用于生物反应器的培养基外循环更新装置的制作方法

本公开总体上涉及生物反应器领域。更具体来说，本公开涉及一种用于生物反应器的培养基外循环更新装置。

背景技术：

在动物细胞的生物反应器设计中，氧气在培养基中的溶解能力一直是最重要的设计参数之一。一般情况下，氧气的传递速率要大于动物细胞的氧气消耗速率，以其维持动物细胞的正常代谢水平。

目前，对于生物反应器罐体内部直接进行气体输入的分布器来说，大多数一次性生物反应器采用厘米级气泡分布器和微米级气泡分布器的结合，将厘米级气泡分布器和微米级气泡分布器浸没在培养基和动物细胞的混合溶液中。厘米级气泡分布器产生的气泡直径较大，传质比表面积较小。因此，厘米级气泡分布器排出二氧化碳的能力较好，但是传递氧气的能力较差，一般用来吹散溶解培养基中的多余二氧化碳气泡。微米级气泡分布器通常采用金属或塑料材质的烧结方法制成，其最小孔径可以控制到2-20um。在相同流量的气体条件下，微米级气泡分布器产生的气泡数量众多，有效地提高了传质比表面积。但是，微米级气泡分布器产生的过小气泡会对动物细胞(尤其是干细胞)造成较为显著的伤害。另外，在生物反应器的培养基外循环装置中，气体与溶液直接接触传递会产生诸如大量泡沫，氧气传递不均匀和传递量有限等现象。因此在设计该种装置时，无气泡的传质方式有很大的优势。

在动物细胞的生物反应器设计中，如何排除培养基中的有害物质也是一大难题。动物细胞随着数量增加而代谢出大量的副产物，副产物的积累对动物细胞的生长和代谢产生很大的抑制作用。因此需要监控此类副产物的浓度，并想办法从培养基中排出此类副产物。目前，大多数一次性生物反应器采用灌流(稀释或者重力沉降换液)的方法将动物细胞与培养基分离，并注入新鲜培养基。该方法虽然有效稀释了副产物的浓度，但是也带来了两个问题。一个问题是培养基的大量浪费。该方法在日换液体积达到一到两个培养体积，并且如果整个过程以14天为周期的话，培养基将损失10-20个体积。动物细胞的培养基(特别是干细胞的培养基)价格一般是每升一千到数千元人民币，如果大规模培养其成本可想而知。另一个问题是有效生长因子的流失。该方法采用直接稀释的方法来进行培养基的更换，不仅稀释了副产物、也稀释掉生长因子等促进细胞生长的生长因子的浓度。外援添加生长因子不但配置复杂，而且成本非常高昂。

技术实现要素：

本公开的目的之一是提供一种能够克服现有技术中至少一个缺陷的培养基外循环更新装置。

本公开的第一方面涉及一种用于生物反应器的培养基外循环更新装置，其中，所述生物反应器具有容纳动物细胞和培养基的混合溶液的罐体，所述培养基外循环更新装置包括：

透析组件，所述透析组件设置在罐体之外，并且包括透析过滤器，所述透析过滤器构造成将与动物细胞分离的培养基中的有害代谢物质透析到透析液中，和

与透析组件流体连通的通气组件，所述通气组件设置在罐体之外，并且包括气体分布器，所述气体分布器构造成将气体传递到与动物细胞分离的培养基中，并且其中，气体分布器和透析过滤器形成为一个整体件。

在一些实施例中，气体分布器包括壳体、以及设置在壳体中的膜片，其中，气体分布器的壳体包括中空内腔，所述膜片将壳体的中空内腔分隔成供培养基流动通过的培养基腔室和供气体流动通过的气体腔室。

