[发明专利]旋转式生物反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用旋转动力驱动的生物反应器，该生物反应器主要用于动物细胞培养以及利用动物细胞进行生物技术产品的生产，也可用于微生物，昆虫细胞，和植物细胞的培养及其生物技术产品的生产。

背景技术

生物反应器是用于实现生化反应过程，特别是能够控制培养条件以产生最佳的生物产品的容器。生物反应器可用于细菌、芽孢、真菌、昆虫细胞，禽类细胞、哺乳动物细胞和植物细胞以及其他活细胞的体外培养，以进行生命科学研究，临床疾病的细胞移植治疗和生物技术产品的生产，包括培养生物体所产生的代谢产物、抗体、蛋白、病毒、多糖、DNA，细胞组分，以及细胞衍生物等。 由于一些生物细胞，特别是动物细胞生长缓慢且无细胞壁，对温度和PH等环境变化适应能力差以及对通气和搅拌造成的剪切力敏感，因而在进行培养时，要在适宜的温度和PH环境下，提供细胞充分的氧气（O2）和营养物质，而最大限度地避免搅拌和充气气泡造成的剪切损伤，因此需要研制既能充分混合又低剪切力的适于不同类型动物细胞培养的生物反应器。现有的用于悬浮细胞培养，或贴壁细胞微载体悬浮培养的生物反应器的混合方式主要有旋转涡流式混合，搅拌式混合，气升式混合和波浪式混合等类型。从溶氧和气体交换的机制上来看，主要有向培养液直接鼓气的方式（如鼓泡式或气升式）和通过气液交界面进行气体交换两种方式。混合的目的一方面是使培养的细胞保持悬浮状态，另一方面是提供细胞充分的营养和氧分。基于上述不同混合机制的现有生物反应器分别存在如下缺点：

1. 旋转涡流式混合：常见的有动物细胞培养用的锥底宽体瓶和微生物培养用的锥体宽底瓶，均是利用旋转涡流式的混合和气液交换界面氧传递的机制，在旋转时使培养液产生涡流并增加气液交换界面，从而实现气体交换和混合。该类生物反应器存在的缺点是规模小和效率低，只限于小规模的或种子链细胞的培养。

2.机械搅拌式混合：是应用最广泛的生物反应器，也是美国FDA批准的用于生物制药的最主要的生物反应器，包括常见的螺旋桨搅拌式生物反应器和磁力搅拌式生物反应器。该类生物反应器一般采用搅拌桨混合和鼓泡充氧的机制，以保持细胞悬浮并获得充分的氧分和营养，缺点是搅拌桨的叶轮产生的剪切力以及气泡造成的剪切力会导致细胞的死亡或使细胞与微载体分离。气泡越大细胞死亡率越高，因此需要采用无泡或微泡分布器。尽管在供氧方式和搅拌桨的叶轮形状上不断改进，譬如采用笼式供氧，即用丝网将气泡与细胞隔开，但仍难避免细胞与叶轮的碰撞或相互碰撞的剪切力大的问题。以外，由于这种设备昂贵，非一次性使用，因此原位清洁和蒸汽灭菌方面耗时费力，验证也很昂贵。（美国专利US Patent Application 20050239198）。

3.气升式混合：这类生物反应器是利用向培养液鼓气供氧并同时产生混合的机制，也是动物细胞高密度培养的较常用设备之一，缺点是气液交界面的气泡破裂所产生的剪切力会导致细胞损伤或死亡，因此需要安装消泡装置。高密度培养时混合不够均匀，造成高密度死区。此外，该设备非一次性使用也存在交叉污染问题。

4.波浪式混合：该类生物反应器是通过摇摆产生的波浪以实现混合和气液界面气体交换，例如一次性使用的塑料软袋式反应器（美国专利6,544,788），缺点是在反应器的最低处可能无法保持细胞悬浮而造成沉淀和培养基的营养和酸碱度不均一，特别在小规模培养时，细胞和微载体更不易悬浮，沉在底部相互摩擦而使细胞与微载体脱离，因而可能对细胞产生损害或导致产品的产量降低。此外，液体流动方向的不断改变，会导致悬浮细胞的相互碰撞。

综上所述，现有的生物反应器的混合方式分别存在着剪切力大易造成细胞损伤的问题以及混合不充分造成的细胞沉淀和氧分和营养不均一的问题。此外，大多数生物反应器还存在结构和设备复杂，成本花费高和交叉污染的问题。因此，需要研发混合效果更好，剪切力更低，结构简单和使用方便的新型生物反应器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合效果好，剪切力小，结构简单，使用方便，既适于悬浮细胞培养，又适于贴壁细胞微载体悬浮培养，既适于小规模制备又能实现一定规模化生产的新型生物反应器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种旋转式生物反应器，包括内壁平滑的环路腔体，该环路腔体具有一段以上的狭窄段，环路腔体的与狭窄段相邻的开阔段的内侧壁上连通设置有供培养料出入的进出管。

所述的进出管为一个弯管，该进出管通过一端连通设置在环路腔体上，另一端与环路腔体所在的平面之间具有夹角。

所述狭窄段为两段，两段狭窄段相对设置，两段狭窄段的长度均小于任意一段开阔段的长度。