CN107921327A - 生物反应器冷凝器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生物反应器排气的冷凝器，包括：适于流体地连接到生物反应器排气端口（2）的入口（1）；流体地连接到入口并且经由过滤装置（4）流体地连接到出口（5）的冷却室（3;103）；与冷却室接触的冷却管道（6;106）；与过滤装置接触的加热管道（7）；以及布置成通过冷却管道输送冷气体流且通过加热管道输送热气体流的涡流管（8）。

Description

生物反应器冷凝器

本发明的技术领域

本发明涉及生物反应器，且更具体地涉及用于生物反应器的冷凝器。本发明还涉及在生物反应器中培养细胞的方法。

本发明的背景

细胞培养是生产生物制品的必要步骤，且可在一次性生物反应器系统或在例如钢罐容器的非一次性生物反应器中完成。持续地供应氧气以促进细胞生长，并且移除二氧化碳。流向或来自生物反应器的气体流可含有夹带于气体流中的水分。气体中的水分可在气体通过过滤器或其他系统构件时冷凝。水分和/或冷凝可对过滤器或其他系统构件的功能有害。此外，随着气体流的水分损失可导致细胞培养物中不希望的浓度增加。

目前可得到的冷凝器需要添加单独的过滤器加热器以避免过滤器中的残留水分的冷凝。这增加了复杂性并且因此存在对于提供冷凝和过滤器加热两者的集成装置的需要。

本发明的概要

本发明的一个方面在于提供一种带有嵌入式过滤器加热的用于生物反应器排气的冷凝器。这利用一种冷凝器实现，其包括：适于流体地连接到生物反应器排气端口的入口；流体地连接到入口且经由过滤装置连接到出口的冷却室；与冷却室接触的至少一个冷却管道；与过滤装置接触的加热管道；以及布置成通过冷却管道输送冷气体流且通过加热管道输送热气体流的涡流管。

技术优势在于冷却和加热两者通过简单的低成本装置提供，其提供可容易地输送到冷却室和过滤装置两者的具有适合温度的气体流。

本发明的第二方面在于提供一种带有冷凝器的生物反应器。这利用具有如上文描述的冷凝器的生物反应器实现。

本发明的第三方面在于提供一种用于细胞培养的方法。这利用包括以下步骤的方法实现：提供如上文描述的生物反应器；将培养介质和细胞添加到生物反应器；在搅拌下培养细胞且将至少一种气体添加到生物反应器，其中来自生物反应器的排出气体通过冷凝器输送以将冷凝物再循环至生物反应器。

本发明的进一步适合的实施例在从属权利要求中描述。

附图

图1示出了用于与本发明一起使用的涡流管。

图2示出了本发明的冷凝器和本发明的生物反应器。

图3示出了本发明的冷凝器和本发明的生物反应器（侧视图）。

图4示出了a)用于图3的冷凝器的冷却管道（横向视图）和b)用于图3的冷凝器的冷却室（横向视图）。

图5示出了在示例2的运行期间的袋冷却室和冷却管道上的温度轮廓。

定义

为了更清楚和简洁地描述并指出要求保护的发明的主题，对用在下面的描述及附于其的权利要求中的特定用语提供了下面的定义。

除非上下文清楚地另外指示，否则单数形式“一个”、“一种”以及“所述”包括复数对象。如本文贯穿说明书和权利要求书所使用的近似语言可用于修饰可允许变化而不导致与其相关的基本功能的变化的任何定量表示。因此，由例如“大约”的用语修饰的值不限于指定的精确值。因此，除非相反地指示，下面的说明书和所附权利要求中阐述的数字参数为近似值，其可根据企图由本发明的实施例得到的期望性质而变化。起码每个数字参数至少应该根据所报告的有效数字的数量和通过应用普通的四舍五入技术来解释。

本文的任何方向用语（例如“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”和“高度”）是指如其在附图中出现的那样的装置。连接参考（例如，接合、附接、联接、连接等）应广义地解释，并且可包括元件的连接之间的中间部件和元件之间的相对移动。因此，连接参考并不一定意味着两个元件直接连接且彼此成固定关系。此外，参考各种实施例论述的各种元件可互换以在本发明的范围内产生完全新的实施例。

