JP5394623B2 - バイオリアクタおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、生物学および／または生化学の反応を行うためのバイオリアクタに関する。より具体的には、本発明は、細胞（例えば生物学のサンプル）を培養するための、ならびにホルモン、酵素、抗生物質、ワクチンおよび薬剤などの医用材料の生産に用いるためのバイオリアクタに関する。さらに、本発明は、容易に組み立てられ、培養／発酵作業の間中無菌状態を維持し、大きな容器へ無菌状態での材料の移送を実現する改良型バイオリアクタに関する。

医学分野では、さらなる細胞構造の研究のために生物学のサンプルを培養することが必要な場合がある。この種の培養は、しばしばバイオリアクタの中で行われ、このバイオリアクタは、細胞の成長に適した、内部が封止された状態をもたらす本質的に無菌状態の容器である。このバイオリアクタはまた、ホルモン、酵素、抗生物質、ワクチンおよび薬剤などの医用材料の生産に用いられる。典型的には、バイオリアクタは、さらなる加工のためのより大きなバイオリアクタで「播種する（ｓｅｅｄ）」ためにバッチ数量の所望の材料を生産する。これらのより大きな容器は、培養／生産プロセスを続ける本質的に大きなバイオリアクタである。この「より小さな」バイオリアクタは、材料がより大きな容器の中で培養／発酵を続けることができるように十分な濃度の効果的な量の材料を生産するために用いられる。このより大きなバイオリアクタ容器は、研究目的あるいはワクチンまたは薬剤などの最終製品へのさらなる加工のために増量された所望の材料を生産するのに必要なさらなる能力を有する。より大きな容器に給送するより小さなバイオリアクタは、このより小さなバイオリアクタに導入される所与の量の反応媒体に対して有限の量の産物だけしか生成しないので、その生産能力は制限されている。その結果、「シード」産物のより大きな容器への移送がさらなる生産のために必要となる。

医学分野では、生物学および／または生化学の反応を行うために、主として３つの基本的なタイプのバイオリアクタ、すなわち静止タイプ、振動タイプ、回転タイプが用いられている。静止バイオリアクタでは、三角フラスコなどしっかりと固定された反応器が用いられ、その中に設けられたかき混ぜ機が反応混合物の撹拌を引き起こすために概ね水平な回転運動をもたらすように作動する。このかき混ぜ作用は、熱および酸素伝達の速度を増加させる。このタイプのバイオリアクタは、経済的に反応を行うことができるが、典型的には、かき混ぜ機の不十分な駆動トルクにより高粘度の基質では作動することができず、熱および酸素伝達の大量移送が制限を受ける。このタイプのバイオリアクタでは、溶剤（すなわち反応媒体）の密度と異なる密度を有する基質は、浮き上がるかまたは沈下する傾向があり、これにより反応混合物の分離を引き起こす。

振動タイプのバイオリアクタでは、培養容器としてテストチューブ（ｔｅｓｔ ｔｕｂｅ）を用いる振動培養が医学分野で広く用いられている。このタイプのシステムでは、この反応が培養容器の往復水平運動により加速される。このタイプのバイオリアクタは、やはり高粘度の媒体ではうまく作動せず、やはり上述の静止バイオリアクタと同じ大量移送および分離の問題をかかえる。

回転タイプのバイオリアクタは、医学分野でもっとも一般的に用いられている。回転バイオリアクタでは、反応媒体は容器の中に挿入された回転装置によって撹拌される。回転バイオリアクタの一実施例が、Ｈａｒｉｇａｎｅらへの特許文献１で開示されている。この特許は、所定の一定の温度を保持するためにウォータジャケットによって囲まれた反応チャンバー（ｃｈａｍｂｅｒ）を画成する反応器から構成されるバイオリアクタを開示している。この反応チャンバーは、反応器の内壁表面の近くに設けられている。１対の直立したねじが、並んで隣接する関係で配置され、反応混合物を撹拌するために用いられる。具体的には、ねじはそれぞれ、反応混合物を撹拌するために、隣接したねじの対応するねじ山と係合するねじ山またはらせん状のひれ部を有する。反応混合物は、ねじ山が係合する区域で均一な撹拌ならびに粉砕およびふるい分け作用を受ける。

回転バイオリアクタの別の実施例が、Ｆｒｅｅｄｍａｎらへの特許文献２で開示されている。特に、この特許はバイオリアクタの容器のための改良型撹拌機を開示している。この撹拌機は、開端部および閉端部を有する中空の本体組立体ならびにこの開端部から離れた位置で中空の本体組立体と連通する管状構造を有する。この管状構造は、撹拌機の回転運動および管状構造が、吸引または牽引を引き起こし、中空の本体組立体の開端部から中空の本体組立体を通って管状構造出口開口部を通って外へ流体の流れを引き起こすように方向付けられた出口開口部を有する。この撹拌機は磁気駆動電動機によって駆動される。

バイオリアクタシステムの重要な別の態様は、細胞の成長を助長するために、酸素伝達速度を上げるように酸素または他の気体を細胞培養物に導入することができることである。典型的には、細胞培養物または反応媒体の曝気が、流体の中で、その底部の近くに出口を有する供給管を配置することによって流体の中を通って気体を泡立てるなど通例の手段で行われる。しかしながら、この方法で培養物の中で空気または他の気体を泡立てると、培養物に損傷を与える場合があり、培養物の損傷の可能性を少なくするために気泡サイズを最小化することが好都合である。典型的には、多孔分散管が、気泡サイズを小さくするために用いられ、供給管の端部に配置される。バイオリアクタで用いるための多孔分散管の一実施例が、Ｆｒｅｅｄｍａｎらへの特許文献３で開示されている。この特許は多孔分散管を開示する。この多孔分散管は、中実の壁と、スクリーンで形成された壁とによって画成された狭い垂直に延びる外側のチャンバーを有する。次いで、空気または他の気体は、加圧されて管を通って外側のチャンバーの底部へ押し出され、そこから分散部材へと押し出される。この分散部材は、チャンバーの中に上方へ気体を放出するために外側のチャンバーの低い方の領域に沿って分布した開口を有する。この外側のチャンバーの上部には、媒体表面の上の地点と連通する出口開口部が設けられている。この気泡は、気泡サイズを小さくするために外側のチャンバーの中の流体の柱（微細な気泡の形態でスクリーンの中を通過する部分）を通過する。

