JP5307965B2 - 壁体が変形可能である装置を備えたバイオリアクタ - Google Patents
壁体が変形可能である装置を備えたバイオリアクタ Download PDFInfo
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Description
多くの場合、容器は、攪拌器の回転軸および攪拌翼が組み込まれた攪拌器つき容器であり、渦流発生器(シケイン)を備えている、または備えていない。さらに、培地の混合は、空気またはポンプによって生じる外部または内部での液体の循環によって行うことができる。気体の供給は、空気排出チューブまたは空気排出リングを通して行う。測定プローブは、側方あるいはカバーに設けた貫通口を通して導入される。
反応条件の維持は、反応容器の近傍に設けた供給装置によって行われる。供給装置には、攪拌器の駆動部、温度調節部、pH調整または基質の投与ならびに曝気の制御のための投与部が、その他の設備とともに含まれる。
反応容器および供給装置の近傍のスイッチ箱に、測定および制御装置、あるいは電子データ処理システム(EDP)に支援されたプロセス制御システムが収容されており、リアクタ内の反応条件の維持および記録を行う。
・大型の培養設備とは比較にならない
・気体および液体の最適な供給ができない
・プロセスの記録化ができない
・再現性がない
装置は、伸張性または非伸張性の合成または天然ポリマからなり、少なくとも1個、好ましくは2個、最大で16個のシケインが、振盪装置または攪拌器によって作り出される循環流に対し、0〜180°、好ましくは70〜110°、特に好ましくは90°である所定の角度で取り付けられる。これにより、シケインの部分で反応液の乱流混合が生じる。乱流を増すため、シケインに孔(ノズル効果)(孔の寸法は、シケインの直径の1から20%、好ましくは2〜10%、特に好ましくは5%)および/またはアンダーカット、すなわち容器の壁から一定の距離(距離は、シケインの直径の1から20%、好ましくは2〜10%、特に好ましくは5%)を設けてもよい。シケインは、所望の容器形状にあわせて切断したフィルムから作られ、該フィルムは、上部で膨張用ホース(PK in)へと変化している。シケインの最適径は、培養容器の直径の10〜30%、好ましくは10〜20%、特に好ましくは15%である。装置をよりうまく固定するため、容器の底部に、直径が2〜16mm、好ましくは4mmの同様に膨張可能な固定リング、あるいは容器の形状にあわせて調整された2重T字形の固定片が配置されている。この固定リングまたは固定片は、各シケインの圧力補償ももたらす。安定性を向上させるため、いくつかのシケインが、同様に膨張可能である1つ、あるいはいくつかの横木で接続される。これらの横木は、反応液によってあまりに大きい流れに逆らう力が引き起こされた場合に、シケインの「折り返り」を防止する。シケインをさらに丈夫なものとするため、シケインのフィルムの背面にレールを溶着してもよく、あるいは再使用可能な挿入物を、装置を固定するために用いてもよい。渦流発生器は、反応の開始に先立って一開口を封じられ、他方の開口で圧力が0.1〜3bar、好ましくは0.5barのプロセス気体、好ましくは空気によって膨張され、その後、圧力によって作られた形状を保つため他方の開口が封じられる。
渦流発生器を形成するためのフィルムに、1〜5mm、好ましくは2mmのダクトが溶着によって渦流発生器の近傍に作りつけられ、該ダクトの上部、カバーの通路にシステムの滅菌曝気のための滅菌フィルタを設けることができ、該ダクトの下方は培養容器の底部に向けられ、反応液内で終わっている。下部の開口は、下方の横木に取り付けられる。このダクトを通して、第3相すなわち気体(PI in)が反応室へと供給される。溶着によってダクトを形成する代わりに、適当なホースを溶着することもできる。
曝気システムと同様の方法で、適当な寸法を有するダクトが、渦流発生器の近傍に溶着で作りつけられ、該ダクトは、培養容器の底部で終わり、カバーの通路の向こう側で開いている。このダクトを通して、反応液の一部を、使い捨てシリンジによりいつでも望むときに取り出すことができる(サンプルout)。
曝気システムと同様の方法で、適当な寸法を有するダクトが、渦流発生器の近傍に溶着によって作りつけられ、該ダクトは、培養容器上方の空気室で終わり、カバーの通路の向こう側で開いている。このダクトを通して、例えば反応のガス交換速度を測定するため、放出された空気を反応液上方の空気室から取り出すことができる。溶着によってダクトを形成する代わりに、適当なホースを溶着することもできる。
