专利名称：气动生物反应器的制作方法
技术领域：
本发明领域属于用于混合溶液的装置。更具体地，本发明涉及在封闭 的消毒环境中使用的一种气动操作式混合器。
背景技术：
生物反应器用于培养在药剂、饮料和生物工艺产业中能产生各种各样 生物或化学产物的微生物。 一种生物反应器包括位于一消毒环境中的培养 液，该培养液为所涉及的生物制剂的培养提供所需的各种营养。通常的生 物反应器在培养期间使用机械驱动的叶轮对液体介质进行混合。这种生物 反应器在容器清洁和消毒后，可重新用于下一批生物制剂。清洁和消毒的 过程需要大量的时间和资源，特别是在重新用于产生生物产物之前，要去 监控和验证每一个清洁步骤。由于通常型生物反应器的构建、维护和操作 的费用高，由一次性塑料材料制成的一次使用型生物反应器系统已经成为 一种具有吸引力的替代品。
虽然近年来已提出一次性生物反应器中的液体的几种混合方法，但没
有一种方法可以提供一种用于大规模(超过1000公升)的有效混合，而不
使用昂贵的操作设备。基于此原因，无需外部机械操作的大量非侵入式和/ 或一次性混合系统得到发展。许多这种系统在特定尺寸范围内适用，然而， 当用于一些较大混合系统时有时会产生一些问题。
本发明的一个目的是提供一种气动生物反应器，该发生器能有效地并 且充分地混合溶液而无污染。对于这种生物反应器它的一个进一步的目的 是使用同样的技术制成一些比例相对大的尺寸。对于一生物反应器本发明 的另一个进一步的目的是它能被制成一次性型。本发明的一个再进一步的 目的是提供一种能由内部气动力精确控制(速度和作用在溶液上的混合力) 的一种生物反应器，而不引起泡沫问题。最后，本发明的一个目的是提供 一种生产和操作简易并且廉价同时可满足所有所述标准的生物反应器。
发明内容
本发明提供一种在一盛装容器内带有混合设备的气动生物反应器。所 述混合设备具有一气体供应器和由气体供应器驱动的一浮力驱动混合装 置。所述混合设备大体跨越了所述盛装容器的截面。
在本发明的第一个单独的方面中，所述浮力驱动混合装置包括一个或 多个浮动式混合器，该浮动式混合器带有一贮气腔和在所述腔周围的多个 混合元件。所述混合元件的形状被制成能随着所述混合器在所述盛装容器 内上升而引起所述混合器搅动。当所述腔到达液面时， 一排气阀允许气体 从所述中心腔排出。
在本发明的第二个单独的方面中，所述浮力驱动混合装置包括至少一 个浮动式活塞，该浮动式活塞具有贮气用的中心腔和设置于所述中心腔周 围的至少一个盘。再一次，当所述中心腔到达液面时， 一排气阀允许气体 排出。 一混合隔板紧邻所述浮动式活塞也被设置于盛装容器内，所述隔板 具有至少一个孔以增强混合。
在本发明的第三个单独的方面中，所述浮力驱动混合装置包括一个可 旋转地安装的圆柱腔，所述圆柱腔具有内表面、外表面、位于所述内表面 内的至少一个混合板以及位于所述外表面周围的多个贮气部件。
因此，本发明的一个主要的目的是提供一种改进的气动生物反应器。 以下将说明其他的或进一步的目的和优点。
图l是本发明第一实施例的透视图，示出了浮动式叶轮及其控制机构。
图2是图1所示实施例的俯视图，示出了浮动式腔与束缚部件相连， 其中叶轮叶片在腔体上旋转；
图2A是图1所示实施例的俯视图，示出了浮动式腔在束缚部件内部旋 转，其中叶轮叶片被固定在所述腔；
图3是图1所示实施例的侧视图4是图2A所示浮动式叶轮的实施例的侧视图4A是图2所示浮动式叶轮的实施例的侧视图5是本发明第二实施例的透视图，示出了浮动式活塞及其控制机构；
图6是图5所示实施例的俯视图，示出了浮动式活塞； 图7是气体供应器和磁性可行控制机构的透视图； 图8是浮动式腔的侧剖视图，示出了排气口帽处于关闭位置； 图9是浮动式腔的侧剖视图，示出了排气口帽处于打开位置； 图IO是本发明第三实施例的透视图，示出了具有气体供应器的一旋转 鼓筒型混合器；
图11是图IO所示实施例的后视图，示出了单个气体供应器；
图12是图IO所示实施例的后视图，示出了一对气体供应器；
图13是图IO所示实施例的侧视图，示出了一盛装容器；
