CN204981851U - 旋转式生物反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种旋转式生物反应器，包括具有容纳凹部的底座、以及与该底座相适配的顶盖；底座的容纳凹部内设有可拆卸的细胞培养盒，且细胞培养盒内具有阶梯柱形的细胞培养空间；底座上还设有用于驱动该底座以底座中轴线为轴进行自转的驱动装置。采用本实用新型的上述旋转式生物反应器，相比常规的发酵罐，通过培养盒可以满足不同个性化个体细胞培养的要求，及培养过程从小量到大量的过度。在上述结构改变之后，整体上相比通常的一体式的不锈钢发酵罐重量上能大大降低，通过常规的电机或马达等驱动装置便可以很容易地使底座进行自转搅拌，避免了常规发酵罐用涡轮式旋流或者是搅拌棒搅拌等方式产生的机械冲击和剪切力造成的细胞损伤。

Description

旋转式生物反应器

技术领域

本实用新型属于生物工程设备技术领域，具体涉及一种旋转式生物反应器。

背景技术

生物反应器是用来进行微生物培养、发酵中最常用的装置；其主体一般为用不锈钢板制成的主式圆筒，其容积在1m³至数百m³。采用现有的这些通常的生物反应器进行微生物培养时，反应器内的空间是均一的形态，都是在反应器内接种微生物菌种后直接进行大量培养。但是很多细胞培养的初期阶段细胞量小，同时又对培养密度有要求，而通常的生物反应器不太能实现小量培养到大量培养过度的这样的功能。

同时，现有通常的生物反应器的容器部分都是由不锈钢一体成型制备的，一方面消毒、灭菌和质检等操作不便，另一方面由于其整体体积和重量庞大，内部搅拌只能采用涡轮式旋流、气升式或者搅拌棒之类的方式进行，搅拌中的增大的剪切力和机械撞击容易造成细胞损伤，而不能进行最适合于细胞生长的低角度三维旋转搅拌。

实用新型内容

本实用新型实施的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种能从小量到大量的过度培养的旋转式生物反应器。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型实施例的技术方案如下：

一种旋转式生物反应器，包括具有容纳凹部的底座、以及与该底座相适配的顶盖；所述底座的容纳凹部内设有可拆卸的细胞培养盒，且该细胞培养盒内具有阶梯柱形的细胞培养空间；

所述底座上还设置有用于驱动该底座以底座中轴线为轴进行自转的驱动装置。

采用本实用新型的上述旋转式生物反应器，相比常规的发酵罐，通过上述阶梯柱形培养盒可以满足不同个性化个体细胞培养的要求，及培养过程从小量到大量的过度。在上述结构改变之后，整体上相比通常的一体式的不锈钢发酵罐重量上能大大降低，通过常规的电机或马达等驱动装置便可以很容易地使底座进行自转搅拌，避免了常规发酵罐用涡轮式旋流或者是搅拌棒搅拌等方式产生的机械冲击和剪切力造成的细胞损伤。

优选地，所述底座容纳凹部的内壁面上设有卡槽，所述细胞培养盒的外表面上设有与该卡槽适配的卡柱。

优选地，所述容纳凹部内还设有凹形的水浴加热件，且该水浴加热件的凹形空间的内壁面上与细胞培养盒的外形适配；所述细胞培养盒容置于所述水浴加热件的凹形空间内。

优选地，所述水浴加热件与底座一体设置。

优选地，所述细胞培养盒相对于顶盖的表面上设有进气孔，所述顶盖上设有与所述进气孔适配的充气针头；

和/或，所述细胞培养盒相对于顶盖的表面上设有用于添加培养液的加液孔，所述顶盖上设有与所述加液孔适配的加液针头。

优选地，所述旋转式生物反应器还包括从所述底座外表面贯穿至细胞培养盒内的取样管。

优选地，所述取样管上设置有用于打开和关闭该取样管的电控阀门。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1为本实用新型实施例旋转式生物反应器的结构示意图；

