JP4680990B2 - 使い捨て可能なバイオリアクターシステムおよび方法 - Google Patents

Description

（優先権の主張および関連出願）
本出願は、２００４年６月４日（２００５年６月４日は土曜日である）に出願された、発明の名称「ＤＩＳＰＯＳＡＢＬＥ ＢＩＯＲＥＡＣＴＯＲ」の米国特許仮出願６０／５７７，１４３号、および２００５年４月７日に出願された、表題「ＭＩＸＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ ＰＡＴＥＮＴ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ」の米国特許仮出願第６０／６６９，２５２号の利益を主張する。これら両方の開示は、その全体が参考とて本明細書中で援用される。本出願はまた、２００５年２月３日に出願した、同時係属中の米国特許出願第１１／０５０，１３３号に関連する。この開示全体は、本明細書中で参考として援用される。

（発明の分野）
本発明の実施形態は、生物学的物質を処理するための方法およびシステムに関し、そしてより具体的には、生物学的物質を処理するための、使い捨て可能な構成要素／システムに関する。

（背景）
従来のバイオリアクターは、いくつかの代替手段によって混合され得る一定に加圧される容器として設計されるが、現在の使い捨て可能なバイオリアクターは、プラスチックの滅菌バッグを利用するデバイスである。各々は、生物学的物質を処理するため（例えば、植物細胞、動物細胞を増殖させるため）に使用される。例えば、哺乳動物細胞、植物細胞または昆虫細胞および微生物培養物を含む。このようなデバイスはまた、無菌的混合適用および非無菌混合適用のために使用され得る。

混合は加圧された容器内でインペラデバイスを使用して達成されているが、一方、使い捨て可能なシステムにおいて、混合はバイオリアクターを前後に振動させること（ｒｏｃｋｉｎｇ）によって達成されている。例えば、Ｓｉｎｇｈに対する特許文献１に示されるように、このような前後の振動／プロセスによって混合を達成する、使い捨て可能なバイオリアクターが開示される。このプロセスは制限されており、迅速かつ効率的な様式で利用され得ない。特に、揺動動作は、そのバッグまたはそのシステムに負荷をかけないように、低回数の前後移動に制限される。

さらに、現在の使い捨て可能なバイオリアクターは、使い捨て可能なシステム全体を含まない。プローブ、センサ、および他の構成要素は、一般に再度使用され、そして繰り返しの使用の前に滅菌を必要とした。従って、現在の技術水準の使い捨て可能なバイオリアクターシステムは、特に混合することとなると効率的でなく、そしてプローブ、センサおよび／または他の構成要素が、もう１回使用する前に滅菌され得るように、使用の間の遅延時間を有する。
米国特許第６，５４４，７８８号明細書

必要とされることは、多くの構成要素が使い捨て可能であり、そして使用の間の非稼動時間を制限し、そして／または改善した混合システムを備える、コスト上効率的なバイオリアクターシステムである。

（発明の要旨）
従って、本発明の実施形態は、従来技術のバイオリアクターシステムの不利な点および未到達の点に取り組み、そして改善した使い捨て可能なバイオリアクターシステムを示す。特に、本発明の実施形態は、混合、通気および／またはプロセス制御を提供し、バイオリアクターを稼動させるために必要とされる実質的に多くの（例えば、大部分の）代表的なユーティリティーが排除された。

この目的に向けて、本発明のいくつかの実施形態は、使い捨て可能なバイオプロセスバッグに基づくバイオリアクターシステムを含み、使い捨て可能なバイオリアクターバッグの内部によって規定される滅菌した外装は、外装を揺り動かす必要性もバッグ外部のチュービングの際のぜん動ポンプの使用も必要としない混合システムの、使い捨て可能な構成要素を備える。さらに、本発明のいくつかの実施形態は、プローブおよびセンサを含む全ての接触表面が使い捨て可能であり得る、全体的な使い捨て可能な解決法を提供する。

本発明のこれらの実施形態および他の実施形態は、使い捨て可能なバイオリアクターによって提供される、滅菌した外装上での磨耗および引き裂け（ｔｅａｒ）を低減させ、これによって機械的負荷に起因する滅菌した外装の裂け目の機会を低減させる利点を含む。揺り動かし動作による混合を必要としない本発明の実施形態はまた、使い捨て可能なプラスチック容器の完全性が重要である非滅菌適用において、利点を含む。

従って、本発明の１つの実施形態において、バイオリアクターシステムが示され、そしてこのシステムは処理のために生物物質を収容するための使い捨て可能な容器であって、少なくとも１つの流入口、少なくとも１つの流出口を備える使い捨て可能な容器、少なくとも１つの収集口、この使い捨て可能な容器を支持するための構造物、この容器内の生物物質の１つ以上のパラメーターを感知するための１つ以上のセンサ、この容器の内容物を加熱するためのヒーターであってサーモスタットを有するヒーター、およびその使い捨て可能な容器中に収容される生物物質が混合されるようにこのシステムに配置される混合システム、を備える。

