CN101300338A - 具有混合器和喷射器的生物反应器 - Google Patents

具有混合器和喷射器的生物反应器 Download PDF

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Abstract

一种用于生物处理的生物反应器和相关方法，在生物反应器中容纳有流体，并且利用通过外部驱动装置驱动的内部流体搅动元件来搅动。在一个实施方案中，该生物反应器包括混合器和可运动的喷射器。混合器的形式可以为旋转棒式混合器，并且还可以包括磁性叶轮。在另一个实施方案中，该生物反应器包括旋转棒式混合器和整体式喷射器。在仍又一个实施方案中，该生物反应器包括袋，该袋包括其上连接有刚性叶片的旋转棒式混合器。

Description

具有混合器和喷射器的生物反应器
本申请要求2005年10月26日提交的美国临时专利申请No.60/730,489和2006年8月30提交的美国临时专利申请No.60/841,012的优先权，所述申请的公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明一般性涉及用于容纳流体的容器，更具体地，涉及一种包括混合器和喷射器的生物反应器。
背景技术
通常地，生物反应器包括设计用于为细胞培养物提供最佳生长条件的无菌容器。为创造这种最佳条件，往往需要在细胞生长期间混合生物反应器中的细胞培养物。而且，需要将诸如氧气的气体输送到细胞培养物中，以保持用于细胞代谢的合适条件。通常使用pH探针和溶解氧探针将参数控制和保持在最佳水平。
通常，混合叶轮将例如处于气泡形式的气体分散到生物反应器的整个体积中。通过将加压气体经过喷射器或喷射元件引入流体中可以形成气泡，该喷射器或喷雾元件通常具有将进气分散成微气泡的小孔或细孔。由于小气泡具有大的表面体积比，因此大幅加快气体到流体中的扩散。
传统的生物反应器包括由不锈钢或玻璃制成的容器。然而，目前生物制药的趋势是从这类容器转变到更易用的一次性容器，特别是柔性塑料袋。灭菌时，一次性袋避免了耗时的清洁和确认，导致降低的交叉污染风险。还降低存储和运输成本。
共同转让的美国专利No.6,494,613中记载了一种混合袋，其包括套管和引入套管内的旋转刚性棒。通过外部电动机使引入管或套管中的刚性棒旋转，以在袋内产生混合作用。然而，仅混合不足以在生物反应器范畴内操作袋。
因此，确定需要用于生物处理应用中的改进的生物反应器。该生物反应器易于以昂贵的方式建造，并且可以容易地一次性使用，以及使用简单。尽管简单，但是所提供的设备会产生前所未有的混合能力水平，包括能够在无菌条件下混合，同时，通过确保将源自所提供任意喷射器的气泡充分分散到整个流体中提高溶解气体的浓度，来促进细胞的生长。
发明内容
本发明的一个方面是一种用于具有流体的生物处理的设备。该设备包括容器，该容器具有能够容纳流体的内部隔室。可绕旋转轴旋转的混合器搅动流体，喷射器在流体内产生气泡。还提供驱动装置用于使喷射器绕旋转轴运动。与喷射器绕旋转轴的运动相结合的由混合器在流体中产生的混合作用辅助源自喷射器的气泡分散在整个流体中，以提高溶解气体的浓度。
在一个实施方案中，混合器连接至喷射器。在另一个实施方案中，驱动装置包括用于使喷射器绕旋转轴旋转的电动机。在又一个实施方案中，驱动装置使混合器旋转。
在特别优选的替代实施方案中，该容器包括具有在内部隔室中突出的柔性套管的袋。另外，混合器包括用于插在套管中的混合棒。混合棒在套管中引起旋转以搅动流体，而不将混合棒暴露于流体。在任意这些实施方案中，喷射器可以包括伸长的柔性管，用于通过多孔材料将气体输送到容器中的流体，并且混合器可以包括刚性叶片。
