CN101200690A - 小型细胞培养器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种由玻璃或塑料材料制成的生物反应器，具有间隔分开的第一和第二封闭壁。第一封闭壁在高度上的至少一部分朝向生物反应器的中央延伸，以便使从生物反应器底部引入的气体在与生物反应器内反应物的顶部表面接触之前接触第一封闭壁。

Description

小型细胞培养器

相关申请

本申请要求2006年11月16日提交的美国临时专利申请第60/859，445号的权益，其内容全部通过引用并入本申请。

技术领域

本发明涉及一种用于细胞培养的小型一次性生物反应器，其中可以建立最佳生物反应过程条件。更具体而言，本发明涉及这样一种生物反应器，其中反应温度和反应物的混合是易于控制的。

背景技术

微生物细胞(发酵)培养或动物和植物细胞(组织培养)是商业上重要的化学药品和生物化学的生产方法。作为普遍容易获得的原材料，活细胞在这些方法中被采用，因为活细胞可以经济地合成有商业价值的化学试剂，包括蛋白质，例如，单克隆抗体类或酶类；疫苗或含醇饮料。为了确定最优商业培养方法的条件，通常的做法是在小规格培养摇瓶或滚筒瓶中完成生物反应，其中，实验反应条件可以精确地控制。

发酵包括活细胞在培养液基中的生长或保持。在一个典型的分批发酵的方法中，所期望的微生物或真核细胞被放置在一个已知成份的培养基中，所述培养基包括水，培养剂和溶解气体，微生物或真核细胞就可以成生长(或复制)成一个期望的培养密度。液体培养基必须包含所有细胞生命过程所需要的化学成份，同时也要提供细胞继续生长和/或复制的最佳环境条件。目前，典型的微生物细胞培养过程必须使用连续的搅拌釜反应器或气体流化床反应器中的一种，微生物群在反应器的循环培养基中是悬吊的。类似地，体外哺乳动物细胞培养可能要在滚筒瓶中使用悬吊细胞培养物，或对要求表面附着的细胞，在包含培养基的组织培养瓶中，培养物生长在附着细胞上。同样保持的活细胞从前体化学药物引入营养混合物交替产生期望产物。所述期望物质或是从液体培养基纯化的或是从细胞自身萃取的。

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。发动机/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，例如用于好氧有机体的空气，并除去废物，例如呼吸后气体、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6,190,913。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，因工作台地尺寸和马达/液压机的提升能力而受到限制。同时，用于摇摆生物反应器袋的设备还包括热源，所述热源使得在袋内部控制反应温度非常困难。

一种可替换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。

已经通过一个或多个的袋的使用进行了改进，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。

可替换的是，可以选择静止(不运动)袋，所述袋包括喷雾器或其他装置以将气体引入袋中。这种气体使液体在袋内运动，并混合和迁移气体，培养物和废物。

美国专利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。

美国专利6,432,698也将管插入并密封在袋内的气体扩散器中。似乎必须保持一个恒定的正气压以防止袋内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。

在这两个专利所公开的结构中具有在容器中液体泄漏的可能性，这可能会污染系统(如气体供应系统)上游元件的袋中的内含物。此外，两个专利都引入了用于气体扩散的独立元件。

相应地，适合的地提供了一种小型生物反应装置，其中过程条件诸如温度和混合程度能容易控制。

发明内容

本发明提供了一种一次性生物反应器，所述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的运动，然后在反应物容积内向下远离生物反应器外壁的内表面的运动。

生物反应器包括外壁的第一内表面，所述第一内表面与生物反应器的内壁的第二内表面形成闭合容积。所述第一和第二内表面至少有一个部分朝向彼此聚合，以使生物反应器内的反应物液体在引入到生物反应器内的气体的影响下，基本上在螺旋形方向上运动。

所述生物反应器包括用于引入和除去气体的装置。生物反应器也包括添加反应物和除去所期望的产物的装置。

所述生物反应器由不污染反应物或产物的材料形成，如玻璃或聚合物。

附图说明

图1是本发明的生物反应器的侧视图。

图2是根据图1所述的生物反应器的剖视图。

图3是本发明的生物反应器中液体反应物在其中运动的侧视图。

图4是本发明的可替换选择的生物反应器的侧视图。

图5根据图4所述的可选择的生物反应器的剖视图。

具体实施方式

根据本发明，提供了一种一次性生物反应器，所述生物反应器包括封闭内壁和封闭外壁，内壁和外壁彼此分开形成在其中生物反应发生的容积。至少内壁的一部分和外壁的一部分聚合。聚合的程度达到使反应物在生物反应器中沿螺旋形方向运动。细胞培养、营养物和一种或多种气体引入到生物反应器并在其中发生生物反应。在此使用的名词“有效容积”是指其中发生反应的生物反应器容积。生物反应器容积部分包括含气容积，所述含气容积定位高于有效容积。以一种方式将气体引入到生物反应器内，从而便于混合反应物并使之在越过反应物上表面之前接触外壁的内表面。通过使气体以此种方式移动，所述反应物混合物在生物反应器的整个周边以基本螺旋状路径移动。

生物反应器内部容积被成形为便于反应物在有效容积的所有部分内圆满混合在一起。因此，少许或没有混合的死角区域就可以避免出现。生物反应器的外部容积为容纳加热器提供空间，所述加热器控制生物反应器内部温度。一个或多个入口布置在生物反应器上用于向生物反应器引入反应物或从生物反应器引出反应产物或从生物反应器除去气体。

