专利名称：一种软膜生物反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物反应器领域，特别是一种软膜生物反应器，该生物反应器主要用于动物细胞培养以及利用动物细胞进行生物技术产品的生产，也可用于微生物、昆虫细胞和植物细胞的培养及其生物技术产品的生产。
背景技术：
生物反应器(Bioreactor)是 用于实现生化反应过程，特别是能够控制培养条件以产生最佳的生物产品的容器，包括酶反应器、固定细胞反应器、各种细胞培养器和发酵罐等。生物反应器可用于细菌、真菌、昆虫细胞、哺乳动物细胞和植物细胞以及其他活细胞的体外培养，以进行生命科学研究、临床疾病的细胞移植治疗和生物技术产品的生产，包括培养的生物体所产生的代谢产物、抗体、蛋白、病毒、多糖、DNA，细胞组分，以及细胞衍生物等。生物体细胞根据其体外培养生长方式是否需要贴附在支持物上分为两类，需要贴附在支持物上生长的贴壁细胞(例如体外培养的大多数动物细胞)和不需要贴附在支持物上生长的非贴壁细胞(例如微生物和来自血液、脾及骨髓培养的细胞及某些癌细胞)。从细胞的培养方式上来讲，包括静止式培养和悬浮式培养两种。静止式培养的细胞培养器包括常见的平面静止培养用的细胞培养瓶以及中空纤维和填充床等灌流培养式生物反应器。目前包括各种生物体细胞体外培养用培养容器中，应用最广泛的是平面静止培养的细胞培养瓶和悬浮培养式生物反应器。悬浮培养式生物反应器广泛应用于微生物和非贴壁细胞的悬浮培养和对贴壁细胞进行微载体悬浮培养。由于重力的作用，生物体细胞，特别是体积较大的动物细胞具有在静止状态下趋于沉淀的特性，悬浮培养式生物反应器需要保持培养的生物体细胞悬浮状态下生长，就必须进行充分的混合。因此，悬浮培养式生物反应器的主要功能就是在尽可能低的剪切力的条件下产生充分的混合以使培养的细胞保持悬浮状态并得到充分营养和适当的氧分以及提高气-液界面的气体交换效率以增加溶氧。现有的平面静止培养的细胞培养瓶和大多数悬浮培养式生物反应器为硬质材料的容器，包括实验室普遍使用的动物细胞培养瓶，微生物培养和动物细胞培养用的锥形瓶以及工业化规模化生物制品生产所使用的搅拌式生物反应器和气升式生物反应器等。硬质材料的生物反应器存在的共同的缺陷是对反应器的结构设计和生产要求高，运输和保存占空间大，一次性使用成本高或不适于一次性使用等。由于硬质材料的生物反应器对液流冲击没有缓冲性，混悬培养液所产生的液流撞击反应器内壁结构或内部装置均可产生剪切力，从而导致对剪切力敏感的细胞，例如动物细胞的损伤甚至导致细胞死亡，因此对反应器内壁结构，搅拌式生物反应器的搅拌桨，气升式反应器的气体喷头和引流筒以及消泡装置等方面的设计和生产要求高。此外，硬质材料的生物反应器结构也较复杂，价格较贵，重复使用也存在清洗，蒸汽灭菌和验证等方面耗时费力和花费高的问题。与硬质材料的生物反应器相比，塑料软膜材料的生物反应器具有成本低廉，制备容易，具备化学惰性与培养液不发生反应，良好的密封性和屏障性，不透水和不透气，机械强度耐拉伸和耐弯曲性，经予灭菌和验证达到GMP要求后，可免去用户认证的程序，可节省人力，时间，投资成本和运营成本，减少环境污染和排放等优点。因此近年来逐渐出现软膜材料的生物反应器，例如美国WAVE生产的摇摆-波浪式软袋生物反应器(美国专利6，544，788)。现有的软袋生物反应器主要为两层软膜经周边融合形成的枕头形的二维软袋生物反应器，二维软袋生物反应器由于自身没有支撑结构，需要充气才能使软袋膨胀并保持其上部为气体下部为液体的空间状态，二维软袋生物反应器在注入培养液后易形成皱褶，从而产生较大的剪切力而损伤细胞，因此需要适当的支撑和牵拉，然而，不当的支撑和牵拉也可导致软袋变形和皱褶，而且牵拉越紧，软袋弹性越低，容纳液体的容积越小，二维软袋生物反应器的容积与软膜面积之比远较具有三维空间的立体软膜生物反应器为低，使用时所占空间大和使用效率低。此外，二维的枕头状软袋不具三维容器的空间结构，不方便操作，加上带滤膜加热器的进出气管道以及特殊的气液灌流设备不适于小规模的细胞培养，也很难利用现有的培养箱和培养设备进行培养。基于上述现有的平面静止培养式培养瓶和悬浮培养式生物反应器分别在结构复杂性，操作的方便性，成本花费和一次性使用，混合过程产生剪切力等方面分别存在的不同 的缺点和不足，因此需要研发和生产能够克服上述现有生物反应器存在的缺点和不足的新型生物反应器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用方便、成本低廉、非介入性混合、剪切力低、既适于贴壁静止培养，又适于悬浮培养并可利用现有培养设备的一次性使用的软膜生物反应器。为了解决上述问题，本发明的软膜生物反应器采用以下技术方案软膜生物反应器，包括密闭的软膜容器，所述软膜容器包括底和三个以上的侧壁，所述底为平底，每个侧壁的内壁面与底之间具有5 90°的夹角，相邻的两侧壁之间在二者的连接处形成拐角，软膜容器上设有至少一个内外通透的连通口，所述连通口的下口沿位于使用时注入软膜容器中的培养液的液面之上。