CN101186873A - 生物反应器结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种由柔性材料制成的生物反应器，生物反应器具有内部容积，包括通过桥连部分连接的两支腿部分、将气体引入每一所述支腿部分的装置、沿所述支腿部分的长度将气体引入所述支腿部分的装置、将反应物引入所述生物反应器中的装置、由所述生物反应器中去除产物的装置，所述生物反应器具有恒定的纵横比和可调节的长度。

Description

生物反应器结构

技术领域

本发明涉及可线性地放缩至任意所需容积的一次性生物反应器。更特别地，本发明涉及这种生物反应器，其长度尺寸可增加而生物反应器的其它尺寸与纵横比(宽度/高度)在反应器容积中保持不变，在所述反应器中生物反应受影响以保持恒定流体动力特性。

发明背景

培养微生物细胞(发酵)或动物及植物细胞(组织培养)是商业上重要的化学及生化生产过程。这些过程使用活体细胞是因为利用常规易于获得的起始材料的活体细胞可以经济地合成商业高价值化学品，包括如单克隆抗体或酶等蛋白质、疫苗或酒精饮料。

发酵涉及在营养液培养基中活体细胞的生长或保持。在典型的分批发酵过程中，所需微有机体或真核细胞是放在由水、营养化学物质和溶解气体组成的成分明确的培养基中，并使其以所需培养密度生长(或繁殖)。液体培养基必须包含细胞生命过程所需的所有化学物质，也应提供最优环境条件以持续生长和/或复制。目前，典型微生物细胞培养过程可利用连续搅拌釜式反应器或气体流化床反应器，其中微生物种群悬浮在循环营养基中。同样，体外哺乳动物细胞培养可利用滚动培养瓶对细胞悬浮培养，或对需表面附着的细胞，培养物生长至与在所附细胞之上含有营养培养基组织的培养瓶中组织汇合。如此保持的活体细胞新陈代谢由前体化学物质引入到营养混合剂中产生所需产物。所需产物由液体培养基精炼或由细胞本身提取。

目前，生物技术产业在制造过程中常规采用不锈钢生物反应器和配管，因为它们可以被消毒并重复使用。但是，这些系统成本高。此外，这些系统需要细胞培养定期转移，因为在生物反应过程中其生长伴随反应容积增加。但是，当培养容积增加时大型反应器的有效反应容积并非线性可放缩。因此，由于培养容积增加将改变混合条件，培养物不能均匀混合。因此，有必要将细胞培养物转移至具有不同几何特性的生物反应器，以达到基本相同的混合条件。这个程序需要保持反应器组多样化，通常有三组则相应增加资金成本。此外，必须保持细胞培养物转移条件以防止细胞培养物污染。这项要求大大增加了生物反应成本。

在所使用的可线性放缩反应系统内，必须包括使反应器中细胞培养循环且无死区的装置，以使在生物反应器内进行完全生物反应。此外，必须避免细胞将切变的条件。此外，必须提供补充养分、氧气或二氧化碳的装置，以保持细胞的生长和细胞活力，并保持适当的所需pH值。同时，必须注意最初灭菌并随后排除不良的细胞类型和细胞毒素。

生物反应器一种系统已使用配备电机或液压系统的大工作台，生物反应器袋放在其上。电机/液压系统摇动该反应器袋，提供细胞的恒定运动。此外，该袋有气体及养分供应管和废气及废物管，可为好氧生物供应养分及如空气等气体，并排除如呼出气体、二氧化碳等废物。配管布置为随反应器袋运动而工作，使得气体和液体/固体一致运动。见美国专利6,190,913。这种系统需要使用资本密集型设备，元件易受磨损。此外，随工作台使用的反应器袋尺寸受工作台尺寸及电机或液压装置的提升能力的限制。

另一替代系统采用两端附连可运动臂的长的柔性管状袋，在充填后袋由可运动臂呈U形向下悬挂。然后两臂交替相对另一臂向上或向下运动，以引起袋内摇摆运动和流体运动。如果需要，中间横截面可能包含约束以引起更均匀的混合动作。该系统要求使用特定形状的袋及液压或其它提升设备以引起液体流动。此外，由于重量的考虑，袋的大小和容积受装备的提升能力和袋的强度所限。