米国特許第５５８７２９８号明細書 米国特許第４６３６６７５号明細書 米国特許第４７２７０４０号明細書

上述の背景を考慮すると、バイオリアクタの構成および構造、特にバイオリアクタの組立、作動、および無菌状態でさらなる加工のためにより大きな容器に内容物を移送する能力の分野で改良の余地がある。

このバイオリアクタは、生物学および／または生化学の反応を行うときに用いることを目的とし、容器と、撹拌機と、反応組立体と、採収出口とを有する。バイオリアクタの容器は、混合ポートと、反応ポートと、採収ポートを含めていくつかのポートを有する。撹拌機は、混合ポートを通って容器の中に延び、一方、採収出口は、採収ポートを通って延び、バイオリアクタ装置の一部であってもよい別の容器に反応媒体を抜き取ることができる。反応組立体は、反応ポートを通って容器の中に延び、容器中の反応媒体の中に気体を導入するようになされた気体導管と、容器から反応媒体の一部を残りの反応媒体を汚染することなしに除去するようになされたサンプリング装置と、容器の中に少なくとも反応媒体を導入することを可能にする導入管とを含めて複数の構成部品を有する。

このバイオリアクタは、反応媒体の温度を調節するようになされたウォータジャケットをさらに有することができる。気体導管は、反応媒体を曝気するようになすことができる。多孔分散管が、容器に導入される気体の気泡サイズを制限するために反応組立体の気体導管に設けられることができる。撹拌機が、混合ポートを封止するカバーを通って延びることができる。撹拌機は、外部駆動装置、例えば電動機に結合するようになすことができる。

このサンプリング装置は、容器の中に延びる収集導管と、収集導管に配置され容器の外側に配置されたサンプリング弁と、収集導管と結合し容器の外側に配置された抽出器とを有することができる。抽出器は、収集導管を通って反応媒体のサンプル部分を除去するようになすことができる。排出口は、容器の外側の収集導管から反応媒体のサンプル部分を残りの反応媒体を汚染することなしに放出するために設けることができる。抽出器は、収集導管の中で与圧を減じるようになされた真空発生器と、真空発生器と収集導管の間に流動的に設けられたフィルタ要素とをさらに有することができる。

このバイオリアクタは、生物学および／または生化学の反応を行うためのバイオリアクタシステムの一部として用いることができる。この種のシステムでは、システムは、容器と、撹拌機と、反応組立体と、採収出口とを有するシードバイオリアクタを有する。このバイオリアクタの容器は、混合ポートと、反応ポートと、採収ポートとを含めていくつかのポートを有する。撹拌機は、混合ポートを通って容器の中に延び、一方、採収出口は採収ポートを通って延び、反応媒体を抜き取ることを可能にする。反応組立体は、反応ポートを通って容器の中に延び、気体を容器中の反応媒体の中に導入するようになされた気体導管と、容器から反応媒体の一部を残りの反応媒体を汚染することなしに除去するようになされたサンプリング装置と、容器の中に少なくとも反応媒体を導入することを可能にする導入管とを含めて複数の構成部品を有する。このシードバイオリアクタは、生物学および／または生化学の反応プロセスを続けるために反応媒体でメイン（すなわちより大きな）バイオリアクタで「播種する」ために用いることができる。この種のメインバイオリアクタは、採収出口を通って容器と流体連通して配置されるようになされ、典型的には入口ポートを有する。このメインバイオリアクタは、採収出口と入口ポートの間で衛生的な連結を介して容器と液体連通して配置することができる。

本発明の別の態様は、生物学および／または生化学の反応を行うようになされたバイオリアクタを組み立てる方法に関する。この方法は、混合ポートと、反応ポートと、採収ポートとを有する容器を用意するステップと、混合ポートを通って容器の中に容器中の反応媒体をかき混ぜるようになされた撹拌機を挿入するステップと、撹拌機が通って延びるカバーで前記混合ポートを封止するステップと、反応ポートを通って容器の中に延びる反応組立体で反応ポートを封止するステップと、反応媒体を無菌状態で別の容器に抜き取り移送することを可能にするようになされた採収出口で採収ポートを封止するステップとを含む。概して、反応組立体は、容器の中に気体を導入するようになされた気体導管と、容器から反応媒体の一部を残りの反応媒体を汚染することなしに除去するようになされたサンプリング装置と、容器の中へ少なくとも反応媒体を導入することを可能にする導入管とを有する。

本発明の別の態様は、生物学および／または生化学の反応物質を用意する方法に関し、概して、この方法は、混合ポートと、反応ポートと、採収ポートとを有するシードバイオリアクタを用意するステップを含む。この方法は、反応ポートを通って延びる導入管を通って容器の中に反応物質（すなわち、反応媒体）を導入するステップと、反応ポートを通って延びる気体導管を通って反応媒体の中に気体を導入するステップと、混合ポートを通って延びる混合機で反応媒体を撹拌するステップと、採収ポートを通ってメインバイオリアクタに反応済み反応媒体の少なくとも一部を移送するステップとをさらに含む。

本発明のさらなる細部および利点は、同じ部品が全体にわたって同じ参照番号で同一とみなされる添付図と関連した以下の詳細説明を読むとき明らかになろう。

以下の説明のために、空間的方向の用語は、用いられているならば添付図で方向付けられているかまたは本発明の以下の説明によりその他の方法で行われているので、本発明の実施形態に関するものとする。しかしながら、以下に説明する本発明の実施形態は、多くの代替の変形形態および構成をとることができることを理解されたい。また、添付図に示し本明細書で説明する特定の装置は、単に本発明を例示するものであり、限定するものと考えるべきではないことも理解されたい。

