JP7236449B2 - 使い捨てバイオリアクタ／ミキサのための取り外し可能な溶存酸素センサインターフェース - Google Patents

Description

酸素は、単に全ての生存生物のサイクルに由来するその役割により、著しい関心対象となる気体である。酸素濃度又は部分的な圧力の測定は、さまざまな幅広い用途において重要である。一部の用途では、気体酸素濃度が直接測定される。他の用途では、液体中に溶存する酸素濃度が測定される。「溶存酸素」という用語は、水中に溶存する気体酸素分子を指すことを理解することが重要であり、水分子（Ｈ_２Ｏ）中に見られる混合酸素原子と混同すべきではない。

溶存酸素の測定について見込みある用途は、生物学的試料におけるものである。これらの生物学的試料は、実験室のインビトロ試料であってもよいし、又は患者のインビボ試料であってもよい。生物学的試料中の溶存酸素の測定は、医療提供者に対して重要な診断情報及び／又は特定の治療の有効性についての情報を提供する。しばしば、生物学的試料は、バイオリアクタ／ミキサ内に含有され、溶存酸素測定は、そこに含有される生物量の状態について重要な情報を提供する。

生命科学産業は、広大な、所定の場所での洗浄（ＣＩＰ）基盤を有するステンレス鋼から作られた資本集約的な大設備から、使い捨てバイオリアクタとして役目を果たすポリマーの袋又は容器を利用する、より小さな設備に移行している。使い捨てバイオリアクタ袋又は容器は、一度使用されたらその後廃棄される。使い捨てバイオリアクタを使用することは、工場で必要とされる資本コストを著しく低減させる。例えば、ステンレス鋼のＣＩＰ洗浄基盤を使用する既存の設備では、作動コストの９０％までが、蒸気洗浄サイクルに耐えるように設計された非常に高級な機器装備を含むＣＩＰ洗浄基盤によるものであり得る。使い捨てバイオリアクタ容器に移行することによって、資本コストのＣＩＰ部分は取り除かれ得るし、設備はより柔軟ではるかに小さくなり得、ひいては、例えばより標的を定められた薬物療法や他の小規模な適用に必要とされる、より小さなバッチの生産を可能にする。

既知の溶存酸素センサが、米国特許第８，８２８，２０２号において提供されている。上記で識別される特許の設計では、センサ窓膜は容器の壁に配置され、溶存酸素（ＤＯ）センサは完全に容器の外にある。この構成は、使い捨て環境で溶存酸素を感知するのに有用であるが、改善がなされ得る。

溶存酸素センサを使い捨てバイオリアクタ容器に結合させるためのインターフェースが提供される。溶存酸素（ＤＯ）窓膜は、使い捨て容器に動作可能に結合され、少なくとも部分的に使い捨て容器内でＤＯセンサを位置付けるように構成されている。いくつかの実施態様では、ＤＯ窓本体は、その遠位端にＤＯ窓膜を実装する。ＤＯ窓本体は、ＤＯ窓本体内でのＤＯセンサの位置付けを促進するためのスライドロックを含み得る。さらに、ＤＯ窓本体は、少なくとも１つの熱交換用フィンを含んでもよい。

既知の設計（図１Ａ）を本発明の実施態様による設計（図１Ｂ）と対比する概略断面図である。 既知の設計（図１Ａ）を本発明の実施態様による設計（図１Ｂ）と対比する概略断面図である。 それぞれ、本発明の実施態様による溶存酸素センサの概略正面図及び断面図である。 それぞれ、本発明の実施態様による溶存酸素センサの概略正面図及び断面図である。 本発明の実施態様による溶存酸素センサのロックフューチャーを示す概略平面図である。 本発明の実施態様によるＤＯセンサのためのスライドロックの概略図である。 本発明の実施態様によるＤＯセンサで使用されるスライドロックの概略図である。 本発明の実施態様によるＤＯ窓に固定されるＤＯ膜の概略図である。 本発明の実施態様によるＤＯ窓に固定されるＤＯ膜の概略図である。 本発明の実施態様によるＤＯ窓に固定されるＤＯ膜の概略図である。 本発明の実施態様によるＤＯ窓に固定されるＤＯ膜の概略図である。 本発明の実施態様による伸縮可能かつ弾性的な感知窓膜を通した従来のＤＯセンサのバイオリアクタ容器へのインターフェース接続の概略的な表示である。 本発明の実施態様による伸縮可能かつ弾性的な感知窓膜を通した従来のＤＯセンサのバイオリアクタ容器へのインターフェース接続の概略的な表示である。

