CN101255395A

CN101255395A - 自站立的生物反应器结构

Info

Publication number: CN101255395A
Application number: CNA2007101698701A
Authority: CN
Inventors: B·贝朗吉亚; N·绍尔; S·普罗克斯
Original assignee: Millipore Corp
Current assignee: EMD Millipore Corp
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2008-09-03
Also published as: JP2008212142A; SG143161A1; EP1923459A1; US20080131960A1

Abstract

由柔性材料制成的生物反应器具有恒定的高宽比和可调节的长度。所述生物反应器通过固定到所述反应器的支持装置可以自站立。

Description

自站立的生物反应器结构

相关申请

本申请要求2006年11月15日的美国临时申请第60/859,077号的权益，其内容全部通过引用并入本申请。

技术领域

本发明涉及一种一次性的自站立(self standing)的生物反应器，该自站立的生物反应器对于任何所期望的容量是可线性可变的。更具体而言，本发明设计这样一种生物反应器，其中它的长度尺寸是可以增加的，同时生物反应发生的反应器的容积保持恒定的高宽比(高度/宽度)。另外，由于没有必需的定位器，该自站立的生物反应器是柔性的并且适用于不同的限定空间。

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试剂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。

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。所述期望产物或是从液体培养基纯化的或是从细胞自身萃取的。

目前，生物技术产业在其制造过程中传统上使用不锈钢生物反应器和管道系统，因为它们经过灭菌消毒后可再次使用。但是，这些系统的成本经常高的惊人。此外，在生物反应过程中，随着细胞培养在辅助反应容积的增长，这些系统需要对细胞培养定期迁移。但是，大型反应器的有效反应容积并不能随着培养容积的增加而线性可变。因此，混合、气体转移和温度条件将会由于培养容积的增长而改变，而且培养物也将不再是均一混合的。因此，为了获得基本上相同的混合条件，将细胞培养转移到具有不同几何形状的生物反应器中是必需的。该过程需要维持多个反应器组，通常结果是增加三组价格昂贵的设备。此外，细胞培养转移条件必须维持以防止细胞培养污染。这些需求大大增加了生物反应成本。

在所采用的线性可变反应系统中，为了完成生物反应器中的整个生物反应，用于循环细胞培养的装置是必需的，以避免反应器中死区的存在。此外，细胞死亡的条件必须避免。而且，除了维持正常的pH外，为维持细胞生长而用于添加营养物、氧气或二氧化碳的装置是必需的。并且，最初的消毒必须是小心的，其后是排除所不期望的细胞类型和细胞毒素。

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，以与生物反应器袋德运动一起工作，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。

一种可替换选择的系统使用长的柔性管状袋，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。

可以选择的，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，两个专利都引入了用于气体扩散的独立元件。

相应地，提供一种线性、可调节的自站立的生物反应器装置和系统是所希望得到的，所述装置和系统排除了细胞培养从第一生物反应器转移到第二生物反应器的需要。这样的装置和系统将允许在一个生物反应器中使用生物反应条件的恒定范围。

发明内容

本发明提供一种一次性、自站立的生物反应器，所述生物反应器是线性可调的。在此所用术语“线性可调的”对应一种生物反应器，所述生物反应器具有高度、宽度和长度，所述长度在生物反应器的长度方向上可以扩张而所述生物反应器保持恒定的高宽比(宽度/高度)。通过保持高宽比和生物反应器横截面恒定，并随时增加生物反应器的长度，生物反应器内的混合条件可以保持基本恒定，同时生物反应器的有效容积在增加。这一特征允许在整个培养生长过程中用一个生物反应器来生产所期望的产物。所述生物反应器可以自站立的，例如通过一个支持杆，所述支持杆延伸通过至少一个环。可选择的，至少所述生物反应器的一部分或者由更坚硬的塑料制成或者具有更坚硬的塑料粘附所述生物反应器的外面部分以提供另外的支持。

所述生物反应器包括用于引入气体和去除气体的装置。所述生物反应器也包括添加反应物和去除期望的产物的装置。

所述生物反应器由柔性材料构成，例如聚合体混合物，所述聚合体混合物可以自身折叠、自身缠绕或自身夹紧以形成密封。所述柔性材料不污染反应物或产物。由于所述生物反应器可变形，所以它可以用于广泛地、各种各样的空间。

所述生物反应器形成为这样，它没有细胞可以在其上沉积的水平面或基本上水平的表面。这些特征的实现或者可以通过利用具有气体源的水平表面，所述气体源形成气泡通过所述水平表面从而将细胞从水平表面推开，或者利用反应器的倾斜内壁或者两者均采用。优选的，所述倾斜内壁是基本垂直的。

