专利名称：一种小型生物反应器的制作方法
技术领域：
本发明属于生物工程技术领域，涉及一种细胞培养的罐式生物反应器。
背景技术：
常规小型罐式生物反应器通常采用以下方法1)使用内置加热装置或将反应器整体放入恒温箱中保持培养温度；2)采用磁力搅拌方式直接对培养物进行搅拌或气体提升方式，即利用从罐底开口进入的气体形成气泡上升与培养物混合起到搅拌作用；3)检测培养进程采用人工取样检测方式；4)补液采用电动泵；5)生物反应器灭菌采用原位蒸汽灭菌法。常规方法在实际使用中存在一定局限性。常规生物反应器的蒸汽灭菌法无法有效解决死角问题，保温措施存在能耗高的缺点。很多真核细胞对机械剪切力敏感，常规生物反应器采用的搅拌方式容易造成局部剪切力大，容易破坏细胞结构；气体提升式生物反应器在细胞培养物体积比较小的情况下整体效率不高。真核细胞的培养周期一般比较长(一周左右)，要求生物反应器具有较高的可靠性、稳定性和培养效果较高的重复性。补液采用的电动泵一般使用易损耗管材，现频繁启动和关闭会影响系统的稳定性。人工检测细胞培养密度无法实现整体自动控制和系统整体重复性。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种高整合度、低能耗和高可靠性的生物反应器，能够提供一定程度的自动控制功能，使细胞在培养体积放大的过程中处于一定细胞密度范围内，从而优化细胞表达系统制备基因工程重组蛋白的条件。本发明涉及的生物反应器以实现细胞有效增殖，促进细胞高效表达重组蛋白产物为培养目的，可应用于可悬浮培养的昆虫细胞、哺乳动物细胞和其他细胞。本发明提出的生物反应器所采取的方案是1.温度控制方面生物反应器细胞培养罐体放置于带有隔热层的恒温套筒中，套筒中的传热介质(如水)的温度以高精度的热电偶测温和加热套管开关配合控制，实现高精度控温。2.细胞培养罐体罐体为无机材质，可承受高温蒸汽灭菌处理；细胞培养罐体的内表面经抛光处理，结合内表面的球缺几何形状能降低对细胞的表面摩擦损伤；针对对溶氧需求高的细胞种类，细胞培养罐体可增加气孔，允许外界通过管道供氧，起到增加溶氧和辅助细胞悬浮的作用。细胞培养罐体依靠外部机械摇动实现细胞悬浮，避免了因搅拌造成的局部剪切力大对细胞造成损伤。3.细胞光密度检测方面细胞光密度检测套件包括光源、光线传输与接收装置与光强检测与分析电路。应用光伏电池板检测光路中细胞培养物密度变化，可以应用于多种波长的光源，实现在检测细胞密度的同时检测基因工程重组蛋白的表达情况，比如在使用荧光蛋白共表达体系中检测目标蛋白的共表达产物。4.补液系统本发明所涉及的补液系统为一种高效、低运行能耗机械装置。细胞密度检测装置控制补液系统开关，使用低速电机通过磁力驱动套筒旋转，使得预置在封闭套筒开口的周期性开合，允许外界液体以不连续形式导入培养罐体，在需要时可以应用于气体补充。补液装置的材质可承受高温蒸汽灭菌并具有低摩擦阻力的特点，有利于降低运行能耗。5.补液系统与细胞密度检测装置联动，实现控制细胞培养密度处于一定范围内的目的。6.培养规模的放大采用按比例简单增大细胞培养罐体和保温套件的方法即可实现培养规模的放大，适应扩大细胞制备规模的需要。本发明的优点是1.生物反应器将细胞培养罐体、温控套件和补液系统高度整合，通过控制系统实现培养过程的自动控制，大幅度提高细胞培养效果的稳定性和重复性。2.细胞培养罐体经过抛光处理，除导光棒(光纤)外无直接与细胞培养物接触的物体，结合培养罐几何设计，可以最大限度地减少细胞与罐体固体表面的摩擦损失。3.根据工作容积的大小，细胞培养罐可采用外界机械摇动和气体提升混合搅拌方式，满足不同大小体积细胞培养物对细胞悬浮的要求。4.细胞培养罐体与补液系统材质为无机材料，可整体蒸汽灭菌，具有高可靠性和抗污染能力强的特点。5.生物反应器的工作容量具有可放大性，适合生物工程实验室、中试生产中对中低规模细胞培养(1升到数十升培养规模)和基因重组蛋白表达的需要。
图1为小型生物反应器纵面示意图[主要部分代表符号]1、温度检测探头；11、发热套管；12、保温套筒；21、细胞培养罐体；22、罐体顶盖； 23、顶盖密封胶垫与紧固件；24、橡胶支架；31、光源；32、导光棒；33、光伏电池板；34、顶盖接口密封圈；41、外气密筒；42、内气密筒；43、内外气密筒预置开口 ；44、外部支撑壳；45、内气密筒顶部内置磁棒；46、外部电机所接磁棒；47、电机；48、外部培养液流入开口 ；49、空气过滤装置；50、培养液流入管道；51、控制系统。
