CN206887129U - 一次性气升式细胞培养反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种一次性气升式细胞培养反应器，包括：密闭袋，具有一密闭性腔体，该密闭袋具有与所述密闭性腔体连通的进料口；支撑体，可拆卸连接于所述密闭袋，并支撑所述密闭性腔体；气升组件，包括末端***在所述密闭性腔体内部的进气管路和设置于密闭性腔体内部的气体分布器，所述气体分布器连通于所述进气管路的末端。本新型设计的反应器结构简单、无需灭菌、可快速安装，无需后续的维护保养，大大降低了生产成本。此外，此种反应器利用通气混合的原理，将剪切力降低至最低，更易实现从实验室级别到工业级别的放大。

Description

一次性气升式细胞培养反应器

技术领域

本实用新型属于动物细胞培养技术领域，特别是涉及一种一次性气升式细胞培养反应器。

背景技术

随着生物技术突飞猛进的发展，利用动物细胞生产疫苗、生长因子、单克隆抗体等高附加值医药产品具有广阔的市场前景。因此，动物细胞反应器成为生物制药行业中的核心设备。在动物细胞反应器领域，人们大多集中于机械搅拌式生物反应器，但该反应器存在剪切力大、结构复杂、易染菌等风险。目前，气升式生物反应器开始受到人们的普遍关注。气升式生物反应器的气体喷嘴喷出的大量气体，气体以气泡的形式分布在反应器内，通气一侧的液体平均密度小于不通气一侧的液体平均密度，密度差促进流体有序循环。由于其独特的流体力学特点，气升式生物反应器具有以下优点：结构简单，无内部构件；传热效率高，能量耗散均匀；供气效率高，流化效果极佳；液体中的剪切力小。

传统的气升式生物反应器多采用玻璃、钢、不锈钢材质制成。玻璃材质的气升式生物反应器易于培养观察，但玻璃易碎、耐压效果差、不安全；不锈钢或钢材质的气升式生物反应器培养效果好，但前期需要大量的投资，且清洗及灭菌耗时耗能，以及仍存在被残余有机物污染的风险。

此外，尽管传统的气升式生物反应器也可获得较高含量的目标产物，但是生产水平极其低下。导致细胞生产水平低下的主要原因，表面上看为动物细胞生长速率低，其深层原因实际为培养成本居高不下。在实际运行过程中，动物细胞培养每年运行批次一般为10～30次。这表明制约气升式生物反应器发展的是经济成本，而不是生物因素。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有的气升式生物反应器的不足，提供了一种结构简单、便于安装操作、无需清洗灭菌的一次性气升式生物细胞培养反应器。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型实施例公开一种一次性气升式细胞培养反应器，包括：

密闭袋，具有一密闭性腔体，该密闭袋具有与所述密闭性腔体连通的进料口；

支撑体，可拆卸连接于所述密闭袋，并支撑所述密闭性腔体；

气升组件，包括末端***在所述密闭性腔体内部的进气管路和设置于密闭性腔体内部的气体分布器，所述气体分布器连通于所述进气管路的末端。

优选的，在上述的一次性气升式细胞培养反应器中，还包括设置于所述密闭性腔体内的导流筒和导流罩，该导流筒竖直设置，并具有轴向相通的腔体，所述导流罩连通于导流筒的底端，所述导流罩的口径沿远离导流筒方向渐性减小，所述气体分布器位于所述导流罩围成的空间内。

优选的，在上述的一次性气升式细胞培养反应器中，所述支撑体具有一顶端开口的固定腔体，所述密闭袋支撑于所述固定腔体内。

优选的，在上述的一次性气升式细胞培养反应器中，所述密闭袋的外侧通过凸伸的多个卡扣可拆卸安装于所述支撑体的顶端边缘或内壁上。

优选的，在上述的一次性气升式细胞培养反应器中，还包括温度控制组件，该温度控制组件包括设置于密闭袋上的温度传感器，以及形成于所述支撑体与密闭袋的接触面上的夹层空间，该夹层空间的上下端分别形成有出水口和进水口。