所述生物反应器也可以具有如此形状，以影响反应物液体沿所述生物反应器外壁的内表面向上的运动，然后在反应容积中向下远离所述生物反应器的外壁的内表面的运动。

所述生物反应器包括具有第一内表面的外壁，所述外壁与所述生物反应器的内壁的第二内表面构成封闭的容积。所述第一和第二内表面的至少一部分彼此聚合或者彼此分开，从而在引入到所述生物反应器的气体影响下，所述生物反应器内的反应物液体的运动基本是沿螺旋形的方向。

附图说明

图1是本发明的生物反应器的等轴视图。

图2是本发明的生物反应器的延伸步骤的图示。

图3是本发明的生物反应器的横截面剖视图，包括有效反应容积的宽度和高度。

图4是本发明的可选择的生物反应器的等轴视图。

图5是本发明采用夹子的生物反应器的等轴视图图示。

图6是本发明的一个可选择的采用夹子的生物反应器的等轴视图图示。

图7是本发明的一个可选择的生物反应器的横截面剖视图。

图8是本发明的一个可选择的生物反应器的横截面剖视图。

图9A-C是本发明的生物反应器的另一个可选择的实施例的横截面剖视图。

具体实施方式

根据本发明，提供一种一次性、可扩展的生物反应器，具有恒定的高宽比和包括它的高和宽的恒定的横断面，其中生物反应器的有效容积随着它的长度的增加而增大。生物反应器最初有一个相对较小的有效容积，细胞培养，培养素和一种或多种气体被引入到生物反应器中，并在生物反应器中完成生物反应。这里使用的术语“有效容积”是指发生反应的生物反应器容积。生物反应器容积的一部分由位于有效容积上方的含气容积组成。当需要增大生物反应器有效容积时，生物反应器的可扩张部分就可以扩张。扩张是在增加生物反应器的长度方向上进行的，藉此增大生物反应器的有效容积。由于包括生物反应器宽和高的横断面在扩张的过程中保持恒定，反应条件在生物反应器扩张时可以保持恒定，因为混合条件可以保持恒定。这是因为不论在长度尺寸上位置，由引入气体引发的反应循环在生物反应器横断面的是相同的。尽管由柔软物质形成，生物反应器是自站立的的，因为它由一个或多个钩或一个或多个杆支持，杆通过位于生物反应器上方的环延伸。

所述生物反应器长度可以以任何方式增加。因此，当前所述生物反应器的未使用端可以打开或展开。此外，生物反应器的未使用部分可以通过一个或多个夹子与目前已使用的有效容积隔离，所述夹子可以随时连续地去除以获得期望的有效容积。当未使用容积以下述方式采用打褶或缠绕方式时，所述生物反应器容积也可以连续地增加，下面将参照图2和4进行描述。

生物反应器内部容积被成形以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提供容纳加热器的空间，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转移反应产物。

所述生物反应器被这样形成，它没有细胞可以在其上沉积的水平面或基本上水平的表面。这个特征的实现或者可以通过利用具有气体源的水平表面，所述气体源形成通过所述水平表面的气泡从而将细胞从水平表面推开，或者利用反应器的倾斜内壁或者两者均采用。优选的，所述倾斜内壁是基本垂直的。

这种设计的一个实施例是，反应器包括两个支腿，所述支腿通过桥部分彼此互相连接，所述桥部分位于两支腿之间，在此两支腿结合成诸如“I”型，如图1-7所示，或者圆形的或者卵形反应器壁型，如图8所示。此外，所述具有气体源的水平表面可以是多孔过滤器或薄膜，如图7和8所示，或者可以包括一个或多个喷雾器，或者其他气体多孔气体源装置，该装置使气体通过进入流体，如图1-6所示，在以上两种设计中，当气体通过进入流体时，所述气体或者拖带着细胞向上运动或者推着细胞向上进入液体。

所述生物反应器也可以成形为影响反应物液体沿所述生物反应器外壁的内表面向上的运动，然后在反应容积中向下远离所述生物反应器的外壁的内表面。

气体由至少一个多孔通道被引入到生物反应器的有效空间，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长度粘附形成。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，并且当反应器的有效容积增大时，可以被逐渐插入反应器。传统的密封装置被使用，以防止在多孔通道插入到所述生物反应器的区域的泄漏。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诸如陶瓷的坚硬的多孔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，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，从而使液体保持在通道外或提供逆流切断，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的，或可以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。例如一个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，其可以阻截任何碎屑并防止碎屑堵塞多孔通道。孔的尺寸或者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，多孔非织物材料，例如

片材料，整体或垫，例如可以在许多水池过滤器等中发现。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。

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。

如图1所示，生物反应器10包括两个支腿12和14，所述支腿12和14在位于支腿12和14之上的部分16连接。气体容积18位于部分16之上以收集未反应气体。所述气体通过连接气体源(未示出)的通道20和22进入生物反应器10。入口31和33用于引入反应物或转移产物。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。所述生物反应器10包括环或钩35，支持杆37通过所述环或钩35延伸以支持所述生物反应器10自站立的。

