專(zhuān)利名稱(chēng)：一次性生物反應(yīng)器系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施方案涉及用于加工生物材料的方法及系統(tǒng)，更特別地，涉及用于加工生物材料的一次性部件/系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)生物反應(yīng)器被設(shè)計(jì)成固定的受壓容器，所述受壓容器可由幾種可選方式混合，而目前的一次性生物反應(yīng)器為利用無(wú)菌塑料袋的裝置。每一種均用于加工生物材料 (例如，培養(yǎng)植物、動(dòng)物細(xì)胞)，包括，例如哺乳動(dòng)物、植物或昆蟲(chóng)細(xì)胞和微生物培養(yǎng)物。所述裝置還可用于無(wú)菌混合及非無(wú)菌混合應(yīng)用。bioreactor back and forth。例如，如 Singh 的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第 6，544，788 號(hào)所示，公開(kāi)了一種通過(guò)來(lái)回運(yùn)動(dòng)/加工來(lái)實(shí)現(xiàn)混合的一次性生物反應(yīng)器。所述加工有局限性， 并且不能以快速和高效的方式來(lái)使用。具體地，所述搖動(dòng)運(yùn)動(dòng)限制于低數(shù)量的來(lái)回移動(dòng)，以為了不給袋子和系統(tǒng)造成壓力。此外，目前的一次性生物反應(yīng)器不包括總體一次性系統(tǒng)——探頭、傳感器以及其它部件通常被再次使用并且在重復(fù)使用之前需要滅菌。因此，本領(lǐng)域一次性生物反應(yīng)器系統(tǒng)的目前狀況是效率不高，尤其是當(dāng)其用于混合時(shí)，而且在多次使用之間會(huì)有延滯時(shí)間，使得探頭、傳感器和/或其它部件在另一次使用之前可能要被滅菌。人們需要一種具有成本效益的一次性生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中許多部件為一次性， 且所述系統(tǒng)可限制多次使用之間的停機(jī)時(shí)間，和/或所述系統(tǒng)包括改進(jìn)的混合系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的實(shí)施方案著手于現(xiàn)有技術(shù)生物反應(yīng)器系統(tǒng)的不足和缺陷，提供了一種改進(jìn)的一次性生物反應(yīng)器系統(tǒng)。特別地，本發(fā)明的實(shí)施方案提供了混合、通氣和/或加工控制，其中消除了運(yùn)行生物反應(yīng)器所需的大量(如大多數(shù))典型消耗(utilities)。最后，本發(fā)明的某些實(shí)施方案包括基于一次性生物加工袋的生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中由所述一次性生物反應(yīng)器袋內(nèi)部限定的無(wú)菌封袋包括混合系統(tǒng)的一次性部件 (component)，所述混合系統(tǒng)的一次性部件不需要搖動(dòng)封袋或使用袋子外部管道上的蠕動(dòng)泵。另外，本發(fā)明的某些實(shí)施方案提供總體一次性溶液——所有接觸表面(包括探頭和傳感器)可以是一次性的。本發(fā)明的這些及其它實(shí)施方案包括下述優(yōu)點(diǎn)減少一次性生物反應(yīng)器提供的無(wú)菌封袋上的磨損，從而減少由于機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致的無(wú)菌封袋裂口的機(jī)會(huì)。不需要搖動(dòng)混合的本發(fā)明實(shí)施方案還包括非無(wú)菌應(yīng)用方面的優(yōu)點(diǎn)，其中一次性塑料容器的完整性是重要的。
因此，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，提供了一種生物反應(yīng)器系統(tǒng)，所述生物反應(yīng)器系統(tǒng)包括容納用于加工的生物材料的一次性容器，所述一次性容器包括至少一個(gè)進(jìn)樣口， 至少一個(gè)排出口(exhaust port)，至少一個(gè)收集口；支撐所述一次性容器的結(jié)構(gòu)；用于傳感所述容器中所述生物材料一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的一個(gè)或多個(gè)傳感器；用于加熱所述容器內(nèi)容物的加熱器，所述加熱器具有恒溫器；以及與所連系統(tǒng)裝置在一起的混合系統(tǒng)，使得所述一次性容器中含有的生物材料被混合。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，提供了一種生物反應(yīng)器系統(tǒng)，所述生物反應(yīng)器系統(tǒng)可包括至少一個(gè)或優(yōu)選地全部支撐結(jié)構(gòu)及位于所述支撐結(jié)構(gòu)中的柔性塑料袋。所述一次性容器可包括固定于所述柔性塑料袋較低部分的葉輪盤(pán)(impeller plate)，其中所述葉輪盤(pán)可包括柱(post)。所述一次性容器還可包括固定在柱上的葉輪轂(impeller hub)。所述葉輪轂具有至少一個(gè)裝配在柱上的葉輪漿葉且具有至少一個(gè)磁體。