JP4221393B2 - 使い捨てバイオリアクターまたは発酵槽 - Google Patents

Description

本発明は、発酵の分野に関する。より詳しくは、ガス分配器内臓であり、前記ガス分配器を通しての逆流または漏れを抑制するための装置を有する、使い捨ての発酵槽またはバイオリアクターに関する。

バイオ医薬品製造業では、蒸気滅菌や再利用が可能なので製造工程において慣例的にステンレス鋼のシステムや配管を使用している。

かかるシステムの費用はたいてい大きな負担を強いている。さらに、かかるシステムは、固定されて、たいてい溶接によって一体化しており再構成が容易ではない。

この産業では、代替的手段、すなわち慣例的なステンレス鋼に代わる、プラスチック製の単一な使い捨てのバッグやチューブの使用を模索し始めている。これは、最小の費用でこれらのシステムを再配置することへの順応性を許しうるものである。さらに、初期資本費用はステンレス鋼の費用より何倍も少なくなり、より少ない額でバイオ医薬品を製造することができ、この開発以前は経済的に正当化されなかった新しい治療薬が利用できるようになり、急遽付加的な容量が必要となった時にかかる製品の委託製造の拡大を可能にする。

使い捨てのバイオ医薬品製造用プラントの一つの形態はバイオリアクターであり、かかる装置ではガスや栄養分の安定供給と老廃物や放出されたガスの除去が必要である。さらに、リアクター内における細胞の一定の動きが内容物の一定の攪拌を促す。

バイオリアクターにおける１つのシステムでは、バイオリアクターバッグが設置されたモーターまたは液圧装置が備えられている大きいテーブルが使用されている。モーター／液圧装置は、細胞に一定な動きを与えるためバッグを振動させる。さらに、バッグは、栄養分や好気性生物への空気などのガスの供給と二酸化炭素などの呼吸後のガスのような老廃物の除去を可能にする、ガスや栄養分の供給チューブと排ガスや老廃物用のチューブを有する。これらのチューブは、ガスや流体／固体の一様な動きを可能にするため、バッグの動きにつれて作動するように配置される。米国特許第６，１９１，９１３号を参照されたい。

別法のシステムでは、可動アームに取り付けられた両端を有する長い柔軟性のチューブ状バッグが使用され、充填後のバッグはＵ字形に可動アームから下方へ吊るされるようになっている。次いでアームは、バッグ内でロッキング振動や液体の動きをひき起こすように、他方のアームに対してより上方または下方へ交互に動かされる。必要であれば、より完全な混合作用をひき起こすように中間部は制限手段を含んでよい。

このシステムは、液体の動きを起こすために、特殊な形のバッグと水圧または他の力による吊り上げ装置の使用が必要である。さらに、重さを考慮すると、バッグの大きさと容量は装置の吊り上げ能力とバッグの長さによって制限される。

改良点は、発酵槽、混合バッグ、保存袋などの使い捨てバイオバッグに関連づけて、選択的に加圧や収縮が可能な１以上のバッグを使用したことで示されている。加圧バッグは、選択されたバイオバッグの外部を囲むか、かかるバッグの内部に収容することができる。選択的に加圧バッグを加圧や収縮することにより、バッグ内に液体の動きを生じさせることができ、それによってせん断力による損傷や泡を発生させないで、バッグ内で細胞の浮遊、混合および／又はガスおよび／又は栄養分／排出物の移動を確実に達成することができる。

別の方法として、バッグ内へガスを導入するためのスパージャーまたは他の装置を有する静的な（不動の）バッグの選択が可能である。ガスは同様にバッグ内に液体の動きをひき起こし、それにより攪拌やガス、栄養分、老廃物の移動をも生じさせる。

米国特許第５，５６５，０１５号では、プラスチック製容器内へ封入されている平らで膨張可能な構造の多孔質チューブを使用している。チューブは、ガス圧下で膨張しガスをバッグへ流すことを可能にする。ガスが使用されない時は、バッグからの漏れを防ぐため、チューブは潰れて平らなチューブの孔を実質的に閉じる。

米国特許第６，４３２，６９８号もまたバッグ内のガス拡散器へチューブを差込んで封止している。弁または逆流を防ぐような手段が示されていないので、バッグ内の液体が、拡散器、ガスライン、最終的には空気ポンプへ入ることを防ぐため、ガスの正圧は一定に維持しなければならないであろう。

米国特許第６，１９１，９１３号明細書 米国特許第５，５６５，０１５号明細書 米国特許第６，４３２，６９８号明細書

米国特許第６，１９１，９１３号におけるシステムでは、摩耗し易い部品を有した、大きな資本を要する装置の使用を必要とする。さらに、テーブルで使用できるバッグの大きさは、テーブルの大きさとモーター／液圧装置の持ち上げ能力によって制限される。