如图3所示，内部容积26的沿生物反应器10周边的横断面是恒定的，所述横断面包括宽度28和高度29。高度30是有效容积的高度，其随反应物增加和产物转移的变化很小。在营养物容积的增加和产品容积的减小过程中，通过控制有效容积扩张的程度，所述有效容积高度30可以基本保持恒定。因此，如箭头32和34所示，遍及整个生物反应器10的长度上的混合条件基本是恒定的，即使在有效容积增加后。

如图2所示，显示了生物反应器伸展阶段的一个序列。在第一阶段，生物反应器10A被显示，其中生物反应的第一阶段完成。生物反应器的一部分39是折叠于自身之上的。在第二阶段，所述折叠部分39的一部分展开并沿着所述生物反应器的长度扩展生物反应器10A到形成生物反应器10B，其中所述生物反应的第二阶段完成。在第三阶段，所述折叠部分39展开并沿着所述生物反应器的长度扩展生物反应器10B到形成生物反应器10C，其中所述生物反应的第三阶段完成。如图所示，包括所述生物反应器10A、10B和10C的宽度和高度的最大值的所述生物反应器的横断面保持恒定，如果需要，只有微小改变，这是由于反应物的添加和/或产物去除。所述有效容积的高度基本保持恒定。在生物反应完成后，所述生物反应器10C可以丢弃。

如图4所示，显示了本发明的所述生物反应器11的一个可选择的结构。所述生物反应器11的构造基本与生物反应器10A一样(图2)，除了未展开部分41是自身卷绕的而不是自身折叠。在所期望的生物反应过程中，所述未展开部分41展开成所期望的长度。在使用过程中，所述生物反应器以这样的方式被利用，如图2所示举例说明，并且在完成生物反应和转移产物后即可丢弃，其成本是可以接受的。

如图5所示，生物反应器13与图1所示的生物反应器具有相同的结构，所述生物反应器13被夹子43、45、47、49和51分段成分开的容积40、42、44、46、48和50。当希望增加所述生物反应器13的容积时，夹子43释放以结合容积40和42。当希望进一步增加所述生物反应器13的容积时，夹子45释放以结合容积40、42和44。夹子47、49和51顺序释放以连续地增加容积46、48和50。如图5所示，所述生物反应器可以自身弯曲以便更好地利用所述生物反应器的空间。图5所示的生物反应器允许利用更快速地过程来完成生物反应。当夹子43和51关闭时，最初的生物反应可以同时在容积40和50内完成。当夹子43和51打开时，第二阶段的反应可以分别同时在容积40和42、容积48和50中进行。随后，当夹子45和47打开时，所述生物反应可以分别同时在容积40、42和44、以及容积50、48和46中进行。附加的生物反应器容积和夹子可以被加入以用于实施所期望的随后的生物反应。因此，相对于现有的生物反应器，最初的生物反应可以在双倍容积完成，是由于所述生物反应器具有在所期望的反应条件下的双倍容积可同时用于最初的生物反应，并且所述生物反应器的保留容积可以以预期的规划进行利用。

参考图6，生物反应器49包括容积52、54、56、58、60、62、64、66和68，70和夹子53、55、57、59、61、63、65和67。最初的生物反应可以同时在容积52、54、56、64、66和68中同时进行。当希望增加所述生物反应器49的有效容积时，夹子53、55、57、63、65和67释放以结合容积52、54、56和容积58，并结合容积64、66、68和容积60以完成第二阶段的生物反应。当希望进一步增加所述生物反应器49的有效容积时，夹子59和61释放以结合所有容积52、54、56、58、60、62、64、66和68。由于最初的生物反应可以同时在六个容积同时完成，所述容积可以与附加容积顺序地合并，所以图6的生物反应器可以允许利用更快速地过程来完成生物反应。容积52、54、56、64、66和68与保留生物反应器容积可以一体形成或独立形成。当独立形成时，它们可以被密封到反应器的保留容积，如采用粘合剂或由空气作用。

可替换的是，所述生物反应可以通过在一个容积开始，例如容积50并且然后如果需要可以逐步顺序的打开一个或多个附加容积52、54、62、64和66以增加容积，而连续的完成。

参考图7，所述生物反应器70由柔性材料制成，并且具有可扩展的长度，如上面图1-6所示的方式。支腿72和74通过位于所述支腿72和74下方的部分76连接。气体通过位于部分76内的多孔通道78进入。两个加热器80和82控制生物反应器70内的温度，也可以为生物反应器70提供支持。所述生物反应器70也可以通过杆75和77，钩79和83得到支持。