所述软膜容器通过其连通口连接有连通管，所述连通管与软膜容器固定在一起且二者之间密封配合，连通管远离软膜容器的一端螺纹装配有端面密封的旋盖或端面带透气滤膜的旋盖。所述软膜容器的底和侧壁由一张软膜构成，软膜容器的侧壁的内壁面与底之间的夹角由软膜折叠形成，相邻两侧壁在二者之间的连接处被热压融合在一起并密封配合。所述软膜容器固连有至少一个进气管和通过软膜容器的内腔与所述进气管连通的出气管，所述进、出气管均与软膜容器密封配合并分别通过软膜容器上的对应的连通口与软膜容器的内腔连通。软膜容器上设有供液体注入或放出的常闭导液管、用于监测使用时注入软膜容器中的培养液的酸碱度的PH传感器和用于监测使用时注入软膜容器中的培养液的溶氧度的DO传感器，所述导液管、PH传感器和DO传感器分别位于相邻的两侧壁与底的共同交汇处且三者的位置不同，导液管、PH传感器和DO传感器均与软膜容器密封配合。软膜容器的相邻两侧壁之间和/或底与侧壁之间被热压融合在一起并形成向软膜容器外部延伸的融合缘，所述融合缘为由两层软膜被热压融合在一起后形成的融合膜。
所述软膜容器呈棱锥形或截头棱锥形，软膜容器的底形成棱锥或截头棱锥的底，软膜容器的侧壁形成棱锥或截头棱锥的侧面。所述软膜生物反应器还包括用于盖设在所述软膜容器上以防止软膜容器内部的培养液受外界污染的隔离帽，所述隔离帽在盖上软膜容器时遮蔽软膜容器的连通口，当所述隔离帽在盖上软膜容器时，其内壁面与连通管口之间具有透气间隙。所述隔离帽的其中一个侧壁上设置有通气窗口，通气窗口上密封融合有透气滤菌膜，当隔离帽盖上软膜容器时，透气滤菌膜遮蔽软膜容器的连通口。所述软膜容器呈倒卧放置的三棱柱形。由于本发明的软膜生物反应器采用的是软膜容器，因此成本低廉，而且软膜材料，特别是塑料软膜具有良好的弹性，可以缓冲液流正面向软膜容器的侧壁的冲击，软膜的弹性产生的弹性回缩力可以使液流产生波浪而增强溶氧和混合效果，结合侧壁的内壁面与底之间的夹角和相邻的侧壁之间的拐角的存在，当液流冲击软膜容器的侧壁时，夹角和拐角提供膨胀空间并产生对液体的缓冲能力和弹性回缩力，从而在其弹性回缩力作用下使液体 产生波浪，使用时，注入软膜容器中的培养液在混合过程中产生液体流动，当液流冲向所述夹角和拐角位置时，侧壁和底之间的夹角以及侧壁与侧壁之间的拐角的角度在液流的作用下自动的变大，从而对液流的流动进行补偿缓冲，进而减小了培养对象在该处受到的剪切力和冲击，防止因受到剪切力或冲击而损伤；另外，软膜容器具有底和三个以上的侧壁，各侧壁的内壁面与底之间具有5 90°的夹角，相邻的两侧壁之间在二者的邻接处形成拐角，根据三角形稳定性的原理，相邻的两侧壁之间形成的拐角构成软膜容器内部的三维空间的基础，可有效地防止侧壁的倒塌，其原理如砌墙一样，当相邻的两墙壁之间具有一拐角时，二者之间便可形成相互的支撑，不容易倒塌，本发明的软膜生物反应器的软膜容器的相邻的两侧壁便相当于砌墙过程形成拐角的两个墙壁，从而使得软膜容器不需要鼓气便可像硬质容器一样靠自身保持内部的三维空间结构，使用时像硬质容器一样方便，可将本发明的软膜生物反应器装在现有的培养箱和/或混合驱动装置，例如轨道摇床、平面回旋装置、空间回旋装置、倾斜旋转装置或摇摆驱动装置等进行混合驱动，反应器内液体产生波浪或涡流形式的液体流动，从而实现充分的混合和高效的气体交换。当然，当使用本发明的大型软膜生物反应器超过了现有商业化培养箱的大小时，可通过与配套的大型恒温箱或恒温室以及与之大小适应的混合驱动装置配合来实现。更进一步的，所述软膜容器上连接有与连通口连通的连通管，连通管上通过螺纹旋装有旋盖，连通管既是注入培养液和培养细胞以及收获培养的生物产品的门户，也是实现软膜容器腔内外气体交换的通道。旋盖可防止外界环境中的细菌和尘埃等的污染，工作过程中，可用旋松旋盖的方式通过旋盖与连通管之间的配合处的间隙来实现软膜容器与外界的气体交换；当使用端面带透气滤膜的旋盖时，可将旋盖旋紧，气体通过旋盖端面的透气滤膜来实现软膜容器与外界的气体交换；软膜容器的相邻的两侧壁之间设置所述融合缘，除具有支撑作用外，还作为外力牵拉固定软膜容器的牵拉结构，可通过与融合缘对应的牵拉固定结构配合牵拉软膜容器，即使是在软膜容器的体积很大或使用时盛装在软膜容器中的培养液对侧壁的冲击很大的情况下，也可保证软膜容器中一直保持有一个三维空间，不会因反应器过大而倒塌；由于融合缘是位于软膜容器围成的三维空间的外部，即其不直接围成软膜容器的空腔，因此直线牵拉软膜容器各壁两侧的融合缘，既不会导致软膜容器产生褶皱，也不会像二维软袋那样因牵拉而缩小软膜容器的容积，当在软膜容器的侧壁和底之间设置所述融合缘时，可通过固定所述融合缘将软膜容器固定在相应的位置处，以保证其稳定工作；软膜容器的底和侧壁由一张软膜构成，并且侧壁与底之间的过渡结构为翻折结构而非其它的配合结构，利用了软膜自然的光滑性形成光滑过渡的转角，进一步的减少了软膜热压融合或粘接等方式造成的光滑度降低所带来的剪切力；当本发明的软膜生物反应器的容积较大时，可通过所述进气管向软膜容器内人工主动供气，以满足反应所需的氧气的需求，通过出气口排出与培养液气体交换后的气体，由于进、出气管均与软膜容器密封配合并分别通过软膜容器上的对应的连通口与软膜容器的内腔连通，而连通口的下口沿位于使用时注入软膜容器中的培养液的液面之上，一方面防止培养液流入连通管而漏出，另一方面可防止充入的气体在使用时盛装在软膜容器中的培养液中形成气泡，避免因气泡破裂产生剪切力而导致培养细胞的死亡；当使用本发明的软膜生物反应器进行大规模培养时，可通过导液管向软膜容器中加入培养液，或通过导液管从软膜容器内获取样进行分析以及收获培养的细胞和生物产品。