用于生物反应器的搅拌系统和生物反应器技术方案

本公开涉及一种用于生物反应器的搅拌系统和生物反应器，生物反应器包括用于容纳细胞和液体的混合物的罐体，其特征在于，搅拌系统包括：中心轴；和多层桨叶组件，所述多层桨叶组件浸没在混合物中，并且包括围绕中心轴设置的上部桨叶组件、中间桨叶组件和底部桨叶组件，所述底部桨叶组件设置成靠近罐体内的底部、并且由罐体外部的驱动器以无接触的方式进行驱动，所述中间桨叶组件设置在上部桨叶组件和底部桨叶组件之间、并且包括螺带桨。根据本公开的搅拌系统既能够在低转速下提供足够的升力使微载体持续悬浮，又能够尽可能地降低剪切力对动物细胞的伤害。

【技术实现步骤摘要】
用于生物反应器的搅拌系统和生物反应器
本公开总体上涉及生物反应器领域。更具体来说，本公开涉及一种用于生物反应器的搅拌系统和生物反应器。
技术介绍
在传统的搅拌式生物反应器设计中、尤其是动物细胞反应器中，搅拌桨的设计通常为单层、双层或多层，并且底部搅拌桨离罐体底部有一个桨叶直径的距离、或者1/2桨叶直径的距离。当前，动物细胞反应器的应用场景由CHO细胞逐渐发展到T细胞和干细胞层级。CHO细胞经过实验室的基因改良与驯化，对悬浮培养比较适应；但是，干细胞和T细胞、特别是针对细胞治疗领域的原代细胞很难适应悬浮培养，表现为在反应器扩增过程中对流体的水力剪切和气泡尤为敏感。该种情况也发生在其他贴壁细胞培养模式向悬浮培养模式的转变过程中。微载体是一种帮助贴壁细胞悬浮的方式。通过贴附微载体，贴壁细胞或者难适应悬浮培养的细胞可以更好地适应悬浮培养。微载体的直径通常从几十微米到毫米级别，并且具有不同的形状。微载体例如可以包括液体微载体、大孔明胶微载体、聚苯乙烯微载体、PHEMA微载体、甲壳质微载体、聚氨酯泡沫微载体、藻酸盐凝胶微载体、磁性微载体等。微载体的直径较大、密度通常微大于水，因此沉降系数较高。为了使微载体持续悬浮，需要将搅拌桨的转速提高到预定值之上。然而，动物细胞无细胞壁，对剪切力敏感，搅拌桨转速的升高会对动物细胞产生伤害。因此，在搅拌桨的设计中，产生了最大化悬浮时间和最小化剪切力之间的矛盾。传统的生物反应器搅拌桨的设计方案更适用于高转速工艺条件下产生混合均匀的环境。对于干细胞、T细胞或者其他贴壁细胞和微载体工艺来说，需要提供一种新型的搅拌系统，其既能够在低转速下提供足够的升力使微载体持续悬浮，又能够降低剪切力对动物细胞的伤害。
技术实现思路
本公开的目的之一是提供一种能够克服现有技术中至少一个缺陷的搅拌系统。本公开的第一方面涉及一种用于生物反应器的搅拌系统，生物反应器包括用于容纳细胞和液体的混合物的罐体，其特征在于，搅拌系统包括：中心轴；和多层桨叶组件，所述多层桨叶组件浸没在混合物中，并且包括围绕中心轴设置的上部桨叶组件、中间桨叶组件和底部桨叶组件，所述底部桨叶组件设置成靠近罐体内的底部、并且由罐体外部的驱动器以无接触的方式进行驱动，所述中间桨叶组件设置在上部桨叶组件和底部桨叶组件之间、并且包括螺带桨。在一些实施例中，底部桨叶组件包括毂部、以及从毂部伸出的两片或更多片斜叶桨叶。在一些实施例中，中心轴的底端固定至毂部的顶壁，而顶端可旋转地支撑在罐体的顶盖上。在一些实施例中，毂部在其底壁的中心设有枢转孔，从而支撑在罐体底部的中心柱上、并能够绕中心柱转动。在一些实施例中，驱动器包括磁性搅拌器，并且毂部包括容纳有磁体的腔室，所述磁体构造成与磁力搅拌器磁性耦合。在一些实施例中，磁性搅拌器构造成以无接触的方式驱动所述多层桨叶组件绕中心轴转动。在一些实施例中，毂部为扁平的盘体，并且横截面呈圆形、椭圆形、或者具有平直侧边或者弧形侧边的多边形。在一些实施例中，所述两片或更多片斜叶桨叶构造成固定至毂部的侧壁，并且从侧壁径向向外伸出。在一些实施例中，斜叶桨叶的高度小于或者等于毂部的高度。在一些实施例中，斜叶桨叶构造成通过将毂部的侧壁上的曲线进行曲面扫描而形成，所述曲线是由一次方程的数学公式、二次方程的数学公式、三次方程的数学公式限定的曲线。在一些实施例中，斜叶桨叶构造成通过将垂直于毂部的侧壁的外表面的一段直线沿着毂部的侧壁上的曲线从曲线的一端行进至曲线的另一端而形成。在一些实施例中，相邻的斜叶桨叶之间沿周向具有空隙。在一些实施例中，底部桨叶组件距离罐体的底部在2mm-10mm之间。