一种生物反应系统中的通气装置及方法和包含其的生物反应系统与流程

本发明涉及生物反应设备
技术领域：
，尤其涉及一种生物反应系统中的通气装置及方法和包含其的生物反应系统。
背景技术：
：随着高密度培养技术的兴起，其对于生物反应器的通气装置提出了挑战，通气量以及通气产生的气泡均对生物反应过程具有较大的影响，目前常用的通气装置为环型通气管或烧结金属棒，对于环型通气管这种常规的通气装置存在无法调节气泡大小和产生的气泡剪切力大等问题；而烧结金属棒又无法满足细胞生长中后期高氧气需求量的需求。因此，技术人员针对开发适合于生物反应器的通气装置做出了许多研究，多是针对降低气泡剪切力或分布均匀性的研究。cn202576435u公开了一种生物反应器的通气装置，该装置通过设置喷洒头连接器和中空圆柱形筛网，一定程度上避免了通气气泡给生物带来的剪切力伤害，但该装置结构复杂，难以推广适用，且无法针对细胞的不同生长期进行调控。cn106834099a公开了一种生物反应器低剪切提升式通气搅拌装置，该装置一定程度上避免了因剪切力搅拌造成对细胞的损伤，但该装置未考虑细胞不同生长期的需求，且结构复杂，制备困难。cn207483732u公开了一种生物反应器用气体分布器，该分布器在反应器的搅拌结构下方设置有分布器面板，并在分布器面板上分布有若干个通气小孔，通过增加小孔来降低气泡破裂和搅拌剪切力，但该装置不能适用于不同生长期的细胞。综上所述，目前生物反应系统中的通气装置存在结构复杂，未考虑细胞不同生长期等问题。因此，需要设计一款结构简单、易于制备且适用于细胞不同生长期的生物反应系统中的通气装置。技术实现要素：鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种生物反应系统中的通气装置，本发明提供的通气装置通过设置分别与第一通气入口和第二通气入口相连的分布有孔洞的第一通气腔体和第二通气腔体，且第一通气腔体上分布的孔洞孔径和第二通气腔体上分布的孔洞孔径不同，可通过独立的通气入口，实现向反应系统内提供不同规格的气泡，独立通气控制更精确且装置简单，操作方便；利用该装置的生物反应系统中的通气方法，在满足细胞不同生长时期氧气量需求的同时，可避免大气泡破裂对细胞生长的不良影响，具有较高的应用价值。为达此目的，本发明采用以下技术方案：第一方面，本发明提供一种生物反应系统中的通气装置，所述通气装置包括第一通气腔体和设置在其外围的第二通气腔体；其中，所述第一通气腔体与第一通气入口相通，第二通气腔体与第二通气入口相通，第一通气腔体和第二通气腔体分布有孔洞，所述第一通气腔体上分布的孔洞孔径和第二通气腔体上分布的孔洞孔径不同。本发明提供的生物反应系统中的通气装置通过设置孔洞孔径不同的第一通气腔体和第二通气腔体，能够产生不同规格的气泡，满足细胞不同生长时期的需求；所述通气装置还设有分别与第一通气腔体和第二通气腔体相连的第一通气入口和第二通气入口，能够更精确地独立控制大气泡和微气泡的通气量，而且该装置结构简单，操作方便，具有较大可推广价值。本发明中的“大气泡”是指气泡直径在50～300μm范围内的气泡，而“微气泡”则是指气泡直径在1～40μm范围内的气泡。本发明中第一通气腔体孔洞的孔径和第二通气腔体孔洞的孔径不同，其中，第一气腔体孔洞的孔径可以比第二通气腔体孔洞的孔径大，也可以比第二通气腔体孔洞的孔径小，二者皆可以较好地满足细胞不同生长阶段的需求。优选地，所述第一通气腔体孔洞的孔径为5～30μm，例如可以是5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm、21μm、22μm、23μm、24μm、25μm、26μm、27μm、28μm、29μm或30μm，优选为10～25μm。本发明第一通气腔体孔洞的孔径为5～30μm，使其能够产生5～30μm的微气泡，该直径范围的微气泡在满足细胞需氧量的同时能够避免气泡破裂产生的剪切力对细胞产生的损害，具有较高的工业应用价值。优选地，所述第二通气腔体孔洞的孔径为80～200μm，例如可以是80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm或200μm，优选为120～180μm。本发明第一通气腔体孔洞的孔径为80～200μm，能够在保障气体均匀分布的同时满足细胞生长中后期对氧气的需求。优选地，所述第一通气腔体与第二通气腔体呈同心分布，例如可以是以同一中心轴的同心分布，或者二者不在同一中心轴的同心分布，优选为二者在同一中心轴的同心分布。