图2为图1中所示的培养盒的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实例提供一种旋转式生物反应器，参见图1所示，包括具有容纳凹部(图中由于容纳凹部内已经安装上了培养盒30，因此未单独标示出)的凹形底座10、以及与该底座10相适配并用于盖合底座10的顶盖20。

基于比较正常和通常的设计，底座10的外形可以采用常规的圆柱形的形状，这样的发酵罐的外形比较正常，相比其他的非正常形状，这种圆柱形形状也比较便于生产加工。底座10的容纳凹部内设置有用于培养细胞的培养盒30；当然，该培养盒30通过可拆卸的方式固定在容纳凹部内，同时为了便于稳定培养盒30的形状与底座10的容纳凹部的形状适配，相比形状不适配时的需要用固定连接件将培养盒30稳固的情形，可以减少采用固定连接件的零件成本和生产加工成本。且本案中采用的培养盒30，其轴向截面形状可以参见图1所示，培养盒30内部中空的培养空间是随着圆柱部分的直径增大而增大的阶梯柱形形状(即是由多个的柱形按直径逐渐增大的趋势轴向叠置组成的形状)，在添加不同的培养基的量后，不同位置的细胞所具有的相对空间宽敞度并不相同，尤其是最底部柱形直径最小的部分，其细胞所具有的相对空间和密度最大，所以在不同时期(比如早期阶段细胞量小但是又对培养密度有要求)根据需要控制添加不同的培养液量，可以实现从小量到大量进行过度。

而基于本实用的上述不采用紧固连接件而直接采用形状适配进行培养盒30固定的情形，培养盒30内的细胞培养空间形状呈阶梯柱形，那么基于该培养盒30的外形可以是任意的形状，但是基于正常生产和设计以及盒子的结构，本实用对应将培养盒的外形也设计成与内培养空间形状相同的阶梯柱形，其外形具体可以参见图2所示，培养盒30的壁厚度4cm左右即可。同时，由于培养盒30是安装在底座10的容纳凹部内，那么可以采用将底座10的容纳凹部内壁面形状也对应呈相适配的阶梯柱形形状(如果培养盒30的外形不采用上述优选的阶梯柱形，那么底座10的容纳凹部也对应可以进行更改；并且这一形状适配的方式是为了使培养盒30能较为稳定的安装在底座10的容纳凹部内，如果形状不适配，那么辅助一些连接紧固件将培养盒30固定即可，只是不如上述形状适配的安装方式简便而已)，当然如果是方柱形或者多边柱形，安装之后培养盒30的外形与容纳凹部自动形成卡合固定；如果是阶梯圆柱形，那么安装之后在培养的过程中(搅拌、震荡等等过程中)培养盒30会自转而不稳，那么可以辅助设置一些便于固定的结构，比如在培养盒30的外表面上设置沿培养盒30轴向的卡柱、对应在容纳凹部的内壁面上设置卡槽(卡柱、卡槽的固定结构是较为通常的固定结构，所以本案的附图中未进行标示和体现)，从而使培养盒30的紧固。当然，理论上上述柱槽固定的方式可以相反设置，在培养盒30的外表面上设置卡槽，而容纳凹部的内壁面上设置卡柱，但是由于培养盒30的壁上比较薄，设置卡槽之后会降低培养盒30的稳定性，所以实施中尽量不采用这一种方式进行。

采用该可拆卸的阶梯柱形的培养盒30进行细胞培养时，该培养盒30在密封良好的情况下，每一次进行完细胞发酵培养之后都可以单独拆卸出来进行清洗和灭菌、或者直接更换，相比现有通常的不锈钢一体成型制备的发酵罐明显更加便于清洗、消毒、灭菌和质检等操作。而且现有常规的发酵罐在对一些特殊性的细胞进行发酵培养时，比如一些代谢物呈酸性的细胞，其酸性代谢物会对不锈钢的内壁产生酸性腐蚀，而造成金属离子溶入培养液中，这些金属离子有一些是具有细胞毒性的；而采用本实用新型的生物反应器进行时，根据细胞毒性和细胞亲和性的不同的生长要求，可以对应采用不同材料的培养盒30进行，当培养的是上述酸性代谢物的细菌时，那么便可以采用聚合物树脂(比如聚苯乙烯材料)制成的培养盒30培养；如果是一些需要生物亲和环境才能良好生长的细胞，可以对应采用壳聚糖等生物材质制备的培养盒30进行；从而实现满足不同个性化个体细胞培养的要求。

