CN100343383C - 一次性生物反应器/发酵器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由容器形成的生物反应器或发酵器，所述容器带有两个或多个壁。一个或多个的入口和一个或多个的出口形成在所述容器的一个或多个的壁中。所述一个或多个的入口中的至少一个入口形成在所述容器的底壁中，且用于导入一种或多种气体。气体分布装置形成在所述容器的主体内，并邻近底部气体入口。疏水过滤器安装到气体入口上游的底壁气体入口上。例如通过在分散和间隔开位置将面对的两个容器壁表面粘合在一起，来形成分布装置，从而形成通入容器其余部分的一系列气体端口。疏水过滤器用于净化进入容器的气体，从而防止将污染物(如微生物)引入容器中。该疏水过滤器也用作阀，防止袋中的液体流经疏水结构，从而当没有来自气体供应源的正压力作用于袋上时防止任何回流。

Description

一次性生物反应器/发酵器
技术领域
本发明涉及发酵领域。更具体而言，本发明涉及一种一次性发酵器或生物反应器，其具有内置的气体分配器和用于抑制通过气体分配器发生回流或泄漏的装置。
背景技术
生物制药业在其制造过程中经常使用不锈钢系统和管道系统，因为它们经过蒸汽消毒能够再次使用。
这种系统的成本经常高的惊人。此外，这种系统是固定的，经常焊接到一起，并且不易改造。
工业上已开始寻求一种可选择的技术，即使用塑料制成的单个一次性袋和管路来代替使用常规不锈钢。这使得能够灵活地以最小成本来重新配置这些系统。此外，初期的资本费用要比使用不锈钢少几倍，这允许人们制造少量生物药物、或在新治疗药剂的经济性没有证明是合算之前来制造这种新治疗药剂，或当产量需要额外地迅速增加时可允许扩大这种产品的合约制造量。
一次性生物制药设备的一个方面是生物反应器，其需要稳定地供应气体和营养物，并需要除去废物和所排出的气体。此外，细胞在反应器内的持续移动，有助于使内容物持续地进行混合。
生物反应器用的其中一种系统使用较大的工作台，且安装有马达或液压机，其中生物反应器袋放置在所述马达或液压机上。马达/液压机使生物反应器袋摇摆，从而使细胞持续运动。此外，生物反应器袋包括气体和营养物供应管以及废气和废物管，从而可以供应营养物和气体(如用于好氧微生物的空气)，并除去废物(如呼吸后气体、二氧化碳等)。这些管进行排列，以与生物反应器袋一起工作，从而使气体和流体/固体一致地运动。参见美国专利6,191,913。
这种系统需要使用昂贵的设备，其组件易于磨损。此外，与工作台一起使用的生物反应器袋的尺寸，因工作台的尺寸和马达/液压机的提升能力而受到限制。
一种可选择的系统使用较长的柔性管状袋，其两端连接到移动臂上，从而使得管状袋在充填后可从U型移动臂处向下悬挂。然后，这些移动臂可选择地彼此相对向上或向下移动，从而引起管状袋内的摇动和流体运动。如果需要，中间部分可以包括一个障碍物，以产生更完全的混合作用。
这种系统需要使用特定形状的袋和液压或其他提升设备以移动液体。此外，由于重量原因，袋尺寸和容量因设备的提升能力和袋的强度而受到限制。
已经通过使用一个或多个的袋进行了改进，其中所述袋能够与一次性生物袋(如发酵器、混合袋、贮存袋等)一起选择性地加压和放气。压力袋可以包围所述袋的选定外部，或可以被包括在这种袋的内部当中。通过选择性地对这种压力袋加压或放气，可以实现压力袋中的流体运动，从而确保细胞悬浮、混合和/或气体和/或营养物/排泄物在袋内迁移，而不会损害剪切力或泡沫形成。
可选择地，可以选择静置(不移动)袋，其带有用于将气体引入袋中的喷头或其他装置。这种气体使流体在袋中运动，并混合和迁移气体、营养物和废物。
US 5,565,015使用扁平的、可膨胀多孔管，其被密封到塑料容器内。这种管在气压下膨胀，并使气体流进袋中。当没有供应气体时，这种管收缩，并且基本上关闭该扁平管的孔，从而防止袋的泄漏。