在一些实施例中，膜片构造成将气体腔室中的气体以无气泡的方式溶解至培养基腔室中的培养基。

在一些实施例中，膜片将培养基腔室和气体腔室设置为彼此嵌套的内筒和外筒形式。

在一些实施例中，膜片呈两端敞开的筒体状，并且膜片沿两端敞开的筒体的周向方向呈锯齿形或波浪形。

在一些实施例中，膜片的顶端固定连接至壳体的顶壁，而底端固定连接至壳体的底壁。

在一些实施例中，无纺布被构造成贴合至膜片以增强膜片的强度。

在一些实施例中，气体腔室包括设置在壳体的侧壁的内表面上延伸的通气槽，所述通气槽构造成引导进气气体在侧壁的整个内表面上流动。

在一些实施例中，膜片设置在侧壁的内表面上，并且覆盖通气槽。

在一些实施例中，侧壁包括多个凸部，所述多个凸部均从侧壁的内表面径向向内突起。

在一些实施例中，所述多个凸部形成支撑膜片的支撑骨架。

在一些实施例中，通气槽形成在侧壁的内表面、以及相邻的凸部的侧表面之间的空间中。

在一些实施例中，膜片固定到侧壁的凸部的径向内表面上。

在一些实施例中，通气槽在侧壁的整个内表面上呈主要沿水平方向蜿蜒的蛇形。

在一些实施例中，通气槽在侧壁的整个内表面上呈主要沿竖直方向蜿蜒的蛇形。

在一些实施例中，通气槽呈绕着侧壁的整个内表面从底部延伸到顶部的螺旋形。

在一些实施例中，气体分布器的培养基腔室与罐体通过出液管道流体连通。

在一些实施例中，膜片采用致密膜的形式或者微孔膜的形式。

在一些实施例中，微孔膜的孔径构造成使得膜片在一定压力下通气不产生气泡。

在一些实施例中，微孔膜的孔径小于0.05μm。

在一些实施例中，微孔膜的孔径是以下组中的一个或多个：0.01μm、0.05um、0.10μm、0.20μm、0.04μm。

在一些实施例中，致密膜的厚度介于50μm到500μm之间。

在一些实施例中，膜片采用硅胶、pdms、pcte、pete、ptfe、pp、pc、尼龙、pes或烧结多孔材料等材料制成。

在一些实施例中，膜片进行亲水和正电荷或负电荷处理，从而不容易被动物细胞吸附而发生堵塞。

在一些实施例中，通气组件还包括进气单元和排气单元，其中，所述进气单元与气体腔室流体连通并向气体腔室输送进气气体，并且所述排气单元与气体腔室流体连通并将气体腔室中的未溶解的气体排出气体分布器。

在一些实施例中，进气单元通过进气管路和气体腔室流体连通，并且包括设置在进气管路上的气体流量组分调节器，所述气体流量组分调节器构造成调节进气气体的组分比例。

在一些实施例中，气体流量组分调节器是质量流量计或气体比例调节阀中的任一个。

在一些实施例中，进气气体包括空气、氧气、二氧化碳，或者包括氮气、氧气、二氧化碳。

在一些实施例中，排气单元通过排气管路与气体腔室流体连通，并且包括设置在排气管路中的压力控制阀门和传感器，以控制气体腔室中的气体压力。

在一些实施例中，气体腔室中的气体压力保持在0.01mpa-0.1mpa之间。

在一些实施例中，通气组件还包括设置在混合溶液中的溶氧电极，所述溶氧电极构造成检测混合溶液内的溶氧浓度值。

在一些实施例中，控制器构造成通过溶氧电极检测的溶氧浓度值，来调节气体流量组分调节器的进气气体中的氧气比例，从而调节罐体内的混合溶液的溶氧浓度值。

在一些实施例中，通气组件还包括设置在混合溶液中的ph电极，所述ph电极构造成检测混合溶液内的ph值。

在一些实施例中，控制器构造成通过ph电极检测的ph值，来调节气体流量组分调节器的进气气体中的二氧化碳比例，从而调节混合溶液的ph值。

在一些实施例中，透析过滤器包括壳体、以及设置在壳体中的滤芯，其中，透析过滤器的壳体呈具有顶壁、底壁和在顶壁和底壁之间延伸的侧壁筒体状、并且包括中空内腔，滤芯将透析过滤器的壳体的中空内腔分隔成供培养基流动通过的培养基腔室和供透析液流动通过的透析液腔室。

在一些实施例中，透析过滤器的壳体和气体分布器的壳体一体成型。

在一些实施例中，透析过滤器的壳体和气体分布器的壳体分开形成并且连接固定在一起。

在一些实施例中，透析过滤器的壳体的外横截面和气体分布器的壳体的外横截面彼此对应、或者彼此不对应。

在一些实施例中，透析过滤器的培养基腔室和透析液腔室呈彼此嵌套的内筒和外筒形式。

在一些实施例中，透析过滤器的培养基腔室和透析液腔室呈彼此邻接的两个半筒形式。

在一些实施例中，透析过滤器的培养基腔室和气体分布器的培养基腔室通过连接管道流体连通。

在一些实施例中，连接管道和透析过滤器和/或气体分布器的壳体的相应部分设置成透明的，从而能够观察连接管道中培养基的流动状态。

在一些实施例中，连接管道大致呈漏斗状，并且漏斗的一端连接至透析过滤器的培养基腔室、另一端连接至气体分布器的培养基腔室。

在一些实施例中，透析过滤器的培养基腔室与罐体通过进液管道流体连通。

在一些实施例中，泵设置在进液管道上，并且构造成将培养基从罐体泵送到透析过滤器的培养基腔室中。

在一些实施例中，透析组件还包括新鲜透析液储罐和废透析液储罐，所述新鲜透析液储罐和废透析液储罐均和透析液腔室流体连通。

在一些实施例中，泵设置在透析液腔室和新鲜透析液储罐之间的管道上、或者设置在透析液腔室和废透析液储罐之间的管道上，并且构造成驱动透析液在新鲜透析液储罐、透析液腔室和废透析液储罐之间流动。