本発明の別の実施形態において、バイオリアクターシステムが提供され、そしてこのシステムは、支持構造物およびこの支持構造物内に位置付けられる可撓性プラスチックバッグのうちの少なくとも１つ、この好ましくはその全てを備え得る。使い捨て可能な容器は、この可撓性バッグの下側部分に据え付けられたインペラプレートを備え得る。ここでこのインペラプレートは支柱を備え得る。この使い捨て可能な容器はまた、その支柱に取り付けられたインペラハブを備え得、このインペラハブは、その支柱上に少なくとも１つのインペラブレードが配置され、そして少なくとも１つの磁石を有する。このバイオリアクターシステムは、シャフトを有するモーターをさらに備え得、このモーターは、支持構造物に隣接するかまたはこの支持構造物内に提供され、そしてそのモーターシャフトにはモーターハブが取り付けられる。このモーターハブは、少なくとも１つの磁石を備え得、支持構造体内での可撓性プラスチックバッグの取り付けの際、モーターハブはインペラプレートと整列し、その結果そのモーターハブの磁石とインペラハブの磁石とが整列して、モーターシャフトが回転する場合にそのインペラハブを駆動し得る。

本発明のなお別の実施形態において、支持構造物およびこの支持構造物内に位置付けられる可撓性プラスチックバッグを備え得るバイオリアクターシステムを含む。使い捨て可能な容器は、可撓性プラスチックバッグの下側部分に取り付けられたインペラプレート、この可撓性プラスチックバッグの内部に位置付けられる第一末端を有しそしてこの可撓性ブラスチックバッグの外部に位置付けられる第二末端を有する第一シャフト、このシャフトを囲むシールおよびこのシャフトの第一末端上に装着されるインペラハブであって、このシャフト上に配置される少なくとも１つのインペラブレードを有するインペラハブ、を備え得る。バイオリアクターシステムはまた、支持構造物に隣接するかまたは支持構造物内に配置されるモーターを備え得、この支持構造物内に可撓性プラスチックバッグを装着する際に、このシャフトの第二末端がモータによって駆動される。

本発明のこれらおよび他の目的、利点および特徴は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照するとよりずっと明らかになり、その簡潔な説明が以下に提供される。

（発明の詳細な説明）
バイオプロセス容器はバイオリアクターに関して生成物接触表面を形成する。この容器は、好ましくは、支持のためのタンク外壁のような強固な構造物に入れられ得る、可撓性のバッグである。この支持構造物はまた、物質の処理前、処理中および処理後にこのバイオリアクターシステムが異なる位置へと移動され得るように、台車を備え／含み得る。

取り付け部分（フィッティング：ｆｉｔｔｉｎｇ）は、バイオリアクターにおいて必要とされる機能性を可能にするためにバッグに追加される（例えば、流体およびガスの移送を可能にするための貫入物（ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）およびフィルター、混合用インターフェース、センサおよび気泡サイズを制御するための散布（ｓｐａｒｉｎｇ）表面）。バイオリアクターとしての適用のため、容器（中心的なバイオプロセスバッグ＋全ての取り付け部品、貫入物、センサ、など）は、使用前に滅菌（例えば、γ線照射）され得る。滅菌後、そのバッグ、チュービングおよび構成要素の内側は無菌とみなされ得、外界からの風媒性汚染から容器の内容物を保護する「滅菌された外装」を提供する。気泡サイズおよび気泡サイズ分布は、使い捨て可能なバイオリアクターの内部へと加える前に、流入ガス流を多孔性表面を通過させることによって制御され得る。さらに、散布表面は、細胞分離デバイスとして使用され得、これは、例えば、多孔性表面の外側表面に対する加圧および減圧を変更すること（または吸引の適用）によるか、または一部の多孔性表面に沿った速い流れが他の一部の表面に沿って減圧を生じる（例えば、チューブ中央における速い空気流がそのチューブの一端から抜け出て、そのチューブの長さに沿って吸引を形成する）ことによって形成されるベルヌイ効果による。

図１Ａおよび１Ｂに示されるように、バイオリアクターシステム１００は、以下のうちの１つ以上を備え得る：使い捨て可能なバイオリアクター１０２、温度コントローラ１０６、ならびに１つ以上のセンサおよび／またはプローブ１０８。熱交換器を介した温度制御のために必要とされるユーティリティーを取り除くため、加熱は、このバイオリアクターに取り付けられた制御システムによって加熱および／または冷却される、閉ループ状のウォータージャケットによって提供され得るか、または電熱ブランケット１０４またはペルチェヒーターによって提供され得る。加熱ブランケットは、バイオリアクター１０２の内容物の温度を感知するための熱電対１０４ａを備え得、その温度コントローラと組み合って機能してバイオリアクター１０２の内容物の設定温度を制御する。温度伝導性物質がバッグの表面に組み込まれ、必要な場合にプラスチックの断熱効果を上回り得る。

本発明のいくつかの実施形態において、使い捨て可能なバイオリアクターは、プラスチックの可撓性バッグを備え得るが、また強固な物質（例えば、プラスチック、金属、ガラス）を含み得る。センサおよび／またはプローブは、代表的に、センサ電子装置１３２に繋がれ、その出力は端子盤および中継器のいずれかまたはその両方に送信される。混合用システム１１０は、一般にそのバイオリアクター内に位置付けられるインペラを駆動するためのモーター１１２を備え、電力調節機１１４およびモーターコントローラ１１６もまた提供され得る。