当然该导液管为常闭管，只有在需要时才打开，PH传感器和DO传感器可用于实时监控反应液的状态，以便及时调整，保证最佳反应状态；小型的生物反应器适于小规模培养和工艺开发，在细胞培养时，往往需要进行显微镜下观察细胞生长状态，因此本发明将软膜容器的各侧壁的上端均与一顶壁连接在一起且与顶壁密封 配合，顶壁与软膜容器的底之间互相平行，从而使得本发明的软膜生物反应器能像硬质的细胞培养瓶一样便于显微镜下观察；在软膜容器的底和侧壁的交汇处设置所述的融合缘，使用时便可通过融合缘将软膜容器牢固地固定在具有透明座板的固定座上，可以像传统的细胞培养瓶一样方便使用，对贴壁细胞采取静止培养，细胞可直接贴壁生长在软膜容器底面的软膜上；软膜容器的底和侧壁共同构成棱锥形或截头棱锥形则使得软膜容器的底与侧壁的交汇处均形成沿直线延伸的过渡界面，由于沿曲线形式的过渡界面极易引起软膜的皱褶，因此采用沿直线延伸的过渡界面最大限度地减少了皱褶的形成，从而进一步减少了可形成剪切力的结构；软膜容器采用呈倒卧放置的三棱柱形可充分利用软膜容器内的空间；隔离帽相对于连通管及旋盖来说，制造和使用更为方便且进一步降低了成本。使用本发明的软膜生物反应器对非贴壁细胞或微生物进行培养时，非常简单，直接将非贴壁细胞或微生物放入软膜容器内进行悬浮培养即可；当使用本发明的软膜生物反应器对贴壁细胞进行培养时，既可像普通的细胞培养瓶一样，将贴壁细胞直接贴附在底面的软膜上进行静止培养，也可将贴壁细胞贴附在微载体上进行悬浮培养，将贴壁细胞直接贴附在底面的软膜上进行静止培养多为小规模的培养，方便显微镜下观察，而将贴壁细胞贴附在微载体上进行的悬浮培养多为大规模的培养。微载体为微小的小球，在混合状态下可以悬浮在培养液之中，细胞贴附在小球的表面生长，这样就把贴壁细胞贴由附在细胞培养瓶底部内表面的平面静止培养变成了贴附在微球上的立体悬浮培养，大大提高培养效率，极为适合当对贴壁细胞进行大规模或工业化生产的培养。
图I是本发明的软膜生物反应器的实施例I的结构示意 图2是本发明的软膜生物反应器的实施例I的展开 图3是图I中的连通管的结构示意图(带环形热融合圈)；图4是图I中的旋盖的结构示意 图5是本发明的软膜生物反应器的实施例I注入培养液的使用状态示意 图6是本发明的软膜生物反应器的实施例I的支撑笼的结构示意 图7是本发明的软膜生物反应器的实施例I在工作时对培养液的混合原理示意图； 图8是本发明的软膜生物反应器的实施例2的结构示意 图9是图8中的带透气滤膜的透气型旋盖的结构示意 图10是本发明的软膜生物反应器的实施例3的结构示意 图11是本发明的软膜生物反应器的实施例3的分解 图12是本发明的软膜生物反应器的实施例4的结构示意 图13是本发明的软膜生物反应器的实施例5的结构示意 图14是本发明的软膜生物反应器的实施例5的分解 图15是本发明的软膜生物反应器的实施例6的结构示意 图16是本发明的软膜生物反应器的实施例7的结构示意 图17是本发明的软膜生物反应器的实施例7的展开 图18是本发明的软膜生物反应器的实施例8的结构示意 图19是本发明的软膜生物反应器的实施例9的结构示意 图20是本发明的软膜生物反应器的实施例10的结构示意 图21是本发明的软膜生物反应器的实施例11的结构示意 图22是本发明的软膜生物反应器的实施例12的结构示意 图23是本发明的软膜生物反应器的实施例13的融合示意 图24是本发明的软膜生物反应器的实施例14的结构示意 图25是本发明的软膜生物反应器的实施例14的分解 图26是本发明的软膜生物反应器的实施例15的软膜容器的结构示意 图27是本发明的软膜生物反应器的实施例15的固定座的结构示意 图28是本发明的软膜生物反应器的实施例15的软膜容器与固定座的配合示意 图29是本发明的软膜生物反应器的实施例16的结构示意 图30是本发明的软膜生物反应器的实施例17的结构示意 图31是本发明的软膜生物反应器的实施例18的结构示意 图32是本发明的软膜生物反应器的实施例19的结构示意 图33是本发明的软膜生物反应器的实施例19的软膜容器的结构示意 图34是本发明的软膜生物反应器的实施例19的隔离帽的结构示意 图35是本发明的软膜生物反应器的实施例19的隔离帽的展开示意 图36是本发明的软膜生物反应器的实施例20的隔离帽结构示意 图37是本发明的软膜生物反应器的实施例21的结构示意 图38是本发明的软膜生物反应器的实施例21的软膜容器的展开示意图。
具体实施例方式本发明的软膜生物反应器的实施例1，如图1-7所示，包括由一个底I和三个侧壁
