气降低溶氧至设定值。气体流量可通过转子流量计调节，进一步提高了溶氧控制的灵敏度，溶氧响应偏差5%。
[0035]其中生物反应器外管路系统包括气体管路和液体管路，气体管路系统包括压缩空气气体管路、抽真空气体管路、氧气气体管路、二氧化碳气体管路、氮气气体管路，气体减压阀、气动隔膜阀自动控制，各个气体管路分别通过大罐I罐盖上的快接口与位于大罐I内相应的33输气管相接(如氧气输气管与氧气气体管路相接、二氧化碳输气管和二氧化碳气体管路相接等等)。各个输气管33的外壁均设置有用于消除气泡的筛网孔径大小不同的不锈钢网罩34 (如图1所不)。液体管路系统包括液体补充管路和液体排出管路，分别与罐外循环管路连接，并在蠕动泵作用下将培养液补加进入罐体内或从罐体排出。
[0036]具体实施例二
[0037]应用实施例
[0038]I)细胞培养:按无菌要求连接好所有管道，向大罐I中注入细胞培养液进行预培养，然后向大罐中注入细胞悬液和细胞培养液，直到大罐I内培养液触碰到大罐高液位传感器6，打开磁力搅拌器16保持3-5分钟，同时设置好温度、溶液、pH值、通气量等一系列参数，开启气动自循环系统，循环15-20分钟后，把所有设置好的参数控制都置于自动控制，连续自动灌流培养5-7天，让细胞增殖到能满足生产要求的数量。
[0039]2)病毒培养:排出细胞培养液，向大罐中I注入病毒培养液和毒种液，直到大罐I内培养液触碰到大罐高液位传感器6，打开磁力搅拌器16搅拌，同时设置好温度、溶液、pH值、通气量等一系列参数，开启气动自循环系统，循环5-10分钟后，把所有设置好的参数控制都置于自动控制，继续循环一段时间后开始自动灌流培养，根据不同制品收获感染了病毒的细胞(一次性收获)，或通过收集病毒培养液(根据细胞维持情况可以连续多天收获病毒培养液)，这样就完成一个生产周期。
[0040]本实用新型可提供工作体积30L - 150L的气动自循环动物细胞培养生物反应器。
[0041]上述说明并非对本实用新型的限制，本实用新型也并不限于上述举例。本【技术领域】的普通技术人员在本实用新型的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种气动自循环动物细胞培养生物反应器，包括大罐、小罐、磁力搅拌系统、加热系统和控制系统，其特征在于: 所述的大罐的上端设置有密封盖，所述的密封盖上设置有进液口和排液口，所述的大罐的两侧设置有夹套，所述的夹套与所述的加热系统连接，所述的大罐内上部设置有大罐最闻液位传感器； 所述的小罐设置在所述的大罐内且靠近所述的密封盖，所述的小罐的上端设置有封头且其下端设置有与所述的大罐相通的开口，所述的封头与所述的密封盖通过通气管密封固定连接，所述的通气管的上端穿出所述的密封盖且分别连接有真空抽气泵和空气压缩泵，所述的通气管的下端穿出所述的封头进入所述的小罐内，所述的小罐的中部水平设置有上下两个不锈钢网板，两个所述的不锈钢网板与所述的小罐的内壁围成用于放置细胞载体的腔体，所述的小罐内位于所述的腔体的上方设置有小罐上液位传感器，所述的小罐内位于所述的腔体的下方设置有小罐下液位传感器； 所述的磁力搅拌系统设置在所述的大罐的底部，用于混匀所述的大罐内的细胞培养液； 所述的控制系统用于监测和控制大罐和小罐内培养液的溶氧量，PH值、温度、液位高度、进液量和排液量并根据预先设定时间控制所述的真空抽气泵和所述的空气压缩泵交替运行，以及控制与所述的进液口连接的进液泵的启闭、控制与所述的排液口连接的排液泵的启闭。
2.根据权利要求1所述的一种气动自循环动物细胞培养生物反应器，其特征在于:所述的磁力搅拌系统包括位于所述的大罐外的带电子称的磁力搅拌器和位于所述的大罐内的磁力搅拌棒，所述的磁力搅拌器内设置有用于带动所述的磁力搅拌棒转动的磁力搅拌电机。
3.根据权利要求1所述的一种气动自循环动物细胞培养生物反应器，其特征在于:所述的磁力搅拌棒通过陶瓷轴承固定在所述的大罐的底部中央的钢柱上。
4.根据权利要求1所述的一种气动自循环动物细胞培养生物反应器，其特征在于:所述的加热系统包括加热器和用于将所述的加热器内的热水送入所述的夹套的水循环泵，所述的加热器的出水口通过所述的水循环泵与所述的夹套的进水管连接，所述的夹套的出水管与所述的加热器的进水口连接。
5.根据权利要求1所述的一种气动自循环动物细胞培养生物反应器，其特征在于:所述的控制系统包括固定在所述的密封盖上的溶氧探头、PH探头、温度探头、用于输出开关量信号的大罐最高液位开关、用于输出开关量信号的小罐上液位开关、用于输出开关量信号的小罐下液位开关、大罐温度探头、加热器温度探头、进液开关、排液开关和控制操作柜，所述的控制操作柜上设置有若干气动阀、电磁阀、进液泵和排液泵、液晶显示器和数据记录仪。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种气动自循环动物细胞培养生物反应器，其特征在于:所述的大罐内设置有若干个分别用于输送氧气、二氧化碳和氮气的输气管，各个所述的输气管的外壁均设置有用于消除气泡的筛网孔径大小不同的不锈钢网罩。
【文档编号】C12M1/42GK203582875SQ201320713061
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】罗火生 申请人:罗火生