冷却もまたバイオリアクターに取り付けられた制御システムによってかもしくはタンク上のカバー／ジャケットを介した標準的な熱交換によって、加熱および／または冷却され、閉ループ状のウォータージャケットによって提供され得る（加熱ブランケットは、加熱／冷却の両方のためのデバイス中に備えられ得るが、また冷却ジャケットから分離され得る）。冷却はまた、ペルチェクーラーによって提供され得る。例えば、ペルチェクーラーは排気ラインに適用されて（例えば、小さなバッグと同程度のチャンバに適用され得、空気を減速させるための大容量および大きな表面積を伴う）、排気中のガスを濃縮して、排気フィルタが濡れることを防止するのを助け得る。

（圧縮されたかまたは膨張された）空気、酸素および／またはＣＯ_２ガス１１８は、バイオリアクターの内容物への散布を提供するために含まれ得る。フィルター１２０、流量計１２１および／またはバルブ１２２（例えば、圧空式のもの）は、インラインで提供され得、そのうちの後者はコントローラーシステム１１５によって制御され得、このシステムは例示されるようにＰＣであり得る。このようなコントローラーシステムは、使い捨て可能なバイオリアクターシステムに対して空気、液体および熱を制御するために、電気的システム、機械的システムまたは圧空式システムの組合せを備え得る。図１に示されるように、バルブ１２２は、圧空アクチュエータであり得る（例えば、圧縮された空気／ＣＯ_２ １２４を使用し、これはソレノイドバルブ１２６によって制御され得る）。次いで、このソレノイドバルブは、端子盤１３０に繋がれた中継器１２８によって制御され得、この端子盤はＰＣに接続される。端子盤は、ＰＣＩ端子盤を備え得るか、またはＵＳＢ／パラレル端子盤連絡、またはファイヤーワイヤー（ＩＥＥＥ ３９４）端子盤連絡を含み得る。

図１Ｂに示されるように、使い捨て可能なバイオリアクターは、好ましくは、支持構造物１０１によって支持され、これはタンク（例えば、ステンレス鋼）として示され、土台１０３の頂部に装着され、複数の脚１０５を有する。このタンクは、標準的なステンレス鋼バイオリアクターと同様の高さおよび直径を備えるように設計され得る。この設計はまた、少量作業（ｂｅｎｃｈ）のバイオリアクター容量へのスケールダウンが可能であり得、そして（例えば）１０００Ｌを超える作業容量へのスケールアップもまた可能である。バッフル８００（図８Ａおよび８Ｂを参照のこと）は、強固なタンク外壁８０２の内部に構築されて、バイオリアクターバッグの中へと突出する形状にバッグを適合させることによって、混合を改善し得る。このことは、好ましくは環状流を断絶し、そして／または（例えば）渦の形成を防止する。

脚のうちの少なくとも１つ（好ましくは、全ての脚）の下には、ロードセル１０７が存在し得、これを使用してバイオリアクターの内容物の重量、ならびに／またはタンクおよびこのタンクの対応する構成要素の重量を見積もり得る。タンクは、小窓１０１ａを備え得、この窓はヒトがこの使い捨て可能なバイオリアクター内の流体レベルを視認するのを可能にする。この小窓はまた、このバイオリアクターの大部分を見ることを可能にするようなサイズであり得る。このタンクはまた、センサ／プローブポート１０１ｂ、流出口１０１ｃを備え得、この流出口に対して流出チュービング１０１ｄが接続され得る。タンクの頂部において、１つ以上の接続（例えば、チュービング、バルブ、開口）１０１ｅは、流体、ガスなどがそのバイオリアクターに追加されるかまたはそのバイオリアクターから取り出される（例えば、流入／排出）ためであり、それらの各々は流量センサ１０１ｆおよび／またはフィルタ１０１ｇを備え得る。ユーティリティータワー１０１ｈは、タンク上またはタンクに隣接して提供され得、これは１つ以上のポンプ、コントローラおよび電子装置を収容するために使用され得る（例えば、センサ電子装置、電子装置インターフェース、加圧ガスのコントローラ、など）。

重要なプロセスパラメータをモニタリングおよび制御するためのセンサ／プローブおよびコントロールとしては、以下の１つ以上の任意のものおよび任意の組み合わせを含む：（例えば）温度、圧力、ｐＨ、溶存酸素（ＤＯ）、溶存二酸化炭素（ｐＣＯ_２）、混合速度、およびガス流量。好ましくは、プロセス制御は、バイオリアクターによって確立される滅菌バリアを損なわない方法において達成され得る。特に、ガス流は、流入空気フィルターの上流のロタメーターまたは質量流量計によってモニタリングされ得、そして／または制御され得る。

使い捨て可能な光学プローブは、指示色素を含む物質の「パッチ」を使用するように設計され得、このパッチは、使い捨て可能なバイオリアクターバッグの内表面に取り付けられ、そしてタンクの窓を介してこのバッグの壁を通じて読み取り得る。例えば、溶存酸素（ＤＯ）および／またはｐＨ、および、またはＣＯ_２は各々、γ線照射可能な生体適合性の（ｂｉｏｃｏｍｐａｔａｂｉｌｅ）ポリマーに取り付けられ、次いでバッグ表面にシールされるか、埋設されるか、またはそれ以外により取り付けられる、光学パッチおよびセンサによって、モニタリングおよび制御され得る。