2所形成的呈三棱锥形的密闭的软膜容器和一个用于支撑软膜容器以防止其侧壁2倒塌的支撑笼。本实施例中的软膜容器由一张软膜制成，该软膜为非PVC药包塑料软膜，如聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE、PPE)、聚酰胺(PA)和多酯聚合物等按一定比例多层共挤而成的薄膜，具有良好的透明度且121°C高温蒸汽灭菌不受影响，对气体透过性和水蒸气透过性极低，惰性极好，不与任何药物产生化学反应，柔性和弹性好易回复，机械强度高，可抗低温，不易破裂，易于运输、储存，焚烧处理后，像燃烧天然材料如木头一样，只产生水、二氧化碳的氧化物，对环境无害和成本低廉的优点。软膜容器的底I与三个侧壁2之间的通过折转连接形成光滑过渡的夹角3，相邻的侧壁在二者的交汇处，即所述三棱锥形的棱处形成拐角4并在该位置处被热压融合连接形成三个融合缘5，融合缘5均向软膜容器的外部延伸，融合缘5上分别布设有挂孔6，三个侧壁在上部交汇后被热压融合在一起并构成三棱锥体形密闭的软膜容器的顶7，软膜容器的一个侧壁上设置有内外通透的连通口及与连通口连通的连通管8，连通管8通过其靠近软膜容器的一端上设置的环形融合圈9 (如图3)与连通口周围的软膜相融合，从而使得其与软膜容器的对应侧壁之间密封配合，另外，连通管8的外端口上设置有与连通管8的远离软膜容器的一端螺纹配合的旋盖10 (如图4)。图2所示的是该软膜生物反应器的软膜容器的展开图。图5为该软膜生物反应器的软膜容器中注入培养液后的状态示意图，培养液处于软膜容器的下部，软膜容器的上部为容纳气体的空间。支撑 笼的结构如图6所示，其整体呈上小下大的喇叭形，包括位于下部的环形的下固定圈11、位于上部的环形的上固定圈12和连接在上、下固定圈之间的支撑臂13，上固定圈12的直径较下固定圈11为小且二者上均设有滑槽14，在上固定圈12和下固定圈11上的滑槽中分别设置有弹性牵拉钩15 ;该支撑笼只有在剧烈混合培养，如剧烈振摇培养微生物以及大型的反应器进行大规模的培养的场合才会被启用，当被启用时，支撑笼通过其弹性牵拉钩15与软膜容器的融合缘上的挂孔6相配合挂连。滑槽14以及滑槽上牵拉钩15的数量与软膜容器的需牵拉的融合缘的数量相匹配，譬如本实施例为三棱锥，分别有三个滑槽14以及三个滑槽上牵拉钩15 ;支撑笼可以在软膜容器的底部和顶部多方位的牵拉和固定确保反应器不会因各种混合的运动产生移动或倒塌，该支撑笼适于剧烈混合培养，如微生物的振摇培养以及大型的反应器进行大规模的细胞培养。本发明的软膜生物反应器的其它实施例中，特别是小型的软膜生物反应器，不需任何外力的牵拉和固定即可以像硬质的容器一样，保持其三维空间结构，因此不需要任何牵拉固定装置即可进行静止培养和温和驱动培养液混合的悬浮培养，因此也不需要设置挂孔。当使用大型的软膜生物反应器时，或需要剧烈混悬培养时，可以通过支撑笼或固定座进行牵拉和固定，以防软膜容器的倒塌或位移。使用该软膜生物反应器时，首先将适量培养液和生物体细胞通过连通管注入该软膜容器内，注入的培养液的量应保证在反应器工作时液面始终位于连通口的下口沿下方，然后将软膜容器置于轨道摇床、平面回旋装置、空间回旋装置或摇摆驱动装置上，当软膜容器内的液体向一个方向流动并冲击侧壁时，侧壁软膜由于具有弹性而向外膨出，从而产生可以缓冲液流的冲击而减少剪切力，当液流向相反方向流动时，侧壁的软膜通过弹性回缩并利用其弹性回缩力所产生波浪，从而产生混合和气液交换。由于软膜容器呈三棱锥形，因此其底与侧壁之间的转角为锐角，侧壁具有很大的弹性向外膨出，因而产生的缓冲能力较大，弹性回缩力也较大，利用其弹性回缩力所产生的波浪产生充分的混合和气液交换。由于反应器呈上部小和下部的锥形结构，重心靠下，在温和的振摇情况下，不需要任何固定即可保持其稳定性；当振摇速度增大到简单将软膜反应器放置在混合驱动装置上不足以稳定时，可在驱动装置上固定设置硅胶膜垫或任何具有粘性的膜垫以增加膜垫与软膜反应器的摩擦力从而保持软膜反应器稳定地坐落在驱动装置上；当需要剧烈振摇培养或进行大规模的培养时，可以通过挂孔将软膜生物反应器固定于支撑笼上，再将支撑笼固定混悬驱动装置上培养。本发明的软膜生物反应器的实施例2，如图8-9所示，本实施例与实施例I的区别在于本实施例的旋盖10的端面开有通气窗孔，通气窗孔封上的透气滤膜16，此种情况下，在使用时可将旋盖10拧紧，通过通气窗孔的透气滤膜来实现软膜容器内腔与外界的气体交换，透气滤膜具有透气，防尘和滤菌的功能，本实施例中的软膜容器省略了实施例I中所述的挂孔。本发明的软膜生物反应器的实施例3，如图 10-11所示，本实施例与实施例I的区别在于连通口由相邻两侧壁在热压融合时预留的缝构成，连通管8设在对应的两侧壁的邻接处，热融合圈9的外轮廓呈菱形并通过其外周面与对应的两侧壁热压融合，由于连通口是由两侧壁之间的缝构成，采用菱形的热融合圈可最大限度的减少结合产生的褶皱。本发明的软膜生物反应器的实施例4，如图12所示，本实施例与实施例3的区别仅在于本实施例的旋盖10的端面开有通气窗孔，通气窗孔封上的透气滤膜16，此种情况下，在使用时可将旋盖10拧紧，通过通气窗孔上的透气滤膜来实现软膜容器内腔与外界的气体交换，透气滤膜具有透气，防尘和滤菌的功能。