CN100375782C - 用于动物大规模细胞培养的生物反应器*** - Google Patents

用于动物大规模细胞培养的生物反应器*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于动物大规模细胞培养的生物反应器***。包括：设有全封闭的磁力传动装置的反应器，与反应器通过管线相连接的混合室，与混合室通过管线相连接的供气***。所说的全封闭的磁力传动装置包括上轴承、下轴承、内磁传动轴、组合式浆叶组件、无磁密封套、外磁钢和导磁筒。外磁钢和内磁传动轴之间以全封闭的无磁密封套分隔开，彻底隔绝了微生物或其它污染物由搅拌***进入生物反应器的通道，消除了由此而导致的污染机会，本发明结构简单，传递功率大，反应器内的物料混合均匀，能够满足细胞培养产业化发展的需要。

Description

用于动物大规模细胞培养的生物反应器***
技术领域
本发明涉及一种生物反应器***，具体地说涉及一种用于大规模动物细胞培养的生物反应器***。
技术背景
八十年代以来，动物细胞基因工程和细胞融合技术取得的巨大成就，使得可以通过动物细胞体外培养表达和生产各类诊断和治疗用单克隆抗体、疫苗、生长因子等生物活性蛋白质。由于这些蛋白质和单抗的疗效非常明确，具有十分广阔的市场应用前景，因此应用动物细胞体外培养技术大量生产这些高值药物已经成为生物医药高技术产业的重要部分，是当前新药开发和生产的重要领域。
应用现代化的生物反应器***代替原来手工操作的滚瓶或方瓶培养***，可以大大简化生产过程，提高生产效率及产品均一性，降低生产成本，确保产品临床应用的安全性、有效性、可靠性及经济性。英国Celltech公司应用100～10000升的气升式生物反应器培养杂交瘤细胞生产单克隆抗体；日本Sumitomo公司用于生产tPA的生物反应器规模达到8000升；Wellcome公司应用8000升的搅拌生物反应器生产干扰素和其它生物制品；德国Behringwerke公司用于生产***(rhEPO)的生物反应器规模达到15m3；德国Bayer公司在美国洛杉矶的分厂采用高密度连续灌注培养技术生产凝血因子VIII，连续生产周期达到三至六个月，成为迄今为止美国FDA批准的连续生产周期最长的生物产品。
然而，目前国内生产技术大多采用传统滚瓶培养法，所谓的工业化生产也只是采用美国NBS公司的5升CelliGen Plus固定床反应器，生产规模小，难以放大，而且生产过程难以进一步优化，致使产量小，生产效率低下，与实际需要相距甚远。因此，动物细胞大规模高密度无血清培养技术及其生物反应器的研究和开发应用，已经成为制约我国生物技术发展的重要因素，迫切需要予以解决。
对于生物反应器来说，动物细胞的大规模培养尤其是长期的连续灌注培养首先需要解决的是防止微生物的污染。现有的生物反应器搅拌***其轴封大都采用机械密封的方式，它的优点是搅拌功率大，但是往往因为所采用的材料、设计和加工精度方面的原因，***在使用过程中的密封性不够，尤其是在长期的培养过程中会产生泄漏从而导致微生物的污染，为了解决这一问题，近些年国外一些公司开始采用磁力搅拌***，这种搅拌***其轴封结构相对较复杂，并且因为采用磁力传递的原理，导致其搅拌功率大大降低，目前主要应用于小型动物细胞培养生物反应器中。
动物细胞要从原来的方瓶、滚瓶培养放大到各种规模的生物反应器培养并且实现高密度培养过程，就不得不面临培养过程及生物反应器的放大和强化问题。放大和强化问题主要来源于两个方面的矛盾冲突：一方面，用于培养过程的生物反应器必须有足够的气液传质能力并能提供良好的流体混合条件，否则就难以支持细胞生长，尤其在大规模高密度细胞培养过程中这一要求将更加苛刻；另一方面，由于动物细胞的剪切敏感性，生物反应器中因搅拌和通气产生的流体剪切和气泡现象会无可避免地导致细胞损伤甚至破损、死亡，使培养过程失败。因此，动物细胞培养生物反应器中搅拌浆的设计是一个非常重要的问题，既必须确保提供良好的传质混合，又要尽可能使流体的剪切力降低以减少对细胞的损伤。