米国特許第５，５６５，０１５号、同第６，４３２，６９８号における技術では、容器内の液体が漏れる可能性があり、これがガス供給システムのようなシステムの上流部分の部品のバッグ内容物を汚染する恐れがある。さらに、両者ではガス分配器には別個の部品を用いている。

本発明は、それらの短所を克服する装置を提供する。

本発明は、２以上の壁を有する容器からなるバイオリアクターまたは発酵槽である。１以上の入口と１以上の出口が、１以上の容器壁に形成される。１以上の入口のうち少なくとも１つは、容器の底面に形成されて１以上のガスの導入に使われる。ガス分配装置が底面のガス入口に隣接して容器本体内に形成され、疎水性フィルターが、底壁のガス入口の上流部分に取り付けられる。分配装置は、飛び飛びの間隔をあけた位置で、２つの面した容器の壁面どうしを接着することなどにより形成され、容器の残り部分への一連のガスポートを形成する。疎水性フィルターは、容器への微生物のような汚染物質の侵入を防ぐように容器に入れたガスを精製する役目を果たす。フィルターはまたバッグ内の液体が疎水性構造を通過することを防ぎ、ガス供給からの正圧がバッグに負荷をかけていない時の逆流を防ぐ、バルブのようにも機能する。

１つの具体例として、装置は、１以上の壁端が封着容器を形成するように一緒に封着されている軟質または半硬質プラスチックで形成される。１以上の入口と出口は、プラスチックに作り付け、または必要とされたときに適当な封着により加えることが可能である。

他の具体例として、容器の底壁は、容器内のデッドスペースを除去するため片側または両側が上向きのテーパを有するか丸底壁となる。

さらなる具体例として、容器は、半硬質プラスチックにより、隣接した壁端によって互いに封着される２部片の合せ貝形に形成される。

本発明は、封着された壁を有し、１以上の入口と１以上の出口が容器に形成され、１以上の入口のうち少なくとも１つは容器の底壁に形成されて１以上のガス供給源に接続され、底部のガス入口に隣接して容器本体内に形成されたガス分配装置と、ガス入口の上流部分に取り付けられた疎水性フィルターとを有するプラスチック製容器からなる発酵槽を提供する。

本発明は、良好なガスと流体の分配を有する使い捨てのシステムとしての発酵槽またはバイオリアクターにおける、微生物培養用の簡易なシステムを提供する。本発明は、振動テーブルまたは液圧式のホイストまたはクレーンなどの大きな資本と維持費を要する装置を必要とせずに、十分な動きおよび／または必要であれば成分の攪拌をもたらすことが可能である。

本発明は、使い捨てのバイオリアクターまたは発酵槽に関する。図１は、本発明における第一の具体例を示す。図示のように、装置は、２つの実質的に垂直な側壁４と、上壁６、底壁８を有するバッグ２からなる。１以上の入口１０Ａ−Ｂと１以上の出口１２は、バッグ２において１以上の容器壁に形成される。１つのガス入口１０Ａは、容器２の底壁８の最も低い部分に位置する。入口１０Ａの上流部分に取り付けられたのは疎水性フィルター１６である。フィルター１６の反対側の端に接続されているのは、容器２に空気および／または他のガスを供給するガスライン１８である。一連の１以上のガス分配装置２０は、底壁８に隣接して容器内に形成される。１以上のガス分配装置は、ガスが入口１０Ａに隣接して容器へ入るように設計されている。ガス分配装置は、ガスが容器の残り部分に入る前にガスを容器の隅々に分配する１以上のガスポート２２を形成する。好ましくは、図示されたように、この分配効果を最大限にするため、一連の２以上のガスポート２２を形成した複数のガス分配装置２０を有する。

１以上の入口１０と出口１２は、容器自体の一部として形成されるか、またはバッグに取り付けて、液体は漏れを防ぐため壁へしっかりと液密に封着される。容器壁へ封着されるのが可能なプラスチック製チューブ、ホースバーブ、ルアフィッティングの使用は、１以上の入口と出口が形成するのに使用される最も一般的な手段である。他の手段も使用できることは明らかであろう。これらは、一般的に容器製造工業で使用されるようなプラスチックの封着手段である、ヒートシールや振動溶接、接着剤、溶剤、オーバーモールディングなどで壁に封着できる。

図１に示されるように、底壁８は各側壁４に向かって上向きのテーパ１４を有する。これは、容器内の循環のためデッドゾーン（停滞領域）の形成を避けるため使用される。これは好ましい設計である一方、特に攪拌が十分だと思われるかまたはその使用が必要ない時は平底壁もまた使用できる。他の別の方法による具体例は、図２Ａに示されるように、側壁４の１つに向かって単一で上向きの直線状のテーパ１４Ａを有する底壁８を含んでいる。もしくは、図２Ｂに図示されるように、丸底壁８Ｂを有してもよい。また、他の設計をも使用されうる。