曝気システムと同様の方法で、適当な寸法を有する3つのダクトが、反対側の渦流発生器の所に溶着によって作りつけられ、これらのダクトを通して、例えば基質、アルカリ液、発泡低減剤などの任意の液体を、反応液中に投与することができる。カバーの通路の外側に、任意の投与装置を接続することができ、ダクトは、液面のすぐ上またはすぐ下にある上方の横木で終わっている。溶着によってダクトを形成する代わりに、適当なホースを溶着することもできる。
プローブ鞘は、カバーの開口の通路に取り付けられ、ハトメによって横木に取り付けられた筒である。直径は2〜25mm、好ましくは8mmである。この鞘によって、例えばpHプローブ、pO2プローブ、濁度測定、液体体積のための水位センサあるいは気泡検出など、適当な測定プローブを、素早く反応液中に入れることができる。装置との間の封止はOリングによって、あるいはプローブを溶着することにより、行うことができる。プローブを反応液に直接接触させると望ましくない場合には、膜によってプローブを反応液から隔てることができる。膜は、測定対象である物質の拡散を許容するものでなくてはならず、しかしながら、反応液に対する無菌的分離をもたらすものである。これにより、例えば、滅菌反応液中の溶解酸素の測定を、滅菌していないpO2プローブで行うことが可能になる。
基質の投与 毎時2.5mlで連続(1時間当たりグルコース1g)
アルカリ投与 pH値を、所望の値であるpH>7.0に制御
消泡剤の投与 必要な場合、すなわち培養液が過剰に発泡した時のみ
KLA値 本発明 218±27(l/h)
本発明の装置の気体供給モジュールは、下記の主要な構成要素からなる(図1)。
・加圧気体導入口
・三方弁DV1、または導入弁と排出弁
・気体容器B1
・ガス・フィルタF1
・圧力補償ダクトDG1
気体供給モジュールの代わりに、液体を輸送用媒体として使用することもできる。この場合、気体供給モジュールは、制御つきの液体ポンプで置き換えられ、該液体ポンプが、吸入管で培養容器の反応液に接続され、反応液を循環させる、あるいは液体ポンプ用の貯留容器から液体を吸い上げる(図2)。駆動ポンプ・モジュールは、以下の主要な構成要素からなる。
・液体ポンプ
・吸入管
・培養容器へと向かう圧力管
・フィルタ(任意)
液体供給モジュールは、以下の主要な構成要素からなる(図1)。
・液体貯留容器
・圧力補償細管から分岐した圧力補償管
・クロック・バルブおよびベンチュリ・ノズルへの供給管
・クロック・バルブ
・ベンチュリ・ノズル
・ノズル寸法
・圧力およびノズルを通過する気体流
・供給管およびクロック・バルブの断面積
・液体の粘度
・温度
気体投与供給モジュール(図7および8)は、以下の主要な構成要素からなる。
・注入容積がピストンによって調節可能な気体容器B2
・気体導入口
・三方弁
培養容器モジュールは、以下の主要な構成要素からなる。
・注入された反応液、反応液上方の気体空間(上部空間)およびカバーを有する培養容器KG1
・輸送用媒体の供給管
・培養容器の上部空間への供給管を有する入り口弁EV1
・反応液への供給管を有する入り口弁EV2
・反応液中の通気ノズルBD1
・培養容器上部空間のエジェクタ・ノズルAD1
三方弁DV1:リー社(The Lee Company)、型式LHDA12311115H
クロック・バルブV1、V2:リー社、型式LFVA123021 0H
入り口弁EV1、EV2:リー社、型式LFVA123021 0H
ベンチュリ・ノズルVD1、VD2:スプレーイング・システムス社(Spraying Systems)、型式
通気ノズルBD1:スプレーイング・システムス社、型式
エジェクタ・ノズルAD1:スプレーイング・システムス社、型式
空気容器B1:ブラウン・メルスンゲン社(Braun Melsungen)、ルアー・ロック(Luer Lock)を備えた50mlの使い捨てシリンジ
空気フィルタ F1:ザルトリウス社(Sartorius)、使い捨て無菌フィルタ、0.2μm
液体供給:フランジ・キャップおよびゴム製シールを備えた25mlの使い捨てアンプル
ホース:内径1mmのポリ四ふっ化エチレン製ホース
接続具:ルアー・ロック
泡検出:反応液への質量接続を有する絶縁針
弁制御装置:ブラウン・メルスンゲン社のDCU 3 システム
気体供給:
注入および気体流が毎分15回のクロック速度、VF45すなわち22.5リットルの空気に相当、入り口弁EV1を閉じ、EV2を開き、すなわち気体流は反応液中へ。
液体供給1、基質:
クロック・バルブV1、毎分4回、0.2秒間の開放、同時に気体流の培養容器への接続として、DV1を培養容器に向けて開き、EV2を開き、毎時1mlのグルコース投与に相当。
液体供給2、消泡剤:
クロック・バルブV2を通常は閉じた。トランスデューサ針が、泡の信号を示したとき、次のアルゴリズムを実行する。すなわち、入り口弁EV2を閉じ、入り口弁EV1を開き、すなわち上部空間通気の開始。8秒後に、トランスデューサ針の泡信号がなしであれば、入り口弁EV1を閉じ、入り口弁EV2を開いて、通常の動作に戻る。泡信号が依然として存在していれば、そのときは、気体供給の各クロック信号と同時に、クロック・バルブV2を1秒間開き、消泡剤(18.7ml/h)が気体供給の気体流に混ぜられる。さらに16秒たっても泡信号が存在する場合、培養液に再び気体を供給するため、さらに弁EV2も開かれる。この条件が、トランスデューサ針の信号がなくなるまで維持される。その後、通常の動作に戻る。
・本発明による装置の、コンパクトでかつ簡潔な出来映え
・「パルス」による通気システムと通気ノズルとの組み合わせの有効性
・極めて微細な気泡の生成
・本システムの混合時間の短さ
・本発明の構成による泡軽減性能
・液体の正確かつ均一な投与
Claims (35)
- 容器に挿入することができる通気および/または投与のための装置、または通気および/または投与のための容器を備えた装置であって、
少なくとも1つの渦流発生器(シケイン)、
最終形状となったときに、容器の底部の近傍に位置して装置を固定する少なくとも1つの固定リングの形態である固定部、および
少なくとも1つの気体または液体供給管からなり、
前記装置は、容器内への挿入後にのみ、または容器と一緒に使用の直前にのみ、最終形状となり、装置が、培養容器の壁体および形状をも構成し、容器内での最終形状、または容器と一緒の最終形状が、膨張または展張によって得られることを特徴とする装置。 - 使用時、すなわち最終形状における体積の増加が、最大100倍である請求項1記載の装置。
- 使用時、すなわち最終形状における体積の増加が、最大30倍である請求項1の装置。
- 使用時、すなわち最終形状における体積の増加が、最大10倍である請求項1の装置。
- 伸張性または非伸張性の合成または天然ポリマからなる請求項1〜4のいずれか1項に記載の装置。
- 使用されるポリマが、全体としてあるいは部分的に、気体を通さないものである、あるいは特定の気体を通すものである請求項5に記載の装置。
- 前記ポリマが、全体としてあるいは部分的に、或る分子サイズの範囲の物質のみを通す請求項5または6に記載の装置。
- 前記ポリマが、全体としてあるいは部分的に、装置の内部空間と反応液との間において、或る分子サイズの範囲の物質のみを通す請求項5または6に記載の装置。
- 風船を変形させた形式である1個のフィルム状部品からなる請求項1〜8のいずれか1項に記載の装置。
- 形状を得るべく互いに接着または溶着される複数のフィルム状部品からなる請求項1〜8のいずれか1項に記載の装置。
- 最終形状が、少なくとも0.2barの陽圧の下での液体または気体の連続的な通過流によって得られ、通過する流体が、全体として連続的に容器内のシステムに供給される、部分的に供給される、または供給されないことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の装置。
- 少なくとも1個、最大で16個の渦流発生器を有することを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の装置。
- 1個または複数個の渦流発生器が、それぞれ1個または複数個の横木によって固定されることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の装置。
- 渦流発生器に穴が設けられ、かつ/または、渦流発生器と容器壁面との距離が渦流発生器の直径の1〜20%であることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載の装置。
- 容器の壁面へと向けられた部分が、溶着によって組み付けられたレールによって補強されていることを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載の装置。
- 気体または液体が、反応液の下側3分の1へ、流出方向を下方に向けて供給されることを特徴とする請求項1〜15のいずれか1項に記載の装置。