在一些实施例中，过滤器设置在透析液腔室和新鲜透析液储罐之间的管道上，以用于将透析液中的不溶性颗粒过滤掉。

在一些实施例中，所述培养基外循环更新装置还包括细胞分离装置，所述细胞分离装置构造成将培养基与动物细胞分离。

在一些实施例中，细胞分离装置设置在罐体内，并且与透析过滤器流体连通。

本公开的第二方面涉及一种用于生物反应器的培养基外循环更新装置，其中，所述生物反应器具有容纳动物细胞和培养基的混合溶液的罐体，

所述培养基外循环更新装置包括通气组件，其中，所述通气组件设置在罐体之外、并且包括气体分布器，所述气体分布器构造成将气体传递到与动物细胞分离的培养基中，气体分布器包括壳体、以及设置在壳体中的膜片，其中，气体分布器的壳体包括中空内腔，并且所述膜片将壳体的中空内腔分隔成供与动物细胞分离的培养基流动通过的培养基腔室和供气体流动通过的气体腔室；其中，膜片构造成将气体腔室中的气体以无气泡的方式溶解至培养基腔室中的培养基。

在一些实施例中，膜片将培养基腔室和气体腔室设置为彼此嵌套的内筒和外筒形式。

在一些实施例中，膜片呈两端敞开的筒体状，并且膜片沿两端敞开的筒体的周向方向呈锯齿形或波浪形。

在一些实施例中，膜片的顶端固定连接至壳体的顶壁，而底端固定连接至壳体的底壁。

在一些实施例中，无纺布被构造成贴合至膜片以增强膜片的强度。

在一些实施例中，气体腔室包括设置在壳体的侧壁的内表面上延伸的通气槽，所述通气槽构造成引导进气气体在侧壁的整个内表面上流动。

在一些实施例中，膜片设置在侧壁的内表面上，并且覆盖通气槽。

在一些实施例中，侧壁包括多个凸部，所述多个凸部均从侧壁的内表面径向向内突起。

在一些实施例中，所述多个凸部形成支撑膜片的支撑骨架。

在一些实施例中，通气槽形成在侧壁的内表面、以及相邻的凸部的侧表面之间的空间中。

在一些实施例中，膜片固定到侧壁的凸部的径向内表面上。

在一些实施例中，通气槽在侧壁的整个内表面上呈主要沿水平方向蜿蜒的蛇形。

在一些实施例中，通气槽在侧壁的整个内表面上呈主要沿竖直方向蜿蜒的蛇形。

在一些实施例中，通气槽呈绕着侧壁的整个内表面从底部延伸到顶部的螺旋形。

在一些实施例中，气体分布器的培养基腔室与罐体通过出液管道流体连通。

在一些实施例中，膜片采用致密膜的形式或者微孔膜的形式。

在一些实施例中，微孔膜的孔径构造成使得膜片在一定压力下通气不产生气泡。

在一些实施例中，微孔膜的孔径小于0.05μm。

在一些实施例中，微孔膜的孔径是以下组中的一个或多个：0.01μm、0.05um、0.10μm、0.20μm、0.04μm。

在一些实施例中，致密膜的厚度介于50μm到500μm之间。

在一些实施例中，膜片采用硅胶、pdms、pcte、pete、ptfe、pp、pc、尼龙、pes或烧结多孔材料等材料制成。

在一些实施例中，膜片进行亲水和正电荷或负电荷处理，从而不容易被动物细胞吸附而发生堵塞。

在一些实施例中，通气组件还包括进气单元和排气单元，其中，所述进气单元与气体腔室流体连通并向气体腔室输送进气气体，并且所述排气单元与气体腔室流体连通并将气体腔室中的未溶解的气体排出气体分布器。