所述生物反應(yīng)器系統(tǒng)還可包括具有軸的發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)靠近支撐結(jié)構(gòu)或在支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)轂固定于發(fā)動(dòng)機(jī)軸(shaft)上。所述發(fā)動(dòng)機(jī)轂可包括至少一個(gè)磁體，當(dāng)柔性塑料袋固定于支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)時(shí)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)轂對(duì)準(zhǔn)所述葉輪盤(pán)，從而所述發(fā)動(dòng)機(jī)轂的磁體可對(duì)準(zhǔn)所述葉輪轂的磁體以在發(fā)動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)葉輪轂。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，包括了一種生物反應(yīng)器系統(tǒng)，該生物反應(yīng)器系統(tǒng)可包括支撐結(jié)構(gòu)和位于支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)的柔性塑料袋。所述一次性容器可包括固定于所述柔性塑料袋較低部分的葉輪盤(pán)；第一軸，該第一軸的第一端位子柔性塑料袋內(nèi)部，第二端位于柔性塑料袋外部；圍繞軸的軸封；以及固定于軸第一端的葉輪轂，所述葉輪轂具有至少一個(gè)裝配于軸上的葉輪盤(pán)。所述生物反應(yīng)器系統(tǒng)還可包括靠近支撐結(jié)構(gòu)或在支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)裝配的發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)柔性塑料袋固定于支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，所述軸的第二端由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。參照下面的詳細(xì)說(shuō)明和附圖，本發(fā)明的這些及其它對(duì)象(object)、優(yōu)點(diǎn)及特點(diǎn)將變得更加明顯，下文提供了對(duì)附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明。圖IA為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的生物反應(yīng)器系統(tǒng)的概觀框圖。圖IB為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的生物反應(yīng)器系統(tǒng)的示意圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的一次性生物反應(yīng)器袋的示意圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的生物反應(yīng)器系統(tǒng)的混合系統(tǒng)的示意圖。圖4為根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的生物反應(yīng)器系統(tǒng)的混合系統(tǒng)的示意圖。圖5A為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案，展示出葉輪轂靜止時(shí)可變形葉輪盤(pán)位置的葉輪轂的側(cè)視圖。圖5B為根據(jù)圖5A描述的實(shí)施方案的葉輪轂的側(cè)視圖，其展示出當(dāng)葉輪轂以特有速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可變形葉輪盤(pán)的位置。圖6為根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，具有一個(gè)(或多個(gè))可樞轉(zhuǎn)、固定的葉輪盤(pán)的葉輪轂的側(cè)視圖。圖7為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，描述應(yīng)用于一次性生物反應(yīng)器的泡罩塔 (bubble column)/氣升式(air-lift)混合器的三個(gè)概念的示意圖。圖8A為描述具有一個(gè)或多個(gè)障板的支撐結(jié)構(gòu)/槽的透視圖——被置入這樣的槽的一次性生物反應(yīng)器袋與障板相符合。圖8B是描述本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的示意圖，所述實(shí)施方案包括泡罩塔/氣升式混合系統(tǒng)(圖7)及位于支撐結(jié)構(gòu)中的內(nèi)槽(圖8A)。