根据本发明的另一方面，公开一种用于接收流体的生物反应器。该生物反应器包括具有能够接收和容纳流体的内部隔室的容器。该容器包括突出在内部隔室中并且通过静态密封连接至容器的伸长柔性套管。设置混合器以插入套管中，该混合器在套管中引起旋转以搅动流体，而不将混合器暴露于流体，也不会使套管绕纵轴整体旋转。还设置喷射器用于从供应到容器中的流体的气体形成气泡。由于该布置，由混合器在流体中产生的混合作用辅助源自喷射器的气泡分散到整个流体中，以提高溶解气体的浓度。
优选地，通过焊接将喷射器连接至容器以形成静态密封，喷射器邻近容器的底。最优选地，喷射器连接至柔性套管，并且包括伸长的柔性管，用于通过多孔材料将气体输送至容器中的流体。该容器还优选包括与伸长柔性管连通的至少一个接口，该接口可以在内部隔室的外部。
在一个实施方案中，生物反应器还包括用于搅动流体的第二混合器。优选地，第二混合器包括邻近容器底的叶轮。为增强所提供的搅动作用，套管可以携带刚性叶片。此外，容器可以包括柔性袋以促进可一次性使用性。
根据本发明的另一方面，公开一种用于接收用于培养细胞的流体的生物反应器。该生物反应器包括具有能够接收和容纳流体的内部隔室的容器，以及延伸到内部隔室中并可以携带刚性叶片的柔性套管。位于套管中的混合器在其中引起旋转，以搅动流体，而混合器不接触流体。喷射器连接至混合器，用于由供给(例如通过与柔性管等导管连通的外部接口)到袋中流体的气体形成气泡。在其它实施方案中，由混合器在流体中产生的混合作用辅助使由与其连接的喷射器产生的气泡分散到整个流体中，以提高溶解气体的浓度。
根据本发明的另一个实施方案，公开一种用于接收和搅动流体的设备。该设备包括具有能够接收和容纳流体的内部隔室的容器，例如柔性袋。隔开的可独立运动的第一流体搅动元件和第二流体搅动元件搅动容器或袋中的流体。
在一个实施方案中，第一电动机和第二电动机独立地使流体搅动元件旋转。优选地，第一流体搅动元件和第二流体搅动元件中的至少一个包括位于容器的内部隔室中并且通过磁偶旋转的叶轮。作为替代方案，第一流体搅动元件和第二流体搅动元件中的至少一个包括通过超导元件悬起的磁性叶轮。又一个替代方案提供突出到容器的内部隔室中的套管，在该情况下，流体搅动元件包括位于套管中并由电动机旋转的刚性棒。在任何情况下，优选第一流体搅动元件和第二流体搅动元件是相对放置的。
根据本发明的再一方面，公开一种利用容纳在容器中的流体的生物处理方法。该方法包括旋转容器中的混合器以搅动流体，同时相对于容器使喷射器运动(例如旋转)以辅助将气体分散到整个流体中，并提高溶解气体的浓度。该方法优选还包括连接混合器和喷射器的步骤，以及在容器的内部隔室中提供套管和将混合棒插入套管中的另外的步骤。
本发明的又一方面是一种制造生物反应器的方法。该方法包括提供具有能够接收和容纳流体的内部隔室的容器。伸长的柔性套管突出到内部隔室中并且通过静态密封连接至容器。该方法还包括将用于由供应到流体的气体形成气泡的喷射器连接到容器。更进一步地，该方法包括在不使套管绕纵轴旋转的情况下在内部隔室中使套管运动，以将气泡分散在整个流体中。
在一个实施方案中，连接步骤包括将套管连接至喷射器，使得运动步骤包括使喷射器运动。在另一个实施方案中，连接步骤包括将喷射器焊接至容器。在再一个实施方案中，连接步骤包括将形成喷射器一部分的柔性管连接至与容器相结合的接口。