１以上のガス分配装置２０は容器壁それ自体から形成される。これは、例えば、隣接した、対向する壁部どうしをヒートシール、振動溶接、接着剤などを使用して選択的に封着することにより達成でき、それによりそれらの部分は互いに恒久的に固着され、ガスが容器中を上昇するには固着部分を迂回しなければならない。好ましくは、装置の配置は底壁８の形に従う。別の方法として、図３に示されるように、底壁８の構成にかかわらず水平な列状に配置してもよい。

本発明においては任意の疎水性膜を含むフィルターの使用が可能である。この膜は、ポリマーを疎水性にする又は所望のレベルの疎水性を与えるため、フッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ＰＴＦＥ樹脂のような固有の疎水性を有するものか、表面改質の架橋コーティングまたはグラフト重合のような処理を施したものがよい。かかるフィルターは、当技術分野において周知の技術であり、例えば、マサチューセッツ州ビレリカ所在のミリポア・コーポレイションから入手できる、ＤＵＲＡＰＯＲＥ（登録商標）フィルターまたはＡＥＲＶＥＮＴ（登録商標）疎水性カートリッジフィルターが含まれる。フィルターは本発明において二重の機能性を提供する。（０．２２μｍよりも小さい公称孔径を有するフィルターを選択するとき）ほこりや粒子、バクテリアが侵入して発酵槽を汚染しないように、発酵槽に入るガスに対するフィルターとして機能する。さらに重要なのは、それが疎水性である故に、ガス圧がオフであるか発酵槽中の液体から加わる静圧または水頭圧より低い場合に、ガス入口を通って液体が発酵槽を出ることを防ぐことである。大抵の用途では、所望の疎水性レベルを有する適当な大きさのフィルターを選択すると、発酵槽とガス供給源との間にバルブを使用する必要がなく、その代わりに、バルブとは機能するフィルターの膜固有の抵抗を使用できることを意味する。例えば、ＤＵＲＡＰＯＲＥ（登録商標）フィルターカートリッジは、水または同様の液体から大きなカラムを支えることが可能となる少なくとも約２０ｐｓｉ（０．１３８ＭＰａ）、好ましくは約２５ｐｓｉ（０．１７２ＭＰａ）、さらに好ましくは約３０ｐｓｉ（０．２０７ＭＰａ）の水圧差（バブルポイント）に耐えることができる。鍵となるのは、フィルターを選択することと、発酵槽における液体の圧力水頭がフィルターカートリッジ内の、膜の侵入圧力に達したり超えない程度の液体体積でフィルターを使用することである。

容器は、隣接した外側端に沿って熱融着、振動溶接、接着、溶剤溶接された２つの平らなシート材料から形成が可能である。別の方法として、容器はプラスチック製のチューブから形成してもよく、その場合、上壁６と底壁８だけを互いに封着する必要がある。他の具体例において、単一のシートをそれ自身の上に折りたたんでもよく、その場合、側壁４と上壁６どうしを封着する必要がある。

図４の具体例において、容器は、隣接した外側端に沿って他方と封着される２つの成形された半容器３０Ａ、３０Ｂから形成される。ガス分配装置３２Ａと３２Ｂもまた、それぞれ半容器３０Ａ、３０Ｂ中に成形される。半容器３０Ａ、３０Ｂどうしが封着された時、２つのガス分配器３２Ａと３２Ｂも好ましくは互いに接触する。なお、もし必要であれば、熱、溶剤、接着剤または振動溶接によりガス分配器は他方と封着される。別の方法として、互いに保持するために半容器それぞれを雌雄部分（例えば、鍵と鍵穴）のような互いに連結する特徴を持つように成形されてもよい。

好ましくは、図４の具体例の設計において、この装置は図示されるようにヒンジ部３４によって接続された単一の成形部品である。これは、一般にクラムシェル容器と呼ばれている。別の方法として、必要であれば２つの別々の部品となる。

図５は組立て後の平面を正面からみた図４の設計を示している。図で見られるように、図１〜３と設計において実質的に同一であり、同様の方法で機能する。また、ガス装置３２Ａ、３２Ｂの間にガスポート３６も示されている。

図６は、組立て後中心を通る断面からみた図４の設計を示している。図で見られるように、図１〜３と設計において実質的に同一であり、同様の方法で機能する。選択された断面が薄いので示されてはいないが、ガス装置３２Ａ、３２Ｂのどちらか側にガスポート３６は存在する。

