專利名稱：一種微重力環境下膜式離心轉軸生物反應器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種微重力環境下膜式離心轉軸生物反應器，屬于生物設備制造工程 領域。
背景技術：
空間微重力環境是科學家利用空間資源進行空間生命科學研究的一個重要極端 條件，利用空間微重力環境進行微生物細胞生物學、微生物代謝調控、微生物重組基因表達 等方面的研究，可以從細胞水平來解釋空間適應的機理，也使人們從另一個角度來認識地 球重力環境下生命長期進化現象成為可能，同時也具有十分重要的生物醫學及商業應用價值。空間生物反應器是人類利用空間資源進行空間生物學與空間生物技術研究的重 要硬件設備，他的應用為空間生命科學研究提供了必要的生物材料，如細胞、組織和微生物寸。在微重力環境下，液體內由于密度梯度、固體質點或氣泡等析出而形成的對流現 象基本消失。不同密度液體之間的分層、漂浮和沉淀等現象也不復存在。液體受表面張力 的約束、潤濕現象和毛細管現象占主導地位。這使得氣液固三相很難分離，從而使地面上很 容易實現的過程變得十分復雜，增加了培養過程中培養基質、氧氣的供應、廢氣的排出以及 高效培養等的難度，使得進行微重力環境下的生物培養研究非常困難。然而，隨著空間生命 科學和空間生物應用研究等的發展，作為提供生物研究材料的生物反應器逐漸被科學家所 重視。到目前為止，世界各國已經研制了旋轉壁式，連續灌注式，脈沖式等多種不同類型 的用于微重力環境細胞培養的裝置，其中不少已經經歷過空間飛行的檢驗。如美國在上世 紀90年由NASA Johnson Space Center代初開發的用于微重力環境進行細胞和組織懸浮 培養的RWV(Rotating Wall Vessel Bioreactor)反應器。NASA開發的滿足美國在國際空 間站上進行生命科學領域研究的細胞培養單元反應器(Cell Culture Unit Bioreactor, CCUB)。美國宇航局艾姆斯研究中心等研制的單環路細胞培養反應器(Single Loop for Cell Culture Bioreactor, SLCCB)等。該系列反應器系統通過外循環改變供排氣方式和 加裝消泡裝置等一系列措施較好地解決了反應器系統培養生物體的不足，能更好的適應空 間微重力環境進行生物培養研究的需求。但目前世界開發的各類生物反應器不能完全實現 微重力環境下生物培養中的氣-液傳質、分離等技術難題，實現微生物細胞的高效培養以 及相關參數的檢測。
發明內容
本發明的目的是為了提供一種微重力環境下膜式離心轉軸生物反應器，該方法結 構簡單、氧氣供給效率高，氣液傳質均勻，可實現微生物高效培養和尾氣二氧化碳快速、高 效分離和排放。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的。本發明的一種微重力環境下膜式離心轉軸生物反應器，包括反應器殼體、擋板、氧 氣供應組件、膜式離心轉軸和參數測量裝置；擋板焊接在反應器殼體的內壁上，擋板上有支 撐孔，擋板支撐固定氧氣供應組件，氧氣供應組件環形纏繞在擋板的支撐孔上；膜式離心轉 軸的頂端固定連接在反應器殼體的頂端，膜式離心轉軸的底端位于反應器殼體的底部的上 方，參數測量裝置設置在反應器殼體上部并與反應器殼體固定連接，參數測量裝置與反應 器殼體之間的夾角為30-60度；膜式離心轉軸包括膜式攪拌槳和磁力攪拌組件；磁力攪拌組件位于膜式攪拌槳的 底端并通過法蘭固定連接；在膜式攪拌槳表面設置一層疏水不對稱聚四氟乙烯膜；氧氣供應組件為硅橡膠模供氧組件。