本发明的另一方面是一种搅动流体的方法，该方法包括提供柔性袋形式的容器，和提供隔开的可独立运动的第一流体搅动元件和第二流体搅动元件，用于搅动袋中的流体。该方法还可以包括提供用于独立地使流体搅动元件旋转的第一电动机和第二电动机。在第一流体搅动元件和第二流体搅动元件中的至少一个包括位于容器内部隔室中的叶轮的情况下，该方法包括通过磁偶使叶轮旋转。在替代方案的情况下，套管突出到容器的内部隔室中，并且流体搅动元件包括位于套管中的刚性棒。因此，该方法还包括使用刚性棒以引起套管在内部隔室中的旋转的步骤。
附图说明
图1是根据本发明一个实施方案的生物反应器容器的局部剖面的立体图；
图2是根据本发明另一个实施方案的生物反应器容器的局部剖面的立体图；
图2a是图2容器的局部剖面的放大截面图；
图3是根据本发明又一个实施方案的生物反应器容器的局部剖面的立体图；
图3a是图3容器的局部剖面的放大截面图；和
图4是根据本发明再一个实施方案的生物反应器容器的局部剖面的立体图。
发明详述
现在参照图1，其公开本发明用作生物反应器的容器10的一个实施方案。在该实施方案中，容器10包括可折叠袋11，可折叠袋11包括用于接收和容纳用于搅动或混合的流体(该术语包括液体、气体、固体悬浮体等)的内部隔室C。如上述引用的’613专利中所述的，在可折叠袋11的情况下，可以通过外部刚性容器(未图示)提供支撑，以同样给流体提供支撑。然而，在本发明的最广泛的方面中，容器10自身包括由任意合适材料(包括硬塑料、玻璃、金属等)制成的刚性容器。
在图1所示的实施方案中，柔性套管12突出到容器10或袋11的内部隔室中，用于搅动所存在的任何流体。套管12包括隔室C中的闭合端以在容器10或袋11中形成腔、和用于接收混合器的开口端，该混合器例如为具有至少一定弯曲度的刚性混合棒14。在开口端附近，套管12通过密封16连接至容器10或袋11并且突出到其中。该密封16优选是气密性的，并且可以通过套管12的开口端和容器10或袋11中的开口或孔之间形成的环形焊接而静态形成，从而赋予其环形形状。由于该类型的连接，套管12不能绕其自身的纵轴整体旋转，但是仍然能够相对于内部隔室C运动，以搅动流体并提供期望的混合作用(注意作用箭头B)。
混合棒14的远端可以插入套管12中以与其远端配合，并且可以如’613专利中公开的通过任选隔离物支撑。棒14的相对端可以依次与诸如旋转电动机的驱动装置连接或结合。起动后，该电动机使棒14绕其自身的纵轴(注意作用箭头A)整体旋转。由于该运动，套管12相对于内部隔室C旋转，以搅动流体，但是不绕其自身的纵轴旋转。而且，由于套管12密封在隔室C中，所以混合棒14决不会直接接触流体，因此可以取出并在不同的混合应用中再次使用，并且不清洗该类型或类似类型的容器10。
根据本发明的一个方面，生物反应器容器10包括可运动的喷射器20。在图1的实施方案中，喷射器20包括连接至套管12远端的多孔材料22。该连接可以通过带24、绳、紧固件等连接装置来进行，或者替代地可以通过焊接或类似类型的连接(例如粘合剂)来进行。
可以是刚性管但是显示为包括柔性管26的内部导管将多孔材料22连接至在容器10或袋11中形成的接口28。该管26还可以例如通过使用另一条带24、绳等连接器连接至套管12。可以气密密封的接口28与诸如导管30的外部供给管线连接，用于将气体从远端源(未图示)供应给管26，并因此供应给多孔材料22。然而，在本发明最广泛的方面中，使用在容器10或袋11中形成的任何开口作为用于接收柔性管26的接口28，在该情况下开口可以简单地与供应管30同延。
优选多孔材料22使得其只允许流体“单向”通过；换言之，气体可以通过材料进入相邻流体中，但是流体和气体不能穿过多孔材料进入管26中。因此，在容器10或袋11为气密密封的情况下，还可以提供排放口或排气口32。优选地，过滤器(未图示)或类似装置与接口32相连，以防止引入例如微生物等的不期望的污染物。
