JP2014525264A - バイオリアクター用排ガスフィルター装置 - Google Patents

Abstract

凝縮した液体による流れの妨害が低減された、バイオリアクター用排ガスフィルター装置が開示されており、この排ガスフィルター装置は、フィルター媒体、ガス入口、及びガス出口を有するハウジングを含み、ガス入口とフィルター媒体の間の領域内でハウジングの１以上の内壁から延在する複数のリブをさらに含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は細胞培養のためのバイオリアクターに関し、具体的には、バイオリアクター用排ガスフィルターに関する。本発明は、バイオリアクターでの細胞培養にも関する。

バイオリアクターでの細胞培養の際に、空気及び／又は他の気体がリアクターに連続的に供給され、過剰分は細胞からの気体代謝物と共に排気口から除去される。培養の滅菌性を担保するため、排気ラインには滅菌グレードフィルターが装備されており、フィルター媒体は典型的には０．１〜０．２μｍの疎水性ミクロ濾過膜とすることができる。排ガス流は温かく、水分で飽和しているので、フィルター媒体に水分が凝縮し、フィルターを通る気流を塞ぐおそれがかなりある。

幾つかの解決策が提案されており、水冷式凝縮器を、排気ラインにフィルターの手前で配置させる（米国特許第５４４３９８５号、同第６１３３０２１号、同第７４２５４４１号）或いはフィルターハウジング内にフィルター媒体の手前で内蔵させる（米国特許出願公開第２０１１／００７６７５９号）。こうして水分を凝縮させると、凝縮液は重力流れによってバイオリアクターに戻すことができ、液体凝縮物とフィルター媒体との接触を回避することができる。しかし、水冷式凝縮器の使用には、管を介して水を供給しなければならず、漏れを防ぐために凝縮器及び排水管に確実に固定しておかなければならないという点で煩雑である。さらに、水冷式凝縮器は二重壁容器又は内管と壁を貫通する管ポートを有する容器が必要とされる点で製造が複雑となる。これは、安価な使い捨てプラスチック部品を用いることが極めて望ましい使い捨てバイオリアクターでの小規模乃至中規模細胞培養で特に問題となる。

そこで、液冷式凝縮器なしでバイオリアクターに使用できる排ガスフィルター装置に対するニーズが存在する。

米国特許第５４４３９８５号 米国特許第６１３３０２１号 米国特許第７４２５４４１号 米国特許出願公開２０１１／００７６７５９

本発明の一態様は、製造及び使用が簡単で、液冷式凝縮器を必要としないバイオリアクター用排ガスフィルター装置を提供することである。これは請求項１記載の排ガスフィルター装置で達成される。この構成の１つの利点は、使い捨て装置として低コスト生産が可能であること並びに装置が操作し易いことである。

本発明の第２の態様は、使い捨て排ガスフィルター装置を備えるバイオリアクターを提供することである。これは請求項１１記載のバイオリアクターで達成される。その１つの利点は、冷却液ラインが存在しないので、バイオリアクターの設置及び組立てが容易であることである。

本発明の第３の態様は、細胞培養のための簡単で信頼性の高い方法を提供することである。これは請求項１３記載の方法で達成される。この方法の１つの利点は、液冷式凝縮器を使用せずに排ガスフィルター媒体の閉塞を回避できることである。

本発明のその他の好適な実施形態については従属請求項に記載されている。

本発明の排ガスフィルター装置を示す図。 図１の排ガスフィルター装置のハウジングの部材を示す図。 本発明の排ガスフィルター装置を示す図。 本発明の排ガスフィルター装置のハウジングの部材を示す図。 本発明の排ガスフィルター装置のハウジングの部材を示す図。 本発明の排ガスフィルター装置を備えるバイオリアクターを示す図。

図１〜図５に例示する第１の態様において、本発明は、バイオリアクター用の排ガスフィルター装置について開示するが、本装置は、フィルター媒体１、ガス入口３；１３；２３及びガス出口４；１４；２４を有するハウジング２；１２；２２を備えている。ハウジングは、さらに、ハウジング２；１２；２２の１以上の内壁から延在する２以上のリブ５；１５；２５をガス入口３；１３；２３とフィルター媒体１との間の領域に備えている。フィルター媒体は、適宜、ハウジングの内容積の断面を横断して延在して、ガス入口３；１３；２３とフィルター媒体１との間の区画と、フィルター媒体１とガス出口４；１４；２４との間の区画との２つの区画に区分けする。フィルター媒体１の全般的方向は、ガス入口３；１３；２３の中心とガス出口４；１４；２４の中心の間に描かれる直線に対して基本的に垂直な又は約６０〜９０度の角度の平面にあるようにすることができる。リブ５；１５；２５は、ハウジングの１以上の壁と一体的にすることができるか、又は別個に製造し、ハウジング内に取り付けることができる。リブは、ハウジングの１以上の内壁に対して略垂直な方向に延在している可能性があるか、又はリブは、内壁に対して角度を付けられている可能性がある。リブの利点は、バイオリアクターから来る空気中の水蒸気をリブ上で凝縮することができ、凝縮物は重力によりバイオリアクターに逆流し得ることである。