本文的用语“涡流管”意思是本领域公知的Ranque-Hilsch涡流管（也称为Ranque管、Hilsch装置或Hilsch管）。涡流管的大体描述可在例如美国专利1952281、美国专利3208229、美国专利3461676、美国专利4339926和美国专利5327728中得到，它们由此通过引用以其整体并入。

实施例的详细描述

在由图1-3图示的一个方面，本发明公开了一种用于生物反应器排气的冷凝器40;140，其可备选地称为冷凝器装置。冷凝器/冷凝器装置40;140包括：

i)入口1，其适于流体地连接到生物反应器排气端口2。

ii)冷却室3;103，其流体地连接（例如，经由冷却室入口101和冷却室出口160）到入口1并经由过滤装置4连接到出口5。

iii)与冷却室3;103接触的至少一个冷却管道6;106。冷却管道可例如位于冷却室的内部，或其可形成冷却室的壁22的部分，冷却管道可与冷却室的壁122直接接触和/或具有与冷却室103的壁122直接接触的壁130。冷却管道可适合地具有冷却管道入口14;114和冷却管道出口23;123。在冷却管道位于冷却室内部时的情况下，冷却管道入口和冷却管道出口可适合地位于冷却室的外部。冷却管道可例如为直管状结构、螺旋管状结构或多个管状结构，例如成束的（适合的非多孔的）中空纤维。冷却室也可为双壁的，并且冷却管道可包括双壁之间的空隙容积。备选地，如图4a)中图示的那样，冷却管道106可具有中空的大体上矩形的盒状结构，其带有布置成接触冷却室103的壁122的壁（也称为接触表面）130。如图4b)中图示的那样，冷却室103可例如为柔性袋（例如带有由塑料膜或薄片制成并焊接在一起的前壁和后壁的二维袋），其可具有形式为焊接配件的冷却室入口101和出口160，并且其可夹紧或夹在两个盒状冷却管道之间。如图4b)中指示的那样，冷却室袋的下部区段可具有渐缩或漏斗状的形状，以促进经由入口101移除冷凝物，入口101可位于袋的底部处或邻近袋的底部，适合地在渐缩/漏斗状区段的窄端部处。如果袋103为三维袋，则袋的下部区段可由一个或多个倾斜的支承表面支承，以提供类似的渐缩/漏斗状形状。冷却管道可例如由铰链连接以促进夹紧，并且其可例如由闩锁锁定在夹紧位置。冷却管道中的一者或两者可在接触表面130上具有一个或多个肋部140以局部地压缩袋冷却室，形成穿过袋的曲折流路。除了突出肋部140之外，接触表面130可基本上是平坦的。备选地或额外地，袋冷却室103可具有焊接的流转向器150以用于形成曲折流路。冷却管道可有利地具有小于1.0mm（例如50至1000微米或50至500微米）的壁厚度以改进传热速率，特别是如果冷却管道由塑料制成。备选地或额外地，布置成接触冷却室的壁的冷却管道的壁130可由例如金属的导热材料制成。其可例如由铝制成。

如果冷却管道6位于冷却室的内部，其可在下部端部具有滴物鼻部30以收集冷凝物，冷凝物可通过入口1或经由单独的冷凝线（例如通过重力）返回到生物反应器。

iv)与过滤装置4接触的加热管道7。过滤装置可例如为封装的29过滤介质28，并且其可进一步例如安装在外部过滤器壳体9中，并且加热管道可以可选地位于外部过滤器壳体内部，例如，作为过滤装置和外部过滤器壳体的一个或多个壁25之间的空隙空间24。过滤介质可例如为膜，例如无菌级膜，或纤维性过滤介质，并且其可例如为平的或褶状构造。加热管道可适合地具有加热管道入口15和加热管道出口26。冷凝器可配备有多于一个过滤装置，其可与相同的加热管道或与不同的加热管道接触。如果一个过滤装置堵塞，则可使用例如阀或管夹将流体转移到新的过滤装置。如果使用单独的加热管道，则来自涡流管的热空气流也可转移到与新的过滤装置接触的加热管道。