运行中，旋转混合器的棒14以引起套管12中的运动，但是套管12不绕其自身纵轴旋转。该运动使喷射器20的多孔材料22与套管12同时相对于内部隔室C运动，并优选邻近容器10的底。该运动辅助源自喷射器20的气泡分散在整个内部隔室C中，并由此提高流体中溶解气体的浓度(其可以通过简单地调节供应到供应管30中的气体来控制)。
图2示出一个替代实施方案，该实施方案在许多方面与图1中所述的实施方案类似。然而，除通过“棒”式混合器产生的流体搅动之外，通过位于容器10中的第二混合器提供额外的搅动能力。在图2的实施方案中，该第二混合器优选包括可旋转的搅拌器，最优选包括可整体旋转的叶轮40，例如所示具有一个或更多个刚性叶片40a的叶轮。优选地，该叶轮40邻近容器10的底，容器10还可以是刚性或柔性的袋。最优选的位置一般与所示实施方案中的“棒”式混合器相对，这从而确保在内部隔室C的上部和下部都提供搅动。
虽然第二混合器包括第二棒式混合器(未图示)在本发明的最广泛的方面中，但是优选使用的可整体旋转的叶轮40还包括单独的或与基体材料结合的一个或更多个磁体40b。这些磁体40b可以利用磁偶通过容器10与外部驱动装置(注意装置D和驱动磁体M)连接，然后该磁偶可用于引起旋转以搅动流体。容器10还可以包括用于接收叶轮40的柱P，优选包括至少在静置位置中为其提供支撑的轴承。该轴承可以包括例如显示为支撑柱P的刚性盘状结构的一部分的外周支持面，或者支撑叶轮40的单独的滚柱轴承元件。该叶轮40还可以不与柱P直接相连，而是通过代替驱动磁体M或附加的热屏蔽超导元件来悬起和/或旋转。在任意情况下，该实施方案的特征在于可折叠的气密密封的容器10，容器10具有能够接收和容纳流体的内部隔室，具有可独立旋转的第一流体搅动元件和第二流体搅动元件，用于彻底混合流体和/或增强源自喷射器20的气泡在整个流体中的分散，以提高溶解气体的浓度。
图3示出又一个实施方案，其中可旋转的套管12设置在混合容器10中。与图1和2中的实施方案不同，在该实施方案中，通过与容器10整体形成(例如连接至容器的底)的喷射器20提供气体扩散。喷射器20包括连接至外部导管30用于从外部源输送气体的多孔材料22。如在其它实施方案中，多孔材料22可以包括可透气的或多孔膜22a，用于将气体的喷射气泡引入容器10的内部隔室C中(见图3a)。膜22a可以通过例如焊接直接连接至容器10，或者可以连接至用于与导管30连接的刚性接口22b。
图4示出容器10的另一个实施方案，其包括基本结构与图1所示实施方案类似的旋转棒式混合器。然而，在该实施方案中，至少一个、优选一对相对的刚性叶片60直接连接至柔性套管12，例如通过使用焊接、紧固件或类似连接装置连接。因此，由于套管12相对于容器10的内部隔室(例如袋11，为举例说明的目的，显示为圆柱形)旋转而不绕其自身纵轴旋转(由此避免需要动态密封)，所以这些叶片60相对于流体运动，从而辅助增强搅动。优选地，叶片60径向延伸，最优选以相对的方式延伸，并且可以沿套管12的纵轴隔开。可以通过任选的喷射器(图4中未示出)提供喷射功能，该喷射器可以连接至套管12(如图1和2)或与容器10形成整体(如图3中)。
根据上述教导，可以进行明显的改进或变化。例如，还可期望在容器10中提供一次性装置来促进流体的传感特性，例如pH、氧含量、温度等。如上文简要提及的，多孔材料22还可以与套管12整体形成，如刚性叶片60一样。本发明各实施方案的前述说明用于举例说明和描述的目的。这些说明无意于穷举或将本发明限制于所公开的具体形式。所述的实施方案提供本发明原理和其实际应用的最佳说明，由此使本领域普通技术人员能够利用各实施方案中的发明和具有适合于所期望具体用途的各种改进的发明。当根据公平、合法和公正授予它们的范围来解释时，所有这些改进和变化都在如所附权利要求确定的本发明的范围内。

