用于生物反应器的通气装置制造方法及图纸

本公开公开了用于生物反应器的通气装置，所述生物反应器具有容纳动物细胞和液体的混合溶液的罐体，所述通气装置包括：气体分布器，所述气体分布器构造为浸没在罐体的混合溶液内，并且包括分布器主体和由分布器主体支撑的膜片，所述分布器主体具有通气槽，所述膜片构造成将通气槽中的气体以无气泡的方式溶解到混合溶液中；进气单元，所述排气单元与通气槽流体连通并向通气槽输送进气气体，和排气单元，所述排气单元与通气槽流体连通，并将通气槽中的未溶解的气体排出分布器主体。通气装置大大提高了生物反应器对生物过程中的氧气消耗速率的监测水平。

【技术实现步骤摘要】
用于生物反应器的通气装置
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通气装置。
技术介绍
在动物细胞的生物反应器设计中，氧气在培养基中的溶解能力一直是最重要的设计参数之一。一般情况下，氧气的传递速率要大于动物细胞的氧气消耗速率，以其维持动物细胞的正常代谢水平。深层通气式生物反应器通常采用各种方法来使空气气泡尽可能小，以提高单位气体量下的传质比表面积，增大氧气的传递效率。但是研究发现，越小的气泡上升过程中的破裂产生的剪切力越大，这会对较为脆弱的动物细胞造成不可逆的影响。目前，大多数一次性生物反应器采用厘米级气泡分布器和微米级气泡分布器的结合。厘米级气泡分布器产生的气泡直径较大，传质比表面积较小。因此，厘米级气泡分布器排出二氧化碳的能力较好，但是传递氧气的能力较差，一般用来吹散溶解在培养基中的多余二氧化碳气泡。微米级气泡分布器通常采用金属或塑料材质的烧结方法制成，其最小孔径可以控制到2-20um。在相同流量的气体条件下，微米级气泡分布器产生的气泡数量众多，有效地提高了传质比表面积。但是，微米级气泡分布器产生的过小气泡会对动物细胞(尤其是干细胞)造成较为显著的伤害。因此，在用于动物细胞的生物反应器设计中，氧气传递和气泡剪切力的矛盾较为突出。因此，传质系统的无气泡设计是未来发展的方向。但是，现有的无气泡生物反应器采用反应器外循环传质的方式，利用蠕动泵将培养基泵送出培养体系，增加了蠕动泵对动物细胞的剪切力伤害。另外，现有的生物反应器以不锈钢罐为主，在使用过程中均需湿热灭菌，因此很难应用很多新开发的微孔膜材质。另一方面，在生物反应器的工艺控制上，监控动物细胞的氧气消耗速率十分重要。通常的做法是将生物反应器的尾气通入气体质谱检测仪。通过比对进气流量及其气体组成、和排气流量及其气体组成，来推断动物细胞消耗的氧气量(OUR)。但是，在排气过程中，生物反应器内的上方非液体区域会形成尾气缓冲区，使得OUR的计算失效，很难得到实时的OUR数值。另外，气体质谱检测仪非常昂贵，这大大增加了生产成本。
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通气装置。本公开的第一方面涉及一种用于生物反应器的通气装置，其中，所述生物反应器具有容纳动物细胞和液体的混合溶液的罐体，所述通气装置包括：气体分布器，所述气体分布器构造为浸没在罐体的混合溶液内，并且包括分布器主体和由分布器主体支撑的膜片，所述分布器主体具有通气槽，所述膜片构造成将通气槽中的气体以无气泡的方式溶解到混合溶液中；进气单元，所述进气单元与通气槽流体连通并向通气槽输送进气气体，和排气单元，所述排气单元与通气槽流体连通，并将通气槽中的未溶解的气体排出分布器主体。在一些实施例中，通气槽设置在分布器主体的壁部上，并且构造成引导进气气体在壁部的整个外表面上流动。在一些实施例中，壁部包括顶部凸缘、底部凸缘和位于顶部凸缘和底部凸缘之间的一个或多个突出部，顶部凸缘、底部凸缘和突出部均从壁部的外表面径向向外突起。在一些实施例中，顶部凸缘、底部凸缘和/或突出部形成支撑膜片的支撑骨架。在一些实施例中，通气槽形成在壁部的外表面和相邻突出部的侧表面之间的空间中，和/或形成在壁部的外表面、突出部的侧表面、顶部凸缘的侧表面之间的空间中，和/或形成在壁部的外表面、突出部的侧表面和底部凸缘的侧表面之间的空间中。在一些实施例中，通气槽通过分布器主体的进气口和进气单元流体连通，并且通过分布器主体的排气口和排气单元流体连通。在一些实施例中，进气口和排气口呈管状。在一些实施例中，通气槽在壁部的整个外表面上呈主要沿水平方向蜿蜒的蛇形。