CN101809142A - 三维可用后即弃生物反应器 - Google Patents

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Abstract

一种包括支承件、容器、用来将容器固定在支承件上的机构以及容器中的培养基和细胞的生物反应器。该容器具有：顶壁和底壁，顶壁和底壁联接，以形成具有由侧壁联接的顶壁和底壁的一部分的腔室；以及连接到顶壁和底壁上而形成三维容器的端壁。支承件枢轴地安装到底座上且绕着单个轴线被驱动，且容器的端壁横向于该单个轴线。

Description

三维可用后即弃生物反应器
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年9月26日提交的编号为60/975,213的美国临时专利申请的优先权；该申请的公开内容通过引用而整体地结合在本文中。
发明领域
本公开涉及包含医药和生物技术加工行业中所使用的产品的气密密封袋，且更具体地讲，涉及可用后即弃的细胞袋或生物反应器。
发明背景
生物加工行业传统上在用于发酵和细胞培养的制造工艺中使用不锈钢系统和管道。这些装置设计成以便进行蒸汽消毒及重新使用。然而，清洁和消毒是成本昂贵的劳动密集型操作。此外，具有必要的管道和设施的这些传统系统的安装成本通常是非常高的。另外，这些系统通常针对具体的工艺而设计，且不能容易地针对新的应用进行重新构造。这些限制导致在过去十年间采用了新的方法-即使用塑料的单次使用的可用后即弃的袋和管路来代替通常的不锈钢罐的方法。
特别地，传统地由不锈钢制成的生物反应器在许多应用中已经被这样的可用后即弃的袋代替：该可用后即弃的袋摇摆，已提供必要的曝气和细胞培养必须的混合。这些单次使用的袋通常以无菌的方式来提供，并且消除了成本高昂的且耗时的清洁和消毒步骤。袋设计成以便在操作期间保持无菌环境，从而使污染的风险最小化。
通常所使用的袋是“枕型”的，主要是因为这些袋可以通过将两片柔性塑料片材接合在一起以低成本来制造。
成功的可用后即弃的生物反应器系统中的一种使用摇摆台，生物反应器袋放置在该台上。生物反应器袋部分地充填有液体培养基介质和所期望的细胞。该台使袋摇摆，从而在袋中提供细胞的恒定的运动以及还有来自湍流气-液表面的曝气。袋通常具有用于引入空气或者氧气的气体供应管，以及用来允许移除呼吸的气体的废气管。可通过其它管来添加培养基。
对这种类型的装置的一种可能的限制是可能难以按比例增大超过几百升，因为较差的液体循环导致了妨碍细胞性能的培养基和废弃物梯度。这是因为在这些应用中所使用的单轴线摇臂的前后运动在垂直于摇摆轴线的方向上产生了良好的液体循环，但是在平行于摇摆轴线的方向上产生了比较小的混合。在大容积袋(大于100升)中，或者在具有大长宽比的袋中，这种较差的轴向循环可导致要较长的时间来实现袋容纳物的均匀性。这使得难以在生物反应器袋中进行pH控制，因为添加到生物反应器中以调节pH的酸或碱的添加可能要占用长时间在整个袋中分散。添加到生物反应器袋的培养基可能不能均匀地分配。较差的液体循环还限制了可从头部空间中传递的氧气的量，且因此限制了可能不能被培养的细胞的最大浓度。
可通过结合第二旋转轴线来改进循环流。通过使两个轴线同步，赋予大大改进了混合和质量传递的回转运动是可行的。然而，增加第二轴线会极大地提高成本，且机械复杂性的增加使得摇臂更不可靠且更加难以保养。
因此，存在对于使得使用者能够按比例增大生物反应器袋中的培养基介质的混合的设备的需求。此外，存在对于使得控制pH简单的生物反应器袋的需求，其中将酸或碱添加到生物反应器袋中不会占用长时间。另外，存在对于其中氧气的量不受限制、使得可培养最大的培养物浓度的生物反应器袋的需求。