具體實(shí)施例方式生物加工容器形成生物反應(yīng)器的產(chǎn)物接觸面。所述容器優(yōu)選為可置入剛性結(jié)構(gòu) (例如用于支撐的槽殼)的柔性袋。所述支撐結(jié)構(gòu)還可包括可移動(dòng)的臺(tái)車(chē)(dolly)，使得所述生物反應(yīng)器系統(tǒng)可在材料加工之前、期間及之后被移動(dòng)至不同位置。將接件添加至袋子以使生物反應(yīng)器中所需功能得以施展，例如，滲透和過(guò)濾器以允許流體和氣體轉(zhuǎn)移，混合界面，傳感器及空余表面以控制氣泡大小。對(duì)作為生物反應(yīng)器的應(yīng)用而言，(可于使用前對(duì)容器核心生物加工袋加上所有附件、過(guò)濾器、傳感器等。)滅菌 (如Y輻射)。滅菌之后，袋的內(nèi)部、管道及部件可被認(rèn)為是無(wú)菌的，提供“無(wú)菌封袋”，其可保護(hù)容器內(nèi)容物避免外界的大氣污染物。氣泡大小及分布可通過(guò)下述方法得到控制使入口氣流在加入一次性生物反應(yīng)器內(nèi)部之前通過(guò)多孔表面。另外，鼓泡表面可用作細(xì)胞分離裝置，其例如通過(guò)在多孔表面的外表面上交替加壓和釋壓(cbpressurization)(或應(yīng)用真空)，或通過(guò)沿多孔表面的一部分流動(dòng)產(chǎn)生的Bernoulli效應(yīng)引起沿表面的其它部分釋壓 (如，管中心的快速氣流，在管一端排出，產(chǎn)生沿管長(zhǎng)徑的真空)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖IA和IB所示，生物反應(yīng)器系統(tǒng)100可包括下述中的一種或多種一次性生物反應(yīng)器102，溫度控制器106及一個(gè)或多個(gè)傳感器和/或探頭108。為排除通過(guò)熱交換器的溫度控制所需的消耗，可通過(guò)由固定在生物反應(yīng)器上的控制系統(tǒng)或由電加熱毯或Peltier 加熱器加熱和/或冷卻的閉環(huán)水套提供加熱。加熱毯可包括熱電偶(或多個(gè))104a，用于傳感生物反應(yīng)器102內(nèi)容物的溫度，其連同溫度控制器一起工作，以控制生物反應(yīng)器102內(nèi)容物的設(shè)定溫度。傳導(dǎo)材料的溫度可深入袋子的表面內(nèi)以在需要時(shí)克服塑料的絕緣影響。在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，一次性生物反應(yīng)器可包括塑料柔性袋，但還可包括剛性材料(如塑料、金屬、玻璃)。傳感器和/或探頭典型地被連接至傳感器電子裝置 (electronics) 132，其輸出被傳遞至接線盒(terminal board)和繼電器之一或兩者均有。 還可提供混合系統(tǒng)110，其通常包括用于驅(qū)動(dòng)位于生物反應(yīng)器中的葉輪的發(fā)動(dòng)機(jī)112，功率調(diào)節(jié)器114和發(fā)動(dòng)機(jī)控制器116。還可通過(guò)下述閉環(huán)水套提供冷卻，該閉環(huán)水套由固定在生物反應(yīng)器上的控制系統(tǒng)或由經(jīng)過(guò)槽上的蓋/套進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)熱交換加熱和/或冷卻(加熱毯可被包括于裝置內(nèi)用于加熱/冷卻，但也可與冷卻毯分開(kāi))。也可通過(guò)Peltier冷卻器提供冷卻。例如，Peltier 冷卻器可應(yīng)用于排出線(如，應(yīng)用于與小袋相似的腔室，其具有使空氣減速的大容積及大的表面積)以使排出氣中的氣體冷凝以助于防止排出過(guò)濾器變濕?？諝?、氧氣和/或二氧化碳?xì)怏w(經(jīng)壓縮或泵過(guò)的)118可包括在內(nèi)，以提供生物反應(yīng)器內(nèi)容物的鼓泡。過(guò)濾器120，流量計(jì)121，和/或閥122(如氣動(dòng)閥)可以串聯(lián) (in-line)線提供，其后可由控制器系統(tǒng)115控制，如圖所示，控制器系統(tǒng)115可為個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)。此類(lèi)控制器系統(tǒng)可包括電子、機(jī)械或氣動(dòng)系統(tǒng)的組合，以控制至一次性生物反應(yīng)器系統(tǒng)的空氣、液體及熱。如

圖1所示，閥122可為氣壓傳動(dòng)裝置(使用，如壓縮空氣/ 二氧化碳1對(duì))，其可由電磁閥1 控制。電磁閥又可由連接至接線盒130的繼電器128控制，接線盒130連接至PC。接線盒可包括PCI接線盒，或通用串行總線(USB)/并聯(lián)，或坩鍋 (IEEE 394)接線盒連接。
如圖IB所示，一次性生物反應(yīng)器優(yōu)選由支撐結(jié)構(gòu)101支撐，其被示為槽(如不銹鋼的)，固定于底座103上，具有多個(gè)支架105。所述槽可被設(shè)計(jì)成包括與標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼生物反應(yīng)器相似的高度和直徑。所述設(shè)計(jì)還可按比例縮小至小的臺(tái)式生物反應(yīng)器容積，及擴(kuò)大至超過(guò)1000L的工作容積(舉例)。障板800 (見(jiàn)圖8A和8B)可被構(gòu)造進(jìn)堅(jiān)硬的槽殼802中， 以通過(guò)使袋子符合伸進(jìn)生物反應(yīng)器袋的形狀來(lái)改進(jìn)混合，優(yōu)選地打破環(huán)流和/或防止渦流 (舉例而言)。