CN103266182A - 一种塔板型灌注式生物反应器的调节方法及其使用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗器械中的生物反应器技术领域，更具体地，涉及一种塔板型灌注式生物反应器的调节方法及其使用装置。一种塔板型灌注式生物反应器的调节方法，包括以下步骤：S1.调节各层塔板上的调节阀；S2.在相同流体入口结构参数下培养细胞；S3.确定培养效果最优的塔板层数N；S4.计算第N层塔板面上流体的流速M；S5.计算各层塔板间流体入口的结构参数A(i)；S6.调节各层塔板上的调节阀；S7.细胞继续在调节后的各层塔板面上培养。本发明使得灌注式生物反应器中塔板各层内入流口的结构参数可调，从而可以从几何结构上调节塔板各层间的流体剪切力，为各层塔板中流体剪切力的分布提供优化途径，从而可实现塔板所有层间的流体剪切力都达到最优。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械中的生物反应器技术领域，更具体地，涉及一种塔板型灌注式生物反应器的调节方法及其使用装置。
背景技术
现有生物反应器的结构如图1所示，其功能是在体外制造一个与体内相似的环境，以加速培养细胞、形成组织乃至器官的***，可广泛应用于器官缺损患者替代、构建、保持或增强其组织功能，以及生物制药等领域。其原理为根据细胞在体内生长微环境的生理、物理、化学特性，利用工程技术，在体外构建一套装置，使其能提供与体内相近的微环境，以利于细胞在该体外微环境中进行增殖、分化，以及形成组织乃至器官。
图1为现有的灌注式生物反应器的结构示意图，图1中，培养液储存罐2中的培养液通过导管由蠕动泵6抽取到培养罐7中支架8的入口，透过支架8，流入到培养罐7中，培养罐7中的培养液通过导管由蠕动泵4从培养罐7中抽出，通过三通阀5，回流到培养液储存罐2或从导管3流入废弃液储存罐1中。含有氧气的气体从导气管9中加到培养液中，培养液中的废气也可通过导气管9排出。支架8多为多孔介质材料，种植在支架8内的细胞与流过支架的培养液之间存在营养物质与新陈代谢***物的交换过程。细胞可在反应器中进行大规模增殖，也可进而进行细胞分化。
为在生物反应器中实现放大培养，现有的可行方案为将图1中的支架8用一种塔板装置实现，如图2所示，将一组平板通过穿过平板中心的导流管12平行地组装在一起，外形呈塔形，称为塔板13。塔板13竖直地放置在充满培养液的反应釜10内，培养液从培养液入口11流入反应釜10内，再从塔板13的层间流向塔板内导流管12侧壁上的孔，再从塔板内导流管12的管内流向培养液出口14，从而在塔板13的各层面上形成流动的灌注流，塔板13各层面上流体流动的速度，对塔板内细胞培养的效果有重要影响。
竖直放置在充满培养液的反应釜10内的塔板13，随着液面下深度的增加，所受的液体静压力也会增加，图2中塔板13内导流管12侧壁上孔的几何结构参数如果都相同，则塔板13不同层面上的流体因液体静压力的不同而产生不同的流速，从而导致不同塔板13层面上细胞培养的效果不同，使得采用塔板型的放大培养方式获得的细胞培养效果不一致。即现有塔板型灌注式生物反应器主要存在以下不足：
（1）现有塔板型灌注式生物反应器在采用塔板装置进行放大培养时，会获得不一致的流体剪切力作用效果。
（2）现有塔板型灌注式生物反应器不能调节其关键的结构参数，难以获得一致性的流体流速产生的流体剪切力。
（3）现有塔板型灌注式生物反应器在放大培养上缺乏结构参数优化方法，难以实现在各层塔板间都获得对细胞培养最优的流体剪切力。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种塔板型灌注式生物反应器的调节方法，其可解决细胞在放大培养过程中对流体流速产生的流体剪切力的一致性问题，进一步的，提供其使用装置，该装置结构简单，易于安装旋转调节。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种塔板型灌注式生物反应器的调节方法，其中包括以下步骤：