本发明的软膜生物反应器的实施例5，如图13-14所示，本实施例与实施例I的区别仅在于所述软膜容器呈截头棱锥形，连通口设于三个侧壁在顶部的交汇处，热融合圈9的外周面由呈三角形布置的三个首尾连接的融合面构成并通过其外周面与三个侧壁的顶部融合在一起。本发明的软膜生物反应器的实施例6，如图15所示，本实施例与实施例5的区别仅在于本实施例的旋盖10的端面开有通气窗孔，通气窗孔封上的透气滤膜16，此种情况下，在使用时可将旋盖10拧紧，通过通气窗孔上的透气滤膜来实现软膜容器内腔与外界的气体交换，透气滤膜具有透气，防尘和滤菌的功能。本发明的软膜生物反应器的实施例7，如图16-17所示，本实施例与实施例I的区别仅在于所述软膜容器呈正四棱锥形，其具有四个侧壁2，此种情况下，软膜容器的底I呈正四边形。本发明的软膜生物反应器的实施例8，如图18所示，本实施例与实施例I的区别在于软膜容器上设有另外两个(一共三个)连通口，该两个连通口分别设于软膜容器形成的棱锥形的两条棱上，由对应的两侧壁在热压融合时预留的缝构成，软膜容器通过该连通口中的一个连接有进气管17，通过另一个连接有出气管18，进、出气管通过软膜容器的内腔连通且二者上均串接有过滤器19，另外，进气管17上于对应过滤器的上游还设有气泵20，当仅靠旋盖10与连通口之间的间隙进气无法满足反应的需要时，可通过气泵20和进气管
17实现来向软膜容器中充气并将旋盖10旋紧，通过出气管18排出，从而实现软膜容器与外部的气体交换；其中所述的过滤器和气泵均可根据需要在使用时另设。本发明的软膜生物反应器的实施例9，如图19所示，本实施例与实施例3的区别在于软膜容器上设有另外两个(一共三个)连通口，该两个连通口分别设于软膜容器形成的棱锥形的两条棱上，由对应的两侧壁在热压融合时预留的缝构成，软膜容器通过该连通口中的一个连接有进气管17，通过另一个连接有出气管18，进、出气管通过软膜容器的内腔连通且二者上均串接有过滤器19，另外进气管17上于对应过滤器的上游还设有气泵20，当仅靠旋盖10上的透气窗孔进气无法满足反应的需要时，可通过气泵20和进气管17实现来向软膜容器中充气并将旋盖10旋紧，通过出气管18排气，从而实现软膜容器与外部的气体交换；其中所述的过滤器和气泵均可根据需要在使用时另设。本发明的软膜生物反应器的实施例10，如图20所示，本实施例与实施例5的区别在于软膜容器上设有另外两个(一共三个)连通口，该两个连通口分别设于软膜容器形成的棱锥形的两条棱上，由对应的两侧壁在热压融合时预留的缝构成，软膜容器通过该连通口中的一个连接有进气管17，通过另一个连接有出气管18，进、出气管通过软膜容器的内腔连通且二者上均串接有过滤器19，另外进气管17上于对应过滤器的上游还设有气泵20，当仅靠旋盖10与连通口之间的间隙进气无法满足反应的需要时，可通过进气管实现来向软膜容器中充气并将旋盖10旋紧，通过出气管排气，从而实现软膜容器与外部的气体交换；其中所述的过滤器和气泵均可根据需要在使用时另设。本发明的软膜生物反应器的实施例11，如图21所示，本实施例与实施例8的区别 在于软膜容器下部还连接有导液管21、PH传感器22和DO传感器23，三者分别在软膜容器的底I的三个顶点处，即相邻的两侧壁之间形成的棱与底的交汇处与软膜容器的内腔连通，这样可最大限度的减少褶皱的出现，PH传感器22用于感应培养液的酸碱度，DO传感器23用于感应培养液的溶氧度，本实施例中的软膜生物反应器适用于需要大容积、大批量生产的场合，采用人工主动供气的方式可满足大容积反应的需要，PH传感器22和DO传感器23可用于实时监控反应液的状态，以便及时调整，保证最佳反应条件，当然，应保证上述两传感器在反应器工作时一直与培养液接触；当需要采取样本和最终收获培养的生物产品时，导液管21则可在反应器过大不适宜倾倒取液时实现放液功能，方便取液，当然该导液管21为常闭管,只有在需要时才打开。本发明的软膜生物反应器的实施例12，如图22所示，本实施例与实施例9的区别在于软膜容器下部还连接有导液管21、PH传感器22和DO传感器23，三者分别在软膜容器的底I的三个顶点处，即相邻的两侧壁之间形成的棱与底的交汇处与软膜容器的内腔连通，这样可最大限度的减少褶皱的出现，PH传感器22用于感应培养液的酸碱度，DO传感器23用于感应培养液的溶氧度，本实施例中的软膜生物反应器适用于需要大容积、大批量生产的场合，采用人工主动供气的方式可满足大容积反应的需要，PH传感器22和DO传感器23可用于实时监控反应液的状态，以便及时调整，保证最佳反应条件，当然，应保证上述两传感器在反应器工作时一直与培养液接触；当需要采取样本和最终收获培养的生物产品时，导液管21则可在反应器过大不适宜倾倒取液时实现放液功能，方便取液，当然该导液管21为常闭管，只有在需要时才打开。