反应器内pH和溶氧由空气、氧气、氮气和二氧化碳四种气体关联控制，这种关联控制是反应器的控制***在PID模式下通过控制四种气体各自的电磁阀开闭时间来实现的。但是在实际操作中，由钢瓶和空气压缩机进入反应器的气体其各自压力并不均衡，这种不均衡会导致某一种或几种压力较高的气体过量通入，而其它压力较低的气体则无法进入反应器，从而使pH和溶氧的控制出现较大偏差；另外，这种压力不均衡所导致的各种气体通量误差无法由PID控制模式进行纠正，其结果是pH和溶氧产生剧烈的锯齿状波动。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是公开一种用于大规模悬浮细胞培养的生物反应器***，以克服现有技术存在的上述缺陷，满足细胞培养产业化发展的需要。
本发明的生物反应器***包括：
设有全封闭的磁力传动装置的反应器；
与反应器通过管线相连接的混合室；
与混合室通过管线相连接的供气***；
所说的全封闭的磁力传动装置包括上轴承、下轴承、内磁传动轴、组合式浆叶组件、无磁密封套、外磁钢和导磁筒；
所说的外磁钢设置在无磁密封套外、上轴承和下轴承之间；由外部的马达驱动，作为整个搅拌***的动力源；
所说的无磁密封套的底端与反应器的顶盖密封连接，无磁密封套是一个固定的、全封闭的套筒，无磁密封套外与反应器外部相通，无磁密封套内与反应器内部相通，它与外磁钢、内磁传动轴均没有连接，起内外隔绝作用；
所说的内磁传动轴上附有内磁钢与外磁钢相对应，内磁传动轴被无磁密封套间隔并通过内轴承被固定。内磁传动轴的下端为圆杆，圆杆穿过反应器顶盖，伸入反应器中并与组合式浆叶组件相连接；
所说的导磁筒包裹在外磁钢外但不与外磁钢相连接，起保护作用；
所说的组合式浆叶组件包括连接在内磁传动轴上的搅拌轴以及三层浆叶，下两层浆叶为斜叶提升式浆叶，使流体产生轴向流，大大降低搅拌浆叶导致的流体剪切力，上层浆叶为弯叶透平浆，可使流体产生径向流，强化了反应器内的传质和混合。
本发明的反应器是这样运行的：
电机驱动外磁钢，依靠磁力带动内磁钢从而驱动内磁传动轴，从而带动组合式浆叶组件的转动。无磁密封套和导磁筒是固定件，其中无磁密封套起内外隔绝作用，导磁筒用来保护外磁钢。
由上述公开的技术方案可见，外磁钢和内磁传动轴之间以全封闭的无磁密封套分隔开，彻底隔绝了微生物或其它污染物由搅拌***进入生物反应器的通道，消除了由此而导致的污染机会，本发明结构简单，传递功率大，反应器内的物料混合均匀，能够满足细胞培养产业化发展的需要。
附图说明
图1为生物反应器***的结构示意图。
图2为全封闭的磁力传动装置结构示意图。
图3为组合式浆叶组件。
图4为弯叶透平浆俯视图。
图5为供气***示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明的生物反应器***包括：
用于传动反应器搅拌轴的全封闭的磁力传动装置101；
与反应器通过管线相连接的混合室102；
与混合室102通过管线相连接的供气***103；
参见图2，所说的全封闭的磁力传动装置包括上轴承(1)、下轴承(6)、内磁传动轴(2)、无磁密封套(3)、外磁钢(4)和导磁筒(5)、内轴承(7)、组合式浆叶组件；
所说的外磁钢(4)设置在无磁密封套(3)外、上轴承(1)和下轴承(6)之间；由外部的马达驱动，作为整个搅拌***的动力源；
所说的无磁密封套(3)的底端与反应器的顶盖(203)密封连接，无磁密封套(3)是一个固定的、全封闭的套筒，它与外磁钢(4)、内磁传动轴(2)均没有连接，起内外隔绝作用；
所说的内磁传动轴(2)上附有内磁钢(201)与外磁钢相对应，内磁传动轴(2)被无磁密封套(3)间隔并通过内轴承(7)被固定。内磁传动轴(2)的下端为圆杆(202)，圆杆(202)穿过反应器顶盖(203)，伸入反应器中并与组合式浆叶组件(8)相连接；
所说的导磁筒(5)包裹在外磁钢(4)外，起保护作用；
参见图3和图4，所说的组合式浆叶组件包括连接在内磁传动轴(2)上的搅拌轴以及三层浆叶，下两层浆叶(501)为斜叶提升式浆叶，上层浆叶(502)为弯叶透平浆，斜叶提升式浆叶的斜面与水平面之间的角度α为20°-40°，弯叶透平浆浆叶(502)的圆弧半径为250mm。
参见图5，所说的供气***103包括一端分别与空气气源、氧气气源、氮气气源和二氧化碳气源相连接、另一端与混合室102的管线，管线上设有电磁阀601和止逆阀602，止逆阀的作用是在四种气体压力不平衡的情况下防止某一种或几种压力较高的气体过量通入，而使其它压力较低的气体无法进入反应器；气体混合室则起到了缓冲的作用，避免了反应器内pH和溶氧的锯齿状波动。

