專利名稱：一種植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及生物領(lǐng)域，具體說是一種植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)裝置。
二、技術(shù)背景植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)是指利用生物工程技術(shù)生產(chǎn)天然植物中所存在的對人類有用的物質(zhì)。這項(xiàng)技術(shù)首先通過對植物細(xì)胞的篩選培育出具有能夠產(chǎn)業(yè)化快速生長、繼代穩(wěn)定、有效物質(zhì)含量高等特點(diǎn)的植物工程細(xì)胞，然后，把植物細(xì)胞的生長從天然或人工栽培的環(huán)境中改造成在大型生物反應(yīng)裝置中的快速生長，從而達(dá)到生產(chǎn)有用物質(zhì)的目的。
解決植物細(xì)胞大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)不僅僅要培育出適應(yīng)細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)的工程細(xì)胞，同時(shí)也要求具有適應(yīng)細(xì)胞培養(yǎng)的生物反應(yīng)裝置。產(chǎn)業(yè)化的生物反應(yīng)裝置在微生物和動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)中日前已經(jīng)有了比較成熟的應(yīng)用。但由于植物細(xì)胞與微生物或動(dòng)物細(xì)胞相比具有較大的差異，所以在微生物或動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的反應(yīng)裝置不能直接用于植物細(xì)胞?，F(xiàn)有的細(xì)胞培養(yǎng)的反應(yīng)裝置有兩種基本形式。一種是攪拌式，就是利用其置于細(xì)胞液中的槳葉不斷攪拌使細(xì)胞在整個(gè)罐體中運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)在細(xì)胞與營養(yǎng)物或氣體的交換。另一種是氣升式，他是利用氣體從罐體的底部向上吹出時(shí)帶動(dòng)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞物質(zhì)的代謝與交換的。但由于其固有的缺陷，在植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)放大時(shí)都存在著一些缺點(diǎn)。第一因?yàn)橹参锛?xì)胞和微生物不同，植物細(xì)胞對剪切比較敏感，當(dāng)機(jī)械攪拌時(shí)，槳葉的機(jī)械剪切力使細(xì)胞破碎。對氣升式反應(yīng)器而言，由于在細(xì)胞高密度情況下黏度很大，在氣升式反應(yīng)器中需要保持氣體一定的壓力，有可能造成氣泡破碎時(shí)爆破細(xì)胞的問題，所以，無論是攪拌式還是氣升式都有可能會(huì)打破或爆破造成細(xì)胞死亡。另外，研究表明，細(xì)胞在攪拌時(shí)會(huì)破壞有些酶的活性，造成細(xì)胞代謝減慢。第二現(xiàn)有的生物反應(yīng)器在小規(guī)模培養(yǎng)時(shí)(實(shí)驗(yàn)室規(guī)模)能夠得到結(jié)果，但產(chǎn)業(yè)化放大非常困難。這是因?yàn)橹参锛?xì)胞在低密度條件下和大規(guī)模高密度條件下具有較大的條件差異，比如植物細(xì)胞是需要進(jìn)行光合作用的。在大容積的生物反應(yīng)器中由于植物細(xì)胞的密度增加而造成植物光合作用減弱。延緩了植物細(xì)胞發(fā)育和生長。另外，大容積的罐體中細(xì)胞液的罐壓對細(xì)胞的影響等等，所以現(xiàn)有的生物反應(yīng)裝置是不能從根本上改變這種差異。第三大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)的環(huán)境下，附屬的供氣、光照以及其他設(shè)備處于日夜不停的運(yùn)轉(zhuǎn)之中，而植物細(xì)胞生長周期較微生物或動(dòng)物細(xì)胞要長，所以造成能耗大，成本高。