优选地，所述第一通气腔体为圆形。优选地，所述第二通气腔体为圆形。本发明中所述第一通气腔体和第二通气腔体，其腔体界面可以是圆形、正方形或三角形，优选为圆形，采用圆形时能够更好地与常规生物反应器系统相匹配，并使得释放气泡时分布更均匀。优选地，所述第一通气腔体与第二通气腔体通过基板固定连接。优选地，所述第一通气入口与第一阀门相连。优选地，所述第二通气入口与第二阀门相连。本发明第一通气入口与第二通气入口优选分别独立配备第一阀门和第二阀门，能够单独控制第一通气腔体和第二通气腔体中的通气量，控制更精确。优选地，所述第一通气腔体与第二通气腔体分别为第一通气管和第二通气管。本发明中的第一通气管和第二通气管的制备方式可采用本领域技术人员熟知用于制备多孔材料的制备方法，例如可以是金属或非金属烧结。本发明中第一通气管和第二通气管可以采用本领域常用的材质进行，例如可以是金属(不锈钢、铜以及钛等特殊材料)、非金属塑料(ptfe、pe、pp、pvdf、epdm或pes等)、陶瓷或纤维等。优选地，所述第一通气管和第二通气管四周均匀分布有孔洞。优选地，所述第一通气管的孔洞孔径为5～30μm，例如可以是5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm、21μm、22μm、23μm、24μm、25μm、26μm、27μm、28μm、29μm或30μm，优选为10～25μm。优选地，所述第二通气管的孔洞孔径为80～200μm，例如可以是80～200μm，80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm或200μm，优选为120～180μm。优选地，所述第一通气入口设置在所述第一通气管的一侧。优选地，所述第二通气入口设置在所述第二通气管的一侧。优选地，所述第一通气腔体与第二通气腔体分别为第一通气槽和第二通气槽。优选地，所述第一通气槽和第二通气槽上均设置有通气分散膜或通气分散片。本发明中通气分散膜或通气分散片的制备方式可采用本领域技术人员熟知用于制备多孔材料的制备方法，例如可以是金属或非金属烧结。本发明中通气分散膜或通气分散片可以采用本领域常用的材质进行，例如可以是金属(不锈钢、铜以及钛等特殊材料)、非金属塑料(ptfe、pe、pp、pvdf、epdm或pes等)、陶瓷或纤维等优选地，所述通气分散膜或通气分散片上均匀分布有孔洞。优选地，所述第一通气槽的通气分散膜或通气分散片上的孔洞孔径为5～30μm，例如可以是5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm、21μm、22μm、23μm、24μm、25μm、26μm、27μm、28μm、29μm或30μm，优选为10～25μm。优选地，所述第二通气槽的通气分散膜或通气分散片上的孔洞孔径为80～200μm，例如可以是80～200μm，80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm或200μm，优选为120～180μm。优选地，所述第一通气入口设置在所述第一通气槽的上侧。优选地，所述第二通气入口设置在所述第二通气槽的上侧。本发明优选分别在第一通气槽和第二通气槽上侧未设置通气分散膜或通气分散片处设有第一通气入口和第二通气入口，实现第一通气槽和第二通气槽的独立通气。第二方面，本发明提供一种生物反应系统中的通气方法，所述方法采用第一方面所述的生物反应系统中的通气装置进行。本发明提供的生物反应系统中的通气方法，通过采用第一方面所述的生物反应系统中的通气装置进行通气，能够实现单独通入不同规格的气泡，并能调节大气泡和微气泡的比例，较好地满足细胞不同生长时期对供氧量的需求，同时可有效避免细胞生长初期大气泡破裂对细胞的损伤，具有较高的应用价值。优选地，所述方法包括：空气经由第一通气入口和第二通气入口分别进入第一通气腔体和第二通气腔体，再经由第一通气腔体和第二通气腔体向生物反应系统中通入不同规格的气泡。本发明通过使空气经由不同的通气入口分别进入不同的通气腔体后再向生物反应系统中通不同规格的气泡，能够分别单独调控不同规格气泡的通气量，加强通气过程的可控性。优选地，所述方法包括如下步骤：(1)细胞生长初期，关闭第二阀门，打开第一阀门，空气经第一通气入口进入第一通气腔体通气，产生微气泡；(2)细胞生长中后期，打开第二阀门，空气经第二通气入口进入第二通气腔体通气，产生大气泡；本发明在细胞生长初期，通入微气泡，可有效避免大气泡破裂产生的剪切力对初期细胞的损害；在细胞生长中后期，通入大气泡，是由于此时细胞敏感性降低，而大气泡的通入能够更好地满足细胞中后期需氧气的需求。