优选的，在上述的一次性气升式细胞培养反应器中，还包括pH控制组件，该pH控制组件包括设置于密闭袋上的pH传感器、以及与所述密闭性腔体连通的酸液入口、碱液入口。

优选的，在上述的一次性气升式细胞培养反应器中，所述进料口设置于密闭袋顶端，所述进料口包括基础培养基入口、补料培养基入口和接种口。

优选的，在上述的一次性气升式细胞培养反应器中，所述密闭袋的底端还设置有与所述密闭性腔体连通的出料口和取样口。

优选的，在上述的一次性气升式细胞培养反应器中，所述密闭袋的材质选自聚碳酸酯、聚酯、含氟聚合物、丙烯酸、PET、聚氯乙烯、ABS、PC、PS、GAG、亚克力或聚烯烃。

优选的，在上述的一次性气升式细胞培养反应器中，所述密闭袋的底部还设置有称重组件。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

(1)、本新型所需的材质为低成本的塑料材质，无机械搅拌组件，并且不需要SIP(在线消毒)和CIP(在线清洗)、设备的维修和检修等操作，从而降低了前期投资成本和后期维护成本。

(2)、一次性气升式反应器只是发生传氧、传热、传质反应，这种气动式流体混合和供氧***更易放大。

(3)、一次性气升式反应器是预先灭菌，操作人员无需经过***的培训即可快速安装，具有强大的灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本实用新型具体实施例中支撑体的结构示意图；

图2所示为本实用新型具体实施例中反应器结构的前视图；

图3所示为本实用新型具体实施例中反应器结构的后视图；

图4所示为本实用新型具体实施例中反应器中PK-15细胞的生长动力学比较曲线图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。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的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。

结合图1至图3所示，一次性气升式细胞培养反应器包括密闭袋10、支撑体20和气升组件30。

密闭袋10具有一密闭性腔体，该密闭袋10具有与密闭性腔体连通的进料口。

密闭袋10可以为不同的形状。例如，可以为平行六面体、圆柱体，优选圆柱体。在悬浮细胞培养过程中，细胞趋于聚集成团，比单细胞个体更易沉降，因此密闭袋底部优选圆形拐角，避免死角的产生。密闭袋的高径比优选为1～5。

密闭袋为柔性、半刚性、刚性的一次性材料制成的密闭性腔体，腔体的内部空间作为流体无菌培养的容器。进一步的，一次性材料不限于聚碳酸酯、聚酯、含氟聚合物、丙烯酸、PET、聚氯乙烯、ABS、PC、PS、GAG、亚克力、聚烯烃，优选的材料为聚烯烃，更优选的是聚乙烯。

在优选的实施例中，密闭袋10是由柔性的聚乙烯塑料制成圆柱形密闭性腔体，体积为50L，有效体积为35L，高径比为2.4，腔体内部可充装液体培养基。

支撑体20可拆卸连接于密闭袋10，并支撑密闭性腔体。

支撑体20可以由刚性的塑料或不锈钢材质构成，置于密闭袋内部或外部，支撑密闭袋成型。

进一步的，当在密闭袋中加入液体时，若无支撑体，则密闭袋外形会展开，而藉由支撑体，可以将使密闭袋形状固定。

支撑体20的材料选择以其材料的刚性强度和硬度性质决定；在密闭袋两侧固定卡扣101与支撑体扣连，固定和支撑密闭袋；支撑体20结构可固定或以台车的方式移动。

在优选的实施例中，支撑体20采用不锈钢材质，其具有一顶端开口的固定腔体201，密闭袋10支撑于固定腔体201内。

气升组件30包括末端***在密闭性腔体内部的进气管路301和设置于密闭性腔体内部的气体分布器302，气体分布器302连通于进气管路301的末端。

气体分布器上均匀分布通气孔，通气孔孔径小于载体的直径，这既能满足细胞的供氧需求又能避免气泡破裂造成的伤害。气体分布器32不限于环形气体分布器、圆盘式气体分布器、单管式气体分布器。通气管与气体分布器连接一端设有从上到下方向的单向阀，防止液体倒流。前述载体是业界已知的，具体而言，其主要是细胞培养中所使用的一类无毒性、非刚性、密度均一、通常是透明的小颗粒，能使依赖贴壁的细胞在悬浮培养时贴附在颗粒表面繁殖成单层细胞颗粒。

进气管路301上设置有质子流量计。

密闭性腔体内设置有导流组件，导流组件包括导流筒102和导流罩103，该导流筒102竖直设置，并具有轴向相通的腔体，导流罩103连通于导流筒的底端，导流罩103的口径沿远离导流筒方向渐性减小，气体分布器302位于导流罩围成的空间内。