一种改进通过使用能够与如发酵罐、混合袋、储藏袋等一次性生物袋共同被选择性地加压和紧缩的一个或多个袋已显示。压力袋可围绕袋的选定外部，或包含在这种袋的内部中。通过压力袋选择性地加压和紧缩，能够实现袋内流体运动，从而保证了细胞悬液、混合和/或气体和/或养分/排泄物在袋内转移而不破坏切变力或泡沫生成。

替代地，可选择包含分布器或其它将气体引入袋中的装置的静态(非移动)袋。气体引起流体在袋内运动并引起气体、养分和废品的混合和转移。

美国专利5,565,015使用可密封入塑料容器中的扁平可膨胀的多孔管。管在气体压力下膨胀使气体流入袋中。当未施加气体时，该管压扁并大体上关闭扁平管的孔隙，以防止从袋中泄漏。

美国专利6,432,698还将管插入并密封在袋内的气体扩散器内。可发现由于没有阀或其它装置以防止倒流，必须保持恒定正气压以防止袋内任何液体进入扩散器，然后进入气体管线，并最终进入空气泵。

由这两项专利所公开的这两种结构均有可能泄漏容器内液体，这可能污染如气体供应系统等系统上游各元件的袋内物质。此外，两者均引入分隔元件用于气体分布。

因此，理想地应提供可线性地放缩的生物反应器装置及系统，不再需要将细胞培养从第一生物反应器转移到第二生物反应器。这种仪器和系统将允许在一个生物反应器内采用恒定范围的生物反应条件。

发明概述

本发明提供可线性地放缩的一次性生物反应器。对于具有高度、宽度和长度的生物反应器，此处使用的术语“可线性地放缩”是指生物反应器长度方向可扩展，并保持生物反应器的纵横比(宽度/高度)恒定。通过保持生物反应器的纵横比与横截面形状恒定并随时间增加生物反应器长度，生物反应器内混合条件可基本保持恒定，同时增加生物反应器的有效容积。该特性允许在培养物生长以制成所需产物的整段时期内仅使用一个生物反应器。

生物反应器包括引入气体及排除气体的装置。生物反应器也包括加入反应物及去除所需产物的装置。

生物反应器由诸如聚合合成物的柔性材料制成，其可折叠在自身上、卷绕在自身上或夹紧在自身上以形成密封。柔性材料不会污染反应物或产物。

生物反应器成形为影响反应物液体沿生物反应器外壁的内表面向上、并此后在反应物容积内远离生物反应器外壁内表面向下的运动。

生物反应器包括外壁第一内表面，外壁第一内表面与生物反应器内壁的第二内表面形成密闭容积。所述第一与第二内表面的至少一部分彼此相向会合或彼此相向背离，于是在引入生物反应器的气体影响下，生物反应器内的反应物液体运动沿着大体螺旋万向。

生物反应器也被形成为不包含细胞可沉积在其上的水平或大体水平的表面。这可通过使用具有气体供应的水平表面、或者使用倾斜的反应器内壁、或者两者实现，气体供应通过它形成气泡，使得所述细胞被推离该表面。优选地倾斜内壁大体为垂直的。

