CN106414702A - 具有声致泳动设备的一次性生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一次性生物反应器系统，该系统包括：袋部，其具有第一端和第二端。声致泳动设备布置在袋部的第一端并且能够与袋部分离。致动机构可操作地与袋部的第二端连接。致动机构构造为使袋部的第二端朝向声致泳动设备移动，使得袋部的容积内的流体流过声致泳动设备并且将所需的生物分子运送到袋部外以供采集，而细胞和其它碎片则保留在袋部内以供处理。

Description

具有声致泳动设备的一次性生物反应器

相关申请的交叉引用

本发明要求2014年3月10日提交的美国临时专利申请No.61/950,309的优先权，该专利的全部公开内容通过引用的方式并入本文。

背景技术

在许多应用中期望能够将颗粒/流体混合物分离成单独的成分。声致泳动(acoustophoresis)利用高强度声波来分离颗粒，而不使用膜或物理尺寸的排除过滤器。已知当流体的密度和压缩率分别与颗粒的密度和压缩率存在差值(或所谓的对比系数)时，高强度的声音驻波可以在流体中的颗粒上施加力。驻波具有看起来在时间上“停滞”不变的压力分布。驻波中的压力分布包括在驻波的波节和波腹处的净零压的区域。取决于颗粒的密度和压缩率，颗粒将被捕获在驻波的波节或波腹处。驻波的频率越高，就能够捕获到越小的颗粒。

生物技术领域的发展由许多因素导致，其中一些因素包括可用于生物反应器的装备的改进。装备的改进使得可大量和低成本地进行生物衍生物质的生产，诸如单克隆抗体和重组蛋白等。用于基于生物学的新药的生产工艺的关键因素之一是生物反应器及与其相关的附属工艺。

现代生物反应器是非常复杂的装备。装备提供流体流量、气体气体含量、温度、pH和氧含量，以及其它参数的调节。所有这些参数都可以被调准从而允许细胞培养物尽可能有效地从生物反应器工艺制取所需的生物分子。用于生物反应器领域的一种工艺是灌注式工艺。灌注式工艺由于其较低的资本成本和较高的生产量而区别于分批补料式(fed-batch)工艺。

在分批补料式工艺中，将培养物接种于生物反应器中。采用在生长周期过程中逐步添加大量新鲜的所选的营养物来提高生产率和生长。在收集培养物之后回收通常为单克隆抗体和重组蛋白的产物。目前使用诸如硅藻土(DE)过滤器和膜过滤器等不同类型的用于分离的过滤器来实施细胞、细胞碎片和其它废弃产物与所需的产物的分离。这种过滤器较为昂贵并且随着生物反应器物质的处理而变得堵塞并失去功能。分批补料式生物反应器的启动成本高，并且通常为了在生长周期结束时获得具有成本效益的量的产物而要求大的体积，并且这种工艺包括大量非生产性的停工期。

灌注式生物反应器处理被供入生物反应器中的一批连续的新鲜培养基，同时抑制生长的副产物被不断地移除。灌注式生物反应器工艺可以减少或消除非生产性停工期。灌注式培养所达到的细胞密度(3000–10000万个细胞/毫升)通常高于分批补料模式的细胞密度(500-2500万个细胞/毫升)。然而，灌注式生物反应器需要细胞保持设备以防止当移除副产物时培养物逸出。这些细胞保持系统增加了灌注式工艺的复杂程度，并且需要管理、控制和维持以有效运转。以前，诸如细胞保持装备的故障或失灵等操作问题是灌注式生物反应器的难题。这在过去限制了它们的吸引力。

期望的是提供这样的装置：可以减少使用生物反应器以及从生成产物的细胞分离所需的产物的成本和困难。

发明内容

在多个实施例中，本发明涉及用于生产诸如重组蛋白或单克隆抗体等生物分子的系统、以及用于从一次性生物反应器系统中的细胞培养物分离这些所需的产物的工艺。通常地，生物反应器包括用于产生多维驻波的位于生物反应器的出口附近的声致泳动设备。驻波用于将细胞培养物和其它固体在生物反应器内保持在位。包含所需的生物产物/生物分子的液体培养基流出生物反应器并被采集。然后，可以从液体培养基分离/收集生物分子。

对于三维声场，可以使用Gor’kov公式来计算适用于任何声音场的声学辐射力F_ac。初级声学辐射力F_ac被定义为场势能U的函数，

其中，场势U被定义为，

并且f1和f2为单极和偶极贡献，其被定义为，

其中，p为声压，u为流体颗粒速度，Λ为细胞密度ρ_p与流体密度ρ_f的比，σ为细胞声速c_p与流体声速c_f的比，V_o为细胞体积，并且<>表示求经过波周期的时间平均值。

超声换能器中压电晶体的多模方式的扰动允许生成多维声驻波。使用下述压电晶体来生成驻波允许生成多维声驻波：该压电晶体被特别地设计为当其向流体提供具有所设计频率的活塞式振荡时以多模方式变形。可以在压电晶体的诸如可生成多维声驻波的3×3模式等不同模式下生成多维声驻波。还可以通过允许压电晶体经由许多不同模态振动来生成大量的多维声驻波。因此，晶体将激发诸如0×0模式(即，活塞模式)到1×1、2×2、1×3、3×1、3×3以及其它高阶模式等多个模式，然后通过晶体的低阶模式循环返回(不一定是直接顺序)。晶体在多个模式之间的切换或抖动允许不同的多维波形，以及在指定时间中生成单个活塞模态。