US 6,432,698也将管插入并密封在袋内的气体扩散器中。似乎必须保持持续正气压，以防止袋内的任何液体进入扩散器和气体管线及最终进入气泵，因为没有阀或其他装置来防止回流。
在这两个专利中，容器中可能的液体泄漏可能会污染系统(如气体供应系统)上游元件的袋中的内含物。此外，这两个专利都引入了单独元件来分布气体。
本发明提供一种克服这些不足的装置。
发明内容
本发明涉及一种由容器形成的生物反应器或发酵器，所述容器带有两个或多个壁。一个或多个的入口和一个或多个的出口形成在所述容器的一个或多个的壁中。所述一个或多个的入口中的至少一个入口形成在所述容器的底壁中，且用于导入一种或多种气体。气体分布装置形成在所述容器的主体内，并邻近底部气体入口；并且，疏水过滤器安装到气体入口上游的底壁气体入口上。例如通过在分散和间隔开的位置处将面对的两个容器壁表面粘合在一起，来形成通入容器其余部分的一系列气体端口。疏水过滤器用于净化进入容器的气体，从而防止将污染物(如微生物)引入容器中。该疏水过滤器也用作阀，防止袋中的液体流经疏水结构，从而当没有来自气体供应源的正压力作用于袋上时防止任何回流。
在一个实施方案中，该装置由柔性或半刚性的塑料形成，且其一个或多个的壁边缘密封在一起来形成封闭的容器。一个或多个的入口和出口可在制造时形成在塑料中，或者也可根据需要利用适当的密封来加入。
在另一个实施方案中，容器底壁在一侧或两侧是向上的锥体，或是圆形底壁，用以消除角落中的死角。
在另一个实施方案中，容器由设计成两块蛤壳的半刚性塑料形成，且通过相邻的壁边缘彼此密封。
本发明的目的是提供一种包括塑料容器的发酵器，其中所述塑料容器具有密封壁；一个或多个的入口和一个或多个的出口形成在所述容器中；所述一个或多个的入口中的至少一个入口形成在所述容器的底壁中，并与一种或多种气体的气体源相连接；气体分布装置邻近底部气体入口形成在所述容器的主体内，且疏水过滤器安装在所述气体入口上游。
附图说明
图1是本发明第一实施方案的剖视图。
图2A是本发明第二实施方案的剖视图。
图2B是本发明另一个实施方案的剖视图。
图3是本发明另一个实施方案的剖视图。
图4是本发明另一个实施方案的剖视图。
图5是本发明另一个实施方案的剖视图。
图6是本发明另一个实施方案的剖视图。
具体实施方式
本发明涉及一种一次性发酵器或生物反应器。图1表明本发明的第一实施方案。如图所示，该装置包括袋2，且该袋包括两个基本上竖直的侧壁4、顶壁6和底壁8。一个或多个的入口10A、10B和一个或多个的出口12形成在袋2的一个或多个的壁上。一个气体入口10A位于容器2的底壁8的最下部。疏水过滤器16与入口10A相连，并位于入口10A的上游。气体管线18与过滤器16的另一端相连，用于将空气和/或其他气体供应至容器2。一系列的一个或多个的气体分布装置20形成在容器中，并与底壁8相邻。一个或多个的这种装置被设计成，使气体在与入口10A相邻的位置处进入容器。该装置形成有一个或多个的气体端口22，其中在气体进入容器其余部分之前，所述气体端口使气体遍布容器。优选如图所示，多个的这种装置20形成了一系列的两个或多个气体端口22，从而最大化分布效果。
一个或多个的入口10和出口12可形成为容器本身的一部分；或它们可连接到袋上，并液体密封到壁上，从而防止任何泄漏。可密封到容器壁上的塑料管、软管接头和路厄(luer)配件是最常用的装置，其可用于形成一个或多个的入口和出口。其余的装置将是显而易见的，并引为参考。也可通过热密封或振动焊接、粘合剂、溶剂、或对塑料密封条进行包覆成型(overmolding)等将它们密封到壁上；这些在容器工业中是常用的。