在一些实施例中，进气单元通过进气管路和气体腔室流体连通，并且包括设置在进气管路上的气体流量组分调节器，所述气体流量组分调节器构造成调节进气气体的组分比例。

在一些实施例中，气体流量组分调节器是质量流量计或气体比例调节阀中的任一个。

在一些实施例中，进气气体包括空气、氧气、二氧化碳，或者包括氮气、氧气、二氧化碳。

在一些实施例中，排气单元通过排气管路与气体腔室流体连通，并且包括设置在排气管路中的压力控制阀门和传感器，以控制气体腔室中的气体压力。

在一些实施例中，气体腔室中的气体压力保持在0.01mpa-0.1mpa之间。

在一些实施例中，通气组件还包括设置在混合溶液中的溶氧电极，所述溶氧电极构造成检测混合溶液内的溶氧浓度值。

在一些实施例中，控制器构造成通过溶氧电极检测的溶氧浓度值，来调节气体流量组分调节器的进气气体中的氧气比例，从而调节罐体内的混合溶液的溶氧浓度值。

在一些实施例中，通气组件还包括设置在混合溶液中的ph电极，所述ph电极构造成检测混合溶液内的ph值。

在一些实施例中，控制器构造成通过ph电极检测的ph值，来调节气体流量组分调节器的进气气体中的二氧化碳比例，从而调节混合溶液的ph值。

在一些实施例中，所述培养基外循环更新装置还包括细胞分离装置，所述细胞分离装置构造成将培养基与动物细胞分离。

在一些实施例中，细胞分离装置设置在罐体内，并且与气体分布器流体连通。

本公开的主题技术的其它特征和优点将在下面的描述中阐述，并且部分地将从所述描述显而易见，或者可以通过实践本公开的主题技术来学习。通过在书面说明书及其权利要求书以及附图中特别指出的结构，将实现和获得本公开的主题技术的优点。

应当理解，前述一般性描述和以下详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在提供对要求保护的本公开的主题技术的进一步说明。

附图说明

在结合附图阅读下文的具体实施方式后，将更好地理解本公开的多个方面，在附图中：

图1是根据本公开第一实施例的培养基外循环更新装置的示意图；

图2a、2b和2c分别是图1所示的培养基外循环更新装置一部分的立体图、上部横截面剖视图、和下部横截面剖视图；

图3a和图3b是图1所示的培养基外循环更新装置的膜片的示意图；

图4a和4b分别是图1所示的培养基外循环更新装置的另一个示例的气体分布器的组装立体图和横截面剖视图；并且图4c是该气体分布器的膜片的局部立体图；和

图5是根据本公开第二实施例的培养基外循环更新装置的示意图。

具体实施方式

以下将参照附图描述本公开，其中的附图示出了本公开的若干实施例。然而应当理解的是，本公开可以以多种不同的方式呈现出来，并不局限于下文描述的实施例；事实上，下文描述的实施例旨在使本公开的公开更为完整，并向本领域技术人员充分说明本公开的保护范围。还应当理解的是，本文公开的实施例能够以各种方式进行组合，从而提供更多额外的实施例。

应当理解的是，在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。在附图中，为清楚起见，某些特征的尺寸可以进行变形。

应当理解的是，说明书中的用辞仅用于描述特定的实施例，并不旨在限定本公开。说明书使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)除非另外定义，均具有本领域技术人员通常理解的含义。为简明和/或清楚起见，公知的功能或结构可以不再详细说明。

说明书使用的单数形式“一”、“所述”和“该”除非清楚指明，均包含复数形式。说明书使用的用辞“包括”、“包含”和“含有”表示存在所声称的特征，但并不排斥存在一个或多个其它特征。说明书使用的用辞“和/或”包括相关列出项中的一个或多个的任意和全部组合。说明书使用的用辞“在x和y之间”和“在大约x和y之间”应当解释为包括x和y。本说明书使用的用辞“在大约x和y之间”的意思是“在大约x和大约y之间”，并且本说明书使用的用辞“从大约x至y”的意思是“从大约x至大约y”。

在说明书中，称一个元件位于另一元件“上”、“附接”至另一元件、“连接”至另一元件、“耦合”至另一元件、或“接触”另一元件等时，该元件可以直接位于另一元件上、附接至另一元件、连接至另一元件、联接至另一元件或接触另一元件，或者可以存在中间元件。相对照的是，称一个元件“直接”位于另一元件“上”、“直接附接”至另一元件、“直接连接”至另一元件、“直接耦合”至另一元件或、或“直接接触”另一元件时，将不存在中间元件。在说明书中，一个特征布置成与另一特征“相邻”，可以指一个特征具有与相邻特征重叠的部分或者位于相邻特征上方或下方的部分。

