CN104379722B - 一次性使用的生物反应器和顶板以及它们的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特别适合用在细胞培养和/或微生物学应用中的优选的平行生物反应器系统中的一次性使用的生物反应器、用于这样的一次性使用的生物反应器的顶板、以及用于制造该一次性使用的生物反应器和顶板的方法。一次性使用的生物反应器包括顶板、尺寸稳定的容器和混合器，顶板(100)和容器(200)围成反应室(400)，混合器(300)具有混合器轴(310)和搅拌构件(320)，所述混合器轴可绕旋转轴线旋转地安装在轴承(500)中，而搅拌构件被扭转刚性地固定到混合器轴(310)。混合器(300)和轴承(500)被完全地设置在反应室(400)之内，混合器轴(310)具有磁性部(311、311’)，磁性部以在轴向方向磁性联接到旋转驱动器(600)的方式设置和适配。

Description

一次性使用的生物反应器和顶板以及它们的制造方法

技术领域

本发明涉及一种一次性使用的生物反应器，其特别适合用在细胞培养和/或微生物学应用中的优选的平行生物反应器系统中，该一次性使用的生物反应器包括顶板、尺寸稳定的容器和混合器，其中顶板和容器围成反应室，顶板具有面向反应室的内侧和背离反应室并具有多个连接器的外侧，并且混合器具有混合器轴和搅拌构件，混合器轴可绕旋转轴线旋转地安装在轴承中，而搅拌构件被扭转刚性地(torsionally rigidly，抗扭转地)附接于混合器轴。

本发明还涉及一种用于一次性使用的生物反应器的顶板，其中该一次性使用的生物反应器特别适合用在细胞培养和/或微生物学应用中的优选的平行生物反应器系统中。

本发明还涉及一种用于制造一次性使用的生物反应器的方法，其中该一次性使用的生物反应器特别适合用在细胞培养和/或微生物学应用中的优选的平行生物反应器系统中；以及一种用于制造用于一次性使用的生物反应器的顶板的方法，其中该一次性使用的生物反应器特别适合用在细胞培养和/或微生物学应用中的优选的平行生物反应器系统中。

背景技术

生物反应器(也常常被称为发酵罐)围成反应室，该反应室中可执行实验室级的生物过程(process)或生物技术过程。例如，这些过程包括在明确的优选最佳的可控且可再现的条件下培养细胞、微生物或小植物。生物反应器大多具有多个连接器，初生物质和次生物质、以及各种各样的仪器(例如传感器)可经由这些连接器被引入反应室，或可连接流体导管，例如具体地诸如充气导管或排气导管。此外，生物反应器一般包括混合器，该混合器的轴可被制成由驱动器旋转，因此扭转刚性地连接到混合器轴的搅拌构件也同样可旋转，从而混合存在于反应室中的物质。也可以使两个或更多个搅拌构件(大多被轴向分隔开)设置于且联接到混合器轴。一个或多个搅拌构件也可与混合器轴形成整体。

生物反应器优选用于生物反应器系统中，优选地用于平行生物反应器系统中，不仅用于细胞培养领域而且用于微生物应用中。例如，平行生物反应器系统在DE 10 2011054 363.5和DE 10 2011 054 365.1中已描述。在这样的生物反应器系统中，多个生物反应器可被并联操作并以更高精度控制。单个生物反应器(即使具有小的操作体积)中能够执行具有好的再现性和可扩展性的高通量实验。本发明所涉及的实验室级的生物反应器的体积可达2000ml，或更具体地总反应室体积为350ml，其工作体积在约60ml到约250ml的范围。

例如，在细胞培养领域，这样的平行生物反应器系统被用于基于统计规划方法(实验设计DoE)的过程优化的测试系列、用于工艺工程和研究与开发，例如培养不同的细胞系(诸如中国仓鼠卵巢(CHO)、杂交瘤或NSO细胞系)。在本申请的上下文中，术语“细胞培养”应具体理解为动物或植物细胞在生物体外的营养培养基中的培养。

在微生物学领域，平行生物反应器系统同样也被用于基于统计规划方法(实验设计DoE)的过程优化的测试系列、工艺工程和研究与开发，例如培养各种微生物，特别是细菌或真菌(例如酵母)。

由于大部分实验室中的空间限制，不仅对于生物反应器系统而且对于生物反应器本身，都要争取最小的空间需求和特别小的占地面积。

实验室使用的生物反应器常常由玻璃和/或金属制成，具体地由不锈钢制成，因为生物反应器在不同的使用之间必须杀菌，优选地在高压消毒器中通过蒸汽杀菌。杀菌和清洗可重复使用的生物反应器是复杂的过程。杀菌和清洗过程可受到检验，并需要对每个单独的生物反应器精确地记录。生物反应器中没有被充分杀菌的残留可篡改后续过程的结果，或致使它们无效，以及可引起后续过程瓦解。此外，杀菌过程还可使生物反应器中的个别部件或材料暴露在应力与应变的影响下，并在某些情况下可损害它们。

一次性使用的生物反应器为可重复使用的生物反应器提供了替代物，一次性使用的生物反应器仅用于实现一个生物过程或生物技术过程，之后即被丢弃。通过为每个过程提供新的且优选在生产过程期间杀菌的一次性使用的生物反应器，可以降低(交叉)污染的风险，同时避免了执行和记录先前使用过的生物反应器的无瑕疵的清洗和消毒的需要。一次性使用的生物反应器常被设计成柔性容器，例如袋或具有至少其中部分是柔性的壁的容器，这样的生物反应器的示例在US 2011/0003374A1、US 2011/0058447A1、DE 20 2007 005868U1、US 2011/0058448A1、US 2011/0207218A1、WO 2008/088379A2、US 2012/0003733A1、WO 2011/079180A1、US 2007/0253288A1、US 2009/0275121A1和US 2010/0028990A1中被描述。然而，这些具有柔性壁的一次性使用的生物反应器的一个缺点尤其是，它们不能被用在平行生物反应器系统中，平行生物反应器系统被设计用于尺寸稳定的、可重复使用的生物反应器。

