一种空气分布装置及包含其的非静态生物反应器的制作方法

本实用新型涉及细胞培养设备领域，尤其是一种空气分布装置及包含其的非静态生物反应器。

背景技术：

生物反应器是规模化进行细胞悬浮培养的关键设备，以植物细胞培养为例，由于植物来源的天然产品的获取途径现在主要是依靠提取野生植物资源或人工种植资源，然而大部分野生植物资源由于过度采挖而面临资源枯竭的难题。人工种植资源在一定程度上缓解了植物来源的天然产物产量不足问题，但是人工种植来源的产品常存在含量不稳定、重金属超标、农残超标等问题，同时人工种植易造成林地、耕地的占用，环境的破坏问题。因此采用植物细胞悬浮技术，结合生物反应器技术进行天然活性产物的工业化生产，是解决植物来源的天然产物资源短缺的重要途径之一。

目前植物细胞悬浮培养生物反应器是在传统微生物培养生物反应器的基础上发展而来，主要类型有机械搅拌式、气升式、鼓泡式、转鼓式和固定床等。以上生物反应器的构型均为圆柱体结构，研究中发现植物细胞悬浮培养时圆柱体构型生物反应器底部容易沉积较多细胞，尤其植物细胞悬浮培养前期及后期细胞容易出现聚集效应，导致沉积现象严重，直接影响细胞的生长繁殖及次级代谢产物合成，造成细胞单位基质收率和目标产物含量低的问题。虽然搅拌桨在一定程度上可以改善沉积，但是聚集的细胞团对剪切力的敏感度比单细胞高的多，使得大量细胞在悬浮培养期间死亡。气升式和鼓泡式生物反应器为了使聚集的细胞团悬浮，需要足够大的通气比，然而通气比增大的同时气泡破裂造成的剪切力也大大增加，同时伴随泡沫增加，二氧化碳过度逃逸，不利于植物细胞的生长及代谢。固定化培养在一定程度上降低了植物细胞对剪切力的敏感和细胞易分化现象，但是天然产物多属于胞内产物，限制其推广应用。

一次性波浪式生物反应器是近十几年发展起来的较适合动植物细胞悬浮培养的生物反应器，其主要是借助摇动平台的造浪作用增加气液面积达到混合及氧供应的。但是研究中发现，一次性波浪式生物反应器针对易聚集的、颗粒较大的细胞团的悬浮培养效果较差，且装料系数一般只有50％。中国发明专利cn103224882a公开了带有曝气装置的一次性波浪式生物反应器，但是对于易聚集的植物细胞团而言，增加曝气装置的效果并不理想，表现为只在曝气装置的周围很窄范围内有一定的推动作用，若加大通气量，则剪切力和泡沫问题也加大，不利于植物细胞生长繁殖，因此底部平面面积过大对于植物细胞悬浮培养是极不利的。

技术实现要素：

针对上述情况，本实用新型提供一种空气分布装置，以解决细胞悬浮培养通气时带来的剪切力过大，带来的液体混合效果差、培养效率低的问题。

本发明还提供一种包含所述空气分布装置的非静态生物反应器，该装置悬浮培养效果佳，氧传质系数适宜，剪切力适宜，成本较低，易于进行大规模细胞悬浮培养。

本实用新型所述空气分布装置，采用不同孔径的孔洞组合的方式，在不同的培养期，以挡板旋转进行孔径切换，具体来说：前期细胞密度较低时，采用较大孔径，后期密度较高时采用较小孔径，从而实现在保持一定的通气比，或者进行微调的情况下，满足不同生长阶段细胞对溶解氧的需求，同时有效避免现有技术中为了改变溶氧量，单纯依靠增大通气比来实现，造成气体对细胞的剪切力过大，导致细胞死亡的现象。另外，所述空气分布装置采用切换孔径的思路来实现对溶氧量的调节，有效避免因大通气带来的泡沫激增问题，可以使装料系数由现有技术的50％提升到80％以上。最后，采用所述空气分布装置的生物反应器，可有效节约空气成本，单位基质细胞收率可以达到15g/l以上的高密度。

为解决此技术问题，本实用新型采取以下方案：

一种空气分布装置，包括空气容置箱体，所述空气容置箱体底部密封，顶部封盖上设有多个均匀分布的孔洞，且所述孔洞至少具有2种不同孔径r1、r2，所述封盖中心安装可旋转的挡板，所述空气容置箱体的侧壁连接空气管。

进一步的，所述空气分布装置为塑料、硅胶、不锈钢或钛合金材质中的一种或者几种的组合。

进一步的，10um≤孔径r1＜孔径r2≤1000um。

进一步的，100um≤孔径r1＜孔径r2≤500um，且孔径r1：孔径r2＝1：1.5-3.5。

进一步的，不同孔径的孔洞呈扇形分布，且相同孔径组成的扇形以所述封盖的中心形成中心对称，不同孔径组成的扇形彼此相邻。

进一步的，所述挡板包括多个扇形叶片，所述扇形叶片以所述封盖的中心形成对称分布，所述扇形叶片的边缘不超过所述封盖的外沿。

基于同一发明构思，本实用新型还提供一种非静态生物反应器，包括罐体，所述罐体上方设有接种口、培养基入口和出气口，所述罐体底部设有进气口，所述罐体内部固定安装所述空气分布装置，所述进气口与所述空气分布装置侧壁上的所述空气管相连接。