图14是图5所示实施例的透视图，示出了一可闭合顶盖和消毒过滤器；
并且
图15是图5所示实施例的透视图，示出了围绕容器的一温度控制套。
具体实施例方式
如图1-3的实施例所示，示出了一种提供全部所需特征的生物反应器 10，其由以下部件构成。提供一盛装容器15。盛装容器15具有顶部20， 封闭的底部25以及周壁30，该容器的尺寸足以容纳待混合流体35和一混 合设备40。混合设备40包括至少一个气体供应器45。气体供应器45在紧 邻容器15的底部25的孔口 50处终止。提供至少一个浮力驱动混合装置55。 随着气体60从供应器45引入混合装置55以及从混合装置55排出，混合 装置55在流体35内运动。当气体60引入气体供应器45时，气体60将进 入混合装置55并且导致该装置混合流体35。
浮力驱动混合装置55进一步包括至少一个浮动式混合器65。该混合器 65具有一个贮气用的中心腔70和设于中心腔70周围的多个混合元件75。 混合元件75的形状被制成能随着混合器在盛装容器15内的流体35中上升 而引起混合器65搅拌流体35。如图8和9所示，中心腔70具有一个排气 阀80。当中心腔70到达流体35的表面85时，排气阀80允许气体60排出。 提供一束缚部件90。该束缚部件90限制浮动式混合器65在流体35中上升 或下沉时的水平运动。当气体60引入气体供应管45时，气体60将进入贮 气腔70并且导致浮动式混合器65通过浮力在流体35中升高同时搅拌流体
35。当中心腔70的排气阀80到达流体35的表面85时，气体60将被释放 并且混合器65将向着盛装容器15的底部25下沉，在那，中心腔70将被 再次充入气体60，引起浮动式混合器65上升。
如图7中的实施例所示，设有用于控制浮动式混合器65的可行速率的 机构95。用于控制浮动式混合器65的可行速率的机构95包括与浮动式混 合器65或者束缚元件90相连的铁磁物体100以及紧邻盛装容器15的底部 25设置的一可控电磁体105。
如图8和9中的实施例所示，贮气用的中心腔70包括一开口 110。开 口 110设置在腔70的上端115。提供一排气口帽117。排气口帽117的尺 寸和形状被制成当它被来自气体供应器45的气体60的浮力抵住而向上运 动时，能密封开口 110。提供一支撑架120。支撑架120设置于腔70内， 当气体60从腔70内释放后使排气口帽降低时，能撑住排气口帽115。当腔 70上升到流体35的表面85时，排气口帽115将由于其重量而降低，并且 开口 110将允许气体60排出，腔70于是将在流体35中下沉并且排气口帽 115由于持久贮存在排气口帽115内的少量气体60的浮力而再次上升，从 而密封开口 110。
如图1-3中的实施例所示，提供第二浮动式混合器125。提供第二束缚 部件130，随着第二混合器在流体35内上升，第二束缚部件限制第二混合 器125的水平运动。提供额外的气体供应器135。额外的供应器135在紧邻 容器15的底部25的孔口 143处结束。提供至少一个滑轮140。滑轮140 与盛装容器15的底部25相连。提供一种柔性部件145。柔性部件145将浮 动式混合器65的腔70与第二浮动式混合器125的一腔150相连。柔性部 件145的长度允许混合器65的腔70的排气阀80到达流体35的表面85而 同时第二混合器125的腔70与盛装容器15的底部25隔开。当浮动式混合 器65由于来自供应器45的气体60的浮力向上推进时，第二浮动式混合器 125通过柔性部件145被向下拉，直到随着其排气阀80到达流体35的表面 85而使气体60从浮动式混合器65的腔70被释放。随着第二浮动式混合器 125由于从额外供应器135引入的气体60的浮力而上升，腔70于是将在流 体35中下沉。如图所示，该混合设备大体跨越了盛装容器的截面。
盛装容器15可以由弹性材料155制成，该材料通过伽玛射线照射的方 法消毒。