在多个实施例中，公开了一种一次性生物反应器系统，该系统包括：袋部，其具有第一端、第二端和位于所述第一端处的孔口；声致泳动设备，布置在所述袋部的第一端周围并且能够与所述袋部分离；以及致动机构，其可操作地与所述袋部的第二端连接，所述致动机构构造为使所述袋部的第二端朝向位于所述袋部的第一端的所述声致泳动设备移动。

所述袋部可以包括多层不同功能的聚合物层。所述袋部是波纹状(corrugated)的，从而允许所述袋部本身收缩。

所述袋部还可以包括布置在所述袋部的第一端处的颈部分，所述颈部分包括所述孔口。在该实施例中，所述声致泳动设备可以布置在所述颈部分上并且在所述孔口的上游。所述声致泳动设备可以构造为在所述孔口的上游生成多维驻波。

所述系统还包括布置在所述袋部内的叶轮(impeller)。所述袋部的一侧可以包括不透液接入点，可以通过该不透液接入点将所述叶轮插入所述袋部的内部容积中和从袋部的内部容积移除。作为选择，所述袋部的一侧可以包括用于与被永久地密封在所述袋部的内部容积内的叶轮连接的插口，所述插口用于向所述叶轮提供电力。

在一些实施例中，所述致动机构包括：布置在袋部的第二端的外部周围的盘部件；以及可操作地与所述盘部件连接的螺杆部件。当所述螺杆部件旋转时，所述盘部件构造为使所述袋部的第二端朝向所述声致泳动设备移动，从而减小所述袋部的容积。

在其它实施例中，所述致动机构包括：布置在袋部的第一端的至少一个卷筒；以及可操作地与所述袋部的第二端连接并且卷绕在至少一个卷筒上的至少一个线缆(cable)。当围绕所述至少一个卷筒的所述至少一个线缆移动时，所述至少一个线缆使所述袋部的第二端朝向所述声致泳动设备移动，从而减小所述袋部的容积。

还公开了使所需的生物分子与固体废料和渗透液的混合物分离的方法，所述方法包括：接纳填充有所述所需的生物分子、所述固体废料和所述渗透液的袋部；致动可操作地与所述袋部的第二端连接的致动机构；收缩所述袋部，使得所述固体废料和所述渗透液朝向所述袋部的第一端上的孔口流动；并且使用布置在所述孔口上游的所述声致泳动设备生成多维驻波，从而在容许所述生物分子和所述渗透液穿过所述孔口的同时减少穿过所述孔口的固体废料的量。

在下文中更具体地描述这些和其他的非限制性特征。

附图说明

下面是对附图的简要说明，其目的是示出所本文公开的示例性实施例，并且不应作为对公开内容的限制。

图1示出处于未致动状态的生物反应器系统的第一实施例。

图2示出处于致动状态的图1的生物反应器系统。

图3示出处于未致动状态的生物反应器系统的第二实施例。

图4示出处于致动状态的图3的生物反应器系统。

图5为常规超声换能器的截面图。

图6为本发明的超声换能器的截面图。该换能器中存在气隙，并且不存在衬里层或耐磨板。

图7为本发明的超声换能器的截面图。该换能器中存在气隙，并且存在衬里层或耐磨板。

图8为以不同频率驱动的正方形换能器的电阻抗振幅对频率的曲线图。

图9示出图8中的峰振幅中的七个的沿流体流的正交方向的捕获线(trappingline)结构。

图10是示出声学辐射力、浮力和斯托克斯阻力相对于颗粒尺寸的关系的图。水平轴线的单位为微米(μm)并且竖直轴线的单位为牛顿(N)。

具体实施方式

通过参照以下对所需的实施例及其所包括的实例的详细描述，本发明将更加易于理解。在以下说明书及其所附权利要求中，提及了大量术语，其应当被定义为具有以下含义。

尽管在下述说明中为了清楚的目的而使用特定的术语，但是这些术语仅仅用于指代为说明附图而选择的实施例的特定结构，并不用于定义或限定公开内容的范围。在下述附图和说明中，应理解，相同附图标记表示相同作用的部件。

除非特别说明，否则单数形式“一个”、“一种”和“这种”包括复数的所指对象。

本文所用术语“包括”是指存在所指部件/步骤，并且允许存在其它部件/步骤。术语“包括”应当被解释为包括术语“由……构成”(术语“由……构成”只允许存在所指部件/步骤)，以及来自所指部件/步骤制造过程中的任何杂质。

数值应当被理解为包括当简化为相同数目的有效数字时相同的那些数值，以及本申请中所述的用于确定所述值的常规测量技术实验误差以内的与所述值不同的数值。

本文所公开的所有范围包括范围的端点并且这些范围可独立地组合(例如，范围“2g至10g”包括端点2g和10g，以及所有中间的值)。

术语“约”可以用来包括可以在不改变该值的基本功能的情况下变化的任何数值。在用于范围时，“约”也公开了由两个端点的绝对值限定的范围，例如“约2至约4”也公开了范围“从2至4”。术语“约”可以指所表示的数的正负10％。

