CN103298538B - 流体过滤系统 - Google Patents

Abstract

封闭反应器系统，每个系统包括至少三个腔室，通过选择性可渗透屏障控制腔室之间的流体流动，通过交变流隔膜泵控制流动。另外还有双隔膜泵系统、隔膜泵驱动的取样歧管以及改性剂模块，这些都可用于所述封闭反应器系统以及其它系统。

Description

流体过滤系统

相关文献的交叉引用

本申请要求申请号为61/376,810于2010年8月25提交的美国临时专利申请的优先权权益。

技术领域

本发明涉及过滤系统。更具体地，本发明涉及用于生物流体和产品的过滤系统，以及取样歧管、泵系统和在上述系统中有用的改性模块。

背景技术

过滤通常被用来分离、澄清、改性或浓缩流体溶液、混合物或悬浮物。在生物制药和医疗工业中，过滤对药物、诊断、化学品以及许多其他产品的成功生产、加工和分析至关重要。作为例子，过滤可以用来对液体或气体进行灭菌，使复杂的悬浮液澄清为过滤的“清澈”部分和未过滤的部分；类似地，可以通过去除或“过滤出”悬浮介质浓缩悬浮液中的成分。进一步地，通过对过滤器材料、过滤器孔尺寸或其它过滤器变量的适当选择，已经发展出许多其它专门的过滤器用途；这些用途可以包含对来自不同来源（包括微生物培养、血液以及其它可以是溶液混合物或悬浮液的流体）的成分的选择性分离。随着细胞和重组DNA技术的不断进步，许多新产品被开发出来，其中许多是如此复杂以致它们只能使用细胞培养技术、通过活细胞的复杂合成机制生产。通过在较长时期内在高产率下保持高细胞浓度的培养并且通过提供更适于进一步加工和提纯的产品流，使得过滤可以被用于提高这种细胞培养的产率。

过滤器化学、配置和用途形态已经得到了发展，以使根据材料的化学和物理性质来分离材料更加便利；尽管过滤器技术广泛发展，但它们普遍受限于它们易阻塞的趋势；例如，当过滤器用于过滤培养的哺乳动物细胞的悬浮液时，所述过滤器趋于被死细胞、细胞碎片、聚集体、纤维状生物分子或其它出现在复杂的培养“汤”中的成分阻塞。就这一点而言，过滤方法能够对过滤效率和膜寿命产生深刻影响。在一种过滤方法中，通常称为“死端”过滤，整个流体垂直于膜表面穿过膜。碎片在表面迅速积聚，导致膜被迅速堵塞。通常，利用死端过滤的应用涉及小样品。该方法简单并且廉价。另一种过滤方法，通常被称为切向流过滤（也称为TFF），对死端过滤进行了改善。在TFF中，待过滤的流体通过泵再循环，通常，从贮液器穿过过滤器并返回贮液器。穿过过滤器的流动与过滤器的表面平行。通过循环流体的冲刷作用有效移除任何碎片积聚；然而，其局限之一在于在过滤器表面有易于形成凝胶状沉积物的趋势，这可能限制过滤器的有效性并且最终使其阻塞。另一种方法，称为交替切向流过滤，还提供了另一种过滤模型；它与TFF的相似之处在于它产生平行于过滤膜表面的流动形态；然而，它与TFF的不同之处在于通过过滤器表面的流动方向是不断交替或反向的。如果使用复杂管路、阀和泵来描述流动方向的变化，则这些组件在培养物流动路径中的布置使系统转向并提供用于细胞聚集的位置和潜在的阻塞位置，这些系统也不适于保持均匀的培养物。交替切向流过滤系统在专利No.6,544,424中被描述，该系统由过滤器元件构成，通常为中空纤维筒，在一端，所述过滤器元件连接至含有待过滤的内含物的贮存器，并且在另一端，所述过滤器元件连接至隔膜泵，所述隔膜泵能够接收并可逆地排出在贮存器与泵之间穿过所述过滤器元件可逆流动的未过滤液体。该系统已经显示出持续地过滤复杂混合物（包括细胞培养的培养基）的能力，即使当该培养基担载着高细胞浓度和其它细胞产品。然而，该系统受其应用范围的局限。

动物细胞培养的用途越来越多地用于不同细胞衍生生物制剂的生产，该细胞衍生生物制剂可以是天然的或被制造的，包括蛋白质、核苷酸、代谢物和许多其它物质。因此，生产的方法可能也不同。所述生产方法的范围可以从“简单”分批式到连续过程。在普通分批式培养物生产过程中，首先将细胞接种到新鲜培养基中，之后细胞进入指数增长期。由于它们消耗培养基中的营养物，废物积聚；伴随地，细胞从快速生长转为静止生长期，接着进入细胞衰减期。虽然已经研发出若干优化分批式培养产物的方法，但在每种情形中，这些过程仍经历快速生长和衰减周期。另一种培养过程涉及连续使用一种通常称为灌注的方法维持培养物。在灌注培养物法中，在截留细胞的同时，将由细胞产生的废物从培养物中连续移除。用新鲜的培养基补充移除的废培养基。采用这种方法，从而可能实现使细胞浓度和生产率被保持在平衡状态中。通常，每天交换一到两个培养体积，并且在灌注法中达到的细胞浓度通常为在分批式培养物的峰值处所达到的细胞浓度的2倍到超过10倍。然而，尽管灌注方法大有益处，但其验收慢，该验收慢的一个原因可能是其固有的，即绝大多数产品都小规模地源自分批式培养系统中，像“T”瓶。如果需要更多材料，通常靠增加“T”瓶的数量和尺寸或者将培养物转移到滚动瓶或旋转瓶来生产，这两种方式从本质上说通常也是分批式培养。当将培养物放大到生物反应器的时候，该过程已经很大程度上受到先前培养物处理的影响。因此，期望创建一种在小规模以及研究和开发水平上更易使用的一次性灌注系统。尝试采用中空纤维生物反应器或其它固定床生物反应器解决该问题仅部分有效，在所述纤维生物反应器或其它固定床生物反应器中细胞逐渐被附着或截留到固定表面；所述反应器固有的不均匀性和对细胞的不方便性限制了所述反应器作为研究工具的有用性。期望创建一种容易缩小的系统，通过该系统可以在连续灌注中保持培养物同质，从而使得对培养物的任何部分的取样、改性或监测都将反映整个培养物的情况。当存在对细胞、对分析或对期望产物的需要时，研究者可能借助这种连续培养物，以研究在连续稳定状态培养物中细胞的行为。研究者可以对这些培养物做出必要的调整进而观察培养物的反应。除了验证用于生产产品的方法外，这种连续培养物还可以提供强大的研究和开发工具。被提议的发明通过提供灌注生物反应器系统解决上述问题，通过该系统维持易用于处理、取样和分析的同质培养物。被提议的系统可以以易于使用和便于丢弃的方便无菌形式提供。

近些年随着新材料、制造方法和需求的进步，一次性设备的结构和用途越发得到认可。使用一次性袋作为细胞培养生物反应器和贮存容器，已经变得越发普遍了。这种一次性容器可以用最少的处理进行“安装”，并且不需要使用者进行清洗或消毒。所述一次性容器以清洁、无菌并且易于使用的形式供应，极大地节省了成本并且减少使用者的处理；此外，在使用完后，这些袋子可以无需拆卸或清洗，便于废弃。尽管大的一次性袋的结构已取得了显著进步，但是这些袋子的缺点在于它们固有的易碎性，这限制了它们的尺寸。这些袋子的另一个缺点在于搅动或混合培养物的能力有限。随着袋子尺寸增大，难以维持按线性比例放大的混合。当袋子体积按立方增大时，培养物的顶部空间的表面积按平方增大；氧气传输成为细胞生长和生产率的限制。还存在对利用pH值、氧气或其它探测器、能够深刻地影响培养物的繁殖性并且限制培养物可达到的细胞浓度和生产率的因素来监测培养物的情况的限制。一些袋子制造商们已经取得了相当大的进展，通过在袋子中加装叶轮以解决搅动的问题，另外，正在开发用于取样、监测和使袋内的培养物发生变化的方法；然而，尽管有这些进展，但这些袋子仍被用于以分批或补料分批的方式使细胞生长。

因此，将希望增加一种可以提高一次性袋或相似系统的产率并且减少它们的缺点的装置。这种装置的一些有利特征可以包含以下特征，包括：（i）便于在一次性袋内混合培养物的能力、（ii）在连续灌注模式中截留细胞和维持培养物的能力、（iii）包括在外部使用的能力以便在中间过程中以对过程产生最小的干扰的方式（包括保持过程无菌）被替换、（iv）本质上保持全部或部分一次性的。当考虑到上述要求以及一次性系统时，可以想到在美国专利No.6,544,424中描述的交替切向过滤系统，因为在其说明书中，所述装置并不局限于其构造材料或其组装方法；然而美国专利No.6,544,424中的系统并没有描述可以用作完整的培养系统的系统，例如将所述培养皿和灌注设备并入或组合成单个装置中的系统。将要描述的本发明可以被用作这种可以完全为一次性的装置，该装置除了提供用于连续培养物的手段外，还提供了其他的益处和用途。

压力梯度变化和流动均平行于（轴向流）和垂直于（跨膜流）膜表面，这是所述交变切向流（alternating tangential flow）过程中所固有的。在“压力循环”的过程中，泵中的压力大于渗余液贮存器中的压力。所述渗余液从隔膜泵“向前流动”，即穿过过滤器元件朝向渗余液贮存器流动。同样，一些液体受迫穿过过滤器膜进入滤液区室。因此，由于滤液区室封闭，滤液的注入能够使所述滤液区室增压。相反，在所述交变切向流过滤过程的“排气循环”过程中，所述泵的压力小于所述渗余液贮存器中的压力，以使液体从贮存器反向流向泵。此外，在所述排气循环过程中，在先前的压力循环期间被增压的滤液区室流体也会从所述滤液区室反向流至所述渗余液区室。所述回流产生了回转的冲刷组分，这些回转的冲刷组分维护了所述膜并且抑制了膜的堵塞。该效果被另一种跨膜流所进一步加强，所述跨膜流形成于所述中空纤维内部或内腔侧对轴向流的阻力大于所述中空纤维的外部壳侧时。因此，在压力循环期间，受迫进入所述中空纤维的入口的加压流体将选择阻力最小的路径，或者按照阻力的比例选择路径，并且所述流体将不仅流过所述内腔，如前所述也有部分穿过所述膜，进入滤液侧或壳侧。轴向压力梯度在过滤器的两侧形成，以使流体流向所述过滤器的出口端。朝着所述中空纤维的出口端，所述内腔压力降到最小。所述内腔内侧相对于所述壳侧的压力降导致滤液重新进入所述内腔或进入正去往所述渗余液贮存器的渗余液流中。从所述滤液侧返回进入渗余液侧的流动提供了额外的回转冲刷作用。显然这种流动在排气循环过程中也将观察到，但是以相反的方向。由此通过所述方法在所述过滤器元件的两端处提供了回转冲刷能力。结果，很明显，所描述的流动在所述渗余液侧和滤液侧之间提供了很好的流体交换能力。这种交换对于处理流体是极为有益的。这也是本发明的目的，即使用交变切向流过滤系统的这种能力，通过以一定的方式改造该系统的构造来穿过膜交换流体，所述方式将产生独特的系统并且相比于现有的设备具有显著的改进，超出其先前的严格作为过滤设备的用途。

如即将示出的那样，通过将所述交变切向流过滤过程进行特定的区室化，能够产生可以极大改善血液处理的系统，可以将该系统转换成一次性的灌流生物反应器，促进某些生物反应和化学反应或者用于从生物或其它流体中提纯或分离某些成分。其它方法和用途也可能是显然的。

发明内容

本发明的封闭的过滤系统发明是一种系统，在该系统中，双腔室过滤器元件被封闭在被称为反应器腔室的腔室中，以便所述反应器腔室和一个或两个过滤器元件腔室可以从系统的外侧经由它们的端口接入。所述过滤器元件优选为中空纤维过滤器滤筒，在所述中空纤维过滤器滤筒中内部的中空纤维膜为半渗透的，并且所述过滤器滤筒外壁是半渗透或全渗透的。在一个实施方案中，这允许在滤液腔室中收集中间尺寸的分子或复合物并且在所述反应器腔室中收集更小的分子或复合物。通过交变流泵控制流体流动。

所述闭合的生物反应器系统包括3种类型的腔室：过滤渗余液腔室、基本上包围所述过滤渗余液腔室的滤液腔室、和处理腔室，所述处理腔室基本上包围所述滤液腔室但并未阻塞所述渗余液腔室的入口或出口。所述处理腔室提供了封闭空间，在所述封闭空间中流出所述过滤渗余液腔室的入口的流体被捕集。来自所述处理腔室的流体能够从腔室的外部接近的唯一途径是穿过一个或多个所述处理腔室壁中的端口。所述滤液腔室与所述过滤渗余液腔室被所述过滤渗余液腔室的半渗透膜分隔开，所述半渗透膜允许较小分子（这些小到足以穿过所述膜的孔的分子）从所述过滤渗余液腔室和处理腔室移动至所述滤液腔室，经由所述滤液腔室，它们可以从系统中被收集。交变流泵在交变的方向上从所述渗余液腔室向前或向后驱动流体穿过所述过滤渗余液腔室。

歧管发明是可连接至流体源（比如生物反应器、发酵罐或一些其它处理容器）、并且从所述源抽取流体、将被抽取的流体的大部分或全部返回所述流体源的设备；其中在源与所述歧管之间流体流动的方向通过交变流泵控制；其中所述歧管进一步包括端口，为了取样或其它目的可以在所述端口处取出流体等分试样，或者为了输送至流体源可以在所述端口处添加流体等分试样。可选地，能够筛选流体的低分子量物质用于测试的过滤器元件是歧管的一部分；此外，所述歧管包括进一步的端口，穿过所述端口可以添加传感器以监测在该设备内流动的流体；可选地，可以将带有传感器的相似端口添加至所述歧管以探测所述过滤器元件内的滤液。

双泵系统发明包括两个串联的泵，两个泵的至少一个（第一泵）为交变流隔膜泵。所述第一泵经由其泵室之一可以连接至生物反应器的腔室。所述第一泵将经由其另外的腔室连接至所述系统的第二泵的第一腔室。所述第二泵也可以是交变流隔膜泵，或者它可以是交变流机械泵。所述第二泵能够被连接至压力控制机构，通常在电能作用下，所述第二泵交变地产生传送至第一泵的正压和负压，并且经由第一泵传送至生物反应器腔室，比如封闭的过滤系统或封闭的生物反应器系统的腔室。传感器（比如近距离传感器、机械传感器、电子传感器、光学传感器、位置传感器或其它设备）优选地可以以指示所述第二泵中隔膜的位置的方式被整合进所述第二泵中。通过在所述两个泵之间使用非弹性联接器，所述第一泵的隔膜运动将与所述第二泵的隔膜运动相一致。