主として図１〜２を参照すると、生物学および／または生化学の反応を行うための「シード」バイオリアクタ１０の実施形態が示されている。概して、バイオリアクタ１０は、例示の目的のために円筒形を有するように示された反応器２０によって画成される。反応器２０は、生物学および／または生化学反応を受けるために反応媒体Ｒを取り囲み保持することを目的としている。したがって、反応器２０が、反応媒体Ｒに不活性な材料、例えばステンレス鋼または適切に裏打ちされた金属の容器、あるいはおそらくは不活性なプラスチック材料から作製されることが望ましい。このタイプの構造が、反応媒体Ｒの中に不要な物質を導入することを防止するために望ましい。反応器２０は、外壁２２ａおよび内壁２２ｂを有する二重壁構造である。外壁２２ａおよび内壁２２ｂは、水を導入するためにそれらの間に間隔を画成し、それによって反応器２０の壁の中にウォータジャケット２４を形成する。ウォータジャケット２４は、反応媒体Ｒの温度を保持し調節するための温度制御装置としての機能を果たし、したがって、反応器２０は、概ね例えば所定の温度である。典型的には、水が温度制御媒体として用いられ、反応器２０を囲むウォータジャケット２４の中を通過し、一実施例として恒温槽から一定の温度で循環することができる。

ウォータジャケット２４は、反応媒体Ｒおよび反応器２０の温度を保持するために水が中を通過するための注入口２６および出口２８を有する。例示の実施形態では、ウォータジャケット２４の注入口２６は外壁２２ａの下方の位置に配置することができ、出口２８はその反対側で外壁２２ａの上方の位置に配置することができる。したがって、反応器２０に一定の温度をもたらすためには、注入口２６も出口２８も、循環用配管（図示せず）および循環用ポンプ（図示せず）を通って恒温槽に連結される。ウォータジャケット２４は、コンピュータなど外部制御ユニット（図示せず）に接続されたある種類の熱感知器からの温度信号によって温度を一定に保持するように制御することができる。ウォータジャケット２４の注入口２６と出口２８の間の通例の循環連結が、閉ループシステムを生み出すために用いることができる。所望ならば、注入口２６は外壁２２ａの上方の位置に配置することができ、一方、出口２８は、ウォータジャケット２４からの通気を促進しウォータジャケット２４の不完全な注入を最小限に抑えるために下方の位置に配置される。

反応器２０は、混合ポート３０と、反応ポート６０と、採収ポート９０とを含めていくつかのポートまたは開口部を画成する。これらポート３０、６０、９０は、本明細書で説明するそれぞれのカバーまたは密閉装置によって覆われる。これら密閉装置は、生物学および／または生化学の反応に適した反応器２０中に閉鎖環境Ｅまたは空間を形成するためにポート３０、６０、９０を封止する。混合ポート３０は混合装置３２を支持し、この混合装置３２は、混合ポート３０を閉鎖するために混合ポート３０とともに概ね液密での封止をもたらし、本明細書で説明するように反応媒体Ｒの処理をさらにもたらす。混合装置３２は、混合ポート３０を通って反応器２０の中に延びる撹拌機３４を有する。撹拌機３４は、反応器２０の中に延びる軸３６と、反応器２０に受け入れられた反応媒体Ｒをかき混ぜまたは撹拌するために、反応器２０によって画成された閉鎖環境Ｅの中に配置されたペダル形のインペラ３８とを有する。インペラ３８は、バイオリアクタ／発酵容器技術分野内で知られる他の通例の形態をとることができる。撹拌機３４は、作動時に反応媒体Ｒの十分な撹拌／かき混ぜを確実にするために反応器２０の中に延びることが望ましく、インペラ３８は、反応媒体Ｒの十分な撹拌／かき混ぜ／酸素伝達速度を確実に行うことができるように反応器２０の内壁２２ｂから十分な間隔をあけられる。撹拌機３４は、混合ポート３０で係合した取付けおよび封止装置４０を通って概ね垂直または直立の位置で支持される。しかしながら、撹拌機３４は取付けおよび封止装置４０によって回転可能のままにされる。取付けおよび封止装置４０は、反応器２０の中の反応媒体Ｒのいかなる汚染も防止するように混合ポート３０の概ね液密での封止を保持しながら撹拌機３４を支持する。

撹拌機３４を駆動するためには、典型的には反応器２０の外側に電動機Ｍまたは他の駆動装置を用いることができる。電動機Ｍは、駆動力を撹拌機３４に伝達するために任意の適した伝動機構を有することができる。電動機Ｍのトルクが、取付けおよび封止装置４０によって形成された液密封止を介して撹拌機軸３６およびインペラ３８に伝達されると、反応媒体Ｒは混合される。さらに、駆動装置（または電動機Ｍ）は、撹拌機３４を回転させるために制御ユニット（図示せず）からの指令信号によって作動することができる。反応器２０中の撹拌状態を制御することによって、反応器２０中の反応媒体Ｒの反応プロセスを助長するために撹拌の様々な状態または速度を用いることができる。

取付けおよび封止装置４０（以下「取付け装置４０」）は、混合ポート３０を閉鎖し実質的に封止するようになされた封止「第１」カバー４２を有する。カバー４２は、混合ポート３０で係合しまたは混合ポート３０に着座するようになされ、特に混合ポート３０を画成する反応器２０の第１のリム４４を封止するようになされている。ガスケットもまた、カバー４２とリム４４の間の概ね液密の特性を確実にするために用いることができる。カバー４２は、特に固定リング４６によって反応器２０にリム４４で固定され、それによって混合ポート３０を閉鎖し実質的に封止する。一実施例では、リング４６は、リム４４の下の反応器２０の雄ねじ部４８と係合するために雌ねじがつけられている。それら要素間のねじ係合は、リム４４上のカバー４２の位置を確保し、さらにカバー４２とリム４４の間の概ね液密の特性を確保する。撹拌機３４は、カバー４２の中央開口部４９を通って延び、概ね液密での封止が撹拌機３４と中央開口部４９の間にもたらされる。所望ならば、ナットヘッド（ｎｕｔ ｈｅａｄ）（図示せず）または同様の構造が、リム４４を雄ねじ部４８と容易にねじ係合できるようにリム４４の本体と一体化するかまたはともに形成することができる。