应当注意到，本文所用的很多术语为相对术语。例如，术语“上部”和“下部”在位置上彼此相对，即，在给定的方向，上部部件位于比下部部件更高的高度，但如果设备倒转，这些术语可以改变。术语“入口”和“出口”是相对于流体流经给定结构而言的，例如，流体流经入口进入结构，并且流经出口流出结构。术语“上游”和“下游”是相对于流体流经各部件的方向而言的，即，流体在流经下游部件之前流经上游部件。应当注意到，在环路中，第一部件可以被描述为第二部件的上游也可以被描述为第二部件的下游。

术语“水平”和“竖直”用于表示相对于绝对参照物(即地平面)的方向。然而，这些术语不应当被解释为要求结构之间彼此绝对的平行或绝对的垂直。例如，第一垂直结构和第二垂直结构不是必须彼此平行。术语“向上”和“向下”也是相对于绝对参照物而言的；向上流动常与地球重力相反。

本申请涉及“相同的数量级”。如果大数值除以小数值的商为小于10的值，那么两个数值为相同的数量级。

本文所用术语“搅拌器”是指任何能够用于导致流体混合从而使流体中的物质分散并变得更均匀的设备或系统。所用术语“叶轮”是指诸如桨叶等物理搅拌器。叶轮以外的搅拌器的例子可以包括通风装置(aerator)(其利用空气)。

生物反应器对于生产如重组蛋白或单克隆抗体等生物分子是有用的。通常，在具有培养基的生物反应器容器中培养细胞以产生所需产物，然后通过从细胞和培养基中进行分离来收集所需产物。已经证明使用包括中国仓鼠卵巢(CHO)、NS0杂交瘤细胞、幼仓鼠肾(BHK)细胞和人细胞等哺乳动物细胞培养物对于生产/表达现今药物所需的重组蛋白和单克隆抗体是非常有效的。

已投入很多努力制造一次性生物反应器。在许多应用中，用悬挂在中空器皿中的多层聚合物袋部替代常规不锈钢固定容积生物反应器容器。这种一次性系统在提高生物制药物质的产能时变得必不可少。诸如硅藻土(DE)和膜过滤器等常规的物理过滤系统受到由这种分批补料式生物反应器产生的细胞、细胞残渣和其它碎片的挑战。

在本发明中，使用至少一个声致泳动设备与一次性生物反应器袋部结合以帮助过滤生物反应器袋部本身内的分批补料。例如，在分批补料反应器的生产周期结束时，在生物反应器的流出端将一个或多个声致泳动设备连接至可折叠的生物反应器袋部。这样能够在允许包含所需的产物(例如单克隆抗体、重组蛋白)的渗透液流过声致泳动设备并通过无菌过滤和/或色谱仪进一步分离的同时使浓缩液的内容物(即细胞、细胞碎片和其它颗粒)保持在当前使用的一次性生物反应器袋部内。

本发明的声致泳动工艺相对于常规工艺的主要优点为：一次性生物反应器袋部经由软管附接到诸如硅藻土深层过滤器等次级过滤操作。常规工艺使用额外的软管、泵和其它传送装备以将生物反应器产物带至过滤系统。很多时候，由于生物反应器中细胞和细胞碎片的性质，即使对于相对较小的1000升生物反应器，也需要多次更换过滤系统中的过滤器。这使得产物因额外的过滤工艺会损失和消耗。

本发明的声致泳动分离技术采用超声波声驻波来捕获(即，保持固定)宿主流体流中的颗粒。在这种情况下的颗粒、CHO细胞聚集在多维声驻波的波节处形成细胞团，细胞团在长到能够克服多维声驻波的保持力的足够大的尺寸时最终脱离多维声驻波。这是与以前的方法的重要区别，在以前的方法中，颗粒轨迹仅被声学辐射力的效果改变或被活塞模式声驻波保持。从颗粒散射的声场导致三维声学辐射力，其用作三维捕获场。当颗粒相对于波长较小时，声学辐射力与颗粒体积(例如半径的立方)成比例。其与频率和声学对比系数成比例。其还与声能(例如声压振幅的平方)成比例。对于谐波激励，力的正弦空间变化驱动颗粒处于驻波内的稳定的轴向位置。当施加于颗粒上的声学辐射力强于流体阻力与浮力和重力的组合效果时，颗粒被捕获在声驻波场中。这导致被捕获的颗粒的聚集、团聚和/或聚结。此外，次级的颗粒间力(诸如Bjerkness力等)增加颗粒团聚。这些细胞团最终克服多维声驻波的保持力，结果，细胞团可以通过细胞团的增大的重力沉降与较小的所需的生物分子分离开。

关于声致泳动设备的一个具体应用是在生物反应器物质的处理中。重要的是能够从流体流中的被表达的物质中过滤全部细胞和细胞碎片。被表达的物质由诸如重组蛋白或单克隆抗体等生物分子构成，并且是要回收的所需的产物。通过使用声致泳动，细胞和细胞碎片的分离非常有效并且到导致几乎没有被表达的物质损失。这是相对于现有过滤工艺(深层过滤、正切流动过滤、离心分离)的改进，现有过滤工艺在高细胞密度的情况下显示出有限的效率，使得过滤床本身中的被表达的物质的损失高达生物反应器中的细胞所产生的被表达的物质(单克隆抗体和重组蛋白)的5％或更大。已经证明使用包括中国仓鼠卵巢(CHO)、NS0杂交瘤细胞、幼仓鼠肾(BHK)细胞和人细胞等哺乳动物细胞培养物对于生产/表达现今药物所需的重组蛋白和单克隆抗体是非常有效的。通过声致泳动对哺乳动物细胞和哺乳动物细胞碎片进行过滤有助于大大增加生物反应器的产量。