工作過程首先，將膜式離心轉軸生物反應器內充滿無菌培養液，然后向反應器內培養液中 接種待培養生物細胞的種子液進行發酵培養；當反應器內溶解氧濃度過低時，空氣氣源經 減壓閥、氣體流量計以一定壓力從轉軸生物反應器壁接口進入轉軸生物反應器，通過控制 氣體與轉軸生物反應器內的壓力差，使沿著轉軸生物反應器內壁側盤繞的氧氣供應組件內 的氣體以無泡供給的方式向培養液中滲透，從而提供生物生長代謝所需的營養；在進行生物細胞發酵培養的前期，生物細胞處于適應期，生長代謝所需營養和代 謝產生的廢物較少；在磁力攪拌器的驅動下，膜式離心轉軸以較低的速度旋轉，膜式離心轉 軸中的膜式攪拌槳通過旋轉帶動流體運動實現轉軸生物反應器內營養的混合與傳質均勻； 同時擋板起到增強氣液錯流傳質效率和提高氧的利用率的雙重作用；在發酵培養的中后期，生物細胞快速繁殖與生長代謝產生大量的二氧化碳和代 謝廢物，在磁力攪拌器的驅動下，膜式離心轉軸中的膜式攪拌槳以較高的速度繞中心軸旋 轉，在慣性離心力的作用下，使培養液分布于膜式離心轉軸生物反應器內外側，而氣體分布 于膜式攪拌槳表面形成的空穴中，通過真空泵的抽負壓作用和膜式離心轉軸生物反應器內 氣-液流體的壓力，加速二氧化碳廢氣透過膜式攪拌槳表面的疏水透氣聚四氟乙烯膜，實 現廢氣與培養液的快速、高效分離和排放；在培養的整個過程中，通過參數測量裝置對培養液的溫度、溶氧、pH和壓力參數值 進行實時測定。有益效果本發明的反應器適合于微重力環境下，培養體系內氧氣的高效率供給，氣液傳質 均勻，微生物細胞的高效培養與尾氣二氧化碳的快速、高效分離和排放。
圖1為本發明的生物反應器結構示意圖；圖2為膜式離心轉軸的橫截面示意圖；其中，1-反應器殼體，2-擋板，3-氧氣供應組件，4-膜式離心轉軸，5-參數測量裝置。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
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實施例一種微重力環境下膜式離心轉軸生物反應器，包括反應器殼體1、擋板2、氧氣供 應組件3、膜式離心轉軸4和參數測量裝置5 ；4塊擋板2均勻分布在反應器殼體1的內壁 上，每個擋板2上均勻分布有9個支撐孔，擋板2支撐固定氧氣供應組件3，氧氣供應組件 3環形纏繞在擋板2的9個支撐孔上；膜式離心轉軸4的頂端固定連接在反應器殼體1的 頂端，膜式離心轉軸4的底端位于反應器殼體1的底部的上方，參數測量裝置5設置在反應 器殼體1上部并與反應器殼體1固定連接，參數測量裝置5與反應器殼體1之間的夾角為 30-60 度；膜式離心轉軸4包括膜式攪拌槳和磁力攪拌組件；磁力攪拌組件位于膜式攪拌槳 的底端并與其通過法蘭固定連接；在膜式攪拌槳表面設置一層疏水不對稱聚四氟乙烯膜； 膜式離心轉軸4的表面呈凹凸鋸齒狀結構；氧氣供應組件3為硅橡膠模供氧組件。工作過程首先，將膜式離心轉軸生物反應器內充滿無菌培養液，然后向反應器內培養液中 按接種量-5%接種待培養生物細胞的種子液進行發酵培養；當反應器內溶氧值低于 20%時，空氣氣源經減壓閥、氣體流量計以30ml/min的流速從轉軸生物反應器壁接口進入 轉軸生物反應器，通過控制氣體與轉軸生物反應器內的壓力差0. 