圧力は、流入空気フィルターの上流および排気フィルターの下流の標準的な圧力トランスデューサーによってモニタリングされ得そして制御され得る。あるいは、使い捨て可能な圧力センサは、棚デバイス（例えば、Ｕｔａｈ Ｍｅｄｉｃａｌ ｏｒ Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ）から取り出すかまたは空気流入ラインおよび／もしくは排気ライン上にＴ字を形成するかのいずれかによって、使い捨て可能なバイオリアクターの滅菌した外装の内側で使用され得る。Ｔ字の表面はまた、滅菌したバリアを維持するために膜で覆われ得るが、圧力の読み取りに影響しないように製造され得る。次いで、標準的な圧力トランスデューサーは、このＴ字に取り付けられて、滅菌したバリアの内側の圧力を測定し得、そして制御し得る。

図２は、本発明のいくつかの実施形態に従う、使い捨て可能なバイオリアクター２００の例を示す。示されるように、このバイオリアクターは、１つ以上のポート２０２を備え、これらはバイオリアクターにガスおよび／または流体を添加または取り出すために使用され得る。収集または排液ポート２０４は、一般に、バッグの底面に提供され、重力を使用してバイオリアクターから外へと内容物を向け得る。プローブおよび／またはセンサ２０６は、このバイオリアクターの側面に組み込まれ得、これらセンサおよび／またはプローブもまた、使い捨て可能であり得る。本発明の１実施形態において、センサ／プローブは、視認可能な様式で出力を提示する光学プローブであり得る。従って、センサ／プローブポート１０１ｂは、このセンサ／プローブの状態を視覚的にモニタリングするために使用され得る。

混合システムの一部がバイオリアクターに組み込まれ得る。特に、図２に示されるように、このバイオリアクターに備えられる混合システムの一部は、混合システムの一部分２０８を備え得、これはインペラプレートおよびインペラハブである。このインペラプレートは、モーターの駆動システムに接続されて、このインペラに動力を伝え、そしてまたモーターとバイオリアクターの内部との間のシールを提供する。

本発明のいくつかの実施形態は、１つ以上の例外的な混合システムを提供する。これら実施形態は、バイオリアクターの内容物に撹拌を提供するために、高額でない方法をこのシステムにもたらす。このような混合システムは、ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）および／または他のγ線照射可能な生体適合性プラスチックのような物質を利用し得る。混合システムの１つ以上の構成要素は、材料のブロックを機械処理することにより製造され得るが、成形（ｍｏｌｄ）および／または鋳造（ｃａｓｔ）されてもよい。

１つのこのような混合システムの実施形態は、図３に例示される。この実施形態に従う混合システムは、磁力駆動されるインペラを示す。従って、モーターはインペラと直接には接続されない。その代わり、モーターハブの中に備えられる磁石が磁力を介して、インペラハブの中に備えられる磁石を駆動する。少なくともこのモーター部分（および他のモーターに関連する構成要素）は、支持構造物／タンク／台車の上に取り付けられ得ることは、注目する価値がある。

示されるように、このシステムは、一般に、バイオリアクター壁３０２の側面に取り付けられたインペラプレート３００を、好ましくはその下側部分に備え、インペラハブ３０４、モーター３０６、モーターシャフト３０８およびモーターハブ３１０を備える。インペラプレートは、ツーピース構造のインペラプレートの半分を２つ一緒に熱溶接することによって、バイオリアクターの壁に取り付けられ得、そしてその間でバイオリアクターの壁を挟むかまたはその壁上で挟む。あるいは、バイオリアクターの壁における開口は、インペラプレートの中央部分がバイオリアクター外部から内部へと（または内部から外部へと（ｖｉｓａ−ｖｅｒｓａ））延びるのを可能にする。次いで、シールリング（示されない）が接着され得るかまたはバイオリアクターは、インペラプレートの外周に直接熱溶接されて、その間のバイオリアクター壁をシールする。なお別の１つの代替は、バイオリアクターの壁における小さ目の開口であり得、これは、その開口よりやや大きなインペラプレートの円周上の端とのシールを形成する。

本発明の１実施形態に従う１つの重要な特徴は、インペラプレートにおける、１つ以上の多孔性要素、ミクロ多孔性要素、または限外濾過要素３０１の包含に関する。この要素は、ガスの散布またはバイオリアクターの内外への流体の流動を可能にするために使用され得る。このような散布および／または流動の追加または除去は、混合システム（すなわち、インペラハブの回転）と組み合わせて使用され得る。散布は、リアクター底部付近における混合力（代表的には空気）の使用である。上昇する気泡およびより低密度のガス飽和液体が上昇して、ガス低含有（ｐｏｏｒ−ｇａｓ）液体を置き換え、この液体が下降して、頂部から底部への循環を提供する。上昇する液体の通路は、バッグのチャンバの内側の仕切り（ｄｉｖｉｄｅｒ）によってかまたはバッフルを介して導かれ得る（上記を参照のこと）。例えば、このようなバッグは、頂部および底部においてギャップを有するようにバッグのチャンバを垂直に二分する、プラスチックのシートを備え得る。ガスは、この仕切りの一方側のみに添加され得、ガスおよびガスに富んだ液体が一方側で上昇し、バリアの頂部の上を横切り、そしてもう一方側で下降し、仕切りの下を通ってガス添加位置へと戻る。