发明概述
鉴于上述技术背景而实现了本发明，且本发明的一个目的是提供一种使得使用者能够按比例增大培养基介质的混合以及高效地混合生物反应器袋中的培养基介质的生物反应器袋。
一种包括支承件、容器、用来将容器固定在支承件上的机构以及容器中的培养基和细胞的生物反应器。该容器具有顶壁和底壁，该顶壁和底壁联接以形成腔室，使得顶壁和底壁的一部分由侧壁联接；以及连接到顶壁和底壁上而形成三维容器的端壁。支承件枢轴地安装到底座上且绕着单个轴线被驱动，并且容器的端壁横向于该单个轴线。
容器壁是接合在一起的柔性片材。顶壁和底壁接合在一起，且顶壁和底壁的部分形成了腔室的侧壁。横向于单个轴线的端壁是接合到顶壁、底壁和侧壁上的面板。或者，容器可为模制的结构。
侧壁和端壁的连结部是非直角的，以便当容器绕着单个轴线摇摆时在腔室中引起液体的旋流运动。第一对相对的连结部是钝角，且第二对相对的连结部是锐角。连结部可能是弓形的。连结部可包括连接侧壁和端壁两者并且倾斜于侧壁和端壁两者的腔室的线性壁。第一对相对的连结部可具有第一长度，且第二对相对的连结部具有比第一长度短的第二长度，以便在摇摆期间产生单个旋流方向。
折流板可连接到顶壁和底壁上，且相对于侧壁和端壁偏离，以便当容器绕着单个轴线摇摆时在腔室中引起液体的旋流运动。
附图简述
当结合附图阅读以下说明时，本发明的这些和其它优点将变得更加显而易见，其中：
图1显示了根据现有技术的枕型二维袋构造的透视图。
图2是基于现有技术固定到摇摆式生物反应器上的图1的袋的透视图。
图3显示了基于现有技术的单个摇摆轴线引起的图1的袋的液体流动型式。
图4显示了根据本发明的另一个实施例的三维袋构造的透视。
图5显示了图4中所示的实施例的透视图，其描绘了根据本发明的一个实施例的构造的细节。
图6显示了根据本发明的第一实施例的带有折流板的袋和由单个摇摆轴线引起的单液体流动型式。
图7显示了根据本发明的第二实施例的带有折流板的袋和由单个摇摆轴线引起的单液体流动型式。
图8显示了根据本发明的第三实施例的带有折流板的袋和由单个摇摆轴线引起的双液体流动型式。
图9显示了根据本发明的第四实施例的具有线性折流板的带有折流板的袋和由单个摇摆轴线引起的液体流动型式。
图10显示了根据本发明的第五实施例的梯形形状的带有折流板的袋和由单个摇摆轴线引起的液体流动型式。
图11显示了具有内部流动转向折流板的另一个实施例。
优选实施例的详细描述
参看附图描述本发明的当前优选的实施例，附图中，相似的构件利用相同的标号来标识。对优选实施例的描述是示例性的且不意图限制本发明的范围。
如图1中所示，现有技术的袋20是通常在摇摆式生物反应器应用中(例如在1998年8月12日提交的名称为“Method for Culturing cellsUsing Wave-Induced Agitation(用于使用波动诱生的搅动来培养细胞的方法)”的美国专利6,190,913(该专利通过引用而结合在本文中)的系统中)使用的扁平的矩形“枕式”细胞培养袋20。袋20通过将顶部片材22与底部片材24接合在一起而形成。外形接缝49通过在界定了培养流体32包含在其中的内部腔室的所有四个边缘52，54，56和58处将两个片材密封在一起而形成。顶部片材22上的端口26用于引入和排放气体。
