一种通气结构改良的微型生物反应器的制作方法

本实用新型涉及高通量微型生物反应器领域，尤其是涉及一种全自动化进行哺乳动物细胞培养的一次性微型生物反应器的气体分布器设计。

背景技术：

近年来，全球的生物制药行业蓬勃发展，哺乳动物细胞作为常见的宿主细胞用于药物生产，其培养技术也日臻成熟。新兴的高通量微型生物反应器具有操作简单、运行通量高、实验重复性好等优点，成为了生物制药行业最新的研究热点之一。

目前，一种广泛应用的微型生物反应器——由赛多利斯公司研发的Ambr 15^TM，在克隆筛选、工艺优化阶段表现较好，但在实际应用时发现该微型反应器存在着明显的缺点与不足：该生物反应器的气体分布器效率较低，难以适应高耗氧及高密度的细胞培养，导致工艺开发受限。该生物反应器的基本结构示意图如图1所示，包括罐盖1、罐体2，罐体2内设有用于实现搅拌混合作用的搅拌轴4及搅拌桨5，还设有用于向罐体内通气的通气管路3。其中，通气管路3是竖直方向设置的直管且位于搅拌轴4旁侧，通气管路3下端的进气孔33与搅拌轴4底端及搅拌桨5在同一水平线上。通气时，气体经过通气管路3进入罐体2内部并从进气孔33冒出，冒出的气泡受到浮力作用后直接上升至培养液液面，而无法随着搅拌桨5产生的轴向流在罐内混合均匀，致使氧气传质速率低下。通常需要设置更高的搅拌转速，以满足细胞培养中的耗氧需求。此外，在添加消泡剂之后，该生物反应器中培养液的溶氧值迅速下降，难以自行恢复，只能进一步提高转速以维持设定值。但是，提高转速的方法将会产生较大的剪切力，高转速带来的高剪切力会对细胞会造成损伤，同时缩小了微型反应器对于氧气调控的可操作空间，不利于进一步扩展其应用范围以支持高耗氧及高密度的细胞培养。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种通气结构改良的微型生物反应器，能够提高反应器内气体传质效率。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种通气结构改良的微型生物反应器，包括罐盖、罐体、搅拌轴、搅拌桨和通气管路；所述通气管路延伸至搅拌桨的下方，所述通气管路在位于搅拌桨的下方的部位开设有进气孔。

具体的，所述通气管路为L型管路。

具体的，所述L型管路包括垂直管路和弯曲管路两部分，所述垂直管路是呈竖直方向设置，所述垂直管路的下端与弯曲管路的一端连接，所述弯曲管路的另一端为进气孔，所述进气孔延伸至搅拌桨的下方。

具体的，所述L型管路的垂直管路和弯曲管路连接处呈90°～160°夹角。

具体的，所述L型管路的弯曲管路采用橡胶或塑料管材，所述橡胶或塑料管材套接在垂直管路的下端。比如硅橡胶管材，或其他具有相似弹性或可塑性的材料，或相近长度、具有一定硬度的材料均可替代硅橡胶与原型的直管管路进行连接。

具体的，所述L型管路为一体成型的管路。

本实用新型的微型生物反应器具有以下技术优势：

(1)与现有技术中通气管路为直管的技术方案相比较，本实用新型提供的通气结构改良的微型生物反应器将通气管路延伸至搅拌桨的下方，进气孔开设于搅拌桨下方，气泡从进气孔冒出后升至搅拌桨叶上，在搅拌桨的作用下被打散，促进了气液两相混合，由此提高微生物反应器的氧气传输速率1.2-1.6倍。

(2)通气结构改良后未对细胞培养造成负面的影响，并且在相同细胞表现的情况下，改进后反应器减少了实时的通氧量(下降20-40％)。

(3)本实用新型可以允许细胞在更稳妥的转速下进行培养，转速可下调30％，降低了高转速带来较大剪切力损伤细胞的风险；同时增大了反应器对于氧气控制的可操作空间，更好地支持高耗氧细胞株及高密度的细胞培养。

(4)本实用新型避免了消泡剂添加后溶氧值恢复困难的问题，通气结构改良的微型生物反应器在保持原有转速的情况下，可在更短时间内快速上升至溶氧设定值(1小时内)。这保证了细胞的正常生长和代谢，且因此产生可靠且稳定的培养数据也将有益于与大规模反应器做一致性评价。

(5)本实用新型对通气结构重新设计，提高了反应器性能，拓展了其应用范围，且不会额外增加现有的Ambr 15^TM微型生物反应器的生产成本，将更顺应高通量微型生物反应器的发展趋势。