而且，由于在不同级别的过程的可扩展性的原因，培养室中定性可比的且具体限定的流体动力学(特别是在搅拌期间)是重要的。该条件不能被具有柔性壁的生物反应器实现，或仅可被大量的额外措施实现。

例如，尺寸稳定的一次性使用的生物反应器从EP 2 251 407 A1和US 2009/0311776A1中已知。市场上现有的尺寸稳定的一次性使用的生物反应器的示例包括Celligen Blu、Millipore Mobius和Sartorius UniVessel。然而，这些已知的、尺寸稳定的一次性使用的生物反应器一方面价格高昂，另一方面被设计用于制药工艺工程和制药生产工艺。这些生物反应器具体地被用于细胞培养过程，因此被特别设计成适合于这样的细胞培养过程。然而，必须满足微生物学应用中的不同需求，不仅对于市场上的购买价格，而且对于合适的设计和可被使用的材料。因此，现有技术中已知的尺寸稳定的一次性使用的生物反应器不适合用于例如微生物学研究或工艺工程。

因此，本发明的目的是提供一种改进的一次性使用的生物反应器和顶板，并详细说明减少或消除一个或多个上述缺点的制造方法。更具体地说，本发明的一个目的是提供一种改进的一次性使用的生物反应器，其适合于在细胞培养和微生物学应用两者中使用，并特别适合于在优选的平行生物反应器系统中使用。本发明的其他目的是，提供一种廉价生产的一次性使用的生物反应器和顶板，并详细说明了用于制造一次性使用的生物反应器和顶板的简单并有成本效益的方法。

发明内容

根据本发明的第一方案，这些目的通过一次性使用的生物反应器实现，所述生物反应器包括顶板、尺寸稳定的容器和混合器，其中，所述顶板和所述容器围成反应室，所述顶板具有面向所述反应室的内侧和背离所述反应室并具有多个连接器的外侧，以及所述混合器具有混合器轴和搅拌构件，所述混合器轴能绕一旋转轴线旋转地被安装在轴承中，所述搅拌构件被扭转刚性地附接于所述混合器轴，所述混合器和所述轴承被完全地设置在所述反应室中，并且所述混合器轴具有磁性部，所述磁性部以能在轴向方向磁性联接到旋转驱动器的方式被设置和适配。最初明确说明的这种一次性使用的生物反应器的特征在于，混合器和轴承被完全地设置在反应室中，并且混合器轴具有磁性部，该磁性部以在轴向方向磁性地联接旋转驱动器的方式设置并适配。由于旋转驱动器驱动带有混合器轴和搅拌构件的混合器，所以该旋转驱动器也被称为搅拌驱动器。

一次性使用的生物反应器的特征尤其在于，混合器可被磁性驱动力旋转。该实施例的一个优点是混合器和轴承都完全地被设置在反应室中，即混合器轴无须穿过顶板。这也消除了对混合器轴穿过顶板所通过的孔进行密封的需要。这具有不会由于顶板上的孔洞的不充分密封而累及反应室的无菌状态的优点。另一个优点是，发生在带有密封通道的结构中的、尤其可导致隔板部件的损坏的摩擦阻力完全被避免。

进一步设想，混合器轴的磁性部在轴向方向(即在旋转轴线的方向或平行于旋转轴线的方向)磁性地联接到被设置在反应室的外面的顶板的外侧的驱动器。最小的气隙优选地形成在混合器轴的磁性部和旋转驱动器的磁性驱动部之间。这样的在混合器轴和旋转驱动器之间的前端的磁性联接的优点是，与径向方向的联接(其中旋转驱动器的磁性部被设置在混合器轴上的磁性部的外周周围，如在US2011/0058447A1中所描述的)相比，在顶板上旋转驱动器只需要很小的空间。在前端带有磁性联接的旋转驱动器可大体上例如为圆柱形形状，其中圆柱的横截面面积可大体上等于前端磁性联接所需要的面积。因此在顶板上留下更多的空间来用于设置仪器、传感器或功能元件的额外的连接。

为了接纳混合器轴的磁性部，顶板可例如具有凸部，该凸部可具有例如圆形截面，并且该凸部可例如借助环托住(cradle)被设置在反应室外面的旋转驱动器，以便使旋转驱动器在凸面和混合器轴的磁性部上同心地设置，该混合器轴的磁性部优选地也被同心地设置在那里。混合器轴的磁性部优选地设置在混合器轴的一端，且优选地具有比混合器轴的剩余部分更大的直径或更大的圆周。

在一个优选的实施例中，磁性部与混合器轴整体地实施。这具有反应室中零件的数量减少并因此还有不同零件之间的任何潜在的缝隙和死点减少的优点。

特别优选地，磁性部由包括塑料基质和磁性材料的复合材料组成，或者包括这样的复合材料。其优点是，能够选择符合美国药典(USP)VI级要求的多种材料的组合，例如通过选择适当分类的塑料作为基质。