1-0. 2MPa，使沿著轉軸生 物反應器內壁側盤繞的氧氣供應組件3內的氣體以無泡供給的方式向培養液中滲透，從而 提供生物生長代謝所需的營養；在進行生物細胞發酵培養的前期(0_12h)，生物細胞處于適應期，生長代謝所需營 養和代謝產生的廢物較少；在磁力攪拌器的驅動下，膜式離心轉軸4以5-30rpm的速度旋 轉，膜式離心轉軸4中的膜式攪拌槳通過旋轉帶動流體運動實現轉軸生物反應器內營養的 混合與傳質均勻；同時擋板2起到增強氣液錯流傳質效率和提高氧的利用率的雙重作用；在生物細胞發酵培養的中后期(24_48h)，生物細胞快速繁殖和生長代謝產生大 量的二氧化碳和代謝廢物，在磁力攪拌器的驅動下，膜式離心轉軸4中的膜式攪拌槳以 80-120rpm的較高速度旋轉，在慣性離心力的作用下，使培養液分布于轉軸生物反應器內外 側，而氣體分布于膜式攪拌槳表面形成的空穴中，通過真空泵的抽負壓(_0.02MPa)作用和 轉軸生物反應器內氣_液流體的壓力，加速二氧化碳廢氣透過膜式攪拌槳表面微孔疏水透 氣聚四氟乙烯膜，實現廢氣與培養液的快速、高效分離和排放；在培養的整個過程中，通過參數測量裝置5對培養液的溫度(37°C )、溶氧值 (0-100% )、pH值(2-12)和壓力值(0-0. IMPa)進行實時測定。
權利要求
一種微重力環境下膜式離心轉軸生物反應器，其特征在于包括反應器殼體(1)、擋板(2)、氧氣供應組件(3)、膜式離心轉軸(4)和參數測量裝置(5)；擋板(2)焊接在反應器殼體(1)的內壁上，擋板(2)上有支撐孔，擋板(2)支撐固定氧氣供應組件(3)，氧氣供應組件(3)環形纏繞在擋板(2)的支撐孔上；膜式離心轉軸(4)的頂端固定連接在反應器殼體(1)的頂端，膜式離心轉軸(4)的底端位于反應器殼體(1)的底部的上方，參數測量裝置(5)設置在反應器殼體(1)上部并與反應器殼體(1)固定連接，參數測量裝置(5)與反應器殼體(1)之間的夾角為30 60度；膜式離心轉軸(4)包括膜式攪拌槳和磁力攪拌組件；磁力攪拌組件位于膜式攪拌槳的底端并與膜式攪拌槳固定連接。
2.根據權利要求1所述的一種微重力環境下膜式離心轉軸生物反應器，其特征在于 膜式攪拌槳表面有一層疏水不對稱聚四氟乙烯膜。
3.根據權利要求1所述的一種微重力環境下膜式離心轉軸生物反應器，其特征在于 氧氣供應組件(3)為硅橡膠膜供氧組件。
全文摘要
本發明涉及一種微重力環境下膜式離心轉軸生物反應器，屬于生物設備制造工程領域。包括反應器殼體、擋板、氧氣供應組件、膜式離心轉軸和參數測量裝置；擋板焊接在反應器殼體的內壁上，擋板上有支撐孔，擋板支撐固定氧氣供應組件，氧氣供應組件環形纏繞在擋板的支撐孔上；膜式離心轉軸的頂端固定連接在反應器殼體的頂端，膜式離心轉軸的底端位于反應器殼體的底部的上方，參數測量裝置設置在反應器殼體上部并與反應器殼體固定連接，參數測量裝置與反應器殼體之間的夾角為30-60度。本發明的反應器適合于微重力環境下，培養體系內氧氣的高效率供給，氣液傳質均勻，微生物細胞的高效培養與尾氣二氧化碳的快速、高效分離和排放。
文檔編號C12M1/00GK101974408SQ20101053540
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月8日 優先權日2010年11月8日
發明者周曉宏, 李春, 王超, 王魯峰, 蔣遠大, 鄧玉林, 鄭森 申請人:北京理工大學