如图5和6中的实施例所示，浮力驱动混合装置10包括至少一个浮动 式活塞160。活塞160具有一贮气用的中心腔70和设置于中心腔70周围的 至少一个盘165。盘165的形状被制成能随着活塞160在盛装容器15内的 流体35中上升而引起活塞160搅拌流体35。中心腔70具有一排气阀80。 当中心腔70到达流体35的一表面85时，排气阀80允许气体60排出。提 供一混合隔板170。该隔板170紧邻浮动式活塞160设置在盛装容器15内 并且具有至少一个孔I"以增大浮动式活塞160的混合作用。提供一束缚 部件180。该束缚部件180限制活塞160在流体35中上升或下沉时的水平 运动。当气体60引入气体供应器45时，气体60将进入贮气腔70并且导 致浮动式活塞160由于流体35中的浮力而上升同时搅动流体35。当中心腔 70的排气阀80到达流体35的表面85时，气体60将被释放并且浮动式活 塞60将朝盛装容器15的底部25下沉，在那，中心腔70将被再次充入气 体60，引起浮动式活塞160上升。
提供第二浮动式活塞185。提供第二束缚部件190，随着第二浮动式活 塞在流体35中的上升第二束缚部件限制第二活塞185的水平运动。提供额 外气体供应器135。该额外供应器135在紧邻容器15的底部25的孔口 143 处结束。提供至少一个滑轮140。滑轮140与盛装容器15的底部25相连。 提供一柔性部件145。该柔性部件145将浮动式活塞160的腔70与第二浮 动式活塞185的一腔相连。柔性部件145的长度允许浮动式活塞160的腔 70的排气阀80到达流体35的表面85而同时第二浮动式活塞185的腔70 与盛装容器15的底部25隔开。混合隔板170设置于浮动式活塞160与第 二浮动式活塞185之间。当浮动式活塞160由于来自供应器45内的气体60 的浮力而向上推进时，第二浮动式活塞185被柔性部件145拉下，直到随 着其排气阀80到达流体30的表面85而使浮动式活塞160的腔70内的气 体60被释放。随着第二浮动式活塞185由于从额外供应器135引入的气体 60的浮力而上升，浮动式活塞160于是将在流体35中下沉。如图所示，混 合设备大体跨越了盛装容器的截面。
如图10-13中的实施例所示，气动生物反应器10包括一圆柱腔195。 该圆柱腔195具有内表面200、外表面205、第一端210、第二端215和中
心轴线220。提供至少一个混合板225。混合板225与腔195的内表面200 相连。提供第一凸缘230和第二凸缘235。凸缘230、 235分别安装在圆柱 腔195的第一端210和第二端215。提供第一枢轴点240和第二枢轴点245。 枢轴点240、 245分别与第一凸缘230和第二凸缘235相连，并且与盛装容 器15相连，从而允许圆柱腔195绕中心轴线220旋转。提供多个贮气部件 250。贮气部件250从第一凸缘230沿着圆柱腔195的外表面205延伸到第 二凸缘235，并且其尺寸和形状被制成能捕获来自气体供应器45的气泡255 的。气体供应器45紧邻圆柱腔195在腔体195的第一侧面260上在贮气部 件250的下方结束。当气体60通过供应器45引入盛装容器15时，它将在 流体35内上升并且气泡255将通过贮气部件250被捕获。这将导致圆柱腔 195在枢轴点240、 245以第一方向262旋转，并且引起至少一个混合板225 搅拌流体35。如图中所示，混合设备大体跨越了盛装容器的截面。
圆柱腔195的旋转速率可以通过改变气体60进入到供应器45内的气 体引入速度来控制。
如图12所示，可以提供一额外气体供应器135。额外气体供应器135 紧邻圆柱腔195在腔195的第二相对面265上在贮气部件250的下方结束。 来自额外供应器135的气体60导致圆柱腔195在枢轴点240， 245以第二 相反方向270旋转。
如图10和13所示，至少一个混合板225具有至少一个孔275以增强 盛装容器15内的流体35的混合。
如图14所示，盛装容器15进一步包括一可闭合顶部280。该顶部具有 一排气口 285,允许来自气体供应器45的气体60通过一消毒滤器290排出。