采用本实用上述基本发酵罐的结构之后，其材质和结构都不必要如通常的不锈钢材质，底座10和顶盖20不直接接触培养的细菌，那么便可以采用一些轻质金属或者中空夹层的底座10和顶盖20进行，在重量大大降低之后，便可以在底座10的底部设置驱动装置40，驱动其以圆柱形底座10的中轴线为轴进行自转从而实现细胞的搅拌；驱动装置40可以用常规的电机、马达等等实现。这样的自转搅拌更加贴近于低角度三维旋转搅拌，避免了常规发酵罐用涡轮式旋流、气升式或者是搅拌棒搅拌的方式对细胞产生的机械冲击和剪切力造成的细胞损伤。

进一步在上述实施方式的基础上，本实用的上述细胞培养主要是在培养盒30内的空间进行，其内部空间是与底座10是分隔的，常规的发酵罐中采用直接对罐体进行的温度检测和控制不太适合于这一种情形；基于这一目的，在培养盒30与容纳凹部之间设置有一水浴加热件50；通过该水浴加热件50对培养盒30进行加热和保存，使其内部的温度恒定。基于可实施的方式，该水浴加热件50的形状可以参考底座10进行，采用凹形性状设计；实施的过程中将上述培养盒30容置于该水浴加热件50的凹形空间内，通过恒温(或者变温)的水浴环境控制发酵培养过程中的温度。当然，基于这一种实施的方式，为了要使温度传导的效果良好，那么可以使培养盒30紧贴在水浴加热件50的凹形空间内，实施中采用将水浴加热件50的凹形空间设计成与培养盒30的阶梯柱外形适配，然后将培养盒30容置于该水浴加热件50内即可。

当然，基于上述培养盒30与底座10的容纳凹部的固定方式可知，可能培养盒30的表面上具有一些固定结构(比如卡柱、或者是连接紧固件)，那么在上述适配的过程中，水浴加热件50的凹形空间与培养盒30适配时，设计成能供这些固定结构的穿过通孔等等即可，这样即可良好适配。

而进一步，由于水域加热件50本身也需要固定在底座10内，所以依然也可以采用固定连接件，或者是将水域加热件50的外形设计成与底座10的容纳凹部的性状相同适配，那么直接将水域加热件50放置在底座10内即可简单固定。由于在实施的过程中，该水浴加热件50使用的过程中用金属材质制备，以方便导热，同时由于其不需要拆卸，所以该水浴加热件50可以采用与底座10直接制成一体，更加稳定、不会出现松动磨损等问题。

由于采用加热电路成本和配套电源设备而实现水浴加热件50自身发热的方式，在封闭的底座10内不利于实施，所以基于上述目的，本案中优选采用将水浴加热件50自身设计成中空结构，中空内用来储水，同时在水浴加热件50上开设进水口和出水口，并且在底座10内设置与出水口和进水口对接的进水管道和出水管道，之后便可以在水浴加热件50内形成出水和进水循环(如图1中的箭头所示)，根据细胞培养过程中的不同温度要求充入不同温度的水，便可以实现良好的温控效果。

进一步在上述生物反应器所具有的基础结构上，为了更进一步便于培养过程中的加料、通气等操作，上述培养盒30顶部与顶盖20相对的表面上开设有加气孔31和加液孔32，同时对应这两个孔，顶盖20与培养盒30相对的表面上设置加气针头21和加液针头22。整个发酵罐安装之后顶盖20的加气针头21对准加气孔31、加液针头22对准加液孔32之后合上顶盖20；然后如通常发酵罐类似用气管和液管连接加气针头21和加液针头22，之后便可以利用加气针头和二氧化碳浓度感应以及湿度感应器来控制反应容器内的二氧化碳浓度和湿度；以及通过加液针头22向培养盒30内添加补充培养基。当然，在实施的过程中该加液针头22要采用双孔针头，针头上的一个孔用于加液，而另一个孔用于在加液的同时排出空气，用以平衡培养盒30内的气压，防止高压爆裂。并且，基于加气孔31和加液孔32要自行封闭且要与针头适配，所以实施的过程中可以采用记忆橡胶孔制备，比较符合这一使用的情形要求。