三、實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供能耗低，能適合植物細(xì)胞生長環(huán)境的一種植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)器。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為一種植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)裝置，其特殊在于上述裝置包括罐體1，循環(huán)泵組2，光生物反應(yīng)器3和一些管道；設(shè)置在罐體的底部細(xì)胞液循環(huán)入口5與光生物反應(yīng)器3的細(xì)胞液循環(huán)出口7以管道相通；設(shè)置在罐體中部的細(xì)胞液循環(huán)出口6與光生物反應(yīng)器3的細(xì)胞液循環(huán)入口8以管道相通；循環(huán)泵組2設(shè)置在連通管道上。
上述的設(shè)置在連通管道上的循環(huán)泵組2包括由循環(huán)泵9和循環(huán)泵10，循環(huán)泵9設(shè)置在罐體的進(jìn)液管道，循環(huán)泵10設(shè)置在罐體的出液管道上。
上述的光生物反應(yīng)器3是一表面為密封玻璃的密封箱體11，其箱體內(nèi)設(shè)置盤繞的透明管道12，其與罐體的細(xì)胞液循環(huán)入口5和細(xì)胞液循環(huán)出口6相連通。
上述的罐體1的外罐壁上設(shè)置恒溫水浴夾層8。
上述的循環(huán)泵組2上設(shè)置輔助液體、氣體混合裝置13。
上述的罐體1內(nèi)設(shè)置有檢測探頭，在大生產(chǎn)中，探頭可以加裝在光生物反應(yīng)器中的管道里。
上述的光生物反應(yīng)器3內(nèi)設(shè)置的透明管道12的盤繞形式為S型、橫向S型、螺旋型和雙S型，。
上述的光生物反應(yīng)器3的采光外表面設(shè)置百葉窗14，結(jié)合光照計(jì)量進(jìn)行光照控制。
上述的罐體上設(shè)置恒溫水浴夾層8與光生物反應(yīng)器的密封箱體11的水出入口相連。
上述的光生物反應(yīng)器3采用多個(gè)以串聯(lián)或級聯(lián)方式連接，進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)，并可直接利用太陽能進(jìn)行光照。
本實(shí)用新型相對與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型主要是針對植物細(xì)胞培養(yǎng)條件的改善和節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。其從形式上和內(nèi)部構(gòu)造上作了根本上的改進(jìn)，因而具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)第一，利用細(xì)胞液在罐體和生物反應(yīng)器之中的循環(huán)產(chǎn)生的湍流來均質(zhì)細(xì)胞液，不再使用機(jī)械攪拌，從根本上解決了細(xì)胞受到外界機(jī)械剪切力破碎的問題。
第二，由于本實(shí)用新型不需要對細(xì)胞培養(yǎng)液提供額外的氣體供應(yīng)。減小了系統(tǒng)對氣體壓力的要求，氣體不會(huì)在大的壓力差下爆破，也就不會(huì)造成大量細(xì)胞的破碎，這也減少了維持氣體壓力的附屬設(shè)備，降低了生產(chǎn)成本。
第三，本實(shí)用新型采用光生物反應(yīng)器，使細(xì)胞一直保持在良好和可受控的光照條件下，使植物細(xì)胞培養(yǎng)在低密度和高密度條件下都能進(jìn)行很好的光合作用，同時(shí)，該結(jié)構(gòu)還改善了在大容積情況下細(xì)胞可能受到的罐壓和其他由于罐體的增大所帶來的其他影響，縮小了細(xì)胞在低密度和高密度培養(yǎng)條件下的差異，使產(chǎn)業(yè)化放大生產(chǎn)比較容易。
參見圖2，為現(xiàn)有技術(shù)的攪拌式細(xì)胞培養(yǎng)的反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；攪拌式細(xì)胞培養(yǎng)的反應(yīng)裝置，就是利用其置于細(xì)胞液中的槳葉不斷攪拌使細(xì)胞在整個(gè)罐體中運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)在細(xì)胞與營養(yǎng)物或氣體的交換。但因?yàn)橹参锛?xì)胞和微生物不同，植物細(xì)胞對剪切比較敏感，當(dāng)機(jī)械攪拌時(shí)，槳葉的機(jī)械剪切力使細(xì)胞破碎。而且，細(xì)胞在攪拌時(shí)會(huì)破壞有些酶的活性，造成細(xì)胞代謝減慢。