本発明のいくつかの実施形態において、回転するインペラ下側の高い剪断領域は、このシステムの能力特徴の増加をもたらす。上記の多孔性物質（大きな孔サイズ、ミクロン孔サイズ、ミクロン以下の孔サイズ、またはナノの孔サイズを有する）と組み合わせて使用すると、剪断領域は、種々の目的を達成するために使用され得る。（ガス分散、容器からの流体の取り出し；固体／液体または細胞培養物の分離（例えば、任意の特定の分離であて、固形物がバイオリアクター中に保持され、そして流体濾液が取り出される））。例としては、半灌流培養または連続灌流培養、細胞の分離、樹脂の分離、などが挙げられ、そして多孔性要素が限外濾過範囲にある適用における、生成物もしくは溶質の濃縮、または緩衝剤交換が挙げられる。

図３に例示される実施形態において、インペラプレートの内部側はポスト３１２を備え得、インペラハブ３０４の中央の開口がこのポスト３１２を受容する。このインペラハブは、好ましくは、インペラプレートの表面の上に僅かに離れて維持されて、その間の摩擦を防止する。低摩擦物質がこのインペラハブの製作において使用されて、そのインペラハブとそのポストとの間の摩擦を最小にし得る。あるいは、ベアリング３１１が備えられて、摩擦を低減し得る。

インペラハブはまた、好ましくは、少なくとも１つ、好ましくは１つより多くの磁石３１４を備え、この磁石は好ましくはハブの周囲に位置づけられ、そして好ましくは、モーターハブ３１０に提供される磁石３１６の位置に対応する。このインペラハブはまた、１つ以上、好ましくは複数のインペラブレード３１８を備える。このインペラ内に組込まれる磁石が、溶液、スラリーまたはパウダーから鉄粒子または磁性粒子を取り出し得ることもまた、注目に値する。

モーターハブ３１０は、モーター３０６のシャフト３０８にほぼ中心を合わせて取り付けられる。磁石３１６に加え、モーターハブはまた、レイジー・スーザンベアリング３２２を備え、モーターハブとインペラプレートとの間の摩擦を防止するが、代替的に（またはさらに）、低摩擦物質（例えば、低摩擦プラスチック）を使用して摩擦を低減し得る。

レイジー・スーザンベアリングもまた、モーターハブとインペラプレートとの間のギャップの最小化に寄与する。インペラプレートの最も薄い厚さが所望されるが、時折これは達成され得ない。タンクの規模が増加するにつれて、タンク内側およびインペラプレートの静水圧が上昇し、このことがインペラプレートおよび中心ポストの下向きの偏り／変形を生じ得る。変形が防止されない場合、インペラハブはインペラプレート上で底に達し、引きずり（ｄｒａｇ）を生じ、これによって接続力（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｆｏｒｃｅ）を低減させ、摩擦を生じ得る。次いでこのことは、バイオリアクターの内容物への粒子の分解（ｓｈｅｄｄｉｎｇ）を生じ得る。従って、モーターハブの中心に取り付けられたレイジー・スーザンベアリングは、インペラプレートの下側を支持して、静水圧によるインペラプレートの偏りを防止するのを補助するのを助け得る。従って、この特徴は、大規模適用におけるインペラの正しい操作を確実にし、そしてトルクの伝達を最大にしながら、非常に薄いインペラプレートの厚みの使用を可能にする。

本発明の出願人らは、モーターハブからインペラハブへの磁気接続を介したトルクの伝達の強度が、以下の１つ以上によって決定され得ることが分かった：２つのハブの間のギャップの幅（インペラプレートの厚さ、およびインペラハブとプレートとの間、モーターハブとプレートとの間の２つのギャップの組み合わせた幅を集合的に含む）；モーターハブ、インペラプレートまたはインペラハブにおける任意の妨害性の鉄物質または磁気物質の回避または排除（このことは、本発明のいくつかの実施形態において、混合システムの１つ以上または全ての構成要素を、例えばプラスチックから製作することによって達成される）；磁石の数；磁石の磁力；磁石の同心環の数；およびハブの中心からの磁石の距離。

従って、２つのハブの間のギャップは、好ましくは、約０．００１インチ〜０．７５０インチの間で調節可能であり、そしてより好ましくは約０．１２５インチと約０．５００インチとの間で調節可能である。使用される磁石の数は１つであり得るが、好ましくは２〜５０個の間、最も好ましくは約３個と１０個との間の磁石である。このような磁石は、約１００万〜１億の間のガウスエルステッド（１〜１００ＭＧＯｅ）の磁力を有し、そして最も好ましくは約２０〜５０ＭＧＯｅを有する。１実施形態において、使用される磁石の型は、ネオジム磁石のグレードである。好ましくは、ネオジムのグレードはＮ３８であり、これは３８ＭＧＯｅの最大エネルギー積を含む。磁石の同心環の数は、１〜４の範囲にわたり得、磁石の環のハブからの距離は、約０．２５０インチ〜約１６インチの間であり、最も好ましくは、約０．５００インチと１２インチとの間である。