在一些实施例中，中间桨叶组件包括沿中心轴轴向分布的一个或多个螺带桨。在一些实施例中，每个螺带桨具有毂部和围绕毂部的两片或更多片螺带桨叶。在一些实施例中，螺带桨叶构造成通过将毂部的侧壁上的螺旋线进行曲面扫描而形成。在一些实施例中，螺带桨叶构造成通过将垂直于毂部的侧壁的外表面的一段直线沿着毂部的侧壁上的螺旋线从螺旋线的一端行进至螺旋线的另一端而形成。在一些实施例中，螺带桨的螺带桨叶的直径为罐体的内径的0.4-0.6倍。在一些实施例中，导流筒设置在罐体内，并且围绕在螺带桨的四周，导流筒构造成使向上流动的混合物处于单向层流状态。在一些实施例中，导流筒被构造为细胞分离装置，所述细胞分离装置在其径向内部具有用于过滤细胞的滤芯。在一些实施例中，螺带桨设置在细胞分离装置内部的轴向中间部分，并且与滤芯径向间隔开一个小的径向间隙。在一些实施例中，径向间隙的范围在0.1mm到10mm之间。在一些实施例中，气体分布器设置在底部桨叶组件与中间桨叶组件之间，并且构造成给罐体内的细胞提供气泡形式的气体。在一些实施例中，上部桨叶组件包括沿中心轴轴向分布的一个或多个斜叶桨。在一些实施例中，斜叶桨的桨叶直径为罐体的内径的0.4-0.6倍。在一些实施例中，斜叶桨的桨叶的倾斜角度为30°至60°之间。在一些实施例中，每个斜叶桨包括2到6个桨叶。在一些实施例中，每个斜叶桨的桨叶之间在周向不重叠或少许重叠。在一些实施例中，上部桨叶组件设置成距离中间桨叶组件1.0倍-1.5倍斜叶桨的桨叶直径的距离。在一些实施例中，上部桨叶组件和中间桨叶组件之间的轴向距离设置成大于中间桨叶组件和底部桨叶组件之间的轴向距离。在一些实施例中，生物反应器是用于干细胞和T细胞的生物反应器。本公开的另一方面涉及一种生物反应器，所述生物反应器包括上述的搅拌系统。本公开的主题技术的其它特征和优点将在下面的描述中阐述，并且部分地将从所述描述显而易见，或者可以通过实践本公开的主题技术来学习。通过在书面说明书及其权利要求书以及附图中特别指出的结构，将实现和获得本公开的主题技术的优点。应当理解，前述一般性描述和以下详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在提供对要求保护的本公开的主题技术的进一步说明。附图说明在结合附图阅读下文的具体实施方式后，将更好地理解本公开的多个方面，在附图中：图1是根据本公开实施例的搅拌系统的使用环境的示意图；图2A和2B是根据本公开实施例的搅拌系统的立体图和主视图；图3A和3B是图2所示的搅拌系统的底部桨叶组件的立体图和主视图；图4A是图2所示的搅拌系统的中间桨叶组件的主视图；图4B是中间桨叶组件的多个变型设计；图5A和5B是图2所示的搅拌系统的流场速度矢量图；和图6是图2所示的搅拌系统与传统的双层象耳桨叶的性能对比实验结果。具体实施方式以下将参照附图描述本公开，其中的附图示出了本公开的若干实施例。然而应当理解的是，本公开可以以多种不同的方式呈现出来，并不局限于下文描述的实施例；事实上，下文描述的实施例旨在使本公开的公开更为完整，并向本领域技术人员充分说明本公开的保本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于生物反应器的搅拌系统，生物反应器包括用于容纳细胞和液体的混合物的罐体，其特征在于，搅拌系统包括：/n中心轴；和/n多层桨叶组件，所述多层桨叶组件浸没在混合物中，并且包括围绕中心轴设置的上部桨叶组件、中间桨叶组件和底部桨叶组件，所述底部桨叶组件设置成靠近罐体内的底部、并且由罐体外部的驱动器以无接触的方式进行驱动，所述中间桨叶组件设置在上部桨叶组件和底部桨叶组件之间、并且包括螺带桨。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于生物反应器的搅拌系统，生物反应器包括用于容纳细胞和液体的混合物的罐体，其特征在于，搅拌系统包括：
中心轴；和
多层桨叶组件，所述多层桨叶组件浸没在混合物中，并且包括围绕中心轴设置的上部桨叶组件、中间桨叶组件和底部桨叶组件，所述底部桨叶组件设置成靠近罐体内的底部、并且由罐体外部的驱动器以无接触的方式进行驱动，所述中间桨叶组件设置在上部桨叶组件和底部桨叶组件之间、并且包括螺带桨。