例示的実施態様の詳細な説明
本明細書において記載する実施態様は、一般的に、センサ接続窓膜及び膜ホルダを介して溶存酸素センサを使い捨てバイオリアクタ容器に接続するシステム及び方法に関する。本システムは、一実施態様では、センサ接続窓膜及び溶存酸素センサを使い捨てバイオリアクタ容器内に延在させ、このことはより良い温度補償を提供すると思われる。本明細書において使用されるとき、使い捨てバイオリアクタ容器は、使い捨てプロセスのために適切な任意の容器又は保持容器を包含するように意図され、使用後に再使用ではなく廃棄される。好ましい例は、可撓性の高分子壁を有する袋である。さらに、いくつかの実施態様はまた、溶存酸素センサをセンサ窓に固定するためのロック機構を提供する。

温度は、溶存酸素測定のための重要なパラメータである。これは、センサ膜の透過性及び水中の酸素の溶解度を変化させることによって、測定に影響を及ぼす。したがって、溶存酸素（ＤＯ）センサに組み込まれた内部温度素子がある。

既知の溶存酸素（ＤＯ）センサ設計は、一般的に、センサ接続窓膜及び膜ホルダを介して使い捨てバイオリアクタ容器にＤＯセンサを取り付ける方法を提供する。しかしながら、センサ窓膜は典型的に容器の壁に設置され、ＤＯセンサ（及びその内部温度素子）は完全に容器の外に配置される。このことは、温度補償に関する問題を潜在的に生成することがある。典型的なバイオリアクタ容器について、内部プロセスが３６．５℃で制御されるのに対し、室温は通常２０～２５℃である。したがって、取り付けられた溶存酸素センサを通した温度勾配及び溶存酸素センサの温度補償は正確ではない。ある観測において、バイオリアクタ容器の温度は３６．５℃であり、ＤＯセンサの温度読み取りは２８．１℃であった。この温度不一致は、著しい測定誤差を生じるおそれがある。

この問題を扱うために、本明細書において記載する少なくともいくつかの実施態様は、使い捨て容器の中に延在するセンサ接続窓膜及び膜ホルダを提供することで、接続窓膜、ＤＯセンサ膜、及びセンサ内部温度素子が、プロセスにより熱平衡に到達し得る。このことは、より良いセンサ温度補償を提供し、したがってより高い測定精度をもたらす。

図１Ａ及び１Ｂは、既知の設計（図１Ａ）を本発明の実施態様による設計（図１Ｂ）と対比する概略断面図である。図１Ａにおいて、既知の溶存酸素実装システム１００は、使い捨て容器１０４の側壁１０２に結合されている。システム１００は、溶存酸素センサ１０８を受容するサイズの管状のセンサ受容部分１０６を含む。システム１００はまた、使い捨て容器１０４の側壁１０２に実装されたフランジ部分１１０を含む。フランジ部分１１０はまた、容器を流体的にシーリングする酸素透過膜１１２を含み、他の点では、センサ１０８が容器１０４内の試料１１４のＤＯ内容物を測定できるように、酸素が通過するのを可能にする。概略の目的で、温度センサ１１６は、温度に対するＤＯ値を補償するためのセンサ１０８内に示されている。しかしながら、ＦＩＧ１Ａに見ることができるように、温度センサ１１６は容器１０４の外部にあり、したがって周囲温度１１８に影響されやすく、このことは、温度センサ１１６に試料１１４及び膜１１２の温度とは異なる値を読み取らせることがある。

図１Ｂは、本発明の実施態様によるＤＯセンサホルダの概略図である。図１Ｂに示される要素の一部は図１Ａのものと類似であり、同様の構成要素が類似して番号付けされている。より詳細には、システム１００に結合された同一のＤＯセンサ１０８は、溶存酸素実装システム２００に結合され得る。しかしながら、システム２００は、センサを容器１０４内に移動させた位置にセンサ１０８を実装する。システム２００は、ＤＯセンサ１０８を受容するサイズの管状のセンサ受容スリーブ又は部分２０６を含む。部分２０６は、容器１０４の側壁１０２に結合するフランジ２１０に結合される。しかしながら、管状のセンサ受容部分２０６はまた、容器の内部から離れて延在するフランジ２１０の反対側の壁に一部分を含む。この方法で、管状のセンサ受容部分２０６の少なくとも一部分は、容器内に配置されて試料１１４によって囲まれるように構成されている。さらに、センサ１０８の温度感知素子１１６は、実装システム１００においてよりも、試料１１４の近くに配置される。このことは、素子１１６が試料１１４及び／又は膜１１２の温度をより正確に示すことを確実にするのを支援する。