在一些实施例中，通气槽在壁部的整个外表面上呈主要沿竖直方向蜿蜒的蛇形。在一些实施例中，通气槽呈绕着壁部的整个外表面从底部延伸到顶部的螺旋形。在一些实施例中，膜片设置在壁部的外表面上，并且覆盖通气槽。在一些实施例中，膜片固定到壁部的顶部凸缘、底部凸缘和/或突出部的径向外表面上。在一些实施例中，膜片采用致密膜的形式或者微孔膜的形式。在一些实施例中，微孔膜的孔径构造成使得膜片在一定压力下通气不产生气泡。在一些实施例中，微孔膜的孔径小于0.05μm。在一些实施例中，微孔膜的孔径是以下组中的一个或多个：0.01μm、0.05um、0.10μm、0.20μm、0.04μm。在一些实施例中，致密膜的厚度介于50μm到500μm之间。在一些实施例中，膜片采用硅胶、PDMS、PCTE、PETE、PTFE、PP、PC、尼龙、PES或烧结多孔材料制成。在一些实施例中，膜片进行亲水和正电荷或负电荷处理，从而不容易被动物细胞吸附而发生堵塞。在一些实施例中，进气单元通过进气管路和通气槽流体连通，并且包括设置在进气管路上并电连接至控制器的气体流量组分调节器，所述气体流量组分调节器构造成将进气气体的总流量维持为定值，并且根据控制器的指令调节进气气体的组分比例。在一些实施例中，气体流量组分调节器是质量流量计或气体比例调节阀中的任一个。在一些实施例中，进气气体包括空气、氧气、二氧化碳，或者包括氮气、氧气、二氧化碳。在一些实施例中，排气单元通过排气管路与通气槽流体连通，并且包括设置在排气管路中并电连接至控制器的第一溶氧电极，第一溶氧电极构造成检测排气管路中的溶氧浓度值。在一些实施例中，排气单元还包括设置在排气管路中并电连接至控制器的压力控制阀门和传感器，以控制通气槽中的气体压力。在一些实施例中，通气槽中的气体压力保持在0.01Mpa-0.1Mpa之间。在一些实施例中，通气装置还包括溶液监控单元，所述溶液监控单元包括设置在混合溶液中并电连接至控制器的第二溶氧电极，所述第二溶氧电极构造成检测混合溶液内的溶氧浓度值。在一些实施例中，溶液监控单元包括设置在混合溶液中并电连接至控制器的pH电极，所述pH电极构造成检测混合溶液内的pH值。在一些实施例中，控制器构造成通过第一溶氧电极检测的溶氧浓度值Cout和第二溶氧电极检测的溶氧浓度值Csensor，来实时监控和调节罐体内的动物细胞消耗的氧气量OUR。在一些实施例中，罐体内的动物细胞消耗的氧气量OUR的计算公式是OUR＝(Cout-Csensor)*KLa，其中，KLa为气体分布器的传质系数。在一些实施例中，气体分布器的传质系数和罐体内驱动混合溶液循环流动的马达的转速相关联。在一些实施例中，控制器构造成通过pH电极检测的pH值，来调节气体流量组分调节器的进气气体中的二氧化碳比例，从而调节混合溶液的pH值。本公开的第二方面涉及一种用于生物反应器的通气装置，其中，所述生物反应器具有容纳动物细胞和液体的混合溶液的罐体，所述通气装置包括：气体分布器，所述气体分布器构造为浸没在罐体的混合溶液内，并且构造成将进气气体以无气泡的方式溶解到混合溶液中；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于生物反应器的通气装置，其特征在于，所述生物反应器具有容纳动物细胞和液体的混合溶液的罐体，所述通气装置包括：/n气体分布器，所述气体分布器构造为浸没在罐体的混合溶液内，并且包括分布器主体和由分布器主体支撑的膜片，所述分布器主体具有通气槽，所述膜片构造成将通气槽中的气体以无气泡的方式溶解到混合溶液中；/n进气单元，所述进气单元与通气槽流体连通并向通气槽输送进气气体，和/n排气单元，所述排气单元与通气槽流体连通，并将通气槽中的未溶解的气体排出分布器主体。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于生物反应器的通气装置，其特征在于，所述生物反应器具有容纳动物细胞和液体的混合溶液的罐体，所述通气装置包括：
气体分布器，所述气体分布器构造为浸没在罐体的混合溶液内，并且包括分布器主体和由分布器主体支撑的膜片，所述分布器主体具有通气槽，所述膜片构造成将通气槽中的气体以无气泡的方式溶解到混合溶液中；
进气单元，所述进气单元与通气槽流体连通并向通气槽输送进气气体，和
排气单元，所述排气单元与通气槽流体连通，并将通气槽中的未溶解的气体排出分布器主体。