改性剂模块发明是设计在过滤和生物反应器系统内使用的模块，以便对所述系统中的一些（或者比较少见的，全部）成分进行改性。所述模块，优选为圆柱形，包括支架和改性剂种群，所述改性剂种群既可以是同类的（所有的改性剂相同），也可以是异种的（所有的改性剂不同）。改性剂的实例是抗体或酶。所述改性剂种群可以被束缚到所述支架上。在所述改性剂种群没有被束缚到所述支架上的情形中，所述模块进一步包括半渗透或全渗透膜，以便所述膜部分或完全包围所述支架并在所述支架与膜之间形成区室，以便当所述改性剂被保存在所述区室内时（优选地抵靠所述支架堆积），来自所述反应器或处理腔室的组分可以在一个方向或两个方向穿过所述膜以与所述改性剂相互作用。

附图说明

图1a示出了本发明的封闭过滤系统的一种实施方案的剖面视图，其中所述系统通过连接器管线连接至同样示出为剖面视图的存储容器，并且通过连接器管线连接至压缩空气控制器；

图1b示出了图1a的封闭过滤系统的放大的剖面视图；

图1c为图1b的封闭过滤系统的过滤器元件和过滤器元件适配器沿图1b中的线1c-1c的截面视图；

图1d为图1b的封闭过滤系统的过滤器元件沿图1b中的线1d-1d的截面视图；

图1e为图1b的封闭过滤系统沿图1b中的线1e-1e的截面视图；

图1f为图1b所示系统的局部放大剖面视图；

图1g为图1b的封闭过滤系统的俯视图；

图1h为图1a的封闭生物反应器系统的一部分的局部剖面视图，相比于图1a，图1h将所述系统的该部分进行了放大；

图1i示出了本发明的封闭过滤系统的一种实施方案的剖面视图，在该系统中适配器连接至第二连接器管线，并且在该系统中设有用于回收来自泵室的流体的导管；

图2示出了本发明的封闭过滤系统的一种实施方案的剖面视图；

图3示出了本发明的封闭过滤系统的一种实施方案的剖面视图；

图3a示出了与双泵系统一起使用的封闭过滤系统的一个实施例的剖面视图，在所述双泵系统中两个泵均为隔膜泵；

图3b示出了与双泵系统一起使用的封闭过滤系统的一个实施例的剖面视图，其中两个泵为通过由蠕动泵控制的连接器管线连接的隔膜泵；

图3c示出了可用在双泵系统中的泵的一个实施例的部分剖面视图和部分立体视图，所述泵是由连接至马达驱动轴的凸轮机构驱动的活塞泵；

图3d示出了图3c的泵，但是所述凸轮和联动的活塞的位置不同；

图3e示出了可用在双泵系统中的泵的一个实施例的部分剖面视图和部分立体视图，所述泵是由可逆式螺杆机构驱动的活塞泵；

图3f示出了图3e的泵，但是所述螺杆和联动的活塞机构的位置不同；

图4a示出了本发明的封闭生物反应器系统的剖面图，所述系统的反应器腔室连接至收获管线；

图4b是图4a中的系统的横截面的放大视图；

图4c是图4a所示系统的一部分的剖面的放大视图；

图4d示出了图4的系统的一部分的剖面视图，所述系统带有相当于提升阀的附加部件；

图4e为图4d的系统的俯视图；

图4f示出了本发明的封闭生物反应器系统的局部剖面示意图，在所述系统中所述贮存器腔室为水平放置；

图4g示出了本发明的封闭生物反应器系统的局部剖面示意图，在所述系统中所述泵处于上部的位置并且所述过滤器元件位于所述泵之下；

图5a示出了局部剖面形式的本发明的歧管取样系统的一种实施方案；

图5b示出了局部剖面形式的本发明的歧管取样系统的一种实施方案；

图6a示出了本发明的流体过滤系统的剖面视图，在所述系统中所述反应器腔室包括能够改变所述反应器区室中流体成分的改性剂模块；

图6b示出了存储盒中的改性剂模块的剖面视图；

图6c示出了存储盒中的改性剂模块的剖面视图；

图6d示出了改性剂模块的剖面视图；

图7示出了所述封闭过滤系统的剖面视图，在所述系统中所述隔膜泵是独立封闭的。

具体实施方式

详细描述的内容的表：

所述封闭的过滤系统和方法的详细描述始于第16页；

所述封闭的生物反应器系统和方法的详细描述始于第40页；

所述歧管系统和方法的详细描述始于第56页；

所述双泵系统的详细描述始于第62页；

所述改性剂模块系统的详细描述始于第76页；

术语

本发明的反应器系统所处理的“流体”一般是含水溶液，所述流体可以包括或者可以不包括悬浮颗粒质（比如细胞、细胞碎片、不溶的分子复合物、微粒或可溶的分子）。所述流体可以包含或者可以不包含溶解在所述流体中的分子。

一种“选择性可渗透屏障”（或选择性可渗透壁）是不会允许所有颗粒物穿过它并且/或者不会允许所有的溶解物穿过它的屏障。

通常，“选择性可渗透屏障”在文中被用作对一种中空纤维的壁的描述，所述中空纤维是中空纤维过滤器滤筒的一部分。

“选择性屏障”是本文中对选择性可渗透屏障所使用的另一个术语。通常“选择性屏障”在本文中被用作对中空纤维过滤器滤筒的外壁的描述。

全渗透屏障（或壁）是一种在屏障中的一个或多个开口处允许流体穿过而不会堵塞任何流体成分（无论是颗粒或溶解物）的通道的屏障。

全限制屏障不允许任何流体穿过它。必须在该屏障中设置开口（比如位于打开位置的收获端口）以允许流体从该屏障的一侧移动至另一侧。

在所述封闭的生物反应器系统中，所述中空纤维过滤器滤筒的外壁（即所述滤液腔室的外壁），可以是选择性可渗透的、全渗透的或全限制的。最常见的是全限制的。

封闭的过滤系统和方法

所述封闭的过滤系统（和以下讨论的封闭的生物反应器系统）设有渗余液腔室和滤液腔室。实现上述结构的最便利的方式是使用中空纤维过滤器。这种过滤器被制成滤筒，所述滤筒包括多个沿所述滤筒的长度平行延伸并且嵌入所述滤筒的每个末端（优选地使用灌封剂）的中空纤维（HF）；在所述HF的末端处的内腔保持打开，从而形成从所述滤筒的一端穿过每个内腔到达所述滤筒的另一端的连续通道，即从滤筒入口端到达滤筒出口端。所述中空纤维被所述滤筒的外壁（即滤筒壁）和位于所述中空纤维末端的灌封层封闭。结果，形成由所述滤筒壁和所述HF的外壁界定出的腔室。该腔室可以被用作滤液腔室。所述HF的内腔（内部）空间被整体地认为在当前的每个系统中构成所述渗余液腔室的一部分。

所述渗余液系统通过与所述滤筒的每端适配的适配器延伸超过所述HF的内部空间。每个适配器连同所述滤筒的末端限定出成为所述渗余液腔室的一部分的空间。根据流体流穿过所述纤维的方向，该空间或者用于（1）在流体流出所述纤维时收集流体，或者用于（2）使得来自外部源的流体到达与HF开口端的交界面，并且为了延续其朝向所述滤筒的另一端的路径而将自身在这些HF之间分配。每个适配器会设有两端，一端与所述滤筒适配并且另一端具有可连接至容器或泵的开口。通常所述容器通过允许流体流动的管线连接至所述适配器，但如果需要，所述容器可以直接连接至所述适配器或者所述适配器可以形成所述容器的一部分，其中所述容器中的部分或全部内含物（content）可以被包含在所述适配器中。通常所述适配器直接连接至泵，但如果需要，所述泵可以经由允许流体流动的管线连接至所述泵。

当连接管线被添加到适配器时，所述渗余液腔室延伸至还包括该连接管线的内部空间。

当连接管线在其一端连接至适配器并且在其另一端连接至容器（例如一个含有悬浮在生长培养基中的细胞的容器），可以将所述容器的内部也视为所述渗余液腔室的进一步延伸，但是在本文中为了描述和讨论的目的，所述容器和所述渗余液腔室被当作独立的实体。

所述中空纤维过滤器的内腔的壁是可渗透的，很方便地提供了一种全渗透或选择性渗透的屏障。所述选择性渗透的中空纤维壁的选择性可调，其选择性覆盖膜孔尺寸（通常归为渗透膜，从超滤微滤到粗滤）的整个范围，其中，例如，超滤范围包括从大约10到大约500kDa的截留分子量范围。0.2微米的孔尺寸通常可用于保留细胞但允许代谢物以及其它分子或分子复合物穿过所述孔。范围在10kDA到500kDa的孔尺寸优选地用于不仅保留细胞还保留大于所述孔尺寸的分子以及分子复合物。

所述过滤器滤筒的外壁通常是不可渗透的并且通常具有滤液可以从其中被排出和/或置换的端口。然而，为了所述封闭的过滤系统，所述过滤器滤筒包括构成屏障的外壁，所述屏障可以是非选择性的（全渗透的）但是优选为半渗透的，（不允许大于所述屏障中孔尺寸的溶解物（例如分子和分子复合物）穿过所述屏障，并且不允许大于所述孔尺寸的颗粒物穿过所述屏障）。范围在10kDA到500kDa的孔尺寸，优选地用于仅保留大于所述孔尺寸的分子和分子复合物。然而，所述孔尺寸可以被分别制备得足够小或足够大，以使所述屏障是高度限制性的，仅允许小盐类及其复合物穿过，或允许大于500kDa的分子或颗粒穿过所述膜。这种膜选择性不仅受限于孔尺寸也受限于其它膜性质，包括：电荷、疏水性膜结构、膜表面和孔极性等。所述封闭的过滤系统，在其总体方面（general aspect），是一种包括如下的系统：

1）渗余液腔室，所述渗余液腔室包括位于其入口端的入口和位于其出口端的出口，所述渗余液腔室包括渗余液腔室壁，所述壁的至少一部分是半渗透性的；

2）滤液腔室（例如在所述中空纤维过滤器滤筒内部的位于中空纤维外部的部分），所述滤液腔室至少部分地封闭所述渗余液腔室，所述滤液腔室包括滤液腔室内壁和滤液腔室外壁，其中所述滤液腔室内壁的至少一部分对应所述渗余液腔室壁的半渗透部分；所述滤液腔室外壁包括滤液腔室外屏障（可以是全渗透的，但优选是半渗透的）；

3）交变流泵，所述泵连接至所述渗余液腔室出口的外周（perimeter），从而允许来自所述泵的流体进入所述渗余液腔室并且允许来自所述渗余液腔室的流体流入所述泵；所述泵包括外壁、隔膜和两个由所述隔膜分隔的腔室；

4）反应器腔室，所述反应器腔室被配置成以密封的方式至少部分地封闭滤液腔室和渗余液腔室，但不会阻挡流体流入和流出所述渗余液腔室入口，所述反应器腔室包括反应器腔室内壁和反应器腔室外壁，所述反应器腔室内壁包括滤液腔室外屏障，所述反应器腔室外壁被密封至所述渗余液腔室的外部或所述滤液腔室的外部，所述反应器腔室外壁可选地密封至所述交变泵外壁；

5）收获端口，所述收获端口附着至所述反应器腔室外壁，从而允许流体离开或进入所述反应器腔室。

如以上所表明的，可以通过一个或多个端口进入所述滤液贮存器，以移除所述滤液腔室中的滤液，或者向所述滤液腔室中添加滤液。

术语“密封”、“密封地”等指的是两个腔室或其它系统组件的连接或接合不允许流体穿过该连接或接合泄露。

设有滤液贮存器的前述的封闭过滤系统和下述的变形在图中进行了例示，并且在以下进行详细讨论。

所述封闭的过滤系统，在一方面指的是“滤液贮存器系统”，可以进一步包括连接至所述滤液腔室的滤液贮存器，以允许流体直接在所述贮存器与滤液腔室之间流动。在此，所述反应器腔室外壁被密封至所述滤液腔室的外部，但不会封闭所述滤液腔室通向所述贮存器的部分。所述贮存器封闭所述滤液腔室通向所述贮存器的部分。所述贮存器与所述反应器腔室分隔开，以便在所述贮存器与所述反应器之间不会有直接的流体交换。除了连接至所述反应器腔室的收获/附加端口（第一组端口），所述系统还包括连接至所述滤液贮存器并延伸至所述滤液贮存器外部的第二组端口。

所述滤液腔室外屏障的孔尺寸可以根据所述系统期望的用途改变。

在所述封闭的过滤系统以及所述滤液贮存器系统中，可能均存在第二收获端口，所述端口附着到所述滤液腔室或贮存器腔室，以允许流体离开或进入所述滤液腔室或贮存器腔室。

所述隔膜泵包括两个泵室和位于所述两个泵室之间的隔膜。一个泵室连接至所述渗余液腔室，以便可以通过所述泵限制并控制穿过所述渗余液腔室的流体流动的方向。另一个泵室（驱动腔室），连接至交变的正压或负压源。

对于所述封闭的过滤系统和滤液贮存器系统，一种连接器管线（导管）通常连接至所述隔膜泵的外部连接腔室，或驱动腔室，以作为该腔室与压力控制器之间的连接的一部分。

对于所述封闭的过滤系统和滤液贮存器系统，一种连接器管线通常连接至所述渗余液腔室的端口。对于所述封闭的过滤系统和滤液贮存器系统，所述管线将用作与所述外部生物反应器、容器或其它渗余液容器的连接的一部分。

对于所述封闭的过滤系统和滤液贮存器系统，在需要时使用附加的连接器管线和/或收获管线。许多、但不是所有的这种可能性在本文中通过实例进行了例示。

此外，所述封闭过滤系统和所述滤液贮存器系统，可以进一步包括附加至所述渗余液区室、滤液区室和/或反应器腔室的端口：用于插入探测器、仪器或设备，和/或用于添加或减少物质。

类似于交变切向流过滤系统，所述封闭的过滤系统和滤液贮存器系统提供了穿过整个过滤器的均匀流。同样类似于交变切向流过滤系统，本发明的封闭反应器系统可以与不同类型过滤器一起使用。

使所述滤液腔室和所述渗余液腔室结合的设备在本文中被称为“过滤器元件”。一个可能被使用的过滤器元件是中空纤维（HF）过滤器，其用途将在本文中广泛描述。它们可以采用许多尺寸、构造、材料、孔尺寸、孔隙率以及外壳。然而，本发明的系统并不要求一定使用中空纤维过滤器。也可能利用其它分离设备。一个这种设备可以是“板框式”过滤器。另一个设备是筛网模块（screen module），其包含用作分离膜的筛网（screen mesh）。