図２Ａ及び２Ｂは、それぞれ、本発明の実施態様による溶存酸素センサの概略正面図及び断面図である。ＤＯ窓本体２５０は、バイオリアクタ容器フランジ２５２内に挿入され、これは使い捨て容器の壁に固定されてシーリングされるフランジ部分２５３を含む。窓本体２５０は、窓本体２５０の外側の部分を覆う弾性的なプラスチックチューブ２５４（実体を示さず）によってバイオリアクタ容器フランジ２５２に固定されることが好ましい。シール溝２６４は、使い捨て容器からの試料漏れを防ぐために、Ｏリングを受容して保持するように構成されている。現在既知の又は後に開発される任意の適切なＤＯセンサであってもよいＤＯセンサが、ＤＯ窓本体２５０の中に挿入されて、センサアダプタ２５８を介して固定される。センサアダプタ２５８は、ＤＯセンサ２６０の挿入及びアラインメントを促進するサムプレス２６２を含有する。一実施態様において、センサアダプタ２５８はまた、ＤＯセンサ２６０が窓本体２５０内で回転するのを防ぐフューチャー２６２を含有する（図３により詳細に示す）。

図２Ａ及び２Ｂに示されるように、第２のシール要素（例えば、Ｏリング）２５６は、センサアダプタ２５８の底部に近接して設けられて、大気中の酸素がＤＯセンサ先端に到達して干渉を引き起こすのを防ぐ。ＤＯ窓膜２７２は、膜キャップ２７４を使用してＤＯ窓本体の端部に固定され、これは、図５Ａ～図５Ｄに対してより詳細に記載される。ＤＯ窓本体２５０は、複数の熱交換フィン２７６を含んでもよいし又は含まなくともよい。図示した実施態様では、フィン２７６は、ＤＯ窓本体２５０を取り囲むいくつかの環状リングの形態で提供される。しかしながら、フィン２７６は、さらに又はあるいは、ＤＯ窓本体２５０の軸に沿って長手方向にあり得ることが明示的に意図される。熱交換フィン２７６は、試料１１４と直接接触して、ＤＯセンサ内の温度感知素子（例えば素子１１６）への熱流れを改善するのを支援する。

図３は、本発明の実施態様による溶存酸素センサのロックフューチャーを示す概略平面図である。スライドロック２６５は、第１の部分と第２の部分との間を矢印３００の方向に移動可能である。第１の位置では、スライドロック２６５は、ＤＯセンサ１０８が挿入されるか又はＤＯ窓本体２５０から引き出されるのを可能にする。さらに、第１の位置では、ＤＯセンサ１０８は、ＤＯ窓センサ本体２５０内で回転され得る。しかしながら、スライドロック２６５を第２の位置にスライドして移動させた場合、より小さな径３０２がＤＯセンサ１０８の一部分に係合して、軸方向の及び回転の移動を防ぐ。この方法により、ＤＯセンサ１０８が所定の場所にロックされる。

図４Ａ及び４Ｂは、それぞれ、本発明の実施態様によるＤＯセンサのためのスライドロック及びＤＯセンサで使用されているスライドロックの概略図である。スライドロック２６５は、軸受台３２２内でスライドする側壁３２０を含む。スライド移動はまた、軸受台３２２のタブ３２６と相互作用するスライドロック２６５上のリッジ３２４によって制約される。さらに、図４Ａにおいて示すように、スライドロック２６５はまた、ロックされた／ロックされていない位置に対応するスライド方向の指示をユーザに提供する表示を含んでもよい。