Claims (50)

1.一种用于具有流体的生物处理的设备，其包括：
具有能够容纳所述流体的内部隔室的容器；
可绕旋转轴旋转以搅动所述流体的混合器；
用于将气体供应到所述流体的喷射器；和
用于使所述喷射器绕所述旋转轴运动的驱动装置，
从而与所述喷射器绕旋转轴的运动相结合的由所述混合器在所述流体中产生的混合作用辅助将所述喷射器分散到整个所述流体中，以提高溶解气体的浓度。
2.根据权利要求1的设备，其中所述混合器连接至所述喷射器。
3.根据权利要求1的设备，其中所述驱动装置包括用于使所述喷射器绕所述旋转轴旋转的电动机。
4.根据权利要求1的设备，其中所述驱动装置使所述混合器旋转。
5.根据权利要求1的设备，其中所述容器包括袋，所述袋包括突出在所述内部隔室中的柔性套管。
6.根据权利要求5的设备，其中所述混合器包括用于插入所述套管的混合棒，所述混合棒在所述套管中引起旋转以搅动所述流体，而不使所述混合棒暴露于所述流体。
7.根据权利要求1的设备，其中所述喷射器包括伸长的柔性管，用于通过多孔材料将所述气体输送至所述容器中的所述流体。
8.根据权利要求1的设备，其中所述混合器包括刚性叶片。
9.一种用于接收流体的生物反应器，其包括：
具有能够接收和容纳所述流体的内部隔室的容器，所述容器包括突出在所述内部隔室中并且通过静态密封连接至所述容器的伸长柔性套管；
用于插入所述套管中的混合器，所述混合器在所述套管中引起旋转以搅动所述流体，而不使所述混合器暴露于所述流体，也不使所述套管绕纵轴旋转；和
用于将气体供应到所述容器中的流体的喷射器，
由此由所述混合器在所述流体中产生的混合作用辅助所述喷射器分散在整个所述流体中，以提高溶解气体的浓度。
10.根据权利要求9的生物反应器，其中所述喷射器焊接至所述容器以形成静态密封。
11.根据权利要求9的生物反应器，其中所述喷射器邻近所述容器的底。
12.根据权利要求9的生物反应器，其中所述喷射器连接至所述柔性套管。
13.根据权利要求9的生物反应器，其中所述喷射器包括用于将所述气体输送至所述容器中的流体的伸长柔性管。
14.根据权利要求13的生物反应器，其中所述容器包括与所述伸长柔性管连通的至少一个接口。
15.根据权利要求9的生物反应器，其中所述喷射器包括用于由所述气体形成气泡的多孔材料。
16.根据权利要求9的生物反应器，其还包括用于搅动所述流体的第二混合器。
17.根据权利要求16的生物反应器，其中所述第二混合器包括叶轮。
18.根据权利要求16的生物反应器，其中所述第二混合器邻近所述容器的底。
19.根据权利要求9的生物反应器，其中所述套管携带刚性叶片。
20.根据权利要求9的生物反应器，其中所述容器包括柔性袋。
21.一种用于接收用于培养细胞的流体的生物反应器，其包括：
具有能够接收和容纳所述流体的内部隔室的容器，所述容器包括延伸到所述内部隔室中的柔性套管；
位于所述套管中的混合器，所述混合器在所述套管中引起旋转以搅动所述流体，而不使所述混合器接触所述流体；和
连接至所述混合器的喷射器，用于将气体供应到所述袋中的流体，
从而由所述混合器在所述流体中产生的混合作用辅助源自所述喷射器的气泡分散到整个所述流体中，以提高溶解气体的浓度。
22.根据权利要求21的生物反应器，其中所述容器包括柔性袋。
23.根据权利要求21的生物反应器，其中所述喷射器包括一端与所述容器的接口连通和另一端与多孔材料连通的管，用于在通过所述柔性管供应气体时由所述气体形成气泡。