图2显示了在侧边缘52和54上使用夹持件12固定到摇摆式生物反应器的支承件10上的袋20。支承件10可枢转地安装到底座14上，且绕着单个轴线15摇摆。由摇摆引起的流体流动在图3中被描绘为流线40。如图所示，摇摆运动产生了主要沿着Y-轴(垂直于摇摆轴线15)的流体运动40A。在基本直角的角部30-33中产生了沿着X-方向(平行于摇摆轴线15)的非常小的流体运动40B。将混合袋20的容纳物在该袋20的结构中混合到均匀可能要花费相当长的时间。可通过增大摇摆速度来缩短混合时间，但是这会将更大的应力施加在袋上，从而导致可能破裂并且还增大了用于混合的能量需求。
如图2中关于二维袋20所显示的，折痕和皱褶90，91，92可形成于各个角部30-33的上表面22上，且同样折痕和皱褶93，94可形成于袋20的各个角部30-33的底侧24上。因为膨胀会拉动未受到约束的端部边缘56和58，且向外推角部30-33，所以可在角部30-33中产生过量的材料。该过量的材料不能被膨胀为刚性的，且可能在摇摆期间在周围跳动(flop)，这可导致提前疲劳故障。在膨胀时，袋20受到应力，且该应力通过顶部片材22和底部片材24而传递到被夹持的边缘52和56。应力沿着边缘52和56分布，但是在由于角部30-33处存在的过量材料而不能受拉绷紧到支承件10中的角部30-33处不会分布。因此，可在袋不能保持绷紧和刚性的角部30-33处发生故障。
图4描绘了通过将端壁54H和58H形成为侧壁52和56上的角撑件而形成的三维细胞培养袋20H或容器或生物反应器。如在图5中所示的分解视图中所描绘的，培养袋20H由多个扁平的柔性面板22，24，54H和58H形成。该图显示了可通过以下方式形成培养袋20H的一种方法：将两个柔性片材22和24接合在一起，并入两个比较小的面板54H和58H，以及通过界定了培养袋20H的内部容积的交叉或弯曲的接缝49将它们封闭。将带有角撑件的端壁54H和58H联接到顶部片材22与底部片材24上的接缝49段是弓形的，以便形成图4中的折流板。联接顶部片材22和底部片材24的接缝49段形成了侧壁52和56。
当培养袋20H在边缘52和56处受约束且膨胀时，顶部片材22和底部片材24能够在带有角撑件的端壁54H处58H分开。培养袋20H符合没有皱褶、折痕或过量的角部材料的膨胀的三维形状。角部100-103现在受拉绷紧，且提供从培养袋20H的高点110和112到被夹持的边缘52和56分配应力的额外的结构元件。这些边缘沿着它们的整个长度夹持到支架10上，且形成用来约束袋防止过膨胀的锚定点。角部区段100-103还起到用来在摇摆期间支承袋的加强结构的作用。绕着轴线15朝向边缘56摇摆使得培养袋20H从边缘52处被拉起来。该运动由用来压紧培养袋20H的角部100和101阻止。袋朝向边缘56滑动的额外的倾向由角部100和101阻止。在相反行程中，相同的功能由角部102和103提供。
该改进的袋20可以是模制的三维结构，或者通过使柔性片材接合而制成。边缘和角撑件可以是弯曲的接缝，或者如本文所示制成一系列直线接缝段。
首先参看图6中所示的实施例，包含有待混合的成分(其中至少一种为液体)的细胞培养袋20A由接缝49界定。细胞培养袋20A放置在绕着摇摆轴线15枢转的摇摆平台10上。细胞培养袋20A的角部42A以与对角地相对的角部46A相同的方式形成轮廓，形成这些角部的弧可具有从细胞培养袋20A的宽度的1/4到1/2范围中的半径，但是角部42A不同于相邻的角部44A，该相邻的角部44A以与其对角地相对的角部48A相同的方式形成轮廓，其具有在从细胞培养袋20A的宽度的1/20到1/4的范围中的另一弧半径。角部42A和46A是在侧壁52，54和端壁56，58的连结部处形成的折流板或者流引导件。这些折流板或流引导件迫使袋中的液体沿着该轮廓，因为液体不能穿过通过将顶部片材22联接到底部片材24上而形成的不透过液体的接缝49。角部形成侧壁和端壁的连结部，该连结部横向于单个摇摆轴线15，以便当细胞培养袋摇摆时在腔室中引起液体的循环旋流运动。液体可包括期望混合或者掺和在一起的液体中的可溶粉末、低黏度或高黏度液体。在袋20A中，连结部是倾斜的以及弓形的。倾斜的连结部具有90度以上的钝角，而弓形的连结部具有小于90度的角度。