气体通过多孔通道被引入到生物反应器的有效容积，所述多孔通道可以与生物反应器整体形成，例如沿生物反应器的周围粘附形成。作为选择，所述多孔通道可以与反应器分离形成，例如喷雾管。多孔通道可以用一种柔性材料形成，例如聚合体混合物，这种聚合体混合物不会污染反应物或产出物，或者用诸如陶瓷的坚硬物质或诸如玻璃垫或烧结玻璃的玻璃物质或者烧结不锈钢形成，所述烧结不锈钢不污染反应物或产出物。

适合的塑料可以是亲水的或疏水的。然而亲水材料一定要确保在通道内的气压或者是恒定的或者是高于液体侵入的压力，使液体保持在通道外或提供一个逆流切断，例如一个阀门或疏水滤膜过滤器，以阻止生物反应器内的液体溢出通道和/或逆流气体供给。塑料可以是固有亲水或疏水或可进行表面处理以达到期望的特性。塑料可以是单层的也可以根据需要是多层的。例如多层通道可以具有由更加开放的预滤器或深度过滤器覆盖的多孔塑料层，过滤器阻截任何碎屑并防止碎屑堵塞多孔通道。孔的尺寸的大小由期望的气体气泡的尺寸决定。孔的尺寸范围从微孔(0.1到10微米)到大孔(大于10微米)，它可以由膜或过滤器形成，例如微孔过滤器，针织纤维或过滤器，多孔非纺织材料，例如Tyvek片材料，整体或垫，例如可以在许多水池过滤器等等中发现。所选择的塑料应该与生物反应器环境相容，以便在其内部细胞生长不会受到反作用影响。适合的塑料包括但不限于聚烯烃类，例如聚乙烯，或聚丙烯，聚砜类，例如聚砜或聚醚砜，尼龙，PTFE树脂，PEF，PVDF，PET等等。

所述引入的气体起作为反应物和用于混合反应物的装置的两个作用。

参照图1和2，生物反应器10包括两个支腿12和14，所述支腿12和14通过位于支腿12和14之上的部分16连接。气体容积18设置位于部分16之上以收集未反应气体。所述气体通过具有过滤器21的入口20和沿反应器下游周边延伸的多孔通道22被引入生物反应器10。所述入口20连接到气体源(未示出)，所述外部容积24设计成容纳加热器(未示出)，所述加热器用于控制生物反应器10内的温度。还设置了具有过滤器27的气体出口23。隔膜25被设置用于引入非气体反应物。

如图3所示，内部容积26的围绕生物反应器10的周边的横断面是恒定的。在营养物容积的增加和产品容积的去除过程中，有效容积的高度可以基本维持恒定。因此，如箭头32和34所示，遍及整个生物反应器10的混合条件基本是恒定的，即使在有效容积增加之后。

参考图4和5，显示了本发明一个可替换选择的生物反应器11的结构。所述反应器11具有这样的结构，即外壁36垂直于底面38定位，从而形成支腿40和42，所述支腿40和42通过部分44连接。表面46朝向流体/气体接触界面48聚合，从而所引入气体在超过反应物表面54之前沿箭头50和52所示方向移动。气体通过具有过滤器58的入口56被引入到多孔通道59。气体通过具有过滤器60的出口62被除去。所述外部容积64被设置用于容纳加热器(未示出)。隔膜66被设置用于引导反应物进入生物反应器11。

本发明的生物反应器可以由坚硬的塑料或玻璃制成。塑料优先是热塑性塑料，包括但不限于聚烯烃同聚物，例如聚乙烯和聚丙烯，聚烯烃共聚物，聚碳酸脂，聚苯乙烯等等。所述塑料首选是透明的，这样内部活动可以通过视觉目测检查。

Claims (10)

1.一种具有底部和顶部的生物反应器，包括限定了所述生物反应器外周边并形成所述生物反应器的外表面的第一封闭壁，限定了所述生物反应器的内周边并与所述第一封闭壁分隔开的第二封闭壁，用于引导气体进入所述生物反应器的装置，用于从所述生物反应器去除气体的装置，所述第一封闭壁的高度上的至少一部分在底部到顶部的方向朝向所述生物反应器的中央聚合，从而使引入到所述生物反应器中的气体在与所述生物反应器内的反应物的顶部表面接触之前接触所述第一封闭壁的所述部分。

2.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述全部第一封闭壁朝向所述生物反应器的中央延伸。

3.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，内壁的至少一部分和外壁的至少一部分在底部到顶部的方向朝向所述生物反应器的中央聚合。

4.根据权利要求2述的生物反应器，其特征在于，包括靠近所述第二封闭壁的外表面的外部容积。

5.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，至少内壁的一部分和外壁的一部分聚合。

6.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，其中至少内壁的一部分和外壁的一部分聚合，聚合的程度使得反应物在生物反应器内沿螺旋形方向运动。

7.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，内部容积的横截面围绕所述生物反应器的周边是恒定的。

8.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，内部容积的横截面围绕所述生物反应器的周边是恒定的，通过营养物容积的增加和产品容积的除去，有效容积的高度能够维持基本恒定。

9.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，内部容积的横截面围绕所述生物反应器的周边是恒定的，即使在有效容积增加之后，整个所述生物反应器的周边的混合条件是基本恒定的。

10.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述引导气体的装置是由单层或多层多孔材料形成的多孔通道。

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