如图1所示，底壁8包括一个向上锥体14，一直延伸到每个侧壁4。这用来避免在容器内形成循环死区。尽管这是一种优选设计，但是也可使用平底壁，特别是如果混合已经很充分或不需要使用混合时更是如此。如图2A所示，在其他可选择的实施方案中包括底壁8，该底壁包括朝向其中一个侧壁4的、单个向上的线性锥体14A；或者如图2B所示，也可以是圆形底壁8B。其他设计也可以使用。
一个或多个的气体分布装置20形成在容器本身的壁上。例如这可通过使用如热密封、振动焊接、粘合剂等选择性地将相邻的相对壁部分密封在一起来实现，以使得它们可永久地彼此粘附在一起，并且气体为了通过容器上升就必须环绕它们进行流动。优选地，所述装置的结构与底壁8的形状相适应。可选择地，如图3所示，它们也可水平排列，而不考虑底壁8的结构。
任何带有过滤器的疏水膜都可用于本发明中。这种膜可以本身具有疏水性，如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)或PTFE树脂，或可例如通过交联涂覆或表面处理的接枝聚合来进行处理，以使得聚合物具有疏水性或具有所需要的疏水度。这种过滤器在本领域是公知的，包括例如可从位于Massachusetts的Billerica的Millipore Corporation公司得到的DURAPORE过滤筒式过滤器或AERVENT疏水筒式过滤器。过滤器在本发明中起双重作用。该过滤器用作任何气体进入发酵器的过滤器，以防止灰尘、颗粒或细菌(当被选择过滤器的标称孔尺寸小于0.22微米时)进入并可能污染发酵器。更重要的是，因为过滤器是疏水性的，所以在气压消失或气压低于发酵器中液体所施加的静压力或压头时，可以防止液体通过气体入口离开发酵器。在大多数应用中，选择适合尺寸并具有所需疏水度的过滤器，也就意味着在发酵器和气体供应源之间不需要使用阀，并可利用过滤器膜的固有抗性来充当阀。例如，DURAPORE过滤筒可以经受约30psi的水压差，即其可支承较高的水柱或相似液体。关键是选择过滤器，且使用具有一定容积液体的过滤器，以使得在发酵器中的液体压头不符合或超过过滤筒中的膜的侵入压力。优选地，疏水过滤器的泡点(bubblepoint)至少为20psi，平均孔尺寸约为0.22微米。此外，疏水过滤器的泡点还优选至少为25psi，平均孔尺寸约为0.22微米。疏水过滤器的泡点还优选至少为30psi，平均孔尺寸约为0.22微米。
该容器能够由两块平板材料形成，它们沿其相邻外边缘热粘合、振动焊接、粘接或溶剂化。可选择地，该容器也可由塑料管形成，从而仅有顶壁6和底壁8需要彼此密封。在另一个实施方案中，可以使用单块的板材，并自身对半折叠，从而将侧壁4和顶壁6密封在一起。
在图4的实施方案中，容器由两个模制半部30A和30B制成，且两个模制半部30A和30B沿它们的相邻外边缘彼此密封。气体分布装置32A和32B也成型到各自的模制半部30A和30B中。当这两个模制半部30A和30B密封在一起时，优选这两个分配器半部32A和32B也相互接触。如果需要，它们也可通过热、溶剂、粘合剂或振动焊接而密封到其他部分上。可选择地，它们也可在各自半部上成型有彼此互锁的特征，如插伸部分/承插部分(例如钥匙和钥孔)，从而将它们保持在一起。
优选在图4的实施方案中，所述装置是通过图示的铰链部分34连接在一起的单个模制件。这通常称为蛤壳。可选择地，如果需要，它们可以是两个分开的物件。
图5表明组装后的图4设计的平面图。可以看到，基本上与图1-3的设计相似，并可以相同的方式进行操作。也可看到位于气体分布装置32A、32B之间的气体端口36。
图6表明组装后的、通过中心线的图4设计的剖视图。可以看到，基本上与图1-3的设计相似，并以相同的方式进行操作。尽管由于选择剖切部分的原因而在图中没有显示，但是在分布装置32A、32B的任一侧上都存在着气体端口36。