还优选，磁性部通过在混合器轴上注射成型具有磁性成分的双组分材料来制造。

通过向混合器轴的一端注射成型作为复合材料的这样的塑料/磁体混合物(优选地在注射成型过程中)，可以以特别简单且廉价的方式制造在前端带有磁性联接部的混合器轴，由于整体的实施，该方式同时减少了反应室中零件的数量。

在一个特别优选的实施例中，磁性部在垂直于混合器轴的平面具有横截面，并在所述横截面的大部分上施加磁性力，优选地施加在整个横截面上，用于在轴向方向上磁性联接旋转驱动器。

这样的施加磁性力的区域的优选二维连续的横截面的结构可通过将包括塑料基质和磁性材料的复合材料注射成型到注射模具来实现，该注射模具的部分中包含用于在注射成型期间对齐复合材料的磁性材料的磁体。施加磁性力的磁性部的横截面优选地为圆形、椭圆形或矩形。在施加磁性力的磁性部的该横截面之内，优选形成不同极性的节段。例如，节段可形成星形图案或带有饼形节段的图案。

这样的结构具有若干优点。首先，与包括多个环状设置的条形磁铁的实施例相比，能够输送更高的转矩。特别地，这需要实现超过1500rpm的更高转子速度，特别地高达2000rpm，或高达3000rpm或更高，具体地在微生物学应用中所需的速度。同时可以保持在混合器轴的端部的所需的横截面面积及因此保持在顶板上所需的结构空间小或低。由于只有带有相匹配的节段极性的生物反应器可被旋转驱动器驱动，所以通过形成特定的节段极性图案，生物反应器可以特别匹配相应设计的旋转驱动器，并因而增大工艺可靠性的程度。随之的优点是，驱动器具有期望的转矩和期望的速度，因为仅监测机械地联接到旋转驱动器的混合器的转矩并且特别是获得的速度，而不是混合器和旋转驱动器之间的磁性联接。然而，发散的速度在培养过程中可施加不利影响，例如当使用额定功率很低的旋转驱动器时。

还在该实施例中，磁性部也可例如通过使复合材料在混合轴上注射成型而优选与混合器轴的端部整体地连接。可选地，磁性部可优选通过注射成型工艺制成为单独的零件并设置在混合器轴上。

根据本发明的第二方案，通过如下所述的一次性使用的生物反应器实现目的。根据本发明的该第二方案，最初明确说明的这种一次性使用的生物反应器或根据本发明的第一方案的一次性使用的生物反应器的特征在于，轴承被设计为滚柱轴承。

滑动轴承用于细胞培养应用中已知的尺寸稳定的一次性使用的生物反应器的一个缺点是，混合器的转子的速度被限制到大约500rpm左右的范围，因为由于轴和轴承之间的强大的摩擦力，较高的转子速度会产生废热，随后该废热可导致轴承熔化从而导致轴停滞，这将终止培养过程。滑动轴承的另一个缺点是，加强了材料的磨损，特别是塑料材料的磨损，例如这将为反应室中的细胞凝聚提供不期望的核(nuclei)，因此材料的磨损必须被捕获在轴承座中。

通过将用于混合器轴的轴承设计为滚柱轴承，可以实现超过1500rpm，特别是高达2000rpm或高达3000rpm或更高的速度的显著更高的速度，这是在微生物学应用中所需的速度。

特别优选的是滚柱轴承是带有玻璃滚珠轴承的聚合物滚柱轴承，该聚合物滚柱轴承优选地包括由热塑性塑料(例如聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚醚醚酮或聚四氟乙烯)制成的滚珠座圈。滚柱轴承的材料的组合的一个优点是，玻璃滚珠轴承可在聚合物滚柱轴承中平滑并安静地运转，从而可降低实验室中的噪音水平。该材料的组合也抵抗特别在微生物学应用中使用的高摩尔浓度的碱性物质(alkali and base)，并且因此分别对于所使用的结构和材料强加要求。

根据本发明的第三方案，通过如下所述的一次性使用的生物反应器实现目的。根据该方案，最初明确说明的这种一次性使用的生物反应器、或前述根据本发明的第一方案或第二方案的一次性生物反应器之一的特征在于，顶板和容器永久地彼此连结，顶板由第一材料构成，容器由第二材料构成，混合器轴和/或搅拌构件由第三材料构成，第一材料和第二材料具有比第三材料更高的耐热性。

在该一次性使用的生物反应器中，顶板和容器例如通过不可分离的整体连结技术(例如焊接)永久地彼此连结。通过超声波焊接连结是特别优选的，因为该技术提供高度的工艺可靠性并导致顶板与反应室之间的连接的优异的密封性，并且因此使反应室对于周围的环境良好的密封性。超声波焊接还是非常迅速的连结技术，并降低了生产成本和精力。

顶板和容器之间的永久连结的优点是，一次性使用的生物反应器在生产过程的杀菌后不能再打开，因此能够降低在一次性使用的生物反应器使用之前反应室受到污染的风险。永久连结还具有一次性使用的生物反应器在使用后也不能被打开并且保持其封闭的尺寸稳定的形状的优点。

与使用过的一次性使用的生物反应器的去污相关联地，根据本发明的材料的组合的优点也变得明显。由低耐热性的材料制成的一次性使用的生物反应器的缺点是，它们在去污或后处理杀菌期间被损坏(例如熔化)，因此需要在优选耐热的外部容器中杀菌。具有允许去污(即在去污期间不会被破坏或显著侵蚀)的耐热性的材料制造顶板和容器的优点是，一次性使用的生物反应器可通过蒸汽灭菌来去污，例如，一次性使用的生物反应器不必另外包装或放置在另一容器内，这是因为顶板和容器可承受这个去污过程。