2.根据权利要求1所述的通气装置，其特征在于，通气槽设置在分布器主体的壁部上，并且构造成引导进气气体在壁部的整个外表面上流动。


3.根据权利要求2所述的通气装置，其特征在于，壁部包括顶部凸缘、底部凸缘和位于顶部凸缘和底部凸缘之间的一个或多个突出部，顶部凸缘、底部凸缘和突出部均从壁部的外表面径向向外突起。


4.根据权利要求3所述的通气装置，其特征在于，顶部凸缘、底部凸缘和/或突出部形成支撑膜片的支撑骨架。


5.根据权利要求3所述的通气装置，其特征在于，通气槽形成在壁部的外表面和相邻突出部的侧表面之间的空间中，和/或形成在壁部的外表面、突出部的侧表面、顶部凸缘的侧表面之间的空间中，和/或形成在壁部的外表面、突出部的侧表面和底部凸缘的侧表面之间的空间中。


6.根据权利要求2所述的通气装置，其特征在于，通气槽通过分布器主体的进气口和进气单元流体连通，并且通过分布器主体的排气口和排气单元流体连通。


7.根据权利要求6所述的通气装置，其特征在于，进气口和排气口呈管状。


8.根据权利要求2所述的通气装置，其特征在于，通气槽在壁部的整个外表面上呈主要沿水平方向蜿蜒的蛇形。


9.根据权利要求2所述的通气装置，其特征在于，通气槽在壁部的整个外表面上呈主要沿竖直方向蜿蜒的蛇形。


10.根据权利要求2所述的通气装置，其特征在于，通气槽呈绕着壁部的整个外表面从底部延伸到顶部的螺旋形。


11.根据权利要求2-10中任一项所述的通气装置，其特征在于，膜片设置在壁部的外表面上，并且覆盖通气槽。


12.根据权利要求3-5中任一项所述的通气装置，其特征在于，膜片固定到壁部的顶部凸缘、底部凸缘和/或突出部的径向外表面上。


13.根据权利要求1-10中任一项所述的通气装置，其特征在于，膜片采用致密膜的形式或者微孔膜的形式。


14.根据权利要求13所述的通气装置，其特征在于，微孔膜的孔径构造成使得膜片在一定压力下通气不产生气泡。


15.根据权利要求14所述的通气装置，其特征在于，微孔膜的孔径小于0.05μm。


16.根据权利要求14所述的通气装置，其特征在于，微孔膜的孔径是以下组中的一个或多个：0.01μm、0.05um、0.10μm、0.20μm、0.04μm。


17.根据权利要求13所述的通气装置，其特征在于，致密膜的厚度介于50μm到500μm之间。


18.根据权利要求1-10中任一项所述的通气装置，其特征在于，膜片采用硅胶、PDMS、PCTE、PETE、PTFE、PP、PC、尼龙、PES或烧结多孔材料制成。


19.根据权利要求1-10中任一项所述的通气装置，其特征在于，膜片进行亲水和正电荷或负电荷处理，从而不容易被动物细胞吸附而发生堵塞。


20.根据权利要求1所述的通气装置，其特征在于，进气单元通过进气管路和通气槽流体连通，并且包括设置在进气管路上并电连接至控制器的气体流量组分调节器，所述气体流量组分调节器构造成将进气气体的总流量维持为定值，并且根据控制器的指令调节进气气体的组分比例。


21.根据权利要求20所述的通气装置，其特征在于，气体流量组分调节器是质量流量计或气体比例调节阀中的任一个。


22.根据权利要求20所述的通气装置，其特征在于，进气气体包括空气、氧气、二氧化碳，或者包括氮气、氧气、二氧化碳。


23.根据权利要求20所述的通气装置，其特征在于，排气单元通过排气管路与通气槽流体连通，并且包括设置在排气管路中并电连接至控制器的第一溶氧电极，第一溶氧电极构造成检测排气管路中的溶氧浓度值。


24.根据权利要求20所述的通气装置，其特征在于，排气单元还包括设置在排气管路中并电连接至控制器的压力控制阀门和传感器，以控制通气槽中的气体压力。


25.根据权利要求24所述的通气装置，其特征在于，通气槽中的气体压力保持在0.01Mpa-0.1Mpa之间。


26.根据权利要求23所述的通气装置，其特征在于，通气装置还包括溶液监控单元，所述溶液监控单元包括设置在混合溶液中并电连接至控制器的第二溶氧电极，所述第二溶氧电极构...

【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