一种用于生物反应器的新型气体交换系统的制作方法

1.本发明涉及生物药品生产、细胞培养技术领域，具体为一种用于生物反应器的新型气体交换系统。


背景技术：

2.在使用生物反应器进行生物药品生产、细胞培养等过程中，反应体系需要持续进行气体交换，以保障反应器内部平稳的溶氧浓度及ph水平，通气策略能够直接影响生物药品的安全性、产量及生产全流程的可靠性，传统反应器中常见使用直接通气方式，向反应器内直接鼓入大量气泡，带来若干问题：1)气体溶解效率相对较低，在高密度培养时，溶氧效率需要进一步提高；2)直接鼓入反应器的大量气泡，在破裂时产生巨大的剪切力，比较严重地影响细胞的活率与增值率；3)产生的大量液泡在液体表面堆积，在反应器内部形成高压力，易产生反应器的爆裂，目前消除液泡，传统方式需要加入消泡剂，消泡剂影响细胞的增殖效能；现阶段高密度的反应器培养工艺，需要新型的气体交换方式，在进一步提高气体溶解效能的同时，可有效抑制液泡的产生。
3.综上所述，本发明通过设计一种用于生物反应器的新型气体交换系统来解决存在的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种用于生物反应器的新型气体交换系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种用于生物反应器的新型气体交换系统，包括反应器主反应体系、气体溶解主通路和管路组件，所述气体溶解主通路包括离心泵、气体注入通道、气体过滤器和气体流量调节单元，所述离心泵、气体注入通道分别通过主循环通路连接在反应器主反应体系上，所述气体注入通道的另外两端口分别通过管道连接在离心泵、气体过滤器上，所述气体过滤器的另一端口连接在气体流量调节单元上；
7.所述管路组件包括进气口、空气过滤器、中尺寸硅胶管一、小尺寸硅胶管一、单向阀、小尺寸硅胶管二、中尺寸硅胶管二、小尺寸硅胶管三、小内腔硬管、大尺寸硅胶管一、y型三通连接头、进液口、大尺寸硅胶管二、离心泵一和出液口，所述进气口固定设置在空气过滤器的进气端口，所述空气过滤器的出气端口固定连接有中尺寸硅胶管一，所述中尺寸硅胶管一的另一端通过管道连接器连接有小尺寸硅胶管一。
8.作为本发明优选的方案，所述小尺寸硅胶管一的另一端通过单向阀连接在小尺寸硅胶管二上，所述小尺寸硅胶管二的另一端管道连接器连接在中尺寸硅胶管二上，并且中尺寸硅胶管二的内部的管道连接器的端口内部套接有小尺寸硅胶管三，所述中尺寸硅胶管二的另一端通过管道连接器连接在大尺寸硅胶管一的内部，并且大尺寸硅胶管一内部的管道连接器的端口内部固定套接有小内腔硬管，所述大尺寸硅胶管一的另一端通过y型三通
连接头连接在大尺寸硅胶管二上，并且y型三通连接头的第三端口为进液口，所述大尺寸硅胶管二的另一端固定安装在离心泵一上，所述离心泵一上固定设置有出液口。
9.作为本发明优选的方案，所述小尺寸硅胶管三的另一端口套接在大尺寸硅胶管一与中尺寸硅胶管二之间的管道连接器端口的内壁，所述小内腔硬管的两端分别延伸至小尺寸硅胶管三、y型三通连接头的内壁中，并且连接处经过密封处理。
10.作为本发明优选的方案，所述y型三通连接头的60
°
角接头分别对应连接大尺寸硅胶管一的出气端口、大尺寸硅胶管二的进气端口，并且使进气口与进液口的角度小于90
°
，进气口与出液口的角度大于90
°
。
11.作为本发明优选的方案，所述管路组件中的进气口、进液口、离心泵一和出液口分别通过管道连接在反应器主反应体系上。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
13.1、本发明中，通过机械压力，强制将气体以溶解状态注入反应器内培养体系液体，以溶解状态将交换气体带入主反应体系，避免主反应体系内大量液泡的产生，以及通过机械压力与连续传输的方式，将交换的溶解态气体快速传输入主反应体系，满足快速生长溶氧需求。
14.2、本发明中，通过程序能够根据当前罐体反馈的do与ph值自行补加相应气体，通气量通过反馈值与设定值差异自行调整，可动态调节气体溶解量。从而到达高效率，基本能够实现通入气体100％利用，有效避免液体表面液泡的产生，避免消泡剂的使用；低成本，单元结构简单、紧凑，生产便捷；安全性，有效防止液体回流及细菌污染以及高工艺适应性，有效避免在生物反应器罐体内部产生气泡增加剪切力的效果。
附图说明
15.图1为本发明反应器气体交换基本构型结构示意图；
16.图2为本发明管路组件整体构型物理实现示例结构示意图；