由低耐热性的材料制成的混合器轴和/或搅拌构件的组合带来的优点是，混合器轴和/或搅拌构件在去污过程中被破坏或至少变成不可用。第三材料具有适合于该目的的属性。特别地，优选第三材料的耐热性使其不能承受去污过程。

用这种方式可以防止已经被使用过一次的一次性使用的生物反应器被故意的或无意的重复使用，因为混合器在去污后已不能再使用，由于顶板和容器之间永久连结，也不能打开一次性使用的生物反应器来更换混合器。

另一个特别优选的实施例是，顶板的第一材料和容器的第二材料是相同的，当超声波焊接被用作连结顶板和容器的方法时，这是特别有利的。

材料的耐热性在此优选地被限定为它们的玻璃转化温度。

特别优选的是，第一材料和第二材料具有比第三材料更高的玻璃转化温度。玻璃转化温度(Tg)是塑料材料的特定属性。它指的是非晶态的或部分结晶的聚合物从固体状态转变到液体状态的温度，其中包括了物理特性(例如硬度和弹性)的显著变化。

特别优选的是，第一材料和第二材料具有至少为121℃的玻璃转化温度，而第三材料优选地具有低于121℃的玻璃转化温度。还特别优选的是，第三材料具有高于50℃、特别地高于55℃、高于60℃、高于65℃、高于70℃、高于75℃或高于80℃的玻璃转化温度。还优选，第一材料和第二材料具有高于125℃、特别地高于130℃、高于140℃、高于150℃、高于160℃、高于170℃或高于180℃的玻璃转化温度。

第一材料和第二材料的玻璃转化温度优选地比第三材料的玻璃转化温度至少高5℃、特别地至少高10℃、至少高15℃、至少高20℃、至少高25℃、至少高30℃、至少高25℃、至少高30℃、至少高40℃、至少高50℃、至少高60℃、至少高70℃或至少高80℃。

一个特别优选的材料的组合是，顶板和容器由聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲基戊烯或聚丙烯制成，而搅拌构件和/或混合器轴由聚苯乙烯制成。这些材料具有使它们均适合在细胞培养和微生物学中使用的属性。同时，上述用于顶板和容器的材料在它们的耐热性方面与上述用于搅拌构件和/或混合器轴的材料的差异是，聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲基戊烯或聚丙烯承受去污过程(特别是蒸汽灭菌)而大体上无损，然而蒸汽灭菌引起聚苯乙烯熔化，使得混合器轴和搅拌构件不能被重复使用。

目前为止描述的本发明的这些方案可被单独地或以任意组合地应用。更具体地说，如下文中所描述的本发明的发展可与根据任一前述方案的一次性使用的生物反应器组合或与所述方案的任何组合进行组合。

一个优选的实施例是顶板和容器互相结合。可选地，顶板和容器优选彼此焊接，特别是通过超声波焊接或通过红外线焊接。通过结合或焊接而将顶板和容器永久地连结在一起降低了由于生物反应器的重复使用或由于生物反应器的无意打开而造成污染的风险。特别地，优选超声波焊接作为制造技术，因为其使高度的工艺可靠性和伴随的顶板与容器的可靠连结，与生产成本和精力降低的快速且简单的生产相组合。

特别优选的是，顶板是整体结构。这减少了反应室中零件的数量，从而避免了死点和间隙，并进一步地也避免了在一次性使用的生物反应器的组装或建造过程中的额外的步骤。特别优选的是顶板以注射成型工艺制造。

顶板还优选由聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲基戊烯或聚丙烯制成。这些材料的优点是，满足在细胞培养和在微生物学应用中均可使用的要求，同时具有高耐热性。

一次性使用的生物反应器的另一优选实施例是，顶板的内侧具有多个伸入反应室中的封液管。这些封液管优选地以中空套筒的形式并可接纳各种仪器、传感器或导管(特别是软管)。封液管优选地为刚性管。在顶板的内侧的封液管优选地匹配顶板的外侧的连接器，使得介质或其他物品可经由连接器和封液管被引入反应室或从反应室移除。当一次性使用的生物反应器以计划的方式使用时，封液管或至少它们中的一些，优选在反应室中伸入到浸入反应室内的包含物(例如流体)中的程度。因此被命名为“封液管(dip tube)”。其优点是，顶板的内侧不需要连接额外的管子或管；已设置在顶板上的封液管(优选与整个顶板形成整体)可被替代使用。其优点是，生产过程可包含更少的组装步骤，以及还能够减少反应室中单独的组件的数量，单独的组件之间能够伴有间隙或死点。

一次性使用的生物反应器的实施例还优选顶板具有用于接纳轴承的凸部。顶板的这样的向外的凸部是优选的，以便容纳设置在反应室中的混合器轴的轴承，并因此由于只放置轴承，而使可用的反应室空间最小范围地减小。混合器的旋转驱动器也可被设置在顶板的外侧的凸部上。特别优选的是，凸部不包括顶板上的开口，这在磁性联接的情况下是特别地优选的，特别是在上述的旋转驱动器和混合器轴之间的前端磁性联接的情况下。

特别优选的是，生物反应器具有如下面所进一步描述的顶板或它的发展中的一个。至于本发明的具体的优点、变型以及顶板的细节及其发展，参照下面提供的顶板的相应特征或其一种发展的特征的描述。

还优选，一次性使用的生物反应器具有轴承座，该轴承座界定用于容纳反应室内的轴承的轴承室。在此描述的实施例的优点是，尤其是与上述的顶板中的凸度相结合，轴承室被部分地(优选主要地)设置在顶板的凸度的区域中，并因此设置在顶板下方的反应室的一部分大体上可以以计划的方式使用生物反应器。特别优选的是，轴承座例如借助于滑动轴承界定轴承室与反应室。