2.根据权利要求1所述的搅拌系统，其特征在于，底部桨叶组件包括毂部、以及从毂部伸出的两片或更多片斜叶桨叶。


3.根据权利要求2所述的搅拌系统，其特征在于，中心轴的底端固定至毂部的顶壁，而顶端可旋转地支撑在罐体的顶盖上。


4.根据权利要求2所述的搅拌系统，其特征在于，毂部在其底壁的中心设有枢转孔，从而支撑在罐体底部的中心柱上、并能够绕中心柱转动。


5.根据权利要求2所述的搅拌系统，其特征在于，驱动器包括磁性搅拌器，并且毂部包括容纳有磁体的腔室，所述磁体构造成与磁力搅拌器磁性耦合。


6.根据权利要求5所述的搅拌系统，其特征在于，磁性搅拌器构造成以无接触的方式驱动所述多层桨叶组件绕中心轴转动。


7.根据权利要求2所述的搅拌系统，其特征在于，毂部为扁平的盘体，并且横截面呈圆形、椭圆形、或者具有平直侧边或者弧形侧边的多边形。


8.根据权利要求2所述的搅拌系统，其特征在于，所述两片或更多片斜叶桨叶构造成固定至毂部的侧壁，并且从侧壁径向向外伸出。


9.根据权利要求2所述的搅拌系统，其特征在于，斜叶桨叶的高度小于或者等于毂部的高度。


10.根据权利要求2所述的搅拌系统，其特征在于，斜叶桨叶构造成通过将毂部的侧壁上的曲线进行曲面扫描而形成，所述曲线是由一次方程的数学公式、二次方程的数学公式、三次方程的数学公式限定的曲线。


11.根据权利要求10所述的搅拌系统，其特征在于，斜叶桨叶构造成通过将垂直于毂部的侧壁的外表面的一段直线沿着毂部的侧壁上的曲线从曲线的一端行进至曲线的另一端而形成。


12.根据权利要求2所述的搅拌系统，其特征在于，相邻的斜叶桨叶之间沿周向具有空隙。


13.根据权利要求1所述的搅拌系统，其特征在于，底部桨叶组件距离罐体的底部在2mm-10mm之间。


14.根据权利要求1所述的搅拌系统，其特征在于，中间桨叶组件包括沿中心轴轴向分布的一个或多个螺带桨。


15.根据权利要求14所述的搅拌系统，其特征在于，每个螺带桨具有毂部和围绕毂部的两片或更多片螺...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘禹，陈睿，
申请(专利权)人：上海艾众生物科技有限公司，
类型：新型
国别省市：上海;31