细胞培养袋20A的这种非对称性的效果在于：随着通过使支承件10倾斜而使其朝向100翻倒，液体由于重力自边缘54朝向边缘52流动。随着液体接近边缘52，其通过角部42A向右朝向细胞培养袋20A的中心转向。相对侧上的液体流到未成形为以便使流朝向中心转向的角部44A中。这种流速不平衡迫使流从左端58流向右端56，且阻止来自右端的流进入左端。在相反的行程上，支承件10朝向101倾斜，且细胞培养袋20A中的液体自边缘52朝向边缘54流动。由于角部46A的形状，进入角部46A的液体被转向到容器20A的中心，而进入角部48A的液体并未朝向中心转向。在2到5个摇摆行程之后，形成了自维持运动，且只要袋摇摆，就维持该运动，如由流体流线40C所示，其中袋中的液体逆时针循环。只要摇摆运动继续，这种自维持运动就持续。这种循环运动叠加在前后运动上，且在平行于摇摆轴线15混合流体(其是关于现有技术的主要限制)时非常有效。该循环运动可通过互换角部的几何结构容易地反转成顺时针方向。
图7显示了比在细胞培养袋20A中产生更大的循环的细胞培养袋20B。这是因为角部42B和46B的半径大于它们的对应部分42A和46A(图6)。这些角部的半径可介于从混合袋20B宽度的1/2到2倍的范围中。角部44B和48B也比它们的对应部分44A和48A(图6)具有更大的半径(混合袋宽度的1/4到1/2)。这些更大半径的弧提供了更柔和的流动型式，从而减少了由尖锐的角部44A和48A引起的一些湍流。所得到的循环显示为40D。关键是保持相邻的角部的非对称性。例如，图8中所示的对称的细胞培养袋20C具有小的相等的弓形角部42C到48C。所得的循环40E具有平行于摇摆轴线15的非常小的流体循环，且因此类似于具有比较差的混合的现有技术细胞培养袋。
流动轮廓可在袋中模制成弯曲的表面，或者通过接合塑料区段来制成。该轮廓可为弯曲的接缝，或者制成一系列直线接缝段。接缝通过将顶部片材和底部片材焊接在一起而制成。通常使用各种方法-热密封、超声等。可通过廉价的热棒密封器容易地制成直接缝。弯曲的接缝更加困难，且通常使用加热的滚桶来制成。这些(接缝)是昂贵的，且针对具体的袋大小而设计。激光方法具有可仅通过改变软件来制成任何形状的接缝、袋几何结构或大小的优点。
在袋中制造弯曲的接缝困难且需要复杂的装备。直线接缝可使用商用棒型热密封器容易地制成。图9所示的实施例示出了使用直的或者线性接缝制成的、实现了循环流动的细胞培养袋。外部接缝49形成了容纳了有待混合的液体和成分的混合袋20E的内腔室的部分52，54，56，58。接缝51将折流板72，74，76，78限定为角部处的线性段，且连接到顶壁、底壁、侧壁和端壁上。这些折流板通常定向成相对于摇摆轴线15成45度(可使用从30度到60度的角度)。较长的折流板42E和46E可延伸袋20E的侧部的长度的1/4到1/3，而较短的折流板44E和48E通常为较长的折流板的长度的1/5到1/2。所得到的非对称折流板的循环显示为40G。可在角部延伸超出折流板的部位处移除角部。另外，接缝49不需要延伸经过折流板的连结部、内部接缝51而到达侧壁和端壁。