轴承座优选地可拆卸地附接到顶板的内侧或永久地连结到顶板的内侧。例如，轴承座可借助例如卡扣(snap-on)、夹持或螺纹连接而可拆卸地附接。轴承座可通过结合或焊接(具体地通过超声焊接)被永久地连结到顶板的内侧。

根据本发明的第四方案，最初明确说明的目的可通过生物技术装置实现，该生物技术装置包括：前述根据其各种方案或发展中的任一个描述的这种一次性使用的生物反应器；以及旋转驱动器，其具有磁性驱动部，该磁性驱动部以能在轴向方向磁性地联接混合器轴的磁性部的方式设置和适配。

磁性部优选地由包括塑料基质和磁性材料的复合材料组成，或包括这样的复合材料。

还优选的是，包括磁体成分的复合材料或双组分材料被注射成型到旋转驱动器的前面驱动构件。

在一个特别地优选的实施例中，磁性驱动部在垂直于旋转轴线的平面具有横截面，并在所述横截面的大部分上施加磁性力，优选地施加在整个横截面上，用于在轴向方向磁性联接混合器轴的磁性部。

这样的施加磁性力的驱动部的区域的优选二维连续的横截面的结构，可更具体地通过将包括塑料基质和磁性材料的复合材料注射成型到注射模具来实现，该注射模具的部分包含用于在注射成型期间对齐复合材料的磁性材料的磁体。施加磁性力的磁性驱动部的横截面优选地为圆形、椭圆形或矩形。在施加磁性力的磁性驱动部的该横截面之内，优选形成不同极性的节段。例如，节段可形成星形图案或带有饼形节段的图案。由磁性驱动部的节段形成的图案优选地匹配由混合器轴的磁性部的节段形成的图案。

这样的结构具有若干优点。首先，与包括多个环状设置的条形磁铁的实施例相比，能够输送更高的转矩。特别地，这需要实现超过1500rpm的更高转子速度，特别地高达2000rpm，或高达3000rpm或更高，具体地在微生物学应用中所需的速度。同时可以保持旋转驱动器的所需的横截面面积并因此保持在顶板上所需的结构空间小或低。由于只有带有相匹配的节段极性的生物反应器可被旋转驱动器驱动，所以通过形成特定的节段极性图案，生物反应器可以特别匹配到相应设计的旋转驱动器，并因而增大工艺可靠性程度。随之的优点是，驱动器具有期望的转矩和期望的速度，因为仅监测机械地联接到旋转驱动器的混合器的转矩并且特别是获得的速度，而不是混合器轴和旋转驱动器之间的磁性联接。然而，发散的速度在培养过程中可施加不利影响，例如当使用额定功率过低的旋转驱动器时。

至于本发明的优点、变型以及该生物技术装置的细节及其发展，参照以上一次性使用的生物反应器的各装置特征的描述。

根据本发明的第五方案，开始提到的目的通过如下所述的顶板实现，所述顶板特别地适合于上文中描述的那种一次性使用的生物反应器，并适合于各种方案及其发展。顶板包括内侧和与内侧相对的外侧，内侧具有多个封液管，而外侧具有多个连接器，且顶板为整体结构。

顶板这样的在其外侧具有多个连接器并同时在其内侧具有多个封液管的整体结构具有非常高的整体性的优点。这样显著简化了一次性使用的生物反应器的组装，因为封液管代替了必须安装到设置在现有技术的顶板的内侧的连接器的导管(例如管)。凭借该整体结构，反应室中零件的数量减少，因此间隙和死点的数量也减少。

特别优选的是，封液管的长度为，使得当使用该顶板的一次性使用的生物反应器被填充到最小填充体积时，封液管浸在容纳物或培养液(culture broth)中。更具体地说，优选封液管的长度至少为顶板直径的85％。例如，直径在这里应理解为圆形横截面的顶板的直径。在顶板具有椭圆形或矩形横截面的情况下，直径应理解为顶板沿它的两个主要的延伸方向之一的延伸。

特别优选的，封液管的长度大于顶板直径的50％、优选地至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、或至少95％。还优选封液管的长度至少等于顶板的直径。封液管的优选的长度大于顶板的直径的1.1倍、1.2倍、1.3倍、1.4倍、1.5倍、1.6倍、1.7倍、1.8倍、1.9倍或2倍。

顶板优选地具有至少三个或更具体地至少五个封液管。

封液管优选地具有小于8mm的内径，特别地小于7mm、小于6mm、小于5mm、小于4.8mm、小于4.75mm、小于4.7mm、小于4.5mm、小于4.3mm、小于4mm、小于3.5mm、小于3mm、小于2.5mm、小于2mm、小于1.5mm或小于1mm。

还优选的是，顶板的至少两个(优选若干)封液管具有不同的内径。进一步优选的是，顶板的至少两个(优选若干)封液管具有不同的长度。这些实施例是优选的，为了使封液管适配不同的应用，以便具有这样的顶板的一次性使用的生物反应器可在广泛和灵活的应用范围中使用。

特别地优选的是，顶板以注射成型工艺制造。

顶板优选地由聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲基戊烯或聚丙烯制成。这些材料具有满足在细胞培养和在微生物学应用中均可使用的要求，而同时具有高的耐热性的优点。

此外，顶板优选地具有用于接纳混合器的轴承的凸部。当顶板旨在用作一次性使用的生物反应器的顶板时，如上文所描述的，在混合器和旋转驱动器之间具有磁性联接，这是特别优选的。