在说明书中，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“高”、“低”等的空间关系用辞可以说明一个特征与另一特征在附图中的关系。应当理解的是，空间关系用辞除了包含附图所示的方位之外，还包含装置在使用或操作中的不同方位。例如，在附图中的装置倒转时，原先描述为在其它特征“下方”的特征，此时可以描述为在其它特征的“上方”。装置还可以以其它方式定向(旋转90度或在其它方位)，此时将相应地解释相对空间关系。

图1示出根据本公开第一实施例的培养基外循环更新装置1的使用环境示意图，图2a、2b和2c分别示出培养基外循环更新装置1一部分的立体图、上部横截面剖视图、和下部横截面剖视图。该培养基外循环更新装置1用于动物细胞培养和微载体工艺领域，并且适合各种小型生物反应器(例如一次性的动物细胞生物反应器)。生物反应器包括罐体2。罐体2用于容纳动物细胞和培养基的混合溶液。培养基外循环更新装置1用于在罐体2外更新与动物细胞分离开的培养基，例如透析培养基中的有害代谢物质、对培养基输送一种或多种气体等。

如图所示，培养基外循环更新装置1可以包括彼此流体连通的透析组件10和通气组件20。透析组件10用于在罐体2外透析培养基中的有害代谢物质(例如乳酸，无机铵等)。通气组件20用于在罐体2外向培养基输送一种或多种气体(诸如氧气、二氧化碳和空气的混合气体，或者氧气、二氧化碳和氮气的混合气体)。

在一些实施例中，培养基外循环更新装置1还可选地包括任何形式的细胞分离装置30。细胞分离装置30设置在罐体2中，并且用于在罐体2内将培养基和动物细胞分离开，以将与动物细胞分离开的培养基供给至透析组件10，从而消除掉供给循环泵对动物细胞的剪切伤害。

透析组件10包括透析过滤器110。透析过滤器110用于将培养基中的有害代谢物质透析到透析液中。透析过滤器110包括壳体111、以及设置在壳体111中的滤芯112。壳体111呈筒体状，并且包括顶壁111t、底壁111b、以及在顶壁111t和底壁111b之间延伸的侧壁111s。顶壁111t、底壁111b和侧壁111s包围壳体111的中空内腔。壳体111的横截面可以为圆形、椭圆形、三角形、四边形或者任意其他的形状。

滤芯112将壳体111的中空内腔分隔成培养基腔室113和透析液腔室114。培养基腔室113供培养基流动通过，透析液腔室114供透析液流动通过，由此培养基中的有害代谢物质从培养基腔室113透过滤芯112进入透析液腔室114的透析液中。滤芯112可以呈两端敞开的筒体状，并且滤芯112的顶端通过胶水，热熔或超声波等方式固定连接至壳体111的顶壁111t，而底端通过胶水，热熔或超声波等方式固定连接至壳体111的底壁111b。由此，滤芯112将壳体111的中空内腔分隔为彼此嵌套的内筒和外筒形式的培养基腔室113和透析液腔室114。

培养基腔室113分别设有进液口113i和出液口113o(例如在壳体111的顶壁111t和底壁111b上)。进液口113i与细胞分离装置30通过进液管道115流体连通，以从细胞分离装置30接收与动物细胞分离的培养基。泵119(例如，蠕动泵)可以设置在进液管道115上，以将与动物细胞分离的培养基从细胞分离装置30泵送到培养基腔室113中。细胞分离装置30用于将培养基与动物细胞分离，从而通过进液管道115的培养基不包含动物细胞，这避免了泵119对动物细胞造成剪切伤害。出液口113o与通气组件20通过连接管道116流体连通，以将经过透析处理的培养基输送到通气组件20。连接管道116大致呈漏斗状，并且一端连接至出液口113o，并且另一端连接至通气组件20的培养基腔室213的进液口213i(下文将详述)。在一些实施例中，连接管道116及其外侧相应的壳体部分设置成透明的，从而可以观察连接管道116中培养基的流动状态。透析液腔室114分别设有进液口114i和出液口114o(例如在侧壁111s上)。进液口114i通过进液管道117与新鲜透析液储罐150流体连通，并且出液口114o通过出液管道118与废透析液储罐153流体连通。

在其他实施例中，滤芯112也可以呈任何其他形状。例如，滤芯112也可以呈片状，并且滤芯112的顶端固定连接至壳体111的顶壁111t，而底端固定连接至壳体111的底壁111b。由此，滤芯112将壳体111的中空内腔分隔为彼此邻接的半筒形式的培养基腔室113和透析液腔室114。

