CN115023491A - 具有增强的气体传输和热调节的生物反应器 - Google Patents

Abstract

提供了一种具有增强的气体传输和热调节的用于培养细胞的设备。该设备包括具有细胞培养床，诸如固定结构化床的生物反应器。泵，诸如搅拌器，用于将液体泵送通过细胞培养床，并且为搅拌器提供容器。第一导管可以与容器相关联，诸如通过连接到容器或邻近容器中的开口。生物反应器还可以包括流动延长器以增强气体向用作培养细胞的培养基的液体的传输，以及任选的温度调节器。还公开了相关方法。

Description

具有增强的气体传输和热调节的生物反应器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年12月2日提交的序列号为62/942,345的美国临时专利申请和于2020年4月3日提交的序列号为63/004,706的美国临时专利申请的优先权，其公开内容通过引用并入本文。本申请还通过引用并入了序列号为62/758,152、62/733,375和62/608,261的美国临时专利申请；公开号为2018/0282678的美国专利申请；国际专利申请PCT/EP2018/076354；美国临时专利申请62/711,070；和美国临时专利申请62/725,545。

技术领域

本文件总体上涉及细胞培养领域，并且更具体地涉及具有增强的气体传输和热调节的生物反应器。

背景技术

生物反应器经常用于培养细胞。在生物反应器内，需要气相(例如空气或氧气)和液相(细胞培养基)之间一定水平的气体传输，以允许最佳的细胞生长。在这样的气体传输中，必须向细胞供应氧气。

气体传输对于固定床生物反应器尤其重要，其高细胞密度生长需要高水平的氧气。用于增强细胞生长的细胞培养基中存在的氧气量可以使用气体传输系数或kLa的概念来评估。这个值使用体积传质系数，该体积传质系数描述了对于给定的一组操作条件和表面，气体能够被输送到生物反应器中的细胞培养基的效率。

过去，已经提出了通过为生物反应器提供一个或多个起泡器或喷雾器以在细胞培养基中形成小气泡来增强气体传输的提议。然而，当使用喷雾器来支持高细胞密度生物反应器时，气泡输入的速度和对大量气泡的需求通常会导致剪切和过度发泡的负面影响。这会对细胞造成有害的过度机械和氧化压力，从而影响产量。此外，泡沫会堵塞生物反应器中的过滤器和其他连接器。此外，在非结构化的高细胞密度固定床生物反应器中使用喷雾器是具有挑战性的，因为所产生的气泡可能导致大的“云”或气穴，因为气泡没有通过固定床的可限定路径。这样的气泡对生物反应器状况的均匀性产生负面影响，从而影响细胞生长。

同样，某些固定床生物反应器提供液体-气体接触，诸如在固定床上方的顶部空间中提供液体-气体接触。虽然目前的实施方式确实用于向循环液体培养基提供气体传输，但是这种液体与气体接触的停留时间是有限的。通过增加这种停留时间可以增强气体传输。通过在与气相接触的同时在液体中还产生湍流，气体传输将进一步得到增强。

还可能需要调节(典型地提高)生物反应器的内部温度。过去，这是通过使用外部加热器实现的，诸如应用于生物反应器外表面的膜。可以理解，鉴于热量必须通过生物反应器的外部壁传递，而外部壁典型地具有高的热阻(即使不是，传输的热量也可能仅直接影响靠近壁内部的任何包含的液体培养基的一部分)，所以这种方法是低效的。薄膜与外部壁之间的不良接触也会导致重大损失。因此，使用当前的外部加热方法，即使引起不太多的温度升高也要花费大量的时间，并且精确调节整个生物反应器中液体的温度也是具有挑战性的。由于包括成本和复杂性在内的几个原因，内部加热可能具有挑战性。此外，如果直接加热细胞所在的床，热量能损害生物反应器内的细胞生长。

因此，需要一种生物反应器，尤其是高细胞密度固定床生物反应器，其具有增强的气体传输，并且还具有任选的热调节能力。

发明内容

根据本公开的第一方面，一种用于培养细胞的设备包括生物反应器，该生物反应器包括固定细胞培养床。提供用于将液体泵送通过细胞培养床的搅拌器。提供用于搅拌器的容器，和连接到容器的第一导管。

在一个实施例中，第一导管包括用于将气泡输送到容器中的注射器导管。在另一个实施例中，第一导管包括用于从生物反应器排出液体的排出导管。在前一种情况下，该设备还可以包括第二导管，该第二导管包括用于从生物反应器排出液体的排出导管。

在一个实施例中，生物反应器包括中央室和盖。第一导管从盖延伸并穿过中央室到达容器的开口。该设备还可以包括与容器相关联的管状柱，第一导管连接到管状柱。

搅拌器可以包括优选为磁性的叶轮，该叶轮通过轴承可旋转地联接到管状柱。搅拌器可以包括多个弯曲的叶片。另外或可替代地，搅拌器包括多个叶片，多个叶片中的每个叶片具有较高的中央部分和较低的周边部分，从而产生可变高度。

容器可以包括适于容纳可变高度的搅拌器的倾斜的上部部分。容器包括配件，该配件适于将通过第一导管输送到其的气体形成定制尺寸的气泡。配件包括穿孔部分。

细胞培养床可以适于分裂/剪切液体中的任何气泡。细胞培养床可以包括固定床，诸如结构化固定床。结构化固定床可以包括一个或多个细胞固定层以及任选的一个或多个间隔层的交替层。一个或多个细胞固定层或一个或多个间隔层形成路径以分裂或剪切行进穿过固定床的液体中的气泡。

细胞培养床可以位于生物反应器的环形外部室中，该环形外部室适于接收由容器中搅拌器旋转产生的泵送作用引起的液体流，或可以定位在具有任何其他形状的容器中(诸如具有方形或矩形横截面的容器，并布置成允许液体从一侧到另一侧流过固定床)。该设备还可以包括在生物反应器的环形外部室内以堆叠构造布置的多个细胞培养床。

在任一前述实施例中，生物反应器可还包括流动延长器，该流动延长器可能具有温度调节器，如本文所公开的。

根据本公开的另一方面，一种用于培养细胞的设备，该设备包括生物反应器，该生物反应器包括细胞培养床。提供用于将液体泵送通过细胞培养床的搅拌器。提供用于将气体注射到液体中以形成具有第一尺寸的第一气泡的注射器，搅拌器将第一气泡转化为具有比第一尺寸小的第二尺寸的第二气泡，以使第二气泡与液体一起输送到细胞培养床。

搅拌器位于与生物反应器流体连通的容器中，该容器包括至少一个入口和至少一个出口。注射器可以包括具有开口端的管，该开口端位于容器的至少一个入口的上游。壳体具有与至少一个入口相关联的中央室，中央室可以位于细胞培养床的径向内部。管的开口端可以定位在中央室内。注射器可以包括具有开口端的管，该开口端位于至少一个入口与至少一个出口之间的流体流动路径中。

细胞培养床可以包括固定床，诸如结构化固定床。结构化固定床可以包括交替层，所述交替层包括一个或多个细胞固定层和一个或多个间隔层。可以在一个或多个细胞固定层与一个或多个间隔层之间形成通道，以将液体中的任何气泡分裂/剪切成具有比第二尺寸更小的第三尺寸的第三气泡。

根据本公开的另一方面，一种用于培养细胞的设备包括：包括细胞培养床的生物反应器、用于将液体泵送通过细胞培养床的装置，和用于将气体注射到液体中以形成具有第一尺寸的第一气泡的装置，泵送装置将第一气泡转化为具有小于第一尺寸的第二尺寸的第二气泡，以使第二气泡与液体一起输送到床。用于泵送的装置可以包括搅拌器。用于注射气体的装置可以包括连接到气体源的管。

本公开的又一方面涉及一种在细胞培养床中培养细胞的方法。该方法包括提供具有气泡的液体，搅拌液体以分裂气泡，以及将具有分裂的气泡的液体输送到细胞培养床。提供步骤可以包括向用于执行搅拌步骤的搅拌器上游的液体供应气体，或者向包括用于执行搅拌步骤的搅拌器的容器中的液体供应气体。

在一个实施例中，细胞培养床包含交替层，所述交替层包括形成供液体通过床的通道的一个或多个细胞固定层和任选的一个或多个间隔层。当液体穿过细胞培养床时，一个或多个层执行进一步分裂气泡的步骤。

本公开的又一方面涉及一种用于培养细胞的方法。该方法包括：包括细胞培养床的生物反应器。提供用于将液体泵送通过细胞培养床的搅拌器。还提供了用于将气体注射到液体中以形成具有第一尺寸的气泡的注射器。搅拌器适于将气泡分裂或剪切成小于第一尺寸的第二尺寸，并且细胞培养床适于将气泡分裂或剪切成小于第二尺寸的第三尺寸。

本公开的另一方面涉及一种用于培养细胞的设备。该设备包括以下步骤：提供具有第一尺寸的气泡的液体，搅拌该液体以将气泡分裂成小于第一尺寸的第二尺寸，以及将具有分裂的气泡的液体输送到细胞培养床，细胞培养床将气泡分裂成小于第二尺寸的第三尺寸。