同时，进一步为了便于发酵培养过程中的细胞取样和检测，本实用新型旋转式生物反应器还包括一从底座10外贯穿至培养盒30内的取样管11；当然，为了便于能利于正常的取样操作，培养盒30供取样管11穿过的通孔可以开设在培养盒30的底部位置。并且，由于取样管11只在需要的时候开启以便进行取样等操作，所以在其上设置一个控制阀门(这个是较为通常的部件，所以本案附图中未示出)；控制取样管11的打开或关闭，通常培养的过程中关闭阀门；而在需要取样等操作时，打开阀门使取样管11导通进行取样等操作。

在上述实施方式中，顶盖20自身可以采用中空的半球形结构进行，内部的中空用来设置上述加液和加气的管道部件，以避免将管道部件设置在旋转式生物反应器外从而导致在旋转搅拌过程中容易产生的缠绕等问题。

采用上述旋转式生物反应器在进行细胞发酵培养的过程中，完成的操作流程可以按照先对应上述针、孔等对应位置组装固定各部件。然后，通过取样管11把初始培养液和细胞泵入培养盒30内，打开开关，按照设定程序开始培养操作。在培养的过程中，通过加气针头21和加液针头22进行二氧化碳浓度、湿度、以及培养液量的添加和控制；同时随时还可以通过取样管11来取样计数细胞，实施获取细胞密度等便于掌控培养情况变化；培养完成后通过取样管11来收集发酵培养产物。

采用本实用新型的上述旋转式生物反应器，相比常规的发酵罐，通过上述阶梯柱形培养盒可以满足不同个性化个体细胞培养的要求，及培养过程从小量到大量的过度。在上述结构改变之后，整体上相比通常的一体式的不锈钢发酵罐重量上能大大降低，通过常规的电机或马达等驱动装置便可以很容易地使底座进行自转搅拌，避免了常规发酵罐用涡轮式旋流或者是搅拌棒搅拌等方式产生的机械冲击和剪切力造成的细胞损伤。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种旋转式生物反应器，包括具有容纳凹部的底座、以及与该底座相适配的顶盖；其特征在于，所述底座的容纳凹部内设有可拆卸的细胞培养盒，且该细胞培养盒内具有阶梯柱形的细胞培养空间；

所述底座上还设置有用于驱动该底座以底座中轴线为轴进行自转的驱动装置。

2.如权利要求1所述的旋转式生物反应器，其特征在于，所述底座容纳凹部的内壁面上设有卡槽，所述细胞培养盒的外表面上设有与该卡槽适配的卡柱。

3.如权利要求1或2所述的旋转式生物反应器，其特征在于，所述容纳凹部内还设有凹形的水浴加热件，且该水浴加热件的凹形形状与细胞培养盒的外形适配；

所述细胞培养盒容置于所述水浴加热件的凹形空间内。

4.如权利要求3所述的旋转式生物反应器，其特征在于，所述水浴加热件与底座一体设置。

5.如权利要求1或2所述的旋转式生物反应器，其特征在于，所述细胞培养盒相对于顶盖的表面上设有进气孔，所述顶盖上设有与所述进气孔适配的充气针头；

和/或，所述细胞培养盒相对于顶盖的表面上设有用于添加培养液的加液孔，所述顶盖上设有与所述加液孔适配的加液针头。

6.如权利要求1或2所述的旋转式生物反应器，其特征在于，所述旋转式生物反应器还包括从所述底座外表面贯穿至细胞培养盒内的取样管。

7.如权利要求6所述的旋转式生物反应器，其特征在于，所述取样管上设置有用于打开和关闭该取样管的电控阀门。