專利名稱：用于動物大規模細胞培養的生物反應器系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種生物反應器系統，具體地說涉及一種用于大規模動物細胞培養的生物反應器系統。
背景技術：
八十年代以來，動物細胞基因工程和細胞融合技術取得的巨大成就，使得可以通過動物細胞體外培養表達和生產各類診斷和治療用單克隆抗體、疫苗、生長因子等生物活性蛋白質。由于這些蛋白質和單抗的療效非常明確，具有十分廣闊的市場應用前景，因此應用動物細胞體外培養技術大量生產這些高值藥物已經成為生物醫藥高技術產業的重要部分，是當前新藥開發和生產的重要領域。
應用現代化的生物反應器系統代替原來手工操作的滾瓶或方瓶培養系統，可以大大簡化生產過程，提高生產效率及產品均一性，降低生產成本，確保產品臨床應用的安全性、有效性、可靠性及經濟性。英國Celltech公司應用100～10000升的氣升式生物反應器培養雜交瘤細胞生產單克隆抗體；日本Sumitomo公司用于生產tPA的生物反應器規模達到8000升；Wellcome公司應用8000升的攪拌生物反應器生產干擾素和其它生物制品；德國Behringwerke公司用于生產促紅細胞生成素(rhEPO)的生物反應器規模達到15m3；德國Bayer公司在美國洛杉磯的分廠采用高密度連續灌注培養技術生產凝血因子VIII，連續生產周期達到三至六個月，成為迄今為止美國FDA批準的連續生產周期最長的生物產品。
然而，目前國內生產技術大多采用傳統滾瓶培養法，所謂的工業化生產也只是采用美國NBS公司的5升CelliGen Plus固定床反應器，生產規模小，難以放大，而且生產過程難以進一步優化，致使產量小，生產效率低下，與實際需要相距甚遠。因此，動物細胞大規模高密度無血清培養技術及其生物反應器的研究和開發應用，已經成為制約我國生物技術發展的重要因素，迫切需要予以解決。
對于生物反應器來說，動物細胞的大規模培養尤其是長期的連續灌注培養首先需要解決的是防止微生物的污染。現有的生物反應器攪拌系統其軸封大都采用機械密封的方式，它的優點是攪拌功率大，但是往往因為所采用的材料、設計和加工精度方面的原因，系統在使用過程中的密封性不夠，尤其是在長期的培養過程中會產生泄漏從而導致微生物的污染，為了解決這一問題，近些年國外一些公司開始采用磁力攪拌系統，這種攪拌系統其軸封結構相對較復雜，并且因為采用磁力傳遞的原理，導致其攪拌功率大大降低，目前主要應用于小型動物細胞培養生物反應器中。
動物細胞要從原來的方瓶、滾瓶培養放大到各種規模的生物反應器培養并且實現高密度培養過程，就不得不面臨培養過程及生物反應器的放大和強化問題。放大和強化問題主要來源于兩個方面的矛盾沖突一方面，用于培養過程的生物反應器必須有足夠的氣液傳質能力并能提供良好的流體混合條件，否則就難以支持細胞生長，尤其在大規模高密度細胞培養過程中這一要求將更加苛刻；另一方面，由于動物細胞的剪切敏感性，生物反應器中因攪拌和通氣產生的流體剪切和氣泡現象會無可避免地導致細胞損傷甚至破損、死亡，使培養過程失敗。因此，動物細胞培養生物反應器中攪拌漿的設計是一個非常重要的問題，既必須確保提供良好的傳質混合，又要盡可能使流體的剪切力降低以減少對細胞的損傷。