スライドロック２６５は、操作中、所定の場所にＤＯセンサ１０８を固定するのを支援して、エンドユーザにロックアウト／タグアウト能力を提供する。ロックアウト／タグアウトは、危険性のある機械が適切に遮断されてメンテナンスや修理の完了まで再び始動できないことを確実にする安全性手順である。本実施態様では、スライドロック２６５は、特定の向きにスライドロック２６５を維持するために機械的ロックを固定する開口部を含んでもよい。機械的ロックがスライドロック２６５において開口部を通して固定された場合、スライドロック２６５は、位置を切り替えなくてもよい。したがって、ＤＯセンサは、所望のようにロックインされても又はロックアウトされてもよい。この方法で、スライドロック２６５における開口部は、機械的ロックのスライドロック２６５への結合を促進することにより、ロックアウト／タグアウトを促進する。スライドロック２６５はまた、ＤＯセンサ１０８が正確な長さでＤＯ窓本体２５０中に挿入されるのを確実にすることから、ＤＯセンサ１０８の酸素感知先端は、ＤＯ窓膜２７２と適切にインターフェース接続し得る（図２Ａ及び２Ｂに示す）。

図５Ａ～５Ｄは、本発明の実施態様によるＤＯ窓に固定されたＤＯ膜の概略図である。ＤＯ窓膜２７２は、ＤＯ窓本体２５０に結合されたキャップ３５０を介してＤＯ窓本体２５０に固定される。キャップ３５０は、任意の適切な方法で取り付けられてもよい。例えば、図５Ｂに示すように、キャップ３５０は、ＤＯ窓本体２５０に超音波溶接されてもよい。あるいはまた、図５Ｃに示すように、キャップ３５０は、ＤＯ窓本体２５０に螺合されてもよい。さらに、図５ｄに示すように、キャップ３５０はまた、ＤＯ窓本体２５０にスナップ嵌めされてもよい。しかしながら、すべての図示した実施態様において、さらなるシーリング要素（Ｏリング３５２）が圧縮されて、ＤＯ窓膜２７２及びキャップ３５０をＤＯ窓本体２５０にシールする。

図６Ａ及び６Ｂは、本発明の実施態様による伸縮可能かつ弾性的な感知窓膜を通した従来のＤＯセンサのバイオリアクタ容器へのインターフェース接続の概略的な表示である。本発明の別の実施態様にしたがうと、ＤＯセンサをバイオリアクタにインターフェース接続するために、伸縮可能かつ弾性的な感知窓膜を使用してもよい。図６Ａ及び６Ｂは、伸縮可能かつ弾性的な感知窓膜４０２を通した従来のＤＯセンサ１０８のバイオリアクタ容器４００へのインターフェース接続の概略的な表示である。本実施態様において、ＤＯセンサ窓本体及びキャップは取り除かれるが、ＤＯセンサ１０８は、伸縮可能かつ弾性的な感知窓膜４０２を使用してバイオリアクタ容器とインターフェース接続する。ＤＯセンサが存在しない場合、膜はその弛緩形態にあるが、依然として容器の内部を外側の環境から隔離する。（図６Ｂに示すように）ＤＯセンサ１０８が感知窓膜４０２内に配置された場合、膜４０２は、伸縮されて、したがって、示されるようにＤＯセンサ１０８の周りを包む。膜４０２は、酸素に対して非常に透過性があることを示す材料から構成され、酸素が試料／プロセスからＤＯセンサ１０８の酸素感知先端に到達するのを可能にする。しかしながら、膜４０２はまた、破断を防ぐのに十分強くて耐性があるように（材料選択及び／又は厚さを通して）設計されている。

上述のように、本明細書において記載した実施態様は、一般的に、容器の壁面に沿って設置されるよりもむしろ容器の中に挿入される、ＤＯ窓本体、ＤＯ膜、及びＤＯセンサの温度素子を提供する。また、少なくともいくつかの実施態様は、ＤＯ窓本体の底部にフィン状のフューチャーを提供して、ＤＯ窓本体のより良い熱交換特性を可能にする。さらに、いくつかの実施態様は、ＤＯ酸素センサの選択可能な挿入又は引き出しを可能にするためにスライドロックを提供する。実施態様はまた、これらのフューチャーの組み合わせも同様に含む。

本発明は、好ましい実施態様を参照して記載されているが、当業者は、発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細において変更がなされてもよいことを認識するであろう。例えば、容器フランジは、ＤＯセンサが、容器フランジと相互作用するセンサハウジングに付加された機械的フューチャーを有する場合に提供され得る。容器は、適用中に加圧されるため、関心対象の接続点のみが容器への取付け部となる。これは、センサが所定の場所に保持されるのを確実にするためのプラスチック締付けデバイス（結束バンド等）を排除するであろう。

Claims (18)