カバー４２は、通気構造または弁５２を受け入れる１つまたは複数の通気開口部５０を画成する。通気弁５２は、通気開口部５０でねじ係合することができ、これにより反応器２０によって画成された閉鎖環境Ｅを通気することができる。通気弁５２は、外部の汚染物が閉鎖環境Ｅに入ることを防止する一方向弁でもよい。さらに、フィルタ要素５４が、通気弁５２の下流に流体連通して配置することができ、反応媒体Ｒからのいかなる汚染物の外気への到達を実質的に防止するために管５６に通って通気弁５２に連結することができる。通気弁５２は、例えば反応器２０中の反応媒体Ｒが反応器２０の中に導入された過度の気体の蓄積によって損なわれないことを確実にするために用いることができる。最後に、撹拌機３４は、撹拌機３４および撹拌機軸３６ならびに特にインペラ３８に回転駆動力を伝えるために電動機Ｍの駆動出力部に連結するようになされた端部または連結板５８に連結することができる。

上述のように、反応器２０は、反応ポート６０を画成するかまたは有する。反応組立体６２は、反応ポート６０の中に挿入され、反応ポート６０を閉鎖し封止するために概ね液密での反応ポート６０との封止をもたらす。反応組立体６２は、反応器２０の中に反応媒体Ｒならびに反応を可能にする材料および物質を導入するための、およびサンプリングおよび検査の目的のために反応器２０から若干の反応媒体Ｒを抜き取りまたは除去するためのインターフェース（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）装置として設けられる。概して、反応組立体６２は、気体導入管６４と、反応物質導入管６６と、サンプリング装置６８とを有する。概して、反応組立体６２は反応ポート６０を通って反応器２０の中に延びる。

封止「第２」カバー７２は、反応組立体６２の一部として設けられ、反応ポート６０を閉鎖し実質的に封止するために用いられる。カバー７２は、反応ポート６０と係合し、反応ポート６０に着座し、特に反応ポート６０を画成する反応器２０の第２リム７４を封止するようになされている。カバー７２は、特に「第２」固定リング７６によって反応器２０にリム７４上で固定され、それによって反応ポート６０を閉鎖し実質的に封止する。ガスケットまたはＯリングＧが、カバー７２とリム７４の間の概ね液密の特性を確実にするためにカバー７２とリング７６の間に設けられている。一実施例では、リング７６は、リム７４の下（すなわち近く）で反応器２０の雄ねじ部７８と係合するために雌ねじがつけられている。これら要素間のねじ係合は、リム７４上のカバー７２の位置を確保し、さらにカバー７２とリム７４の間の概ね液密の特性を確保する。混合ポート３０および反応ポート６０が、概ね液密の構造を構築するために反応器のリム４４、７４にねじ止め可能に固定されるそれぞれのカバー４２、７２とともに示されるが、反応器のリム４４、７４にそれぞれのカバー４２、７２を恒久的に固定することもまた可能である。カバー７２は、気体導入管６４、導入管６６、およびサンプリング装置６８と結合した収集導管８２の通過のためにいくつかの開口部８０を画成する。導管６４、６６、８２はそれぞれ、概ね液密の方法でそれぞれの開口部８０に配置される。所望ならば、ナットヘッド（図示せず）または同様の構造が、リム７４を雄ねじ部７８と容易にねじ係合できるようにリム７４の本体と一体化するかまたはともに形成することができる。

さらに、フィルタ要素８４は、無菌ろ過された気体が気体導入管６４によって反応媒体Ｒの中に導入できるように、外部気体供給源（図示せず）からのいかなる汚染物の反応媒体Ｒへの到達を防止するために、管８６によって気体導入管６４と結合することができる。気体導入管６４は、反応媒体Ｒの中で起こる生化学プロセスを助長するために、気体、例えば酸素または空気が反応器２０の中の反応媒体Ｒの中に導入されるようになされている。例えば、反応媒体Ｒが培養のための細胞を含む場合に酸素は細胞の成長に必要であり、酸素または空気は細胞成長を助長するために気体導入管６４を通って導入することができる。さらに、二酸化炭素の導入は、細胞成長のための欠くことのできないイオンを形成するのに必要である場合があり、気体導入管６４を通って反応媒体Ｒの中に導入することのできる気体の別の実施例である。反応器２０が概ね液密で封止された状態を保持するように構成されているので、嫌気性の気体は、代替としてまたは追加で反応媒体Ｒの中に導入することができ、反応媒体Ｒに曝気するために用いることができる。気体導入管６４は、例えば気体導入管６４のための気体供給源としてガスボンベ（図示せず）に連結することができ、計量弁または制御弁は、反応媒体Ｒの中への気体の供給を制御するために気体導入管６４に結合することができる。最後に、多孔分散管８８が、気体を反応媒体Ｒの中に分散させるために気体導入管６４の端部に配置され、望ましくは反応媒体Ｒ中の細胞または他の生物学的物質の損傷防止のために、反応媒体Ｒの中に導入される気泡のサイズを小さくするように配置される。多孔分散管８８は、導入した気体を反応媒体Ｒの中に分散させるために図中に示すが、概して、反応媒体Ｒおよび閉鎖環境Ｅの中に気体を導入し分散させかつ／または曝気するための他の同等の手段が、多孔分散管８８の代わりに置き換えることができる。この種の同等の装置の例には、かご形分散（ｃａｇｅｄ ｓｐａｒｇｉｎｇ）、媒体潅流（ｍｅｄｉｕｍ ｐｅｒｆｕｓｉｏｎ）およびメンブレン拡散（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｄｉｆｕｓｉｏｎ）などが可能な装置が含まれる。