导流筒102通过连接件104固定在密闭袋10内壁上，导流筒102呈圆柱型且内部中空，导流筒102直径优选是密闭袋内部直径的50％～90％，更优选为69％，导流筒102高径比优选为1～5，更优选为2.4，导流筒102上部优选位于密闭袋内部高度1/2～3/4处的位置。导流筒102下方通过螺栓与导流罩103连接，对气体进行导向，避免气体进入导流筒外部。

反应器还包括温度控制组件，该温度控制组件包括设置于密闭袋10上的温度传感器104，以及形成于支撑体20与密闭袋的接触面上的夹层空间202，该夹层202空间的上下端分别形成有出水口203和进水口204。

该技术方案中，温度控制组件由***式或非***式温度电极感应温度，通过水浴式的PID控温装置调控加热器加热和夹套循环水降温，进出水口设有电磁阀开关。

反应器还包括pH控制组件，可检测反应器内pH变化，该pH控制组件包括设置于密闭袋上的pH传感器105、以及与密闭性腔体连通的酸液入口106、碱液入口107。

该技术方案中，pH传感器将检测信号输送至控制器，与设定值进行比较，控制酸液、碱液、培养基蠕动泵的关闭。

反应器还包括溶氧控制组件114，可检测反应器中的溶氧变化，实现溶氧与通气、补料、罐压相关联，优选的为实现溶氧与通气关联控制。

进料口设置于密闭袋10顶端，进料口10包括基础培养基入口108、补料培养基入口109和接种口110。

密闭袋10的底端还设置有与密闭性腔体连通的出料口111和取样口112。

本案中，各种传感器可为多次性或一次性使用，优选的为一次性电极，经校准标定后粘合到密闭袋侧壁。

本案中，各进料口、酸液入口106、碱液入口107的端口与外部环境通过帽、Luer接头、软管倒钩接头、单向阀、取样装置、无菌过滤器的方式与外界环境隔离。密闭袋与各气体、液体管路之间采用热脉冲密封器进行无缝密封，如热脉冲密封器热密封、超声或无线电波焊接，也可以采用模注射设备制备。

密闭袋10的顶端还插置有出气管路115，出气管路115上设置有压力传感器、无菌过滤器和压力控制阀。

本案中，反应器压力的控制，是由反应器的气体入口通入无菌空气、氧气、二氧化碳、氮气，废气则通过密闭袋上部的无菌过滤器和压力控制阀排出。压力传感器自动感知和调控进出气阀，保持密闭袋内部压力在0.01～0.10bar，

在一实施例中，密闭袋10上还设置有活细胞传感器116，在线活细胞传感器116以***式或非***式方式安装在密闭袋侧部。

在一实施例中，密闭袋10的底部还设置有称重组件113。称重组件是由安装于反应器支角处4只称重模块和接线盒构成，接线盒将称重模块的信号输送至中央控制器。称重模块为压力传感器。

反应器在使用前需要进行灭菌，灭菌方式包括蒸汽灭菌、γ射线、β射线灭菌或本领域内其它公认的灭菌方法灭菌。

上述反应器的工作过程：

(i)准备阶段

利用无菌焊接技术连接基础培养基入口108、补料培养基入口109、酸液入口106、碱液入口107的软管管路，软管连接到蠕动泵上。

安装完成后，通入无菌气体，压力升至0.1bar，维持30min，检查密闭袋的气密性。设定温度为37℃、pH为7.0，通气为0.5vvm，等待***稳定后进入下一步骤。

(ii)接种阶段

PK-15细胞经0.7mM EDTA的0.25％胰蛋白酶酶液消化完成后，与微载体(GE公司生产的Cytodex-1)混合，微载体密度为3.0g/L。开启进液蠕动泵，种子和基础培养基(P-LSM培养基，含3％NBCS)分别由接种口110的管路和基础培养基入口108的管路进入密闭袋腔体内部，并利用温度传感器104、pH传感器105、溶氧控制组件114、称重组件113、质子流量计、压力传感器、活细胞传感器116在线监测细胞培养过程。接种初期，活细胞传感器显示细胞密度处于低位，为0.5×10⁶cells/mL。