特别优选的是，至少一个封液管的直径在背离顶板的端部逐渐减小。这个逐渐变细的封液管和/或一个或多个另外的封液管优选在背离顶板的端部被封闭，并且还优选在所述关闭端设有孔口，所述孔口优选地具有小于封液管的内径的直径。当这样的封液管被用作充气管时，这是特别优选的。

封液管优选地具有小于3mm的壁厚，特别地小于2mm的壁厚、小于1.5mm的壁厚或小于1mm的壁厚。

在顶板的外侧的至少一个并优选两个连接器具有螺纹，优选地为内螺纹。用这种方式，连接器可以提供螺纹连接，而不必为此目的在顶板上安装额外的连接器构件。

根据本发明的第六方案，开始提到的目的通过用于制造一次性使用的生物反应器的方法实现。根据本发明的第七方案，或根据前述方案的一个发展，上述的目的通过用于制造一次性使用的生物反应器的方法实现。根据本发明的第八方案，上述的目的通过用于制造用于一次性使用的生物反应器中的顶板的方法实现。至于本发明的优点、变型以及本发明的制造方法的这些方案的细节及其发展，参照前面的关于一次性使用的生物反应器和顶板的各自产品特征的描述。

附图说明

现在将参照附图经由示例来描述本发明的一些可能的实施例，其中：

图1A示出了根据本发明的一次性使用的生物反应器的实施例的三维立体图；

图1B示出了图1A中的一次性使用的生物反应器的侧视图；

图1C示出了图1A中的一次性使用的生物反应器沿图1C中的截面A-A的剖视面；

图1D示出了图1C的放大部分；

图1E是磁性部的替代的实施例；

图2A示出了包括一次性使用的生物反应器、连接装置和温度控制装置的生物技术装置的三维立体图；

图2B示出了图2A中的生物技术装置的侧视图；

图2C示出了图2A中的生物技术装置的俯视图；

图2D示出了图2A中的生物技术装置沿图2C中的截面A-A的剖视面；

图2E示出了图2D的放大部分；

图2F是混合器轴的磁性部和旋转驱动器的磁性驱动部的替代的实施例；

图3示出了平行生物反应器系统；

图4A示出了图1A中的一次性使用的生物反应器，指示了放大的部分B；

图4B示出了图4A的放大部分B；

图5A示出了顶板的三维立体图；

图5B示出了图5A中的顶板的侧视图；以及

图5C示出了图5A中的顶板的俯视图。

具体实施方式

作为示例，图1到图5示出了本发明的某些实施例以及如何应用本发明。图中相同或相似的元件用相同的附图标记标识。

图1A、图1B、图1C、图1D、图1E和图2A、图2B、图2C、图2D、图2E、图2F示出了一次性使用的生物反应器1和生物技术装置，该生物技术装置包括一次性使用的生物反应器、连接装置和温度控制装置，以便在如图3所示的平行生物反应器系统10中使用，用于细胞培养和/或微生物学中的应用。图3所示的平行生物反应器系统10具有基座(base block)11，基座中设置有四个插孔12，生物反应器1可拆卸地插入每个插孔。温度控制单元优选地被设置在基座11中，温度控制单元被构造为根据需要加热或冷却被设置在插孔12中的生物反应器1。邻近基座11形成具有容器13的装置。基座11还包括堆叠面，在该堆叠面上两个功能块14、15可移动地排列成堆，例如两个功能块被构造为沉积及显示站、或泵站，例如以便供应或移除操作生物反应器所必需的流体。这样的平行生物反应器系统10的优势是具有小的占地面积和高度的可扩展性，因为均具有四个一次性使用的生物反应器1的多个这样的平行生物反应器系统10能够并排设置。一次性使用的生物反应器1的优势是，它们在这样的用于细胞培养和/或微生物学中的应用的平行生物反应器系统中可如可重复使用的生物反应器那样使用。

一次性使用的生物反应器1具有顶板100、尺寸稳定的容器200和混合器300。顶板100和容器200围成反应室400。顶板100具有面向反应室的内侧101，该内侧上设置了多个伸入到反应室400中的封液管110。多个连接器120被设置在面向反应室400的顶板100的外侧102上。

混合器300具有带有旋转轴线的混合器轴310和搅拌构件320。搅拌构件320在此实施为以45°的间距倾斜的叶片，例如作为叶片间距一定的叶轮(pitched-blade)。作为替代方案，至少一个涡轮桨(Rushton impeller)也可被用作搅拌构件。搅拌构件320扭转刚性地附接到混合器轴310，因此混合器轴310的旋转也引起搅拌构件320旋转。

顶板100和容器200优选地由聚酰胺制成，并且通过超声波焊接彼此永久地接合。混合器300(特别是混合器轴310和/或搅拌构件320)优选地由聚苯乙烯制成。聚苯乙烯的耐热性比聚酰胺低，所以当一次性使用的生物反应器1经受蒸汽灭菌时，混合器300便无法使用了，一次性使用的生物反应器1无法重复使用。

混合器轴310可绕旋转轴线旋转地安装在轴承500中。轴承500被设置在顶板100的凸部130中。轴承座510在反应室400中围成轴承室520。混合器轴310经由滑动轴承530穿过轴承座510。整个轴承座可优选地由适合于滑动轴承的材料构成。这具有减少单个零件的数量并实现高度整合的优势，还隐含对制造和组装有利。轴承500被设计为滚柱轴承，并优选地为带有聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚醚醚酮或聚四氟乙烯滚珠座圈和玻璃滚珠轴承502的聚合物滚柱轴承501。