本公开的另一方面涉及一种用于培养细胞的设备，该设备包括：用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，壳体包括具有气体的区域。流动延长器适于延长液体在区域中的停留时间并在区域中的液体中引起湍流。

在一个实施例中，流动延长器包括具有用于产生湍流的表面结构的截头圆锥结构。流动延长器可以包括一个或多个错综的、迷宫状或蜿蜒的通道。流动延长器可以包括多个阶梯。

壳体可以布置有用于接收床的外部室，该外部室为包括位于床的液体出口上方的顶部空间的上部室，并且还包括用于使液体返回以进入床的中央室。壳体可以布置有用于接收床的外部室，该室为用于使液体返回以进入床的中央室。壳体可以布置有用于接收床的内部室，该室为用于使液体返回以进入床的外部室。

在一个实施例中，流动延长器具有周边边缘，该周边边缘在高度上大于延长器的径向向内边缘。壳体可以包括环形室，该环形室包括床并具有径向尺寸X，并且其中延长器的径向尺寸Y大于0.5X。流动延长器能够被加热。

此外，提供了一种用于培养细胞的设备。该设备包括：用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，壳体包括具有气体的顶部空间。流动延长器适于延长在顶部空间中的停留时间。流动延长器可以包括截头圆锥形板和/或一个或多个迷宫状或蜿蜒的通道。流动延长器可以包括多个阶梯。

在一个实施例中，壳体布置有用于接收床的外部室，顶部空间位于床的液体出口上方，并且还包括用于使液体返回以进入床的中央室。流动延长器可以具有周边边缘，该周边边缘在高度上大于延长器的径向向内边缘。壳体可以包括环形室，该环形室包括床并具有径向尺寸X，并且其中延长器的径向尺寸Y大于0.5X。在任何公开的实施例中，可以加热流动延长器(如果存在的话)。

本公开还涉及一种用于培养细胞的设备，该设备包括：用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，壳体包括用于将液体泵送通过床并进入顶部空间的离心泵。流动延长器适于增加液体在顶部空间中的停留时间。提供用于将气体注射到液体中以形成具有第一尺寸的第一气泡的注射器，离心泵将第一气泡转化为具有比第一尺寸小的第二尺寸的第二气泡，以使第二气泡与被泵送的液体一起输送到床。

本公开的另一部分涉及一种用于培养细胞的设备，该设备包括用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体。温度调节器位于壳体内，用于调节液体的温度，而不直接加热或冷却床。

在一个实施例中，温度调节器包括阶梯式结构。该设备还可以包括具有由温度调节器进行热调节的直立壁的结构。温度调节器可以位于壳体的顶部空间中。温度调节器可以包括壳体外部的电源和壳体内部的电阻元件。温度调节器可以包括散热器。

本公开的另一部分涉及一种用于培养细胞的装置。该设备包括：用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，壳体包括具有气体的顶部空间。流动延长器适于延长液体在顶部空间中的停留时间和/或在顶部空间中的液体中产生湍流。在一个实施例中，流动延长器包括相对于水平面具有1°-85°斜度的表面。

本公开的另一部分涉及一种用于培养细胞的设备。该设备包括：用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，壳体包括具有气体的区域。流动延长器适于延长液体在区域中的停留时间，其中流动延长器包括相对于水平面具有1°-85°斜度的表面。在一个实施例中，区域包括顶部空间。

本公开还涉及一种用于培养细胞的设备。该设备包括：用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，壳体包括具有气体的区域。流动延长器适于延长液体在区域中的停留时间和/或在区域中的液体中引起湍流，流动延长器包括开放式外壳。

在一个实施例中，开放式外壳包括用于接收液体的一部分的室。可以提供调节进入室的流量的调节器。开放式外壳可以包括倾斜的上表面。温度调节器可以连接到开放式外壳。

附图说明

图1为示例性生物反应器的透视图，本公开的某些方面可能适用于该生物反应器；

图2为图1的生物反应器的更多细节的局部分解图；

图3示出了可能与生物反应器结合使用的螺旋固定床；

图3A、图3B和图3C示出了结构化固定床的具体细节；

图3D、图3E和图3F示出了用于形成结构化固定床的可替代布置；

图4示出了根据本公开一个方面的包括气体供应管的流体搅拌器的容器；

图5示出了容器的可替代实施例；

图5A示出了具有气体供应管的生物反应器的又一个实施例；

图5B和图5C为图5A中生物反应器的可替代实施例；

图6为生物反应器的可替代实施例；

图6A和图6B示出了图6实施例的更多细节；

图6C和图6D示出了在任何公开实施例中使用的叶轮的细节；

图7为提供了表明以所提出的方式使用气体供应管所获得的kLA值的改善的图表；

图8为根据一个实施例的用于增强气体传输的流动延长器的示例的示意图；

图9为根据另一个实施例的用于增强气体传输的流动延长器的示例的示意图；

图10为根据一个实施例的用于增强气体传输并且任选地包括温度调节器(诸如例如加热器)的流动延长器的示例的示意图；

图11为流动延长器的进一步图示；

图12、图12A和图12B示出了流动延长器的其他实施例；

图13示出了流动延长器的另一个实施例；

图14为流动延长器的另一个实施例的示意图；

图15-图19示出了流动延长器的其他形式；

图19A示出了具有湍流发生结构的流动延长器；

图20和图21示意性示出了具有气体供应管的生物反应器的替代形式；

图23为提供了表明以所提出的方式使用流动延长器所获得的kLA值的改善的图表；

图22、图22A和图22B示出了根据本公开的生物反应器的可能使用环境；

图24和图25示出了具有温度调节能力的流动延长器的可替代实施例；

图26-图27示出了其他实施例。

具体实施方式

现在参考图1-3，其示出了根据本公开的一个方面的用于培养细胞的固定床生物反应器100的一个实施例。在一些实施例中，生物反应器100包括外部外壳或壳体112，其形成或包括内部隔间和盖114，盖114放置在壳体112的顶部，以在内部隔间填入至少固定床之后覆盖或密封内部隔间。在实施例中，盖114是可移除的。盖114可以包括各种开口或端口O，开口或端口O具有可移除的封闭物或帽C，用于允许选择性地引入或移除材料、流体、气体、探针、传感器、采样器等。

在生物反应器壳体112的内部隔间内，可以提供几个隔间或室，用于在整个生物反应器100中传输液体流、气体流或两者。如图2所示，在一些实施例中，室可以包括位于或靠近生物反应器100的基部的第一室116。在一些实施例中，第一室116可以包括用于在生物反应器100内引起液体流动的搅拌器。搅拌器可以为可旋转的非接触式磁性叶轮118的形式，从而在生物反应器中形成离心泵。搅拌器也可以为叶轮的形式，其具有与基部的机械联接(例如，通过轴承)，具有接触或非接触驱动，或者甚至可能为形成液体循环系统一部分的外部泵，或用于在生物反应器内引起液体循环的任何其他装置。

由于搅拌器(叶轮118)提供的搅拌和泵送作用，液体然后可以沿着生物反应器100的外部或周边部分(或者通过固定床)向上(如图2中箭头A所示)流入室120。在一些实施例中，生物反应器适于容纳任何形式的细胞培养床，包括填充床、固定床、结构化固定床、流化床等。图3示出了结构化螺旋床122形式的固定床，其在使用中可以容纳并保留正在生长的细胞。在一些实施例中，螺旋床122可以为筒的形式，该筒可以构建在外部室120内并作为外部室120的一部分或引入外部室120中。床122可以在运输之前在工厂制造期间预先安装在室中，或者在使用时安装。

离开室120的液体被传递到在床122的一侧(上侧)与盖114之间的室124中形成的“顶部空间”，在此液体(培养基)暴露于气体(例如氧气)。在一些实施例中，液体然后可以径向向内流到中央室126，以返回到床122的下部部分。在一些实施例中，这个中央室126本质上可以为柱状的，并且可以由无孔导管或管128形成，或者更确切地说，由结构化螺旋床的中央开口形成。

室126将液体返回至第一室116(返回箭头R)，以再循环通过生物反应器100，从而形成连续回路(在这个形式中为“从底部到顶部”)。在一些实施例中，还可以提供传感器，例如温度探针或传感器T，用于感测在室126中流动或驻留的液体的温度。在一些实施例中，附加传感器(诸如，例如，pH、氧气、溶解氧、温度、细胞密度等)也可以设置在液体进入(或重新进入)室116之前的位置，包括例如设置在固定床122的出口位置或顶部。

图3示出了用作本公开生物反应器中的结构化固定床122(尤其是螺旋床)的基质材料的一个实施例。在一些实施例中，一个或多个细胞固定层122a邻近由网状结构制成的一个或多个间隔层122b设置。在一些实施例中，分层可以任选地重复几次，以实现堆叠或分层的配置。

在一些实施例中，包括在间隔层122b中的网状结构形成曲折路径，以将细胞引导到细胞固定层122a的深处(参见图3A中悬置或截留在固定层122a的材料中的细胞L)。如图3B和图3C所示，间隔层122b与相邻的细胞固定层122a一起形成曲折的通道，供液体和气泡流过。图3B和图3C中的箭头A示出了液体和气泡通过层之间的固定床的主要流动方向，并且图3C中的箭头B示出了伴随的次要变化以及液体和气泡的至少部分横向流动方向，这是由于间隔层的几何形状导致细胞渗透到相邻细胞固定层的不同深度。关键的是，由于这种类型的布置，在结构化固定床内保持了细胞的增加的均匀性。