図１〜図５に示す幾つかの実施形態では、リブは、ハウジングの２つの対向する内壁間に延在している。それらは、次いで、複数のチャネル６；１６；２６を底部入口とフィルター媒体１の間に画成することができ、その結果、フィルター媒体１へ向かうガス入口３；１３；２３からのガス流を幾つかの下位流に分割することができる。このことにより、ガスとリブ面の間の接触領域が増大し、凝縮が増進する。接触領域をさらに増大し、したがって凝縮を増進するために、チャネル６；１６；２６は、平均屈曲度＞１．１などで屈曲しているようにすることができ、ここで、屈曲度は、チャネルの長さ割るチャネルの直線端部−端部距離と定義される。平均屈曲度は、１．１以上５以下とすることができ、それはハウジング内でリブを曲げるか又は角度を付けることにより達成され得る。チャネル６；１６は、図１、図２及び図４に示す通り平行であってもよいし、又はそれらは、図３に示す通り分岐点及び／又は再接続点を有するチャネル１６の相互接続ネットワークを形成し得る。

ある実施形態では、リブ５；１５；２５は、連続又は不連続ジグザグパターンで配置されている。連続ジグザグパターンは図１及び図２に示されており、そこでは、リブ５の部分は規則的パターンで互いに対して角度が付けられている。不連続ジグザグパターンは図４に示されており、そこでは、個々のリブ１５は規則的パターンで互いに対して角度が付けられている。ジグザグパターンにおける角度は、８０〜１００度などの、例えば６０〜１２０度とすることができる。ジグザグパターンを使用することの利点は、ガス流が繰り返し偏向させられ、結果としてリブ面との接触が増進し、したがって凝縮が増進することである。

幾つかの実施形態では、ハウジング２；１２；２２は単層である。したがって、排ガスフィルター装置に液体冷却媒体を供給する装置は存在しない。単層ハウジングは、ハウジング壁の設計によるか又はハウジングの内容積を貫通する管状回路の導入によるかのどちらかで形成されている二重壁を有さない。単層のハウジングを有することの利点は、製造及び設置がより容易であることである。また、更なる利点は、ハウジングと外気の間の熱伝達が向上することである。ハウジング壁の平均厚は、０．５ｍｍ未満など、１ｍｍ未満とすることができ、周囲空気との熱伝達をさらに増進する。

ある実施形態では、フィルター媒体１はプリーツを付けられてフィルター領域を増大する。（或いは折り目と呼ばれる）プリーツ７は、ガス入口３；１３；２３とガス出口４；１４；２４とを結ぶ直線に対して６０〜９０度、例えば８０〜９０度の角度で平面に延在することができる。これは、最上部のガス出口及び底部のガス入口に関して、排ガスフィルター装置がおおよそ垂直に動作した場合に、プリーツ脚８は水平面に対して角度が付けられており、フィルター内で凝縮している任意の水蒸気が重力により下方プリーツ（折り目）の方へ流動することができ、凝縮物は、重力によりプリーツ（折り目）から滴下し、バイオリアクターへ逆流し得ることを意味する。

幾つかの実施形態では、プリーツ付きフィルター媒体のプリーツ角度９が２０〜１２０度、例えば３０〜１００度である。１２０度又は１００度未満のプリーツ角度により、前述の下方プリーツの方へ任意の凝縮物の重力流が確実になり、また、この角度により、フィルター媒体領域の大幅な増大も可能になる。２０度又は３０度未満のプリーツ角度で、任意の凝縮物がプリーツ脚８間に水架橋を形成する可能性があり、それがフィルター媒体領域の部分での流れを妨害する可能性がある、というリスクがある。