參見圖3，為現(xiàn)有技術(shù)的氣升式細(xì)胞培養(yǎng)的反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；細(xì)胞培養(yǎng)的反應(yīng)裝置是利用氣體從罐體的底部向上吹出時(shí)帶動(dòng)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞物質(zhì)的代謝與交換的。對氣升式反應(yīng)器而言，由于在細(xì)胞高密度情況下黏度很大，在氣升式反應(yīng)器中需要保持氣體一定的壓力，有可能造成氣泡破碎時(shí)爆破細(xì)胞的問題。
參見圖4，為本實(shí)用新型罐體的結(jié)構(gòu)示意圖；其是一個(gè)具有一定容積罐體1，罐體1上設(shè)置細(xì)胞液循環(huán)出入口5，6和若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)探頭孔。設(shè)置在罐體的底部細(xì)胞液循環(huán)入口5與光生物反應(yīng)器3的細(xì)胞液循環(huán)出口7以管道相通；設(shè)置在罐體中部的細(xì)胞液循環(huán)出口6與光生物反應(yīng)器3的細(xì)胞液循環(huán)入口8以管道相通；罐體1是由不銹鋼材料焊接成，其上部是一個(gè)法蘭盤結(jié)構(gòu)的上蓋，蓋的中間有密封槽可以保持罐體良好的密封性，罐體的內(nèi)加工要求達(dá)到GMP標(biāo)準(zhǔn)。在罐體上蓋設(shè)置若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)探頭孔，以便安裝檢測探頭。按照標(biāo)準(zhǔn)檢測，一般的設(shè)有溶氧、PH值、二氧化碳等傳感探頭。同時(shí)上蓋上應(yīng)有氣體入口、氣體出口、取樣口、加料口等氣體和細(xì)胞液、營養(yǎng)液供應(yīng)管口。
為了保持細(xì)胞的恒溫培養(yǎng)，采用水浴保溫的方式進(jìn)行加熱和恒溫。在罐體外部設(shè)置恒溫水浴夾層8，其出入口與光生物反應(yīng)器3的水的出入口相連接，可以利用太陽熱能對水浴夾層的水加熱。
在本實(shí)用新型中，由于不再需要傳統(tǒng)反應(yīng)器中的攪拌或氣泡產(chǎn)生裝置，所以對罐體的幾何形狀無特殊要求，為了減少罐體內(nèi)細(xì)胞液深度給細(xì)胞帶來的影響，在空間條件許可的條件下，盡可能的采用大直徑底部圓弧狀罐體即可。按照一般規(guī)律，工作容積可保持在罐體的2/3左右。故細(xì)胞循環(huán)出口6開在罐體的1/2處，細(xì)胞循環(huán)出口5開在罐體的底部。所有出口和管口均要求有符合GMP標(biāo)準(zhǔn)的光滑度和圓角。細(xì)胞循環(huán)出口根據(jù)安裝場地的實(shí)際情況可以采用固定密封或軟管密封安裝。
參見圖5，圖6，其為循環(huán)泵組的結(jié)構(gòu)示意圖；是一個(gè)以蠕動(dòng)泵為原理來帶動(dòng)細(xì)胞液在光生物反應(yīng)器中循環(huán)運(yùn)動(dòng)的裝置；其主要作用是輸運(yùn)細(xì)胞液在整個(gè)反應(yīng)器中循環(huán)運(yùn)動(dòng)。上述的循環(huán)泵組由兩個(gè)循環(huán)泵9、循環(huán)泵10構(gòu)成，循環(huán)泵9設(shè)置在罐體的進(jìn)液管道，循環(huán)泵10設(shè)置在罐體的出液管道上。使其輸運(yùn)細(xì)胞液的方向保持一致，輸運(yùn)細(xì)胞液的流量或速率可以通過同步驅(qū)動(dòng)或離合裝置實(shí)現(xiàn)一致或不同，并保持同步調(diào)節(jié)。同時(shí)，系統(tǒng)可以通過定時(shí)變換整體輸運(yùn)方向來增加湍流效果。在循環(huán)泵9、循環(huán)泵10的控制的管道上可以配套使用的氣體混合裝置13，氣體混合裝置13的管道的開口設(shè)置在循環(huán)泵9、循環(huán)泵10的控制的管道上，并在管道上各配有一個(gè)微調(diào)閥和微調(diào)泵。氣體加入量的大小可以通過微調(diào)循環(huán)泵的循環(huán)速率調(diào)節(jié)。本實(shí)用新型的這個(gè)微調(diào)泵組不僅可以增加氣體的供應(yīng)，也可用于一些細(xì)胞培養(yǎng)中在不同培養(yǎng)階段的生長營養(yǎng)物質(zhì)或誘導(dǎo)物質(zhì)的加入。