如图3、图3A和图3B所示，结构化固定床可以沿着轴线或芯(例如，可以设置在多个组成部分中的导管或管128)螺旋地或同心地滚动。在一些实施例中，结构化固定床的各层被牢固地缠绕。在一些实施例中，芯的直径、层的长度和/或量将最终限定组件或基质的尺寸。在一些实施例中，层122a、122b中的每一者的厚度可以在0.1mm与5mm之间、0.1mm与10mm之间、或者0.001mm与15mm之间。

在一些实施例中，可以使用形成此类曲折路径的其他结构。例如，图3D示出了一个或多个细胞固定层122a可以适于形成结构化固定床122。一个或多个层122a提供从线性或规则流入(箭头A)的曲折流动通道(箭头B)，而不使用附加间隔层(但是如果需要，可以使用这样的间隔层)。这可以例如通过提供用来扰乱流动的一层编织纤维或细丝123、125来实现，这可以用来进一步剪切或分裂存在的任何气泡，从而提高固定床122中的kLa值。

图3E示出，使用非编织材料作为细胞固定层122a可以实现这样的结果。这可以通过将层122a形成为具有开口127的网状布置(诸如通过3-D打印)来实现，液体可以通过所述开口127并再次返回，从而形成曲折通道，所述通道又促进均匀性，并且还用于进一步剪切或分裂液体中存在的任何气泡。这个功能可以在存在或不存在附加间隔层的情况下再次实现。

结构化固定床122的取向可以不同于在图2所示的生物反应器100中示出的取向，图2中流动被布置成竖直的(在所提供的示例中，从底部到顶部)。例如，如图3F所示，生物反应器100可以包括第一室120，其包括由一个或多个水平布置的材料层组成的结构化固定床122。根据图3D和图3E，所述一个或多个层可以包括编织或网状材料，但如图3F所示，可以包括夹在相邻的间隔层122b(为了说明的目的，夸大了竖直间隔)之间的一个或多个细胞固定层122a(示出了三层，但可以存在任何数量的层)。因此，流动被布置成从侧到侧(从左到右或从右到左)，其中材料层(间隔层或其他层)提供用于从线性或规则流入(箭头A)产生曲折流动(箭头B)的通道，从而用于进一步分裂液体中存在的任何气泡。泵送作用可以由位于室120入口端的搅拌器或其他泵提供，并在出口端处提供返回路径，如路径R示意性所示。如果需要，还可以在细胞固定层122a之间提供附加间隔层。

如上所述，并且如图4更为明显地所示，室116可由搅拌器壳体或容器140构成。本领域技术人员将会理解，这样的容器140的壁可以独立于生物反应器器皿的其余部分形成，或者可以与生物反应器器皿的其他壁或部分共用。例如，在图4中，这样的容器的底部由生物反应器器皿的底部形成。为了允许液体流动，容器140可以包括多个开口141，多个开口141中的一者或多者可以用作允许并释放液体的入口或出口(注意图4中的示例性动作箭头I(入)和O(出))。在一些实施例中，离开容器140的液体然后可以向上流动(如图2中箭头所示)并通过结构化床，诸如螺旋床122，并经由中央室126通过容器140的开口141返回到入口。本领域技术人员将理解，该布置也可以反向操作，如以下描述中进一步概述的。

如前所述，当细胞培养基液体循环通过生物反应器100时，可能需要增加传输至细胞培养基液体的气体量。根据本公开的一个方面，并参考图5，这可以通过将气流，诸如空气或氧气，引入生物反应器100中来实现。具体地，可以提供用于注射气体(诸如无菌空气)的注射器，使得气泡被注射到由搅拌器(诸如容器140内的叶轮118)产生的离心泵处或附近的流体中。在一些实施例中，注射器可以包括注射器导管或管142，注射器导管或管142可以连接至生物反应器100外部的气体供应源(参见例如图5A、图5B)，并连接至生物反应器100的任何壁。例如，这样的管142可以连接到生物反应器100的盖114，如图5A和图5B所示。可替代地，如图5所示，管142可以在沿着生物反应器基部邻近容器140位置的位置处连接到生物反应器100。以另一种方式。此外，为了确保稳定性和气泡的正确注射位置，管142可以沿着容器140的侧壁连接，如图4所示，或者沿着容器140的上部壁连接，如图6所示。

在一些实施例中，如图5所示，用于向生物反应器100的液体供应气体的导管142的出口位于容器140的内部，或与容器140的内部流体连通，因此位于入口I与出口O之间的流体路径中。然而，导管142的出口也可以位于中央室126内，诸如当管142穿过生物反应器100的另一壁或表面时。在图5A中，管142被示出为穿过盖114进入容器140附近的生物反应器的中央室的下部部分，而在图5B中，管142被示出为进入容器140，使得管的开口远端可以将液体直接传输到容器的内部隔间，或者与容器的内部隔间直接流体连通。

在任一实施例中，经由管142注射到生物反应器100中的含氧气体(诸如空气)在流体中形成相对较大尺寸的气泡，因为管仅包括无障碍开口端。可替代地，可以使用装置产生更小的气泡，装置诸如与定制的喷嘴和相关的振荡器系统一起使用的喷雾器。在任一情况下，由于管142的开口端或喷嘴的定位，这些较大的“大气泡”或较小的“微气泡”(尺寸1)被释放到一个位置，在此之前，它们将遇到由形成生物反应器100的泵的搅拌器(例如，用作搅拌器的旋转叶轮118)产生的湍流和剪切作用。这种搅拌用于将较大的大气泡分裂成更多的具有较小尺寸的气泡或“微气泡”，或者将较小的微气泡分裂成更多的具有更小尺寸(尺寸2)的气泡。更多数量的气泡的形成可以进一步由气泡在搅拌器容器140(如果存在的话)内停留时间的增加以及搅拌器的速度和设计引起。

由于叶轮118的旋转产生了图1、图1A和图1B所示的生物反应器100的流动模式，这些微气泡可以然后被流动的液体带走，诸如在所示的生物反应器100中径向向外和向上。本领域技术人员可以理解，如果泵的方向反向，将会产生相反的流动模式。

考虑到微气泡较小的尺寸，微气泡能够更好地传递到并通过由固定床122的间隔层122b和相邻细胞固定层122a形成的通道(或其他可用路径)。这用于进一步增强在床中生长的细胞的氧合，而不需要相应地增加叶轮118的速度和产生的液体流量。此外，气体释放到搅拌器容器140中或其附近以及由此产生的流动避免了在生物反应器100中产生有害的气穴，众所周知，在不停止生物反应器操作的情况下很难去除这些气穴。

然而，在本公开的另一个实施例中，当(尺寸2)微气泡穿过结构化固定床122时，它们进一步分裂成更小和更多的微气泡(尺寸3)。例如，这可以在气泡进入固定床122中诸如通过间隔层122b和/或相邻的细胞固定层122a形成的通道并穿过提供的所有可用的曲折(或错综的)路径时发生。当较大的气泡行进时，较大的气泡在离开固定床122之前倾向于破裂或分裂成更小的微气泡。因此，在固定床122中的停留时间期间的气体传输增加，并且由于在所示实施例中气泡与间隔层122b的网接合所引起的剪切力，从床中发出的气泡一旦穿过，实际上尺寸甚至比在进入时更小(因此数量更多)。

如图5A和图5B所示，在生物反应器122的图示形式中，从床122离开的液体行进至中央室126，在中央室中液体直接沿着中央室壁的内表面流动，壁可以由管128形成。可以产生一薄层或一“薄膜”液体，其向下流动(在这个实施例中)，同时穿过中央室126。在一些实施例中，在由于搅拌器产生的抽吸作用而返回第一室116并最终重新进入固定床122之前，这个气-液界面用于增加暴露于气体(例如空气)的液体的体积。在一些实施例中，这可以允许更大尺寸的生物反应器可能需要的更多的氧传输，或者基于所生产的生物制品调节工艺参数或增加细胞生长速率。

图5C示出了生物反应器100的又一示例，其包括多个堆叠床(示出了两个堆叠床，但可提供任何数量的堆叠床)。在这种布置中，气体注射器被布置成向堆中的每个床122的入口端处的位置提供新鲜的气体供应，这可以使用穿过相应部分(例如，壳体112a)的单独的管142或连接到气体供应源的歧管144来实现。在引入时，气泡的尺寸可以更大，然后一旦已经穿过相应的床122，由于在所示实施例中气泡与间隔层122b的网接合所引起的剪切力，气泡的尺寸实际上甚至比在进入时更小。可替代地，由于使用喷雾器/喷嘴系统(其可能具有振荡器)，气泡可以更小，这样它们不会在固定床部分的入口处产生云状物。

图6、图6A和图6B示出了生物反应器100的又一个实施例，其也包括多个堆叠的固定床122(示出了三个堆叠的固定床，但可提供任何数量的堆叠的固定床)。如在前面的实施例中，这个实施例中的生物反应器100包括位于上部部分的盖114。用于搅拌器(例如叶轮118)的容器140形式的壳体设置在下部部分，诸如在基部室116内。