上述のように、反応器２０は、採収ポート９０を画成するかまたは有する。採収出口組立体９２（以下「採収出口９２」）は、採収ポート９０の中に挿入され、配置され、反応器２０から典型的には大量に反応媒体Ｒを「採収する」かまたは抜き取り、さらなる培養／発酵（すなわち拡大（ｓｃａｌｅ−ｕｐ）加工）用の１つまたは複数のより大きな反応器へ反応媒体Ｒを移送するために用いられる。採収出口９２は採収導管９４を有する。この採収導管９４は、反応媒体Ｒの全てまたは一部を下流のプロセスへ除去するために、反応器２０によって画成された閉鎖環境Ｅの中で反応媒体Ｒと接触するために採収ポート９０を通って挿入され、反応器２０の中に延びる。採収導管９４の第１または内部端部９６は、反応器２０の中に配置され、反応器２０の中で反応媒体Ｒと接触する。採収導管９４の第２または外部端部９８は、通例の構成の概ね平面の衛生的なカップリング１００で終端することが望ましい。衛生的なカップリング１００の機能および使用法は、本明細書で説明する。

採収出口９２は、採収ポート９０を閉鎖し封止するために採収ポート９０と概ね液密での封止がもたらされるようになされていることが望ましい。採収出口９２は、採収導管９４の周囲に配置されまたはそれに固定された封止「第３」カバー１０２を有し、このカバー１０２は採収導管９４から外側に半径方向に延びる。カバー１０２は、採収ポート９０で係合しかつ／または採収ポート９０に着座し、特に採収ポート９０を画成する反応器２０の第３リム１０４を封止する。次いで、カバー１０２は、特に「第３」固定リング１１２によって反応器２０にリム１０４で固定され、それによって採収ポート９０を閉鎖し実質的に封止する。したがって、一実施例では、リング１１２は、雌ねじがつけられ、リム１０４の下（すなわち近く）の雄ねじ部１０８で採収導管９４の周囲を回転可能に受け入れられる環状構造であってもよい。ガスケットまたはＯリング１０６が、カバー１０２とリム１０４の間の概ね液密特性を確実にするためにリング１１２とリム１０４の間に設けられている。したがって、リング１１２は、上述したリング４６、７６と構造および作用の点で同様である。リム１１２と雄ねじ部１０８の間のねじ係合は、図の中に示されているが、反応器のリム１０４にリング１１２を恒久的に固定することもまた可能である。所望ならば、ナットヘッド（図示せず）または同様の構造が、リム１１２を雄ねじ部１０８と容易に係合できるようにリム１１２の本体と一体化するかまたはともに形成することができる。

上述のように、採収導管９４は衛生的なカップリング１００とともに外部端部９８で終端でき、このカップリング１００は、採収出口９２を、反応器２０から反応媒体Ｒの全てまたは一部を除去するために用いられる別の容器または装置と連結するために用いることができる。採収導管９４（および衛生的なカップリング１００）は、代替として反応器２０の閉鎖環境Ｅの汚染を防止するために封止されかつ／または覆うことができる。衛生的なカップリング１００はまた、衛生的なクランプ（図示せず）または他の適したユニオンによって衛生的な弁１１０に連結することができる。衛生的な弁１１０は、反応器２０からの反応媒体Ｒの抜取りの計量または制御を可能にし、弁本体１１４および作動具１１６または弁本体１１４と連結した制御器を有する。作動具１１６は、反応器２０からの反応媒体Ｒの抜取りを制御することを可能にするために、例えば弁本体１１４を開閉することによって弁本体１１４の動作を制御する。弁本体１１４は、望ましくはそれ自体が、採収導管９４の外部端部９８で衛生的なカップリング１００と、図３と関連して本明細書で説明したように反応媒体Ｒの連続した加工のために反応媒体Ｒが供給されるより大きなバイオリアクタ容器など下流の装置とを係合するための衛生的な入口カップリング１１８および出口カップリング１２０を有する。

反応容器２０に反応媒体Ｒの培養／発酵を形成しかつ／または促進する反応物質を供給するために、反応組立体６２は導入管６６を有する。導入管６６は、リング７６から外側に延びるよう配置され、典型的には反応物質を供給するための反応物質源に連結され、この反応物質源は反応媒体Ｒの培養／発酵を形成しかつ／または促進する。しかしながら、導入管６６は、何らかの方法で反応物質源に連結されていない場合、反応器２０中の閉鎖環境Ｅの汚染を防止するために封止しかつ／または覆うことができる（図示せず）。導入管６６は、衛生的なカップリング１００と同様の衛生的なカップリング（図示せず）を有することができ、このカップリングは、反応物質を汚染せずに反応器２０に供給できるように上述の方法で導入管６６を覆うことができる。さらに反応物質は、例えば導入管６６に連結されたホッパ（図示せず）から自動的に導入することもできる。所望ならば、反応物質は、導入管６６に連結された給送ポンプ（図示せず）によって所望の反応物質の所定の量を所望の時間間隔で投与することによって一定の速度で反応器２０に導入することができる。

上述のように、反応組立体６２の１つの構成部品が、サンプリング装置６８である。サンプリング装置６８は、検査目的で培養／発酵プロセスの完了を監視し、または反応媒体Ｒの追加がプロセス完了のために必要かどうかを決定するために、反応器２０からの反応媒体Ｒの一部、典型的には少量を除去するために設けられている。概して、サンプリング装置６８は上述の収集導管８２を有し、この収集導管８２は、反応ポート６０を通って反応器２０の中へ入り反応媒体Ｒと流体接触する位置に延びる。サンプリング弁１２２は、反応器２０の外側に配置され、反応器２０からの反応媒体Ｒの除去部分を制御し、また外部環境と反応媒体Ｒの無菌状態の境界を維持するために収集導管８２に取り付けられる。弁作動具１２４は、サンプリング弁１２２の動作を制御するために設けられている。サンプリング装置６８が用いられるべき用途に応じて他の任意の数のタイプの無菌の弁を様々な実施形態で実装することができるが、一実施例としてサンプリング弁１２２は、キャビティ充填ボール弁（ｃａｖｉｔｙ ｆｉｌｌｅｄ ｂａｌｌ ｖａｌｖｅ）またはダイアフラム弁でもよい。