24.根据权利要求21的生物反应器，其中所述容器包括排气口。
25.根据权利要求21的生物反应器，还包括在所述容器中的叶轮。
26.根据权利要求21的生物反应器，还包括所述套管携带的刚性叶片。
27.一种用于接收和搅动流体的设备，其包括：
具有能够接收和容纳所述流体的内部隔室的容器；和
隔开的可独立运动的第一流体搅动元件和第二流体搅动元件，用于搅动所述袋中的流体。
28.根据权利要求27的设备，还包括用于独立地使所述流体搅动元件旋转的第一电动机和第二电动机。
29.根据权利要求27的设备，其中所述第一流体搅动元件和第二流体搅动元件的至少一个包括位于所述容器的内部隔室中并且通过磁偶旋转的叶轮。
30.根据权利要求27的设备，其中所述第一流体搅动元件和第二流体搅动元件的至少一个包括通过超导元件悬起的磁性叶轮。
31.根据权利要求27的设备，还包括突出在所述容器的内部隔室中的套管，和其中所述流体搅动元件包括位于所述套管中的刚性棒。
32.根据权利要求27的设备，还包括用于使所述刚性棒旋转的电动机。
33.根据权利要求27的设备，其中所述第一流体搅动元件和第二流体搅动元件是相对放置的。
34.根据权利要求27的设备，其中所述容器包括柔性袋。
35.根据权利要求27的设备，还包括喷射器。
36.一种利用容纳在容器中的流体的生物处理方法，其包括：
使所述容器中的混合器旋转以搅动所述流体；和
同时使喷射器相对于所述容器运动，以辅助将所述喷射器分散到整个所述流体中和提高溶解气体的浓度。
37.根据权利要求36的方法，还包括连接所述混合器和喷射器的步骤。
38.根据权利要求36的方法，还包括在所述容器的内部隔室中设置套管和将混合棒插入所述套管中的步骤。
39.根据权利要求36的方法，其中使所述喷射器运动的步骤包括使所述喷射器旋转。
40.一种制造生物反应器的方法，其包括：
提供具有能够接收和容纳流体的内部隔室并且包括伸长柔性套管的容器，所述伸长柔性套管突出在所述内部隔室中并且通过静态密封连接至所述容器；
将用于由供应到所述流体的气体形成气泡的喷射器连接至所述容器；和
使所述套管在所述内部隔室中运动，而不使所述套管绕所述纵轴旋转，以将所述气泡分散在整个所述流体中。
41.根据权利要求40的方法，其中所述连接步骤包括将所述套管连接至所述喷射器，使得所述运动步骤包括使所述喷射器运动。
42.根据权利要求40的方法，其中所述连接步骤包括将所述喷射器焊接至所述容器。
43.根据权利要求40的方法，其中所述连接步骤包括将形成所述喷射器一部分的柔性管连接至与所述容器相连的接口。
44.根据权利要求40的方法，还包括在所述容器中提供叶轮的步骤。
45.一种制造用于具有流体的生物处理的容器的方法，其包括：
提供用于容纳所述流体的容器；和
提供隔开的可独立运动的第一流体搅动元件和第二流体搅动元件，用于搅动所述容器中的所述流体。
46.根据权利要求45的方法，其还包括提供用于独立地使所述流体搅动元件旋转的第一电动机和第二电动机的步骤。
47.根据权利要求45的方法，其中所述第一流体搅动元件和第二流体搅动元件中的至少一个包括位于所述容器的内部隔室中的叶轮，所述方法包括通过磁偶使所述叶轮旋转。
48.根据权利要求45的方法，还包括突出在所述容器的内部隔室中的套管，其中所述流体搅动元件包括位于所述套管中的刚性棒，所述方法还包括利用所述刚性棒引起所述套管在所述内部隔室中旋转的步骤。
49.根据权利要求45的方法，其还包括折叠所述容器的步骤。
50.根据权利要求45的方法，其还包括喷射所述流体的步骤。
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