一种大尺寸纳米气泡式动物细胞规模化培养生物反应装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型属于生物细胞培养技术领域，具体为一种大尺寸纳米气泡式动物细胞规模化培养生物反应装置。本实用新型装置包括大尺寸纳米气泡器、供排气系统、生物反应装置罐体、物料系统、温度控制系统、消泡系统、控制系统。其中，生物反应装置罐体作为动物细胞培养反应器，用于存放动物细胞培养液，大尺寸纳米气泡器用于产生纳米级别大小的气泡，提供给放动物细胞培养液，控制系统用于控制供排气系统、物料系统、温度控制系统、消泡系统。本实用新型解决了目前动物细胞生物反应器难以大规模培养的技术瓶颈，利用纳米制造技术实现大范围供氧，具有低细胞破损、结构简单、方便实用的特点过，可广泛应用于动物细胞大规模化培养。
【专利说明】
一种大尺寸纳米气泡式动物细胞规模化培养生物反应装置
技术领域
[0001 ]本发明属于生物细胞培养技术领域，具体涉及一种大尺寸纳米气泡式动物细胞规模化培养生物反应装置。
【背景技术】
[0002]细胞是生命的基本单位，犹如分子是物质的基本单位一样，细胞的功能决定了器官以及组织的功能，器官组织再构成了生命体。例如心肌细胞构成了心脏，成为人体不可或缺的器官。心脏的细胞本身不具备自我更新的能力，因此在面对心衰等机理性心肌细胞死亡的疾病时，心肌细胞死亡后便不再自我更新，带来器官的细胞数量不足，导致心脏功能衰竭。近年来，随着动物细胞基因工程和干细胞技术的快速发展，利用干细胞具有自我更新以及分化能力，新兴的疾病治疗理念就是采用注射混合干细胞来源的功能性细胞，实现器官的自我更新、修复。此外，这些有效的细胞疗法，特别是在临床开发应用中，都需要大量的这类细胞，因此这些细胞规模化制造成为迫在眉睫的问题。动物细胞生物反应装置是动物细胞体外培养的关键设备，为动物细胞提供了一个适宜的生长环境，使之快速增殖并形成所需的生物组织制品。但是由于动物细胞在其形态结构、培养方法以及所需的力学环境等方面均不同于微生物细胞，因而传统的微生物反应器显然已不适用于动物细胞大规模培养。
[0003]根据研究表明动物细胞具有无细胞壁、对剪切极端敏感等特点，同时对动物细胞生长控制，还要注意防止细胞分化和细胞凋亡，这些特点要求动物细胞生物反应器必须具有低剪切效应，混合性能好等特点。可是氧气在水中的溶解度较低，为维持在规模化大体积培养液中有恒定的溶解氧，通常还得采用连续不断地进行气液传质来供氧，且氧气泡直径越小，氧传质速率越大，供氧效果越好。传统的生物反应器通常采用膜过滤器产生气泡，但是产生的气泡都在微米级别以上，迄今还未有纳米气泡产生装置应用于生物反应器，这主要是由于实验条件的限制，科学家对纳米气泡的结构、形貌、物理特性等内在机制还处于研究阶段。但近年随着纳米制造技术的发展，研究已证明在气液界面经过疏水表面时，将空气卷入可以形成纳米气泡，甚至疏水修饰的硅片在水体中其表面自发就能形成稀疏的圆形气泡。另外关于氧气泡的研究成果表明:宏观级别氧气泡(直径毫米级别以上)，氧气泡快速上浮液面破裂产生剪切力损伤细胞，并且氧气泡直径越小剪切力越大;但是微观级别氧气泡(直径微米级别及以下)，特别是纳米级氧气泡，由于氧气泡的比表面积大，氧气泡中的氧气体在水中溶解速度快，氧气泡在水中缓慢上浮过程中变小最后完全溶解。因此如何强化供氧混合与防止细胞破损是达到动物细胞规模化培养放大而迫切需要解决的问题。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的在于针对目前动物细胞难以大规模培养的技术瓶颈，结合前沿纳米制造技术，提出一种大尺寸纳米气泡式动物细胞规模化培养生物反应装置。
[0005]本实用新型提出的大尺寸纳米气泡式动物细胞规模化培养生物反应装置，包括大尺寸纳米气泡器、供排气系统、生物反应装置罐体、物料系统、温度控制系统、消泡系统、控制系统。所述大尺寸纳米气泡器设置于生物反应装置罐体内，所述供排气系统中的供气系统与大尺寸纳米气泡器连通，供排气系统中的排气系统与生物反应装置罐体的上部连通；所述物料系统、温度控制系统、消泡系统分别通过管道与生物反应装置罐体连通;所述控制系统分别与供排气系统、物料系统、温度控制系统、消泡系统连接;其中:
[0006]所述生物反应装置罐体作为动物细胞规模化培养的反应装置，其中放置动物细胞培养液；
[0007]所述供排气系统中的供气系统用于向纳米气泡器提供气源;供排气系统中的排气系统用于排放生物反应装置罐体内上部气体；
[0008]所述大尺寸纳米气泡器用于大面积产生纳米级别大小的气泡，提供给生物反应装置罐体内的动物细胞培养液；
[0009]所述物料系统用于实时动态补充动物细胞培养液营养物质；
[0010]所述温度控制系统用于调节生物反应装置罐体内动物细胞培养液的温度；
[0011]所述消泡系统采用智能化消泡电极消除生物反应装置罐体内意外泡沫；
[0012]所述控制系统用于控制控制供排气系统、物料系统、温度控制系统、消泡系统。
[0013]进一步，本实用新型:
[0014]所述的生物反应装置罐体包括硼硅玻璃罐体及不锈钢罐盖。
[0015]所述物料系统必要时还可用于调节生物反应装置罐体内动物细胞培养液的PH值(比如添加一些酸、碱物质等)。