新鲜透析液储罐150用于存储新鲜的透析液，并且通过进液管道117与壳体111的透析液腔室114流体连通。废透析液储罐153用于存储废透析液，并且通过出液管道118与壳体111的透析液腔室114流体连通。泵151(例如，蠕动泵)可以设置在进液管道117和/或出液管道118上，以驱动透析液在新鲜透析液储罐150、透析液腔室114和废透析液储罐153之间流动，即将新鲜的透析液从新鲜透析液储罐150通过进液管道117泵送到透析液腔室114中，并将用过的废透析液从透析液腔室114通过出液管道118泵送到废透析液储罐153。过滤器152设置在进液管道117上，以用于将透析液中的不溶性颗粒过滤掉。控制器(未示出)可以电连接至泵151和泵119，以控制泵的操作。

通气组件20包括气体分布器210、以及与气体分布器210流体连通的进气单元250和排气单元260。进气单元250用于向气体分布器210输送气体。气体分布器210用于将从进气单元250接收的气体溶解到培养基中。排气单元260用于将气体分布器210中未溶解至培养基的剩余气体排出气体分布器210。通气组件20还可以包括溶液监控单元270，以监控罐体2内的动物细胞和培养基的混合溶液的各参数，例如溶氧浓度值和ph值等。控制器(未示出)可以电连接至进气单元250、排气单元260和溶液监控单元270，以控制进气和排气操作。

气体分布器210和透析过滤器110形成为一个整体件。气体分布器210包括壳体211、以及设置在壳体211中的膜片212。壳体211容纳从透析组件10的培养基腔室113接收的经过透析处理的培养基，并容纳从进气单元250接收的待溶解至培养基的气体。膜片212在壳体211中将位于其一侧的气体以无气泡的方式传递和溶解到位于其另一侧的培养基中。壳体211呈筒体状，并且包括顶壁211t、底壁211b、以及在顶壁211t和底壁211b之间延伸的侧壁211s。顶壁211t、底壁211b和侧壁211s包围壳体211的中空内腔。壳体211的横截面可以为圆形、椭圆形、三角形、四边形或者任意其他的形状。壳体211的横截面可以设置成与透析过滤器110的壳体111的横截面相对应，也可以设置成与透析过滤器110的壳体111的横截面相互不对应。壳体211的外侧壁211s可以向上延伸越过其顶壁211t，和/或壳体111的外侧壁111s可以向下延伸越过其底壁111b，从而壳体211的外侧壁211s与壳体111的外侧壁111s可以一体成型，或者可以分开形成、并且通过焊接(例如超声焊接)、粘接、卡扣连接等连接固定在一起。

膜片212将壳体211的中空内腔分隔成培养基腔室213和气体腔室214。培养基腔室213供培养基流动通过，气体腔室214供气体流动通过，由此气体从气体腔室214透过膜片212以无气泡的方式溶解到培养基腔室213的培养基中。膜片212可以采用硅胶、pdms、pcte、pete、ptfe、pp、pc、尼龙、pes或烧结多孔材料等材料制成。膜片212可以进行亲水和正电荷或负电荷处理，从而不容易被动物细胞吸附而发生堵塞。如图3a所示，膜片212可以采用微孔膜的形式。微孔膜根据生物工艺(比如干细胞、肿瘤细胞、cho细胞或微载体工艺等)不同可以采用多种孔径，这些孔径小于0.05μm，例如包括但不限于0.01μm、0.05um、0.10μm、0.20μm、0.04μm等，并且在上述孔径条件下，膜片212在一定压力下通气不会产生气泡。另外，如图3b所示，膜片212也可以采用致密膜的形式。致密膜可以例如由pdms的硅胶材料制成。致密膜没有孔径的概念，但在厚度上要求尽量薄，例如在50μm到500μm之间。

如图2a所示，气体腔室214可以包括在壳体211的侧壁211s上延伸的通气槽221。多个凸部219从侧壁211s的内表面径向向内突起，并且通气槽221形成在侧壁211s的内表面以及相邻凸部219的侧表面之间的空间中。通气槽221用于引导气体在侧壁211s的整个内表面上流动，以增大气体在气体分布器210内的停留时间、并促进气体传质。

凸部219可以形成支撑膜片212的支撑骨架，由此保持膜片212平整。膜片212可以通过粘接或其他方式固定到侧壁211s的凸部219的径向内表面上，并且覆盖通气槽221。

通气槽221通过壳体211的侧壁211s上的进气口214i和进气单元250流体连通，并且通过壳体211的侧壁211s上的排气口214o和排气单元260流体连通，由此在壳体211上形成经过进气口214i、通气槽221和排气口214o的气体流动通道。气体可以从进气口214i流入通气槽221中，并且通过通气槽221上方的膜片212溶解到培养基腔室213的培养基中，未溶解的气体通过排气口214o流出通气槽221。