如参考图6A的放大的横截面视图可能会更好地理解，容器140包括具有容座或配件的上部部分140a，该容座或配件可以包括管状连接器140b，用于接收或连接到流体(例如气体)注射器。结合参考图6，注射器可以包括柔性或半柔性管142形式的第一导管，该第一导管在中央室126内延伸至与盖114相关联的配件或管状连接器114a，并与外部流体(例如气体)源(未示出，但参见图5A、图5B)连通。连接器114a可以位于从容器140的中心轴线X径向向外的任何位置，叶轮118围绕该中心轴线旋转。连接器114a可以任选地包括或以其他方式与穿孔部分连通，该穿孔部分包括在与容器140的内部隔间的界面处的多个孔115，用于产生气泡以输送到叶轮118的行进路径中。穿孔或孔115可以形成配件的一部分，或者可以设置在容器140的相邻壁中，气体通过该穿孔或孔115进入其内部隔间并进入搅拌器或叶轮118的路径中。孔115的尺寸设计允许进入容器140的气泡根据特定应用的需要被定制尺寸。

因此，通过管142输送的气体作为由孔115产生的第一尺寸的气泡被引入到容器140中。当被引入到容器140内的液体中时，这些气泡在叶轮118旋转时直接流入叶轮118的路径中。如上所述，与旋转叶轮118的接触引起气泡的剪切，这有助于减小它们的尺寸。由于所产生的泵送作用，相关联液体以及由于与旋转叶轮118接合所产生的剪切作用而尺寸较小的气泡随后经由开口141从容器140径向向外喷出，并与相关联液体流入(竖直通过)生物反应器100的一个或多个固定床。

如上所述，在包括沿径向向外方向隔开的层的结构化固定床的情况下，微气泡能够更好地进入并穿过由固定床122的间隔层(图6中未显示，但参见图5)和相邻细胞固定层形成的通道(或其他可用路径)(例如，形成固定床的编织基底中的通孔)。这用于进一步增强在床中生长的细胞的氧合，而不需要相应地增加叶轮118的速度和产生的液体流量。

图6A还示出了，叶轮118绕其旋转的柱146可以至少部分在容器140内延伸。这个柱146可以为中空的，从而形成延伸到容器140的基部的管，并因此延伸到生物反应器100的基部，并且可以适于诸如在穿过容器140的上部部分140a时与中央室126内的管148连接。这个管148也可以延伸到盖114的第二连接器114b并与之连接(见图6)。这个管148也可用于通过柱146将流体(液体、气体或两者)输送到容器140或从容器140输送出。容器140内的管148的远端可以在生物反应器100的底板F上方间隔开，诸如通过可以采取齿状部分146b的形式的间隔物。例如，通过从外部源(未示出)诸如经由配件或连接器114b向管148施加负压，管148可以用作从容器140回收液体的排出管，并因此从生物反应器100回收液体。这种排出设置将最大化从生物反应器100中排出的流体(并因此最大化目标生物分子)。如果需要，类似的功能也可以应用于管142。尽管两个管都在图6和图6A中示出，但是本公开的生物反应器可以只包括其中一个管。

现在转向图6B，可以进一步理解这个实施例的生物反应器100的某些布置细节。在图示的示例中，柱146可以用于连接并支撑叶轮118的轴承149的至少一部分。具体地，轴承149可以包括形成用于支撑滚动元件(诸如滚子151)的第一座圈148b的下部部分148a。叶轮118可以包括上座圈118a，该上座圈118a用于将滚子151捕获在两个座圈之间如此形成的环形通道中，从而为叶轮118提供低摩擦旋转运动。柱146上的保持器146a可以用于保持叶轮118，并且可以包括用于以可释放的方式接收并保持叶轮118的卡扣布置(未示出)。

参见图6C和图6D，叶轮118还可以包括多个直立桨叶或叶片118b。这些叶片118b可以连接到基部118c(在非接触驱动布置的情况下，基部118c结合了一个或多个磁体118d)。叶片118b可以沿径向方向弯曲(即，形成叶片118b的直立壁可以随着它们径向向外延伸而弯曲，弯曲程度沿周向方向变化，在图示中用于顺时针移动)。叶片118b的高度也可以从靠近旋转轴线X的中心的较高部分(H₁)竖直变化到靠近叶轮118的周边的较低部分(H₂)，这从图6D中可以得到最好的理解。

从图6A中可以看出，容器140可以包括上述上部部分140a以及下部部分140c，下部部分140c可以包括具有各种开口141的直立壁152，所述开口141用于传输液体，诸如沿径向方向传输至外部室，最终用于流过细胞培养床。上部部分140a可以包括下部壁154，该下部壁154随着径向向内延伸而向上倾斜，以便容纳叶轮118的不同高度的叶片118b。这种布置用于最小化容器140中的顶部空间，并确保气泡被吸入到容器140中(如果从容器外部被引入)，并且实现有效的剪切作用以分裂由管142引入的气泡。与平桨叶叶轮相比，所公开的叶轮118的形式还用于增加在给定转速下传输到液体的转矩。

下部壁154还可以连接至直立壁156，直立壁156适于与生物反应器的中央柱密封，诸如通过卡扣配合接合而密封。因此，液体流被迫进入壁154的中央开口159，从而进入容器140。也可以邻近开口159设置防涡流结构，诸如例如直立的大致方形板161的形式(例如，围绕轴线X间隔90度的四个大致方形板)，并且防涡流结构可以形成下部壁154的一部分。

图7中的表格包括有和没有将空气注射到叶轮区域的固定床生物反应器的实验数据结果。从数据中可以理解，对于低得多的气体流量(第5行)，与使用不与叶轮相关联的常规喷雾器的高得多的气体流量(如第8行)相比，获得了更高的kLa值。很明显，如上所述和在相应的图中所示的将空气引入固定床生物反应器中，始终以积极的方式影响kLa，而没有在其他生物反应器中如此使用的问题。

另外(或可替代地)，增加气体传递系数或kLa值可通过增加或延长距离来实现，从而增加或延长液体培养基在返回固定床之前在行进时接触气相的时间。在一个可能的实施例中，这种延长的流动模式通过提供流动延长器来实现(出于本公开的目的，流动延长器是指具有增加的表面积的结构，液体必须在该结构上流动，以便增加与气体接触的停留时间，并且流动延长器可以由任何合适的材料形成，诸如聚合物、金属等)。如下面进一步讨论的，还可能希望将流动延长器与流动干扰器结合以产生湍流，这使得通常在气/液边界处形成的扩散层最小化。本领域技术人员将会理解，流动延长器和/或流动干扰器的这种引入可以应用于任何固定床生物反应器设计，包括非结构化填充床生物反应器在内。

图8示出了根据本公开的实施例的具有流动延长器的生物反应器的示意图。流动延长器150以位于生物反应器100的室124中的环形、截头圆锥形板状结构的形式示出，这样的区域包括顶部空间。在这种特别的布置中，由于离心泵的作用，离开固定床122顶部的液体因此被板的下侧径向向外推动，并被导致流过流动延长器150的外周边边缘150a，然后沿着板的相对表面或上表面，流向在内边缘150b处形成回路或出口的中央开口，以将液体返回到中央室126的上端。

这个实施例中的流动延长器150具有径向尺寸Y。这个径向尺寸Y可以为环形室120的径向尺寸X的至少50％，但替代地可以为在X的1％-99％之间的任何值。通过这种方式，液体流从更直接的路径转向进入回路(例如，柱形式的室126)，从而增加液体与室124中的顶部空间气体之间的停留或接触时间。虽然示出外边缘150a相对于内边缘150b升高，但是可以理解的是，该布置可以颠倒，诸如在液体流动方向径向向外的情况下(但是形成更长流动路径的概念保持不变)，如图9所示。该表面的斜度可以相对于水平面成1°-85°(特别是1°-45°)的角度α。

虽然图8和图9所示的流动延长器150包括光滑、倾斜的液体接触表面，但可进行改进，以进一步延长液体与室124中的气体关联的停留时间。例如，如图10所示，流动延长器可以设置有一个或多个蜿蜒或迷宫状的通道，用于进一步增加液体从床(例如螺旋床122)的出口点移动到返回再进入床的位置的停留时间。这些错综的通道可以由大致径向和大致周向延伸的直立壁156提供(注意，箭头P示出了最终路径)，并且在通道的一端处形成液体入口并在通道的另一端处形成液体出口。如图10所示，壁156可以为规则的(即形成具有基本相同形状的每个通道)，或者如图11所示，可以为不规则的。延长器在周向方向上也可以为不连续的，这在如果需要使用所创建的路径中的任何间隙来接近下面的床从而对下面的床(诸如螺旋床122)进行取样时可以是有利的。

如图11以及图12、图12A和图12B所示，流动延长器150可以以修改形式设置有一系列同心壁架或阶梯158，液体在径向移动时在其上流动或倾泻。这不仅增加了液体的停留时间，而且随着液体在沿着和/或越过阶梯158流动时改变方向，产生了一定程度的湍流。具体地说，从图12A和图12B中可以理解，在流动延长器150的第一大致平坦的梯面160上的流动是层流(箭头N)，但是当它沿着阶梯158移动并越过阶梯158时变得越来越湍流(箭头M)，朝着返回到床的点下降(诸如经由中央室126)。这改善了液体在重新进入床之前的氧合。阶梯158的高度和径向范围可以相同或不同，并且可以根据特定应用提供任意数量的阶梯(还要注意根据上述实施例可能包括管142)。