S1. 调节各层塔板上的调节阀，使各层塔板间具有相同的流体入口结构参数；将塔板竖直放置在充满培养液的培养罐内，种植在塔板上的细胞在循环流动灌注的培养液内进行培养；
S2. 在相同流体入口结构参数下培养细胞；由于培养液流经各层塔板的结构参数相同，使得培养液在各层塔板上的流速仅受各层塔板在培养液中液面下的深度影响，即不同深度的培养液具有的不同液体静态压力作为影响不同塔板层面上培养液流动速度的唯一因素；
S3. 观察各层塔板上细胞的培养状况，确定培养效果最优的塔板层数N；
S4. 使用流体仿真软件CFD，计算第N层塔板面上流体的流速M；流体仿真软件CFD（computational fluid design计算流体设计，是一种通用软件）；
S5. 使用流体仿真软件CFD，以流速M为计算目标，计算各层塔板间流体入口的结构参数A(i)，i为塔板的层数；
S6. 按照计算出的各层塔板间的流体入口结构参数A(i)，调节各层塔板上的调节阀，使各层塔板上流体入流口的几何结构参数符合参数A(i)；所述结构参数A(i),为第i层塔板间塔板内导流管外壁面上导流口上的入流截面积。
S7. 细胞继续在调节后的各层塔板面上培养。调节后的各层塔板面上，将具有相同的培养液流动速度，从而具有相同的最优流体剪切力，实现了塔板结构参数的一致且最优调节。
通过通过步骤S6，克服步骤S2中液体静压力对不同液深下的塔板层间流体流速的影响导致的各层塔板间流体流速的不一致性，从而在不同的塔板层间获得一致性的流体剪切力。以步骤S3获得放大培养中最优培养效果的参考结构，通过步骤S5获得各层塔板的最优结构参数，在步骤S6中按照最优结构参数调节出塔板各层间一致性的最优流体剪切力。
在塔板型灌注式生物反应器的塔板结构中，本发明提出的设计方法使其关键的几何结构参数可调，从而使得塔板中流体的流速可调，进而调节塔板面上流体的流体剪切力。塔板面上种植的细胞的培养效果，受其流体剪切力的影响作用显著。
一种塔板型灌注式生物反应器的调节装置，包括导流管，导流管的外壁上设有多个导流口，其中，还包括调节阀和塔板，塔板设于调节阀上，调节阀设于导流管的外壁上，所述的调节阀设有多个用于遮挡导流口的调节挡板。关键的几何结构参数为导流口的大小，该结构参数能影响塔板层间的培养液流向塔板导流管内的流动流速。本发明中，可旋转调节阀，调节挡板遮挡导流口，从而可以改变该导流口的入流截面积大小，进而调节培养液流入该导流口的流动速度。
进一步的，调节阀设有内环面，内环面紧贴导流管的外壁；调节挡板上开有固定螺孔，螺丝穿过固定螺孔将调节阀与导流管固定。调节阀套入导流管外部，调节阀可旋转调节，进而通过调节挡板遮挡导流口，当调节位置合适时，用螺丝穿过固定螺孔将调节阀与导流管固定。
进一步的，所述的调节阀主体为圆环状结构，调节挡板设于调节阀主体的上表面。所述的调节阀还设有支撑底面，支撑底面支撑塔板。装配时，调节阀套入导流管外部，调节阀可旋转调节，支撑底面可支撑塔板，调节阀主体为圆环状结构与塔板的形状相匹配，安装方便。
具体的，所述的调节挡板为矩形结构，调节挡板数量为6个，其沿内环面的圆周设置，相邻调节挡板之间的圆心角为60度。调节挡板的高度决定塔板间的高度，旋转调节阀，使得调节挡板部分遮挡塔板内导流管外壁上导流口，从而可以调节流体进入该导流口的截面积大小，该截面积大小即为塔板结构的关键结构参数，调节该参数可以实现塔板内流体流速的调节。
进一步的，所述的导流管的底端还设有汇流口。培养液从塔板的层间流向塔板内导流管外壁上的导流口，再通过导流管内的管径方向向下流动从导流管的汇流口流出。
与现有技术相比，有益效果是：