由于使用了循環(huán)器件，所以細(xì)胞液的運(yùn)動(dòng)速率可以受到精確控制。并且利用泵之間的輸送速度差異達(dá)到在光生物反應(yīng)器中保持一定的細(xì)胞液，以增加總的系統(tǒng)工作容積。在這部分中為了達(dá)到細(xì)胞在光生物反應(yīng)器中具有最佳的生長狀態(tài)，本實(shí)用新型的輔助液體、氣體混合裝置13，可以在光生物反應(yīng)器中按照植物自然生長規(guī)律，添加一定的輔助氣體或混合氣體，如CO2等，使其更好的生長。
參見圖7，圖8，其為光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖，光生物反應(yīng)器3是一表面為密封玻璃的密封箱體11，其箱體內(nèi)設(shè)置盤繞的透明管道12，其與罐體的細(xì)胞液循環(huán)入口5和細(xì)胞液循環(huán)出口6相連通，透明管道12的材料既可以由各種透明玻璃也可以由PC或其他有機(jī)透光物質(zhì)加工而成。透光管道的盤繞形式可以采用為S型、橫向S型、螺旋型和雙S型等，其功能是通過細(xì)胞在光生物反應(yīng)器3的循環(huán)運(yùn)動(dòng)中，達(dá)到細(xì)胞接受光照進(jìn)行光合作用并在其中完成細(xì)胞生長的氣體交換和代謝，同時(shí)該部分還具有能夠增加整體工作容積和使細(xì)胞在高密度條件下保持最佳的生長狀態(tài)的重要作用。本實(shí)用新型由于采用了模塊化結(jié)構(gòu)，使得光生物反應(yīng)器3可以與罐體1之間具有一定獨(dú)立的布局和安裝自由度，在保證整體滅菌的要求前提下，該光生物反應(yīng)器3可以結(jié)合一定的罐體布局采用串聯(lián)、級聯(lián)等方式來放大生產(chǎn)。本實(shí)用新型的光生物反應(yīng)器3為板狀結(jié)構(gòu)以便利用日光作為光源以便植物細(xì)胞進(jìn)行光合作用，大大減少了對電光源的能耗。本實(shí)用新型采用光照計(jì)量作為一個(gè)參量控制百葉窗，達(dá)到對光照強(qiáng)度的量化控制。
參見圖9是光生物反應(yīng)器的外部基本結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型的光生物反應(yīng)器3為利用太陽能創(chuàng)造了條件。這就大大節(jié)約了細(xì)胞培養(yǎng)中的光照能耗。同時(shí)，本實(shí)用新型中在各個(gè)部分中所涉及的水浴保溫裝置也可利用光生物反應(yīng)器的集熱裝置進(jìn)行水的加熱，光生物反應(yīng)器具有測試光照強(qiáng)度的光探頭。可以給控制系統(tǒng)控制百葉窗的開啟和關(guān)閉提供信，達(dá)到控制光照的目的。
在使用時(shí)，在完成了在線消毒滅菌后，添加細(xì)胞培養(yǎng)液和細(xì)胞種液到罐體內(nèi)，打開控制和測試系統(tǒng)對整個(gè)培養(yǎng)進(jìn)行初始化準(zhǔn)備和測試。按照預(yù)先設(shè)計(jì)的工藝條件。調(diào)節(jié)必要的溫度、溶氧、PH值等理化參數(shù)，在罐體內(nèi)對細(xì)胞進(jìn)行一段時(shí)間的靜置培養(yǎng)(適應(yīng)性培養(yǎng))后，打開循環(huán)泵組2的泵9將罐體的細(xì)胞液開始進(jìn)行培養(yǎng)。此時(shí)，按照工藝條件。調(diào)節(jié)好溶氧和其他氣體參數(shù)并調(diào)節(jié)好細(xì)胞液流速。待細(xì)胞液到達(dá)泵10時(shí)及時(shí)開動(dòng)泵10。完成整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定。系統(tǒng)開始進(jìn)入細(xì)胞培養(yǎng)過程。培養(yǎng)中，根據(jù)工藝要求和條件?？梢钥刂乒獍暹M(jìn)行光照控制，也可根據(jù)工藝要求，進(jìn)行補(bǔ)料和分段培養(yǎng)。也可利用泵9和泵10的輸送量差異保持在光生物反應(yīng)器中適量的細(xì)胞液。出于本系統(tǒng)可以進(jìn)行在線測試和在線監(jiān)測。所以，可以根據(jù)細(xì)胞的生長不同階段進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。
當(dāng)然，本實(shí)用新型不僅用在植物細(xì)胞的培養(yǎng)中，還可用在海洋生物的培養(yǎng)中，如對海草的培養(yǎng)。
