专利名称：一种高密度细胞培养方法及其生物反应装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种细胞培养方法及其生物反应装置，尤其涉及一种细胞高密度循环式或连续式培养方法及其生物反应装置。
背景技术：
膜生物反应器是将膜分离技术引入生物反应器后所形成的一类新型设备，现有的膜生物反应器(MBA)主要用于污水处理，其作用原理是利用膜截留活性污泥中的微生物以提高其污水生物处理的效率，其核心问题是解决污水生物处理过程中膜过滤污染即过滤通量下降的问题。由于生物污水处理系开放式的发酵过程，并不涉及到杂菌的污染，即是此类生物反应器中所采用的膜设备无需考虑灭菌及分离过程中的杂菌污染问题。
在高密度培养方面，目前所采用的方法，主要是通过优化培养基、培养条件等方法，从而提高培养或发酵过程中活细胞浓度。如刘馨磊等(补料分批法高密度培养凝结芽孢杆菌，生物技术，2001，11〔6〕)报道利用间歇式的补料培养使培养液中菌体达到了4.5×109cfu/ml；吕兵等(乳酸菌发酵剂浓缩培养的研究，中国乳品工业，2001，29〔3〕)报道，通过在培养基中添加缓冲盐法使培养液中的菌体浓度达到了5.89×109cfu/ml的结果。也有少数人采用管状有机膜过滤浓缩，如戚薇等(中空纤维膜过滤法高密度培养凝结芽孢杆菌TQ33，食品与发酵工业，2003，29〔3〕)报道，利用中空纤维超滤装置进行TQ33高密度培养，确定了采用过滤法进行高密度培养的工艺流程和参数。在对数后期，当乳酸质量浓度达到15g/L时，开始过滤培养。过滤培养阶段持续6h，培养过程中平均过滤速率和培养基的流入速率为1L/h，平均稀释率为0.4/h。对通过试验所确定的工艺进行高密度培养，最终菌体和芽孢浓度分别达到1.6×1010cfu/mL和1.2×1010cfu/mL，是分批培养的21倍和37倍。在以上的这些报导中，采用化学方法来解除代谢产物对微生物的生长抑制是极为有限的，这点在以上的结果中也能清楚地反映出来。而利用外置式中空纤维膜管进行纯种高密度培养方法中所采用的有机膜无法进行热灭菌，因而在实际应用中很难消除杂菌的污染，更难于完成循环式或连续式的高密度培养。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有用于细胞高密度培养方法中存在的上述问题，而提供一种适用于细胞高密度培养的方法，即将细胞培养和膜过滤浓缩结合在一起，在截留活细胞的同时去除有害或分离所需的代谢产物，进而达到细胞的高密度培养或利用高密度培养生产所需代谢产物，以及使用补料罐、生物反应器和膜组件实现高密度连续化培养。在实现细胞高密度培养的同时，缩短反应时间、大幅度提高生产效率、降低操作费用。本发明的另一个目的是提供该方法所需的一种膜生物反应装置。
本发明的技术方案是一种循环式或连续式高密度细胞培养的方法，其步骤包括A、将新鲜培养基通过物料进口(I)加入生物反应器(2)中进行细胞培养，待生物反应器(2)中活细胞数达到105cfu/ml-108cfu/ml时，发酵液经阀门K2、K1和泵4通过无机膜过滤组件(3)过滤浓缩，弃去清液，浓缩菌液通过阀门K5返回到生物反应器(2)中，并通过补料罐(1)重新补加新鲜培养基后再次进行培养。
B、从过滤到补料再到重新培养称为一个循环，当培养液中菌体浓度达到109cfu/ml-1013cfu/ml，培养液经过阀门K2、K4由出料口(G)直接排出，为循环式高密度细胞培养或当培养液达到109cfu/ml-1013cfu/ml后，进入连续培养，新鲜培养液从补料罐1由蠕动泵进入生物反应器2中，高密度培养液经阀门K3、K4由出料口(G)以排出，整个过程由自动系统控制，为连续式高密度细胞培养。
其中每次循环中过滤要求的发酵液浓缩倍数为1-10倍。循环次数为1-4次。
在连续培养过程中，可通过控制pH、培养液的光密度值或葡萄糖浓度来进行补料，其中pH可控制在1-7的范围内、光密度可控制在0.1-2.0、以培养基为基准葡萄糖质量百分浓度控制在1％-10％范围。
本发明还提出了一种循环式或连续式高密度细胞培养的方法的生物反应装置，其特征在于该装置由生物反应器(2)、无机膜过滤组件(3)和补料罐(1)通过控制回路将三者连接而成。