v)涡流管8，其布置成通过冷却导管6输送冷气体流并且通过加热管道7输送热气体流。涡流管8可适合地为大体上圆柱形的，带有流体地连接到涡流发生器11的至少一个气体入口10、至少一个冷气体出口12和至少一个热气体出口13。涡流发生器（例如，与涡流管的内部容积30的外围31切向地布置的一个或多个喷嘴或管道29）可适于在涡流管的内部容积30中引起旋转的气体流，导致内部容积的外围31附近的热气体和容积的中心32附近的冷气体的富集。因此，热气体出口可布置成从外围收集气体且冷气体出口从中心收集气体。如图1中所示，热气体出口和冷气体出口可位于管的相对的端部处，或它们可位于相同端部处。涡流管可适于通过气体入口接收来自压缩气体（空气）27源的气体流并通过热气体出口供应具有>25℃（例如>30℃或30-50℃）的温度的气体流，并且通过冷气体出口供应具有<20℃（例如<10℃或0-10℃）的温度的气体流。备选地或额外地，涡流管可适于通过气体入口从气体源接收温度t的气体（空气）流，并通过热气体出口供应具有>t + 5℃（例如>t+10℃或t+10℃至t+30℃）的温度的气体流，并且通过冷气体出口供应具有<t-5℃（例如<t-10℃或t-20℃至t-10℃）的温度的气体流。t通常可为环境温度、室温或18-27℃的区间中的温度。气体入口可适合地流体地连接到加压气体（例如加压空气）源，而冷气体出口可流体地连接到冷却管道入口14，并且热气体出口连接到加热管道入口15。适合的涡流管可从加拿大安大略省的Nex Flow^TM Air Products Corp.、美国俄亥俄州的Exair Corp.、美国亚利桑那州的ITW Vortec and Vortex Tube Manufacturing Co.得到。

冷凝器可进一步包括冷凝线且可选地包括用于将冷凝物往回输送到生物反应器18的冷凝泵（未示出）。单独的冷凝线和冷凝泵在其中产生大量的冷凝物的大生物反应器的情况下特别适合。

在一些实施例中，带有冷却管道的冷却室和带有加热管道的过滤装置以及可选的外部过滤器壳体为一次性的，以消除在不同培养之间对清洁/卫生的需要。冷却室、冷却管道和外部过滤器壳体中的至少一个可由塑料制造，以能够用作一次性/单次使用的构件。过滤装置可同样地包括或基本上包括过滤介质28（例如膜或纤维性过滤介质）和包括封装29的塑料构件。至少冷却室、冷却管道、过滤装置和外部过滤器壳体可进一步预组装并作为包装的无菌/预先灭菌或微生物控制的单元供应，以促进一次性使用。灭菌或微生物控制可例如通过伽马照射实现。微生物控制意味着生物负荷降低（例如通过照射），但无菌不需要确认。

在某些实施例中，涡流管安装在冷却室或冷却管道上或与其集成。备选地，冷却室、冷却管道、过滤装置、加热管道以及可选的外部过滤器壳体可安装在涡流管上。

在第二方面，本发明公开了带有如上文论述的流体地连接到生物反应器上的排气端口2的冷凝器/冷凝器装置40的生物反应器。生物反应器可例如包括可折叠袋19，并且排气端口2可流体地连接到可折叠袋的内部容积20。用于与本发明的冷凝器一起使用的带有可折叠袋的适合的生物反应器包括例如在US2005/0272146和美国专利6190913中描述的那些，它们由此通过引用以其整体并入。可折叠袋可例如由刚性支承结构/支承容器支承和围绕，或者其可由摇摆平台上的托盘支承。此外，可折叠袋可包括至少一个喷洒器和/或至少一个搅拌器。生物反应器或可折叠袋可具有至少1L（例如至少10L，1-2500L或10-1000L）的内部容积。