图13示出了壁156可以与阶梯158结合使用，并且，任选地，以不规则的方式，在延长器150的选定位置形成穴162。这些穴162进一步增加了液体在离开床122之后和再次进入之前的停留时间。可以理解的是，穴162的径向范围、周向范围和数量可以根据应用而变化，并且可以实现这些流动延长机构的策略性放置以增加液体停留时间，从而实现最佳的气体(氧气)传输。

图14示出了另一个实施例，其中延长器150可以包括其上直立有螺旋壁164的表面。螺旋壁164具有允许液体进入的一个或多个入口E。液体然后可以沿着在进入中央室126之前产生的螺旋路径流动(或者在一些设计中沿着固定床径向外侧的路径流动)，这因此增加了氧传输的机会。与其他实施例一样，该布置可以颠倒，使得由壁164产生的用于使液体离开床的螺旋路径的入口在用于将液体返回到床的位置的径向内部。

在任一前述实施例中，延长器150还可以设置有附加物或表面纹理，以在液体穿过相应表面时在液体中产生湍流。由此引起的这样的湍流增加了气体传输到液体培养基中的机会。例如，可以在表面上设置压纹(例如，周向凹槽、径向凹槽或其组合)或凸起(例如，周向突出部、径向突出部或其组合)，用于在液体沿着板的流动时引起偏离。

同样，延长器也可以包括叉、柱、销、屏障或类似结构，以在流动中产生湍流。例如，如图15和图16所示，具有一个或多个柱(显示为竖直的柱，但是可以为有角度的或水平的柱)的流动干扰闸门170可以位于延长器150上或附近，和/或位于沿其形成的流动路径中，以进一步干扰液体流动。

本领域技术人员应理解，闸门170可以由所示的竖直柱构成，但也可由有角度的或水平的柱或任何闸门或栅栏状结构的组合构成。因此，闸门170用于在液体流中产生进一步的干扰，从而增加湍流并改善气体传输。如图16最佳所示，闸门170可以在周向方向和径向方向中的任一个或两个方向上伸长(其中沿着延长器150的周边周向地延伸的闸门用于在延长器的入口处引起液体中的湍流，而径向延伸的闸门引起沿着延长器(诸如沿着延长器的大致平坦的梯面160并在直立壁156之间)周向流动的液体中的湍流)。

虽然上述实施例说明了与生物反应器100中包括顶部空间的区域或室124相关联的流动延长器，但可以理解，延长器概念可以应用于生物反应器中的其他位置。例如，如图17所示，延长器150可以设置在径向外部室120中，而床122可以位于径向内部(中央)室126中。叶轮118可以在基部室116中，并用于使液体向上流过床122，沿着延长器150与室120、124中的气体相互作用，然后回到基部室。在所示的示例中，延长器150包括沿径向向外方向下降的阶梯，但这只是一个示例，并且在存在气相和液相相互作用的情况下，可以使用其他形式的延长器。此外，虽然这个阶梯式延长器150在横截面中显示为实心结构，但是它也可以采取楼梯的形式，使得流体能够接触其下侧。

在床122位于外(环形)室120中的情况下，延长器150也可位于中央室126中，如图18所示。在这个示例中，延长器150包括由分段壁180形成的迷宫状结构，分段壁180可以竖直地和周向地间隔开，以在离开床122并从上方进入室126的一液体膜中产生曲折流动。这产生了对正常发生的扩散层的期望的干扰，从而使液体与室124、126中的气体接触，从而改善了气体传输。用于引起流动干扰的延长器150的结构也可以采用销、叉等形式。如图19所示，当床122位于中央室126中时，也可以在室120中设置延长器150，诸如例如包括销182或任何其他干扰结构的延长器。

回到图6，可以理解的是，流动延长器150可以由沿着柱状中央室126内表面的环形、向内指向的凸缘或突出部181形成。每个突出部181可以是成角度的或斜切的，以有助于干扰沿着该室126的内壁竖直行进的液体流动，从而改善气体传输。具体地，这产生了对正常发生的扩散层的期望干扰，并因此导致液体与室126中的气体接触。每个突出部181可以形成用于互连的可堆叠的管状结构101的一部分，以便形成中央室126，并且还提供径向向外的室120的内壁，用于接收存在的固定床122的每一层。

图19A示出了另一个示例，其中生物反应器100包括中央床122，液体通过该中央床向上流入形成顶部空间的室124，然后沿着平缓倾斜的表面向下流动，以最大化液体在顶部空间的停留时间。该表面的斜度可以相对于水平面成1°-85°(特别是1°-45°)的角度β。流动延长器150还可以设置有引起湍流的结构，诸如表面突出部184，其可以呈设置在延长器150的液体接触表面上的凸起的形式。这产生了对正常发生的扩散层的期望干扰，并因此导致液体与室120中的气体相互作用，从而改善了气体传输。在这种形式中，延长器150也可以是阶梯状的，或者可以具有在本文中描述的或以其他方式描述的任何其他形式的湍流产生结构。

转到图20，示出了生物反应器100的可替代实施例，其如上所述包括壳体112。在这个实施例中，液体首先通过搅拌器循环，诸如通过在基部室116中或附近的壳体或容器140中的叶轮118进行循环，并流向中央室126，然后径向向外竖直穿过结构化固定床122(诸如图3和图3A-3C所示的形式)。离开床122上部部分的液体然后沿着床122径向向外的室120返回，并返回到叶轮118以重复循环。

如图所示，这种布置可以受益于本文所述各种任选特征的实施。例如，如图所示，气体可以通过管142引入到生物反应器100中，例如通过重新定位管142的出口和/或提供多个管，直接引入到叶轮118的容器140或一个或多个室116、120、126。在任何情况下，叶轮118的动作用于产生剪切并将任何气泡分裂成微气泡，然后微气泡由于所产生的流动模式而进入床112。鉴于微气泡较小的尺寸，微气泡能够更好地被传递并穿过由固定床122的间隔层122b和相邻的细胞固定层122a形成的通道(或其他可用的路径)。这用于进一步增强在床中生长的细胞的氧合，而不需要相应地增加叶轮118的速度和产生的液体流量。

事实上，当微气泡穿过由间隔层122b和相邻细胞固定层122a形成的通道(或在省略间隔层的情况下的其他可用路径)时，在微气泡行进穿过通道时它们倾向于分裂成更小的微气泡。因此，在固定床中停留时间期间的气体传输增加，并且从床122发出的气泡一旦穿过它，实际上甚至比在进入时的尺寸更小，这是由于在所示实施例中气泡与间隔层122b的网接合所引起的剪切力的结果。此外，气体释放到搅拌器容器140中或其附近以及由此产生的流动避免了在生物反应器100中产生有害的气穴，众所周知，在不停止生物反应器操作的情况下很难去除这些气穴。

图21示出了生物反应器100的可替代实施例，其结构与图20中的生物反应器有些相似，主要区别在于省略了中央室，采用实心芯137的形式。因此，液体可以通过开口径向离开叶轮118的容器140，并且基本上如前所述的行进，经由基部室116返回容器140。鉴于柱状中央室126的实心性质，如果需要，可以通过将管142沿着生物反应器100的一侧或多侧引入外部室120来实现气体引入，从而将“大气泡”引入容器140，被叶轮118剪切或分裂，然后引入到床122(如果是本文所述的形式，其也可以产生进一步的缩小)。

图20-图21所示的生物反应器100的实施例也可以受益于包括流动延长器(未示出)。例如，流动延长器可以位于形成顶部空间的室124中，或者位于向外指向的室120中，以进一步增加液体与其中任何气体关联的停留时间。本领域技术人员可以理解，室124中的流动延长器可以包括离开床122的液体的分流器，该分流器用于将流动转向床的内侧部分，然后沿着这样的流动延长器向外部返回室120行进(与例如图18中所示的流动相反)。也可以提供用于增加液体流动湍流的结构(如本文其他实施例中所述)。

可以理解的是，流动延长器150可以整体形成为生物反应器100的一部分，或可以作为任选的插件提供，可以根据需要或要求添加或移除。流动延长器150也易于扩展以用于多种和多样尺寸的生物反应器，包括示例性附图中未示出的其他形式在内。

如图22、图22A和图22B所示，在一些实施例中，生物反应器100可以与外部储器102和导管104(例如，前向和返回)结合使用，以形成用于将液体循环至生物反应器100的连续回路。如图22所示，流动延长器150可以位于外部储器102上，而不是位于生物反应器100本身中。同样，在储器102包括用于循环液体的泵的情况下，它可以包括用于输送气泡的管(未示出)，气泡然后在输送到床之前被生物反应器100中的搅拌器分裂。

图23的表格示出了与未使用此类延长器(第6-7行)相比，使用具有阶梯的延长器的一个这样的实施例(第1-5行)对kLa的改善。特别比较第4行和第7行，可以理解的是，在相同的叶轮速度下，与没有使用延长器相比，使用延长器导致kLa值的显著增加。