Claims (3)

1.一种用于动物大规模细胞培养的生物反应器***，包括：
用于传动反应器搅拌轴的全封闭的磁力传动装置(101)；
与反应器通过管线相连接的气体混合室(102)；
与混合室(102)通过管线相连接的供气***(103)；
其特征在于，所说的全封闭的磁力传动装置包括上轴承(1)、下轴承(6)、内磁传动轴(2)、无磁密封套(3)、外磁钢(4)和导磁筒(5)、内轴承(7)、组合式浆叶组件；
所说的外磁钢(4)设置在无磁密封套(3)外、上轴承(1)和下轴承(6)之间；由外部的马达驱动，作为整个搅拌***的动力源；
所说的无磁密封套(3)的底端与反应器的顶盖(203)密封连接，无磁密封套(3)是一个固定的、全封闭的套筒，它与外磁钢(4)、内磁传动轴(2)均没有连接，起内外隔绝作用；
所说的内磁传动轴(2)上附有内磁钢(201)与外磁钢相对应，内磁传动轴(2)被无磁密封套(3)间隔并通过内轴承(7)被固定，内磁传动轴(2)的下端为圆杆(202)，圆杆(202)穿过反应器顶盖(203)，伸入反应器中并与组合式浆叶组件相连接；
所说的导磁筒(5)包裹在外磁钢(4)外，起保护作用；
所说的组合式浆叶组件包括连接在内磁传动轴(2)上的搅拌轴以及三层浆叶，下两层浆叶(501)为斜叶提升式浆叶，上层浆叶(502)为弯叶透平浆；
所说的供气***(103)包括一端分别与空气气源、氧气气源、氮气气源和二氧化碳气源相连接、另一端设有与混合室(102)相连接的管线，管线上设有电磁阀(601)和止逆阀(602)。
2.根据权利要求1所述的用于动物大规模细胞培养的生物反应器***，其特征在于，斜叶提升式浆叶的斜面与水平面之间的角度α为20°-40°。
3.根据权利要求2所述的用于动物大规模细胞培养的生物反应器***，其特征在于，弯叶透平浆浆叶(502)的圆弧半径为250mm。
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