ある実施形態では、全ての下方プリーツ（ガス入口に対向しているプリーツ／折り目）などの複数のプリーツ（折り目）が、ハウジング１２；２２の１以上の壁から延在しているプリーツ支持ロッド１０；２０により支持されている。プリーツ支持ロッドは、プリーツに適合する、角度のある陥凹部を有し得る。プリーツ支持ロッドの１つの利点は、フィルター媒体の取付けが容易になること及び機械的安定性が向上することである。別の利点は、プリーツ支持ロッドは下方プリーツ／折り目からの凝縮水分の滴下を容易にし得ることである。幾つかの実施形態では、フィルター媒体は疎水性である。疎水性フィルター媒体は、純水に濡らされず、気体の通過を可能にする。疎水性特徴は透水試験により査定することができ、純水が付与された圧力によりフィルター媒体を通過させられ、透水に必要な圧力が書き留められる。透水圧力が、約３バールより高いなど、約１バール（１００ｋＰａ）より高い場合、０．２０μｍのフィルター媒体が疎水性として書き留められる可能性がある。疎水性フィルターを使用することの利点は、ガス流中に引き込まれているエアロゾル液滴がフィルターを通過しないことである。また、疎水性フィルターは、水蒸気の凝縮に流れを妨害されることが少ない。フィルターの孔径は、バイオリアクターの内容物の無菌性を確実にするように選択することができる。これは通常、０．０５〜０．２０μｍ又は０．１〜０．２２μｍなど、約０．２５μｍ未満の孔径を有する滅菌グレードフィルターで実施される。

リブの表面及びハウジングの内壁は、幾つかの実施形態では、５０度未満の平衡水接触角度などで疎水性とし、任意の水蒸気の凝縮及び排出を容易にすることができる。親水性は、コロナ処理若しくはプラズマ処理などの処理により、又は表面を親水性材料で被覆することにより、達成されてもよい。

ある実施形態では、排ガスフィルター装置は、ハウジングの外壁にクランプ締めされている１以上のペルティエ素子及び／又は１以上のペルティエ素子をハウジングの外壁にクランプ締めする手段をさらに含む。ペルティエ素子をハウジングにクランプ締めすることの利点は、冷却液を用いずに凝縮速度の上昇を達成することができることである。

図６に示す第２の態様では、本発明は、前述の排ガスフィルター装置３１を備え付けられているバイオリアクター３０を開示している。本バイオリアクターは使い捨てバイオリアクターとすることができ、バイオリアクター槽としての可撓性ビニール袋３２とバイオリアクターガス入口３５とを含んでいてもよい。排ガスフィルター装置及びガス入口はどちらも、可撓性ビニール袋の上壁のポートに取り付けられていてもよい。そのような可撓性ビニール袋は、例えば枢動軸３４の周囲での揺動運動により攪拌を実現する可動プラットホーム３３上に取り付けることができる。揺動可撓性袋のバイオリアクターで記載の排ガスフィルター装置を使用することの特別な利点は、任意の冷却液管類がないことにより、揺動管類が必要ないので、バイオリアクターの設定と操作が容易になることである。また、可撓性袋のバイオリアクターは、通常、使い捨て部品のみと共に使用され、低製造コストの排ガスフィルター装置の必要性を強調する。袋３２、フィルター装置３１、管類及び他の使い捨て部品は、例えばガンマ線又は電子線の照射への暴露により滅菌されていてもよい事前組立て済みセットとして供給されてもよい。排ガスフィルター装置を含む全ての部品が放射線耐性材料、すなわち２５ｋＧｙの線量への暴露時に顕著に劣化せず且つ照射後に望ましくない浸出物を生成しない材料で製造される場合、事前組立て済みセットは有利である。

図６に示す第３の態様では、本発明は、前述の排ガスフィルター装置を備え付けられているバイオリアクターでの細胞培養のための方法を開示している。

ある実施形態では、バイオリアクターからの水蒸気が排ガスフィルター装置に進入し、培養中に複数のリブ上で凝縮する。

幾つかの実施形態では、細胞懸濁液容積（液体容積）が、０．５Ｌ以上２０Ｌ以下など、１００Ｌ未満である。小規模から中規模の培養物では、バイオリアクターから運び去られる水蒸気量は、前述の１つの排ガスフィルター装置で容易に処理することができる。より大きな培養物では、幾つかの装置が必要である可能性がある。排ガスフィルター装置を通るガス流量は、０．０５Ｌ／分以上１Ｌ／分以下など、２Ｌ／分未満である可能性がある。幾つかの排ガスフィルター装置が使用されている場合、各装置での流量は、０．０５Ｌ／分以上１Ｌ／分以下など、２Ｌ／分未満である可能性がある。

ある実施形態では、前記排ガスフィルター装置に、冷却液が供給されない。このことにより動作が簡単化する。

幾つかの実施形態では、排ガスフィルター装置は、ガス出口４；１４；２４がガス入口３；１３；２３の上方にあり、且つ前記ガス入口と前記ガス出口とを結ぶ直線が垂直平面に対して約３０度未満の状態で配置されている。排ガスフィルター装置のこの略垂直の配向により、リブ及び／又はプリーツ／折り目からの且つバイオリアクターへ戻る凝縮水分の重力流が促進される。