附图说明

图1所示为本发明生物反应器的等角投影视图。

图2说明本发明生物反应器的扩展步骤。

图3所示为包括有效生物反应容积宽度与高度的本发明生物反应器的剖视图。

图4所示为本发明替代生物反应器的等角投影视图。

图5为说明本发明生物反应器使用夹具的等角投影视图。

图6所示为利用夹具的本发明替代生物反应器的等角投影视图。

图7所示为本发明替代生物反应器的剖视图。

图8所示为本发明替代生物反应器的剖视图。

具体实施方式

依照本发明提供一次性、可扩展生物反应器，它具有恒定的纵横比与包括高度与宽度的恒定横截面，其中通过增加生物反应器的长度增加其有效容积。生物反应器初始具有较小的有效容积，细胞培养物、养分及一种或多种气体被引入所述有效容积以在其中进行生物反应。此处使用术语“有效容积”是指其中发生反应的生物反应器容积。一部分生物反应器容积包括位于有效容积上方的气体包含容积。当需要增加生物反应器有效容积时，生物反应器可扩展部分被扩展。扩展沿增加生物反应器长度从而增加生物反应器有效容积的方向进行。因为包括生物反应器宽度与高度的横截面在扩展过程中保持恒定，混合条件可保持恒定，反应条件在生物反应器扩展过程中可保持恒定。这是因为气体引入所引起的反应物循环在生物反应器横截面内相同，与其在长度方向位置无关。

生物反应器长度可以任何方式增加。因此，目前尚未使用的生物反应末端可被展开或伸直。此外，生物反应器未使用部分可通过可被依次去除的一个或多个夹具与现已使用的有效容积分离，以随时间变化获得所需有效容积。

生物反应器内部容积成形为使得反应物在有效容积所有部分中可被符合要求地混合在一起。这样，避免出现较少或没有混合发生的死区。

生物反应器成形为可影响反应物液体沿生物反应器外壁内表面向上、然后在反应物容积内远离生物反应器外壁内表面向下的运动。

生物反应器包括外壁第一内表面，外壁第一内表面与生物反应器内壁第二内表面形成密闭容积。所述第一与第二内表面至少一部分彼此相向会合或彼此相向背离，于是在引入生物反应器的气体影响下，生物反应器内的反应物液体运动沿着大体螺旋方向。

生物反应器也被形成为不包含细胞可沉积在其上的水平或大体水平的表面。这可通过使用具有气体供应、或者使用倾斜的反应器内壁、或者两者实现，气体供应通过它形成气泡，使得所述细胞被推离该表面。优选地倾斜内壁大体为垂直的。

该设计的一个实施例为包括两支腿的反应器，所述两支腿通过如图1至图7所示在两支腿之间位于两支腿接合处的桥连部分、或如图8所示圆形或卵形反应器壁形状相互连接。此外，具有气体供应的水平表面可为如图7和图8所示多孔过滤器或膜，或者其可包括如图1至图6所示一个或多个分布器或其它将气体传送进入液体中的气体多孔气体供应装置，在两种设计中当其传送进入液体时，气体夹带细胞向上运动或者推动细胞向上。

提供生物反应器外部容积以容纳控制生物反应器内温度的加热器。提供生物反应器一个或多个入口以将反应物引入生物反应器中或从生物反应器排除产物。.

气体通过至少一个多孔通路被引入生物反应器有效容积中，所述多孔通路可通过沿生物反应器长度被粘结到其上等方法与生物反应器整体形成。可供选择地，多孔通路可与生物反应器分离形成，如喷淋管等，且在反应器有效容积增加时可被逐渐插入反应器中。提供常规密封装置以防止生物反应器在多孔通路被插入反应器的区域的渗漏。多孔通路可由不会污染反应物或产物的聚合合成物等柔性材料，或不会污染反应物或产物的陶瓷、如玻璃毡或烧结玻璃材料等玻璃、或烧结不锈钢等刚性材料制成。

适用的塑料可为亲水性或疏水性。而当为亲水性时必须确保通路内气压恒定等于或高于液体渗入压力以使液体流出通路，或提供如阀或疏水性过滤器等上游截流器以防止生物反应器内液体溢入通路和/或上游气体供应装置。塑料可固有亲水性或疏水性或可经表面处理以提供所需性能。塑料可为单层或如果需要为多层。多层通路的一个实例具有被可捕捉任何碎片并防止碎片堵塞多孔通路的更敞开的预滤器或深度过滤器所覆盖的多孔塑料层。所选定孔径一个或多个尺寸由所需气泡尺寸决定。孔径尺寸可在微多孔(0.1至10微米)至宏多孔(大于10微米)范围内，并可由如多微孔过滤器等膜或过滤器、纺织纤维或过滤器、如Tyvek板材等多孔无纺材料、如在许多水过滤器中可发现的整体塑料或垫板等制成。所选定塑料应符合生物反应器环境，所以它不会对其内生长的细胞产生不利影响。适用的塑料包括但不限于如聚乙烯或聚丙烯等的聚烯烃、如聚砜或聚醚砜等的聚硫化物、尼龙、PTFE树脂、PEF、PVDF、PET等。