サンプル抽出器１２６は、収集導管８２に設けられたサンプリング弁１２２と流体連通している。サンプル抽出器１２６は、サンプリング弁１２２の下流に位置し、反応器２０の外側に位置する。サンプリング弁１２２およびサンプル抽出器１２６は、バイオリアクタ１０の使用者が検査および評価の目的または他の所望の目的のために反応器２０から少量の反応媒体Ｒを選択的に除去できるように動作可能である。サンプル抽出器１２６は簡単な真空管などの真空発生部１２８を有する。この真空発生部１２８は、サンプリング弁１２２が開位置にあるとき、反応器２０から反応媒体Ｒの少量のサンプルを除去する目的で収集導管８２の中に真空（すなわち、負）圧を生成するために収集導管８２と流体連通している。サンプリング装置６８は、本明細書で説明したようにサンプリング弁１２２が開位置にあるとき、反応器２０から少量の反応媒体Ｒを反応器２０の中の残りの反応媒体Ｒを汚染することなく除去することを可能にする。収集導管８２は排出口１３０で終端し、この排出口１３０から抜き取られたサンプルが別の容器またはコンテナに抽出される。排出口１３０は、示すように簡単な勾配付きオリフィスであってよく、またはサンプルされた反応媒体Ｒの流れを制御するかまたはこの流れを停止するために開閉弁を有することができる。フィルタ要素１３２は、真空発生部１２８と、収集導管８２のポート１３３との間に配置されることが望ましく、このフィルタ要素１３２は、サンプリング弁１２２が開位置にあるとき、汚染物が反応媒体Ｒに導入される可能性をなくすかまたは低くするために真空発生部１２８に収集導管８２を連結する。通例の管１３４がフィルタ要素１３２とポート１３３の間の流体接続を完成するために用いられる。サンプリングハウジング１３６が、排出口１３０の上流の排出端部または収集導管８２の一部の周りに設けることができ、例えば使用者が収集コンテナまたは容器を排出口１３０に連結するときの案内のために設けられる。

作動中、収集コンテナまたは容器は（図示せず）は排出口１３０と流体連通して配置される。真空がサンプリングハウジング１３６の空気を強制的に外に出すことによって生成される。このサンプリングハウジング１３６は、収集導管８２および収集コンテナと流体連通している。封止が、典型的には概ね液密のまたは封止された方法で形成される。サンプリング弁１２２が開けられ、サンプル抽出器１２６が開けられ、収集導管８２、収集コンテナおよび真空生成器１２８の中の真空が、サンプリング弁１２２および収集導管８２を通って最後に収集コンテナの中に反応媒体Ｒを引き込むことによって開放される。したがって、サンプル抽出器１２６は収集導管８２の中に真空圧を生成し、これにより反応器２０から反応媒体Ｒのサンプルを抜き取り、このサンプルを排出口１３０に供給し、さらにそれに接続された収集コンテナまたは容器に供給する。次いで、サンプリング弁１２２は、収集導管８２を再び閉じ、再び反応器２０の中の閉鎖環境Ｅを封止する閉位置に作動することができる。反応媒体Ｒのサンプルはこのとき収集コンテナの中に貯蔵され、この収集コンテナは反応媒体Ｒの収集されたサンプルの検査および評価のために取り外すことができる。

無菌状態のサンプルを得る能力をさらに強化するためには、サンプリング弁１２２の下流のサンプリング装置６８の部分（すなわちサンプル抽出器１２６）が取外し可能／交換可能でもよい。したがって、サンプル抽出器１２６は、サンプリング弁１２２から取り外し、弁１２２の外側の清浄度を確実にするためにアルコールまたは他の殺菌媒体で消毒することができる。代替として、サンプリング装置６８の別の無菌の部分が、反応器２０から取られた反応媒体Ｒのサンプルの後の汚染の可能性を低くするためにサンプリング弁１２２に固定することができる。この下流の部分の取外し可能性は、ねじ係合、スナップ式、および同種の簡単な機械的な結合技術を含めていくつかの方法で行うことができる。

次に、図３を参照すると、より大きな加工容器用の「シード」バイオリアクタとしてバイオリアクタ１０を備えるバイオリアクタシステム２００が示されている。当医学技術分野で知られるように、このバイオリアクタは、生物学および生化学の物質の初期の培養／発酵のために用いられることがあり、これら物質は、効果的な量の加工済み物質がより大きな容器へ移送されるために「シード」バイオリアクタの中に存在すると、次いで、拡大加工のためのより大きな加工容器に移送される。図３はこの種のシステム２００を示し、このシステム２００は、採収用の衛生的な弁１１０によってシステム２００の投入／導入配管または導管２０２に連結されたバイオリアクタ１０を備える。典型的には、投入配管２０２は、衛生的な弁１１０の衛生的なカップリング１２０と同様の衛生的なカップリング２０３を有し、このカップリング２０３は、衛生的なクランプ（図示せず）または他の適したユニオンによって衛生的なカップリング１２０に連結される。投入配管２０２のこの衛生的なカップリング２０３は、投入配管２０２に「投入ポート」を形成する。典型的には、カップリング１２０、２０３間の衛生的な連結をもたらすためのユニオンは、採収導管９４の衛生的なカップリング１００と衛生的な弁１１０の入口の衛生的なカップリング１１８の間のユニオンと同様である。投入配管２０２は、いくつかの大きなまたは拡大バイオリアクタ装置、またはそれぞれのメインバイオリアクタ２０４、２０６、２０８にメインバイオリアクタ投入配管２１０、２１２、２１４および制御弁Ｖ₁、Ｖ₂、Ｖ₃を通って連結される。示すようにメインバイオリアクタ２０４、２０６、２０８は、拡大プロセスで一般的なように、「シード」バイオリアクタ１０より大きな規模で生物学および／または生化学の反応を行う用意をする。