如图8所示，所述生物反应器81由柔性材料制成，并且具有可扩展的长度，如上面图1-6所示的方式。提供入口31和33用于引入反应物，运出产物或者用作气体出口以排气。反应物位于容积84内，所述容积84位于容积86之上，通过容积86气体可以进入所述生物反应器81。气体以受控的方式通过气体渗透膜88以避免使在其中的细胞破裂。第二薄膜90位于所述反应物表面92的下方以控制气体从其中通过，从而避免反应物发泡和避免破坏细胞。

本发明的所述生物反应器可以由柔性塑料材料制成。优选使用热塑性塑料，包括但不仅局限于此，聚烯烃同聚物，例如聚乙烯和聚丙烯，聚烯烃共聚物，尼龙，乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA共聚物)，乙烯乙烯醇(EVOH)等等。多层薄膜或片优先采用作为所述生物反应器的材料，通常由几层聚乙烯或聚丙烯制成，例如线性低密度聚乙烯配备其他层，如采用乙烯醋酸乙烯共聚物和乙烯乙烯醇一起作为粘附层和/或以阻断气体从所述生物反应器转移。优选的是，所述塑料为透明的以便对反应器内的活动进行视觉目测检查。

图9A-C显示本发明的另一个可选择的实施例，其中所述生物反应器100的至少一部分，在此实施例中，生物反应器100的下部的壁102由塑料制成，其具有自支持的性质。举例说明，如图9A中，对于所述生物反应器的外(未接触)层104，所述部分102可以是一个沉重的、更坚硬的或较厚的塑料复合薄膜。可选择的，如图9B所示，所述壁的下部分102可以由一种塑料材料106制成，所述生物反应器壁的上部分108由常规的塑料薄膜制成并可以通过热粘合、整体成型、胶粘剂等附加到所述下部分102。图9C显示了一个实施例，其中一个分开的独自站立的塑料支腿部分110被用于容纳和支持至少所述生物反应器的一部分。

适合的塑料包括那些可以用于制造生物反应器本身的材料，尽管这些材料可能是高分子重量，厚度或多层。此外，它们可以是更坚硬的塑料，如PET，聚碳酸酯，苯乙烯或其他公知的硬塑料。

Claims

1、一种自站立的生物反应器，其由柔性材料制成并具有恒定的高宽比和可调整的长度，以及固定到所述生物反应器的支持装置，以支持生物反应器。

2、一种生物反应器，其由柔性材料制成并具有内部容积，所述内部容积包括通过桥部分连接的两个支腿部分，用于引导气体进入每一个所述的支腿部分的装置，用于引导气体沿着所述支腿部分的长度进入所述支腿部分的装置，用于引导反应物进入所述生物反应器的装置，用于从所述生物反应器移出产物的装置，所述生物反应器具有恒定的高宽比和可调整的长度以及至少一个支持杆，该支持杆延伸穿过从包括在所述生物反应器上的环和钩的组中选取的装置以支持所述生物反应器。

3、根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述长度是通过展开折叠生物反应器的长度而调整的。

4、根据权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，所述长度是通过展开折叠生物反应器的长度而调整的。

5、根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述长度是通过展开卷绕的生物反应器的长度而调整的。

6、根据权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，所述长度是通过展开卷绕的生物反应器的长度而调整的。

7、根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述长度是通过释放沿所述生物反应器长度放置的一个或多个夹子而调整的。

8、根据权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，所述长度是通过释放沿所述生物反应器长度放置的一个或多个夹子而调整的。

9、根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，生物反应器由多个杆支持。

10、根据权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，生物反应器由多个杆支持。

11、根据权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，所述桥位于所述支腿部分的上方。

12、根据权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，所述桥位于所述支腿部分的下方。

13、根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述生物反应器被形成为它没有细胞可以在其上沉积的水平或基本上水平的表面。

14、根据权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，所述生物反应器被形成为它没有细胞可以在其上沉积的水平或基本上水平的表面。

15、根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，还包括成形为容纳加热器的外部容积，所述加热器控制生物反应器内部的温度。

16、根据权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，还包括成形为容纳加热器的外部容积，所述加热器控制生物反应器内部的温度。

17、根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述支持装置从包括环和钩的组中选取。

18、根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述生物反应器包括一系列的容积和夹子，所述夹子关闭一系列容积中的一个或多个直到希望增加所述生物反应器的有效容积。

19、根据权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，所述生物反应器包括一系列的容积和夹子，所述夹子关闭一系列容积中的一个或多个直到希望增加所述生物反应器的有效容积。

20、根据权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，所述生物反应器包括一系列彼此相互关闭的容积，如果需要所述容积可以连续地相互打开。