其中生物反应器(2)由反应罐、搅拌器(I)、蒸汽灭菌装置、通气加压装置和探测控制装置组成；无机膜分离过滤组件(3)由无机膜管、膜管支撑架组成，其中无机膜管为陶瓷膜管、金属材料膜管或它们的复合材料膜管；补料罐(1)通过管道同生物反应器(2)相连，它的补料方式是通过控制pH、培养液的光密度值或葡萄糖浓度，并通过液位控制来实现培养液的自动排放。
本发明适用于单细胞微生物，如细菌、酵母、植物细胞等。
有益效果1.本发明方法将无机膜分离组件与生物反应器及补料罐连接在一起，通过适当的控制方式，使得生物反应过程与细胞过滤浓缩合为一体，利用该系统，既可实现细胞的培养与菌体产物回收的耦合，也能完成微生物连续式的高密度培养。
2.采用本发明的方法对乳酸菌等进行高密度培养，其菌体的最终浓度可达到1012cfu/ml-1013cfu/ml，而常规方法菌体的最终浓度4.5×109cfu/ml-1.6×1010cfu/mL。
3.与现有的用于细胞高密度培养的生物反应器相比，本发明反应装置中所采用的无机膜过滤组件具有耐高温、耐腐蚀，在高温高压条件下密封性良好，长时间操作无机膜过滤组件及其连结件不损坏，且易于拆卸和更换，从而使该膜组件的灭菌成为可能。细胞培养与产物分离耦合既可实现细胞的重复利用，也可通过产物分离解除产物合成的代谢抑制及对细胞生长的抑制。同样在变换控制方式的前提下，也可利用该系统完成高密度条件下的细胞连续培养。
4.与传统的生物反应器相比，本系统极大地提高了生物反应器单位体积的设备利用率，可缩短生产周期、降低操作费用。
图1是用于细胞高密度培养膜生物反应器结构示意图。其中1-补料罐；2-生物反应器；3-无机膜组件；4-泵；5-蠕动泵；6-pH、光密度或葡萄糖控制系统，7-液位控制系统；A蒸汽；B无菌空气；C冷却水；D取样口；E清液出口；F浓液料出口；G料液出口；H冷凝水；I物料进口；J搅拌器；K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8为阀门。
下面结合附图1对该方法及装置作详细介绍1.循环式高密度培养，首先在清洗好的生物反应器内加入合适培养基，按常规方法对生物反应器2及与罐体相通的管路进行热灭菌的，通过夹套冷却水冷却后即可接入种子液的在一定温度下进行培养。培养结束前，在K2K3K4关闭的情况下，打开K1K6K8用蒸汽对无机膜组件及泵4和与之相连接的管道进行灭菌后，关闭K6K7K8并适当冷却到室温，当生物反应器内细菌浓度达到105cfu/ml-108cfu/ml时，打开K2K1K5，开启泵4，经膜管循环过滤，通过清液出口弃去清液，浓缩菌液重新回到生物反应器内，经循环过滤后，使生物反应器内菌体浓度提高1-10倍后，将补料罐内已灭菌冷却的新鲜培养基(与初始开入生物反应器内的培养基相同)通过蠕动泵5加入到发酵罐内到起始培养时液位，并在相同条件下开始新一轮培养。依据所要求的培养液中菌体浓度达到1011cfu/ml-1013cfu/ml，决定上述从过滤到补料再到重新培养的循环次数，从而实现乳酸菌的高密培养。所要求的培养液中菌体浓度指109cfu/ml-1013cfu/ml。当循环培养结束后，发酵液可通过料液出口直接排出，亦可通过膜组件过滤后由浓缩液出口排出。本实例中，关于补料控制也可通过控制培养液的光密度、葡萄糖浓度得以实现；pH可控制在1-7的范围内，液位控制则可设定在罐内的任何液位。
2.连续式高密度培养，首先在清洗好的生物反应器内加入合适培养基，按常规方法对生物反应器2及与罐体相通的管路进行热灭菌的，通过夹套冷却水冷却后即可接入种子液一定条件(常规方法)下进行培养。培养结束前，在K2K3K4关闭的情况下，打开K1K6K8用蒸汽对无机膜组件及泵4和与之相连接的管道进行灭菌后，关闭K6K7K8并适当冷却，当生物反应器内细菌浓度达到105cfu/ml-108cfu/ml时，打开K2K1K5，开启泵4，经膜管循环过滤，通过清液出口E弃去清液，浓缩菌液通过阀门K5，重新回到生物反应器内，经循环过滤后，使生物反应器内菌体浓度提高1-10倍后，将补料罐内已灭菌冷却的新鲜培养基(与初始开入生物反应器内的培养基相同)通过蠕动泵5加入到发酵罐内到起始培养时液位，并在相同条件下开始新一轮培养。