本公开的另一方面涉及生物反应器的热调节，特别是遇到细胞的液体的热调节，这可以通过使用用于调节生物反应器自身内部的液体温度的温度调节器来实现。例如，如图10所示，可以提供温度调节器，诸如加热器200，用于增加流动延长器150的温度。

加热器200本身可以部分位于生物反应器外部。加热器200可以为例如电阻加热器，其中电流被供应给与延长器150相关联的电阻元件202，诸如沿着其包括一个或多个阶梯158、一个或多个直立壁156或两者的基部。可替代地，加热器200可以包括散热器，该散热器可以包括用于使生物反应器外部的液体变暖的加热元件，液体然后被输送到延长器150(例如通过再循环回路204，如图12B所示)以使其变暖。延长器150可以包括为有效热导体的材料，诸如例如金属或聚合物。代替加热器200，温度调节器还可以包括用于冷却生物反应器的冷却器。

图24和图25示出了更多示例。在图24中，流动延长器150与加热器相关联，加热器可以采取电线208的形式，用于加热流动延长器(但是加热也可以应用于邻近流动延长器或与流动延长器接触的不同的部分)。可替代地或另外地，如图25所示，流动延长器150可以设置有用于将热调节液体接收到内部室或通道(未示出)中的入口210，以及用于释放热调节液体的出口212。

在任何情况下，当液体接触延长器150并接触热调节表面(底板和/或壁，如果与延长器的底板热连通，底板和/或壁自然会被加热)时，液体的温度被调节(该温度可通过使用一个或多个传感器的反馈回路进行监控，以确保充分控制)。当然，如前所述，延长器150用于增加液体的停留时间和/或产生湍流，从而有助于确保由于接触而可靠地实现液体温度调节，即使液体的速度相对较高(这也有助于防止过度调节)。延长器150还具有大的表面积，因此有助于最大化与液体的接触量和可以实现的最终热传递，这可以减少能量输入的量(尤其是与应用于生物反应器外部壁的膜相比)。使用所提出的方法，生物反应器内部的热调节可以以不依赖于通过外部壁的热传递的方式实现，因为实现了加热元件与液体之间的直接接触。这确保了可以更有效地调节液体的温度，并且避免了对固定在床中的细胞的损害。

也可参考图26-图27，图26-图27示出了开放式外壳形式的流动延长器150，其允许液体沿着上表面153(可倾斜)和下表面155流动，下表面155示出为大致平面，但也可倾斜。当结合图1和图2的生物反应器使用时，可以理解的是，液体将从外部室(未示出)竖直流动并流过周边(如箭头W所示)，在该点处，一部分可以进入表面153、155之间的室157，而另一部分将流过上表面153(假设有足够量的流体流动)。

可以理解的是，这增加了接触流动液体的总表面积，在表面被加热或冷却的情况下，可以增强温度调节(这可以通过前述方式进行)。液体流然后可以沿着内部周边重新结合，诸如沿着中央柱(未示出)返回。表面153、155中的一者或两者也可以设置有湍流产生结构。还可以理解的是，可以提供阀来调节进入室150c的液体量，这将因此形成调节器，该调节器可以用于通过控制与热调节下表面150b接触的量来控制液体的热调节。可以理解的是，液体流也可以沿相反的方向流动(例如，从中央柱向上，径向向外，并经由外部室返回)。

本公开可被视为与以下方面相关：

1.一种用于培养细胞的设备，该设备包括：

包括固定细胞培养床的生物反应器；

用于将液体泵送通过细胞培养床的搅拌器；

用于搅拌器的容器；和

连接至容器的第一导管。

2.根据方面1所述的设备，其中第一导管包括用于将气泡输送到容器中的注射器导管。

3.根据方面1所述的设备，其中所述第一导管包括用于从生物反应器排出液体的排出导管。

4.根据方面2所述的设备，该设备还包括第二导管，该第二导管包括用于从生物反应器中排出液体的排出导管。

5.根据方面1-4中任一项所述的设备，其中生物反应器包括中央室和盖，第一导管从盖延伸并穿过中央室到达容器的开口。

6.根据方面1-5中任一项的设备，该设备还包括与容器相关联的管状柱，第一导管连接到管状柱。

7.根据方面1-6中任一项所述的设备，其中搅拌器包括优选为磁性的叶轮，该叶轮通过轴承可旋转地联接到管状柱。

8.根据方面1-7中任一项所述的设备，其中搅拌器包括多个弯曲的叶片。

9.根据方面1-8中任一项所述的设备，其中搅拌器包括多个叶片，所述多个叶片中的每个叶片具有较高的中央部分和较低的周边部分，从而产生可变高度。

10.根据方面9所述的设备，其中容器包括适于容纳可变高度搅拌器的倾斜的上部部分。

11.根据方面1-10中任一项所述的设备，其中容器包括配件，该配件适于将通过第一导管输送到其的气体形成定制尺寸的气泡。

12.根据方面11所述的设备，其中配件包括穿孔部分。

13.根据方面1-12中任一项所述的设备，其中细胞培养床适于分裂/剪切液体中的任何气泡。

14.根据方面1-13中任一项所述的设备，其中细胞培养床包括固定床。

15.根据方面1-14中任一项所述的设备，其中固定床包括结构化固定床。

16.根据方面1-16中任一项所述的设备，其中结构化固定床包括交替层，所述交替层包括一个或多个细胞固定层，以及任选的一个或多个间隔层。

17.根据方面17所述的设备，其中所述一个或多个细胞固定层或所述一个或多个间隔层形成路径以分裂或剪切行进穿过固定床的液体中的气泡。

18.根据方面1-17中任一项所述的设备，其中细胞培养床位于生物反应器的环形外部室中，环形外部室适于接收由容器中的搅拌器的旋转产生的泵送作用引起的液体流。

19.根据方面1-18中任一项所述的设备，该设备还包括在所述生物反应器的环形外部室内以堆叠构造布置的多个细胞培养床。

20.根据方面1-19中任一项所述的设备，其中生物反应器还包括流动延长器，该流动延长器可能具有温度调节器。

21.一种用于培养细胞的设备，该设备包括：

包括细胞培养床的生物反应器；

用于将液体泵送通过细胞培养床的搅拌器；和

用于将气体注射到液体中以形成具有第一尺寸的第一气泡的注射器，搅拌器将第一气泡转化为具有小于第一尺寸的第二尺寸的第二气泡，以使第二气泡与液体一起输送到细胞培养床。

22.根据方面21所述的设备，其中搅拌器位于与生物反应器流体连通的容器中，该容器包括至少一个入口和至少一个出口。

23.根据方面21或方面22所述的设备，其中注射器包括具有开口端的管，开口端位于容器的至少一个入口的上游。

24.根据方面21-23中任一项所述的设备，该设备还包括具有中央室的壳体，中央室与至少一个入口相关联并位于细胞培养床的径向内部，其中管的开口端定位在中央室内。

25.根据方面21-24中任一项所述的设备，其中注射器包括具有开口端的管，开口端位于至少一个入口与至少一个出口之间的流体流动路径中。

26.根据方面21-25中任一项所述的设备，其中细胞培养床包括固定床。

27.根据方面21-26中任一项所述的设备，其中固定床包括结构化固定床。

28.根据方面21-27中任一项所述的设备，其中结构化固定床包括交替层，所述交替层包括一个或多个细胞固定层和一个或多个间隔层。

29.根据方面28所述的设备，其中在一个或多个细胞固定层与一个或多个间隔层之间形成通道，以将液体中的任何气泡分裂/剪切成第三气泡，第三气泡具有比第二尺寸更小的第三尺寸。

30.一种用于培养细胞的设备，该设备包括：

包括细胞培养床的生物反应器；

用于将液体泵送通过细胞培养床的装置；和

用于将气体注射到液体中以形成具有第一尺寸的第一气泡的装置，泵送装置将第一气泡转化为具有比第一尺寸小的第二尺寸的第二气泡，以使第二气泡与液体一起输送到床。

31.根据方面30所述的设备，其中用于泵送的装置包括搅拌器。

32.根据方面30或方面31所述的设备，其中用于注射气体的装置包括连接到气体供应源的管。

33.一种在细胞培养床中培养细胞的方法，该方法包括：

提供具有气泡的液体；

搅拌液体以分裂气泡；以及

将具有分裂的气泡的液体输送到细胞培养床。

34.根据方面33所述的方法，其中该提供步骤包括向用于执行搅拌步骤的搅拌器上游的液体供应气体。

35.根据方面33或方面34所述的方法，其中所述提供步骤包括向包括用于执行搅拌步骤的搅拌器的容器中的液体供应气体。

36.根据方面33-35中任一项所述的方法，其中细胞培养床包括交替层，所述交替层包括形成供液体通过所述床的通道的一个或多个细胞固定层和一个或多个间隔层，当液体穿过细胞培养床时，所述层执行进一步分裂气泡的步骤。