- 測定プローブを導入するための鞘が、測定すべき物質を通す膜によって、反応液から隔てられていることを特徴とする請求項1〜16のいずれか1項に記載の装置。
- 前記鞘を横木に固定できることを特徴とする請求項17に記載の装置。
- 容器内の反応液および/または反応液の上方の気体空間を外部へと接続するため、内部にダクトが溶着によって作りつけられている、あるいは内部にホースが置かれていることを特徴とする請求項1〜18のいずれか1項に記載の装置。
- 反応液に向かう面が、薄膜、絨毛、繊維、ひだなどによって大きくされていることを特徴とする請求項1〜19のいずれか1項に記載の装置。
- 培養容器内に取り付けられる再使用可能な挿入物としての、請求項1〜20のいずれか1項に記載の装置の使用。
- 同一または互いに異なる複数個の装置の1個の容器内での使用であって、該複数個の装置が請求項1〜20のいずれか1項に記載の装置である使用。
- 容積2〜20,000mlの反応容器内での、または容積2〜20,000mlの反応容器としての、請求項1〜20のいずれか1項に記載の装置の使用。
- 生物学的および/または生化学的反応のための培養容器内での、または生物学的および/または生化学的反応のための培養容器としての請求項23記載の使用。
- 生物学的および/または生化学的反応のための培養容器内での、または生物学的および/または生化学的反応のための培養容器としての使用であって、2相または3相系における使用であって、微生物の培養のための使用であって、無菌条件下の使用である請求項24記載の使用。
- 反応液中に液体および/または気体を供給し、反応液から液体および/または気体を放出するため、および反応液の上方の気体空間に液体および/または気体を供給し、反応液の上方気体空間から液体および/または気体を放出するための、請求項1〜20のいずれか1項に記載の装置の使用。
- プロセス・パラメータの測定データの包括的記録のため、および方法、培地ならびに規模拡大の最適化および模擬のための、請求項1〜20のいずれか1項に記載の装置の使用。
- 気泡なし曝気および脱気のため、および/または或る分子サイズの範囲の分子の規定された供給および放出のための、請求項1〜20のいずれか1項に記載の装置の使用。
- 物質移動係数KLAを、大型の培養装置の範囲にまで増加させるための、請求項1〜20のいずれか1項に記載の装置の使用。
- 反応液を、通過する気体または通過する液体で温度調節するための、請求項1〜20のいずれか1項に記載の装置の使用。
- 容器に挿入することができる通気および/または投与のためのバイオリアクタ、または通気および/または投与のための容器を備えたバイオリアクタであって、
少なくとも1つの渦流発生器(シケイン)、
最終形状となったときに、容器の底部の近傍に位置してバイオリアクタを固定する少なくとも1つの固定リングの形態である固定部、および
少なくとも1つの気体または液体供給管
からなり、
前記バイオリアクタは、容器内への挿入後にのみ、または容器と一緒に使用の直前にのみ、最終形状となり、
バイオリアクタが、培養容器の壁体および形状をも構成し、容器内での最終形状、または容器と一緒の最終形状が、膨張または展張によって得られることを特徴とし、
リアクタ壁で限られたリアクタ室およびリアクタ開口からなり、任意で、気体および/または液体を供給するため、サンプルを取り出すため、微生物または細胞を供給するため、測定プローブを導入するため、添加物または殺菌剤を添加するため、および/またはバイオリアクタを空にするために、リアクタ開口を貫通する手段を備えており、リアクタ開口を封じるための手段を備えており、リアクタ室内に膨張可能な渦流発生器が少なくとも1個設けられているバイオリアクタ。 - 膨張可能な渦流発生器が、リアクタ壁から離れた構造体であり、つぶした状態でリアクタ開口を通して挿入可能であり、その後に膨らまされる請求項31記載のバイオリアクタ。
- リアクタ壁が、変形可能な材料からなり、リアクタ壁が、渦流発生器を備えた構造体を構成する請求項31記載のバイオリアクタ。
- 多数の渦流発生器が設けられ、該多数の渦流発生器が、膨らんだ状態においてお互いを固定することで、リアクタ壁が機械的に安定な反応室を形成する請求項33記載のバイオリアクタ。
- 請求項31記載のリアクタ開口を貫通する手段が、渦流発生器に接続されるホース管として適用される請求項31〜34のいずれか1項に記載のバイオリアクタ。
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