图10所示的实施例示出了使用直的或线性的接缝制成的细胞培养袋，其通过将细胞培养袋20F的形状从基本矩形形式改变成梯形形状来实现循环流动。细胞培养袋20F的端壁54和58彼此平行，但是不垂直于侧壁52和56。这就产生了第一对相对的连结部和折流板42F与46F(其是从100到130度范围中的钝角)以及第二对相对的连结部和折流板44F与48F(它们是对应的锐角)。通过设定钝角和锐角角度来自动地将形状固定为平行四边形。当细胞培养袋20F绕着轴线15摇摆时，流体在由流动流线40H所示的方向上循环，从而有效地混合细胞培养袋20F的容纳物。
对于二维和三维袋，由侧壁和端壁的相交部形成的折流板在袋膨胀时可能不具有足以令液体高度和摇摆运动产生期望的循环量的高度。图11所显示的实施例示出了细胞培养袋20G，其中折流板是分离的且相对于侧壁和端壁的相交部偏离。折流板82，84，86，88与角部42G，44G，46G，48G相邻。折流板连接到顶壁22、底壁24、侧壁52，56和端壁54G，58G上。折流板可首先连接到顶壁和底壁上，且然后在侧壁和端壁形成或联接到顶壁和底壁上时联接到侧壁和端壁上。
本发明提供了使得使用者能够按比例放大生物反应器袋中的培养基介质的混合的设备。该设备使得控制ph简单化，其中将酸或碱添加到生物反应器袋中不会占用长时间来实现。因此，本发明为使用者提供了用来按比例放大生物反应器袋中的培养基介质的混合的简单的方法。
虽然已经详细地描述和示出了本袋，但是将清楚地理解的是，这仅是以示意和实例的方式来进行的，且不意图以限制性的方式来理解。范围将由所附的权利要求书的用语来限制。

Claims (7)

1.一种生物反应器，包括；
构造成用来保持容器的支承件，其中，所述容器包括具有液体的腔室；
用来将所述容器固定在所述支承件上的机构；
所述容器包括：
顶壁和底壁，所述顶壁和底壁联接以形成腔室，使得所述顶壁和底壁的一部分由多个侧壁联接；
连接到所述顶壁和所述底壁上而形成三维容器的多个端壁；以及
在所述多个侧壁和横向于可动轴线的所述多个端壁的连结部处连接到所述顶壁和所述底壁上的多个折流板，其中，所述多个折流板构造成当所述容器沿着所述可动轴线运动时在所述腔室中引起液体的旋流运动。
2.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述支承件绕着所述可动轴线枢轴地安装到底座上。
3.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述顶壁、所述底壁、所述多个侧壁和所述多个端壁是接合在一起的柔性片材。
4.根据权利要求2所述的生物反应器，其特征在于，所述顶壁和所述底壁接合在一起，且所述顶壁和所述底壁的部分形成所述腔室的所述多个侧壁，且横向于所述单个轴线的所述多个端壁是接合到所述顶壁、所述底壁以及所述多个侧壁上的面板。
5.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述多个侧壁和所述多个端壁的连结部是非直角的，这会在所述容器绕着所述可动轴线摇摆时在所述腔室中引起液体的旋流运动。
6.根据权利要求5所述的生物反应器，其特征在于，所述多个折流板具有钝角的第一对相对的连结部，且所述多个折流板具有锐角的第二对相对的连结部。
7.根据权利要求6所述的生物反应器，其特征在于，所述第一对相对的连结部具有第一长度，且所述第二对相对的连结部具有比所述第一长度更短的第二长度，以便在摇摆期间产生单个旋流方向。
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