本发明的软膜生物反应器的实施例13，如图23所示，本实施例与实施例10的区别在于软膜容器下部还连接有导液管21、PH传感器22和DO传感器23，三者分别在软膜容器的底I的三个顶点处，即相邻的两侧壁之间形成的棱与底的交汇处与软膜容器的内腔连通，这样可最大限度的减少褶皱的出现，PH传感器22用于感应培养液的酸碱度，DO传感器23用于感应培养液的溶氧度，本实施例中的软膜生物反应器适用于需要大容积、大批量生产的场合，采用人工主动供气的方式可满足大容积反应的需要，PH传感器22和DO传感器23可用于实时监控反应液的状态，以便及时调整，保证最佳反应条件，当然，应保证上述两传感器在反应器工作时一直与培养液接触；当需要采取样本和最终收获培养的生物产品时，导液管21则可在反应器过大不适宜倾倒取液时实现放液功能，方便取液，当然该导液管21为常闭管，只有在需要时才打开。本发明的软膜生物反应器的实施例14，如图24-25所示，本实施例与实施例11的区别在于软膜容器上省略了实施例11中带有旋盖10的连通口、连通管8及旋盖10，本实施例中的软膜生物反应器适用于大规模培养，当大规模培养时，不需要通过上述连通口进行培养液和培养细胞的输送，仅有进气管17、出气管18以及导液管21即可，需要指出的是，在上述实施例12、13中也可以省略带有旋盖的连通口、连通管及旋盖。本发明的软膜生物反应器的实施例15，如图26-28所示，本实施例与实施例7的区别在于还包括一固定座且软膜容器呈截头棱锥形，软膜容器可由一张软膜经剪切、折叠和热压任何而成，也可由多张软膜拼装而成，其具有一个与底I平行的顶壁24，顶壁24与侧壁2之间一体设置且二者的交汇处具有折叠形成的夹角，从而使得侧壁2与顶壁24之间光滑过渡，便于显微镜下观察反应器内的细胞生长状态，相邻两侧壁之间的交汇处及侧壁与底 的交汇处均设有向反应器外部延伸的融合缘5，融合缘5为将两层软膜(侧壁与底或侧壁与侧壁)热压融合在一起后形成的融合膜；固定座包括透明座板25，透明座板25上设有用于固定软膜容器的侧壁与底的交汇处的融合缘的固定结构，本实施例中，该固定结构采用固定夹26，固定夹26上设有向上悬伸的弹性吊臂27，吊臂27上设有吊钩28，吊钩28用于与相邻两侧壁之间形成的融合缘挂接，从而进一步保证软膜容器的侧壁不倒塌，需要指出的是，所述固定座还可以在使用时另设，固定结构还可采用胶带、挂钩等部件；当使用本发明的生物反应器进行贴壁细胞静止培养时，细胞贴壁生长的底面的软膜上，为了方便拿取以及防止拿取时可能使底面软膜产生变形，可使用带透明座板的固定座将软膜容器固定在固定座上，就像一个硬质的培养瓶一样，既方便拿取和显微镜观察，也可防止底面软膜变形而导致贴附在其上生长的细胞的脱落。本发明的软膜生物反应器的实施例16，如图29所示，本实施例与实施例15的区别仅在于本实施例的旋盖的端面开有通气窗孔，通气窗孔封上的透气滤膜16，此种情况下，在使用时可将旋盖10拧紧，通过通气窗孔上的透气滤膜来实现软膜容器内腔与外界的气体交换，透气滤膜具有透气、防尘和滤菌的功能。本发明的软膜生物反应器的实施例17，如图30所示，本实施例与实施例15的区别仅在于本实施例中的软膜容器为侧壁的内壁面与底之间的夹角为直角的六面体。本发明的软膜生物反应器的实施例18，如图31所示，本实施例与实施例17的区别仅在于本实施例的旋盖10的端面开有通气窗孔，通气窗孔封上的透气滤膜16，此种情况下，在使用时可将旋盖10拧紧，通过通气窗孔上的透气滤膜来实现软膜容器内腔与外界的气体交换，透气滤膜具有透气、防尘和滤菌的功能。本发明的软膜生物反应器的实施例19，如图32-35所示，本实施例与实施例I的区别仅在于本实施例中的软膜容器上的连通口处没有设置连通管及旋盖，本实施例中，软膜容器上的连通口是通过一隔离帽30遮蔽的，隔离帽30防止外界环境中灰尘、细菌等污染物从连通口进入软膜容器而污染使用时装在软膜容器中的培养液，隔离帽30同样由软膜制成，本实施例中的隔离帽30的制造方法与软膜容器的制造方法类似，也是通过对一整张膜的裁剪、热压融合处理而制成，其形状为棱锥形，其中为了方便隔离帽加装及密封，本实施例中的软膜容器的对应侧壁之间的融合缘被部分剪掉，融合缘剩余的部分刚好还可以起到支撑隔离帽的作用，此种情况下，隔离帽就像是软膜容器的一个帽子，在“戴”上软膜容器后可遮蔽软膜容器上的连通口且其内壁面与连通口之间设有透气间隙，透气间隙是为了实现软膜容器内部与软膜容器和隔离帽之间的空气的流通，满足反应需要。本发明的软膜生物反应器的实施例20，如图36所示，本实施例与实施例19的区别仅在于在隔离帽的其中一个侧壁上设置有一个通气窗口，通气窗口上密封融合有透气滤菌膜31，当隔离帽盖31上软膜容器时，透气滤菌膜31遮蔽软膜容器的连通口。本发明的软膜生物反应器的实施例21，如图37-38所示，本实施例与实施例I的区别仅在于所述软膜容器呈倒卧放置的三棱柱形，采用此种形状可充分利用软膜容器内的空间，本实施例中的软膜容器与实施例I中的软膜容器的制作方法相同，也是由一整张软膜裁剪、热压融合而成，连通口及连通管均设于软膜容器形成的三棱柱形的底上，本实施例中连通口及连通管均仅有一个，在其它实施例中，连通口及连通管的数量还可根据需要适当设置，当连通口有两个以上时，还可以分设在软膜容器形成的三棱柱形的顶、底上；当然， 连通口及连通管还可以设在软膜容器形成的三棱柱的对应的两侧面上；另外，在其它实施例中，还可根据需要在本实施例中的软膜容器上设置如实施例8所述的进、出气管及过滤器以及如实施例11中所述的导液管、PH传感器和传感器。