就此而言，对比系数是颗粒的压缩率和密度与流体本身的压缩率和密度的差值。这些性质是颗粒和流体本身的特性。与细胞悬浮在其中的培养基相比，大多数细胞类型都具有较高的密度和较低的压缩率，因此细胞与培养基之间的声学对比系数为正值。结果，轴向的声学辐射力(ARF)驱动具有正的对比系数的细胞朝向声压波节面(pressure nodalplane)移动，而具有负的对比系数的细胞或其它颗粒被驱动为朝向声压波腹平面(pressure anti-nodal plane)移动。声学辐射力的径向或横向分力帮助捕获细胞。ARF的径向或横向分力大于流体阻力与重力的组合效果。

当细胞团聚在驻波的波节时，还存在细胞培养基的物理洗涤作用，由此，由于细胞与已经保持在驻波中的细胞接触，因此更多的细胞被捕获。这通常可从细胞培养基中分离细胞。被表达的生物分子保留在营养流体流(即，细胞培养基)中。

期望地，一个或多个超声换能器在流体中生成三维或多维声驻波，该三维或多维声驻波对悬浮的颗粒施加横向力以伴随轴向力，由此增加驻波的颗粒捕获能力。发表在文献中的典型结果记载，横向力比轴向力小两个数量级。与此形成对比的是，本申请公开的技术提供了与轴向力相同数量级的横向力。

也可以使用任意相位驱动多个超声换能器。换言之，多个换能器可以在彼此异相的同时工作以使流体流中的物质分离。作为选择，被分为有序阵列的单个超声换能器还可以操作为使得阵列的一些构件与阵列的其它构件异相。

由一个或多个压电换能器生成三维(3-D)或多维声驻波，其中换能器以电或机械方式激发以使得换能器以多激发模式移动。如此生成的波的类型被表征为复合波，该复合波具有与漏对称(leaky symmetric)(还称为压缩或延伸)兰姆波相似的位移特性曲线。由于波辐射到水层中，因此它们发生泄漏，这导致在水层中生成声驻波。对称兰姆波具有关于压电元件的中性轴线对称的位移特性曲线，从而在3D空间中生成多个驻波。通过生成这种方式的波，与压电换能器以仅生成单个平面(planar)驻波的“活塞”模式被激发相比，生成了更高的横向捕获力。因此，在相同的压电换能器输入功率下，三维(3-D)或多维声驻波能够具有这样的更高的横向捕获力：强度可能达到和超过在活塞模式中生成的单声驻波的强度的10倍。

有时，由于声流动，需要调整驻波的频率和电压振幅。这可以通过振幅调节和/或频率调节来完成。驻波传播的工作周期也可以用于实现捕获物质的一定结果。换言之，可以在不同频率下打开和关闭声束以实现所需结果。

由本发明的超声换能器生成的总声学辐射力(ARF)的横向力是可观的，并且足以克服大于等于1厘米/秒的高线性速度的流体阻力。因此，该横向ARF可以用于在渗透液以这样相对较快的流量逸出的同时将固体(例如细胞和细胞碎片)保持在一次性生物反应器袋部内。这对于分批补料式生物反应器和灌注式生物反应器都成立。

图1和图2示出了本发明的一次性生物反应器系统100的第一实施例。如下文中所详述，系统100包括：袋部102、可操作地与袋部102的一部分连接的致动部件104以及可操作地与袋部102的一部分连接并且与致动部件104间隔开的至少一个声致泳动设备106。

袋部102包括具有第一端110和相反的第二端112的主袋体108。主袋体108的外部表面114在第一端110与第二端112之间延伸。主袋体108还限定了以在第一端110与第二端112之间延伸的外部表面114为边界的袋部内部容积116。主袋体108的第一端110包括一个或多个孔口120。如图所示，袋部形成为包括一个或多个颈部分118，每个颈部分118包括位于其相对于袋部的内部容积的远端的孔口120从而允许生物物质的释放(如下文中所详述)。如图1所示，第一端110包括三个颈部分118；然而，第一端110可以包括任何所需的数量的颈部分118。在一些实例中，可以经由孔口120将用于生物反应器的初始物质引入到袋部102中。在其它实例中，可以在主袋体108上设置与第一端110相邻的次级孔口120’，可以经由次级孔口120’将初始物质引入到袋部102中。

主袋体108由至少一个聚合物层(例如，聚乙烯、聚氨酯、聚丙烯等)制成。在其它实例中，袋部102由多层不同功能的聚合物层制成。这些聚合物层可以用作防水层、提供强度的层等。例如，在一些实例中，袋部的外部(即最外层)是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)聚合物。生物反应器袋部的中间或中央层通常可以是乙烯-乙烯醇(EVOH)或聚乙酸乙烯酯(PVA)。内部层(与生物反应器细胞培养基接触)通常为诸如低密度聚乙烯或极低密度聚乙烯等聚乙烯聚丙烯。袋部具有通常为至少1升到1000升的较大的内部容积，并且在需要时甚至可以更大。

如图所示，袋部是波纹状的，或换言之，袋部包括波纹部122。如下文中所详述，这些波纹部122允许袋部102本身收缩并且更容易地折叠，从而减小袋部的容积。

声致泳动设备106布置在主袋体108的第一端110。如图所示，声致泳动设备106布置在颈部分118上/周围并且在孔口120的上游。当存在多于一个颈部分118时，可以在每个颈部分118上布置单个声致泳动设备106。于是，可以在每个孔口120的上游生成多维声驻波，从而减少伴随着渗透液从每个孔口离开的细胞和细胞碎片的量。应认识到，声致泳动设备106是可与主袋体108(即，与第一端部110)分离(即，可移除)的。