附图说明

图1是现有技术中微型生物反应器结构示意图。

图2是本实用新型的通气结构改良的微型生物反应器的一种具体实施方式的结构示意图。

图3是图2的局部放大图。

附图中符号标记说明：

1为罐帽；2为罐体；3为通气管路；31为垂直管路；32为弯曲管路；33为进气孔；4.搅拌轴；5.搅拌桨。

具体实施方式

下面将对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

一种通气结构改良的微型生物反应器，包括罐盖1、罐体2、搅拌轴4、搅拌桨5和通气管路3。如图2所示，该通气管路3延伸至搅拌桨5的下方，通气管路3在位于搅拌桨5的下方的部位开设有进气孔33。图3为图2的局部放大图，清楚显示进气孔33是位于搅拌桨5的下方。

与现有技术中通气管路为直管的技术方案相比较，本实用新型提供的微型生物反应器将进气孔开设于搅拌桨下方，具有促进气体在培养液内混合的作用，能够提高微生物反应器的氧气传输速率1.2-1.6倍；在相同细胞表现的情况下，改进后反应器能降低实时的通氧量20-40％；改进后反应器能允许细胞在更稳妥的转速下进行培养，转速可下调30％，降低了高转速带来较大剪切力损伤细胞的风险，同时增大了反应器对于氧气控制的可操作空间，更好地支持高耗氧细胞株及高密度的细胞培养。

在一种具体的实施方式中，该通气管路3为L型管路。L型管路包括垂直管路31和弯曲管路32两部分，其中，垂直管路31是呈竖直方向设置，垂直管路31的下端与弯曲管路32的一端连接，弯曲管路32的另一端为进气孔33，进气孔33是延伸至搅拌桨5的下方。垂直管路31和弯曲管路32的连接处呈90°～160°夹角。在其他的实施方式中，该通气管路3也可以为J型或其他形状，应保持通气管路3的进气孔33设置于搅拌桨下方。

在一种具体的实施方式中，该通气管路3的垂直管路31为原型Ambr 15^TM微型生物反应器的竖直通气管路，而弯曲管路32是套接在垂直管路31下端，弯曲管路32采用橡胶或塑料管材，比如硅橡胶管材，或其他具有相似弹性或可塑性的材料，或相近长度、具有一定硬度的材料均可替代硅橡胶与原型的直管管路进行连接。一种具体的应用中，硅橡胶管材的弯曲管路32的制备及安装过程如下：首先，选取内径为1.0mm的硅橡胶管路，切割后与原型的直管通气管路相连，调整其长度为7.3-7.5mm；接着，利用硅胶管路的弹性将其弯折，使其进气孔33正好位于图2中的搅拌桨5的正下方；最后，维持罐体其他部分不变。

在另一种实施方式中，该L型管路为一体成型的管路，用该一体成型的L型管路直接安装替换原Ambr 15^TM微型生物反应器的通气管路即可，安装时应使该一体成型的L型管路的进气孔33位于搅拌桨下方。

在一种具体的实施方式中，该通气管路3具有一个进气孔33。在其他的实施方式中，该通气管路3可以具有多个进气孔33，当具有多个进气孔33时，应当至少有一个进气孔33是位于搅拌桨5的下方。

实施例二利用实施例一的一种通气结构改良的微型生物反应器测定氧气传质系数(KLa)

基于实施例一制作的模型，以PF68、碳酸氢钠、消泡剂制作的缓冲液，分别在空气流速0.1-0.9mL/min，转速400-1200RPM的条件下测试改进后模型的氧气传质系数(KLa)。

结果表明：改进后模型的氧传质系数相比原型可提高1.2-1.6倍，极大地促进了气体在罐内的混合。

实施例三利用实施例一的一种通气结构改良的微型生物反应器培养中国仓鼠卵巢细胞(CHO)生产一种融合蛋白药物

本实施例中利用实施例一的微型反应器培养CHO细胞，进行补料分批细胞培养。通过观察细胞培养过程中的实时耗氧情况以及对抗消泡剂添加后溶氧下降的问题，考察本实用新型的性能。

结果表明：相对于改良设计之前，使用本实用新型的反应器进行细胞培养，在细胞生长，细胞代谢，蛋白表达等指标上取得了一致的结果。以相似细胞表现作为前提，在常规转速400-1000 RPM的设定下，改进后模型的实时需氧量降低了20-40％。同时，消除了消泡剂添加后溶氧难以回升的问题，在转速不变的条件下，改进模型均能够在1小时内恢复到设定的溶氧值(40％)，而原型反应器在最大氧通量下溶氧值只能维持在10％左右。

综上所述，上述各实施例仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，皆应包含在本实用新型的保护范围内。