可以看出，所述反应器腔室可以用作多种功能。例如，它可以用作永久或临时储存器。这使得其中的内含物在返回至主工艺过程之前或被收获之前可以进行不同的改性或处理。

本发明的封闭过滤反应器系统（和以下描述的封闭的生物反应器系统）可以用在其它的应用中，所述其它的应用包括但不限于肾透析、血液处理、水净化浓缩、流体交换、或者各种其它的过滤应用。举例而言，在肾透析这种情形中，病人的循环系统可以被连接至所述渗余液腔室。所述反应器腔室和/或所述滤液腔室是具有期望促进所述透析过程的浓度或体积的特殊流体成分（电解质、生物活性成分、吸附剂和其它）的来源。由于在交变切向流过程中所固有的“横向”流，腔室之间的流量使所述区室之间容易快速平衡。位于所述渗余液腔室和滤液腔室之间的选择性渗透屏障可以提供一个限制性的屏障。可选地，所述滤液腔室与反应器腔室之间的选择性屏障提供了第二屏障；因此，选择性与区室过程之间的快速平衡相结合提供了用于从循环中移除不想要的或有毒的副产物（即小到足以从所述渗余液腔室进入所述滤液腔室和/或反应器腔室的那些）的更有效的方法。

期望的是，本发明的封闭反应器系统是可灭菌的，并且灭菌后，可以被充分密封地保存，以防止随后其内部被微生物或其它污染物污染，否则微生物或其它污染物将在其消毒后进入所述系统的内部。同样期望的是，这些系统为这样一种构造并且由构造材料（construction material）制成，即可以使得所述系统成为一次性的。

本发明使用所述封闭的过滤系统的方法

所述封闭的过滤系统方法，在总体方面，包括步骤：

1）使流体从渗余液腔室排出经由流体连接器进入容器（比如存储容器），以在所述排出期间，使所述流体的一部分被引导经由半渗透屏障进入滤液腔室，并且进而经由选择性屏障被引入反应器腔室，其中所述排出是由在所述流体连接器远端的位置被连接至所述渗余液腔室的隔膜泵所施加的力引起的；和

2）使由所述隔膜泵施加的力的方向反向，以使至少一些来自所述容器的流体回流进入所述渗余液腔室，并且至少一些来自所述渗余液腔室的流体流入所述滤液腔室（并且优选地，一些来自所述滤液腔室的流体流入所述反应器腔室）；和

3）重复步骤（1）和（2）至少一次，其中从所述滤液腔室排出的流体选自由悬浮液和溶液组成的组，并且其中所述渗余液腔室、滤液腔室、反应器腔室和隔膜泵为相同的封闭过滤系统的一部分（优选地其中所述封闭的过滤系统的总体方面或第二方面在上文被描述）。

在前述和下述的方法中，流体在一个方向穿过屏障的一部分的这一事实不会妨碍并且经常伴随有流体在相反的方向、在所述屏障的另一部分的流动。

通常，来自所述渗余液腔室、滤反应器腔室和/或滤液腔室的物料将被收获至少一次。

在所述封闭的过滤系统方法的变化中，可应用于包括了滤液贮存器的系统的方法包括步骤：

1）使流体从渗余液腔室排出经由流体连接器进入容器，以在所述排出期间，使所述流体的一部分被引导经由半渗透屏障进入滤液腔室，以使部分被引入所述滤液腔室的流体经由滤液腔室壁中的开口被引导至滤液贮存器，并且以使部分被引入所述滤液腔室的流体被引导经由选择性屏障进入反应器腔室，其中所述排出是由在所述流体连接器远端的位置被连接至所述渗余液腔室的隔膜泵所施加的力引起的；和

2）使由所述隔膜泵施加的力的方向反向，以使至少一些来自所述容器的流体回流进入所述渗余液腔室，至少一些来自所述渗余液腔室的流体流入所述滤液腔室，至少一些来自所述滤液腔室的流体流入所述滤液贮存器，并且至少一些来自所述滤液腔室的流体流入所述反应器腔室；和

3）重复步骤（1）和（2）至少一次，其中从所述滤液腔室排出的流体选自由悬浮液和溶液组成的组，并且其中所述渗余液腔室、滤液腔室、反应器腔室和隔膜泵为相同的滤液贮存器系统的一部分，（优选地其中所述贮存器系统如上文描述的那样）。

通常，来自所述渗余液贮存器、滤液贮存器和反应器腔室的物料将被收获至少一次。

图1a-1h例示了所述封闭的过滤系统以及连接至所述系统的设备的不同视图（在这些视图中的一个中所用的附图标记（例如所述渗余液腔室45）可以应用于这些视图的所有其它视图中的相同组件）。

在图1a中，封闭的流体过滤系统1经由流体连接器3连接至处理容器（processvessel）2，所述处理容器2含有待处理的流体物料或渗余液9（在该系统处于使用并且含有渗余液的情况中，在图1a、1b和1h中，数字9表示渗余液的位置，而不是渗余液本身（除容器2中所示的渗余液流体外））。所述流体过滤系统1包括至少三个腔室：容纳有未过滤的物料的渗余液腔室45（在图1b-1h中非常具体地示出）、位于所述过滤器元件5（例如中空纤维过滤器）之内的滤液腔室10（在图1b-1h中非常具体地示出）和反应器腔室11，所述反应器腔室11通过选择性渗透可屏障19（例如中空纤维滤筒的外壁或其它膜）与所述过滤器元件分隔开。

所述流体过滤系统1由壳体15封闭，为封闭所述系统，所述壳体15的形状、尺寸或朝向可以根据需要进行改变。所述壳体15可以由多种材料构建，包括固体聚合物，比如聚碳酸酯或聚砜、柔韧的或弹性材料或任意其它材料或材料的复合物。所述处理容器2可以是任意适合的用于待处理流体的容器。例如，它可以是生物反应器、循环系统或任意其它容器，包括但不限于罐、袋、瓶以及可以容纳流体的类似物。所述处理容器2可以由任意合适的材料或材料组合物构成，包括合成聚合物、惰性金属（比如不锈钢、玻璃等）；这些材料在用于处理容器时不应受限于这些材料得形状、尺寸或构造。就易接近性而言，所述处理容器2也并不受限：它可以被改造以允许添加或减少容器的内含物。例如管线或管道36和39可以被用于起到添加或减少所述处理容器2的内含物的作用，例如使用泵来控制这种添加或减少。所有尺寸和构型的这种容器都是可以商业购买到的，并且为本领域所熟知。所述流体连接器3用于引导流体从所述处理容器2经由流体交换端口35到达所述过滤器元件5的入口端42（也相当于所述渗余液腔室45的入口端）。入口42在用作腔室45的入口的同时，也可以用作渗余液的贮存器；其形状和位置可以根据需要改变；其容积近似等于所述隔膜泵的位移容积，以促进贮存器42与泵之间的配合，并且进一步促进渗余液更高水平的浓度和最终浓缩物的更好回收（图1b；综合考虑图1b-1h可以对所述中空纤维过滤器的结构有最好的理解）。所述端口35由入口端适配器40固定，所述入口端适配器40也可以用作入口端贮存器42的端盖，所述入口端贮存器42转而也用作过滤器元件5的盖和入口端；35、40和42的组合用作穿过壳体15的顶板16的导管适配器，用于引导流体到达所述过滤器元件入口端42。作为贮存器，贮存器42可以设置在顶板15之上、穿过顶板15或在顶板15之下，并且其安装和构造不会妨碍来自所述滤液腔室或反应器腔室的端口。流体流进一步被引导穿过过滤器通道17，当所述过滤器元件5相当于中空纤维过滤器时，所述过滤器通道17相当于过滤器元件5的中空纤维的内腔的内部。所述过滤器通道整体相当于所述流体过滤系统的渗余液腔室45。在一个方向中，所述流体流行进至所述过滤器元件5的出口端43并且从所述出口端43流出。位于所述过滤器元件5和渗余液腔室45的出口端43的适配器41将来自所述过滤器元件出口端43的流体引导至隔膜泵4的液体接收腔室7。适配器41并不局限于其示出的构造或形状；它可以直接或通过泵适配器29连接至泵4；或者它可以通过导管（未示出）将所述过滤器出口端43连接至泵4。

如先前在美国专利6,544,424中描述的，通过泵4产生穿过位于处理容器2与隔膜泵4（交变流泵）之间的过滤器元件5的流动。泵4优选地包括泵壳4，所述泵壳4被中间隔膜6分隔成第一内部腔室8（也称为“第一腔室”或“驱动腔室”）和第二内部腔室7（也称为“第二腔室”或“液体接收腔室”）。在图1a和1b中泵壳4由两个壳体部件组成，即第一泵壳部件25和第二泵壳部件24。所述部件25和24分别包括法兰26和27。在所述第一内部腔室8中的压力驱动隔膜泵4内的隔膜，而不会对所述第二内部腔室7中的流体物造成污染。图1a中示出的是空气驱动泵。压缩空气被控制器54引导穿过管线（管道）21，优选地穿过无菌过滤器22和空气入口23到达腔室8。增大腔室8内相对于处理容器2的空气压力，驱使弹性隔膜6进入腔室7，驱动该腔室7中的液体穿过所述过滤器元件5到达容器2。通过减小腔室8内相对于容器2的压力产生从容器2到泵4的反向流动。重复该循环。通过这种泵产生交变流已在美国专利6,544,424中被描述。

为使封闭的过滤系统的结构简便，优选地使用防泄漏连接在所述泵壳26和27（图1b和1f）的外周安装弹性隔膜外法兰47（图1f）；通常使用夹紧机构来压紧位于两个泵半壳的法兰26和27之间的隔膜。所述的两个泵半壳包括腔室7和8。然而这种连接可以以许多方式完成，图1b和1f中示出了一种实施例；如例示的，位于各自的隔膜泵半壳上的外围法兰26和27均包括“O”形环凹槽28，所述凹槽28被设计成用于接收在隔膜6的法兰部分的配对“O”形环部分。根据外围法兰26和27以及“O”形环凹槽28的一个优选实施方案，将所述外围法兰26和27连接在一起，并且同时使法兰26和27之间的隔膜“O”形环法兰47和“O”形环部分44束缚紧固；这可以通过如下所述的控制所述法兰26和27的相邻面之间的间距来完成：从所述隔膜6的外周边向内朝向所述隔膜泵4的中心轴，所述隔膜泵法兰26和27相互分离一段稍微小于隔膜6法兰部分47（即隔膜的法兰部分），包括其“O”形环部分44（图1b和1f）的对应厚度的距离。法兰之间的间距减去隔膜厚度被称为“压缩距离”。从所述隔膜6的外周边向外至法兰26和27的外周边，法兰26和27的相向面之间的间距等于压缩距离；因此，当两个相向法兰26和27受力在一起时，它们将所述隔膜法兰部分47和“O”形环部分44压缩了所述压缩距离，同时在两个法兰部分26和27之间形成接触面48。一旦接触，外围法兰26和27可以沿它们的接触面48相互束缚；在该过程中，隔膜6被紧固地密封在泵的法兰部分之间。该方法允许通过控制对应且相邻的泵法兰部分之间的压缩距离来设定施加于隔膜6法兰47和“O”形环部分44的压缩量。进一步，为了确保两个隔膜泵半壳的法兰沿结合面48保持紧固结合，可以沿法兰26和27的表面进一步加固结合。这在图1f中被例示，通过将法兰26和27的末端抵靠所述壳体15的内壁紧固结合，优选地以防泄漏的方式沿表面49形成结合。该过程不仅可以使得所述隔膜固定在所述泵内并且使得所述泵固定到束缚支架，还可以获得其他独特的好处。这种好处之一涉及使用圆柱形壳体15，所述圆柱形壳体15延长了所述流体过滤系统1的长度，对整个系统（包括其所有的重要组件）形成封闭。所述圆柱形壳体15可以用作整个系统的支撑平台，以使系统可以保持在垂直位置（如图所示）或者可以保持在与之颠倒的位置。所述外围法兰26和27到壳体15的结合或固定使整个系统增加了结构支撑，以保护其内含物。另一个好处是形成反应器腔室11的“基底”25（图1b）。此外，通过提供具有顶部16的外壳15，可以完全封闭所述过滤器元件5和反应器腔室11。壳体15和顶板16可以被构造成期望的形式并被设计成接受不同元件、配件或插入物，以对腔室11进行添加或减少，以监控或影响所述腔室内部的条件；所有这些，正如将会示出的，增加了系统的多功能性。图1a示出了由壁15、基底25和顶板16形成的封闭11的实例；还示出了包含过滤器元件5的系统，所述过滤器元件5在一端连接至泵4并且在另一端连接至适配器40，所述适配器40穿过封闭顶板16并且形成到达导管3的通道。通过将顶板16和泵法兰26和27结合或密封到壳体15，使所述过滤器元件5设置在所述反应器腔室11内，其中所述滤液腔室10（和所述过滤器元件5）与所述反应器腔室11共用同一选择性屏障19作为它们各自的壁的一部分（滤液腔室10由所述内腔17的表面、滤筒外壁19和填充有封装材料44的区域限定出）。通过控制选择性屏障19的性质，可以在反应器器腔室11与滤液腔室10（从而与过滤器元件5）之间形成非常有用的选择性屏障。正如将要示出的，利用所述过滤器元件5的已知功能和其对所述滤液腔室10与渗余液腔室45之间的成分选择性分离的能力，以及在所述过滤器元件5与反应器腔室11之间进一步设置的选择性屏障19得到了一种具有多种使用功能的独特设备。

来自反应器腔室11的收获物经由连接至收获端口12的管线13收集，这使得所述腔室与该管线之间的流体可以交换，以允许流体进入或离开所述反应器腔室（对于穿过顶板16（或其相等物）的收获端口12（或其相等物）的关系还参见图1b）。

系统的壳体15、隔膜泵4、隔膜6、阀门、过滤器和其它组件可以由多种材料，优选地由可以经受在所述流体过滤系统1的运行中产生的压力的材料，优选地由可以通过化学、蒸汽或放射灭菌的材料制备；例如，此种材料可以包括不锈钢。然而，不锈钢的一个主要的不足在于不能看见壳体15内部或隔膜泵4内部的内含物。不锈钢的一些其它不足是重量、成本以及难以形成特定形状。因此，优选地，特别是当要求一次性系统时，使用诸如聚碳酸酯、聚砜或其它根据它们的结构强度和透明度选择的材料；这些材料可以容易成型为期望的形状，轻且相对便宜，也能够通过化学、放射或蒸汽灭菌。对构造材料附带的期望特征是其对制造技术的适应能力、其对将其包装、存储、运输的顺从性，以及提供防止破坏或污染的保护。

图1a-1h例示了用于本发明的中空纤维过滤器5（在图1h中可见的结构特征比在图1b中示出的相同特征更容易看见）。所述过滤器5被制成滤筒，包括多个从滤筒入口端沿所述滤筒的长度平行地延伸至滤筒出口端的中空纤维（HF）。通过与制造中空纤维滤筒时共同的方法，所述中空纤维的一部分从其外部被封装在所述滤筒的两端；所述中空纤维通过所述滤筒的壁和位于所述滤筒末端的封装材料44封闭。封装化合物的例子有环氧树脂和聚氨酯。结果，形成以滤筒壁19、封装端44和HF的壁17为边界的腔室。该腔室可以被用作本发明的滤液腔室。可以说存在多个渗余液腔室，每个对应于单个HF内腔空间。然而，为了描述的目的，在本发明的系统中这些内腔空间被整体地认为构成渗余液腔室。