在至少一個(gè)支架(優(yōu)選地所有支架)下可為測(cè)壓儀(load cell) 107，其可用于估計(jì)生物反應(yīng)器內(nèi)容物和/或槽和相應(yīng)的槽部件的重量。所述槽可包括視窗101a，其允許人們能夠觀察一次性生物反應(yīng)器中的流體水平。視窗還可具有如下大小，其能允許人們觀察生物反應(yīng)器的大區(qū)域(area)。所述槽還可包括傳感器/探頭口 101b，連接放電管IOld的出口 101c。在槽的頂部，用于流體(fluid)、氣體等的一個(gè)或多個(gè)連接(如管、閥、孔)101e， 可加入或撤離(如進(jìn)入/排出)生物反應(yīng)器，其中每一連接可包括流量傳感器IOlf和/或過(guò)濾器101g。消耗塔IOlh可位于槽上或靠近槽，所述槽可用于容納一個(gè)或多個(gè)泵、控制器和電子裝置(如傳感器電子裝置，電子界面，加壓氣體控制器，等等)。傳感器/探頭和控制器監(jiān)測(cè)和控制的重要加工參數(shù)包括下述的任何一項(xiàng)或更多， 及其組合溫度、壓力、pH、溶解氧(DO)、溶解的二氧化碳(PCO2)、混合速率，以及氣流速率 (舉例而言)。優(yōu)選地，可以根據(jù)不危害生物反應(yīng)器建立的無(wú)菌屏障的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)加工控制。特別地，可通過(guò)入口空氣過(guò)濾器上游的轉(zhuǎn)子流量計(jì)或質(zhì)量流量計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)和/或控制氣流。一次性光學(xué)探頭可被設(shè)計(jì)成使用含有指示染料的材料“片(patch) ”，其可被固定于一次性生物反應(yīng)器袋內(nèi)表面，以及由槽內(nèi)的窗口通過(guò)袋子壁讀數(shù)。例如，溶解氧(DO)和/ 或PH和/或二氧化碳之中每一都可由固定于下述聚合物上的光學(xué)片和傳感器監(jiān)測(cè)和控制， 所述聚合物是可Y輻照、可生物降解的，其又被封至、包埋入或結(jié)合至袋子的表面?？捎扇肟诳諝膺^(guò)濾器的上游及排出空氣過(guò)濾器的下游的標(biāo)準(zhǔn)壓力換能器來(lái)監(jiān)測(cè)和控制壓力?？蛇x的一次性壓力傳感器可用于一次性生物反應(yīng)器的無(wú)菌封袋內(nèi)，方式為通過(guò)脫下架裝置(如Utah Medical或Honeywell)或通過(guò)在空氣入口和/或排出線上創(chuàng)造一個(gè)三通。所述三通的表面還可使用膜來(lái)維持無(wú)菌屏障，但被制造為不影響壓力讀數(shù)的形式。 標(biāo)準(zhǔn)的壓力換能器可被固定于三通上，以測(cè)量和控制無(wú)菌屏障內(nèi)的壓力。圖2描述了根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施方案的一次性生物反應(yīng)器200。如圖所示，所述生物反應(yīng)器包括可用于自生物反應(yīng)器添加或撤離氣體和/或流體的一個(gè)或多個(gè)孔202。收集或排出孔204通常位于袋子的底部，從而可使用重力引出生物反應(yīng)器內(nèi)容物。探頭和/或傳感器206可與生物反應(yīng)器的一側(cè)成為一體，使得傳感器和/或探頭也可為一次性。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，傳感器/探頭可為光學(xué)探頭，其以可視方式提供輸出。固此，傳感器/探頭孔IOlb可用于可視性監(jiān)測(cè)傳感器/探頭的狀態(tài)。與生物反應(yīng)器成為一體的可為混合系統(tǒng)的一部分。具體地，如圖2所示，所包括的與生物反應(yīng)器一起的混合系統(tǒng)部分可包括混合系統(tǒng)的一部分208-葉輪盤(pán)和葉輪轂。所述葉輪盤(pán)連接至發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以給予葉輪動(dòng)力，并且提供在發(fā)動(dòng)機(jī)與生物反應(yīng)器內(nèi)部之間的密封層。本發(fā)明的某些實(shí)施方案提供了一個(gè)或多個(gè)特殊的混合系統(tǒng)，其提供了使用不昂貴的方法提供生物反應(yīng)器內(nèi)容物攪動(dòng)的系統(tǒng)。此類(lèi)混合系統(tǒng)可使用材料如HDPE(高密度聚乙烯)和/或其它可Y輻照、可生物降解的塑料。混合系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)部件可通過(guò)材料的機(jī)械成塊來(lái)制造，但也可被模制和/或鑄造。一個(gè)此類(lèi)混合的實(shí)施方案在圖3中描述。根據(jù)該實(shí)施方案的混合系統(tǒng)提供了磁力驅(qū)動(dòng)葉輪——因此，發(fā)動(dòng)機(jī)不直接連接至葉輪。替代地，包含在發(fā)動(dòng)機(jī)轂內(nèi)的磁體通過(guò)磁力吸引驅(qū)動(dòng)包含在葉輪轂內(nèi)的磁體。值得注意的是，至少發(fā)動(dòng)機(jī)部分(及其它與發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)的部件)，可固定于支撐結(jié)構(gòu)/槽/臺(tái)車(chē)上。