図４は、機械駆動インペラに関する、混合システムの代替の実施形態を例示する。示されるように、この実施形態は、全体として、インペラプレート４００、シャフト４０５を有するインペラハブ４０４、シャフト４０８を有する外部モーター４０６を備える。このインペラハブシャフトとこのモーターシャフトとの間のシャフトの接続は、当業者のよく知る様式（例えば、ギヤボックス、六角形（ｈｅｘ）駆動、など）で達成され得る。

インペラプレートは、好ましくは、バイオリアクター壁４０２の側面に、リアクターの下側部分に取り付けられ得る。インペラプレートは、図３の実施形態について記載される方法のいずれかによってバイオリアクターの壁に取り付けられる。多孔性要素、ミクロ多孔性要素、または限外濾過要素４０１もまたこの実施形態において備えられ、ガスの散布またはバイオリアクター内外への流体の流動を可能にし得る。

図４に例示される実施形態において、インペラハブのシャフトは、インペラプレートの中心に位置付けられる、シール４１２（これはまた、ベアリングを備え得る）の中で受容され得る。このシールは、バイオリアクターの内容物が汚染されないことを保障する。インペラハブは、好ましくは、インペラプレートの表面から上に僅かに離れて維持されて、その間の摩擦を防止する。インペラハブはまた、１つ以上、好ましくは複数のインペラブレード４１８を備える。

なお別の実施形態において（図７および図８Ｂを参照のこと）、気泡塔またはエアリフトシステム（空気／ガス７０１の気泡を利用する）が、使い捨て可能なバイオリアクターバッグと共に使用される。これは、リアクター底部付近におけるガス（例えば、空気）の添加によって、混合力を提供する。このような実施形態は、気泡塔７００、内部のドラフトチューブ７０３を有するエアリフトファーメンター７０２、および外側ドラフトチューブ７０５を有するエアリフトファーメンター７０４を備え得る（気泡の方向は矢印の方向に対応し得る）。

従って、上昇する気泡およびガス飽和した低密度の液体が上昇し、ガス低含有液体を置き換え、この液体が下降して、頂部から底部への循環を提供する。上昇する液体の通路は、バッグのチャンバの内側の仕切り（ｄｉｖｉｄｅｒ）によって導かれ得る。例えば、頂部および底部においてギャップを有するように、バイオリアクターの内部を好ましくは垂直に二分するプラスチックのシートを使用する。ガスは、仕切りの一方側に添加され得、ガスおよびガスに富んだ液体が一方側で上昇し、バリアシートの頂部の上を横切り、そしてもう一方側で下降し、仕切りの下を通ってガス添加位置へと戻る。気泡塔／エアリフトの混合システムおよび方法は、上記のインペラベースの混合システムのいずれかと組み合わされ得ることは、注目に値する。

インペラ型混合システムのいずれかにおいて、さらなる実施形態は、可変ピッチのインペラブレードに関し得る。図５〜６に示されるように、可変ピッチのブレードは、変形可能なブレードまたはスイベルで回転するインペラブレードを備え得る。特に、図５Ａに示されるように、インペラハブ５００は、変形可能な可変ピッチのブレード５０２を備え得、このブレードは、このインペラハブが静止している場合に実質的に傾いた位置にあり（またはこのインペラハブの頂部表面および／または底部表面から小さな角度５０３にあり）、そしてこのブレードは、そのインペラハブが回転する場合にそのインペラハブの頂部表面および／または底部表面から角度５０４傾けられる。ブレードがインペラハブと形成する角度は、インペラハブの回転速度に依存し得る；従って、インペラハブがより速く回転すると、ブレードは、そのインペラハブの頂部表面および／または底部表面に対してより傾く。可撓性を有するインペラブレードの製造において使用される物質は、（１実施形態に従って）上記機能性を提供するように使用され得る。このような可撓性物質（例えば、プラスチック、エンジニアリングプラスチック）は、当業者によく知られている。

図６に示される代替の実施形態において、インペラハブ６００の頂部表面および／または底部表面に対する、インペラブレード６０２のピッチは、このブレードをそのインペラハブに対して手動で回転させることによって得られ得る。このことは、各々のブレードの旋回シャフトを受容するそれぞれの開口を有するインペラを製作することによって達成され得る。このシャフトは、インペラハブにおけるそれぞれの開口のサイズに対してわずかに大きくされ得る。あるいは、１組の予め規定されたピッチのブレードを有するインペラハブは、製造され得、そしてバイオリアクターに備えられ得る。従って、特定の組のピッチのインペラブレードを有するバイオリアクターバッグは、別々に製作され得、そして特定の用途に利用可能であり得る。

上記の混合システムは、任意の型の流体または固形物をこのシステムが混合することを可能にする。特に、バイオリアクター内部の流体は、細胞増殖適用のために栄養分および溶存ガスの分散を提供するために混合され得る。同じ使い捨て可能な容器は、使い捨て可能な製品接触表面が所望可能である、緩衝液および媒体または他の溶液を混合するために使用され得る。このことはまた、容器が滅菌されることも滅菌性を維持することも必要とされない適用を含み得る。さらに、本システムは、流体／混合物／ガスを保持するタンクが、取り外されて廃棄されることを可能にして、このタンクは、バイオリアクターバッグの中で混合される流体によっては汚されない。従って、このタンクは、全ての使用後に清掃または滅菌される必要がない。