用于本发明中制造容器的材料，可以是一次性生物反应器、发酵器、贮存袋等生物制药业中常用的那些材料。这种材料和/或贮存袋可从各个供应商处得到，如法国的Stedim SA和Utah的Logan的Hyclone。这些袋的尺寸从几升至2000升或更大。它们通常由多层(挤出或层压)塑料薄膜制成，如聚乙烯、聚丙烯、EVA共聚物、EVOH、PET、PETG、特种或专有聚合物(如可从Hyclone得到的HyQ CX5-14薄膜，其是一种共挤出多层薄膜，具有弹性体外层、EVOH阻挡层、超低密度聚乙烯产品接触层)、聚合物混合物等。根据清洁度、强度及可见度的所需组合，来选择聚合物。
当使用在图4-6中的蛤壳形式中时，可以使用能够通过真空成型或注射成型而成型的聚合物，如聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、各种丙烯酸化合物和甲基丙烯酸化合物及其共聚物等。
本发明阐明了几种实施方案，本领域所属技术人员很容易联想到其他的实施方案。因此，在本发明的说明书和权利要求书中包括所述其他的实施方案。
本发明提供了一种简单的系统，以用于在发酵器或生物反应器中的微生物生长；作为一次性系统，所述系统具有良好的气体和流体分布性能。根据需要，可以适当地移动和/或混合各个组分，而不需要耗成本和高维护费用的设备(如摇动工作台或液压机提升机或起重机)。尽管本发明的装置预期用于生物制药业中，但是很显然地，本发明的装置也可用于其他领域，如在啤酒酿造、造酒等中用作一次性袋。

Claims (14)

1.一种包括塑料容器的发酵器，其中所述塑料容器具有一个或多个的密封壁；一个或多个的入口和一个或多个的出口形成在所述容器的一个或多个的壁中；所述一个或多个的入口中的至少一个入口形成在所述容器的底壁中，并与一种或多种气体的气体源相连接；一系列的一个或多个的气体分布装置邻近底部气体入口形成在所述容器的主体内，一个疏水过滤器安装在所述气体入口和一种或多种气体的气体源之间；其中，发酵器中的液体静压力未到达或不超过过滤器中的膜的侵入压力，以使得即使空气管线中没有正压时也可维持容器中的液体。
2.如权利要求1所述的发酵器，其特征在于：通过在一个或多个位置处将面对的两个所述容器壁表面粘合在一起，来形成所述一个或多个的气体分布装置，从而形成通向所述容器其余部分的一系列的一个或多个的气体端口。
3.如权利要求1所述的发酵器，其特征在于：通过在两个或多个彼此分开的分散位置处将面对的两个所述容器壁表面粘合在一起，来形成所述一个或多个的气体分布装置，从而形成通向所述容器其余部分的一系列的两个或多个气体端口。
4.如权利要求1所述的发酵器，其特征在于：所述疏水过滤器的泡点至少为20psi，平均孔尺寸为0.22微米。
5.如权利要求1所述的发酵器，其特征在于：所述疏水过滤器的泡点至少为25psi，且平均孔尺寸为0.22微米。
6.如权利要求1所述的发酵器，其特征在于：所述疏水过滤器的泡点至少为30psi，且平均孔尺寸为0.22微米。
7.如权利要求1所述的发酵器，其特征在于：所述容器的底壁向上朝向一个或多个的所述侧壁而呈锥形。
8.如权利要求1所述的发酵器，其特征在于：所述容器的底壁向上呈V型锥形。
9.如权利要求1所述的发酵器，其特征在于：所述容器的底壁向上朝向所述容器的其中一个侧壁呈锥形。
10.如权利要求1所述的发酵器，其特征在于：所述容器的底壁朝向侧壁呈圆形的锥形。
11.如权利要求1所述的发酵器，其特征在于：所述塑料容器是柔性塑料袋。
12.如权利要求1所述的发酵器，其特征在于：所述塑料容器是模制塑料容器。
13.如权利要求1所述的发酵器，其特征在于：所述塑料容器是模制塑料容器，且包括两个半部，所述两个半部沿其相邻外边缘彼此进行密封。
14.如权利要求1所述的发酵器，其特征在于：所述塑料容器是模制塑料容器，且包括通过铰链部分连接在一起的两个半部，所述两个半部沿其相邻外边缘彼此进行密封。
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