例示的中空纤维过滤器的内腔（中空纤维）的壁17是选择性可渗透的，方便地提供了在所述系统的描述中提及的选择性可渗透壁。所述过滤器滤筒的外壁19（所述滤筒壁）包括在所述系统的描述中提及的选择性屏障，该屏障也是选择性可渗透的。

图2同样例示了图1a到1h的封闭过滤系统，但示出了其增设的封盖50和51。在图2中，所述封闭过滤系统1连接至连接器管线3（即流体连接器管线）并且经由收获端口12连接至收获管线13。此外，所述系统在每个末端都被封盖50和51封闭，以便其不这样便会被暴露的末端被完全封闭。所述流体连接器管线和收获管线呈卷曲状示出，原因是在该特殊实例中它们需要被卷曲，以便它们可以被封盖封闭。流体连接器管线3和收获管线13在它们的末端用防护物52保护。

图2中的附图标记4、5和15应用于它们在图1a到1h中所指的相同组件。

图3例示了在图1a-1h中所示的封闭过滤系统1的变形。在图3中示出的系统501具有没有出现在图1a-1h的系统中的滤液贮存器564。在图3中，滤液贮存器564和反应器腔室511通过分隔屏障560彼此分隔开，所述分隔屏障560不允许所述贮存器564与腔室511之间的直接流体交换。所述滤液贮存器564和反应器腔室511均独立地与所述过滤器元件505的滤液腔室510进行流体交换。所述滤液腔室510与反应器腔室511之间的流体交换通过所述过滤器元件505的一部分实现，所述过滤器元件505具有与图1a-1h中的过滤器元件515的外壁结构类似的外壁，即所述过滤器元件505的外壁是选择性屏障。

相对地，所述滤液腔室510与所述滤液贮存器564之间的流体交换通过开口561实现，所述开口561提供了从所述滤液腔室510到贮存器564的直接途径，其中可以经由收获端口562（“第二收获端口”）和管线563收获滤液。来自反应器腔室511的收获物经由管线513收集，所述管线513可以穿过管道512进入反应器腔室，所述管道512延伸进入所述腔室，起到端口的作用（“第一收获端口”）。

在图3的系统501中，所述壳体515类似于图1a-1h中的壳体15。

在图3中，示出的不同形式的关键连接（包括流体连接器部分503）、收获管512、562、泵504、过滤器元件505和其它系统配件被封闭并且被封盖550和551完全保护着。这种封盖也可以封闭连接至所述系统或该系统的不同区室的其它管线或设备。这些管线或设备可能包括管道、传感器、电线、过滤器等；这些设备可以进一步被二级防护物封闭或保护；例如，流体连接器部分503和收获管道563，在其末端可以进一步用防护物552保护；因此，当封盖550被移除并且流体连接器部分503和收获管线563被暴露时，它们的内部体积保持免受污染，同时保持它们可以以无菌方式的连接至其配对物。

然而，可以看出，如图1a-1h描述的封闭过滤系统1的许多其它部件和特征出现在了图3的系统501中。例如，所述过滤器元件5的所有部件与图3中的过滤器元件505基本相当。同样，隔膜泵4和504，以及过滤器元件与泵之间的相互连接，不仅出现在图1a和1b中，也出现在图3中。这种共用部件进一步包括但不限于渗余液腔室45和545，以及选择性可渗透屏障19和519。此外，图1a-1h的流体交换端口35出现在图3中。

图2和3中示出的封闭的流体过滤系统和滤液贮存器系统可以分别封进保护袋的内部，用于对污染和误操作进行附加防护；整个系统可以一次灭菌。这种安全特征在可预见的应用中是必要的，比如透析以及其它医疗或细胞培养相关应用。在图1a-1h，以及图2和3（如果适用）中，所述流体连接器3的主要功能是提供一种可靠的、无菌的、低剪切力的流体导管。优选地，它应该允许处理容器与流体过滤系统1之间的双向性流动；此外，当使用所述系统作为一次性单元时，在这种一次性单元与所述处理容器之间形成可靠且简便的连接变得很有必要。所述流体连接器503的一种优选特征是能够以无菌且可靠的方式在所述流体过滤系统1与处理容器2之间形成、破坏或再重新形成连接。存在许多众所周知的用于以无菌的方式连接或破坏流体连接器的技术，包括管焊机、可SIP阀门配件的使用、在生物安全罩内连接或拆开无菌的管接头、无菌连接器的使用，比如clean-pack（Pall公司）或DAC^TM（GE公司），或者就此而言允许管道部分之间无菌的连接或断开的任何其它设备；然而，这种连接并不排除使用流体连接器，所述流体连接器可以包括多于一个的流体连接器，其中一个或多个连接器用于将流体输送到所述封闭过滤系统，并且一个或多个连接器用于输送来自所述封闭过滤系统的流体；这种连接器可以包括各式的阀门、管接头、或对穿过所述导管的流动有影响的设备（包括止回阀、传感器、限流器等）。当需要时，所述流体连接器也可以被分配接入在处理容器或多个容器或多个封闭反应器系统上的超过一个的端口。所述流体连接器也可以包含探测器，比如流量计（用于监控穿过所述连接器的流速）、pH值探测器、溶解氧探测器等，用于监控流过所述流体连接器的培养物的活性。容器与封闭的反应器系统之间的快速流动反映了所述封闭的反应器系统和处理容器中的条件。本领域技术人员可以想到将上述或相似改装任意结合到所述的流体连接器。

对于所述封闭的过滤系统和滤液贮存器系统，连接器管线通常会经由渗余液腔室入口端适配器连接至所述渗余液腔室的入口端。在所述封闭过滤系统的一种实施例中（被称为改进的适配器实施例），所述系统进一步包括：

1）贮存器适配器，作为其渗余液入口端适配器，以使所述贮存器适配器除了被连接至第一连接器管线外，还包括第二连接器管线；

2）引导管，在其两个末端中的一个末端处连接至所述交变流泵的入口腔室，所述引导管延伸至位于所述封闭的过滤系统外部的点，以使在所述泵的入口腔室中的渗余液可以在所述系统的外部被收集。

图1i例示了所述封闭过滤系统的改进适配器实施方案的实例。可以看出图1i可以被认为是图1a-1h中例示的封闭过滤系统的改进版。

其中所述系统包括贮存器适配器42。除了连接至所述贮存器适配器的连接器管线71外，还存在连接至所述贮存器适配器的第二连接器管线73。连接器管线71可以连接至诸如容器的流体外部源，但特别适合于经由导管连接至人体血液流，在该情形中，所述连接器管线也将被连接至所述血液流。血液将经由管线71进入所述过滤系统并经由管线73离开所述过滤系统。以这种模式，所述系统适合用于血液和肾透析。

在透析模式中，该系统的优点在于利用了交变切向流过滤系统的好处，但是病人体内的血流通常是相同方向的。

当管线71连接至所述系统外部的容器（比如图1a中的容器）时，如果由于连续过滤出现小容量，所述改进的适配器实施方案也非常适于从所述容器中回收这种小容量。

在该改进的适配器实施方案中，可以在所述贮存器适配器中增加压力传感器。

从图1i中可以看出，该实施方案也包括引导管60、62，所述引导管可以被认为分别具有两部分60和62。所述引导管可用于回收渗余液，特别是最终渗余液体积，并且一般可用于渗余液取样。它还可用于稀释所述渗余液。

所述贮存器适配器的体积优选等于或略大于所述隔膜泵4的位移体积，但它可以是任意尺寸。

泵72和74允许对加入所述贮存液适配器的流体和从所述贮存器适配器中移除改性后的（浓缩）流体的速率进行控制。所述两个泵可以以一种允许贮存器适配器42增压的方式被用作阀门。所述系统从而可以被增压（要求没有真空操作），这在许多过滤应用中有效。

隔膜泵（“所述贮存器泵”）可以被用于代替所述贮存器适配器，在这种情形中，所述系统将包括两个这样的泵。所述贮存器泵将具有两个连接至其腔室之一的连接器管线。其它腔室将连接至所述过滤器元件。所述两个泵的隔膜将同步移动。

所述封闭过滤系统的特征促进了它们的应用范围、储存和可运输性。例如，如图2和3中所示，整个系统可以被包装在整装的（self-contained）容器内。所述泵、过滤器、流体连接器、收获管线、改性剂模块、改性剂悬浮溶液都可以方便地预装配、封闭并且无菌地提供。

本发明的重要属性在于所述封闭过滤系统的闭合特性（正如以下对封闭生物反应器系统的描述）。所述系统的封闭特性同样可以实现有害物质（即腐蚀、易燃、生物有害等）的过滤应用，如果适当的过滤器和所有其它部件是由与所述过程兼容的材料制成的话。这可能包括使用由金属、陶瓷或其它材料制成的过滤器。相似地，所述系统的隔膜或其它部件也可以由任意数量的与所述过程的要求兼容的材料制成。如已经描述过的，所有部件可以以这样一种完全封闭所述过程的方式连接。

封闭生物反应器系统和方法

所述封闭生物反应器系统，在一个优选方面，包括如下：

1）中空纤维过滤器元件（优选为圆柱形中空纤维过滤器滤筒），所述过滤器元件包括入口端和出口端，所述过滤器元件进一步包括多个（多于一个）过滤渗余液腔室，每个过滤渗余液腔室是一个两端开口的中空纤维，所述纤维被配置成平行于所述过滤器元件的中心轴线（所述中心轴线从所述过滤器元件的一端延伸穿过所述圆筒的中心去往另一端），其中所述纤维的每个在都所述过滤器元件的入口端具有入口并且在所述过滤器元件的出口端具有出口，并且其中每根纤维包括半渗透的外壁，所述过滤器元件进一步包括滤液腔室，所述滤液腔室封闭所述纤维但却不堵塞纤维的开口端，从而所述纤维的半渗透外壁也成为滤液腔室的一部分；

2）滤液收获管道（优选为硬质的），所述管道经由所述过滤器元件入口端伸入所述过滤器元件及其滤液腔室，优选地，所述管道沿所述过滤器元件的中心轴线配置；

3）交变流隔膜泵，所述泵连接至所述过滤器元件的出口端，以允许来自所述泵的流体进入所述过滤渗余液腔室，所述泵包括泵壳、两个腔室以及分隔所述腔室的隔膜；

4）处理腔室，所述处理腔室封闭所述滤筒，所述腔室包括基底、外壁（优选为圆柱形）、基底和顶板，其中所述基底以密封的方式附着于所述外壁和泵壳，并且其中所述顶板被所述收获管道穿透，以便流体可以从所述滤液腔室流到所述贮存器腔室的外部；

5）一个或多个处理腔室收获管线和一个或多个处理腔室附加管线，所述收获管线和附加管线穿透所述处理腔室的顶板、外壁或基底，以便流体可以从所述处理腔室被收获或移出，或者可以被加入到所述处理腔室；

6）位于所述处理腔室的顶板（优选的）、外壁或基底中的端口，氧气可以通过该端口送入所述处理腔室，所述端口包括无菌过滤器以防止所述处理腔室被微生物污染；和

7）位于所述处理腔室的顶板（优选的）、外壁或基底中的端口，传感器可以通过该端口插入所述处理腔室。

优选地，所述封闭的生物反应器系统的前述优选方面包括管状流体连接器，所述管状流体连接器位于所述处理腔室内部并且，优选但不仅限于，绕所述过滤器元件配置，以便所述连接器不与所述过滤器元件直接接触，所述连接器包括密封的出口端或密封端，和入口端，所述密封端被配置在所述处理腔室的顶板与所述过滤器元件的入口端之间，所述收获管道穿透所述密封端，所述密封端用于使流出所述过滤器元件入口的流体偏转，以便该流体流过将所述流体连接器和过滤器元件分离的分离空间，所述流体连接器包括开口端，所述偏转的流体穿过所述开口端可以进入所述处理腔室；

优选地，所述封闭的生物反应器系统在其基底中包括多个分布器孔，这些孔用作部分端口，氧气穿过所述孔送入所述处理腔室。

同样优选地，所述封闭的生物反应器系统包括位于所述贮存器腔室的外壁、顶板或基底中的附加端口，以使流体（或包含悬浮细胞的流体）可以被加入所述处理腔室。

同样优选地，所述封闭生物反应器系统包括搅拌装置；通过位于所述贮存器腔室内部并且包围所述流体连接器管道的全部或一部分且端部开口的引流管（两端开口；优选圆柱形）例示，所述引流管不与所述流体连接器直接接触，所述引流管通过连接至所述贮存器腔室的外壁的支撑架固定。

所述泵的出口优选地受到过滤器的保护，所述过滤器防止微生物进入所述泵。

在一种特殊实施方案中，所述流体连接器管道的密封端被改造，以使它包括提升阀，所述提升阀允许流体在一个方向上移动，直接从所述处理腔室进入所述阀与所述过滤器元件的入口端之间的空间。然而，所述提升阀不允许流体在相反的方向上流动，使流出所述过滤器元件入口的流体偏转，以使该流体流过分离所述管道与过滤器元件的空间，将从所述过滤器元件的入口端流出的流体引导至所述处理腔室。

一种封闭的生物反应器在总体方面包括如下：

1）过滤器元件，所述过滤器元件包括位于入口端的入口和出口端的出口，所述过滤器元件进一步包括多个过滤渗余液腔室（比如多个中空纤维），其中所述过滤渗余液腔室的每个都包括在所述过滤器元件的入口端的入口和在所述过滤器元件的出口端的出口，所述过滤渗余液腔室的每个进一步包括外壁，每个所述外壁包括半渗透部分，所述过滤器元件进一步包括滤液腔室，所述滤液腔室封闭所述过滤渗余液腔室外壁的半渗透部分但却不堵塞所述过滤渗余液腔室的出口或入口，从而所述过滤渗余液腔室的外壁的半渗透部分也成为滤液腔室壁的一部分；

2）滤液收获管道，所述管道伸入所述过滤器元件及滤液腔室，以允许流体离开所述滤液腔室；

3）交变流泵，所述泵连接至所述过滤器元件的出口端，以允许来自所述泵的流体进入所述过滤渗余液腔室，所述泵包括泵壳、两个腔室以及分隔所述腔室的隔膜；

4）处理腔室，所述处理腔室封闭所述过滤器元件，所述腔室包括外壁，其中所述外壁以密封的方式附着于所述泵壳，其中所述外壁被所述收获管道穿透，以使流体可以从所述滤液腔室流到所述贮存器腔室的外部；