优选地，步骤(2)中同时打开第一阀门和第二阀门，空气同时经第一通气入口和第二通气入口产生微气泡和大气泡。本发明在细胞生长中后期同时通微气泡和大气泡，能够更好地满足细胞生长中后期对氧气的需求。优选地，步骤(2)中调节第一阀门和第二阀门，调整微气泡和大气泡的比例。本发明通过调节微气泡和大气泡的比例，更好地适用不同细胞和不同时期细胞对氧气的需求，能够更好地进行细胞培养。优选地，所述微气泡的直径为5～30μm，例如可以是5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm、21μm、22μm、23μm、24μm、25μm、26μm、27μm、28μm、29μm或30μm，优选为10～25μm。本发明产生的微气泡的直径为5～30μm，该直径范围的微气泡不仅能够满足细胞生长初期的需氧量，而且能够避免气泡破裂产生的剪切力对细胞造成损害。优选地，所述大气泡的直径为80～200μm，例如可以是80～200μm，80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm或200μm，优选为120～180μm。本发明大气泡的直径为80～200μm，能够在保障气体均匀分布的同时满足细胞生长中后期对氧气的需求。第三方面，本发明提供一种生物反应系统，所述反应系统包括第一方面所述的通气装置。本发明提供的生物反应系统包括第一方面所述的通气装置，不仅气体分布均匀，而且能够独立的通大气泡或微气泡，满足细胞不同生长时期的需求。与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：(1)本发明提供的生物反应系统中的通气装置能够实现向生物反应系统中独立的通大气泡或微气泡，气体分布均匀，具有独立通气入口，控制更精确；(2)本发明提供的生物反应系统中的通气装置可实现细胞生长初期仅通微气泡，避免大气泡破碎产生的剪切力对细胞的损伤，细胞存活率≥98.55％，培养14天后细胞密度≥5.57×106个/ml；(3)本发明提供的生物反应系统中的通气方法可精准调控大气泡与小气泡的比例，满足细胞生长不同阶段的需求。附图说明图1是本发明实施例1提供的生物反应系统中的通气装置的俯视图。图2是本发明实施例1提供的生物反应系统中的通气装置的侧截面视图。图3是本发明实施例3提供的生物反应系统中的通气装置的俯视图。图4是本发明实施例3提供的生物反应系统中的通气装置的侧截面视图。图中：101-第一通气管；102-第二通气管；103-第一通气入口；104-第二通气入口；201-第一通气槽；202-第二通气槽；203-第一通气入口；204-第二通气入口；205-第一通气分散膜；206-第二通气分散膜。具体实施方式下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。一、实施例实施例1本实施例提供一种生物反应系统中的双层套管式通气装置，如图1和图2所示，所述装置包括第一通气管101和设置在其外围的第二通气管102，所述第一通气管101和第二通气102管的截面面积均为圆形，所述第一通气管101和第二通气管102为ptfe管，所述第一通气管101和第二通气管102分别与设置在其一侧的第一通气入口103和第二通气管入口104相通，所述第一通气入口103和第二通气入口104分别设置在与通气装置直径相对的位置，所述装置还包括分别与第一通气入口103和第二通气入口104相连的第一阀门和第二阀门，所述第一通气管101与第二通气管102为在同一中心轴上呈同心分布的四周均匀分布有孔洞的圆环管，第一通气管101的孔洞孔径为15μm，第二通气管102的孔洞孔径为120μm。实施例2本实施例提供一种生物反应系统中的双层套管式通气装置，所述装置包括第一通气管和设置在其外围的第二通气管，所述第一通气管和第二通气管的截面面积均为圆形，所述第一通气管和第二通气管为pe管，所述第一通气管和第二通气管分别与设置在其一侧的第一通气入口和第二通气入口相通，所述第一通气入口和第二通气入口分别设置在与通气装置直径相对的位置，所述装置还包括分别与第一通气入口和第二通气入口相连的第一阀门和第二阀门；所述第一通气管与第二通气管为在同一中心轴上呈同心分布的四周均匀分布有孔洞的圆环管，第一通气管的孔洞孔径为80μm，第二通气管的孔洞孔径为30μm。