在第三方面，本发明公开了一种在生物反应器中培养细胞的方法，包括以下步骤：

a)提供如上文所述的生物反应器；

b)将培养介质和细胞加入到生物反应器。细胞可为例如动物细胞（例如哺乳动物或昆虫细胞）或微生物细胞（例如细菌或酵母细胞），并且可以可选地选择细胞系以表现为生物制药学的（例如，治疗性）蛋白质或疫苗抗原；

c)在搅拌下培养细胞且将至少一种气体添加到生物反应器，其中来自生物反应器的排出气体通过冷凝器输送以将冷凝物再循环至生物反应器。气体入口10适合地流体地连接到加压气体（例如压缩空气）源，而冷气体出口适合地流体地连接到冷却管道入口14并且热气体出口连接到加热管道入口15。通过热气体出口13输送的气体可例如具有>25℃（例如通过热气体出口的>30℃或30-50℃）的温度，并且从冷气体出口12输送的气体可例如具有<20℃（例如<10℃或0-10℃）的温度。

示例1

设置对应于图2的冷凝器，其中涡流管供有3.0巴（300千帕）的处于20℃的加压空气，并且入口1连接到部分地填充有80℃的水的玻璃瓶，空气通过入口以受控的速率（以400rpm的WM400蠕动泵）经由浸入式汲取管泵送。通过将流引导通过浸入冰水中的玻璃瓶并将该瓶称重来测量出口5处的流中的残留水分。实验进行了3.5小时。

结果：

从涡流管供应到过滤器加热器的热空气具有34℃的温度，供应到冷却管道的冷空气具有5.3℃的温度。当涡流管运行时，相比于没有加压空气供应到涡流管时的16克/小时，在冷却管道出口流中发现1克/小时的残留水分。

由于已知涡流管产生嘶嘶声噪音，所以测量冷凝器的噪声水平，但发现最大为55dB（5.4 kHz），大概由于冷却管道和外部过滤器壳体的消声效果。这个水平在生物过程生产环境中是可接受的。

示例2

设置对应于图3的冷凝器，其中涡流管供有3.0巴（300千帕）的处于20℃的加压空气，并且入口1通过管道连接到XDR 10单次使用生物反应器（GE Healthcare Life Sciences），其具有由不锈钢支承容器支承的10升柔性袋生物反应器。冷凝器具有两个10×20厘米的矩形盒状冷却管道，带有作为接触表面的铝板以及3D打印的背部件（包括用于来自涡流管的冷空气的入口和出口）。冷却管道由其中一个20厘米的侧上的铰链连接，并且可由闩锁锁定到夹紧位置中。冷却室是由两个焊接的塑料层压板制成的10×39厘米的二维袋。袋在底部具有入口且在顶部具有出口，在其中一个层压板上呈焊接端口的形式，并且袋的部分延伸到冷却管道盒的外部。袋出口由管连接到定位在加热管道(连接到来自涡流管的热空气供应)内部的无菌过滤器。在生物反应器中进行了微生物培养并且在冷凝器中产生的冷凝物往回供给到生物反应器。利用热相机监测袋入口和出口处的温度以及冷却管道的温度。

结果（图5）：

连接到生物反应器的袋入口具有大约26℃的温度，且袋出口具有大约17℃的温度。冷却管道（从顶部供有来自涡流管的冷空气）在顶部处具有大约7℃的温度，且在底部处具有大约13℃的温度。从生物反应器蒸发的液体的65-70％被冷凝并返回到生物反应器。通过使用冷凝器，排气过滤器在堵塞之前的寿命显著地延长。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果其包括与权利要求的字面语言无实际区别的等同结构元件，则这样的其它示例意图在权利要求的范围内。文中提到的任何专利或专利申请由此通过引用仿佛其独立并入的那样以其整体并入。

Claims (27)

1.一种用于生物反应器排气的冷凝器（40;140），包括：

入口（1），其适于流体地连接到生物反应器排气端口（2），

冷却室（3;103），其流体地连接到所述入口并且经由过滤装置（4）连接到出口（5），

与所述冷却室接触的至少一个冷却管道（6;106），

与所述过滤装置接触的加热管道（7），以及

涡流管（8），其布置成通过所述冷却管道输送冷气体流并且通过所述加热管道输送热气体流。

2.根据权利要求1所述的冷凝器（40），其特征在于，所述冷却管道（3）位于所述冷却室内部。

3.根据前述权利要求中任一项所述的冷凝器，其特征在于，所述冷却管道形成所述冷却室的壁的部分或与所述冷却室的壁（122）直接接触。

4.根据权利要求1所述的冷凝器，其特征在于，所述冷却管道的壁（130）与所述冷却室的壁（122）直接接触。

5.根据前述权利要求中任一项所述的冷凝器，其特征在于，所述冷却室（103）为柔性袋。

6.根据权利要求4或5所述的冷凝器，其特征在于，所述冷却室（103）夹紧或夹在两个冷却管道（106）之间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的冷凝器，其特征在于，所述过滤装置安装在外部过滤器壳体（9）中，并且所述加热管道可选地位于所述外部过滤器壳体内部。