[0016]所述的供排气系统中，供气系统包括气体控制混合室、供气管线、气源，排气系统包括自动排气阀、排气孔、排气管。
[0017]所述的大尺寸纳米气泡发生器采用大于等于50毫米直径(例如为50-200毫米)的布满阵列纳米孔的硅基板。硅基板上的纳米孔直径在10纳米到800纳米之间。
[0018]所述的排气系统只有在生物反应装置罐体体内上部气体压强超过设置压强时，自动排气阀自动开启实现排放功能。
[0019]本实用新型提出的大尺寸纳米气泡式动物细胞规模化培养生物反应装置，其优点是:克服目前动物细胞规模化培养生物反应器难以大规模培养的技术不足，利用纳米制造技术生成纳米气泡实现大范围供氧，具有低剪切力、低细胞破损、结构简单、方便实用的特点，可广泛应用于动物细胞大规模化培养。
【附图说明】
[0020]图1本实用新型的大尺寸纳米气泡式动物细胞规模化培养生物反应装置的总体结构框图。
[0021]图2本实用新型实施例的大尺寸纳米气泡式动物细胞规模化培养生物反应装置的总体结构框图。
[0022]图3本实用新型实施例的大尺寸纳米气泡器生成纳米氧气泡过程示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例，更具体地描述本实用新型，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。
[0024]图1为本实用新型的大尺寸纳米气泡式动物细胞规模化培养生物反应装置的总体结构框图。具体如图2所示，包括:大尺寸纳米气泡器10、供排气系统20、生物反应装置罐体30、物料系统40、温度控制系统50、消泡系统60、控制系统70。
[0025]实施例1:
[0026]某型大尺寸纳米气泡式动物细胞规模化培养生物反应装置关键部件说明:
[0027]生物反应装置罐体30内壁直径150毫米、高100毫米；
[0028]大尺寸纳米气泡器10采用100毫米硅片，硅片纳米孔直径500纳米，纳米孔与纳米孔之间的距离为500纳米；
[0029]供气管道21管径10毫米；
[0030]供排气系统20通过密封式不锈钢转化托盘与大尺寸纳米气泡器10连接。
[0031]图3为实施例:大尺寸纳米气泡器生成纳米氧气泡过程示意图。首先，大尺寸纳米气泡器10将供气管道21供给的氧气体通过纳米孔11在动物细胞培养液02中分解成一个个纳米氧气泡12，按纳米氧气泡流向13方向向上，由于纳米氧气泡12的比表面积大，纳米氧气泡12中的氧气体在水中溶解速度快，纳米氧气泡12在水中缓慢上浮过程中变小，理论上大部分纳米氧气泡12在到达生物反应装置罐体30罐体内的气液界面00前即完全溶解;少许纳米氧气泡12气液界面00前未完全溶解则进入罐体气体区01。
【主权项】
1.一种大尺寸纳米气泡式动物细胞规模化培养生物反应装置，其特征在于包括:大尺寸纳米气泡器、供排气系统、生物反应装置罐体、物料系统、温度控制系统、消泡系统、控制系统;所述大尺寸纳米气泡器设置于生物反应装置罐体内，所述供排气系统中的供气系统与大尺寸纳米气泡器连通，供排气系统中的排气系统与生物反应装置罐体的上部连通;所述物料系统、温度控制系统、消泡系统分别通过管道与生物反应装置罐体连通;所述控制系统分别与供排气系统、物料系统、温度控制系统、消泡系统连接;其中: 所述生物反应装置罐体作为动物细胞规模化培养的反应装置，其中放置动物细胞培养液； 所述供排气系统中的供气系统用于向纳米气泡器提供气源;供排气系统中的排气系统用于排放生物反应装置罐体内上部气体； 所述大尺寸纳米气泡器用于大面积产生纳米级别大小的气泡，提供给生物反应装置罐体内的动物细胞培养液； 所述物料系统用于实时动态补充动物细胞培养液营养物质； 所述温度控制系统用于调节生物反应装置罐体内动物细胞培养液的温度； 所述消泡系统采用智能化消泡电极消除生物反应装置罐体内意外泡沫； 所述控制系统用于控制控制供排气系统、物料系统、温度控制系统、消泡系统。2.根据权利要求1所述的大尺寸纳米气泡式动物细胞规模化培养生物反应装置，其特征在于所述的大尺寸纳米气泡发生器采用大于等于50毫米直径的布满阵列纳米孔的硅基板。3.根据权利要求2所述的大尺寸纳米气泡式动物细胞规模化培养生物反应装置，其特征在于所述硅基板上的纳米孔直径在10纳米到800纳米之间。4.根据权利要求1所述的大尺寸纳米气泡式动物细胞规模化培养生物反应装置，其特征在于所述的供排气系统中，供气系统包括气体控制混合室、供气管线、气源，排气系统包括自动排气阀、排气孔、排气管。5.根据权利要求1所述的大尺寸纳米气泡式动物细胞规模化培养生物反应装置，其特征在于所述的生物反应装置罐体包括硼硅玻璃罐体及不锈钢罐盖。6.根据权利要求4所述的大尺寸纳米气泡式动物细胞规模化培养生物反应装置，其特征在于所述的排气系统只有在生物反应装置罐体体内上部气体压强超过设置压强时，自动排气阀自动开启实现排放功能。
【文档编号】C12M1/38GK205576161SQ201620219832
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年3月19日
【发明人】陈志辉, 周向前, 王志敏, 刘 文
【申请人】上海产业技术研究院, 上海尤格恩生物科技有限公司