实施例3本实施例提供一种生物反应系统中的双层膜片式通气装置，如图3和图4所示，所述装置包括第一通气槽201和设置在其外围的第二通气槽202，所述第一通气槽201和第二通气槽202分别与设置在其上方的第一通气入口203和第二通气入口204相通，所述装置还包括分别与第一通气入口203和第二通气入口204相连的第一阀门和第二阀门；所述第一通气槽201与第二通气槽202为在同一中心轴上呈同心分布的圆槽，所述第一通气槽201和第二通气槽202上分别设置有由不锈钢烧结制成的第一通气分散膜205和第二通气分散膜206，第一通气分散膜205和第二通气分散膜206上均匀分布有孔洞，第一通气分散膜205的孔洞孔径为5μm，第二通气分散膜206的孔洞孔径为200μm。实施例4本实施例提供一种生物反应系统中的双层膜片式通气装置，所述装置包括第一通气槽和设置在其外围的第二通气槽，所述第一通气槽和第二通气槽202分别与设置在其上方的第一通气入口和第二通气入口相通，所述装置还包括分别与第一通气入口和第二通气入口相连的第一阀门和第二阀门；所述第一通气槽与第二通气槽为在同一中心轴上呈同心分布的圆槽，所述第一通气槽和第二通气槽上分别设置有由陶瓷烧结而成的第一通气分散膜和第二通气分散膜，第一通气分散膜和第二通气分散膜上均匀分布有孔洞，第一通气分散膜的孔洞孔径为160μm，第二通气分散膜的孔洞孔径为20μm。实施例1～4提供的通气装置用在生物反应系统中，其中，利用实施例1和实施例3提供的通气装置进行通气的方法包括如下步骤：(1)细胞生长初期，关闭第二阀门，打开第一阀门，空气经第一通气入口进入第一通气腔体通气，产生微气泡；(2)细胞生长中后期，打开第二阀门，空气经第二通气入口进入第二通气腔体通气，产生大气泡，根据细胞需氧量，同时打开第一阀门和第二阀门，空气同时经第一通气入口和第二通气入口产生微气泡和大气泡，并调节第一阀门和第二阀门，调整微气泡和大气泡的比例。利用实施例2和实施例4提供的通气装置进行通气的方法包括如下步骤：(1)细胞生长初期，关闭第一阀门，打开第二阀门，空气经第二通气入口进入第二通气腔体通气，产生微气泡；(2)细胞生长中后期，打开第一阀门，空气经第一通气入口进入第一通气腔体通气，产生大气泡，根据细胞需氧量，同时打开第一阀门和第二阀门，空气同时经第一通气入口和第二通气入口产生微气泡和大气泡，并调节第一阀门和第二阀门，调整微气泡和大气泡的比例。二、细胞培养及结果将实施例1～4提供的通气装置置于生物反应系统中，以动物细胞培养为例，对cho(中国仓鼠卵巢细胞)细胞进行培养，首先使用培养皿对cho细胞进行扩增培养，14天后待细胞密度达到10×105个/ml以上，细胞存活率在93％以上时将种子液接种于30l生物反应系统中，以ex-cell302无血清培养基(生产商：sigma-aldrich)为基础培养基，36.5℃恒温培养，细胞生长初期向反应系统中通入微气泡，细胞生长中后期向反应系统中通入大气泡或同时通入大气泡和微气泡，具体气体流量根据细胞不同生长时期决定，培养14天，对细胞取样，计算实施例1～4细胞培养的细胞密度与细胞存活率，其结果如表1所示。表1样品细胞密度(个/ml)细胞存活率％实施例15.57×10698.55实施例25.64×10698.65实施例36.01×10698.80实施例45.78×10698.70从表1可以看出，利用含实施例1～4提供的通气装置的生物反应器进行细胞培养，能够在细胞生长初期产生5～30μm的微气泡，避免了大气泡破裂产生的剪切力对细胞的损害，细胞存活率≥98.55％，且随着细胞不断生长，细胞对剪切力敏感性降低且需氧量增加，培养中后期通过通气装置向生物反应系统中通入大气泡，满足细胞的需氧量，培养14天后细胞密度≥5.57×106个/ml，细胞培养效果佳，具有较好的应用前景。综上，本发明提供的生物反应系统中的通气装置能够精确控制向生物反应系统内提供的气泡规格和通气量，而且装置简单，拆装容易，操作方便；利用所述装置进行生物反应系统中的通气方法，可独立均匀的产生微气泡，有效地避免了大气泡破裂产生的剪切力对细胞的损伤，可满足不同细胞和细胞不同生长期的需求，具有较大的实际应用价值。申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属
技术领域：
的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。当前第1页1 2 3