在一些实施例中，诸如叶轮124等搅拌器布置在袋部102内。搅拌器用于使布置在袋部的内部容积116内的渗透液128和细胞130循环。叶轮124被示出为一组旋转叶片，但是可以考虑任何类型的导致循环的系统。叶轮可以通过包括防水封套的接入点插入袋部中，并且随后在完成分批补料工艺后被移除。作为选择，叶轮可以由一次性材料(例如塑料)制成，并且叶轮被封闭在袋部的内部且简单地与袋部一侧的提供电力的插口连接。作为又一选择，可以将生物反应器放置在产生非侵入式摆动运动的摆动支撑件上，例如在由GE医疗生命科学(Healthcare Life Sciences)提供的WAVETM生物反应器系统中。

生物反应器系统100容许接种的培养物经过生长/生产周期生长，在这期间中，碎片、细胞废料和细胞130会积累在袋部102中，并且还会产生所需产物(例如，可包括单克隆抗体、重组蛋白、激素等的生物物质126)。然后生物物质126和渗透液128在生产周期结束时被收集并被采集到袋部102之外，而细胞130和其它固态废料则保留在袋部102中。

为了收集生物物质126和渗透液128，将致动机构104可操作地与主袋体108的第二端112连接以使第二端112朝向声致泳动设备106(即，朝向袋部102的第一端110)移动并且减小袋部的容积。在一个示例性实施例中，如图1和图2所示，致动机构104包括螺杆部件132以及可操作地与螺杆部件132连接的盘部件134。如图所示，螺杆部件132和盘部件134布置在袋部102的第二端112，并且声致泳动设备106布置在袋部102的第一端110。应认识到，致动机构104和声致泳动设备106布置在袋部102的彼此相反的两端110、112处。

螺杆部件132包括头部分136和螺纹部分138。螺杆部件132与盘部件134连接。盘部件134包括限定盘部件空腔142的盘部件主体140。盘部件空腔142的大小和尺寸被设计为被配合在主袋体108的周围(即，接纳主袋体108)。盘部件主体140的一部分可操作地与螺杆部件132的螺纹部分138连接(例如，通过焊接)。

将螺杆部件132的头部分136相对于声致泳动设备106固定在位。换言之，头部分136与声致泳动设备106之间的距离恒定不变。这可以例如使用框架来实现。

如图2所示，当螺杆部件132旋转时，螺杆部件132的螺纹部分138使盘部件主体140沿径向移动(即，沿上下方向移动)。例如通过手动、通过在螺纹部分138的远端旋转螺丝刀或者通过其它使头部分136旋转螺纹部分138的方式(例如，电子控制器)，可以产生这种旋转。

由盘部件主体140向主袋体108施加的压力导致内部容积116减小。换句话说，盘部件134使主袋体108的第二端112收缩。优选地，波纹部122收缩(即，像手风琴那样)以帮助袋部102的收缩。结果，盘部件134使袋部102的内容物(例如，生物物质126、渗透液128和细胞130)朝向袋部的第一端110并朝向声致泳动设备106移动。在通过声致泳动设备106时，生物物质126和渗透液128经由孔口120离开并且被生物反应器系统100内的采集单元(未示出)采集。另一方面，细胞130和其它固体物质保留在袋部102中以供处理。

参考图3和图4，在另一示例性实施例中，致动机构104包括布置在主袋体108的第一端110的至少一个卷筒144，以及与主袋体108的第二端112可操作地连接的至少一个线缆146。卷筒144附接在生物反应器系统100的一部分(即，壁)上。如图3和图4所示，单根线缆146卷绕在布置在主袋体108的相反两侧(即，主袋体108的左右侧)的一对卷筒144上；然而，应了解，可以使用任何数量的线缆146或卷筒144。

在一些实施例中，卷筒144’中的仅一个是可移动的，而其它卷筒144”则是固定的(即，不能旋转并且用作固定点)。可以通过任何适当的装置(例如，手动、电子控制器等)使可移动的卷筒144’旋转。结果，当旋转可移动的卷筒144’时，线缆146卷绕在被旋转的卷筒144’上，而固定的卷筒144”则保持线缆146中的张力。在可移动的卷筒144’旋转时，随着线缆146卷绕在可移动的卷筒144’上，线缆146的松弛被收紧。线缆146中的张力导致主袋体108的第二端112收缩以使第二端112朝向声致泳动设备106移动，从而导致主袋体108的内部容积116减小。有利地，波纹部122收缩(即，像手风琴那样)以帮助袋部102的收缩。结果，线缆146使袋部102的内容物(例如，生物物质126、渗透液128和细胞130)朝向袋部102的第一端110移动，从而内容物朝向声致泳动设备106移动以进行分离。

在致动部件104的致动期间，使用声致泳动设备106生成多维驻波148。如上文所述，驻波148具有这样的频率：在捕获细胞130从而使得细胞130不通过孔口120离开袋部102或至少大大地减少离开袋部的细胞的数量的同时，允许生物物质126和渗透液128经由孔口120离开袋部102。一旦采集了全部(或需要部分的)生物物质126和渗透液128，则将内部仍有细胞130的袋部102与声致泳动设备106和生物反应器系统100脱开并且将袋部102处理掉。