如圖所示，所述系統(tǒng)通常包括固定于生物反應(yīng)器壁302 (優(yōu)選地在其較低部分)一側(cè)的葉輪盤(pán)300、葉輪轂304、發(fā)動(dòng)機(jī)306、發(fā)動(dòng)機(jī)軸308及發(fā)動(dòng)機(jī)轂。所述葉輪盤(pán)可通過(guò)下述方式固定于生物反應(yīng)器壁上通過(guò)將兩片葉輪盤(pán)的兩個(gè)等分熱焊接在一起，并將生物反應(yīng)器壁夾在所述兩片葉輪盤(pán)的兩個(gè)等分之間或?qū)⑺鰞善~輪盤(pán)的兩個(gè)等分夾至生物反應(yīng)器壁上。或者，生物反應(yīng)器壁上的孔允許葉輪盤(pán)的中心部分從生物反應(yīng)器的外部延伸至其內(nèi)部(或反之亦然)。然后，密封圈(未示出)可附著或生物反應(yīng)器熱焊接直接連接至葉輪盤(pán)的外周以封閉之間的生物反應(yīng)器壁。還有一個(gè)選擇可為生物反應(yīng)器壁上的小型孔，其形成與葉輪盤(pán)周邊的密封，所述葉輪盤(pán)比孔稍大。根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的一重要特征涉及葉輪盤(pán)中的一個(gè)或多個(gè)多孔的、微孔的或超過(guò)濾元件301。所述元件可用于使氣體鼓泡或流體進(jìn)出生物反應(yīng)器。所述鼓泡和/ 或流體的加入或去除可與混合系統(tǒng)(即葉輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng))一起使用。鼓泡使用了接近反應(yīng)器底部的混合力(通常為空氣)。上升的氣泡和較低密度的氣體飽和的液體上升，置換氣體較少的液體，所述液體落下，提供了頂-底循環(huán)?？赏ㄟ^(guò)袋子腔室內(nèi)的分流器或通過(guò)槽(見(jiàn)上述)來(lái)引導(dǎo)上升液體路徑。例如，此類(lèi)袋子可包括以頂和底部的間距垂直對(duì)切袋子腔室的一層塑料?？蓪怏w僅添加至分流器的一側(cè)，引起氣體和氣體豐富的液體升至一側(cè)，橫過(guò)屏障的頂部，并下降至另一側(cè)上，在分流器下經(jīng)過(guò)至返回添加氣體端。在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，在旋轉(zhuǎn)葉輪下面的高剪切力區(qū)提供了系統(tǒng)增加的工作性能特征。與上述多乳材料(大的、微米、亞微?；蚣{米孔徑大小)聯(lián)合使用，所述剪切力區(qū)可用于實(shí)現(xiàn)許多目的氣體鼓泡；從容器撤離流體；固體/液體(liquid)或細(xì)胞培養(yǎng)物分離(如任何顆粒分離，其中固體保留在生物反應(yīng)器中，流體濾出液被去除)——例子包括半或連續(xù)灌注培養(yǎng)、細(xì)胞分離、樹(shù)脂分離等；及在多孔元件于超濾范圍內(nèi)的應(yīng)用中的產(chǎn)物或溶質(zhì)濃縮或緩沖液更換。在圖3描述的實(shí)施方案中，葉輪盤(pán)的內(nèi)側(cè)可包括柱312，其接收葉輪轂304中的中心孔。所述葉輪轂優(yōu)選被保持在處于葉輪盤(pán)表面上方的微小距離以防止之間的摩擦。低摩擦材料可用于制造葉輪轂以使葉輪轂和柱之間的摩擦減至最小；可選地，軸承311可包括在內(nèi)以減少摩擦。葉輪轂還優(yōu)選包括至少一個(gè)磁體314，且優(yōu)選包括多于一個(gè)磁體，其優(yōu)選位于轂的邊緣，且優(yōu)選對(duì)應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)轂310上提供的磁體316的位置。葉輪轂還包括一個(gè)或多個(gè)，優(yōu)選許多個(gè)葉輪漿葉318。還值得注意的是嵌入葉輪的磁體可從溶液、粘合液或粉末去除亞鐵或磁性顆粒。發(fā)動(dòng)機(jī)轂310通常中心固定于發(fā)動(dòng)機(jī)306的軸308上。除了磁體316外，發(fā)動(dòng)機(jī)轂還可包括轉(zhuǎn)盤(pán)軸承(the lazy-susan bearing) 322，以防止發(fā)動(dòng)機(jī)轂和葉輪盤(pán)之間的摩擦，但，可選地(或除此之外)，低摩擦材料可用于減少摩擦(如低摩擦塑料)。轉(zhuǎn)盤(pán)軸承還導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轂和葉輪盤(pán)之間的間隙最小。盡管最薄的葉輪盤(pán)厚度是理想的，但常常無(wú)法達(dá)到。隨著槽尺度增加，槽內(nèi)側(cè)及葉輪盤(pán)上的流體靜力壓增加，其可導(dǎo)致葉輪盤(pán)和中心柱下偏/變形。如果變形不能避免，葉輪轂可在葉輪盤(pán)上降至最低點(diǎn)并產(chǎn)生拖動(dòng)，從而減輕偶合力并引起摩擦。這進(jìn)而可導(dǎo)致顆粒脫落入生物反應(yīng)器的內(nèi)容物中。固此，固定于發(fā)動(dòng)機(jī)轂中心內(nèi)的轉(zhuǎn)盤(pán)軸心承可支撐葉輪盤(pán)的下側(cè)，以有助于防止葉輪盤(pán)由于流體靜壓而偏向。因此，該特征確保了在大規(guī)模應(yīng)用中合適的葉輪運(yùn)行，并允許使用非常薄的葉輪盤(pán)厚度，同時(shí)使轉(zhuǎn)力矩傳輸最大。