1）、使得塔板型灌注式生物反应器在进行放大培养时，可以获得一致性的流体剪切力作用。
克服了采用塔板结构进行放大培养方法中，不同塔板层面上因不同的液体静压力导致的塔板层间流体流速的差异性影响，使得各层塔板间流体的流速到达一致性。
2）、实现了塔板关键结构参数可方便调整调，为通过调节结构参数获得塔板内一致性的流体剪切力提供了途径。
现有的塔板结构因塔板层间流体的入流口截面积固定不变，使得不同层塔板间因不同液体静压力导致的塔板层间流体流速的差异难以调整。本发明提出的塔板层间流体的入流口截面积是可调的，从而可以调整各层塔板间流体的流速，为各层塔板间流体的流体趋向一致性提供了途径。
3）、实现了用塔板型灌注式生物反应器进行放大培养时的流体剪切力的最优化调节。
本发明提出的调节方法是以塔板中细胞培养效果最优的一层塔板上的流体剪切力为参考调节目标，通过调节各层塔板的结构参数，使得所有塔板上的流体剪切力都与该最优层的流体剪切力一致，从而使得各层塔板上的流体剪切力都达到最优，因此，是一种最优化的调节方法。
附图说明
图1是现有的灌注式生物反应器整体示意图。
图2是现有的塔板型灌注式生物反应器中反应釜与塔板结构示意图。
图3是本发明的调节方法的流程示意图。
图4是本发明的导流管结构示意图。
图5是本发明的调节阀结构示意图。
图6是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
如图3所示，一种塔板型灌注式生物反应器的调节方法，其中包括以下步骤：
S1. 调节各层塔板上的调节阀，使各层塔板间具有相同的流体入口结构参数；将塔板竖直放置在充满培养液的培养罐内，种植在塔板上的细胞在循环流动灌注的培养液内进行培养；
S2. 在相同流体入口结构参数下培养细胞；由于培养液流经各层塔板的结构参数相同，使得培养液在各层塔板上的流速仅受各层塔板在培养液中液面下的深度影响，即不同深度的培养液具有的不同液体静态压力作为影响不同塔板层面上培养液流动速度的唯一因素；
S3. 观察各层塔板上细胞的培养状况，确定培养效果最优的塔板层数N；
S4. 使用流体仿真软件CFD，计算第N层塔板面上流体的流速M；流体仿真软件CFD（computational fluid design计算流体设计，是一种通用软件）；
S5. 使用流体仿真软件CFD，以流速M为计算目标，计算各层塔板间流体入口的结构参数A(i)，i为塔板的层数；
S6. 按照计算出的各层塔板间的流体入口结构参数A(i)，调节各层塔板上的调节阀，使各层塔板上流体入流口的几何结构参数符合参数A(i)；所述结构参数A(i),为第i层塔板间塔板内导流管外壁面上导流口上的入流截面积。
S7. 细胞继续在调节后的各层塔板面上培养。调节后的各层塔板面上，将具有相同的培养液流动速度，从而具有相同的最优流体剪切力，实现了塔板结构参数的一致且最优调节。
通过通过步骤S6，克服步骤S2中液体静压力对不同液深下的塔板层间流体流速的影响导致的各层塔板间流体流速的不一致性，从而在不同的塔板层间获得一致性的流体剪切力。以步骤S3获得放大培养中最优培养效果的参考结构，通过步骤S5获得各层塔板的最优结构参数，在步骤S6中按照最优结构参数调节出塔板各层间一致性的最优流体剪切力。
在塔板型灌注式生物反应器的塔板结构中，本发明提出的设计方法使其关键的几何结构参数可调，从而使得塔板中流体的流速可调，进而调节塔板面上流体的流体剪切力。塔板面上种植的细胞的培养效果，受其流体剪切力的影响作用显著。
如图4－6所示，一种使用所述方法的调节装置，包括导流管20，导流管20的外壁上设有多个导流口21，其中，还包括调节阀30和塔板40，塔板40设于调节阀30上，调节阀30设于导流管20的外壁上，调节阀30设有多个用于遮挡导流口21的调节挡板32。关键的几何结构参数为导流口21的大小，该结构参数能影响塔板层间的培养液流向塔板40导流管20内的流动流速。本发明中，可旋转调节阀30，调节挡板32遮挡导流口21，从而可以改变该导流口21的入流截面积大小，进而调节培养液流入该导流口21的流动速度。