權(quán)利要求1.一種植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)裝置，其特征在于上述裝置包括罐體(1)，循環(huán)泵組(2)，光生物反應(yīng)器(3)和一些管道；設(shè)置在罐體的底部細(xì)胞液循環(huán)入口(5)與光生物反應(yīng)器(3)的細(xì)胞液循環(huán)出口(7)以管道相通；設(shè)置在罐體中部的細(xì)胞液循環(huán)出口(6)與光生物反應(yīng)器(3)的細(xì)胞液循環(huán)入口(8)以管道相通；循環(huán)泵組(2)設(shè)置在連通管道上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)裝置，其特征在于所述的設(shè)置在連通管道上的循環(huán)泵組(2)包括由循環(huán)泵(9)和循環(huán)泵(10)，循環(huán)泵(9)設(shè)置在罐體的進(jìn)液管道，循環(huán)泵(10)設(shè)置在罐體的出液管道上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)裝置，其特征在于所述的光生物反應(yīng)器(3)是一表面為密封玻璃的密封箱體(11)，其箱體內(nèi)設(shè)置盤繞的透明管道(12)，其與罐體的細(xì)胞液循環(huán)入口(5)和細(xì)胞液循環(huán)出口(6)相連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)裝置，其特征在于所述的罐體(1)的外罐壁上設(shè)置恒溫水浴夾層(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)裝置，其特征在于所述的循環(huán)泵組(2)上設(shè)置輔助液體、氣體混合裝置(13)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)裝置，其特征在于所述的罐體(1)、光生物反應(yīng)器(3)內(nèi)設(shè)置有檢測探頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)裝置，其特征在于所述的光生物反應(yīng)器(3)內(nèi)設(shè)置的透明管道(12)的盤繞形式為S型、橫向S型、螺旋型和雙S型。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)裝置，其特征在于所述的光生物反應(yīng)器(3)的采光外表面設(shè)置百葉窗(14)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)裝置，其特征在于所述的罐體上設(shè)置恒溫水浴夾層(8)與光生物反應(yīng)器的密封箱體(11)的水出入口相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)裝置，其特征在于所述的光生物反應(yīng)器(3)采用多個(gè)以串聯(lián)或級聯(lián)方式連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及生物領(lǐng)域，具體說是一種植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)裝置。解決植物細(xì)胞大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)要求具有適應(yīng)細(xì)胞培養(yǎng)的生物反應(yīng)裝置?，F(xiàn)有的細(xì)胞培養(yǎng)的裝置沿用了微生物和動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器的概念，對植物細(xì)胞存在有基本缺陷。本專利在形式上和結(jié)構(gòu)上針對植物細(xì)胞特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，本實(shí)用新型包括罐體，循環(huán)泵組，光生物反應(yīng)器和一些管道；使其構(gòu)成一個(gè)可以循環(huán)的裝置。植物細(xì)胞液在循環(huán)的過程中，使植物細(xì)胞有氧氣、營養(yǎng)物和光合作用的光照。本實(shí)用新型能耗低，適合植物細(xì)胞生長。
文檔編號(hào)C12M3/00GK2570287SQ022622
公開日2003年9月3日 申請日期2002年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月20日
發(fā)明者欒龍 申請人:欒龍