混合器300和轴承500被完全设置在反应室400中。如从图1D、图1E和图2E、图2F看到的，混合器轴310具有磁性部311，该磁性部在轴向方向磁性地联接到旋转驱动器600。混合器轴310的磁性部311、311’磁性地联接到旋转驱动器600的正面，即在轴向方向上。旋转驱动器600大体上为圆柱形，并具有与顶板100上的凸部130的横截面面积大体上相同的横截面面积。驱动构件613驱动磁性驱动部611、611’。如图1D、图1E和图2E、图2F所示的正面的轴向磁联接展示了需要特别小的空间的顶板的驱动单元的优点。

如图1D和图2E所示的实施例，磁性部311被设置在混合器轴310的端部，磁体312优选地以环形布置设置在该磁性部311中。在图1D和图2E所示的实施例中，在其中设置有磁体312的磁性部311经由六角螺母313扭转刚性地连接到混合器轴310。在旋转驱动器600的磁性驱动部611中也可设置磁体，这些磁体优选与混合器轴310的磁性部311的磁体312的布置对齐。

可选地，图1E和图2F中示出的特别优选的实施例，磁性部311’在垂直于混合器轴310的平面具有横截面，磁性部311’在所述横截面的大部分上施加磁性力，优选地施加在整个横截面上，用于在轴向方向上磁性联接旋转驱动器600。施加磁性力的磁性部311’的横截面在此优选呈圆形形状，并优选具有形成例如星形图案或饼形节段的图案的不同极性的节段315a和315b。

优选地，旋转驱动器600的磁性驱动部611’在垂直于旋转轴线的平面也具有横截面，并在所述横截面的大部分上施加磁性力，优选地施加在整个横截面上，用于在轴向方向上磁性联接混合器轴310的磁性部311’。

施加磁性力的磁性驱动部611’的横截面在此优选呈圆形形状，并优选具有形成例如星形图案或饼形节段的图案的不同极性的节段615。由磁性驱动部611’的节段615形成的图案优选匹配由混合器轴310的磁性部311’的节段315a和315b形成的图案。

磁性部311’和/或磁性驱动部611’优选地由复合材料或双组分材料(特别是磁体/聚合物混合物)制成，更优选以注射成型工艺制成。磁性部311’和/或磁性驱动部611’可为分开的部件，它们被设置在混合器轴310或驱动构件613上，且优选地可拆卸地附接到其上。

特别优选的是，磁性部311’与混合器轴310形成整体，优选地通过在混合器轴310的端部上注射成型复合材料或双组分材料(特别是磁体/聚合物混合物)。而且，特别优选的是，磁性驱动部611’与驱动构件613形成整体，优选地通过在驱动构件613上注射成型复合材料或双组分材料(特别是磁体/聚合物混合物)。

特别地，图5A、图5B、图5C所示的顶板100优选地为整体结构，且优选由聚酰胺以注射成型工艺制成，顶板100包括设置在其外侧的连接器120以及设置在其内侧的封液管110。封液管110匹配连接器120的一部分，以便各种仪器、传感器、导管或管可通过相应的连接器120及通过封液管110插入反应室并从反应室移除。连接器120用于提供反应过程所必需的物质和/或从反应室400移除物质(例如操作期间产生的气体)。连接器120也可被称为覆盖物，而封液管110为浸入物(submersible)。

例如，连接器123被用于连接到废气管701，在废气管701的端部设置消毒排气过滤器702。通过废气管701排出的废气流可被例如另一个装置(优选地为温度控制装置)处理。消毒过滤器702用于在废气被排出前过滤废气。废气管701的连接器123的旁边是由两个U形轮廓形成的连接槽124，这两个U形轮廓特别适合于接纳废气冷却元件700。废气冷却元件700可被实施为冷却元件，如申请人同日的题为“Device for a sterile single-usefluid conduit of a single-use bioreactor and methods for treating a fluidstream(用于一次性使用的生物反应器的无菌的一次性使用的流体导管的装置和用于处理流体流的方法)”的平行申请中所描述的。这样的冷却元件700被用于冷却管701中的废气且使在管中输送的任何流体冷凝，随后在管中输送的流体优选地借助重力返回反应室400，以便流体在反应室中再一次被利用而不会阻塞消毒过滤器702。

连接器120可被实施为例如带有内螺纹的螺旋式连接器121，或夹紧连接器122或锥形连接器125。图5A、图5B和图5C中所示的连接器120和封液管110的布置提供了高度的灵活性，所以具有这样的顶板100的一次性使用的反应器适合于许多应用，不仅是在细胞培养领域，而且在微生物学领域。应用中不需要的连接器120可关闭，如图所示，例如在图1A、图4A和图4B中的两个螺旋式连接器121。例如，图5A、图5B和图5C中可见设置在两个螺旋式连接器121之间的三个锥形连接器125，图4A、图4B示出了管被推到这些锥形连接器上。在图2C所示的变型中，两个螺旋式连接器121中的后一个被盖子封闭，然而两个螺旋式连接器121中的前一个则支撑功能元件。例如，用于探测pH、溶解氧(DO)或温度的传感器，或其他种类的传感器可被连接到连接器120，并优选经由封液管110插入反应室。两个螺旋式连接器121优选实施为Pg 13.5端口。

一个特别优选的连接器120和顶板100的组合包括两个被实施为Pg13.5端口的螺旋式连接器、用于顶部空间和浸没的充气(对水或介质)的气体连接器、废气连接器和用于废气冷却的插头连接件、带有取样阀(例如无针(swabable)阀)的取样连接器、介质连接器、两个封液管、用于电阻温度检测器(T或RTD)的连接器、以及具有渗透膜的溶解氧(DO)传感器连接器。特别优选的顶板100上的连接器120的组合在图5A、图5B和图5C中示出。