当完成从过滤到补料再到重新培养的循环1-4次后进入连续培养，即利用生物反应器内的pH控制系统，当pH低于设定值时(设定值范围为1-7)，与补料罐相连接的蠕动泵自动开启，新鲜培养基加入到生物反应器内，当pH回升到设定值后，蠕动泵将自动关闭。与此同时，当罐内的培养液超过设定的液位值时，由液位控制计控制的回路开始工作，即K3阀自动开启，109cfu/ml-1013cfu/ml培养液由料液出口G直接排出，当液位低于设计值时，K3将自动关闭。通过pH及液位控制的联动，可实现乳酸菌的高密度连续式培养。本实例中，关于补料控制也可通过控制培养液的光密度、葡萄糖浓度得以实现；pH可控制在1-7的范围内，液位控制则可设定在罐内的任何液位。
具体实施例方式
以下通过具体实施例对本发明的技术方案进行进一步详细描述。
实施例1乳酸菌循环式的高密度培养首先在清洗好的生物反应器内加入牛肉膏1％，蛋白胨1％，酵母膏1％，葡萄糖15％，吐温80 0.05％pH6.5培养基，按常规方法对生物反应器2及与罐体相通的管路进行热灭菌的，通过夹套冷却水冷却后即可接入种子液的在30℃下进行培养。培养结束前，在K2K3K4关闭的情况下，打开K1K6K8用蒸汽对无机膜组件及泵4和与之相连接的管道进行灭菌后，关闭K6K7K8并适当冷却到室温，当生物反应器内乳酸菌浓度达到105cfu/ml-108cfu/ml时，打开K2K1K5，开启泵4，经膜管循环过滤，通过清液出口弃去清液，浓缩菌液重新回到生物反应器内，经循环过滤后，使生物反应器内菌体浓度提高5-10倍后，将补料罐内已灭菌冷却的新鲜培养基(与初始开入生物反应器内的培养基相同)通过蠕动泵5加入到发酵罐内到起始培养时液位，并在相同条件下开始新一轮培养。依据所要求的培养液中菌体浓度1011cfu/ml，决定上述从过滤到补料再到重新培养的循环次数，本实验使用2-3次，从而实现乳酸菌的高密培养。所要求的培养液中菌体浓度指1011cfu/ml-1013cfu/ml。当循环培养结束后，发酵液可通过料液出口直接排出，亦可通过膜组件过滤后由浓缩液出口排出。
实施例2大肠杆菌连续式的高密度培养首先在清洗好的生物反应器内加入乳糖0.5％，胰蛋白胨2％，磷酸二氢钾0.275％，磷酸氢二钾0.275％，NaCl0.5％，十二烷基硫酸钠0.05％ pH6.6-7.0培养基，按常规方法对生物反应器2及与罐体相通的管路进行热灭菌的，通过夹套冷却水冷却后即可接入种子液一定条件下进行培养。培养结束前，在K2K3K4关闭的情况下，打开K1K6K8用蒸汽对无机膜组件及泵4和与之相连接的管道进行灭菌后，关闭K6K7K8并适当冷却，当生物反应器内大肠杆菌浓度达到105cfu/ml-108cfu/ml时，打开K2K1K5，开启泵4，经膜管循环过滤，通过清液出口弃去清液，浓缩菌液重新回到生物反应器内，经循环过滤后，使生物反应器内菌体浓度提高5-10倍后，将补料罐内已灭菌冷却的新鲜培养基(与初始开入生物反应器内的培养基相同)通过蠕动泵5加入到发酵罐内到起始培养时液位，并在相同条件下开始新一轮培养。当完成从过滤到补料再到重新培养的循环1-4次后进入连续培养，即利用生物反应器内的pH控制系统，当pH下降到5-6，与补料罐相连接的蠕动泵自动开启，新鲜培养基加入到生物反应器内，当pH回升到设定值后，蠕动泵将自动关闭。以此同时，当罐内的培养液超过设定的液位值时，由液位控制计控制的回路开始工作，即K3阀自动开启，1011cfu/ml-1013cfu/ml培养液由料液出口G直接排出，当液位低于设计值时，K3将自动关闭。通过pH及液位控制的联动，可实现大肠杆菌的高密度连续式培养。本实例中，关于补料控制也可通过控制培养液的光密度得以实现；pH可控制在0-7的范围内，液位控制则可设定在罐内的任何液位。