本发明的软膜生物反应器的实施例1-7、19_20的生物反应器特别适于实验室小规模培养及工艺开发的小规模培养，使用时将所述软膜生物反应器置于轨道摇床、平面回旋摇床、空间回旋装置或摇摆驱动装置上，其像通常微生物和动物细胞悬浮培养用的硬质的锥形培养瓶培养一样利用连通口进行气体弥散交换便可进行反应。本发明的软膜生物反应器的实施例8-14的生物反应器适用于较大体积的细胞培养。当使用所述软膜生物反应器进行较大体积培养时，仅通过连通口进行气体弥散交换不能满足要求时，可进行充气培养。当利用培养箱培养时，将微型充气泵或蠕动泵连接于进气管，气体取自培养箱，泵入反应器内，实现气体交换后由出气管排出，因此省去气体混合流量计；当反应器大小超过现有商业化培养箱的规模时，还需要与反应器大小相匹配的恒温箱或恒温室。本发明的软膜生物反应器的实施例21呈倒卧放置的三棱柱形，既可利用连通口进行气体交换，像实施例1-7 —样适合小规模培养，也可利用像实施例8-14所述的进气管和出气管以及利用导液管PH传感器和DO传感器进行进行充气和监控的规模化培养。本发明的软膜生物反应器的实施例15-18的生物反应器为小型的反应器，主要用于小规模细胞培养和工艺开发，使用小型的顶面为水平面的软膜生物反应器进行小规模细胞培养或工艺开发时，贴壁细胞可以直接贴在底面的软膜上生长，本实施例的反应器类似于细胞培养瓶，既可静止培养，又可通过驱动培养液流动混合培养，当需要显微镜下观察培养细胞的生长状态时，可将本实施例的反应器置于进行显微镜下直接观察。该生物反应器具有一个硬质的透明座板可以透光，可以直接观察反应器内的细胞，因此不需要将细胞取出观察，方便使用和节省时间。透明座板上设置有固定结构，可将软膜生物容器牢固地牵拉固定在透明座板上。综上所述，本发明的软膜生物反应器主要用于从实验室的小规模，到系列放大，再到工业化规模的动物细胞培养以及利用动物细胞进行生物技术产品的生产，也可用于相应规模的微生物、昆虫细胞和植物细胞的培养及其生物技术产品的生产。在用于微生物培养时，可以取代小规模培养用的三角摇瓶和大规模培养发酵罐，主要解决微生物培养容器的一次性使用问题，提供使用更方便、成本更低的软膜式培养容器。采用本发明具有平面顶的软膜生物反应器，可以代替现有的细胞培养瓶，但比现有的细胞培养瓶成本更低廉。由此可见，本发明的软膜生物反应器具有结构简单、使用方便、非介入性混合、一次性使用的特性，可利用现有恒温箱、培养箱和混合驱动设备，特别适于小规模培养，也可进行规模放大和生产，主要适于动物细胞的悬浮培养，包括非贴壁细胞的悬浮培养和贴壁细胞的微载体悬浮培养，也可用于微生物或其它生物体细胞的培养。当使用本发明的软膜生物反应器对非贴壁细胞或微生物进行培养时，非常简单，直接将非贴壁细胞或微生物放入软膜容器内进行悬浮培养即可；而当对贴壁细胞进行培养 时，既可像普通的细胞培养瓶一样，将贴壁细胞直接贴附在底面的软膜上进行静止培养，也可将贴壁细胞贴附在微载体上进行悬浮培养。微载体为微小的小球，细胞生长在小球的表面，这样就把贴壁细胞贴由附在细胞培养瓶底部内表面的平面静止培养变成了贴附在微球上的立体悬浮培养，大大提高培养效率，极为适合当对贴壁细胞进行大规模或工业化生产的培养。另外，在本发明的软膜生物反应器的其它实施例中，上述实施例1-14中所述的软膜容器还可以呈楔形，实施例5、6、15中所述的呈截头棱锥形的软膜容器的顶还可以不与底平行，即可以倾斜设置；软膜容器的侧壁的数量为两个以上皆可；实施例8-14中所述的进气管还可根据需要与对应的气源，如气罐等装置连接，此种情况下，则可省略所述气泵；各实施例中，侧壁与底之间的夹角在5-90° (包含5°和90° )之间皆可，其中以30-90°为最佳，因为太小的角度，软膜容器的容积太小，使用效率太低，小于90°的锐角侧壁软膜的缓冲和弹性回缩能力大，效果好，各侧壁间形成相互支撑也较稳定；侧壁的数量以奇数为最佳，因为这样可保证使用时注入软膜容器中的培养液形成的浪在往复运动时至少在一侧处是撞击在一侧壁的内壁面上(总有一个侧壁与一个棱相对)，从而避免了培养液形成的浪在两个棱处形成的转角之间往复运动的情况的发生以尽可能降低有可能产生的剪切力，棱角处的液体与在棱角处汇合的各壁面之间由于张力的作用使液流缓慢，所产生的剪切力即使有也会很小。