水とＣＨＯ（哺乳動物）細胞の発現する抗体融合タンパク質とを混合することを、１５０Ｌスケールで試験し、撹拌のためのＨＤＰＥプレートおよびシャフトを備えるＨＤＰＥ製の磁気駆動インペラ、ならびに散布のための多孔性ＨＤＰＥチュービングを使用した。ＤＯのための視覚的なパッチは、溶解された酸素をモニタリングし、そしてガス流のフィードバック制御を提供した。温度は、バッグの外側表面に接する熱電対によって制御され、そして加熱のオン／オフは、電気的ブランケットによって提供された。実行される試験において、哺乳動物細胞を高密度に増殖させ、そして高生存率で維持した。このことは、細胞培養に対してこの設計を実施するための首尾のよい低下を実証した。

（実施例２ 使い捨て可能なバイオリアクターシステムのための物品リスト）
以下は、本発明の実施形態に従う、使い捨て可能なバイオリアクターバッグを有する例示的なバイオリアクターシステムのための構成要素のリストである（また、図１Ｂを参照のこと）

ここに本発明のいくつかの実施形態を記載したので、前述のものが単なる例示であって限定でなく、例のみによって示されていることが当業者に明らかであるべきである。多くの改変および他の実施形態は、当業者の技量の範囲内であり、そして添付の特許請求の範囲およびその等価物によって規定されるような本発明の範囲内に在るように企図される。

図１Ａは、本発明の１実施形態に従うバイオリアクターシステムの概要のブロック図である。 図１Ｂは、本発明の１実施形態に従うバイオリアクターシステムの概略図である。 図２は、本発明の１実施形態に従う、使い捨て可能なバイオリアクターバッグの模式図である。 図３は、本発明の１実施形態に従うバイオリアクターシステムの混合システムの模式図である。 図４は、本発明の別の実施形態に従うバイオリアクターシステムの混合システムの模式図である。 図５Ａは、本発明の１実施形態に従うインペラハブの側面図であり、このインペラハブが休止している場合の、変形可能なインペラブレードの位置を例示する。 図５Ｂは、図５Ａにおいて例示される実施形態に従うインペラハブの側面図であり、このインペラハブが特定の速度で回転する場合の、変形可能なインペラブレードの位置を例示する。 図６は、本発明の別の実施形態に従う、旋回可能な（ｐｉｖｏｔａｂｌｅ）固定されたインペラブレードを有するインペラハブの側面図である。 図７は、本発明の１実施形態に従う、使い捨て可能なバイオリアクターに適用されるような気泡塔／エアリフトミキサーの３つの概念を例示する図である。 図８Ａは、１つ以上のバッフルを備える支持構造物／タンクの透視図である。このタンク内に入れられた使い捨て可能なバイオリアクターバッグは、バッフルに適合する。 図８Ｂは、本発明の１実施形態を例示する模式図であり、これは支持構造物中に気泡（ｂｕｂｂｌｅ）／エアリフト混合システム（図７）を備え、そして内部バッフル（図８Ａ）を備える。

Claims (22)