5）处理腔室收获管线和附加管线，所述收获管线和附加管线穿透所述贮存器腔室的外壁，以使流体可以从所述处理腔室分别被收获或移出，或者可以被加入到所述处理腔室；

6）位于所述贮存器腔室的壁中的端口，氧气可以通过该端口送入所述贮存器腔室，所述端口包括无菌过滤器以防止所述贮存器腔室被微生物污染；和

7）位于所述处理腔室的顶板（优选的）、外壁或基底中的端口，传感器可以通过该端口插入所述处理腔室。

优选地，对所述系统的总体方面进行改造，以使它进一步包括管状流体连接器，所述管状流体连接器位于所述处理腔室内部并且优选绕所述过滤器元件配置，以便所述连接器不与所述过滤器元件直接连接，所述连接器包括密封端和入口端，所述密封端被配置在所述处理腔室的壁与所述过滤器元件的入口之间，所述收获管道穿透所述流体连接器，所述密封端用于使流出所述过滤器元件入口的流体偏转，以便该流体优选地流过将所述流体连接器和过滤器元件分离的空间，所述流体连接器包括开口端，所述偏转的流体穿过所述开口端可以进入所述贮存器腔室。

优选地，对所述系统的总体方面进行改造，以包括位于其壁中的单个或多个孔，氧气穿过所述孔送入所述处理腔室。

同样优选地，对所述系统的总体方面进行改造，以包括位于所述处理腔室的壁中的附加端口，以便流体（或包含悬浮细胞的流体）可以被加入所述贮存器腔室。

同样优选地，对所述系统的总体方面进行改造，以包括搅拌装置；通过位于所述处理腔室内部并且包围所述流体连接器管道的全部或一部分且端部开口的引流管（两端开口）例示，所述引流管不与所述流体连接器直接接触。

在所述封闭的生物反应器发明的优选方面或总体方面中，从所述泵延伸至外部控制器的管线优选地包括防止微生物进入所述泵的无菌过滤器。此外，在该优选方面或总体方面中，所述流体连接器管道的密封端被改造，以使它包括提升阀，所述提升阀允许流体在一个方向上移动，直接从所述处理腔室进入所述阀与所述过滤器元件的入口端之间的空间。然而，所述提升阀不允许流体在相反的方向上流动，使流出所述过滤器元件入口的流体偏转，以使该流体流过分离所述管道与过滤器元件的空间。

在所述封闭生物反应器发明的优选方面或总体方面中，在一个优选实施方案中，所述系统进一步包括沿所述过滤器元件的中心轴线设置的硬质收获管道，所述管道从所述滤液腔室的内部延伸穿过所述生物反应器的顶部到达所述生物反应器的外部。

在所述封闭的生物反应器系统中，所述处理腔室可以被用作生物反应器。作为生物反应器，它可以被用于培养各种细胞类型。所述过滤器元件（滤液腔室加渗余液腔室）将起到细胞分离设备的作用，用于移除消耗后的培养基和用新鲜培养基替换消耗后的培养基。所述封闭的生物反应器系统可以被用作一次性灌流生物反应器。这样一种系统可以极大地简化连续培养的过程。它可以消除在建立带有生物反应器的细胞分离系统时会涉及的常常复杂的设置。它可以减少用于维持连续培养中的细胞株（cell line）（如在研究、开发或生产中所需要的）所花费的精力。

期望本发明的封闭反应器系统是可灭菌的并且灭菌之后，它可以被充分密封地保存以防止随后其内部被外部微生物污染，否则这些微生物就将在其灭菌之后进入所述系统的内部。同样期望这些系统是这样一种使得所述系统成为一次性的构造并且由使得所述系统成为一次性的材料制成。

所述封闭的生物反应器系统方法，在总体方面，包括使流体在处理腔室与多个封闭在所述处理腔室内的过滤渗余液腔室之间向后及向前循环，其中流体经由连接至所述过滤渗余液腔室的泵在交变的方向上驱动，其中流体穿过所述过滤渗余液腔室的运动导致流体在所述过滤渗余液腔室与滤液腔室之间转移，所述滤液腔室通过半透膜与所述过滤渗余液腔室分隔，所述滤液腔室被所述处理腔室封闭。

通常，来自所述滤液腔室的物料在培养物的处理过程中将至少收获一次。

该过程优选地使用本文所描述的封闭的生物反应器系统实施。

图4a-4e显示在图1a-1h中所示的封闭的过滤系统的许多必要特征被保留。然而，在图4a-4e的情形中，所述处理腔室211可以被用作包含动物细胞或其它微生物的培养物的细胞培养生物反应器，其中这种内含物可以用作渗余液209。过滤器元件205像图1a-1h中那样呈现，处理腔室的尺寸、组成和构造可以根据需要改变。所述处理腔室211在这里起到与图1a所示处理容器2相同的作用。与图1a-1h中系统的另一个相似之处是：就像所述流体连接器3在所述反应器腔室11与处理容器2之间提供导管一样，流体连接器203在过滤器元件205与所述处理腔室211之间提供导管。所述流体连接器203引导流体从过滤器元件205的入口端242进入所述贮存器腔室211。所述流体连接器包括流体连接器入口和流体连接器出口。所述流体连接器203可以被进一步以这样一种方式配置，即引导排入腔室211的流体以使所述腔室内的混合最大化并且增加转移进入在所述腔室内部的培养物中的氧气，同时使剪切力最小。如图4a和4b中的一种形式所示，在过滤器元件205的壁219与流体连接器203之间，流体连接器203限定出允许流体流动的分离空间284。进一步，位于所述处理腔室211的基底243（和225）的泵204连接至所述过滤器元件205的出口端，与图1a中过滤器元件5如何连接至泵4相似。图1中泵、泵适配器、和泵壳、泵空气入口的部件6、7、8、23、27和29分别与图4a-4e中部件206、207、208、223、227和229相似。其它部件包括但不限于所述无菌过滤器222和管线（管道）221。另一个相似点在于设置在所述过滤器入口端242之上的流体连接器管道203的流体接收端。图1a-1h示出的系统与图4a-4e示出的系统之间的主要不同之处在于流体连接器管道203从入口端242处的延伸。其中在图1a中，所述流体连接器延伸至外部容器2，在图4a-4e中所述流体连接器203延伸进入内部容器，即贮存器腔室211。优选地，所述流体连接器向下朝所述过滤器元件205的基底243并关于所述过滤器元件205对称地（优选但不排除其他方式）延伸，并且止于所述处理腔室的基底225之上的处理腔室中。

因此，在所述泵204的压力循环期间，流体从泵室207流过起到过滤渗余液腔室的作用的中空纤维内腔（图4a、4b和4c，同样参见图1a-1h中的45、17）。所述流体然后经由位于这些渗余液腔室的入口端271处的入口270（图4d）在所述过滤器元件入口端242流出。所述流体然后被导入所述流体连接器203，随后通过开口230（见图4a）排入位于所述流体连接器另一端的处理腔室。图4a中，配置在所述过滤器元件入口端242与顶板216之间的流体连接器被密封。因此，来自所述过滤器元件入口的流体不能穿过所述流体连接器的该端部流出，而是被朝开口230偏转。

在所述隔膜泵的排气循环期间，流体流的方向反向，从处理腔室211穿过开口230流入所述流体连接器203，穿过入口端242流入所述中空纤维，经由它们位于它们的出口端273的出口272流出所述纤维，并且返回泵室207（所述纤维的出口和出口端的位置参见图1）。除了提供用于过滤过程的切向流之外，由于排入所述反应器腔室211的流体的速度，所述交变流也会在所述处理腔室211中形成混合。在图4a中，除了由泵204和处理腔室之间的可逆流产生的混合外，可能需要进一步的搅拌；图4a和4b中示出了这样的一种实例；示出的是存在位于所述处理腔室内的两端开口的管状引流管，以促进所述反应器腔室内的混合，所述引流管绕所述流体连接器203配置，但与所述流体连接器之间留有距离。所述引流管224包括敞开的引流管入口和敞开的引流管出口。空气或氧气穿过对称设置在所述引流管外周的开口231鼓泡进入所述处理腔室，提供了流体上升能，产生绕所述引流管的两端的循环流；本领域可以充分理解该过程，并且该过程在后文中被进一步描述。

在图1a中，所述屏障19优选为选择性屏障，以调节所述滤液腔室10与反应器腔室11之间的交换。然而，在图4a的系统中，尽管可以使用选择性屏障219，但屏障219通常会是非渗透性屏障，以防止相邻的腔室210和211之间的混合。

尽管可以理解的是，可以以多种方式接入所述滤液腔室210或通过多种手段从所述系统移除滤液腔室210中的过滤物料，图4a、4d和4e示出了一种实例：滤液收获管线213连接至优选地硬质滤液收获管道214，所述管线和管道提供了从所述滤液腔室210中移除滤液（例如无细胞的滤液）的途径。从所述培养物中移除的培养基作为滤液被新鲜培养基，例如经由连接至可用端口（也被称为“导管”）之一的附加管线281，替换，该可用端口连接至所述处理腔室。收获泵249控制滤液的移除速率。处理收获管线244从所述系统外部延伸进入处理腔室211。管线244可选地可以连接至下述类型的歧管或其它管线。

连接至收获管线244的泵可以用于“抽取”所述培养物，这是用于控制细胞浓度的常用过程。使用常规的抽运系统、程序和控制，可以手动地或自动地对添加到所述系统的流体，或者从所述系统移除的流体进行控制。多个端口和导管可以被插入所述处理腔室的壁或顶板中，或者可以是连接至管线比如244的歧管的一部分（图5中的端口245、246和247）。其它可用于介质、悬浮物、基质、气体或其它添加物的添加。其它端口可以用作通风孔238或用于取样234（图4a；同样图5a中的歧管）。将所述收获管道214设置在所述滤液腔室210的中心，即沿所述过滤器元件205的中心轴线设置（图4a、4d和4e）是有益的。在所述封闭的生物反应器系统中，通过使所述收获管道需要穿透的壁的数量最小化，这种布置使整个系统的结构和组装容易。它同样消除了细胞可能附着并积聚在其上的障碍物，或使细胞可能附着并积聚的障碍物最小化，例如通过垂直于所述流体连接器203和处理腔室211中流道的收获管道的布置可以现实。滤液收获管道214，尤其为硬质时，也可以用作流体连接器203的附着位置，所述管道在该位置穿透所述流体连接器。所述滤液收集管道还可以服务于用于控制穿过所述流体连接器或系统的其它部分的流动的流动控制设备的布置，如将被展示的。

必需维持细胞的高浓度和高活性的系统（比如在图4a-4e中）也必需为培养物提供其基本需要，由于熟悉细胞培养或类似应用的技术人员了解这些基本需要时什么，因此只给出了较少的实例：

氧气-充足的氧气水平是在高细胞浓度下维持培养物所需的关键要素。图4a、4b和4c示出了一种加氧系统的实例，所示的是喷嘴环230通过孔231将气体排入处理腔室211中。所述喷嘴环可以对称设置在所述贮存器腔室211的基底225或泵法兰226内。通道232，可以从所述孔有效延伸至所述处理腔室的外壁215，供应穿过通道232的气体，所述通道232横穿所述处理腔室壁215并且在其入口处包括过滤器233，以对流入气体进行灭菌。这种圆形管状喷嘴环230和喷嘴孔231在所述泵法兰226的生产过程中可以预成型在泵法兰226中。

可以看出，所述孔231配置在所述处理腔室靠近所述隔膜泵的一端。

喷嘴孔231可以沿所述基底225布置，以使氧气传输最大化，减小剪切力并增大搅拌。喷嘴孔231或空气入口组件的其它部分可以配备单向止回阀，以保证仅在一个方向上流动，防止反向流入所述喷嘴环230。另一种将氧气输入培养物的方法（未示出）可以包括在所述引流管支撑架252中形成通道，用于将气体输入所述引流管224自身中。这种引流管其自身可能以这样一种方式配置，即，使得进入所述引流管的氧气可以经由喷洒机构或扩散机构以本领域技术人员熟知的方式输入所述培养物中。

搅拌-培养物的混合，也是悬浮培养的关键方面，它可以通过数个已知的机构实现；图4a-4b中示出了一个实例，其中引流管224以所述过滤器元件205为中心并围绕所述过滤器元件205设置。在与所述喷嘴孔231的组合中，由上升的气泡产生的上升流在所述引流管中形成流体流浮升力。流体上升流可以由所述引流管224外部的气泡产生，并且在下降流中流体穿过位于所述引流管的底部与所述反应器底部225之间的引流管出口229的中心返回，以恢复循环流。注意，隔膜泵法兰226和反应器基底225可以被成型为使形成的细胞积聚的死区最小化，并且促进所述培养物的循环流。当所述贮存器中存在液体时，所述引流管的顶端保持在液位237之下。这种“空气-提升”的搅拌方法是很容易理解的过程并且可以被熟知该过程的技术人员改变。所述引流管的连接和布置可以以多种方式完成。如图4a所示，它可以通过引流管支撑架252固定到所述反应器壁215，或者通过其它附着件固定到顶板216或基底225。位于所述反应器顶部的通气管238将为添加的气体或一般气流提供通气孔。

另一种可能的搅拌形式包括利用由所述隔膜泵形成的交变流。如图4d和4e所示，可以将单向止回阀组件225整合到所述流体连接器203中，所述单向止回阀可以引导穿过所述流体连接器的流动，并且在所述处理腔室211中引导流动方向。如图4a和4d所示：在泵204的排气循环期间，总体流动是从所述处理腔室211到泵室207。如前所述，至少部分流动被引导穿过提升阀开口246并且部分流动将继续穿过开口230行进。通过在所述流体连接器内产生的相对于所述反应器腔室的负压，以及通过来自所述处理腔室211的流体在其去往泵室207的过程中流过端口246进入所述过滤器元件205的流动所产生的合力将使可以是弹性材质的提升阀228（见图4d和4e）受力离开开口246（见图4a）。另一方面，在泵的压力循环期间，当流动方向反向时，来自泵室207的流动流入所述过滤器元件205，出现在所述入口端242并且迫使提升阀228抵靠开口246，有效地阻挡流体进一步流过这些开口；从而，流动仅可以继续行进穿过所述流体连接器203，从开口230出现（见图4a）。该过程使所述处理腔室211内出现循环流动以促进混合。所述阀225的定位或其构造可以根据需要改变。其它常规的搅拌形式可以被用于促进所述处理腔室内的混合。

所述系统的温度控制可以以不同的方式完成，包括使用热包层、水或空气夹套、加热元件等。

所描述的封闭的生物反应器系统可以为不同的用途定制并且实现最优的结果。

所述封闭的生物反应器系统的另一个实施例如图4f所示。图4f中的实施例示出了一种封闭的生物反应器系统，其中所述处理腔室211位于袋子215内部，并且所述袋子215也用作整个系统的外壳，类似图4a中的系统。然而，所述过滤器元件205的布置在本实施例中是水平的。同样，在图4中出现的引流管224和空气喷射孔231在这里没有出现，而是对培养物提供了其他形式的搅拌和氧气输送。所述泵204连接至所述过滤器元件的一端，即所述出口端243；在其另一端或入口端242，所述过滤器元件连接至流体连接器203，或者所述入口端可以直接排入所述袋子中。如前所述，由所述隔膜泵产生的流体流在泵室207与处理腔室211之间可逆地流过所述过滤器元件205。过滤出的收获物可以从滤液腔室210利用端口212和收获管线213以及泵204收集；对系统进行进一步的添加或减少可以通过其它管线246、247（或者如果需要，其它管线）完成。此外，在图4f中，部件54、206、208和219与图4a、4b、4d和4e中部件54、206、208和219基本相同或功能相同。显然，在图4f中存在其它部件（尽管没有标记），这些部件具有与图4a、4b、4d和4e相同的意义。