17.图3为本发明小内径硬管细节结构示意图。
18.图中：1、反应器主反应体系；2、气体溶解主通路；3、管路组件；4、主循环通路；201、离心泵；202、气体注入通道；203、气体过滤器；204、气体流量调节单元；301、进气口；302、空气过滤器；303、中尺寸硅胶管一；304、小尺寸硅胶管一；305、单向阀；306、小尺寸硅胶管二；307、中尺寸硅胶管二；308、小尺寸硅胶管三；309、小内腔硬管；310、大尺寸硅胶管一；311、y型三通连接头；312、进液口；313、大尺寸硅胶管二；314、离心泵一；315、出液口。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述,给出了本发明的若干实施例,但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例,相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
21.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件,当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件,本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
22.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同,本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明,本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
23.请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：
24.一种用于生物反应器的新型气体交换系统，包括反应器主反应体系1、气体溶解主通路2和管路组件3，气体溶解主通路2包括离心泵201、气体注入通道202、气体过滤器203和气体流量调节单元204，离心泵201、气体注入通道202分别通过主循环通路4连接在反应器主反应体系1上，气体注入通道202的另外两端口分别通过管道连接在离心泵201、气体过滤器203上，气体过滤器203的另一端口连接在气体流量调节单元204上；
25.管路组件3包括进气口301、空气过滤器302、中尺寸硅胶管一303、小尺寸硅胶管一304、单向阀305、小尺寸硅胶管二306、中尺寸硅胶管二307、小尺寸硅胶管三308、小内腔硬管309、大尺寸硅胶管一310、y型三通连接头311、进液口312、大尺寸硅胶管二313、离心泵一314和出液口315，进气口301固定设置在空气过滤器302的进气端口，空气过滤器302的出气端口固定连接有中尺寸硅胶管一303，中尺寸硅胶管一303的另一端通过管道连接器连接有小尺寸硅胶管一304。
26.作为本发明进一步优选的方案，小尺寸硅胶管一304的另一端通过单向阀305连接在小尺寸硅胶管二306上，小尺寸硅胶管二306的另一端管道连接器连接在中尺寸硅胶管二307上，并且中尺寸硅胶管二307的内部的管道连接器的端口内部套接有小尺寸硅胶管三308，中尺寸硅胶管二307的另一端通过管道连接器连接在大尺寸硅胶管一310的内部，并且大尺寸硅胶管一310内部的管道连接器的端口内部固定套接有小内腔硬管309，大尺寸硅胶管一310的另一端通过y型三通连接头311连接在大尺寸硅胶管二313上，并且y型三通连接头311的第三端口为进液口312，大尺寸硅胶管二313的另一端固定安装在离心泵一314上，离心泵一314上固定设置有出液口315。
27.作为本发明进一步优选的方案，小尺寸硅胶管三308的另一端口套接在大尺寸硅胶管一310与中尺寸硅胶管二307之间的管道连接器端口的内壁，小内腔硬管309的两端分别延伸至小尺寸硅胶管三308、y型三通连接头311的内壁中，并且连接处经过密封处理。
28.作为本发明进一步优选的方案，y型三通连接头311的60
°
角接头分别对应连接大尺寸硅胶管一310的出气端口、大尺寸硅胶管二313的进气端口，并且使进气口301与进液口312的角度小于90
°
，进气口301与出液口315的角度大于90
°
。