1. バイオリアクターシステムであって：
   処理のために生物物質を収容する、使い捨て可能な容器であって、該使い捨て可能な容器は、少なくとも１つの流入口を備える可撓性プラスチックバッグを備える、使い捨て可能な容器；
   バイオリアクターにおいて必要とされる機能性を可能にするために該可撓性プラスチックバッグに追加される複数のフィッティングであって、該複数のフィッティングが、流体およびガスの移送を可能にするための貫入物およびフィルター、混合用インターフェース、センサおよび気泡サイズを制御するための散布表面を備える、複数のフィッティング；
   該可撓性プラスチックバッグの下側部分に取り付けられたインペラプレートであって、該インペラプレートの内部側が支柱を備え、該インペラプレートが、該バイオリアクターの内外へのガスの散布を可能にする少なくとも１つの多孔性要素またはミクロ多孔性要素をさらに備える、インペラプレート；
   インペラハブを備えるインペラを備えた使い捨て可能な混合システムであって、該インペラハブは、該支柱に装着され、かつ該インペラプレートの表面の上に離れて維持され、該インペラハブが、少なくとも１つのインペラブレードおよび少なくとも１つの磁石を有し、該インペラが、該使い捨て可能な容器の外部にあるモータによって駆動され、かつ該モータに磁力で繋げられるように構成され、該可撓性プラスチックバッグに収容される生物物質が混合され、気泡循環が増加する、使い捨て可能な混合システム；
   少なくとも１つの排出口；
   少なくとも１つの収集口；
   該使い捨て可能な容器を支持するための構造物；
   １つ以上のセンサであって、該容器中の生物物質の１つ以上のパラメータを感知するための１つ以上のセンサ；ならびに
   該使い捨て可能な容器の内容物を加熱するためのヒーターであって、サーモスタットを備える、ヒーター、
   を備える、バイオリアクターシステム。
2. 前記使い捨て可能な容器が、循環流を制限するかまたは渦の形成を妨げるように構成された少なくとも１つのバッフルを備える、請求項１に記載のバイオリアクターシステム。
3. 前記使い捨て可能な混合システムが、前記使い捨て可能な容器の内部に配置される、部分的な仕切りと繋がれた気泡塔を備える、請求項１に記載のバイオリアクターシステム。
4. 前記多孔性表面は、前記使い捨て可能な容器の内部と該使い捨て可能な容器の外部との間に一方向性または双方向性に流体を連絡させるように配置されている、請求項１に記載のバイオリアクターシステム。
5. 前記ヒーターが、電熱ブランケットまたはペルチェヒーターを備える、請求項１に記載のバイオリアクターシステム。
6. 前記ヒーターが、前記バイオリアクターに装着された制御システムによって加熱および／または冷却される、閉ループ状のウォータージャケットを備える、請求項１に記載のバイオリアクターシステム。
7. 前記ヒーターが前記使い捨て可能な容器の内側または外側に配置される、請求項６に記載のバイオリアクターシステム。
8. 前記１つ以上のセンサが、溶存酸素、溶存二酸化炭素、混合速度、ガス流量、温度、ｐＨおよび圧力のうちの少なくとも１つを検出するためのセンサを含む、請求項１に記載のバイオリアクターシステム。
9. 前記バイオリアクターシステムを制御するためのコンピューターをさらに備える、請求項１に記載のバイオリアクターシステム。
10. 空気供給、二酸化炭素供給、および酸素供給のうちの少なくとも１つをさらに備える、請求項１に記載のバイオリアクターシステム。
11. 前記支持構造物を移動させるための輸送手段をさらに備える、請求項１に記載のバイオリアクターシステム。
12. 前記輸送手段が台車を含む、請求項１に記載のバイオリアクターシステム。
13. バイオリアクターシステムであって、
    支持構造物；
    該支持構造物内に配置される可撓性プラスチックバッグを備える使い捨て可能な容器であって、該可撓性プラスチックバッグは、
    該可撓性プラスチックバッグの下側部分に取り付けられたインペラプレートであって、該インペラプレートは、該インペラプレートの内部側に支柱を備え、そして、該インペラプレートは、該可撓性プラスチックバッグの内部と該可撓性プラスチックバッグの外部との間に一方向性または双方向性に流体連絡させるように配置された、少なくとも１つの多孔性要素を備え、ここで該流体連絡は、該使い捨て可能な容器の内部にガスの散布を導入すること、または該使い捨て可能な容器の内部から流体を除去することを行うように構成されている、インペラプレート；
    該支柱に装着され、かつ該インペラプレートの表面の上に離れて維持される使い捨て可能なインペラハブであって、該使い捨て可能なインペラハブは、少なくとも１つの使い捨て可能なインペラブレードを有し、かつ少なくとも１つの磁石を有し、該少なくとも１つのインペラブレードは、該支柱上に配置される、使い捨て可能なインペラハブ；
    を備える、使い捨て可能な容器；
    シャフトを有するモーターであって、該モーターは該支持構造物に隣接するかまたは該支持構造物内に提供される、モーター；ならびに
    該モーターシャフト上に装着されるモーターハブであって、該モーターハブは、少なくとも１つの磁石を備える、モーターハブ；
    を備え、ここで該支持構造物内に該可撓性プラスチックバッグを備える該使い捨て可能な容器を装着する際に、該モーターハブは、該モーターシャフトが回転する場合に該使い捨て可能なインペラハブを駆動するように、該モーターハブの磁石が該使い捨て可能なインペラハブの磁石と整列し得るように、該インペラプレートと整列する、バイオリアクターシステム。
14. 前記モーターハブはレイジー・スーザンベアリングをさらに備え、該ベアリングは、該ベアリングの一部が該インペラプレートの一面と接するように該ハブ内に配置される、請求項１３に記載のバイオリアクターシステム。
15. 前記少なくとも１つの使い捨て可能なインペラブレードが、可変性のピッチのインペラブレードを備える、請求項１３に記載のバイオリアクターシステム。
16. 前記使い捨て可能なインペラブレードの前記ピッチが、前記インペラハブの回転速度に応じて変化する、請求項１５に記載のバイオリアクターシステム。
17. 前記使い捨て可能なインペラブレードの前記ピッチが手動で調節される、請求項１５に記載のバイオリアクターシステム。
18. 前記多孔性要素または前記ミクロ多孔性要素が、粒子分離デバイスとして使用するためにも適合されている、請求項１に記載のバイオリアクターシステム。
19. 処理のために収容される生物物質と接触するように構成された全ての表面が、使い捨て可能である、請求項１に記載のバイオリアクターシステム。
20. 前記少なくとも１つの多孔性要素が、粒子分離デバイスとして使用するためにも適合されている、請求項１３に記載のバイオリアクターシステム。
21. 前記使い捨て可能なインペラーハブおよび前記モーターハブがそれぞれ少なくとも２つの磁石を備える、請求項１３に記載のバイオリアクターシステム。
22. 処理のために収容された生物物質と接触するように構成された全ての表面が、使い捨て可能である、請求項１３に記載のバイオリアクターシステム。

Images