本發(fā)明的申請(qǐng)人已發(fā)現(xiàn)，通過(guò)磁性偶合從發(fā)動(dòng)機(jī)轂至葉輪轂的轉(zhuǎn)力矩傳輸?shù)牧α靠捎梢韵碌囊豁?xiàng)或多項(xiàng)決定兩個(gè)轂之間的間隙寬度，其共包括葉輪盤(pán)的厚度，以及葉輪轂和葉輪盤(pán)之間及發(fā)動(dòng)機(jī)轂和發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)之間兩間隙的組合寬度；避免或去除發(fā)動(dòng)機(jī)轂、葉輪盤(pán)或葉輪轂中的任何干擾性亞鐵或磁性物質(zhì)(例如，在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中這是通過(guò)用塑料制造混合系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)或所有部件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。)；磁體的數(shù)量；磁體的磁力；磁體同心環(huán)的數(shù)量；及磁體與轂中心的的距離。因此，約0. 001英寸至0. 750英寸之間，兩轂之間的間隙優(yōu)選是可調(diào)整的，更優(yōu)選地，約0. 125英寸至0. 500英寸之間。所用磁體的數(shù)量可為一個(gè)，但優(yōu)選地為2-50，最優(yōu)選地為約3至10個(gè)磁體，所述磁體具有約1百萬(wàn)至1億Gauss Oersted (MGOe)，且最優(yōu)選地為 2千萬(wàn)至5千萬(wàn)MGOe。在一個(gè)實(shí)施方案中，所用類(lèi)型的磁體為一種等級(jí)的釹磁體。優(yōu)選地， 該等級(jí)釹為N38，其包括38MG0e的最大能量產(chǎn)物。磁體的同心環(huán)數(shù)量可為1_4，與磁體環(huán)的轂的距離為約0. 250英寸至約16英寸，最優(yōu)選地為約0. 500英寸至12英寸。圖4描述了混合系統(tǒng)的替代實(shí)施方案，其與機(jī)械驅(qū)動(dòng)葉輪相關(guān)。如圖所示，所述實(shí)施方案一般包括葉輪盤(pán)400，具有軸405的葉輪轂404，具有軸408的外部發(fā)動(dòng)機(jī)406。葉輪轂軸和發(fā)動(dòng)機(jī)轂軸之間的軸的連接可以使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟悉的方法實(shí)現(xiàn)(如齒輪箱，六角扳手等)。葉輪盤(pán)優(yōu)選在生物反應(yīng)器壁402的較低部固定于其一側(cè)。葉輪盤(pán)可通過(guò)圖3實(shí)施方案所述的任何方法固定于生物反應(yīng)器的壁上。多孔、微孔或超濾元件401也可包括在本實(shí)施方案中，以使氣體鼓泡或流體進(jìn)出生物反應(yīng)器。在圖4描述的實(shí)施方案中，葉輪轂的軸可被收進(jìn)中心位于葉輪盤(pán)的軸封412(還可包括一軸承)。所述軸封確保生物反應(yīng)器內(nèi)容物不被污染。葉輪轂優(yōu)選地被保持在距離葉輪盤(pán)表面上方微小距離以防止它們之間的摩擦。葉輪轂還包括一個(gè)或多個(gè)及優(yōu)選許多個(gè)葉輪漿葉418。在另一實(shí)施方案(見(jiàn)圖7和8B)中，鼓泡塔或氣升式系統(tǒng)(使用空氣/氣體的氣泡701)與一次性生物反應(yīng)器袋一起使用，其通過(guò)在反應(yīng)器底部附近添加氣體(如空氣)提供混合力。所述實(shí)施方案可包括鼓泡塔700，具有內(nèi)排氣管703的氣升式發(fā)酵罐702，及具有外排氣管705的氣升式發(fā)酵罐704(氣泡的方向可與指針?lè)较蛞恢?。因此，上升的氣泡和低密度的氣體飽和的液體升高，取代降落的空氣含量低的液體，提供頂-底的循環(huán)。升液途徑可借助于袋室內(nèi)的分流器指引。例如，使用一層塑料，其對(duì)切生物反應(yīng)器袋內(nèi)部，優(yōu)選地垂直對(duì)切，在頂部與底部之間具有間隙。氣體可被添加至分流器的一側(cè)，引起氣體和氣體豐富的液體升至一側(cè)，跨過(guò)障礙層的頂部，并降落至另一側(cè)，經(jīng)過(guò)分流器下返回至氣體添加點(diǎn)。值得注意的是鼓泡塔/氣升式混合系統(tǒng)及其方法可與基于上述混合系統(tǒng)的任一葉輪組合。在任一葉輪類(lèi)型混合系統(tǒng)中，其它實(shí)施方案可針對(duì)可變節(jié)距的葉輪漿葉 (variable pitch impeller blade)。如圖5_6所示，可變節(jié)距漿葉可包括可變形的漿葉或旋轉(zhuǎn)的葉輪漿葉。具體地，如圖5A所示，葉輪轂500包括可變形、可變節(jié)距的漿葉502，當(dāng)葉輪轂靜止時(shí)其基本處于斜靠位置(或處于與葉輪轂頂部和/或底部表面成一小角503)，并且當(dāng)葉輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其與葉輪轂頂部和/或底部表面傾斜成一小角504。漿葉與葉輪轂形成的角可依賴于葉輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)速率，固此，葉輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)越快，漿葉與葉輪轂頂部和/或底部表面傾斜的越多。用于葉輪漿葉制造的具有柔性性質(zhì)的材料可用于(根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案)提供上述功能。