概して、バイオリアクタ１０は以下で説明するように組み立てられる。しかしながら、次の組立ステップは、バイオリアクタ１０の１つの可能な組立方法の一実施例として単に意図されている。バイオリアクタ１０は、反応器２０の中に反応媒体Ｒのための無菌状態の封止された閉鎖環境をもたらすことを目的としている。したがって、混合ポート３０、反応ポート６０および採収ポート９０はそれぞれ、反応媒体Ｒが殺菌グレードの液体フィルタ（図示せず）を通って反応器２０の中に無菌状態で導入できる前に、封止され、熱的、化学的およびその他の方法によって殺菌される。代替として、反応媒体Ｒは、熱、化学物質または放射線による殺菌消毒に耐えることができる場合、容器全体の殺菌消毒の前に容器２０の中に導入され封止される。混合ポート３０から始まり、混合装置３２は、取付けおよび封止装置４０が混合ポート３０を閉鎖し封止する状態で混合ポート３０の中に挿入される。撹拌機３４はカバー４２とともに予め組み立てることができ、カバー４２は開口部５０に固定された通気弁５２を有することができる。同様に、リング４６は、撹拌機３４、カバー４２およびリング４６が予め組み立てられた状態であるように、撹拌機３４の周りに配置することができる。この予め組み立てられた構造は、混合ポート３０の中に挿入され、リング４６はリム４４の下のねじ部４８に固定され、これにより混合ポート３０の中で混合装置３２の組立を完成するように混合ポート３０を画成する。

次に、反応組立体６２が、反応ポート６０を閉鎖し封止するために反応ポート６０の中に挿入することができる。理想的には、反応組立体６２は、導管６４、６６、８２を支持するカバー７２、および導管６４、６６、８２の周囲に配置されたリング７６とともに予め組み立てられる。サンプリング装置６８は、予め組み立てられるか、または収集導管８２に連結することができる。次いで、この予め組み立てられた構造全体は、反応ポート６０の中に挿入され、リング７６は、反応ポート６０の中で反応組立体６２の組立を完成するようにリム７４の下のねじ部７８に固定され、これにより反応ポート６０を画成する。

最後に、採収出口９２が、採収ポート９０を閉鎖し封止するために採収ポート９０に挿入することができる。上述の混合装置３２および反応組立体６２の場合と同様に、採収出口９２は、採収出口９２および衛生的な弁１１０の全体の構造が採収ポート９０の中に挿入できるように、典型的には衛生的な弁１１０が採収出口９２に連結された状態で予め組み立てられることが望ましい。採収出口９２と結合したカバー１０２は、採収ポート９０の中で採収出口９２の組立を完成するようにリム１０４の下のねじ部１０８に固定され、これにより採収ポート９０を画成する。

バイオリアクタ１０がここで組み立てられた状態で、反応媒体Ｒは、所期の生物学および／または生化学の反応を行うために反応器２０の中に導入される。容器２０は、空の間に上述の技術によって予め殺菌することができ、反応媒体Ｒは、殺菌グレードのフィルタを通って無菌状態で導入されるか、または殺菌プロセスに耐えることができる場合は上述の技術によって予め殺菌することができる。反応器２０は、ウォータジャケット２４の作用によって所定の温度で保持することができる。所期の生物学および／または生化学の反応は、撹拌機３４の撹拌／かき混ぜ作用の下で、１つまたは複数の微生物、あるいは１つまたは複数の例えば酵素など化学物質が存在する反応器２０の中で実行することができる。反応器２０中の反応媒体Ｒの回転によって、反応媒体Ｒは、構成要素である反応物質／物質の散乱および混合をもたらすように処理される。その上、反応媒体Ｒは、気体導入管６４を通ってさらに曝気することができ、これは上述のように細胞の成長のために必要である場合がある。加工の間に様々な間隔で、反応媒体Ｒのサンプルが、反応媒体Ｒの加工を監視するために取られる可能性がある。この種の反応媒体Ｒのサンプリングは詳細に上述した。培養を助長するために必要な栄養素などの添加物質は反応組立体６２の一部である導入管６６を通って反応媒体Ｒに導入することができる。反応媒体Ｒは、さらなる加工に対して準備が整ったと決定されると、システム２００の中の拡大加工へ移送することができ、このシステム２００はいくつかの拡大容器またはメインバイオリアクタ２０４、２０６、２０８を有する。反応媒体Ｒの移送は、例えば投入配管２０２の中の移送用ポンプ（図示せず）の助けを借りて採収用の衛生的な弁１１０を通って行われる。殺菌用追加配管および採収配管は、汚染を最小限に抑えるためにアルコールまたは他の殺菌グレードの化学物質を用いることによって無菌状態で連結されるべきである。メインバイオリアクタ２０４、２０６、２０８に反応媒体Ｒを移送するために用いられる管は、移送プロセスの間の汚染物の導入を最小限に抑えるために上述した方法によってやはり予め殺菌されるべきである。

撹拌機３４およびウォータジャケット２４を有する「シード」バイオリアクタ１０の作動、ならびに反応物質および気体の反応媒体Ｒへの導入を、コンピュータなどの制御ユニット（図示せず）によって制御することがやはり望ましい場合がある。さらに、反応媒体Ｒは、メインバイオリアクタ２０４、２０６、２０８のうちの１つまたは複数に反応媒体Ｒを移送するために制御ユニットの制御の下で除去することができる。例えば、ウォータジャケット２４の制御の場合、制御ユニットは、反応器２０の中の温度感知器から温度入力データを受けることができ、所定の温度範囲の中に反応器２０の中の温度を制御するためにウォータジャケット２４の動作を調整することができる。同様に、制御ユニットは、反応組立体６２と結合した導入管６６に結合した給送ポンプを制御することによって反応器２０への反応材料の一定の供給を制御することができる。さらに、制御ユニットはまた、例えばガスボンベと気体導入管６４の間に配置された制御弁を制御することによって気体導入管６４に連結されたガスボンベからの気体の供給を制御することができる。さらに、制御ユニットはまた、制御すべきパラメータを監視する内部計測装置の使用によって酸／主成分、気体、栄養素などの供給を制御することができる。

本発明が流体注入装置およびそのための補助ポンプのいくつかの実施形態の詳述によって説明されたが、当分野の技術者であるならば本発明の範囲および精神から逸脱することなく本発明の修正および変更を行うことができよう。したがって、上述の説明は、限定的であるよりむしろ例示的であるように意図される。上述の本発明は添付された特許請求の範囲によって定義され、特許請求の範囲と均等な趣旨および範囲にあたる本発明への全ての変更は、特許請求の範囲の中に含まれるべきものである。