通过在生物反应器的工艺周期结束时将一个或多个声致泳动设备结合到生物反应器的流出孔口上，生物反应器的内容物可以借助生物反应器的收缩或卷起而穿过一个或多个声致泳动过滤器。细胞、细胞碎片和其它固体被捕获在驻波中，聚集成更大的组团并且因重力而掉落回生物反应器中。

图1至图4所示的两个示例性实施例既可用于分批补料式工艺也可用于灌注式工艺。对于分批补料式工艺，在生产周期结束时使用一次致动机构104。对于灌注式工艺，将运行致动机构以减少袋部的内部容积并且迫使渗透液和所需的生物分子穿过声致泳动设备106。然后，将运行致动机构以增大内部容积并容许额外的培养基或细胞添加到袋部。

还应注意，在图1至图4的实施例中，容许渗透液离开内部容积的孔口120位于袋部的上端。通常这样做是由于细胞130的密度大于渗透液的密度，因而一旦细胞130团聚，细胞130将会在重力的作用下向下掉落。将孔口120设置在底端会导致孔口120被堵塞。然而，也可以设想，袋部的孔口120和颈部分118可位于袋部的上端并横向地延伸到袋部的侧面。

现在更详细地描述用于声致泳动过滤设备的一个或多个超声换能器可能是有帮助的。图5为常规超声换能器的截面图。该换能器具有位于底端的耐磨板50、环氧树脂层52、陶瓷晶体54(由例如PZT制成)、环氧树脂层56以及衬里层58。在陶瓷晶体的两侧具有电极：正电极61和负电极63。环氧树脂层56将衬里层58附接到晶体54。整个组件被包括在可以由例如铝制成的外壳60中。电适配器62为电线穿过外壳并连接至附接于晶体54上的导线(未示出)提供连接。通常，衬里层被设计为增加阻尼并形成在宽的频率范围内具有均匀位移的宽带换能器，并且被设计为抑制在特定的振动本征模式下的激发。耐磨板通常被设计为阻抗变换器以更好地匹配介质(换能器向其中进行辐射)的特征阻抗。

图6为本发明的超声换能器81的截面图。换能器81具有铝外壳82。利用压电陶瓷晶体生成一个或多个超声波。压电晶体是钙钛矿陶瓷晶体块，每个钙钛矿陶瓷晶体由二价金属离子(通常为铅或钡)的较大晶格中的较小四价金属离子(通常为钛或锆)以及O^2-离子组成。作为实例，PZT(锆钛酸铅)晶体86限定了换能器的底端，并且其暴露于外壳的外部。晶体在其外周由位于晶体和外壳之间的小弹性层98(例如硅酮或类似的材料)支持。换言之，不存在耐磨层。

螺丝(未示出)通过螺纹88将外壳的铝顶板82a附接至外壳的壳体82b。顶板包括连接器84以将电能传递至PZT晶体86。PZT晶体86的底表面和顶表面各连接至例如银或镍的电极(正和负)。卷绕电极片90连接至底部电极，并且与顶部电极绝缘。通过晶体上的电极将电能提供至PZT晶体86，其中卷绕片90为接地点。应注意，晶体86不具有图30中示出的衬里层或环氧树脂层。换言之，在换能器中在铝顶板82a和晶体86之间具有气隙87(即，气隙完全是空的)。如图7所示，在一些实施例中可以设置最小限度的衬里58和/或耐磨板50。

换能器的设计可影响系统的性能。通常的换能器为层状结构，其中陶瓷晶体结合至衬里层和耐磨板。由于换能器负荷有驻波赋予的高机械阻抗，因此耐磨板的传统的设计准则(例如，对于驻波应用的半波长厚度或对于辐射应用的四分之一波长厚度)和制造方法可能是不合适的。相比较，在本发明的一个实施例中，换能器不具有耐磨板或衬里，这使得晶体以其本征模式之一振动并具有高的Q因数。振动陶瓷晶体/盘直接暴露于流经流动腔室的流体。

去除衬里(例如使晶体以空气作为衬里)还使得陶瓷晶体在很小的阻尼下以振动的高阶模振动(例如高阶模位移)。在晶体具有衬里的换能器中，晶体以更均匀的位移振动，就像活塞。去除衬里使得晶体以非均匀位移模式振动。晶体的模态的阶越高，晶体就具有越多的波节线。尽管捕获线与波节的关联不一定是一对一的，并且以更高的频率驱动晶体不一定产生更多的捕获线，但晶体的高阶模位移产生更多的捕获线。

在一些实施例中，晶体可以具有极少地影响晶体的Q因数(例如小于5％)的衬里。衬里可以由基本上透声的材料制成，例如轻木、泡沫或软木，其使得晶体以高阶模态振动并保持高的Q因数，同时还为晶体提供一定的机械支撑。衬里层可以是实心的，或者可以是在层中具有孔的栅格，这样栅格跟随以特定的高阶振动模式振动的晶体的波节，从而在波节位置提供支撑，同时允许其余的晶体自由振动。栅格结构或透声材料的目的是提供支撑，而不降低晶体的Q因数或干扰特定模态的激发。