通气槽221可以在侧壁211s的整个内表面上呈主要沿水平方向蜿蜒的蛇形。通气槽221也可以以各种其他图案设置在侧壁211s上。例如，在一个实施例中，通气槽221在侧壁211s的整个内表面上呈主要沿竖直方向蜿蜒的蛇形。在另一个实施例中，通气槽221可以呈绕着侧壁211s的整个内表面从底部延伸到顶部的螺旋形。

图4a和4b分别示出另一形式的气体腔室214’及关联的气体分布器210’的组装立体图和横截面剖视图，并且图4c示出该气体分布器210’的膜片212’的立体图(上半部被移除以便于看清内部结构)。如图所示，膜片212’可以形成为两端敞开的筒体状，并且筒体的侧壁可以呈锯齿形或波浪形。膜片212’的顶端通过胶水，热熔或超声波等方式固定连接至壳体211’的顶壁211t’，而底端通过胶水，热熔或超声波等方式固定连接至壳体211’的底壁211b’。由此，膜片212’将壳体211的中空内腔分隔为彼此嵌套的内筒和外筒形式的培养基腔室213’和气体腔室214’。无纺布可以通过粘接、焊接等方式贴合至膜片212’的整个表面，并且由此在膜片筒体的周向方向和竖直方向上增强膜片212’的强度，防止膜片212’塌陷。在一些实施例中，可以在膜片212’的径向内侧和外侧增加筒状的支撑件215’和216’来支撑膜片212’。

返回图1和图2a，培养基腔室213分别设有进液口213i和出液口213o(例如在壳体211的顶壁211t和底壁211b上)。进液口213i与透析组件10的培养基腔室113通过连接管道116流体连通，以从透析组件10接收经过透析处理的培养基。出液口213o与罐体2通过出液管道216流体连通，以将经过透析处理和气体输送的培养基输送返回至罐体2内。气体腔室214分别设有进气口214i和排气口214o(例如在顶壁211t、底壁211b、或侧壁211s上)。进气口214i通过进气管道217与进气单元250流体连通，并且排气口214o通过排气管道218与排气单元260流体连通，以使气体流动通过气体腔室214。

进气单元250通过进气管道217与进气口214i连接，并且设置在气体分布器210之外。进气单元250以受控的方式将气体从外界输送到通气槽221中。进气单元250包括设置在进气管道217上的气体流量组分调节器(例如质量流量计或气体比例调节阀等)。气体流量组分调节器调节进气气体的流量和组分比例。在本实施例中，进气气体可以主要由空气、氧气、二氧化碳组成，也可以主要由氮气、氧气、二氧化碳组成。气体流量组分调节器由控制器控制，以实时调节总流量中的氧气和二氧化碳的比例，从而调节混合溶液中的溶氧浓度和ph值。

排气单元260通过排气管道218与排气口214o连接，并且设置在气体分布器210之外。排气单元260以受控的方式将通气槽221中未溶解的气体排出，以防止气体分布器210内的压力增大影响到进气单元250的气体控制。排气单元260包括设置在排气管道218中的压力控制阀门和传感器。压力控制阀门和传感器由控制器控制，以调节气体分布器210的通气槽221中的气体压力(一般保持在0.01mpa-0.1mpa之间)，从而维持膜片212的传质效率。

溶液监控单元270包括电连接到控制器的溶氧电极271和ph电极272。溶氧电极271和ph电极272可以设置在罐体2的细胞和培养基(或其他液体)的混合溶液中。溶氧电极271用于检测混合溶液内的溶氧浓度值，并反馈给控制器。ph电极272用于混合溶液的ph值，并反馈给控制器。控制器通过溶液监控单元270的溶氧电极271检测的溶氧浓度值，来实时调节进气单元250的气体流量组分调节器的进气气体中的氧气比例。例如，培养过程中混合溶液的溶氧设定为不低于40％，则随着混合溶液中动物细胞数量的增加，为了维持同样的溶氧，氧气流量也需要增加、并且在总气体流量中的比例也增加。另外，控制器通过溶液监控单元270的ph电极272检测的ph值，来调节进气单元250的气体流量组分调节器的进气气体中的二氧化碳比例，从而调节混合溶液的ph值。例如，培养过程中混合溶液的ph值设定为一个定值，则随着培养过程中ph的持续升高，为了维持恒定的ph值，二氧化碳流量也需要增加、并且在总气体流量中的比例也增加。

下面将参照图5描述根据本公开第二实施例的培养基外循环更新装置1001。培养基外循环更新装置1001将以培养基外循环更新装置1中的附图标记加1000来表示相同或相似的结构。