与一次性使用的生物反应器1一起使用并能够接触反应介质的管和连接材料优选由按照美国药典USP VI级认证的材料制成，例如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺或硅。所使用的管优选地为由热塑性弹性体制成的柔性管。

在前面的说明书、权利要求书和附图中公开的本发明的特征可为用于实现本发明的它们的单独的和任意组合的多种实施例中的材料。

Claims (12)

1.一种一次性使用的生物反应器(1)，所述生物反应器包括顶板、尺寸稳定的容器和混合器，其中，所述顶板(100)和所述容器(200)围成反应室(400)，所述顶板(100)具有面向所述反应室(400)的内侧(101)和背离所述反应室(400)的外侧(102)，以及

所述混合器(300)具有混合器轴(310)和搅拌构件(320)，所述混合器轴(310)能绕一旋转轴线旋转地被安装在轴承(500)中，所述搅拌构件(320)被扭转刚性地附接于所述混合器轴(310)，其特征在于，

所述轴承(500)被设计为滚柱轴承，所述一次性使用的生物反应器具有轴承座(510)，所述轴承座界定用于在所述反应室(400)内容纳所述轴承(500)的轴承室(520)，其中所述轴承座(510)借助卡扣、夹持或螺纹连接而可拆卸地附接，其中所述顶板具有用于接纳所述轴承的凸部(130)，

所述混合器轴(310)具有磁性部(311、311’)，所述磁性部以能在轴向方向磁性联接到旋转驱动器(600)的方式被设置和适配，所述凸部接纳所述磁性部，

所述顶板(100)为整体结构，所述顶板包括设置在其外侧的多个连接器以及设置在其内侧的多个封液管(110)，且所述封液管的长度为，使得当使用该顶板的一次性使用的生物反应器被填充到最小填充体积时，所述封液管浸在容纳物或培养液中。

2.根据权利要求1所述的一次性使用的生物反应器(1)，其特征在于，所述混合器(300)和所述轴承(500)被完全地设置在所述反应室(400)中。

3.根据权利要求1所述的一次性使用的生物反应器(1)，其特征在于，所述磁性部(311、311’)由包括塑料基质和磁性材料的复合材料组成，或者包括这样的复合材料。

4.根据权利要求2所述的一次性使用的生物反应器(1)，其特征在于，所述磁性部(311、311’)由包括塑料基质和磁性材料的复合材料组成，或者包括这样的复合材料。

5.根据前述权利要求2-4中任一项所述的一次性使用的生物反应器(1)，其特征在于，

所述磁性部(311’)在垂直于所述混合器轴(310)的平面内具有横截面，所述磁性部在所述横截面的大部分上施加磁性力，用于在轴向方向上磁性联接旋转驱动器(600)。

6.根据权利要求5所述的一次性使用的生物反应器(1)，其特征在于，所述磁性部在整个横截面上施加磁性力。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的一次性使用的生物反应器(1)，其特征在于，所述滚柱轴承为带有玻璃滚珠轴承(502)的聚合物滚柱轴承(501)，所述聚合物滚柱轴承包括热塑性塑料滚珠座圈。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的一次性使用的生物反应器(1)，其特征在于，所述顶板(100)和所述容器(200)永久地彼此连结，

所述顶板(100)由第一材料构成，所述容器(200)由第二材料构成，所述混合器轴(310)和/或所述搅拌构件(320)由第三材料构成，

所述第一材料和所述第二材料具有比所述第三材料更高的耐热性。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的一次性使用的生物反应器(1)，其特征在于，所述顶板(100)和所述容器(200)具体地通过超声波焊接或红外线焊接而被互相结合或焊接。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的一次性使用的生物反应器(1)，其特征在于，所述顶板(100)以注射成型工艺制造。

11.一种一次性使用的生物反应器(1)，所述生物反应器包括顶板、尺寸稳定的容器和混合器，其中，所述顶板(100)和所述容器(200)围成反应室(400)，所述顶板(100)具有面向所述反应室(400)的内侧(101)和背离所述反应室(400)的外侧(102)，以及

所述混合器(300)具有混合器轴(310)和搅拌构件(320)，所述混合器轴(310)能绕一旋转轴线旋转地被安装在轴承(500)中，所述搅拌构件(320)被扭转刚性地附接于所述混合器轴(310)，其特征在于，所述轴承(500)被设计为滚柱轴承，所述一次性使用的生物反应器具有轴承座(510)，所述轴承座界定用于在所述反应室(400)内容纳所述轴承(500)的轴承室(520)，其中，所述轴承座(510)通过结合或焊接永久地连结所述顶板(100)的内侧(101)，所述顶板具有用于接纳所述轴承的凸部(130)，

所述混合器轴(310)具有磁性部(311、311’)，所述磁性部以能在轴向方向磁性联接到旋转驱动器(600)的方式被设置和适配，所述凸部接纳所述磁性部，

所述顶板(100)为整体结构，所述顶板包括设置在其外侧的多个连接器以及设置在其内侧的多个封液管(110)，且所述封液管的长度为，使得当使用该顶板的一次性使用的生物反应器被填充到最小填充体积时，所述封液管浸在容纳物或培养液中。

12.根据权利要求11所述的一次性使用的生物反应器(1)，其特征在于，所述轴承座(510)通过超声波焊接而永久地连结所述顶板(100)的内侧(101)。