(iii)培养阶段

随着细胞代谢的进行，营养物质不断被消耗，pH发生不断变化，期间通过蠕动泵流加酸液和碱液控制pH为7.0。将溶氧与通气相关联。活细胞传感器116显示细胞密度不断提高，溶氧下降至30％时，质子流量计自动改变通气(空气、氧气、氮气)流量，维持溶氧在30％水平。

(iv)培养结束阶段

活细胞传感器116显示细胞密度不再增加时，停止补料、补酸碱、通气，细胞培养结束。

对比例

采用搅拌***培养PK-15细胞，反应器的工作体积为50L，有效工作体积是7L和35L，反应器的高径比1.8：1.0，搅拌桨采用单层提升带桨，桨径与反应器直径比为：1.0:1.8。载体介质使用GE公司生产的Cytodex-1，3g/L，细胞接种密度为0.5×10⁶cells/mL，温度、pH、溶氧、罐压的参数条件与一次性气升式生物反应器一致。每隔12h测定细胞密度和细胞活性。

结合附图4可知，PK-15细胞以0.5×10⁶cells/mL的细胞密度分别接种于一次性气升式生物反应器和一次性搅拌式生物反应器。在一次性搅拌式生物反应器内，细胞的生长速率降低，细胞生长缓慢，最大细胞密度下降，是一次性气升式生物反应器最大细胞密度的71％。在一次性气升式生物反应器内，细胞损伤是有限的，在相似的操作条件下，反应器内的质量和气体转移是有效的。

综上所述，本新型的一次性***为降低气升式生物反应器的设备成本和运行成本迎来了新的曙光。一次性***只需要更低的支撑性设施，并且节省时间、人力、物料成本。具体地包括，节省清洗灭菌的时间和蒸汽、水的消耗量，并且一次性设备即用即抛，省去了后续的设备维护。此外，当技术工艺路线改变时，一次性***的所有部件可迅速更换和重新配置。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种一次性气升式细胞培养反应器，其特征在于，包括：

密闭袋，具有一密闭性腔体，该密闭袋具有与所述密闭性腔体连通的进料口；

支撑体，可拆卸连接于所述密闭袋，并支撑所述密闭性腔体；

气升组件，包括末端***在所述密闭性腔体内部的进气管路和设置于密闭性腔体内部的气体分布器，所述气体分布器连通于所述进气管路的末端。

2.根据权利要求1所述的一次性气升式细胞培养反应器，其特征在于：还包括设置于所述密闭性腔体内的导流筒和导流罩，该导流筒竖直设置，并具有轴向相通的腔体，所述导流罩连通于导流筒的底端，所述导流罩的口径沿远离导流筒方向渐性减小，所述气体分布器位于所述导流罩围成的空间内。

3.根据权利要求1所述的一次性气升式细胞培养反应器，其特征在于：所述支撑体具有一顶端开口的固定腔体，所述密闭袋支撑于所述固定腔体内。

4.根据权利要求1所述的一次性气升式细胞培养反应器，其特征在于：所述密闭袋的外侧通过凸伸的多个卡扣可拆卸安装于所述支撑体的顶端边缘或内壁上。

5.根据权利要求1所述的一次性气升式细胞培养反应器，其特征在于：还包括温度控制组件，该温度控制组件包括设置于密闭袋上的温度传感器，以及形成于所述支撑体与密闭袋的接触面上的夹层空间，该夹层空间的上下端分别形成有出水口和进水口。

6.根据权利要求1所述的一次性气升式细胞培养反应器，其特征在于：还包括pH控制组件，该pH控制组件包括设置于密闭袋上的pH传感器、以及与所述密闭性腔体连通的酸液入口、碱液入口。

7.根据权利要求1所述的一次性气升式细胞培养反应器，其特征在于：所述进料口设置于密闭袋顶端，所述进料口包括基础培养基入口、补料培养基入口和接种口。

8.根据权利要求1所述的一次性气升式细胞培养反应器，其特征在于：所述密闭袋的底端还设置有与所述密闭性腔体连通的出料口和取样口。

9.根据权利要求1所述的一次性气升式细胞培养反应器，其特征在于：所述密闭袋的材质选自聚碳酸酯、聚酯、含氟聚合物、丙烯酸、PET、聚氯乙烯、ABS、PC、PS、GAG、亚克力或聚烯烃。

10.根据权利要求1所述的一次性气升式细胞培养反应器，其特征在于：所述密闭袋的底部还设置有称重组件。