相应地，图4f中的流体过滤系统可以被认为是图4a中的流体过滤系统的简化版。图4f中缺少环绕所述过滤器元件205的连接器管道203、圆柱形引流管224、喷嘴环230和用于氧气鼓泡进入的孔231。

提供这些实施例是为了展示所述系统的一些、但不是所有的，可能配置。可以想象一种泵位于上部位置而过滤器元件位于所述泵之下的系统。从所述隔膜泵排出的流体流入过滤器元件的顶部并在过滤器的下端排入所述反应器腔室。这种实施方案在图4g中被例示。注意，在图4g中，端口250和管线244的端口仅在顶板216之下可见。这些端口在顶板216之上延伸，但是因为包括有部分泵法兰的圆柱形部件226出于绘图的目的遮盖了这些端口，这些端口在顶板216之上的位置在图4g中并不可见。

可以进一步想象一种隔膜泵没有直接连接至而是通过导管连接至所述过滤器元件的系统。其它实施例也是可能的。

取样歧管和方法：

该歧管发明在总体方面包括：

（1）通道（比如管道的内部通道），所述通道包括第一端和第二端；

（2）连接至所述通道和管道的第一端的交变流隔膜泵，和

（3）设置在通道之上且位于通道的两端之间的多个（多于一个）探测器端口；其中通道的第二端口可以连接至流体源（比如容器或反应器腔室）。

为了取样或监测通道内流体的目的，端口提供了可以插入探测器或传感器的位置。端口还提供了可以对通道中的内含物进行添加或减少的位置。当被用于取样时，每个探测器端口连接至探测器设备。每个探测器设备会是测量通道内流体的物理或化学性质的设备。所述测量包括但不限于对压力、pH、或流体中存在的颗粒物质的浓度的测量。

所述歧管发明可以进一步包括位于其通道内的过滤器元件和配置在所述过滤器元件与一个或多个端口之间的滤液腔室。例如，所述过滤器元件会是中空纤维过滤器滤筒。所述过滤器滤筒的外壁优选为全渗透的，以便通过所述中空纤维的半渗透膜壁对较小物质的尺寸选择步骤进行控制。

本发明的歧管取样方法包括：

（1）使得来自容器（或腔室或区室）的流体进入歧管通道；

（2）然后使得所述流体大部分或全部流出所述通道，以便返回所述容器，其中通过交变流隔膜泵控制所述流体的移动；和

（3）当所述流体位于所述通道中时，测量所述流体的性质，通过连接至所述通道的探测器设备完成所述测量，所述探测器设备能够测量所述流体的物理或化学性质。

该方法优选地利用上述的歧管系统实现。

在如本文所描述的交变切向流过程中，所述滤液腔室与渗余液区室（或腔室）之间的快速流体平衡可以促进这种测量，以便可以在相同的样品流中对渗余液和滤液进行取样。

图5a和5b例示了取样歧管259、260的两种实施方式。从所述歧管到处理容器的连接244使易于从所述生物反应器分离歧管，或从其与生物反应器的连接分离歧管；并且使易于以无菌形式进行该过程。通过使用可移除的取样歧管，增强了所述生物反应器系统（例如图4a和4f）的可一次性利用的性质，例如，所述取样歧管可以经由图4a中管线244可逆地连接至生物反应器，虽然可以直接将探测器插入处理腔室211（图4a），但这样做并不方便。独立的探测器可能很贵；并且如果用于所述生物反应器会极大地增加所述系统的成本。探测器直接插入预消毒过的生物反应器存在污染的风险；这种探测器可能在运行中失效或漂移出校准值，致使其无用并因此危害所述培养物。探测器可能很大，不容易如可能需要的那样被小培养系统容纳。因此，包含诸如本歧管发明的设备将是有益的，能够实现单个无菌连接，对所述培养物频繁取样并通过分析样品以监测所述培养物的状态。这种取样将必须足够快速以检测培养物中的快速变化。在图5a和5b中示出的歧管259和260能够保有多个且不同的探测器比如261、263、264和265。来自探测器的输出例如可以经由管线262连接至控制器设备或能够监测这种输出并提供数据输出和对培养物参数（比如pH、DO、CO₂及其它）的控制能力（未示出）。

歧管259和260都分别包括通道（比如管道）266和279，所述通道在一端（第一端）连接至泵274并且在另一端（第二端）可通过管线244连接至例如生物反应器、生物反应器系统或过滤系统，以便允许流体在所述歧管与生物反应器之间流动。通道266和279连接至隔膜泵274。这种泵类似于隔膜泵4和204，并且具有两个由隔膜276分隔开的腔室277和278。如前对泵7和207所描述的，所述泵274能够通过泵室277和处理腔室211接收并排出流体（见图4a）。在容器与泵之间穿过管线244和探测器歧管的流体循环的频率可以通过控制隔膜泵274的循环频率控制。这提供了一种方便的控制所述培养物取样速率的方法。探测器261、263、264和265可以被固定在所述歧管260中，其传感端暴露在所述歧管通道266或279中。所述歧管通道266或279中的流体进而可以被探测或监测。在所述歧管内的探测器必须以防止外部源对歧管内流体的污染、并限制歧管内的流体以免溢出的方式布置。尽管不是最优选的，但使用连续泵（比如蠕动泵）通过一个导管移除培养介质，引导样品穿过歧管260用于分析，然后通过另一个导管将样品返回所述培养物容器，并不超出本发明构思的保护范围。

对于所描述的取样歧管260，存在其它实质性的好处。以下是一些例子：

1、所述取样歧管也可以包含多个端口，比如267，用于例如经由管线234、245或247，和例如泵248，对生物反应器中的培养物进行添加和减少。从而可以极大地较少需要添加至所述封闭的反应器系统的端口的数量，使该系统的结构简便并简化其使用。

2、位于取样歧管260与封闭的反应器系统（比如图4a中所示的201）之间的单个连接管线244，允许所述取样歧管与使用常规的管焊机或相似的无菌连接器的容器之间快速附着或拆离。如果探测器失效或需要校准，一个取样歧管可以快速地被另一个替换，极大地降低培养物的风险。

3、这种取样歧管可以与生物反应器（比如图4a中所示的201）分别制备和灭菌，极大地增加了它们的使用和灭菌的便利性。

4、所述取样歧管易与一次性袋子一起使用。一次性袋子的一个局限是难以在所述袋子中设置多个探测器以及难以对袋子中的培养物条件进行监测和控制。使用如所描述的探测器歧管可以减轻该障碍。

5、所描述的歧管可以以如图5a所示的方式改造，包括位于通道266中过滤器元件285（比如中空纤维过滤器滤筒）。当使用过滤器元件285时，优选地使用包围所述过滤器元件并且与端口263、264和267流体连接的歧管滤液腔室（或区室）286。虽然过滤器元件285在图5a中的位置是个具体位置，然而所述过滤器元件和滤液腔室286可以类似地布置在腔室266中的别处。培养介质将在含有培养物的腔室211与泵室277之间可逆地流动。

6、从生物反应器移除培养物样品的能力提供给了用户额外的诊断功能，当探测器被固定在生物反应器内时，这种功能不是很容易就可实现的；例如，样品的流动，从生物反应器流到泵，可能停留一段时间，在该时间内可以监测氧气的衰减速率，反映培养物的情况；相似地，可以反复地监测其它培养物参数（比如葡萄糖、CO₂、pH和其它）的变化速率，而不会干扰培养物。无需从生物反应器中反复地移除样品，因此减小了样品污染和变化的风险。

7、通过过滤器元件285形成过滤流的能力能够将该过滤流通过滤液管线247引入第二分析设备（比如HPLC）或一些其它分析仪器。

所述过滤器元件285通过两个O形环258固定在通道266中。然而，所述过滤器也可以使用粘合剂或机械地设置并密封在通道266内。

在所述过滤器与通道266的壁之间形成的歧管滤液腔室286可以被暴露于通道266中的探测器探测。优选地，所述过滤器元件285具有全渗透外壁。腔室211与277之间的交变流促进了歧管260中所述渗余液腔室与滤液腔室之间的流体通量（所述歧管的渗余液腔室是，例如，所述过滤器元件285的中空纤维的内部空间加上通道266未被过滤器元件占据的部分）。

穿过位于所述生物反应器与泵274之间的歧管的交变流使所述探测器歧管能够准确反映培养物的情况。也可以将上述构思延伸至包括系统的渗余液腔室、滤液腔室或处理腔室中，以及如果期望的话在平行流中的培养物情况的监测。通过使碎片在探测器上的积聚最小化，监测过滤流（不含细胞碎片）中培养物的情况可以延长探测器的寿命；所述过滤流也可以被引导致其他需要过滤样品的分析仪器。这给用户提供了在持续的基础上监测细胞生长和培养物活性的能力。这种设备在图5a和5b中被例示。

双泵系统

双泵发明

另一个发明是双泵系统，所述系统包括：

1）第一泵，所述第一泵为两腔室隔膜泵，所述第一泵包括第一腔室，所述第一腔室为可连结至流体源的泵贮存器腔室，所述第一泵进一步包括第二腔室，所述第二腔室为可连结至导管的界面腔室，所述第一和第二腔室被可弹性变形的隔膜分隔开；

2）连接至所述第一泵的界面腔室的导管；和

3）第二泵，所述第二泵包括连接至所述导管的界面腔室，所述第二泵界面腔室包括可移动元件，所述可移动元件选自由弹性可变形隔膜或非弹性活塞式可移动壁构成的组，所述第二泵可连结至压力控制机构。

在一种实施方案中，所述压力控制机构仅连接至第二泵（不连接至第一泵）。在另一种实施方案中，所述压力控制机构连接至第一泵和第二泵，例如通过使用蠕动泵。

流体源的实施例包括但不限于生物反应器腔室，例如，如上所述的封闭的流体过滤系统或封闭的生物反应器的渗余液腔室。

在一种实施方案中，所述第二泵也是交变流隔膜泵，这样该泵包括弹性可变形隔膜。在另一种实施方案中，所述第二泵为机械泵，这样该泵包括可移动壁，通过十分成熟的方法实现所述可移动壁的可逆移动和泵吸作用。许多可行的机械泵的一个实施例是这样的，其中所述可移动壁是活塞（活塞壁），所述活塞是由连接至马达或步进马达的凸轮机构驱动的活塞泵的一部分。容易理解的是，所述可逆的活塞运动由凸轮行程决定。在可行的机械泵的另一个实施例中，所述可移动壁包括直接或间接连接至螺杆或螺纹驱动轴的连接，所述驱动轴转而连接至马达或步进马达。所述驱动轴的旋转，以螺旋状方式，使得壁移动。轴旋转的方向（以及因此壁移动的方向），与所述壁行进的距离，可以通过机电旋转装置的旋转方向与持续时间，和/或通过螺旋轴的构造进行控制。以上两个实施例的活塞运动的速率可以通过马达旋转的速率，通过螺旋间距和螺距方向进行控制；容易理解地是，所述第二泵的腔室和壁必需是密封且防漏的，以便将其所有能量传送给所述第一泵。

优选地，所述第一泵的界面腔室大于所述双泵系统中的泵的任意其它腔室，从而将隔膜的行程限制在第一隔膜泵中。

优选地，所述第一泵的界面腔室、所述第二泵的界面腔室，和连接两者的导管，优选地充满不可压缩介质，优选液体。

可选地，所述双泵系统进一步包括在一个或多个腔室中的传感器，特别是在第二隔膜泵的界面腔室中，用于泵行动的额外控制。同样，可选地，通过能够在多泵系统中控制泵的行动的空气、液体或机械连接，一个或多个附加泵被连接至所述双泵系统的两个泵。

所述双泵泵吸方法包括，使第一和第二泵循环经历一个或多个泵循环，这些泵通过各自的界面腔室彼此连接，所述第一泵是两腔室隔膜泵，除了其界面腔室外，还包括连接至外部流体源的泵贮存器腔室，其中所述第二泵的界面腔室暴露于源自外部压力源（压力控制机构）的压力下，所述外部压力源的压力交替地小于或大于所述外部流体源的压力。

使用由空气压力驱动（例如在图1a和4a中）的单泵系统（例如不是双泵系统），已被证明非常有效，尤其在大尺寸上。然而，它也具有若干对其可靠性和泵精度起负面作用的特性。这些不足源于空气所固有的可压缩性。例如，参见图1a和1b，在压缩循环中，气体（通常是空气）流入泵的第一腔室8，在其中增压并压缩所述气体。在所述泵的空气第一腔室8与其第二腔室7之间所具有的弹性隔膜6，将腔室中的内含物分隔开，并在第一腔室8增压、同时从第二腔室7朝处理容器2驱动流体的期间，允许第一腔室8的膨胀。产生的流速是第一腔室8与处理腔室2之间压差ΔΡ的函数。为了说明的目的，假设容器2中的压力保持恒定，在腔室8中以特定速率驱动隔膜6所需的压力被称为“驱动压力”；从而，随着ΔΡ增大，并且导致驱动压力、及相应的流速增大，控制隔膜位置也变得更为困难。使用的空气压力的轻微变化，传感器、调节器、阀门或控制器电子器件的响应的固有延迟，可能影响在压力循环结束时所述隔膜的最终位置。

在排气循环期间也存在相似的难点。由于泵第一内部腔室8中的气体压力相对于处理容器2减小，流动方向从容器2反向朝向所述隔膜泵4。流动速率取决于容器2与隔膜泵4之间被称为“负驱动压力”的ΔΡ。

然而，由于气体的可压缩性，在压力循环或排气循环期间分别产生相似的+ΔΡ或-ΔΡ，不会在两个方向上形成相同的流动。为了确定流入和流出腔室8的流速，可以使用下述等式：

流速=腔室8的置换容积/置换时间，

显然，通过使流入和流出腔室8的流速保持相同，压力循环和排气循环各自的持续时间将不相同；相对于容器2对腔室8进行加压，压缩了该腔室中的气体；从而，增大腔室中的气量；相反，转换到排气循环，减小腔室8中的压力；实际上需要更长的时间从腔室8中清除气量。在加压或排气期间建立恒定的循环周期的努力可以实现，但是是在不同的气流速率这种不良效果下实现的。

使用气体驱动单泵交变切向流系统的另一个效果在循环转换期间被观察到。转换到压力循环，第一内部腔室8中的压力需要从完全排气驱动压力转换到压力驱动压力；相似地，转换到排气循环，腔室8中的压力需要从完全压力驱动压力转换到负驱动压力；在交变流循环期间压力的这种剧烈变化导致在循环转换期间的短暂延迟，并且被称为“软转换”。这种延迟在较高流速时变得严重，而流体流动动量对转换的扰乱越来越明显。存在可以极大地使循环流动控制精度复杂化的因素。虽然软转换在许多应用中有益，但在许多其它应用中可能无益。众所周知，例如在所述软转换期间，切向流的任何减少（技术上回到效率较低的“死端过滤”），可能减小过滤器的寿命或减弱其过滤能力。

