细胞培养生物生产装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及细胞培养生物生产装置。
【背景技术】
[0002] 动物细胞培养，是细胞源人用疫苗和细胞源动物用疫苗、抗体药物以及部分重组 蛋白药物的基础。单位体积培养增殖的细胞数量，是上述产物产量基础。尽力提高动物细 胞培养密度，为进一步的产品增产提供更有利条件，始终是上述产物产业化、工程化关注的 焦点。
[0003] 动物细胞培养，更多的是贴壁依赖细胞的培养，即细胞必须附着在一个适宜的表 面上生长、代谢和增殖。
[0004] 为给细胞提供生长的附着面，最初是将细胞和培养液置于方瓶中，方瓶平放，一个 较大的侧面在下，细胞就在这个侧面上生长。瓶子本身就小，利用量就很有限；瓶子6个面 只有一个面被利用，显然利用率很低。
[0005] 后来，将细胞和培养液置于圆柱形瓶子（转瓶）中，转瓶横放，下部部分瓶壁浸于 培养液中。转瓶缓慢旋转，贴附于瓶内壁的细胞周期性浸润到培养液中，离开培养液后，在 转瓶上部仍由培养液液膜提供营养。所以转瓶的瓶身内壁都成为细胞生长面。单位容积所 提供的细胞生长面比用方瓶增加了 一个数量级。
[0006] 转瓶培养的缺点是占地面积大、劳动强度高。
[0007] 1980年代发展出细胞培养生物反应器，即细胞培养罐。生物反应器内装培养液中， 加入若干微载体，微载体表面即是细胞生长面。微载体以美国GE的Cytodex系列及美国 NBS的DISK为两种典型微载体代表。Cytodex系列葡聚糖球形微载体，DISK为小塑料片支 撑的纸质微载体。Cytodex系列提供的比表面积更大，可以达到6000 (cm)2/g。1克Cytodex I微载体约相当于2个10L的转瓶提供的生长面。球形微载体更容易实现放大生产。除了 Cytodex外，球形微载体还有明胶微载体、琼脂糖微载体、壳聚糖微载体等，主要是选用生物 相容性更好的原材料来制造微载体。
[0008] 动物细胞，基本上都是好氧生长代谢，而且只能利用溶解于培养液的溶解氧。氧在 培养液中的饱和溶解度很低，37°C，常压下只有约3~5mg/L培养液。所以溶解氧是细胞生 长代谢的限制因素，供氧能力是细胞培养生物反应器的限制因素。
[0009] 现有技术中，采用的反应装置如图1所示的通气搅拌式细胞培养生物反应器、图2 所示的湍动床式细胞培养生物反应器、图3所示的气升式细胞培养生物反应器。现有细胞 培养生物反应器用于细胞培养时，可达到的最大细胞密度尚低。
【发明内容】
[0010] 本发明所要解决的技术问题之一是采用现有技术中的细胞培养生物反应装置进 行细胞培养时，生物反应器中可达到的最大细胞密度低的问题。提供一种新的细胞培养生 物生产装置，其具有生物反应器中可达到的最大细胞密度高的优点。
[0011] 本发明所要解决的技术问题之二是上述技术问题之一所述的细胞培养生物生产 装置在需氧生物细胞培养中的应用。
[0012] 为解决上述技术问题之一，本发明的技术方案如下：细胞培养生物生产装置，包括 细胞培养生物反应器、培养液增氧塔13 ;
[0013] 所述反应器具有反应器进料口 1、反应器取样口 2、反应器接种口 4 ;反应器排气口 6〇
[0014] 所述增氧塔13内部具有如下布置：上部空间设置液体分布器14、下部设置有与增 氧气体入口相连通的增氧塔气体分布器16,液体分布器14和增氧塔气体分布器16之间设 置填料层15 ;所述增氧塔顶部具有增氧塔尾气排放口 12 ;
[0015] 所述生产装置具有从所述反应器内取出液体物料并输送至所述增氧塔顶部与液 体分布器14相通的增氧塔进料通道I ;
[0016] 所述生产装置具有从所述增氧塔底部取出液体物料并输回所述反应器的液体物 料回输通道II。
[0017] 所述增氧气是指可以提供需氧细胞培养所需氧气的任何气体，例如纯氧、空气、氮 气氧气混合物、氧气二氧化碳混合物，氧气氮气二氧化碳混合物等等。优先使用空气与二氧 化碳混合气体。
[0018] 通道I和通道II采用的输送动力的来源和种类没有特别要求，在本发明说明书记 载的基础上本领域技术人员能够合理选择。例如通道I和通道II之一可以采用反应器和 增氧塔的位置高低使得其中一个通道通过液位差提供输送动力，而另一个通道的输送动力 需要借助于输送泵或压力罐或真空泵。例如通过调高增氧塔的高度或者调低反应器的高度 的方法可以实现通道II的输送动力来自液位差，而通道I借助输送泵；或者通过调低增氧 塔的高度或者调高反应器的高度的方法可以实现通道I的输送动力来自液位差，而通道II 借助输送泵。还可以通道I和通道II均采用输送泵等提供输送动力。本发明装置的放料 口没有特别限制，可以设置在反应器（例如反应器的放料口 5)，也可以设置在通道I，当通 道I设置输送泵时可将放料口设置在邻近输送泵的出口端（例如图4~9所示装置的放料 口 11)。