29.作为本发明进一步优选的方案，管路组件3中的进气口301、进液口312、离心泵一314和出液口315分别通过管道连接在反应器主反应体系1上。具体实施案例：
30.气体溶解主通路包含(但不限于)，如图1:
31.a)离心泵201：通过机械力，强制将气体溶解入液体中，消除溶解过程中产生的气泡；
32.b)气体注入通道202:气体进入主循环通路4，并通过液体循环，加入反应器主反应体系中；
33.c)气体过滤器203：消除进入主循环的潜在污染物；
34.d)气体流量调节单元204：与离心201泵转速协同调节，控制气体溶解量；如图2，具体的产品实现包括：
35.1)小内径硬:309：用于从小尺寸硅胶管三308至y型三通连接头311直通气体；
36.2)小尺寸硅胶管三308：用于封堵通气小内径硬:309周围间隙防止气体通过周边溢出，以及连接单向阀305；
37.3)中尺寸硅胶管一301和中尺寸硅胶管二307：用于连接大尺寸硅胶管一310、大尺寸硅胶管二313及空气过滤器302；
38.4)大尺寸硅胶管一310和大尺寸硅胶管二313：用于连接y型三通连接头311，以及连接离心泵一314；
39.5)y型三通接头311：用于将气体直通入反应体系主循环管路；
40.6)空气过滤器302：过滤通入气体，防止反应体系污染；
41.7)单向阀305：防止通气关闭后反应溶液回流，堵塞气体注入通道；
42.8)离心泵一314：作为液体循环动力来源，以及气体溶入反应体系溶液的主要位置；
43.9)进气口301：气体通入口；
44.10)进液口312：液体通入口；
45.11)出液口315：溶气液体出口；
46.直通气策略工作流程：
47.step#1：将管路组件3中的进气口301、进液口312、离心泵一314和出液口315分别通过管道连接在反应器主反应体系1上；
48.step#2：在人机交互界面设定培养需要的离心泵一314转速、ph值、do值等参数；
49.step#3：离心泵一314按照设定速度运行；
50.step#4:当do值偏低时，离心泵一314逐渐提速至交换速度，进气口301自动通入o2气体；
51.step#5：实际do值达到设定do值后，o2气体停止通入，离心泵一314逐渐降速至设定速度；
52.step#6：当ph值偏高时，离心泵一314逐渐提速至交换速度，进气口301自动通入co2气体；
53.step#7：实际ph值达到设定ph值后，co2气体停止通入，离心泵一314逐渐降速至设定速度。
54.通气策略的实现，如图3：
55.1)减小通入气体气泡体积：小内径硬管309位于小尺寸硅胶管三308中，通过小尺寸硅胶管三308密封小内径硬管309与接头周围缝隙，能够保证气体完全通过小内径硬管309流出，实际过程中小内径硬管309能够减小通入气体单个气泡的体积，同时增大气液相表面积，加速气体溶解过程；
56.2)钝角通入气体：y型三通连接头311的60
°
角接头分别对应连接大尺寸硅胶管一
310的出气端口、大尺寸硅胶管二313的进气端口，并且使进气口301与进液口312的角度小于90
°
，进气口301与出液口315的角度大于90
°
，使小气泡通入时能够跟随也流进入离心泵；
57.3)高速旋转气液相溶：利用离心泵一314气体易聚集在进液口312处的特性，使通入气体保持在进液口312处从而防止出液口流出明显气泡，同时高速旋转的的离心泵一312能够进一步增大气液相表面积，加快高纯气体的溶入；
58.4)防回流功能：单向阀305能够保证通气停止过程中，液体通过小内腔硬管309回流损坏设备；
59.5)空气过滤功能：空气过滤器302能够过滤掉通入气体中的杂质及细菌，防止细菌跟随通入气体进入生物反应器内部无菌环境造成污染，从而此过程通过机械压力，强制将气体以溶解状态注入反应器内培养体系液体，以溶解状态将交换气体带入主反应体系，避免主反应体系内大量液泡的产生，以及通过机械压力与连续传输的方式，将交换的溶解态气体快速传输入主反应体系，满足快速生长溶氧需求，通过程序能够根据当前罐体反馈的do与ph值自行补加相应气体，通气量通过反馈值与设定值差异自行调整，可动态调节气体溶解量，从而到达高效率，基本能够实现通入气体100％利用。避免液体表面液泡的产生，避免消泡剂的使用；低成本，单元结构简单、紧凑，生产便捷；安全性，有效防止液体回流及细菌污染以及高工艺适应性，有效避免在生物反应器罐体内部产生气泡增加剪切力的效果。
60.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。