反應器內pH和溶氧由空氣、氧氣、氮氣和二氧化碳四種氣體關聯控制，這種關聯控制是反應器的控制系統在PID模式下通過控制四種氣體各自的電磁閥開閉時間來實現的。但是在實際操作中，由鋼瓶和空氣壓縮機進入反應器的氣體其各自壓力并不均衡，這種不均衡會導致某一種或幾種壓力較高的氣體過量通入，而其它壓力較低的氣體則無法進入反應器，從而使pH和溶氧的控制出現較大偏差；另外，這種壓力不均衡所導致的各種氣體通量誤差無法由PID控制模式進行糾正，其結果是pH和溶氧產生劇烈的鋸齒狀波動。
發明內容
本發明需要解決的技術問題是公開一種用于大規模懸浮細胞培養的生物反應器系統，以克服現有技術存在的上述缺陷，滿足細胞培養產業化發展的需要。
本發明的生物反應器系統包括設有全封閉的磁力傳動裝置的反應器；與反應器通過管線相連接的混合室；與混合室通過管線相連接的供氣系統；所說的全封閉的磁力傳動裝置包括上軸承、下軸承、內磁傳動軸、組合式漿葉組件、無磁密封套、外磁鋼和導磁筒；所說的外磁鋼設置在無磁密封套外、上軸承和下軸承之間；由外部的馬達驅動，作為整個攪拌系統的動力源；
所說的無磁密封套的底端與反應器的頂蓋密封連接，無磁密封套是一個固定的、全封閉的套筒，無磁密封套外與反應器外部相通，無磁密封套內與反應器內部相通，它與外磁鋼、內磁傳動軸均沒有連接，起內外隔絕作用；所說的內磁傳動軸上附有內磁鋼與外磁鋼相對應，內磁傳動軸被無磁密封套間隔并通過內軸承被固定。內磁傳動軸的下端為圓桿，圓桿穿過反應器頂蓋，伸入反應器中并與組合式漿葉組件相連接；所說的導磁筒包裹在外磁鋼外但不與外磁鋼相連接，起保護作用；所說的組合式漿葉組件包括連接在內磁傳動軸上的攪拌軸以及三層漿葉，下兩層漿葉為斜葉提升式漿葉，使流體產生軸向流，大大降低攪拌漿葉導致的流體剪切力，上層漿葉為彎葉透平漿，可使流體產生徑向流，強化了反應器內的傳質和混合。
本發明的反應器是這樣運行的電機驅動外磁鋼，依靠磁力帶動內磁鋼從而驅動內磁傳動軸，從而帶動組合式漿葉組件的轉動。無磁密封套和導磁筒是固定件，其中無磁密封套起內外隔絕作用，導磁筒用來保護外磁鋼。
由上述公開的技術方案可見，外磁鋼和內磁傳動軸之間以全封閉的無磁密封套分隔開，徹底隔絕了微生物或其它污染物由攪拌系統進入生物反應器的通道，消除了由此而導致的污染機會，本發明結構簡單，傳遞功率大，反應器內的物料混合均勻，能夠滿足細胞培養產業化發展的需要。
圖1為生物反應器系統的結構示意圖。
圖2為全封閉的磁力傳動裝置結構示意圖。
圖3為組合式漿葉組件。
圖4為彎葉透平漿俯視圖。
圖5為供氣系統示意圖。
具體實施例方式
參見圖1，本發明的生物反應器系統包括用于傳動反應器攪拌軸的全封閉的磁力傳動裝置101；與反應器通過管線相連接的混合室102；與混合室102通過管線相連接的供氣系統103；參見圖2，所說的全封閉的磁力傳動裝置包括上軸承(1)、下軸承(6)、內磁傳動軸(2)、無磁密封套(3)、外磁鋼(4)和導磁筒(5)、內軸承(7)、組合式漿葉組件；所說的外磁鋼(4)設置在無磁密封套(3)外、上軸承(1)和下軸承(6)之間；由外部的馬達驅動，作為整個攪拌系統的動力源；所說的無磁密封套(3)的底端與反應器的頂蓋(203)密封連接，無磁密封套(3)是一個固定的、全封閉的套筒，它與外磁鋼(4)、內磁傳動軸(2)均沒有連接，起內外隔絕作用；所說的內磁傳動軸(2)上附有內磁鋼(201)與外磁鋼相對應，內磁傳動軸(2)被無磁密封套(3)間隔并通過內軸承(7)被固定。內磁傳動軸(2)的下端為圓桿(202)，圓桿(202)穿過反應器頂蓋(203)，伸入反應器中并與組合式漿葉組件(8)相連接；所說的導磁筒(5)包裹在外磁鋼(4)外，起保護作用；參見圖3和圖4，所說的組合式漿葉組件包括連接在內磁傳動軸(2)上的攪拌軸以及三層漿葉，下兩層漿葉(501)為斜葉提升式漿葉，上層漿葉(502)為彎葉透平漿，斜葉提升式漿葉的斜面與水平面之間的角度α為20°-40°，彎葉透平漿漿葉(502)的圓弧半徑為250mm。