如图15所示，提供一温度控制套295。该套295围绕盛装容器15。
如图1-3所示， 一气动生物反应器10包括一盛装容器15。容器15具 有顶部20、闭合的底部25、以及周壁30，该容器的尺寸足以容纳待混合流 体35和一混合设备40。混合设备40包括至少一个气体供应器45。气体供 应器45在容器15的底部25的孔口 50处结束。提供至少一个浮动式叶轮 300。该叶轮300具有一ie气用的中心腔70和精确设置在中心腔70周围的 多个叶轮叶片305。叶轮叶片305的形状被制成能随着叶轮300在盛装容器 15内在流体35中上升而导致叶轮300绕竖直轴310旋转。
中心腔70具有一排气阀80。当中心腔70到达流体35的一表面85时， 该阀80允许气体排出。提供一外壳315。外壳315是环形并且围绕在浮动 式叶轮300的四周并且限制它的侧向运动。提供至少一个支撑柱320。该柱 320从底部25向上延伸至顶部20。外壳315可滑动地与支撑柱320相连。 浮动式叶轮300可旋转地与外壳315连接。当气体60引入气体供应器45 时，气体60将进入贮气腔70并且使浮动式叶轮300在流体35内上升同时 旋转和搅动流体35。当中心腔70的排气阀80到达流体35的表面85时， 气体60将被释放并且浮动式叶轮300将向着盛装容器15的底部25下沉， 在那，中心腔70将被再次充入气体60，引起浮动式叶轮300上升。
如图2和4A所示，叶轮叶片305可旋转地安装在中心腔70上，并且 中心腔70与外壳315固定连接。
如图2A和4所示，叶轮叶片305固定地安装在中心腔70上并且可旋 转地安装在外壳315上。
外壳315进一步包括设于外壳315的内表面325上的水平内槽322。叶 轮叶片305包括突起330，突起的尺寸和形状被制成可滑动地配合在槽322 内。
如图7所示，设有用于控制浮动式叶轮300的可行速率的机构95。
用于控制浮动式叶轮300的可行速率的机构95包括与浮动式叶轮300 或者外壳315相连的一铁磁性物体100，以及紧邻盛装容器15的底部25 设置的一可控电磁体105。
如图8和9所示，贮气用的中心腔70进一步包括设置在腔70上端115 的一开口 110。提供一排气口帽115。排气口帽115的形状和尺寸被制成当 被来自供应器45的气体60的压力抵住而向上运动时能密封开口 U0。提供 一支撑架120。支撑架120设置于腔70内，当腔70内的气体60被释放后 使排气口帽115下降时，用来支撑排气口帽。当腔70上升至流体35的表 面时，排气口帽115将由于其重量而下降，并且开口 110将允许气体60排 出。浮动式叶轮300于是将在流体35内下沉，并且由于从气体供应器45 引入腔70的气体60的压力，排气口帽115将再次上升，从而密封开口 110。
排气口帽115进一步包括一封闭气室310。气室310使帽115浮在流体 35中并且因此当腔70到达流体35的表面85而使气体60被排出后，密封 开口 110。
如图1和3所示，该气动生物反应器10进一步包括第二浮动式叶轮 317。提供一围绕第二浮动式叶轮317的第二外壳324。提供至少一个额外 的支撑柱326。提供额外的气体供应器135。该额外的供应器135在容器15 的底部25的孔口 143处结束。第二外壳324可滑动地与额外支撑柱325相 连。第二浮动式叶轮317可旋转地与第二外壳324相连。提供至少一个滑 轮140。滑轮140与盛装容器15的底部25相连。
提供一柔性部件145。柔性部件145将浮动式叶轮300的腔70连接到 第二浮动式叶轮317的一腔70上。柔性部件145的长度允许浮动式叶轮300 的腔70的排气阀80到达体35的表面85而同时第二浮动式叶轮317的腔 70与盛装容器15的底部25隔开。当浮动式叶轮300由于来自供应器45 的气体60的压力而向上推进时，第二浮动式叶轮315将被柔性部件145向 下拉，直到随着其排气阀80到达流体35的表面85而使气体60从浮动式 叶轮300的腔70被释放，随着第二浮动式叶轮315在从额外供应器135的 气体60的压力下上升，浮动式叶轮300于是将在流体35中下沉。