该培养基外循环更新装置1001用于动物细胞培养和微载体工艺领域，并且适合各种小型生物反应器(例如一次性的动物细胞生物反应器)。生物反应器包括罐体1002。罐体1002用于容纳动物细胞和培养基的混合溶液。培养基外循环更新装置1001用于在罐体1002外更新与动物细胞分离开的培养基，例如对培养基输送一种或多种气体等。培养基外循环更新装置1001与培养基外循环更新装置1的主要区别在于，培养基外循环更新装置1001可以不包括透析组件。

如图5所示，培养基外循环更新装置1001可以包括通气组件1020。通气组件1020用于在罐体1002外向培养基输送一种或多种气体(诸如氧气、二氧化碳和空气的混合气体，或者氧气、二氧化碳和氮气的混合气体)。在一些实施例中，培养基外循环更新装置1001还可选地包括任何形式的细胞分离装置1030。细胞分离装置1030设置在罐体1002中，并且用于在罐体1002内将培养基和动物细胞分离开，以将与动物细胞分离开的培养基供给至通气组件1020，从而消除掉供给循环泵对动物细胞的剪切伤害。

通气组件1020包括气体分布器1210、以及与气体分布器1210流体连通的进气单元1250和排气单元1260。进气单元1250用于向气体分布器1210输送气体。气体分布器1210用于将从进气单元1250接收的气体溶解到培养基中。排气单元1260用于将气体分布器210中未溶解至培养基的剩余气体排出气体分布器1210。通气组件1020还可以包括溶液监控单元1270，以监控罐体1002内的动物细胞和培养基的混合溶液的各参数，例如溶氧浓度值和ph值等。控制器(未示出)可以电连接至进气单元1250、排气单元1260和溶液监控单元1270，以控制进气和排气操作。

气体分布器1210包括壳体1211、以及设置在壳体1211中的膜片1212。壳体1211容纳从细胞分离装置1030接收的与动物细胞分离的培养基，并容纳从进气单元1250接收的待溶解至培养基的气体。膜片1212在壳体1211中将位于其一侧的气体以无气泡的方式传递和溶解到位于其另一侧的培养基中。

膜片1212将壳体1211的中空内腔分隔成培养基腔室1213和气体腔室1214。培养基腔室1213供培养基流动通过，气体腔室1214供气体流动通过，由此气体从气体腔室1214透过膜片1212以无气泡的方式溶解到培养基腔室1213的培养基中。

培养基腔室1213的进液口与细胞分离装置1030通过连接管道1115流体连通，以从细胞分离装置1030接收与动物细胞分离的培养基。泵1119(例如，蠕动泵)可以设置在进液管道1115上，以将与动物细胞分离的培养基从细胞分离装置1030泵送到培养基腔室1213中。细胞分离装置1030用于将培养基与动物细胞分离，从而通过进液管道1115的培养基不包含动物细胞，这避免了泵1119对动物细胞造成剪切伤害。培养基腔室1213的出液口与罐体1002通过出液管道1216流体连通，以将经过气体输送的培养基输送返回至罐体1002内。气体腔室1214的进气口通过进气管道1217与进气单元1250流体连通，并且排气口通过排气管道1218与排气单元1260流体连通，以使气体流动通过气体腔室1214。

气体分布器1210的结构和功能与气体分布器210的结构和功能类似，或者与气体分布器210’的的结构和功能类似。进气单元1250、排气单元1260、溶液监控单元1270的结构和功能和进气单元250、排气单元260、溶液监控单元270的结构和功能类似。因此，可以参照第一实施例了解气体分布器1210、进气单元1250、排气单元1260、溶液监控单元1270的结构和功能。

根据本公开的培养基外循环更新装置基于生物反应器罐体内的细胞分离装置，对与动物细胞分离开的培养基进行循环和更新，减少了循环泵对动物细胞的剪切伤害。

根据本公开的培养基外循环更新装置将气体交换功能和透析功能集成为一个整体，进行了紧凑化的设计，减小了装置的体积、降低了生产成本。

根据本公开的培养基外循环更新装置采用微孔膜或者致密膜来溶解气体，更有利于气体的传递效果。根据本公开的培养基外循环更新装置不会出现气泡通气模式下产生大量泡沫、氧气传递不均匀和传递量有限等现象。

虽然已经描述了本公开的示范实施例，但是本领域技术人员应当理解的是，在本质上不脱离本公开的精神和范围的情况下能够对本公开的示范实施例进行多种变化和改变。因此，所有变化和改变均包含在权利要求所限定的本公开的保护范围内。本公开由附加的权利要求限定，并且这些权利要求的等同物也包含在内。

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