使晶体直接与流体接触避免了环氧树脂层和耐磨板的阻尼和能量吸收效应，从而也提供了高的Q因数。其它实施例可以具有耐磨板或耐磨表面以防止含有铅的PZT接触宿主流体。这在(例如)如分离血液的生物应用中可能是希望的。这种应用可以使用诸如铬、电解镍或非电解镍的耐磨层。也可以使用化学气相沉积涂覆聚(p-亚二甲苯)(例如Parylene)或其它聚合物的层。诸如硅酮或聚氨酯等有机或生物相容性涂层也可用作耐磨表面。

在本发明的系统中，该系统在一定电压下运行从而使得颗粒被捕获在超声驻波中，即，保持在固定的位置。颗粒沿着很好限定的捕获线集中排列，这些捕获线分开半个波长。在每个波节面中，颗粒被捕获在最小声辐射势能处。声辐射力的轴向分力驱动具有正对比系数的颗粒向声压波节面移动，而具有负对比系数的颗粒被驱动为向声压波腹平面移动。声辐射力的径向或横向分力为捕获颗粒的力。声辐射力的径向或横向分力与声辐射力的轴向分力具有相同的数量级。如上文所述，可以通过将换能器驱动为高阶模态来提高横向力，这种高阶模态与其中晶体像具有均匀位移的活塞那样有效移动的振动形式不同。声压与换能器的驱动电压成比例。电能与电压的平方成比例。

在一些实施例中，驱动换能器的脉冲电压信号可以具有正弦、矩形、锯齿或三角波形；并且频率为500kHz至10MHz。脉冲电压信号可以用脉冲宽度调制驱动，这产生任何所需的波形。脉冲电压信号还可以具有振幅或频率调制启动/停止能力以消除流(streaming)。

换能器的尺寸、形状和厚度决定了换能器在不同激发频率下的位移，这进而影响了分离效果。通常，换能器在接近厚度共振频率(半波长)的频率下运行。换能器位移梯度通常导致更多的用于捕获颗粒的位置。高阶模位移在声场中在所有方向上生成具有强梯度的三维声驻波，由此在所有方向上产生相等的强声学辐射力，这导致了多个捕获线，其中捕获线的数目与换能器的特定的模态有关。

为了研究换能器位移特性曲线对声学捕获力和分离效果的影响，使用1”×1”正方形换能器重复进行实验10次，其中除了激发频率以外所有条件均相同。将10个连续的声共振频率(图8中以被圈起来的数字1-9和字母A示出)用作激发频率。条件为：实验持续时间30分钟，1000ppm油浓度的约5微米SAE-30油液滴，流速500毫升/分钟，输入功率20W。由于油比水致密，并且能够利用声致泳动从水中分离，因此使用了油液滴。

图8示出当在含有油液滴的水柱中运行时所测量的换能器的作为在2.2MHz换能器共振附近的频率的函数的电阻抗振幅。换能器电阻抗的最小值对应水柱的声共振，并且其代表用于运行的可能的频率。数值模拟表明，换能器位移特性曲线在这些声共振频率处变化显著，由此直接影响声驻波和所得捕获力。由于该换能器在接近其厚度共振下运行，因此电极表面的位移是本质上异相的。换能器电极的典型位移是不均匀的，并且根据激发频率改变。作为一个例子，在一个激发频率下，产生了单行被捕获的油液滴，位移在电极的中间具有单一最大值，在换能器边缘附近具有最小值。在另一个激发频率下，换能器特性曲线具有多个最大值，这导致产生多行受捕获的油液滴。更高阶的换能器位移模式导致更高的捕获力以及多个稳定的被捕获的油液滴捕获线。

作为换能器经过的油-水乳液，观察并研究了油液滴捕获线的特征。如图9所示，对图8所发现的10个共振频率中的七个进行了捕获线特征研究，包括对流动通道中的捕获线数目进行观察和绘制图案。换能器的不同位移特性曲线可在驻波中产生不同的(更多的)捕获线，其中位移特性曲线存在更多梯度通常会产生更高的捕获力和更多的捕获线。

换能器用于建立可生成相同数量级的与驻波方向垂直和沿驻波方向的力的压力场。当力为大致相同数量级时，大小为0.1微米至300微米的颗粒更有效地向团聚区域(“捕获线”)移动。由于垂直声致泳动分力具有相等的大梯度，因此在换能器与反射器之间具有在驻波方向上位置规则分布的“热点”或颗粒集中区。热点位于声学辐射势能最大或最小的位置。这些热点代表颗粒集中位置，其使得能够在集中过程中在换能器和反射器之间实现更好的波传递，以及更强的颗粒间作用力，这导致更快和更好的颗粒团聚。

最后，图10是示出声学辐射力、流体阻力和浮力与颗粒半径的比例的lin-log图(线性的y轴，对数的x轴线)。对用于实验的典型的SAE-30油液滴进行计算。浮力是颗粒体积决定力，因此，对于尺寸在微米数量级的颗粒可以忽略浮力，但浮力的重要性逐渐提高，并且对于尺寸在数百微米数量级的颗粒，浮力是重要的。流体阻力与流速成线性比例，因此，对于微米尺寸的颗粒流体阻力通常超过浮力，但对于数百微米数量级的较大尺寸的颗粒流体阻力则可以忽略。声学辐射力比例的表现与浮力不同。当颗粒尺寸较小时，声学捕获力与颗粒的体积成比例。最终，当颗粒尺寸变大时，声学辐射力不再随着颗粒半径的立方增大，并且将在某一临界颗粒尺寸迅速消失。对于颗粒尺寸的进一步增大，辐射力的大小再次增加但具有相反的相位(未在图中示出)。该模式随着颗粒尺寸的增大而重复。