本发明的其他目的和意图将通过参考附图和优选实施例的详细说明而 更加清楚。
权利要求
1.一种气动生物反应器，包括盛装容器；位于所述盛装容器内的混合设备，所述混合设备包括具有位于所述容器内的至少一个孔口的气体供应器，以及分别位于所述至少一个孔口上方的至少一个浮力驱动混合装置，所述混合设备大体跨越所述盛装容器的截面。
2. 如权利要求1所述的气动生物反应器，其特征在于，所述浮力驱动 混合装置包括至少一个浮动式混合器，该浮动式混合器具有一贮气用的中 心腔和设置在所述中心腔周围的多个混合元件，所述混合元件的形状被制 成能随着所述混合器在盛装容器内上升而使所述混合器搅动，所述中心腔 具有排气阀，所述排气阀在所述中心腔到达流体表面时允许气体排出，以 及一束缚部件，所述束缚部件限制所述浮动式混合器上升或下沉时的水平 运动。
3. 如权利要求2所述的气动生物反应器，其特征在于，进一步包括 用于控制所述浮动式混合器的可行速率的机构。
4. 如权利要求3所述的气动生物反应器，其特征在于，所述浮力驱动 混合装置进一步包括一第二所述浮动式混合器，与所述第二浮动式混合器 相关联的一第二所述束缚部件，至少一个滑轮，所述滑轮相对于所述盛装 容器固定，以及在所述第一和第二浮动式混合器之间延伸并且通过所述滑 轮的一柔性部件。
5. 如权利要求1所述的气动生物生器，其特征在于，所述浮力驱动混 合装置包括至少一个浮动式活塞，所述浮动式活塞具有一贮气用的中心腔 以及设置在所述中心腔周围的至少一个盘，所述中心腔具有一排气阀，所 述排气阀在所述中心腔到达流体表面时允许气体排出，以及一束缚部件， 该束缚部件限制所述浮动式混合器上升或下沉时的水平运动，紧邻所述浮 动式活塞在所述盛装容器内设置有一混合隔板，并且所述隔板具有至少一 个孔以增大所述浮动式活塞的混合作用，以及一束缚部件，所述束缚部件 限制所述活塞上升或下沉时的水平运动。
6. 如权利要求5所述的气动生物反应器，其特征在于，所述浮力驱动 混合装置包括一第二所述浮动式活塞，与所述第二浮动式活塞相关联的一 第二所述束缚部件， 一第二所述孔口，至少一个滑轮，所述滑轮相对于所 述盛装容器固定，以及在所述第一和第二浮动式活塞之间延伸并且通过所 述滑轮的一柔性部件，所述混合隔板设置在所述浮动式活塞与所述第二浮 动式活塞之间。
7. 如权利要求1所述的气动生物反应器，其特征在于，所述浮力驱动 混合装置包括围绕一第一轴线相对于所述盛装容器可旋转地安装的一圆柱 腔，所述圆柱腔具有内表面、外表面、位于所述内表面内的至少一个混合 板、位于所述圆柱腔外表面周围的多个贮气部件，所述贮气部件的尺寸和 形状被制成能捕获来自所述气体供应器的气泡。
8. 如权利要求7所述的气动生物反应器，其特征在于，所述气体供应 器具有一第二孔口 ，所述第一和第二孔口设置在所述第一轴线两侧并位于所述贮气部件下方，来自所述两个孔口的气体引起所述圆柱腔以相反的方 向旋转。
9. 如权利要求7所述的气动生物反应器，其特征在于，所述至少一个 混合板具有至少一个孔以增强所述盛装容器内流体的混合。
全文摘要
一种气动生物反应器，包括容纳待混合流体和由气压驱动的至少一个混合装置的一盛装容器。第一实施例包括在流体中升降的一个浮动式叶轮，当被气泡提升到液面的时候，气体被排出，允许叶轮下沉到流体中。浮动式叶轮可以通过柔性元件和滑轮连接于第二叶轮。混合速度根据容器中的电磁体对叶轮或其引导件中的磁性材料的作用而得到控制。在另一个实施例中，浮动式活塞混合流体，通过一个或多个孔促使流体穿过混合板。在第三实施例中，混合装置是旋转鼓筒，具有俘获气泡的叶片和具有孔的混合板。这些混合器的容器的顶盖可以包括一个闭合顶部和消毒过滤器。
文档编号B01F13/02GK101370574SQ200680039414
公开日2009年2月18日 申请日期2006年10月24日 优先权日2005年10月26日
发明者J·G·泽库斯 申请人:Pbs生物技术公司