所述柔性材料(如塑料、工程塑料)為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知。在圖6描述的另一實(shí)施方案中，可通過(guò)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)與葉輪轂相對(duì)的漿葉來(lái)獲得與葉輪轂600的頂部和/或底部表面相對(duì)的葉輪漿葉602的節(jié)距(pitch)。這可通過(guò)下述方法實(shí)現(xiàn)使用各孔接收每一漿葉的旋轉(zhuǎn)軸來(lái)制造葉輪轂。所述軸相對(duì)于葉輪轂的各孔的大小可稍超尺寸?；蛘?，具有一組預(yù)設(shè)的漿葉節(jié)距的葉輪轂可被制造并被包括在生物反應(yīng)器中。 因此，具有特定設(shè)定節(jié)距的葉輪漿葉的生物反應(yīng)器袋可被分別制造并可用于特定用途。上述混合系統(tǒng)使得系統(tǒng)可混合任何類(lèi)型的流體或固體。特別地，生物反應(yīng)器中的流體可被混合以提供營(yíng)養(yǎng)和溶解的氣體的分布以用于細(xì)胞生長(zhǎng)應(yīng)用。相同的一次性容器可用于混合緩沖液和培養(yǎng)基或需要一次性產(chǎn)物接觸面的其它溶液。這還可包括容器不需要滅菌或保持無(wú)菌的應(yīng)用。另外，本系統(tǒng)能夠使保持流體/混合物/氣體的槽被去除及廢棄，使得所述槽不被在生物反應(yīng)器袋中混合的流體弄臟。因此，槽在每次使用后不需要清洗或滅菌。實(shí)施例以150L規(guī)模使用表達(dá)抗體融合蛋白的CHO (哺乳動(dòng)物)細(xì)胞，使用水來(lái)試驗(yàn)混合， 該試驗(yàn)使用磁力驅(qū)動(dòng)的高密度聚乙烯(HDPE)葉輪，用于混合的HDPE盤(pán)和軸，及用于鼓泡的多孔HDPE管道。用于DO的光學(xué)片提供了對(duì)溶解氧的監(jiān)測(cè)和氣流的反饋控制。溫度是通過(guò)袋子外表面的熱電偶來(lái)控制的，開(kāi)/關(guān)加熱通過(guò)電熱毯提供。在此試驗(yàn)運(yùn)行中，培養(yǎng)哺乳動(dòng)物細(xì)胞至高密度并以高存活率保持，表明此用于細(xì)胞培養(yǎng)的設(shè)計(jì)成功轉(zhuǎn)化為實(shí)踐。實(shí)施例2 —次性生物反應(yīng)器系統(tǒng)的明細(xì)表以下為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案具有一次性生物反應(yīng)器袋的示例性生物反應(yīng)器系統(tǒng)的部件列表(也見(jiàn)圖1B)。局部裝配部件QTY說(shuō)明/選項(xiàng)
權(quán)利要求
1.一種生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其包括容納用于加工的生物材料的一次性容器，所述一次性容器包括柔性塑料袋，其具有至少一個(gè)進(jìn)樣口；多個(gè)接件，添加至所述柔性塑料袋以使生物反應(yīng)器中所需的功能得以施展，所述多個(gè)接件包括允許流體和氣體轉(zhuǎn)移的滲透和過(guò)濾器、混合界面、傳感器、和控制氣泡大小的空余表面；固定于所述柔性塑料袋較低部分的葉輪盤(pán)，其中所述葉輪盤(pán)的內(nèi)側(cè)包括柱，所述葉輪盤(pán)還包括至少一個(gè)多孔或微孔元件，所述多孔或微孔元件能夠允許氣泡鼓泡進(jìn)出所述生物反應(yīng)器；混合系統(tǒng)，包括葉輪轂，所述葉輪轂安裝在所述柱上，且保持處于葉輪盤(pán)表面上方的一微小距離；所述葉輪轂具有至少一個(gè)葉輪槳葉和至少一個(gè)磁體，所述葉輪與放置在所述容器之外的發(fā)動(dòng)機(jī)磁性耦合并被所述發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得所述柔性塑料袋中含有的生物材料被混合；至少一個(gè)排出口； 至少一個(gè)收集口； 用于支撐該一次性容器的結(jié)構(gòu)；用于傳感所述容器中所述生物材料一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的一個(gè)或多個(gè)傳感器；及用于加熱所述一次性容器內(nèi)容物的加熱器，所述加熱器具有恒溫器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的生物反應(yīng)器，其中所述多孔元件被配置以允許所述柔性塑料袋內(nèi)部和所述柔性塑料袋外部之間的一路或兩路流體連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的生物反應(yīng)器，其中所述加熱器包括位于所述一次性容器外部的材料區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的生物反應(yīng)器，其中所述加熱器包括含有加熱或冷卻的水的材料毯或金屬罩，其包裹于所述一次性容器外部的至少一部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的生物反應(yīng)器，其中所述加熱器被定位于所述一次性容器內(nèi)或其外部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的生物反應(yīng)器，其中所述一個(gè)或多個(gè)傳感器包括用于監(jiān)測(cè)溶解氧、 