最初，当悬液流经具有主要为较小的微米尺寸的颗粒的系统时，需要声学辐射力来平衡用于将颗粒捕获在驻波中的流体阻力和浮力的组合效果。在图10中这发生于颗粒尺寸为约3.5微米的情况下(标记为R_c1)。然后，由图表明，所有更大的颗粒也将被捕获。因此，当小颗粒被捕获在驻波中时，颗粒发生聚结/聚丛/聚集/团聚，导致有效颗粒尺寸的连续生长。随着颗粒尺寸的生长，声学辐射力被颗粒反射，从而大的颗粒将导致声学辐射力减小。颗粒尺寸连续生长直至浮力变为主导，以第二临界颗粒尺寸R_c2表示，在该尺寸下，颗粒将根据颗粒相对于宿主流体的相对密度而上升或下沉。随着颗粒上升或下沉，颗粒不再反射声学辐射力，然后使得声学辐射力增大。并非所有颗粒都将脱落，并且那些剩余的颗粒的尺寸还将继续生长。该现象解释了在超过尺寸R_c2时声学辐射力的快速下降和上升。因此，图10解释了小颗粒如何能够被连续捕获在驻波中，生长为更大颗粒或团，然后最终由于增加的浮力而上升或沉降的。

在生物应用中，预期系统的所有部分(例如反应容器、导向或导出生物反应器的管道、温度调节夹套等)都可以彼此分离，并且为一次性的。避免离心和过滤使得能够更好地分离CHO细胞而不会降低细胞活力。还可以改变换能器的频率以在给定功率下获得最佳效果。

已参考示例性实施例对本发明进行了描述。显然地，在阅读和理解上述详细说明的基础上，本领域技术人员可以进行修改和变型。本发明应解释为包括落入所附权利要求书及其等同内容所限定的范围以内的所有修改与变型。

Claims (19)

1.一种一次性生物反应器系统，包括：

袋部，其具有第一端、第二端和位于所述第一端的孔口；

至少一个声致泳动设备，其布置在所述袋部的第一端的周围，所述至少一个声致泳动设备能够与所述袋部分离；以及

致动机构，其可操作地与所述袋部的第二端连接，所述致动机构构造为使所述袋部的第二端朝向位于所述袋部的第一端的所述至少一个声致泳动设备移动。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述袋部包括多层不同功能的聚合物。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述袋部是波纹状的，从而允许所述袋部本身收缩。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述袋部还包括布置在所述袋部的第一端处的颈部分，所述颈部分包括所述孔口。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述至少一个声致泳动设备在所述孔口的上游布置在所述颈部分上。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个声致泳动设备构造为在所述孔口的上游生成多维声驻波。

7.根据权利要求1所述的系统，还包括布置在所述袋部内的搅拌器或叶轮。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述致动机构包括：

盘部件，其布置在所述袋部的第二端的外部周围；以及

螺杆部件，其可操作地与所述盘部件连接。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，当所述螺杆部件旋转时，所述盘部件构造为使所述袋部的第二端朝向所述至少一个声致泳动设备移动，从而减小所述袋部的容积。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述致动机构包括：

至少一个卷筒，其布置在所述袋部的第一端；以及

至少一个线缆，其可操作地与所述袋部的第二端连接并且卷绕在所述至少一个卷筒上。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，当围绕所述至少一个卷筒的所述至少一个线缆移动时，所述至少一个线缆使所述袋部的第二端朝向所述至少一个声致泳动设备移动，从而减小所述袋部的容积。

12.一种使所需的生物分子与固体废料和渗透液的混合物分离的方法，所述方法包括：

接纳填充有所述所需的生物分子、所述固体废料和所述渗透液的袋部；

致动可操作地与所述袋部的第二端连接的致动机构；

收缩所述袋部，使得所述固体废料和所述渗透液朝向所述袋部的第一端上的一个或多个孔口流动；以及

使用布置在所述一个或多个孔口上游的至少一个声致泳动设备生成多维声驻波，从而在容许所述生物分子和所述渗透液穿过所述一个或多个孔口的同时减少穿过所述一个或多个孔口的固体废料的量。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述致动机构包括布置在所述袋部的第二端的外部周围的盘部件以及可操作地与所述盘部件连接的螺杆部件，所述方法还包括旋转所述螺杆部件以使所述盘部件朝向所述至少一个声致泳动设备移动，从而减小所述袋部的容积。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述致动机构包括布置在所述袋部的第一端的至少一个卷筒以及可操作地与所述袋部的第二端连接并且卷绕在所述至少一个卷筒上的至少一个线缆，所述方法还包括移动围绕所述至少一个卷筒的所述至少一个线缆以使所述袋部的第二端朝向所述至少一个声致泳动设备移动，从而减小所述袋部的容积。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述袋部由多层不同功能的聚合物形成。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述袋部是波纹状的。

17.根据权利要求12所述的方法，还包括在生物反应器物质穿过所述至少一个孔口之后处理包含所述固体废料的所述袋部。

18.根据权利要求12所述的方法，通过在所述至少一个声致泳动设备中压电晶体的不同激发模式之间的转移而生成所述多维声驻波。

19.根据权利要求12所述的方法，通过使所述至少一个声致泳动设备中的压电晶体以在固定的时间周期里从1×1模式到高阶模式然后回到1×1模式的方式振动来生成所述多维声驻波。