[0019] 作为本发明的优选方案之一，所述通道I设置输送泵10。
[0020] 上述技术方案中，优选所述通道I在所述反应器和输送泵10之间设置细胞分离器 17,所述细胞分离器为固液分离器，所述固液分离器的进料口与通道I的近反应器方向相 接；所述固液分离器具有轻物料输出口和重物料输出口，所述轻物料输出口与输送泵10的 进料口连接，所述重物料输出口输回所述反应器。
[0021] 所述的固液分离器没有特别限制，例如可以采用旋液分离器，也可以采用沉降器 等。所述的沉降器可以用斜管沉降器，此时固液分离器的进料口和重物料输出口合并为共 用口并与通道I的近反应器方向相接。斜管沉降器可以是具有或者不具有扩张管的斜管沉 降器，但为达到更好的分离目的优先采用有扩张管的斜管沉降器。所述轻物料也即是贫含 细胞的物料，所述重物料也即是富含细胞的物料。
[0022] 上述技术方案中，优选所述通道I在输送泵10和增氧塔13之间设置细胞碎片分 离器18。本发明装置在细胞培养过程中，借此细胞碎片分离器18将培养过程中产生的细胞 碎片从液态物料中除去，净化生物反应器的培养环境。
[0023] 上述技术方案中，所述反应器自身可以不带混合机构。
[0024] 上述技术方案中，所述的反应器自身可以带有混合机构3, 7~9。所述混合机构包 括但不限于搅拌桨混合机构、气升式混合机构，湍动式混合机构。例如所述的反应器为搅拌 式反应器；再例如所述的反应器为具有从反应器的底部进行通气的细胞培养搅拌式生物反 应器；再例如所述的反应器为湍动床式细胞培养生物反应器或气升式细胞培养生物反应器 等等。
[0025] 上述技术方案中，对增氧塔内的填料层15中填料的材质和形状没有特别限制，均 可以采用现有技术中已有的那些。例如可选填料的材质可以为但不限于316L不锈钢、高硼 玻璃、聚四氟乙烯；填料的形状可以是但不限于波纹板、丝网、鞍状、拉西环、泡罩板、筛板、 纤维堆积体等。
[0026] 本领域技术人员知道，在通道I和/或通道II使用输送泵的场合，为了降低在细 胞培养过程中流量的波动，从而有利于培养过程更平稳地运行，还可以在相应的通道中设 置中间槽，使中间槽与输送泵的入口相连通；本领域技术人员还知道，为了提高增氧塔的生 产负荷，还可以为增氧塔自身建立循环回路。为了监测装置运行过程中装置内的液体的pH 值考虑，可在装置内任何可接触培养液的地方设置pH检测装置，从而为精细控制培养过程 中的pH环境；为了更方便监测细胞培养过程中反应器内的培养液的溶解氧浓度，还可以在 反应器上设置溶解氧电极，从而有利于调节溶解氧浓度；为了更方便监测细胞培养过程中 反应器内的培养液的温度，还可以在反应器上设置温度电极，从而有利于调节反应器内培 养液的温度；为监测装置运行过程中装置内由于液体与气体混合造成的泡沫情况，还可以 在在生物反应器设置消泡电极，从而有利于通过适时加入适量的消泡剂将装置内的泡沫控 制在较小的范围内；为了更方便监测细胞培养过程中反应器内的压力，还可以在反应器上 设置压力表；为了将反应器中所有物料排空，可以采用多种方法实现，但为了更加方便地 进行排空操作，可以设置专门用于排空物料的物料排空口，从而能够将反应器最底部的物 料排空，而反应器上的物料排空口的位置也没有特别要求，例如可以设置在反应器顶部而 通过管道直达反应器内的最底部物料，当然还可以把物料排空口设置在反应器的最底部位 置；等等。本领域技术人员知道，为了达到本发明的目的，并非上述部件都是必须的，例如当 本发明装置不包括pH检测装置或溶解氧电极时，也可以通过反应器物料的取样，然后在装 置外测试所取样品的pH或溶解氧浓度，从而再反过来根据测定值调整反应内的pH或溶解 氧浓度，等等。
[0027] 本发明实施例和比较例中，使用了 pH检测装置和溶解氧电极等，但未在相应的说 明书附图中标出。
[0028] 本发明中【具体实施方式】和实施例中所涉及的溶解氧浓度，以相对饱和溶解度来表 示，刚经过121°C灭菌后降温到所需培养温度（36. 8°C ±0. 2°C )的培养液，溶解氧电极测到 的溶解氧浓度信号作为〇%，然后通增氧气体至溶解氧达饱和，溶解氧的浓度不再增加，此 时溶解氧电极电信号走平，此时溶解氧浓度作为100%。溶解氧浓度可以控制在10%以上， 例如10~100%，更常用的是控制在40%以上，例如40~100%。本发明实施例中反应器 内的溶解氧浓度均控制在