调节阀设有内环面33，内环面33紧贴导流管20的外壁；调节挡板32上开有固定螺孔31，螺丝穿过固定螺孔31将调节阀30与导流管20固定。调节阀30套入导流管20外部，调节阀30可旋转调节，进而通过调节挡板32遮挡导流口21，当调节位置合适时，用螺丝穿过固定螺孔31将调节阀30与导流管20固定。
本实施例中，调节阀主体为圆环状结构，调节挡板32设于调节阀主体的上表面。所述的调节阀还设有支撑底面34，支撑底面34支撑塔板40。装配时，调节阀套入导流管外部，调节阀30可旋转调节，支撑底面34可支撑塔板40，调节阀主体为圆环状结构与塔板的形状相匹配，安装方便。
本实施例中，调节挡板32为矩形结构，调节挡板32数量为6个，其沿内环面33的圆周设置，相邻调节挡板32之间的圆心角为60度。调节挡板32的高度决定每层塔板40间的高度，旋转调节阀30，使得调节挡板32部分遮挡塔板内导流管外壁上导流口21，从而可以调节流体进入该导流口21的截面积大小，该截面积大小即为塔板结构的关键结构参数，调节该参数可以实现塔板内流体流速的调节。
导流管20的底端还设有汇流口22。培养液从塔板40的层间流向塔板内导流管外壁上的导流口21，再通过导流管内的管径方向向下流动从导流管20的汇流口22流出。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种塔板型灌注式生物反应器的调节方法，其特征在于包括以下步骤：
S1. 调节各层塔板上的调节阀，使各层塔板间具有相同的流体入口结构参数；
S2. 在相同流体入口结构参数下培养细胞；
S3. 观察各层塔板上细胞的培养状况，确定培养效果最优的塔板层数N；
S4. 使用流体仿真软件CFD，计算第N层塔板面上流体的流速M；
S5. 使用流体仿真软件CFD，以流速M为计算目标，计算各层塔板间流体入口的结构参数A(i)，i为塔板的层数；
S6. 按照计算出的各层塔板间的流体入口结构参数A(i)，调节各层塔板上的调节阀，使各层塔板上流体入流口的几何结构参数符合参数A(i)；
S7. 细胞继续在调节后的各层塔板面上培养。
2.一种使用权利要求1所述方法的调节装置，包括导流管（20），导流管（20）的外壁上设有多个导流口（21），其特征在于，还包括调节阀（30）和塔板（40），塔板（40）设于调节阀（30）上，调节阀（30）设于导流管（20）的外壁上，所述的调节阀（30）设有多个用于遮挡导流口（21）的调节挡板（32）。
3.根据权利要求2所述的一种塔板型灌注式生物反应器的调节装置，其特征在于，调节阀（30）设有内环面（33），内环面（33）紧贴导流管（20）的外壁；调节挡板（32）上开有固定螺孔，螺丝穿过固定螺孔将调节阀（30）与导流管（20）固定。
4.根据权利要求3所述的一种塔板型灌注式生物反应器的调节装置，其特征在于，所述的调节阀（30）主体为圆环状结构，调节挡板（32）设于调节阀（30）主体的上表面。
5.根据权利要求4所述的一种塔板型灌注式生物反应器的调节装置，其特征在于，所述的调节挡板（32）为矩形结构，调节挡板（32）数量为6个，其沿内环面（33）的圆周设置，相邻调节挡板（32）之间的圆心角为60度。
6.根据权利要求5所述的一种塔板型灌注式生物反应器的调节装置，其特征在于，所述的调节阀（30）还设有支撑底面（34），支撑底面（34）支撑塔板（40）。
7.根据权利要求2所述的一种塔板型灌注式生物反应器的调节装置，其特征在于，所述的导流管（20）的底端还设有汇流口（22）。
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