容器形成のために本発明において使用される材料は、一般的にバイオ医薬品製造業において、使い捨てのバイオリアクター、発酵槽、保存バッグなどに使用される材料である。かかる材料および／またはバッグは、フランスのStedim SA社、ユタ州ローガンのHyclone社などの様々な供給元から入手できる。これらのバッグは、数リットルから２０００リットル以上までの大きさにわたる。これらは一般的に、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＥＶＡ共重合体、ＥＶＯＨ、ＰＥＴ、ＰＥＴＧのような多層（押出成形されたまたは積層された）プラスチックフィルムや、Hyclone社から入手できる、ＥＶＯＨバリア層を持つエラストマーの外層と、超低密度ポリエチレン製品接触層を有する共押出し多層フィルムであるHyQ CX5-14フィルムやポリマーブレンドなどの特殊なまたは特許を受けているポリマーから作られる。選択されたポリマーは、所望の清潔さ、強度、可視性の組合わせにより選ばれる。

図４〜６のクラムシェル方式を使用した時、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、様々なアクリルやメタクリルまたはそれらの重合体などの、真空成形または射出成形により形成されうるポリマーを使用することができる。

本発明は、いくつかの具体例で示され、当業者によって容易に企図することができる。それは、これら具体例が本発明の説明や請求の範囲を十分に含むことを意味する。

本発明は、バイオ医薬品製造業における使用を企図すると同時に、本発明の装置は、使い捨てバッグにおけるビールの醸造、ワインの製造など他の分野において応用できることは明らかである。

本発明における第一の具体例の断面図を示す。 本発明における第二の具体例の断面図を示す。 本発明における別の具体例の断面図を示す。 本発明における別の具体例の断面図を示す。 本発明における別の具体例の断面図を示す。 本発明における別の具体例の断面図を示す。 本発明における別の具体例の断面図を示す。

符号の説明

２ 容器
４ 側壁
６ 上壁
８ 底壁
１０Ａ、１０Ｂ 入口
１２ 出口
１４ テーパ
１６ 疎水性フィルター
１８ ガスライン
２０、３２Ａ、３２Ｂ ガス分配装置
２２、３６ ガスポート
３４ ヒンジ部

Claims (13)

1. １以上の封着された壁を有し、１以上の入口と１以上の出口が１以上の容器壁に形成され、１以上の入口のうち少なくとも１つは容器の底壁に形成されていて１以上のガス供給源に接続され、底部のガス入口に隣接する容器本体内に形成された一連の１以上のガス分配装置を有し、ガス入口と１以上のガス供給源との間に取り付けられた疎水性フィルターを有し、前記疎水性フィルターが少なくとも２０ｐｓｉ（０．１３８ＭＰａ）のバブルポイントと約０．２２μｍの平均孔径を有するプラスチック製容器からなる発酵槽。
2. 前記１以上のガス分配装置が、１以上の位置で２つの対向した容器の壁面を結合することにより形成され、容器の残り部分への一連の１以上のガスポートを形成する請求項１に記載の発酵槽。
3. 前記１以上のガス分配装置が、互いから離れ間隔をあけた２以上の別々の位置で２つの対向した容器の壁面を結合することにより形成され、容器の残り部分への一連の２以上のガスポートを形成する請求項１に記載の発酵槽。
4. 前記疎水性フィルターが少なくとも２５ｐｓｉ（０．１７２ＭＰａ）のバブルポイントを有する請求項１に記載の発酵槽。
5. 前記疎水性フィルターが少なくとも３０ｐｓｉ（０．２０７ＭＰａ）のバブルポイントを有する請求項１に記載の発酵槽。
6. 前記容器の底壁が１以上の側壁に向かって上向きのテーパを有する請求項１に記載の発酵槽。
7. 前記容器の底壁がＶ字型に上向きのテーパを有する請求項１に記載の発酵槽。
8. 前記容器の底壁が容器の１つの側壁に向かって上向きのテーパを有する請求項１に記載の発酵槽。
9. 前記容器の底壁が側壁に向かって曲線的な形状のテーパを有する請求項１に記載の発酵槽。
10. 前記プラスチック製容器が柔軟性のあるプラスチック製バッグである請求項１に記載の発酵槽。
11. 前記プラスチック製容器が成形されたプラスチック製容器である請求項１に記載の発酵槽。
12. 前記プラスチック製容器が、それぞれ隣接する外側縁に沿って互いに密封された半容器を具備する成形されたプラスチック製容器である請求項１に記載の発酵槽。
13. 前記プラスチック製容器が、互いにヒンジ部によって連結され、それぞれ隣接する外側縁に沿って互いに封着される半容器を具備する成形されたプラスチック製容器である請求項１に記載の発酵槽。

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