更期待的是不间断或未延迟的循环转换，特别是在交变切向流必须更一致的地方；这种未延迟的循环转换被称为“硬转换”。

使用一个隔膜泵另外还潜在的问题是使用单个隔膜将所述泵分隔成空气驱动腔室和液体腔室所固有的问题。一旦所述隔膜破裂，加压的气体将不受限制地流入处理容器，可能导致危险状态。液体也可能朝所述控制器流动，可能污染所述过程并毁坏所述控制器。

利用多种控制策略的传感器、气动装置、工艺改造或其它可能的方案，有可能弥补所述空气驱动单泵系统的一些不足。然而，如果在交变流循环期间可以对隔膜循环或流速进行更精确或可靠地控制，将是更值得期待的。同样优选地是如果隔膜破裂，封闭反应器系统的完整性会保持完好无损并且未受污染。在一些情形中，特别是在这些压缩空气或真空供给设施受限或不可用的情形中，如果泵吸能的输入源（除了压缩空气或真空）被用于驱动泵将是高度期待的。图3a、3b、3c和3e提供了上述不采用所描述的直接空气驱动的单泵系统的方法的实例。

图3a示出了包括双泵系统的封闭过滤系统101，所述双泵系统是对仅使用所述隔膜泵104所做出的改进。

然而，可以看出，如图1a-1h所描述的封闭过滤系统1的许多部件出现在了图3a所示的系统101中。例如，图1a中的部件3、4、5、6、7、8、9、11、12、13和14也分别作为部件103、104、105、106、107、108、109、111、112、113和114出现。进一步的例子是，图1a中的部件15、16、19、24、25、29、40、41、42和43分别作为部件115(虽然足够长以包括第二泵144)、116(尽管由于剖面视图，它需要剖交叉影线)、119、124、125、129、140、141、142和143出现。图1a和图3a所共有的所有前述部件也出现在图3b中。

然而，在图3a中，包含了第二泵144，以形成双泵系统，所述两个泵通过导管135串联。导管135可以是短的，以使图3a中的两个泵之间的连接的长度最小化；这使得整个封闭反应器系统能够与两个泵结合，以结合到一个模块中。导管135可以是长的，使得两个泵能够如图3b中分离。导管的任一选择使得对于驱动所述泵的方法的选择有较大的弹性，包括但不限于使用空气、马达驱动或其它机械装置。

在图3a和3b中，所述双泵系统的实施例示出了使用与第一泵104相同的第二泵144，即所述第二泵也是两腔室隔膜泵。就像第一泵104，第二泵144包括由隔膜136分隔开的两个腔室137和138。第一泵104中的腔室107（在本文中也称为“泵贮存器腔室”）保持与前述相同。所述腔室107继续作为用于接收或排出流进或流出容器（例如参见图1a中的容器102）的渗余液的贮存器；然而，与前述的空气驱动系统不同，在第一泵104中的腔室108（在文中也称为“第一泵的界面腔室”）通过导管135与第二泵144的腔室137（在文中也称为“第二泵的界面腔室”）连接。此外，第一泵104的腔室108、第二泵的腔室137以及导管135优选地填充有不可压缩介质，优选液体（当使用该实施例时，139指的是液体的位置）。通过利用空气流进或流出腔室138，或通过改变腔室137的体积（通过如所描述的一些其它机制），第二泵144的第二腔室138可以驱动交变泵104循环。可选地，所述泵144的第二腔室138可以经由无菌过滤器122和管线121连接至可以对第二腔室的内含物施加正压或负压的空气压力控制机构或设备,154。在使用气体的情形中，将气体加入腔室138会驱动隔膜136并使得该腔室膨胀。这转而将驱动腔室137中的液体向外穿过导管135进入腔室108，使该腔室膨胀。与之前所描述的那样，腔室108的膨胀将朝容器102的方向驱动腔室107中的渗余液，条件是腔室108中的压力高于容器102中的压力。反之，使腔室138排气并减小其相对于容器102的压力，将使得不可压缩的液体从第一泵腔室108流入第二泵腔室137；渗余液转而从容器102流入第一泵腔室107。所述双泵系统的优点如下：

一个好处是在位置139处的不可压缩液体可以根据应用进行改变；例如，当用在细胞培养系统中时，在位置139处的不可压缩液体可以是PBS（磷酸盐缓冲液）或培养介质本身。为了进一步的保护，在位置139处的不可压缩液体可以与整个封闭反应器系统同时灭菌，或者在灭菌之后以无菌方式通过专用端口（未示出）加入。因此，一旦隔膜106破裂，在位置139处的不可压缩液体将流入渗余液通道109而不会伤害培养物。一旦隔膜106或136分别破裂，所述培养物将保持免受全部损失，并且可以在“安全”模式下继续直到完成运行，或允许破坏的封闭反应器系统与新的封闭反应器系统交换。

图3a中示出的双泵系统的另一个好处包括使用不同尺寸的腔室107和137；例如，腔室107的体积可以制备得比腔室108和137大。如果隔膜106进入腔室107的膨胀必须受限，例如以防止其延伸至腔室壁，它将变得很有用。腔室108和137较小的最大体积，在其中使用无弹性流体连接，将置换小于腔室107的最大体积的体积。由于体积差，腔室107将保持未充满的状态，在以前，如果腔室108过压（在高流速下普遍），控制隔膜106位置多少存在困难；该隔膜通常将受力延伸至腔室107的壁，从而对培养的细胞产生潜在地有害影响。在改进的系统中，具有较小腔室137的第二泵144将消除隔膜106的这种过分延伸。

所述双泵系统的一些其它好处包括在控制交变切向流中增加的灵活性。例如，在图3a中，两个泵之间的导管135是无弹性的，它提供了用“远程的”第二泵144控制第一泵104的方法。也可以将传感器146和147植入第二泵144，用于定位其中隔膜的位置。

该信息然后可以被用于第一泵104中隔膜的精确定位和控制。其中，在使用必需保持无菌的单泵时，传感器的使用或插入受到极大地限制。第二泵的使用消除了这种限制。定位设备或许多其它设备中的基于近距离、压力、接触和视觉的传感器可以被优选地植入第二泵，而不会影响第一泵或其中的培养物，并且是对过程的影响最小；由于两个泵被不可渗透的隔膜分隔开，这可以在系统灭菌之间或之后实现。此外，第二泵的使用开启了使用灵敏传感器或定位设备的可能性（如果不使用第二泵，所述灵敏传感器或定位设备会被灭菌过程毁坏）；在这种情形中，第一泵可以通过常规手段灭菌，而第二泵可以接收不稳定的（labile）、未灭菌的传感器。相比而言传感器在第二泵中的布置不是非常关键，因为如已经指出的，泵被不可渗透的屏障分隔开了。通过保持在位于两个泵之间的位置139处提供的液体连接，在该液体中包含可以中和潜在污染物的药剂也变为可能。所提出的系统在保持对泵的高度控制时将防止培养物免受污染。

所述双泵系统的另一个好处，如已经指出的，包括将所述封闭反应器系统结合到除压缩空气或真空的能量输出源。可以将第一泵104通过关于第二泵144的液体连接结合至第二隔膜泵144，其中由如图3b和3c所示的电动马达提供第二泵驱动系统。

图3b示出了经由电动泵（此处为蠕动）152连接至第一泵104的第二泵178。第二泵腔室176与第一泵腔室108之间的液体流由电动泵152（例如，可逆蠕动泵），经过连接至两个泵的界面腔室的导管171（例如管道）产生。在一个方向、“压力”循环中，蠕动泵152将液体从腔室176泵入腔室108。当腔室176中的液体已被泵出时，腔室176上的传感器179将产生用于改变泵吸方向的信号。同样，传感器180将产生排气循环结束的信号。蠕动泵可以被任意数量的泵吸机构所取代。在图3b中也出现了图3a中的数字，表明许多但非所有的部件为两图中的系统所共有。

图3b中的系统的其它部件是第一泵连接器管道170、第二泵连接器管道172、第二泵壳部件173和174、第二泵隔膜175、第二泵的第一腔室（界面腔室）176、第二泵的第二腔室177。

图3c和3d示出了图3a所示的双泵系统的一种变形。图3e和3f示出了图3a所示的双泵系统的另一种变形。图3c-3d中的第二泵以及其结构为本领域所熟知。

在图3c和3d中，所述第二泵644是活塞泵。在所述双泵系统的两个泵之间存在液体连接621（例如管道）。在图3c和3d中以两种不同配置（configuration）（分别在插入物的左边和右边）所示的凸轮机构，用638、630和634给其组件部分编号，连接至马达驱动轴630并且被用于经由凸角（lobe）634产生偏心行程，所述凸角634当连接至第二泵644的活塞636（也称为第二泵的活塞壁）时，可以被用于产生排气或压力行程。当凸轮638移动活塞636进入泵腔室637，使该腔室中的内含物朝第一泵104中的腔室108排出时，将产生压力循环。通过凸轮机构的连续旋转并从腔室637中退回活塞636产生排气循环；在该过程中，腔室637扩张接收流出腔室108的流体。腔室637的体积可以设为与腔室108的体积相等，从而设定第一泵104的位移行程；此外，然后流体流速可以通过控制电动泵的旋转速度而准确地控制。

图3e和3f示出了第二泵656的另一个实施例，所述第二泵656在此为活塞泵，由可逆螺杆传动（screw drive）658驱动。所述可逆螺杆传动连接至马达驱动轴652。然后由马达旋转速率、泵室654的尺寸和可逆螺杆658的螺纹间距和长度确定活塞653（也称为第二泵的活塞壁）在泵壳657内的线性移动。带螺纹的螺杆658可以直接或间接连接至活塞653；在第一种情形中，所述螺杆可以通过穿过活塞653中带螺纹的开口659连接至所述活塞，以便所述螺杆的旋转可以导致活塞移动；在第二种情形中，活塞被添加在所述螺杆658不带螺纹的部分，未示出。在轴的螺纹部分设有独立的螺纹连接（像第一种情形中的一样），并且就像第一中情形中的一样，所述轴的旋转造成螺纹连接移动。螺纹连接与活塞之间的结合把螺纹连接的运动传给活塞。间接连接简化了表面之间的密封，是更可取的。其中密封螺纹连接可能很复杂，而使用“O”形环、垫圈、机械偶联等，相对于圆轴、可逆螺杆658的一部分密封圆管状物体、活塞开口659，会更简单且可靠。同样，圆形活塞的外周直径可以相对于泵室壁657内部的圆形密封。可以理解，图3e和3f中的泵室654和图3c和3d中的腔室637必须被密封，以将它们的能量通过导管651传送到第一泵室108。消除渗漏以实现准确的液体位移控制，或者流入或流出腔室637和腔室108的流动控制。存在用于所述双泵系统的两个泵的液体导管651（例如管道）。

所述第二泵，例如泵144，只要它作为用于将液体可逆地泵入第一泵104的腔室108中的工具，不必假定一个具体形状或由具体材料组成。

注意，在图3c-3d和图3e-3f中，636和653分别是可移动活塞，中央的杂线（hash）代表“O”环或一些其它垫圈。腔室637和654类似于图1a中的腔室7。这些腔室中的液体将从这些腔室流入第一泵腔室8，以驱动第一泵中的隔膜。在图3e-3f中，658是可逆地驱动活塞653的可逆螺杆。

由于其本身性质，凸轮或可逆螺杆确定活塞的行程；只要马达转动，活塞向前或向后移动设定的距离。使用如图3a和3b中的空气驱动隔膜泵或可逆蠕动泵，控制器需要知道什么时候行程结束，因此，使用诸如传感器的设备，以通知控制器什么时候循环结束及其反向的时间。

图3c、3d、3e和/或3f中的也出现在图3a中的任何数字表示部件在它们所出现的系统中共有。所有未用数字标记的共有部件仍然可作为共有部件识别。

文中对泵的描述并不限制可与第一泵104串联或并联使用的泵的数目。例如，第三泵可以通过不可压缩连接用于驱动第二隔膜泵。第二隔膜泵然后可以连接至第一泵，同样通过不可压缩连接。第三泵可以是活塞泵或隔膜泵，并且通过电动马达或其它方式驱动；例如，如前所述，图3a中第二隔膜泵144的腔室138可以通过液体导管连接至第三泵的活塞或隔膜腔室。腔室138将根据第三泵的活塞或隔膜的循环而循环。如前所述，第二泵144进而可用于通过液体连接驱动第一泵104。这样一种系统的优点在于能够对第一隔膜泵和第二隔膜泵以及它们之间的液体连接进行充分灭菌，并且在第二泵与第三泵之间仍然保持无非无菌（non sterile）液体连接。以这种方式，一旦第一泵或第二泵的隔膜破裂仍可以保持无菌环境，并且在同时保持由电动泵提供的泵吸准确度和控制。这样一种系统可以提供透析应用、或者一些其它医疗或关键的非医疗应用中所要求的高水平可靠性。

改性剂模块(modifier module)发明

该发明是为在过滤和生物反应器系统中使用而设计的改性剂模块，以便调节所述系统中的一些（或不太普遍地，所有）成分。

所述改性剂模块（优选为圆柱形），在一个总体方面包括：

1）支架；和

2）被所述支架束缚的改性剂种群。

可选地，所述模块进一步包括半渗透膜，所述半渗透膜连同所述支架包围并封闭改性剂种群。

所述改性剂模块（优选为圆柱形），在另一个总体方面包括：

1）支架；和

2）半渗透膜，所述膜以允许所述膜与所述支架之间留有区室的方式部分或完全地包围所述支架；和

3）位于所述区室中的改性剂种群；其中所述半渗透膜对所述改性剂是不可渗透的，但对于小到足以穿过所述膜的分子是可渗透的；并且其中所述改性剂种群被保留在所述区室内（优选地抵靠所述支架堆放）。

改性剂的实施例为抗体或酶类。

束缚于所述支架的改性剂种群可以涂敷在所述支架的表面（例如当改性剂为树脂）。

改性剂种群可以是珠子的一部分或者附着到珠子（bead）上，特别是当它并不束缚于支架而是固定在膜-支架区室内时。

所述改性剂优选地选自由抗体、酶类、非酶催化剂、受体、配体、会改变生物分子的化学物质、亲和树脂、和离子交换树脂、生物受体、会结合至生物受体的配体、和会改变生物分子的化学物质所构成的组。

特别感兴趣的是可以结合或改变成分（比如这些可以在肾或血液中积聚到不良水平并且可以使用过滤系统，比如文中所描述的封闭过滤系统，移除的成分）的改性剂。被认为不良的成分包括但不限于毒素、炎性蛋白（比如血浆C反应活性蛋白（CRP）和淀粉样蛋白A（SAA））、菌落刺激或增长因子、趋化因子（比如白细胞化疗有吸引力的细胞因子的成员之一，同样已知为CXC、CC、C和CX3C趋化因子）、促炎白细胞介素（例如IL-1,IL-6）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、分泌型胰蛋白酶抑制物(PSTI),HDL胆固醇(HDL)、低密度脂蛋白（LDL）胆固醇、激素、尿素、盐、毒品、和维生素。