実施例１
試験装置：
ＷＡＶＥ バイオリアクターシステム２／１０機器（ＧＥヘルスケアバイオサイエンス、スウェーデン）、可撓性袋Ｃｅｌｌｂａｇ（商標）２Ｌ、５個（ＧＥヘルスケアバイオサイエンス、スウェーデン）、各々濃度９ｍｇ／ｍｌのＮａＣｌ１Ｌで満たされており、空気入口とガス出口内の排ガスフィルター装置とが備え付けられていた。Ｗａｖｅ機器についてのパラメータ設定は以下の通りである。
温度 ３７．２℃
揺動速度 １０ｒｐｍ
揺動角度 ６°
空気流量 ０．２１Ｌ／分
時間 ２３時間。

乾式フィルター装置を、開始時に計量し、２３時間の実施後に、Ｗａｖｅ機器内で再度計量した。

凝縮物の重量を、平坦なフィルター媒体を有しリブを有さない袋と共に供給される標準的な排ガスフィルターに関して設定されている対照の重量と比較した。２つのフィルター装置、図５によるフィルター装置及び図４によるフィルター装置、のプロトタイプを評価した。結果を表１に示す。

フィルター内に残留している凝縮物量が新規の構造により大幅に減少したことは明白である。

本明細書は、例を用いて、最良の形態を含めて本発明を開示し、また、任意の装置又はシステムを作製すること及び使用すること並びに任意の援用されている方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実践することを可能にしている。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲により定められ、当業者に思い付く他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文言と僅かしか異ならない同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内に入るよう意図されている。一実施形態に関連して記載されている任意の特徴が、また、記載されている実施形態の任意の他のものの１以上の特徴との組合せで使用されてもよいことが指摘される。

Claims (17)

1. フィルター媒体（１）、ガス入口（３；１３；２３）及びガス出口（４；１４；２４）を有するハウジング（２；１２；２２）を備えるバイオリアクター用排ガスフィルター装置であって、前記ハウジング（２；１２；２２）の１以上の内壁から延在する複数のリブ（５；１５；２５）を前記ガス入口（３；１３；２３）と前記フィルター媒体（１）の間の領域にさらに備えている、排ガスフィルター装置。
2. 前記リブが前記ハウジングの２つの対向する内壁間に延在し、底部にある前記入口と前記フィルター媒体（１）の間に複数のチャネル（６；１６；２６）を画成している、請求項１記載の排ガスフィルター装置。
3. 前記チャネル（６；１６；２６）が、平均屈曲度＞１．１などで屈曲している、請求項２記載の排ガスフィルター装置。
4. 前記リブは、連続ジグザグパターン又は不連続ジグザグパターンで配置されている、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の排ガスフィルター装置。
5. 前記ハウジング（２；１２；２２）は単層である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の排ガスフィルター装置。
6. 前記フィルター媒体（１）には、前記ガス入口（３；１３；２３）と前記ガス出口（４；１４；２４）とを結ぶ直線に対して６０〜９０度、例えば８０〜９０度の角度で平面に延在しているプリーツ（７）が付けられている、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の排ガスフィルター装置。
7. プリーツ角度（９）は２０〜１２０度、例えば３０〜１００度である、請求項６記載の排ガスフィルター装置。
8. 複数のプリーツは、前記ハウジング（１２；２２）の１以上の壁から延在するプリーツ支持ロッド（１０；２０）により支持されている、請求項６又は請求項７記載の排ガスフィルター装置。
9. 前記フィルター媒体は疎水性である、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の排ガスフィルター装置。
10. 前記ハウジングの外壁にクランプ締めされている１以上のペルティエ素子をさらに含む、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の排ガスフィルター装置。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載の排ガスフィルター装置（３１）を備えるバイオリアクター（３０）。
12. 可動プラットホーム（３３）上に取り付けられている可撓性袋などの可撓性袋（３２）を備える、請求項１１記載のバイオリアクター。
13. 請求項１１又は請求項１２記載のバイオリアクターでの細胞培養の方法。
14. 培養中に、水蒸気が前記複数のリブ上で凝縮する、請求項１３記載の方法。
15. 前記細胞培養容積が１００Ｌ未満、例えば０．５Ｌ以上２０Ｌ以下である、請求項１３又は請求項１４記載の方法。
16. 前記排ガスフィルター装置に冷却液が適用されない、請求項１３乃至請求項１５のいずれか１項記載の方法。
17. 前記排ガスフィルター装置は、前記ガス出口（４；１４；２４）が前記ガス入口（３；１３；２３）の上方にあり、且つ前記ガス入口と前記ガス出口とを結ぶ直線が垂直平面に対して約３０度未満の状態で配置されている、請求項１３乃至請求項１６のいずれか１項記載の方法。