具体实施例方式实施例1有效工作体积为1. 0-1. 5升的生物反应器。按照图1设计生物反应器，使用环境为22-25°C室温环境。首先，以无机玻璃材料制作细胞培养罐体21 其球缺部分半径为10cm，高为8cm，相接圆筒半径为10cm，高为6cm。 使用无机玻璃加工罐体顶盖22，使用密封胶垫和紧固件23与细胞培养罐体组装，在顶盖中央部位开口以接入顶盖密封圈34。
光源31与导光棒32装配后通过顶盖密封圈，使导光棒靠近罐体底部一定距离；通过另一个顶盖密封圈接入空气过滤装置49和外部培养液流入管道50。内气密筒42与外气密筒41设置预置开口 43，内气密筒上端设置磁棒45，与外部电机磁棒46相互作用，产生旋转。外气密筒设置培养液流入流出口 48，外气密筒由外部支撑壳44所支撑，内部气密筒由外气密筒支撑。使用玻璃加保温材料制作保温套筒12，使用橡胶制作支架M，在支架上设置温度检测探头1和发热套管11的插口，在保温套筒底部中央设置光伏电池板33及密封圈、线路出口。将组装后的培养罐体放入保温套筒，将控制系统51与电机47，光伏电池板、加热套筒与温度检测探头连接。通过温度检测探头开口向保温套筒和细胞培养罐体之间加入纯水，待温度恒定后，通过培养液流入口 50向细胞培养罐体内加入细胞培养液，即可开始培养。按比例放大后的生物反应器可以适合大规模细胞培养使用。
权利要求
1.小型生物反应器包括细胞培养罐体、温控套件、补液(气)装置、细胞光密度检测套件与培养控制装置五部分，其特征在于所述细胞培养罐体与补液装置相联结，温控套件、细胞光密度检测套件与培养控制装置配合为细胞培养提供优化的生长条件。
2.根据权利要求书1所述的小型生物反应器的细胞培养罐体，所述细胞指可悬浮培养的昆虫细胞、哺乳动物细胞、酵母细胞以及原核生物细胞。
3.根据权利要求书1所述的小型生物反应器，其特征在于细胞培养罐体具备部分球缺表面与圆柱几何形状的组合。
4.根据权利要求书1所述的小型生物反应器，其特征在于细胞培养罐体与温控套件之间以橡胶材料支撑，兼具支撑、缓冲和密封作用；细胞培养罐体材质为玻璃或陶瓷，联结管材为特氟龙材质，使用耐高温硅橡胶与不锈钢条为密封材料和紧固件。
5.根据权利要求书1所述的小型生物反应器，其特征在于温控套件(包括发热套管、 热电偶测温计与温控继电器)控制过程为传热介质温度低于一定数值时开启继电器，使用发热套管进行加热至设定温度关闭继电器，待介质温度缓慢降低后重复该过程。
6.根据权利要求书1所述的小型生物反应器，其特征在于细胞光密度检测套件(含光源、光线传输、接收装置、光强检测与分析电路)中光源波长为600nm、620nm或多波长混合光源；光线由光纤或导光玻璃棒传导；以光伏电池板接收光线；光强分析电路为光伏电池板产生的电势差放大电路或所处闭合电路电流放大电路。
7.根据权利要求书1所述的小型生物反应器，其特征为细胞光密度检测套件与补液套件相配合实现自动控制，实现维持细胞密度在设定的一定培养密度范围内，其原理是光路中穿过细胞培养物光线强度随培养密度升高而降低，在降低到一定范围时启动补液系统加入新的培养液从而提高光线透过率；检测电路直接检测或经放大后检测光伏电池板产生的电势差或所处闭合电路电流强度，也可以是检测维持设定的光伏电池板产生的电势差所需的光源电压。
8.根据权利要求书1所述的小型生物反应器，其特征在于细胞光密度检测套件中光路可以包括细胞培养罐体一部分，也可以是独立光路。
9.根据权利要求书1所述的小型生物反应器，其特征在于补液套件由带有预置开口的气密筒配合产生开通与封闭两种状态，在需要补液操作时，利用磁力相互作用推动内筒转动从默认的封闭位置旋转至预置开口开通位置，使外界液体或气体进入细胞培养罐体。
全文摘要
本发明属于生物工程技术领域，具体为一种应用于细胞培养的生物反应器装置，包括培养罐体、温控套件、补液(气)装置、细胞光密度检测装置和培养控制装置。本发明采用小型无机材料罐体作为细胞培养的主体部件，以无机玻璃、特氟龙材料为补液装置主要材质，满足蒸汽灭菌的要求，配合高精度温控系统和细胞光密度检测装置，可以为细胞培养提供优化条件。本发明中的细胞培养主体部件具有高表面光洁度，最大限度降低对细胞的表面摩擦损失；本发明整体具有高整合度、自动控制、可放大性、高可靠性和节能环保的特点，适合生物工程实验室、中试生产中对中低规模细胞培养和基因重组蛋白表达的需要。
文档编号C12M3/02GK102212474SQ201110074298
公开日2011年10月12日 申请日期2011年3月28日 优先权日2011年3月28日
发明者刘士江, 张俊山, 王堃, 黄娜 申请人:北京新节点生物工程技术有限责任公司