本发明的软膜生物反应器所使用的软膜，为非PVC药包塑料软膜，例如普遍使用的输液袋和输血袋所用的塑料软膜，为聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE、PPE)、聚酰胺(尼龙PA)等材料多层共挤薄膜，通常为三层至五层共挤的100-200微米厚度的薄膜，内层为完全无毒的惰性聚合物，通常采用聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)等，具有极强的化学稳定性(惰性)，不脱落或降解出异物，与培养液和药液无反应，热封强度高，中间层为致密材料层，如聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)，具有坚实的气体和液体阻隔性能、弹性、柔韧性、耐高温性，外层为聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或多酯共聚物，主要是提高软袋的机械强度。非PVC药包塑料软膜具有良好的透明度且121°C高温蒸汽灭菌不受影响，对气体透过性和水蒸气透过性极低，惰性极好，不与任何药物产生化学反应，柔性和弹性好易回复，机械强度高，可抗低温，不易破裂，易于运输、储存，焚烧处理后，像燃烧天然材料如木头一样，只产生水、二氧化碳的氧化物，对环境无害和成本低廉的优点，作为目前最理想的药包材料，例如输液袋，输血袋和储液袋，已在世界范围内的广泛应用。虽然PVC聚氯乙烯软膜也可以制作本发明的软膜生物反应器，但由于PVC聚氯乙烯软膜在焚烧销毁过程中产生有机氯破坏大气层，污染环境，PVC材质中增塑剂(DEHP)可渗漏溶于培养液或药液之中产生副作用，此外，PVC材质对气体和液体渗透的阻隔效果差以及存在微粒脱落等缺点，不是理想的医用药包材料，也不是制 作本发明的软膜反应器的优选材料。
权利要求
1.软膜生物反应器，其特征在于，包括密闭的软膜容器，所述软膜容器包括底和三个以上的侧壁，所述底为平底，每个侧壁的内壁面与底之间具有5 90°的夹角，相邻的两侧壁之间在二者的连接处形成拐角，软膜容器上设有至少一个内外通透的连通口，所述连通口的下口沿位于使用时注入软膜容器中的培养液的液面之上。
2.根据权利要求I所述的软膜生物反应器，其特征在于，所述软膜容器通过其连通口连接有连通管，所述连通管与软膜容器固定在一起且二者之间密封配合，连通管远离软膜容器的一端螺纹装配有端面密封的旋盖或端面带透气滤膜的旋盖。
3.根据权利要求I所述的软膜生物反应器，其特征在于，所述软膜容器的底和侧壁由一张软膜构成，软膜容器的侧壁的内壁面与底之间的夹角由软膜折叠形成，相邻两侧壁在二者之间的连接处被热压融合在一起并密封配合。
4.根据权利要求I所述的软膜生物反应器，其特征在于，所述软膜容器固连有至少一个进气管和通过软膜容器的内腔与所述进气管连通的出气管，所述进、出气管均与软膜容器密封配合并分别通过软膜容器上的对应的连通口与软膜容器的内腔连通。
5.根据权利要求I所述的软膜生物反应器，其特征在于，软膜容器上设有供液体注入或放出的常闭导液管、用于监测使用时注入软膜容器中的培养液的酸碱度的PH传感器和用于监测使用时注入软膜容器中的培养液的溶氧度的DO传感器，所述导液管、PH传感器和DO传感器分别位于相邻的两侧壁与底的共同交汇处且三者的位置不同，导液管、PH传感器和DO传感器均与软膜容器密封配合。
6.根据权利要求I所述的软膜生物反应器，其特征在于，软膜容器的相邻两侧壁之间和/或底与侧壁之间被热压融合在一起并形成向软膜容器外部延伸的融合缘，所述融合缘为由两层软膜被热压融合在一起后形成的融合膜。
7.根据权利要求1-6任一项所述的软膜生物反应器，其特征在于，所述软膜容器呈棱锥形或截头棱锥形，软膜容器的底形成棱锥或截头棱锥的底，软膜容器的侧壁形成棱锥或截头棱锥的侧面。
8.根据权利要求I或3-6任一项所述的软膜生物反应器，其特征在于，还包括用于盖设在所述软膜容器上以防止软膜容器内部的培养液受外界污染的隔离帽，所述隔离帽在盖上软膜容器时遮蔽软膜容器的连通口，当所述隔离帽在盖上软膜容器时，其内壁面与连通管口之间具有透气间隙。
9.根据权利要求8所述的软膜生物反应器，其特征在于，所述隔离帽的其中一个侧壁上设置有通气窗口，通气窗口上密封融合有透气滤菌膜，当隔离帽盖上软膜容器时，透气滤菌膜遮蔽软膜容器的连通口。
10.根据权利要求1-6任一项所述的软膜生物反应器，其特征在于，所述软膜容器呈倒卧放置的三棱柱形。
全文摘要
本发明涉及生物反应器领域，特别是一种软膜生物反应器，该反应器包括密闭的软膜容器，软膜容器包括底和三个以上的侧壁，底为平底，每个侧壁的内壁面与底之间具有5~90°的夹角，相邻的两侧壁之间在二者的连接处形成拐角，软膜容器上设有至少一个内外通透的连通口，所述连通口的下口沿位于使用时注入软膜容器中的培养液的液面之上；本发明的软膜生物反应器的软膜容器不需要鼓气便可像硬质容器一样靠自身保持内部的三维空间结构，使用时可将本发明的软膜生物反应器装在现有的培养箱和/或混合驱动装置，例如轨道摇床、倾斜旋转装置或摇摆驱动装置等进行混合驱动，反应器内液体产生波浪或涡流形式的液体流动，从而实现充分的混合和高效的气体交换。
文档编号C12M3/02GK102787072SQ20121024965
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月18日 优先权日2012年4月28日
发明者刘慧涛, 孙向东, 童胜, 韩志强 申请人:郑州威瑞生物技术有限公司