8.根据前述权利要求中任一项所述的冷凝器，其特征在于，所述涡流管（8）为大体上圆柱形的，带有连接到涡流发生器（11）的至少一个气体入口（10）、冷气体出口（12）和热气体出口（13）。

9.根据权利要求8所述的冷凝器，其特征在于，所述涡流管适于通过所述至少一个气体入口接收气体流并且通过所述热气体出口供应具有>25℃的温度的气体流以及通过所述冷气体出口供应具有<20℃的温度的气体流。

10.根据权利要求8或9所述的冷凝器，其特征在于，所述涡流管适于通过所述至少一个气体入口接收温度t的气体流并且通过所述热气体出口供应具有>t+5℃的温度的气体流以及通过所述冷气体出口供应具有<t-5℃的温度的气体流。

11.根据权利要求10所述的冷凝器，其特征在于，t为环境温度，例如18-27℃的区间中的温度。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的冷凝器，其特征在于，所述至少一个气体入口连接到加压气体源，所述冷气体出口连接到冷却管道入口（14）且所述热气体出口连接到过滤器加热入口（15）。

13.根据前述权利要求中任一项所述的冷凝器，其特征在于，至少所述冷却室和所述外部过滤器壳体由塑料制造。

14.根据前述权利要求中任一项所述的冷凝器，其特征在于，至少所述冷却室、所述过滤装置和所述外部过滤器壳体预组装并作为包装的预先灭菌的或微生物控制的单元供应。

15.根据前述权利要求中任一项所述的冷凝器，其特征在于，所述涡流管安装在所述冷却室和/或所述冷却管道上或与所述冷却室和/或所述冷却管道集成。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的冷凝器，其特征在于，所述冷却室、所述冷却管道、所述过滤装置和所述外部过滤器壳体安装在所述涡流管上。

17.根据前述权利要求中任一项所述的冷凝器，其特征在于，所述冷却管道具有小于1.0mm、例如50至500微米的壁厚度。

18.根据前述权利要求中任一项所述的冷凝器，其特征在于，布置成接触所述冷却室的壁的所述冷却管道的壁由例如金属的导热材料制成。

19.根据前述权利要求中任一项所述的冷凝器，其特征在于，还包括冷凝线和可选地用于将冷凝物往回输送到生物反应器（18）的冷凝泵。

20.一种生物反应器（18），其中根据前述权利要求中任一项所述的冷凝器（40;140）流体地连接到排气端口（2）。

21.根据权利要求20所述的生物反应器，其特征在于，包括可折叠袋（19），其中所述排气端口流体地连接到所述可折叠袋的内部容积（20）。

22.根据权利要求21所述的生物反应器，其特征在于，所述可折叠袋由刚性支承结构支承和围绕。

23.根据权利要求20至22中任一项所述的生物反应器，其特征在于，具有至少1L、例如至少10L或10-1000L的内部容积。

24.根据权利要求21至23中任一项所述的生物反应器，其特征在于，还包括至少一个喷洒器和/或至少一个搅拌器。

25.一种在生物反应器中培养细胞的方法，包括以下步骤：

a)提供根据权利要求20至24中任一项所述的生物反应器；

b)将培养介质和细胞添加到所述生物反应器；

c)在搅拌下培养细胞且将至少一种气体添加到所述生物反应器，

其中来自所述生物反应器的排出气体通过所述冷凝器输送以将冷凝物再循环至所述生物反应器。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述细胞为动物细胞或微生物细胞。

27.根据权利要求25或26所述的方法，其特征在于，所述细胞表现为生物制药学、例如治疗性的蛋白质或疫苗抗原。