溶解二氧化碳、混合速率、氣流速率、溫度、PH和壓力中的至少一項(xiàng)的傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其還包括用于控制所述生物反應(yīng)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其還包括空氣供應(yīng)、二氧化碳供應(yīng)及氧氣供應(yīng)中的至少一項(xiàng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中所述多孔表面還適用于作為顆粒分離裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中與容納的用于加工的所述生物材料接觸的所有表面是一次性的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的生物反應(yīng)器系統(tǒng)，包括至少一個(gè)光學(xué)片，且其中所述一個(gè)或多個(gè)傳感器包括至少一個(gè)選自溶解氧傳感器、PH傳感器、二氧化碳傳感器的傳感器，所述光學(xué)片和傳感器固定于可Y輻照、可生物降解的聚合物上，所述聚合物被封至、包埋入或結(jié)合至柔性塑料袋表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的生物反應(yīng)器系統(tǒng)，包括冷卻裝置，其應(yīng)用于排出線并構(gòu)造為使排出氣中的氣體冷凝以助于防止排出過(guò)濾器變濕。
13.—種生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其包括 支撐結(jié)構(gòu)；位于所述支撐結(jié)構(gòu)中的柔性塑料袋，所述柔性塑料袋包括固定于所述柔性塑料袋較低部分的葉輪盤(pán)，所述葉輪盤(pán)包括柱和至少一個(gè)多孔元件， 所述柱在所述葉輪盤(pán)的內(nèi)側(cè)，所述多孔元件配置以使得所述柔性塑料袋內(nèi)部和所述柔性塑料袋外部之間的一路或兩路流體連通，且其中所述流體連通包括將氣體鼓泡引入所述柔性塑料袋內(nèi)部或從所述柔性塑料袋內(nèi)部去除流體；固定于所述柱上的一次性葉輪轂，所述葉輪轂保持處于葉輪盤(pán)表面上方的一微小距離，所述葉輪轂具有至少一個(gè)裝配于所述柱上的葉輪槳葉且具有至少一個(gè)磁體； 具有軸的發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)靠近所述支撐結(jié)構(gòu)或處于其內(nèi)；及固定于所述發(fā)動(dòng)機(jī)軸上的發(fā)動(dòng)機(jī)轂，所述發(fā)動(dòng)機(jī)轂包括至少一個(gè)磁體，其中當(dāng)包括單個(gè)腔室的所述柔性塑料袋固定于所述支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)時(shí)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)轂對(duì)準(zhǔn)葉輪盤(pán)，使得所述發(fā)動(dòng)機(jī)轂的磁體可對(duì)準(zhǔn)所述葉輪轂的磁體，以當(dāng)所述發(fā)動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)所述葉輪轂。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)轂還包括轉(zhuǎn)盤(pán)軸承，其中所述軸承位于轂中，使得軸承的一部分接觸葉輪盤(pán)的一側(cè)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中所述多孔表面還適用于作為顆粒分離裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中所述一次性葉輪轂和所述發(fā)動(dòng)機(jī)轂的每個(gè)包括至少兩個(gè)磁體。
全文摘要
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，提供了一種生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其包括容納用于加工的生物材料的一次性容器，所述一次性容器包括至少一個(gè)進(jìn)樣口，至少一個(gè)排出口，至少一個(gè)收集口，使用連接至所有外部開(kāi)放口的無(wú)菌過(guò)濾器保護(hù)無(wú)菌環(huán)境的完整性；支撐一次性容器的結(jié)構(gòu)；傳感所述容器中所述生物材料一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的一個(gè)或多個(gè)傳感器；加熱容器內(nèi)容物的加熱器，所述加熱器具有恒溫器；以及與所述系統(tǒng)裝置在一起的混合系統(tǒng)，使得所述一次性容器中含有的生物材料被混合。
文檔編號(hào)B01F13/08GK102492607SQ201110402080
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2005年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月4日
發(fā)明者G.霍奇, M.費(fèi)希爾, P.加利赫爾 申請(qǐng)人:艾克塞勒雷克斯公司