37.一种用于培养细胞的方法，该方法包括：

包括细胞培养床的生物反应器；

用于将液体泵送通过细胞培养床的搅拌器；和

用于将气体注射到液体中以形成具有第一尺寸的气泡的注射器；

其中搅拌器适于将气泡分裂或剪切成小于第一尺寸的第二尺寸；

其中细胞培养床适于将气泡分裂或剪切成小于第二尺寸的第三尺寸。

38.一种用于培养细胞的设备，该设备包括：

提供具有第一尺寸的气泡的液体；

搅拌液体以将气泡分裂成小于第一尺寸的第二尺寸；以及

将具有分裂的气泡的液体输送到细胞培养床，细胞培养床将气泡分裂成小于第二尺寸的第三尺寸。

39.一种用于培养细胞的设备，该设备包括：

用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，壳体包括具有气体的区域；和

适于延长停留时间并在所述区域的液体中产生湍流的流动延长器。

40.根据方面39所述的设备，其中流动延长器包括具有用于引起湍流的表面结构的截头圆锥形结构。

41.根据方面39或方面40所述的设备，其中流动延长器包括一个或多个错综的、迷宫状或蜿蜒的通道。

42.根据方面39-41中任一项所述的设备，其中流动延长器包括多个阶梯。

43.根据方面39-42中任一项所述的设备，其中壳体布置有用于接收床的外部室，该室为包括位于床的液体出口上方的顶部空间的上部室，并且还包括用于使液体返回以进入床的中央室。

44.根据方面39-43中任一项所述的设备，其中壳体布置有用于接收床的外部室，该室为用于使液体返回以进入床的中央室。

45.根据方面39-44中任一项所述的设备，其中壳体布置有用于接收床的内部室，该室为用于使液体返回以进入床的外部室。

46.根据方面39-45中任一项所述的设备，其中流动延长器具有周边边缘，该周边边缘在高度上大于延长器的径向向内边缘。

47.根据方面39-46中任一项所述的设备，其中壳体包括环形室，该环形室包括床并具有径向尺寸X，并且其中延长器的径向尺寸Y大于0.5X。

48.根据方面39-47中任一项所述的设备，其中所述流动延长器能够被加热。

49.一种用于培养细胞的设备，该设备包括：

用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，壳体包括具有气体的顶部空间；和

适于延长在顶部空间的停留时间的流动延长器。

50.根据方面49所述的设备，其中流动延长器包括截头圆锥形板。

51.根据方面49或方面50所述的设备，其中流动延长器包括一个或多个迷宫状或蜿蜒的通道。

52.根据方面49-51中任一项所述的设备，其中流动延长器包括多个阶梯。

53.根据第49-52项中任一项所述的设备，其中壳体布置有用于接收床的外部室，顶部空间位于床的液体出口上方，并且还包括用于使液体返回以进入床的中央室。

54.根据方面49-53中任一项所述的设备，其中流动延长器具有周边边缘，该周边边缘在高度上大于延长器的径向向内边缘。

55.根据方面49-54中任一项所述的设备，其中壳体包括环形室，该环形室包括床并具有径向尺寸X，并且其中延长器的径向尺寸Y大于0.5X。

56.根据方面49-55中任一项所述的设备，其中流动延长器被加热。

57.一种用于培养细胞的设备，该设备包括：

用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，壳体包括用于将液体泵送通过床并进入顶部空间的离心泵；

适于增加液体在顶部空间中的停留时间的流动延长器；和

用于将气体注射到液体中以形成具有第一尺寸的第一气泡的注射器，离心泵将第一气泡转化为具有比第一尺寸小的第二尺寸的第二气泡，以使第二气泡与被泵送的液体一起输送到床。

58.根据方面57所述的设备，其中流动延长器被加热。

59.一种用于培养细胞的设备，该设备包括：

用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体；和

位于壳体内的温度调节器，该温度调节器用于调节液体的温度，而不直接加热或冷却床。

60.根据方面59所述的设备，其中温度调节器包括阶梯式结构。

61.根据方面59或方面60所述的设备，该设备还包括具有由温度调节器进行热调节的直立壁的结构。

62.根据方面59-61中任一项所述的设备，其中温度调节器位于壳体的顶部空间中。

63.根据方面59-62中任一项所述的设备，其中温度调节器包括壳体外部的电源和壳体内部的电阻元件。

64.根据方面59-63中任一项所述的设备，其中温度调节器包括散热器。

65.一种用于培养细胞的设备，该设备包括：

用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，壳体包括具有气体的顶部空间；和

适于延长液体在顶部空间中的停留时间和/或在顶部空间中的液体中产生湍流的流动延长器。

66.根据方面65所述的设备，其中流动延长器包括相对于水平面具有1°-85°斜度的表面。

67.一种用于培养细胞的设备，该设备包括：

用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，壳体包括具有气体的区域；和

适于延长液体在所述区域中的停留时间的流动延长器，其中流动延长器包括相对于水平面具有1°-85°斜度的表面。

68.根据方面67所述的设备，其中所述区域包括顶部空间。

69.一种用于培养细胞的设备，该设备包括：

用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，壳体包括具有气体的区域；和

适于延长液体在所述区域中的停留时间和/或在所述区域中的液体中引起湍流的流动延长器，该流动延长器包括开放式外壳。

70.根据方面69所述的设备，其中开放式外壳包括用于接收液体的一部分的室。

71.根据方面69或方面70所述的设备，该设备还包括用于调节进入室的流量的调节器。

72.根据方面69-71中任一项所述的设备，其中所述开放式外壳包括倾斜的上表面。

73.根据方面69-72中任一项所述的设备，该设备还包括连接到开放式外壳的温度调节器。

如本文所用，以下术语具有以下含义：

本文中所使用的“一”、“一个”和“该(所述)”指单数以及复数的指代物，除非上下文另有明确规定。举例来说，“一隔间”指的是一个隔间或多于一个的隔间。

本文中所使用的“大约”、“基本上”、“一般地”或“近似地”，指可测量值，诸如参数、量、持续时间等，意在涵盖特定值的+/-20％或更小、优选+/-10％或更小、更优选+1-5％或更小、甚至更优选+/-1％或更小、还更优选+/-0.1％或更小的变化，只要这些变化适于在所公开的发明中进行。然而，应当理解，修饰语“大约”所指的值本身也是具体公开的。

本文所使用的“包括”及其变体与“包含”及其变体以及“含有”及其变体同义，是指定后面内容的存在的包含性或开放式术语，例如，“部件包括”不排除或阻止本领域已知或本文公开的附加、未列举的部件、特征、元件、构件、步骤的存在。

尽管在本文中示出并描述了优选实施例，但对本领域技术人员而言显而易见的是，这些实施例仅作为示例提供。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员将会想到许多变型、改变和替换。例如，虽然生物反应器示出为竖直取向，但是它可以用于任何取向。生物反应器也可以由刚性、柔性或半柔性材料形成，并且可以被制造用于单次或多次使用。应该理解，在实施本发明时，可以采用在本文中描述的本发明的实施例的各种替代方案。以下权利要求旨在限定适用法律下的保护范围，并且由此覆盖这些权利要求及其等同物范围内的方法和结构。

Claims (73)

1.一种用于培养细胞的设备，所述设备包括：

包括固定细胞培养床的生物反应器；

用于将液体泵送通过所述细胞培养床的搅拌器；

用于所述搅拌器的容器；和

连接到所述容器的第一导管。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一导管包括用于将气泡输送到所述容器中的注射器导管。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一导管包括用于从所述生物反应器排出液体的排出导管。

4.根据权利要求2所述的设备，所述设备还包括第二导管，所述第二导管包括用于从所述生物反应器排出液体的排出导管。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述生物反应器包括中央室和盖，所述第一导管从所述盖延伸并穿过所述中央室到达所述容器的开口。

6.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括与所述容器相关联的管状柱，所述第一导管连接到所述管状柱。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述搅拌器包括优选为磁性的叶轮，所述叶轮通过轴承可旋转地联接到所述管状柱。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述搅拌器包括多个弯曲的叶片。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述搅拌器包括多个叶片，所述多个叶片中的每个叶片具有较高的中央部分和较低的周边部分，从而产生可变高度。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述容器包括适于容纳可变高度的所述搅拌器的倾斜的上部部分。

11.根据权利要求1所述的设备，其中所述容器包括配件，所述配件适于将通过所述第一导管输送到其的气体形成定制尺寸的气泡。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述配件包括穿孔部分。

13.根据权利要求1所述的设备，其中所述细胞培养床适于分裂/剪切所述液体中的任何气泡。

14.根据权利要求1所述的设备，其中所述细胞培养床包括固定床。

15.根据权利要求14所述的设备，其中所述固定床包括结构化固定床。

16.根据权利要求15所述的设备，其中所述结构化固定床包括交替层，所述交替层包括一个或多个细胞固定层，以及任选的一个或多个间隔层。

17.根据权利要求16所述的设备，其中所述一个或多个细胞固定层或所述一个或多个间隔层形成路径，以分裂或剪切行进通过所述固定床的所述液体中的气泡。

18.根据权利要求1所述的设备，其中所述细胞培养床位于所述生物反应器的环形外部室中，所述环形外部室适于接收由所述容器中的所述搅拌器的旋转产生的泵送作用引起的液体流。

19.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括在所述生物反应器的环形外部室内以堆叠构造布置的多个细胞培养床。