參見圖5，所說的供氣系統103包括一端分別與空氣氣源、氧氣氣源、氮氣氣源和二氧化碳氣源相連接、另一端與混合室102的管線，管線上設有電磁閥601和止逆閥602，止逆閥的作用是在四種氣體壓力不平衡的情況下防止某一種或幾種壓力較高的氣體過量通入，而使其它壓力較低的氣體無法進入反應器；氣體混合室則起到了緩沖的作用，避免了反應器內pH和溶氧的鋸齒狀波動。
權利要求
1.一種用于動物大規模細胞培養的生物反應器系統，包括用于傳動反應器攪拌軸的全封閉的磁力傳動裝置(101)；與反應器通過管線相連接的氣體混合室(102)；與混合室(102)通過管線相連接的供氣系統(103)；其特征在于，所說的全封閉的磁力傳動裝置包括上軸承(1)、下軸承(6)、內磁傳動軸(2)、無磁密封套(3)、外磁鋼(4)和導磁筒(5)、內軸承(7)、組合式漿葉組件；所說的外磁鋼(4)設置在無磁密封套(3)外、上軸承(1)和下軸承(6)之間；由外部的馬達驅動，作為整個攪拌系統的動力源；所說的無磁密封套(3)的底端與反應器的頂蓋(203)密封連接，無磁密封套(3)是一個固定的、全封閉的套筒，它與外磁鋼(4)、內磁傳動軸(2)均沒有連接，起內外隔絕作用；所說的內磁傳動軸(2)上附有內磁鋼(201)與外磁鋼相對應，內磁傳動軸(2)被無磁密封套(3)間隔并通過內軸承(7)被固定。內磁傳動軸(2)的下端為圓桿(202)，圓桿(202)穿過反應器頂蓋(203)，伸入反應器中并與組合式漿葉組件相連接；所說的導磁筒(5)包裹在外磁鋼(4)外，起保護作用；所說的組合式漿葉組件包括連接在內磁傳動軸(2)上的攪拌軸以及三層漿葉，下兩層漿葉(501)為斜葉提升式漿葉，上層漿葉(502)為彎葉透平漿。
2.根據權利要求1所述的用于動物大規模細胞培養的生物反應器系統，其特征在于，斜葉提升式漿葉的斜面與水平面之間的角度α為20°-40°。
3.根據權利要求2所述的用于動物大規模細胞培養的生物反應器系統，其特征在于，彎葉透平漿漿葉(502)的圓弧半徑為250mm。
4.根據權利要求1所述的用于動物大規模細胞培養的生物反應器系統，其特征在于，所說的供氣系統(103)包括一端分別與空氣氣源、氧氣氣源、氮氣氣源和二氧化碳氣源相連接、另一端與混合室(102)的管線，管線上設有電磁閥(601)和止逆閥(602)。
全文摘要
本發明公開了一種用于動物大規模細胞培養的生物反應器系統。包括設有全封閉的磁力傳動裝置的反應器，與反應器通過管線相連接的混合室，與混合室通過管線相連接的供氣系統。所說的全封閉的磁力傳動裝置包括上軸承、下軸承、內磁傳動軸、組合式漿葉組件、無磁密封套、外磁鋼和導磁筒。外磁鋼和內磁傳動軸之間以全封閉的無磁密封套分隔開，徹底隔絕了微生物或其它污染物由攪拌系統進入生物反應器的通道，消除了由此而導致的污染機會，本發明結構簡單，傳遞功率大，反應器內的物料混合均勻，能夠滿足細胞培養產業化發展的需要。
文檔編號C12M3/00GK1766080SQ20051003019
公開日2006年5月3日 申請日期2005年9月29日 優先權日2005年9月29日
發明者譚文松, 顧小華, 朱明龍, 趙一鳴, 牛紅星 申請人:華東理工大學