本発明の実施形態によるバイオリアクタの分解および部分斜視図である。 図１のバイオリアクタの組立および部分斜視図である。 図２のバイオリアクタがより大きなバイオリアクタ装置のためのシードバイオリアクタであるシステムの一部として図２のバイオリアクタを示す概略図である。

Claims (17)

1. 生物学および生化学の反応を行うためのバイオリアクタ（ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ）装置において、
   少なくとも３つの分離しかつ異なるポートを有する容器であって、前記ポートは、混合ポート、反応ポートおよび採収ポートを有する容器と、
   前記混合ポートを通って前記容器の中に延びる撹拌機と、
   前記反応ポートを通って前記容器の中に延びる反応組立体であって、
   前記容器中の反応媒体の中に気体を導入するようになされた気体導管と、
   前記容器から前記反応媒体の一部を前記残りの反応媒体を汚染することなしに除去するようになされたサンプリング装置であって、前記容器の中へ延びる収集導管と、前記収集導管に配置され前記容器の外側に配置されたサンプリング弁と、前記収集導管と結合し前記容器の外側に配置され、前記収集導管を通って前記反応媒体のサンプル部分を除去するようになされた抽出器とを備えるサンプリング装置と、
   前記容器の中へ少なくとも前記反応媒体を導入することを可能にする導入管と、
   反応組立体の取外し可能カバー手段と、
   を有する反応組立体であり、当該反応組立体は、単体として反応ポート内に取外し可能に配置され、前記気体導管、サンプリング装置および導入管は単一の共通サポートを有する、反応組立体と、
   前記反応媒体を前記反応容器から抜き取るための前記採収ポートを通って延びる採収出口であって、他の容器に衛生的なカップリングを介して結合されるように構成された採収出口と、
   を備えることを特徴とするバイオリアクタ装置。
2. 前記バイオリアクタは、前記反応媒体の温度を調節するようになされたウォータジャケットをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のバイオリアクタ装置。
3. 前記気体導管は前記反応媒体を曝気するようになされていることを特徴とする請求項１に記載のバイオリアクタ装置。
4. 前記撹拌機は前記混合ポートを封止するカバーを通って延びることを特徴とする請求項１に記載のバイオリアクタ装置。
5. 前記撹拌機は外部駆動装置に結合されるようになされていることを特徴とする請求項１に記載のバイオリアクタ装置。
6. 前記外部駆動装置は電動機であることを特徴とする請求項５に記載のバイオリアクタ装置。
7. 前記容器の中に導入された前記気体の気泡サイズを制限するために前記反応組立体の前記気体導管に設けられた多孔分散管をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のバイオリアクタ装置。
8. 前記収集導管から前記反応媒体の前記サンプル部分を前記残りの反応媒体を汚染することなしに放出するための排出口をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のバイオリアクタ装置。
9. 前記抽出器は、
   前記収集導管の中で与圧を減じるようになされた真空発生部と、
   前記真空発生部と前記収集導管の間に流動的に設けられたフィルタ要素と
   をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のバイオリアクタ装置。
10. 生物学および生化学の反応を行うためのバイオリアクタシステムにおいて、
    混合ポート、反応ポートおよび採収ポートを有する容器と、
    前記混合ポートを通って前記容器の中に延びる撹拌機と、
    前記反応ポートを通って前記容器の中に延びる反応組立体であって、
    前記容器中の反応媒体の中に気体を導入するようになされた気体導管と、
    前記容器から前記反応媒体の一部を前記残りの反応媒体を汚染することなしに除去するようになされたサンプリング装置であって、
    前記容器の中へ延びる収集導管と、
    前記容器の外側で前記収集導管に配置されたサンプリング弁と、
    前記容器の外側で前記収集導管と結合し配置され、前記収集導管を通って前記反応媒体のサンプル部分を除去するようになされた抽出器と、
    前記収集導管から前記反応媒体の前記サンプル部分を前記残りの反応媒体を汚染することなしに放出するための排出口と、
    を有するサンプリング装置と、
    前記容器の中へ少なくとも前記反応媒体を導入することを可能にする導入管と、
    を有する反応組立体であって、当該反応組立体は、単体として反応ポート内に取外し可能に配置され、前記気体導管、サンプリング装置および導入管は単一の共通サポートを有する、反応組立体と、
    反応組立体の取外し可能カバー手段と、
    前記反応媒体を抜き取ることを可能にする前記採収ポートを通って延びる採収出口と、
    を備えるシードバイオリアクタと、
    生物学および生化学の反応を行うようになされ、前記採収出口を通って前記容器と流体連通して配置するようになされたメインバイオリアクタであって、前記採収出口が衛生的なカップリングを介して結合されているメインバイオリアクタと、
    を備えることを特徴とするバイオリアクタシステム。
11. 前記シードバイオリアクタは前記反応媒体の温度を調節するようになされたウォータジャケットをさらに有することを特徴とする請求項１０に記載のバイオリアクタシステム。
12. 前記撹拌機は前記混合ポートを封止するカバーを通って延びることを特徴とする請求項１０に記載のバイオリアクタシステム。
13. 前記撹拌機は外部駆動装置に結合されるようになされていることを特徴とする請求項１０に記載のバイオリアクタシステム。
14. 前記容器の中に導入された前記気体の気泡サイズを制限するために前記反応組立体の前記気体導管に設けられた多孔分散管をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のバイオリアクタシステム。
15. 前記抽出器は、
    前記収集導管の中で与圧を減じるようになされた真空発生部と、
    前記真空発生部と前記収集導管の間に流動的に設けられたフィルタ要素と
    をさらに有することを特徴とする請求項１０に記載のバイオリアクタシステム。
16. 前記採収出口は前記採収ポートを封止するカバーを通って延びることを特徴とする請求項１０に記載のバイオリアクタシステム。
17. 前記メインバイオリアクタは入口ポートを有し、前記採収出口と前記入口ポートの間の衛生的な連結によって前記容器と流体連通して配置されることを特徴とする請求項１０に記載のバイオリアクタシステム。

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