实施例3酵母菌连续式的高密度培养首先在清洗好的生物反应器内加入麦芽汁(2％-12％)，按常规方法对生物反应器2及与罐体相通的管路进行热灭菌的，通过夹套冷却水冷却后即可接入种子液一定条件下进行培养。培养结束前，在K2K3K4关闭的情况下，打开K1K6K8用蒸汽对无机膜组件及泵4和与之相连接的管道进行灭菌后，关闭K6K7K8并适当冷却，当生物反应器内酵母菌浓度达到105cfu/ml-108cfu/ml时，打开K2K1K5，开启泵4，经膜管循环过滤，通过清液出口弃去清液，浓缩菌液重新回到生物反应器内，经循环过滤后，使生物反应器内菌体浓度提高5-10倍后，将补料罐内已灭菌冷却的新鲜培养基(与初始开入生物反应器内的培养基相同)通过蠕动泵5加入到发酵罐内到起始培养时液位，并在相同条件下开始新一轮培养。当完成从过滤到补料再到重新培养的循环1-4次后进入连续培养，即利用生物反应器内的葡萄糖控制系统，当葡萄糖浓度下降到1-10，与补料罐相连接的蠕动泵自动开启，新鲜培养基加入到生物反应器内，当葡萄糖回升到设定值后，蠕动泵将自动关闭。以此同时，当罐内的培养液超过设定的液位值时，由液位控制计控制的回路开始工作，即K3阀自动开启，1011cfu/ml-1013cfu/ml培养液由料液出口G直接排出，当液位低于设计值时，K3将自动关闭。通过葡萄糖及液位控制的联动，可实现大肠杆菌的高密度连续式培养。本实例中，关于补料控制也可通过控制培养液的光密度得以实现；葡萄糖可控制在1-10的范围内，液位控制则可设定在罐内的任何液位。
权利要求
1.一种高密度细胞培养方法，其步骤包括A、将新鲜培养基通过物料进口(I)加入生物反应器(2)中进行细胞培养，待生物反应器(2)中活细胞数达到105cfu/ml-108cfu/ml时，发酵液经阀门K2、K1和泵(4)通过无机膜过滤组件(3)过滤浓缩，弃去清液，浓缩菌液通过阀门K5返回到生物反应器(2)中，并通过补料罐(1)重新补加新鲜培养基后再次进行培养；B、从过滤到补料再到重新培养称为一个循环，当培养液中菌体浓度达到109cfu/ml-1013cfu/ml，培养液经过阀门K2、K4由出料口(G)直接排出，为循环式高密度细胞培养；或当培养液达到109cfu/ml-1013cfu/ml后，进入连续培养，新鲜培养液从补料罐(1)由蠕动泵进入生物反应器(2)中，高密度培养液经阀门K3、K4由出料口(G)以排出，整个过程由自动系统控制，为连续式高密度细胞培养。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于每次循环中过滤要求的发酵液浓缩倍数为1-10倍。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于循环次数为1-4次。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在连续培养过程中，可通过控制pH、培养液的光密度值或葡萄糖浓度来进行补料，其中pH可控制在1-7的范围内、光密度可控制在0.1-2.0、以培养基为基准葡萄糖质量百分浓度控制在1％-10％范围。
5.一种如权利要求1所述方法的高密度细胞培养生物反应装置，其特征在于该装置由生物反应器(2)、无机膜过滤组件(3)和补料罐(1)通过控制回路将三者连接而成。
6.根据权利要求5所述的反应器装置，其特征在于无机膜分离过滤组件(3)由无机膜管和膜管支撑架组成。
7.根据权利要求5所述反应装置，其特征在于无机膜管为陶瓷膜管、金属材料膜管或它们的复合材料膜管。
8.根据权利要求5所述的反应装置，其特征在于补料罐(1)通过管道同生物反应器(2)相连，它的补料方式是通过控制pH、培养液的光密度值或葡萄糖浓度，并通过液位控制来实现培养液的自动排放。
全文摘要
本发明涉及一种细胞培养方法及其生物反应装置，尤其涉及一种细胞高密度循环式或连续式培养方法及其生物反应装置。其特征是在生物反应器上加装无机膜过滤组件及补料罐，并通过一定的控制回路将三者连接为一个可用于细胞循环式高密度培养或高密度连续式培养的生物反应器系统，即将细胞培养和膜过滤浓缩结合在一起，在截留活细胞的同时去除有害或分离所需的代谢产物，进而达到细胞的高密度培养或利用高密度培养生产所需代谢产物。在实现细胞高密度培养的同时，缩短反应时间、大幅度提高生产效率、降低操作费用。
文档编号C12N5/00GK1778887SQ20051009473
公开日2006年5月31日 申请日期2005年10月9日 优先权日2005年10月9日
发明者熊晓辉, 熊强, 陆利霞, 韩亦龙 申请人:南京工业大学