引入的气体既作为反应物，也用作混合反应物的装置。

参见图1，生物反应器10包括两支腿12和14，它们由在支腿12和14之上的部分16连接。气体容积18设置在部分16上方，未反应的引入气体被收集在此。气体通过连接至气体源(未图示)的通路20和22被引入生物反应器10中。提供入口31和33以引入反应物、去除产物，或作为气体出口以使气体排出。外部容积24被成形为容纳用于控制生物反应器10内温度的加热器(未图示)。如图3所示，包括有效容积宽度28和高度29的内部容积26的横截面在生物反应器10的整个长度上是恒定的。高度30为有效容积的高度，它在反应物加入或产物去除时略有变化。通过控制有效容积被扩展、养分容积被加入、和产物容积被去除的程度，有效容积的高度30可保持基本恒定。因此，甚至在有效容积增加后，如箭头32和34所示的混合状态在生物反应器10的整个长度上基本恒定。

参见图2，所示为生物反应器扩展步骤顺序。在第一步骤中，所示生物反应器10A中进行生物反应第一步骤。生物反应器的一部分35折叠在自身上。在第二步骤中，一部分折叠部分35被展开以沿其长度扩展生物反应器10A，从而形成在其中进行生物反应第二步骤的生物反应器10B。在第三步骤中，折叠部分35被展开以沿其长度扩展生物反应器10B，从而形成在其中进行生物反应第三步骤的生物反应器10C。如图所示，包括生物反应器10A、10B和10C的最大宽度和高度的生物反应器的横截面保持恒定，由于加入反应物和/或产物去除，如果存在变化也是很小的。有效容积高度保持基本恒定。在生物反应完成时，生物反应器10C可被丢弃。

参见图4，所示为本发明生物反应器11的替代配置。生物反应器11被制造为与生物反应器10A(图2)基本相同，只是未扩展部分37被卷绕在自身上而非折叠在自身上。在所需生物反应过程中，未扩展部分37展开所需长度。使用时，生物反应器以图2示例说明的方式被利用，在生物反应完成并回收产物后以可接受的成本被丢弃。

参见图5，具有与图1生物反应器相同配置的生物反应器13通过夹具46和48被分隔为独立容积40、42和44。提供入口31和33以引入反应物、排除产物或作为气体通道以使气体排出。当需要增加生物反应器13的有效容积时，松开夹具46以合并容积40和42。当需要进一步增加生物反应器13的有效容积时，松开夹具48以合并容积40、42和44。图5的生物反应器允许使用更快速的过程进行生物反应。当夹具46和48关闭时初始生物反应可在容积40和44中同时进行，当夹具46和48被松开后最终生物反应可在容积40、42和44中同时进行。因此与当前生物反应器相比，初始生物反应可在双倍容积中进行，因为双倍的生物反应器容积可在所需反应条件下初始地被利用、且生物反应器剩余容积可按照所需进度被利用。

参见图6，生物反应器49包括容积50、52、54、56、58、60、62、64和66以及夹具51、53、55、57、59、61、63和65。初始生物反应在容积50、52、54、62、64和66中同时进行。当需要增加生物反应器49的有效容积时，松开夹具51、53、55、61、63和65以使容积50、52、54与容积56合并、并使容积62、64和66与容积60合并，以在其中进行第二生物反应。当需要进一步增加生物反应器49的有效容积时，松开夹具57和59以合并所有容积50、52、54、56、58、60、62、64和66。图6生物反应器允许使用更快速的过程进行生物反应，因为初始生物反应可在六个容积中同时进行，该六个容积可根据需要依次与另外容积合并。容积50、52、54、62、64和66可与剩余生物反应器容积整体形成，或与它们分开地形成。当被分开地形成时，诸如通过粘结或气动方法它们可被密封到反应器的剩余容积上。