20.根据权利要求1到19中任一权利要求所述的设备，其中所述生物反应器还包括流动延长器，所述流动延长器可能具有温度调节器。

21.一种用于培养细胞的设备，所述设备包括：

包括细胞培养床的生物反应器；

用于将液体泵送通过所述细胞培养床的搅拌器；和

用于将气体注射到所述液体中以形成具有第一尺寸的第一气泡的注射器，所述搅拌器将所述第一气泡转化为具有比所述第一尺寸小的第二尺寸的第二气泡，以使所述第二气泡与所述液体一起输送到所述细胞培养床。

22.根据权利要求21所述的设备，其中所述搅拌器位于与所述生物反应器流体连通的容器中，所述容器包括至少一个入口和至少一个出口。

23.根据权利要求22所述的设备，其中所述注射器包括具有开口端的管，所述开口端位于所述容器的所述至少一个入口的上游。

24.根据权利要求23所述的设备，所述设备还包括具有中央室的壳体，所述中央室与所述至少一个入口相关联且位于所述细胞培养床的径向内部，其中所述管的所述开口端定位在所述中央室内。

25.根据权利要求22所述的设备，其中所述注射器包括具有开口端的管，所述开口端位于所述至少一个入口与所述至少一个出口之间的流体流动路径中。

26.根据权利要求21所述的设备，其中所述细胞培养床包括固定床。

27.根据权利要求26所述的设备，其中所述固定床包括结构化固定床。

28.根据权利要求27所述的设备，其中所述结构化固定床包括交替层，所述交替层包括一个或多个细胞固定层和一个或多个间隔层。

29.根据权利要求28所述的设备，其中在所述一个或多个细胞固定层与一个或多个间隔层之间形成通道，以将所述液体中的任何气泡分裂/剪切成具有比所述第二尺寸更小的第三尺寸的第三气泡。

30.一种用于培养细胞的设备，所述设备包括：

包括细胞培养床的生物反应器；

用于将液体泵送通过所述细胞培养床的装置；和

用于将气体注射到所述液体中以形成具有第一尺寸的第一气泡的装置，所述泵送装置将所述第一气泡转化为具有比所述第一尺寸小的第二尺寸的第二气泡，以使所述第二气泡与所述液体一起输送到所述床。

31.根据权利要求30所述的设备，其中所述用于泵送的装置包括搅拌器。

32.根据权利要求30所述的设备，其中所述用于注射所述气体的装置包括连接到气体供应源的管。

33.一种在细胞培养床中培养细胞的方法，所述方法包括：

提供具有气泡的液体；

搅拌所述液体以分裂所述气泡；以及

将具有所分裂的气泡的所述液体输送到所述细胞培养床。

34.根据权利要求33所述的方法，其中所述提供步骤包括向用于执行所述搅拌步骤的搅拌器上游的所述液体供应气体。

35.根据权利要求33所述的方法，其中所述提供步骤包括向包括用于执行所述搅拌步骤的搅拌器的容器中的所述液体供应气体。

36.根据权利要求33所述的方法，其中所述细胞培养床包括交替层，所述交替层包括形成供所述液体通过所述床的通道的一个或多个细胞固定层和一个或多个间隔层，当所述液体穿过所述细胞培养床时，所述层执行进一步分裂所述气泡的步骤。

37.一种用于培养细胞的方法，所述方法包括：

包括细胞培养床的生物反应器；

用于将液体泵送通过所述细胞培养床的搅拌器；和

用于将气体注射到所述液体中以形成具有第一尺寸的气泡的注射器；

其中所述搅拌器适于将所述气泡分裂或剪切成小于所述第一尺寸的第二尺寸；

其中所述细胞培养床适于将所述气泡分裂或剪切成小于所述第二尺寸的第三尺寸。

38.一种用于培养细胞的设备，所述设备包括：

提供具有第一尺寸的气泡的液体；

搅拌所述液体以将所述气泡分裂成小于所述第一尺寸的第二尺寸；以及

将具有所分裂的气泡的所述液体输送到所述细胞培养床，所述细胞培养床将所述气泡分裂成小于所述第二尺寸的第三尺寸。

39.一种用于培养细胞的设备，所述设备包括：

用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，所述壳体包括具有气体的区域；和

适于延长所述液体在所述区域中的停留时间并在所述区域的所述液体中引起湍流的流动延长器。

40.根据权利要求39所述的设备，其中所述流动延长器包括具有用于引起湍流的表面结构的截头圆锥形结构。

41.根据权利要求39所述的设备，其中所述流动延长器包括一个或多个错综的、迷宫状或蜿蜒的通道。

42.根据权利要求39所述的设备，其中所述流动延长器包括多个阶梯。

43.根据权利要求39所述的设备，其中所述壳体布置有用于接收所述床的外部室，所述室为包括位于所述床的液体出口上方的顶部空间的上部室，并且还包括用于使液体返回以进入所述床的中央室。

44.根据权利要求39所述的设备，其中所述壳体布置有用于接收所述床的外部室，所述室为用于使液体返回以进入所述床的中央室。

45.根据权利要求39所述的设备，其中所述壳体布置有用于接收所述床的内部室，所述室为用于使液体返回以进入所述床的外部室。

46.根据权利要求39所述的设备，其中所述流动延长器具有周边边缘，所述周边边缘在高度上大于所述延长器的径向向内边缘。

47.根据权利要求39所述的设备，其中所述壳体包括环形室，所述环形室包括所述床并具有径向尺寸X，并且其中所述延长器的径向尺寸Y大于0.5X。

48.根据权利要求39所述的设备，其中所述流动延长器能够被加热。

49.一种用于培养细胞的设备，所述设备包括：

用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，所述壳体包括具有气体的顶部空间；和

适于延长在所述顶部空间中的停留时间的流动延长器。

50.根据权利要求49所述的设备，其中所述流动延长器包括截头圆锥形板。

51.根据权利要求49所述的设备，其中所述流动延长器包括一个或多个迷宫状或蜿蜒的通道。

52.根据权利要求49所述的设备，其中所述流动延长器包括多个阶梯。

53.根据权利要求49所述的设备，其中所述壳体布置有用于接收所述床的外部室，所述顶部空间位于所述床的液体出口上方，并且还包括用于使液体返回以进入所述床的中央室。

54.根据权利要求49所述的设备，其中所述流动延长器具有周边边缘，所述周边边缘在高度上大于所述延长器的径向向内边缘。

55.根据权利要求49所述的设备，其中所述壳体包括环形室，所述环形室包括所述床并具有径向尺寸X，并且其中所述延长器的径向尺寸Y大于0.5X。

56.根据权利要求49所述的设备，其中所述流动延长器被加热。

57.一种用于培养细胞的设备，所述设备包括：

用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，所述壳体包括用于将液体泵送通过所述床并进入顶部空间的离心泵；

适于增加所述液体在所述顶部空间中的停留时间的流动延长器；和

用于将气体注射到所述液体中以形成具有第一尺寸的第一气泡的注射器，所述离心泵将所述第一气泡转化为具有比所述第一尺寸小的第二尺寸的第二气泡，以使所述第二气泡与被泵送的所述液体一起输送到所述床。

58.根据权利要求57所述的设备，其中所述流动延长器被加热。

59.一种用于培养细胞的设备，所述设备包括：

用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体；和

位于所述壳体内的温度调节器，所述温度调节器用于调节所述液体的温度，而不直接加热或冷却所述床。

60.根据权利要求59所述的设备，其中所述温度调节器包括阶梯式结构。

61.根据权利要求59所述的设备，所述设备还包括具有由所述温度调节器进行热调节的直立壁的结构。

62.根据权利要求59所述的设备，其中所述温度调节器位于所述壳体的顶部空间中。

63.根据权利要求59所述的设备，其中所述温度调节器包括所述壳体外部的电源和所述壳体内部的电阻元件。

64.根据权利要求59所述的设备，其中所述温度调节器包括散热器。

65.一种用于培养细胞的设备，所述设备包括：

用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，所述壳体包括具有气体的顶部空间；和

适于延长所述液体在所述顶部空间中的停留时间和/或在所述顶部空间中的所述液体中产生湍流的流动延长器。

66.根据权利要求65所述的设备，其中所述流动延长器包括相对于水平面具有1°-85°斜度的表面。

67.一种用于培养细胞的设备，所述设备包括：

用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，所述壳体包括具有气体的区域；和

适于延长所述液体在所述区域中的停留时间的流动延长器，其中所述流动延长器包括相对于水平面具有1°-85°斜度的表面。

68.根据权利要求67所述的设备，其中所述区域包括顶部空间。

69.一种用于培养细胞的设备，所述设备包括：

用于容纳输送到用于培养细胞的床的液体的壳体，所述壳体包括具有气体的区域；和

适于延长所述液体在所述区域中的停留时间和/或在所述区域的所述液体中引起湍流的流动延长器，所述流动延长器包括开放式外壳。

70.根据权利要求69所述的设备，其中所述开放式外壳包括用于接收所述液体的一部分的室。

71.根据权利要求70所述的设备，所述设备还包括用于调节进入所述室的流量的调节器。

72.根据权利要求69所述的设备，其中所述开放式外壳包括倾斜的上表面。

73.根据权利要求69所述的设备，所述设备还包括连接到所述开放式外壳的温度调节器。

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