本发明的改性（modification）方法包括步骤：

（1）使流体与本发明的改性剂模块接触，和

（2）使用半透膜过滤流体，其中改性剂模块位于过滤系统的腔室或生物反应器的腔室之内，优选地位于本发明的封闭的过滤系统的腔室或封闭的生物反应器的腔室之内。

关于文中描述的本发明的封闭的过滤系统，改性剂优选的位置是反应器腔室，并且优选顺序是步骤（2）接着步骤（1）。在一个实施方案中，该方法进一步包括步骤（3），在步骤（3）中过滤的或改性的流体用于人体给药，特别是经由透析、注射或口服。

反应器腔室流体或其它流体的改性

图6a示出了改性剂模块351的潜在应用。在该图中，反应器腔室311被设计成用以接收改性剂模块350，所述改性剂模块的功能主要是影响该腔室中流体的组成。相应地，图6a例示了本发明的封闭的过滤系统的一种实施方案。

图6a中的封闭的过滤系统301的许多部件出现在了图1a、1b、1c、1d、1e和1f的系统1中。部件303、306、307、308、309、312、313、314、315、316、321、322、323、324、325、326、327、329、335、340、341、342和343分别与图1a、1b、1c、1d、1e和1f中部件3、6、7、8、9、12、13、14、15、16、21、22、23、24、25、26、27、29、35、40、41、42和43相同。图6a中其它被标记的部件在下文讨论。

例如，改性剂模块组成如下：改性剂模块的主要部件可以包括支架主体354和改性剂种群352。

可选地，所述改性剂进一步包括半渗透膜，所述半渗透膜连同所述支架包围并封闭改性剂种群。

来自腔室311的成分穿过所述半渗透膜353与改性剂352反应。类似波纹管的盖（bellows-like cover）362包围所述支架主体，以将它与外界环境的污染隔离（参见图6a、6c）。

需要将整个改性剂模块封闭以防止它受到污染。盖362是最内部的保护层，并且柔韧、类似波纹管。波纹管362（图6c）以图6a中的收缩形式（collapsed form）表现。当所述改性剂通过开口358被插入反应器腔室中时，盖362（或370）在插入期间收缩而不暴露其中的改性剂。盖365和366提供了硬质封闭。定位器367用于将所述改性剂安装并保持在硬质壳365内部。主体355通过壁架367固定。

适配器356内的通道358引导所述改性剂支架末端354通过反应器顶部中的端口331进入反应器腔室。

所述改性剂种群352可以是所述支架主体354的一部分，直接附着至所述支架主体354，或者未直接附着至所述支架主体354而是利用保留多孔的（全渗透）或半多孔的（半渗透）膜353抵靠所述支架主体354封闭（优选抵靠所述支架主体354堆放）

由于所述改性剂要比这些图中示出的过滤系统、支架和其它项目小得多，在图6a-6d中所述改性剂种群352被高度简要示出。在图6c中，每个改性剂由一个小六边形表示。如果所述改性剂例如是抗体，表示所述改性剂种群所需的六边形的数量将会如此之多以致六边形难以辨认。然而，图6c中的表现形式在图6a-6d之中为讨论所述改性剂到支架和包围所述改性剂的任何半渗透膜的几何关系提供了最清晰的基础。

在图6c中，所述改性剂种群352包括两个亚种群：接触所述支架354的改性剂亚种群和接触所述半渗透膜353的改性剂亚种群。由此，它可以被认为是堆放的改性剂种群的简要表现形式，所述改性剂种群通过所述膜保留在区室之内并且靠所述支架354堆放。

在图6c中，不考虑接触半渗透膜353的改性剂亚种群将提供改性剂种群被束缚至所述支架的实施方案的简要表现形式。在该情形中，所述半渗透膜353可选地可以被移除，该决定部分基于通过该膜的过滤是否是想要的。

图6a、6b和6d提供了束缚至所述支架的改性剂种群的简要表现形式。

支架354的一部分可以起到支架结构的“头”355的作用。如图6b和6c所例示的，所述支架头可以用作膜362的附着位置。如图6c所示，所述支架头在支架的上部可以具有比支架的下部更大的直径，因此，支架头提供了可以位于模块支撑环367上的凸缘，所述环附着至存储箱371的壳体，所述存储箱适于存储无菌改性剂模块单元直至需要使用所述模块。

在图6c中，所述存储箱371包括设计用于将所述改性剂模块固定到位的附加部件：下部适配器356，其在壳体365内的位置被附着至固定器356和存储箱371的壳体365的圆形固定环368固定。

膜353的目的在于保持所述改性剂种群352抵靠所述支架和允许穿过其壁的流体交换。因此，如果图6c中示出的模块351被插入图6a中的系统301的腔室311之中作为该图中的模块351，反应器腔室311中的流体将自由地流过多孔的膜353，并且与所述改性剂种群352自由地接触；从而，允许所述反应器腔室流体中的成分与所述改性剂种群反应。所述改性剂种群可以包括任何能够与所述反应器腔室流体中选定的成分起反应或相互作用的改性剂。例如，所述改性剂可以是抗体，在这种情形中，它将被选为仅对所述反应器腔室流体的某一成分有反应活性。然而，作为替代方案，将改性剂（比如抗体）结合至某一固体树脂可以使它更有效。在该情形中，所述树脂可以直接结合至或涂敷于所述支架354。筛孔尺寸（screen pore size）将小于树脂，以留住树脂并允许穿过其表面的自由交换。所述筛或膜353的末端将相对于支架主体密封，以完全封闭并截留树脂。

上述过程中产生的滤液可以被允许自由地或以选择性的方式流过屏障319中的孔318，进入所述反应器腔室311，浸没所述改性剂模块350。如果假定所述树脂上附着的抗体是针对由培养的细胞产生的分泌剂（secreted agent），然后该分泌剂会被抗体捕获并选择性地从所述反应器腔室流体中移除。图6a中例示的系统301具有多种用途，其中之一是透析。当在人的静脉中插入导管时，所述导管便在所述系统与人之间提供直接或间接的流体连接器333。在该实施例中，反应器腔室中设有已知成分的透析液溶液。这种溶液可以被定制以保护使用者，并在透析过程中提供帮助，提高改性剂的功效或以其它方式影响该过程。在该情形中，过滤器元件（例如HF过滤器滤筒的过滤器）的渗余液腔室345可以是滤膜或超滤膜。屏障（壁）319实际上也可以是选择性的，以促进血液成分的进一步分离，使得只有期望的分子进入所述反应器腔室，以与所述改性剂反应。血液将穿过过滤器元件305在交变泵304与静脉系统之间可逆地循环。如前所述，在交变切向流过滤循环期间，流体不仅流过所述中空纤维的内腔，同时也分别促进了在两个方向上穿过位于所述渗余液腔室与滤液腔室之间的过滤膜317、穿过位于所述滤液腔室310与反应器腔室311之间的屏障315、和穿过屏障315或作为所述改性剂模块的一部分的其它屏障的双向流体通量；因此，所述交变流增强了系统区室之间的混合。使用具有适当MWCO（截留分子量）的中空纤维可以用于血液、细胞部分（cellular fraction）、蛋白质等的必需成分的选择性保留。同样取决于膜的MWCO，其它选择性分子成分可以被允许穿过膜/选择性渗透屏障317表面而交换。允许尿素、某些蛋白质、激素、毒素、副产品等穿过过滤器膜317而交换也是可能的。选择性膜319和潜在地选择性膜353可以被用于进一步控制指定成分从滤液腔室310到反应器腔室311的流动。膜/屏障319的选择性可以通过控制其电荷属性、渗透性、孔隙率、化学性质等确定。可以改进屏障319的结构以增大其表面积。

一旦进入反应器腔室311中，目标产品可以穿过屏障353自由地交换，以与改性剂种群352反应或结合。一旦被束缚，所选定的产物被阻止返回渗余液或血液流。

另一个可能性是使用酶替代抗体作为改性剂。所述酶将对循环中的特定有害成分具有选择性或影响一些有益于病人的关键代谢反应。如果该成分从循环穿过选择性膜进入反应器腔室，它将可以与附着的酶改性剂反应。被改变的成分（灭活或变得更有效）将穿过屏障353、319和317自由地交换以重新进入渗余液或血液流，或者在反应器腔室中与第二改性剂模块（未示出）反应，用于流体的进一步改性或移除，可以预见本发明所描述的结构在医疗保健或其它领域的许多其它用途。

同样预见到的是，无菌系统可以与预消毒的改性剂模块350和351分开提供。可以从不同的改性剂模块中选择，以进一步增大系统的灵活性。由于可能出现的或基于即时需求的需要，将选择的改性剂模块351插入反应器腔室351也变为可能。这种模块构思，除了提供从多种潜在模块351中选择的能力外，还提供了使用含有不稳定的改性剂种群352的改性剂模块351的能力；比如蛋白质，不能预安装在系统中进行常规灭菌，但可以采用不那么剧烈的方式灭菌或消毒，例如，改性剂模块351的分开组装可能包括对模块351的稳定部分使用蒸汽、放射物等消毒，对不稳定成分使用过滤消毒，并且在无菌环境中组装这两部分。抗生素或其它预防药的使用提供了其它卫生处理选项。或者使用者可以以稳定的形式（比如冰冻的或冻干的）保存不稳定的改性剂，然后在使用前，改性剂可以与水结合并被活化。

有这样的可能性，将所述改性剂模块插入本发明的封闭的生物反应器系统可能必须发生在“野外”、开放、不受保护、未消毒的环境中，该过程具有导致系统污染的可能性。所描述的封闭的生物反应器提供了以无菌的方式进行该过程的能力。这种连接器是可以买到的clean-pack（来自Pall,Inc）和DAC（来自GE公司）；从而，任何熟悉这种连接器的用途的人可以有效地将所述改性剂模块以无菌的方式插入封闭的反应器系统。

Claims (9)

1.一种封闭过滤系统，所述系统包括：

1)渗余液腔室，其包括位于入口端的入口和位于出口端的出口，所述渗余液腔室包括渗余液腔室壁，所述壁的至少一部分是半渗透的；

2)滤液腔室，所述滤液腔室至少部分地封闭所述渗余液腔室，所述滤液腔室包括滤液腔室内壁和滤液腔室外壁，其中所述滤液腔室内壁的至少一部分相当于所述渗余液腔室壁的半渗透部分；所述滤液腔室外壁包括滤液腔室外选择性屏障；

3)交变流泵，所述泵连接至所述渗余液腔室出口的外周，以允许来自所述泵的流体进入所述渗余液腔室并且允许来自所述渗余液腔室的流体进入所述泵；所述泵包括外壁、隔膜和两个由所述隔膜分隔的腔室；

4)反应器腔室，所述反应器被配置成以密封的方式至少部分地封闭滤液腔室和渗余液腔室，但不会阻挡流体流流入和流出所述渗余液腔室入口，所述反应器腔室包括反应器腔室内壁和反应器腔室外壁，所述反应器腔室内壁包括滤液腔室外选择性屏障，所述反应器腔室外壁被密封至所述渗余液腔室的外部或所述滤液腔室的外部；和

5)收获端口，其附着到所述反应器腔室外壁，以允许流体离开或进入所述反应器腔室。

2.如权利要求1所述的封闭过滤系统，所述系统进一步包括连接至所述滤液腔室的滤液贮存器，

以允许流体直接在所述滤液贮存器与滤液腔室之间流动；

其中所述反应器腔室外壁被密封至所述滤液腔室的外部，但没有封闭所述滤液腔室通向所述滤液贮存器中的部分；

其中所述贮存器封闭所述滤液腔室通向所述滤液贮存器中的部分；

其中所述滤液贮存器与所述反应器腔室分隔开，以使所述滤液贮存器与所述反应器腔室之间不存在直接的流体交换；并且

其中除了连接至所述反应器腔室的收获端口之外，所述系统进一步包括连接至所述滤液贮存器并且设置成延伸到所述滤液贮存器外部的第二端口。

3.如权利要求1所述的封闭过滤系统，其特征在于，所述系统进一步包括：

1)贮存器适配器，位于所述渗余液腔室入口端，并连接至第一连接器管线和第二连接器管线；和

2)引导管，在其两个末端中的一个末端处连接至所述交变流泵的入口腔室，所述引导管延伸至所述封闭过滤系统外部的位置，以使所述泵的入口腔室中的渗余液可以被收集到所述系统外部。

4.如权利要求1或2所述的封闭过滤系统，该系统进一步包括：

多个渗余液腔室，每个都具有外腔室壁，所述外腔室壁包括所述半渗透部分，其中所述外腔室壁的所述半渗透部分为所述滤液腔室壁的一部分；

其中所述交变流泵进一步包括以密封方式连接至所述反应器腔室的泵壳。

5.如权利要求1或2所述的封闭过滤系统，进一步包括一种歧管，其包括：

1)通道，其包括第一端和第二端，其中交变流泵连接至所述通道的第一端，和

2)位于所述通道之上在所述通道的两端之间的多个探测器端口；其中所述通道的第二端口可以连接至流体源。

6.如权利要求1或2所述的封闭过滤系统，进一步包括一种双泵系统，所述系统包括：

连接至所述交变流泵的界面腔室的导管，其中所述界面腔室是所述交变流泵的两个腔室之一，其可连接至所述导管；和

第二泵，其包括连接至所述导管的界面腔室，所述第二泵界面腔室包括可移动元件，所述可移动元件选自由弹性可变形隔膜或非弹性活塞式可移动壁构成的组，其中所述第二泵为可连结至压力控制机构。

7.一种封闭的过滤系统方法，所述方法包括步骤：

1)将流体从渗余液腔室排出经由流体连接器进入容器，以便在所述排出期间，所述流体的一部分被引导经由半渗透壁部分进入滤液腔室，然后被引导经由选择性屏障进入反应器腔室，其中所述排出是由在所述流体连接器远端的位置连接至所述渗余液腔室的隔膜泵施加的力引起的；和

2)使由所述隔膜泵施加的力的方向反向，以便至少一些来自所述容器的流体流回进入所述渗余液腔室，并且至少一些来自所述渗余液腔室的流体流入所述滤液腔室；和

3)重复步骤(1)和(2)至少一次，其中从所述渗余液腔室排出的流体选自由悬浮液和溶液组成的组，并且其中所述渗余液腔室、滤液腔室、反应器腔室和隔膜泵为相同的封闭滤液系统的一部分。

8.如权利要求7所述的封闭的过滤系统方法，进一步包括步骤：

1)使得来自容器的流体进入歧管通道；

2)使得所述流体大部分或全部流出所述通道，以便返回所述容器，其中通过交变流隔膜泵控制所述流体的移动，和

3)当所述流体位于所述通道中时，测量所述流体的性质，所述测量通过连接至所述通道的探测设备完成，所述探测设备能够测量所述流体的物理或化学性质。

9.如权利要求7所述的封闭的过滤系统方法，其中步骤2)中一些来自所述滤液腔室的流体流入所述反应器腔室。