替代地，生物反应可在例如容积50的一个容积中开始后依次进行，然后根据需要通过依次开启一个或多个另外容积52、54、62、64和66逐渐加大尺寸。

参见图7，生物反应器70由柔性材料制成，具有参见图1至图6所述方式可扩展的长度。提供入口31和33以引入反应物、去除产物或作为气体出口以使气体排出。支腿72和74通过位于支腿72和74下方的部分76连接。通过在部分76内的多孔通路78引入气体。两加热器80和82控制生物反应器70内的温度、并为生物反应器70提供支承。

参见图8，生物反应器81由柔性材料制成，具有参见图1至图6所述方式可扩展的长度。提供入口31和33以引入反应物、去除产物或作为气体出口以使气体排出。反应物位于容积86上方的容积84内，气体通过容积86进入生物反应器81。气体以受控方式通过透气膜88以避免破坏其中细胞。第二膜90位于反应物表面92下方以控制在该处通过的气体，从而避免反应物发泡并避免破坏细胞。

本发明生物反应器可由柔性塑料制成。优选地，使用热塑性材料，包括但不限于如聚乙烯和聚丙烯等的聚烯烃均聚物、聚烯烃共聚物、尼龙、乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA共聚物)、乙烯醋酸乙烯醇(EVOH)等。优选地使用多层膜或薄片作为生物反应器材料，所述多层膜或薄片通常由多层如线性低密度聚乙烯等聚乙烯或聚丙烯、与用于将各层粘结在一起和/或阻止气体移出生物反应器的如乙烯醋酸乙烯共聚物和乙烯醋酸乙烯醇等其它层制成。优选地塑料是透明的因此可对其内活动进行目视检查。

Claims (19)

1.一种由柔性材料制成的生物反应器，所述生物反应器具有恒定的纵横比和可调节的长度。

2.一种由柔性材料制成的生物反应器，所述生物反应器具有内部容积，包括通过桥连部分连接的两支腿部分、将气体引入每一所述支腿部分的装置、沿所述支腿部分的长度将气体引入所述支腿部分的装置、将反应物引入所述生物反应器中的装置、由所述生物反应器中去除产物的装置，所述生物反应器具有恒定的纵横比和可调节的长度。

3.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述长度通过展开一段折叠的生物反应器被调节。

4.如权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，所述长度通过展开一段折叠的生物反应器被调节。

5.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述长度通过伸直一段卷绕的生物反应器被调节。

6.如权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，所述长度通过伸直一段卷绕的生物反应器被调节。

7.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述长度通过松开沿所述生物反应器的长度设置的一个或多个夹具被调节。

8.如权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，所述长度通过松开沿所述生物反应器的长度设置的一个或多个夹具被调节。

9.如权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，所述桥连部分位于所述支腿部分上方。

10.如权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，所述桥连部分位于所述支腿部分下方。

11.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，生物反应器被形成为不包含细胞可沉积在其上的水平或大体水平的表面。

12.如权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，生物反应器被形成为不包含细胞可沉积在其上的水平或大体水平的表面。

13.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，生物反应器被形成为不包含细胞可沉积在其上的水平或大体水平的表面、且生物反应器为圆形。

14.如权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，生物反应器被形成为不包含细胞可沉积在其上的水平或大体水平的表面、且生物反应器为圆形。

15.如权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，桥连部分位于支腿下方，且引入气体的装置通过桥连部分内的多孔通路被引入。

16.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，生物反应器还包括恒定的横截面。

17.如权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，生物反应器的横截面在长度范围保持恒定。

18.如权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，提供生物反应器外部的容积以容纳加热器。

19.如权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，引入气体的装置是由一层或多层多孔材料制成的多孔通路。

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