进一步的，所述罐体为柔性材质，所述罐体底部具有倾斜面，所述空气分布装置安装在所述倾斜面上。

进一步的，所述空气分布装置在所述倾斜面上的安装密度为20-60个/平米。

进一步的，所述空气分布装置在所述倾斜面上的安装密度为35-45个/平米。

本实用新型所述的空气分布装置与现有技术相比，通过切换空气分布装置中的不同孔径，来适应不同培养阶段的溶氧量需求，有效降低了通气带来的剪切应力。

包含所述空气分布装置的非静态生物反应器结构简洁，生产效率高，单位基质细胞收率可以达到15g/l以上的高密度；同时有效避免因大通气带来的泡沫激增问题，可以使装料系数由现有技术的50％提升到80％以上。

附图说明

图1是本实用新型实施例1提供的空气分布装置结构示意图；

图2是本实用新型实施例2提供的非静态生物反应器结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本实用新型，而不应视为限制本实用新型的范围。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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1：

参考图1，一种空气分布装置，包括空气容置箱体71和空气管72，空气管72连接空气容置箱体71的侧壁，将无菌空气送入空气容置箱体71内部。空气容置箱体71底部密封，顶部封盖设有多个均匀分布的孔洞，孔径分别为r1、r2，其中小孔73的孔径为r1，大孔74的孔径为r2，小孔73和大孔74各自呈扇形聚集，以空气容置箱体71封盖的中心形成中心对称，且小孔73所形成的扇形与大孔74所形成的扇形彼此相邻。

优选地，10um≤孔径r1＜孔径r2≤1000um，以满足在合适的通气比下实现对溶氧量的调整。更优选地，100um≤孔径r1＜孔径r2≤500um，且孔径r1：孔径r2＝1：1.5-3.5，此时悬浮培养效果佳，氧传质系数适宜，剪切力适宜。

空气容置箱体71封盖中心安装可旋转的挡板75，挡板75包括多个扇形叶片，扇形叶片以封盖的中心形成对称分布，扇形叶片的边缘与封盖的外沿平齐。通过旋转挡板75到特定位置，可进行大孔74通气或者小孔75通气之间的切换。切换控制的方式属于公知技术，在此不赘述。

实施例2：

一种非静态生物反应器，参考图2，包括由第一腔体1、第二腔体2组成的罐体，其中，第一腔体1位于第二腔体2上方。第一腔体1为圆柱形，第二腔体2为倒锥形，且第二腔体的一条侧边与水平面呈90°夹角，另一条侧边与水平面呈45°夹角(即倾斜面倾角45°)。第一腔体1的底面圆周和第二腔体2的底面圆周重合，两个腔体相贯通。罐体的材质优选为聚酰胺或聚乙烯或乙烯-醋酸乙烯共聚物或乙烯-乙烯醇共聚物。

第一腔体1上设有接种口3、培养基入口5和出气口4，接通过管路连接。其中，优选连接在第一腔体1顶部封盖上，便于接种和加料。为了方便对罐体内部气压的控制和调整，在连接出气口4的管路上设置呼吸器41和第一空气调节阀42，使得罐体内的气体经第一空气调节阀42调整流量后进入呼吸器41。

第二腔体2的倾斜面上安装多个空气分布装置7，所有空气分布装置7的空气管72相连通，并与进气口6相连接，为了方便控制进气流量，在进气管路上设有流量计61和第二空气调节阀62，使得无菌空气经过流量计61后，再经过第二空气调节阀62的调节和控制进入第二腔体2。

进一步的，第一腔体1侧壁设有传感器预留口8，用于插入ph计、空气饱和度检测装置或者二氧化碳含量检测装置，如溶解氧测定仪。

本实施例只是示例性的，本实用新型并不限于此种结构，本领域技术人员应该想到，第二腔体2还可以具有其他倾斜面结构，如倒棱锥，或者具有对称轴的倒圆锥。第二腔体2的倾斜面倾角还可以为其他数值，例如30°，40°，50°，60°，或者70°，倾角不同会影响悬浮状态，根据所培养对象的密度不同可进行调整。采用具有倾斜面的罐体，可以有效避免现有技术中细胞培养过程中因聚集成团而沉淀形成平面，从而使整个培养周期内细胞处于良好悬浮状态，利于细胞生长繁殖，提高单位基质细胞收率，降低生产成本。

实施例3

本实施例以人参细胞悬浮培养为例，描述实施例2中非静态生物反应器的使用方法：

将人参细胞愈伤组织无菌接种于灭菌合格的液体培养基中，置于22-25℃，80-120rpm旋转摇床中震荡培养15-25天，将合格的浓粥状人参液体种子通过接种口3无菌接入事先经过熏蒸灭菌或者辐照灭菌的非静态生物反应器罐体内，同时经蠕动泵将灭菌合格的人参细胞液体培养基通过培养基入口5接入罐体内，将无菌空气通过进气口6输入罐体内，同时无菌空气通过出气口4排出罐体，通过第二空气调节阀62调整罐压微正压，置于恒温室，控制培养温度22-25℃，通过流量计61控制通气比在0.12-0.24vvm。

空气分布装置7在罐体灭菌前组装入罐体，并调整在74档位(即挡板75遮盖住小孔73，露出大孔74)。空气分布装置7在倾斜面上的安装密度为20-60个/平米，优选为35-45个/平米。培养前期使用大孔74通气，培养密度增加逐步调整至小孔73通气。培养期间根据肉眼观察细胞浓度变化，或者通过插入传感器预留口8的电极检测的相对空气饱和度及二氧化碳量，将大孔74逐步调整至小孔73档位。整个培养期悬浮20-40天，期间取样检测细胞量，达到15g/l以上即可终止发酵，所有发酵液离心过滤，将滤饼低温真空干燥，收获得成品，计算单位基质细胞得率为15.78g/l。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。