1. ＤＯセンサを使い捨て容器に結合させるためのＤＯセンサインターフェースであって、
   使い捨て容器に動作可能に結合され、前記使い捨て容器内で少なくとも部分的にＤＯセンサを位置付けるように構成された溶存酸素（ＤＯ）窓膜と、
   前記使い捨て容器の出入口に結合するように構成されたＤＯ窓本体であって、前記使い捨て容器の出入口を通過して前記使い捨て容器内に配置されるように構成された前記ＤＯ窓膜を端部に実装しているＤＯ窓本体と、
   前記ＤＯ窓膜を前記ＤＯ窓本体にシーリングして結合するエンドキャップを含む、ＤＯセンサインターフェース。
2. 前記ＤＯ窓本体にシールされ、前記ＤＯセンサを受容するように構成されたセンサアダプタをさらに含む、請求項１記載のＤＯセンサインターフェース。
3. 前記ＤＯ窓本体内に配置されたＤＯセンサをさらに含み、
   前記ＤＯセンサは、前記ＤＯ窓膜に隣接して配置されたＤＯセンサ膜を有し、
   前記ＤＯセンサは、前記使い捨て容器内に、前記使い捨て容器の前記出入口に対して配置された温度感知素子を有している、請求項１記載のＤＯセンサインターフェース。
4. 前記エンドキャップは、スナップ動作を介して前記ＤＯ窓本体に結合するように構成されている、請求項１記載のＤＯセンサインターフェース。
5. 前記エンドキャップは、前記ＤＯ窓本体に溶接される、請求項１記載のＤＯセンサインターフェース。
6. 前記エンドキャップは、前記ＤＯ窓本体に螺合可能に係合するように構成されている、請求項１記載のＤＯセンサインターフェース。
7. 液密シールを生成するために前記エンドキャップと前記ＤＯ窓本体との間に配置されたシールリングをさらに含む、請求項１記載のＤＯセンサインターフェース。
8. ＤＯセンサを受容するように構成されたＤＯ窓本体であって、バイオリアクタ容器フランジを通して延在するように構成された遠位端部分を有するＤＯ窓本体と、
   遠位端部分に配置されたＤＯ窓膜と、
   前記ＤＯ窓膜を前記ＤＯ窓本体にシーリングして結合するエンドキャップを含み、
   前記ＤＯ窓本体の前記遠位端部分は、少なくとも１つの熱交換フィンを含む、ＤＯ窓アセンブリ。
9. 少なくとも１つの熱交換フィンが、前記ＤＯ窓本体の前記遠位端部分を取り囲む環状リングとして形成される、請求項８記載のＤＯセンサ窓アセンブリ。
10. 各々前記遠位端部分を取り囲む環状リングとして形成された複数の熱交換フィンをさらに含み、
    前記複数の熱交換フィンは、前記ＤＯ窓本体の外部表面上で離間されている、請求項８記載のＤＯセンサ窓アセンブリ。
11. 前記ＤＯ窓本体内に配置されたＤＯセンサをさらに含み、
    前記ＤＯセンサは、少なくとも１つの熱交換フィンに近接して配置された温度感知素子を有している、請求項８記載のＤＯセンサ窓アセンブリ。
12. ＤＯセンサを受容するように構成されたＤＯ窓本体であって、バイオリアクタ容器フランジを通して延在するように構成された遠位端を有するＤＯ窓本体と、
    遠位端部分に配置されたＤＯ窓膜と、
    前記ＤＯ窓膜を前記ＤＯ窓本体にシーリングして結合するエンドキャップを含み、
    スライドロックが係合された場合、前記ＤＯ窓本体に対する前記ＤＯセンサの軸方向の移動を抑制するために前記ＤＯセンサに係合するように構成された前記スライドロックと、
    を含む、ＤＯセンサ窓アセンブリ。
13. 前記スライドロックは、前記ＤＯセンサが通過する開口部を含む、請求項１２記載のＤＯセンサ窓アセンブリ。
14. 前記スライドロックは、前記ＤＯセンサが前記ＤＯ窓本体に対して軸方向に回転して移動できる第１の位置と、前記ＤＯ窓本体に対する前記ＤＯセンサの軸方向の回転移動が抑制される第２の位置と、を有する、請求項１３記載のＤＯセンサ窓アセンブリ。
15. 前記スライドロックは、スライドすることによって前記第１の位置と前記第２の位置との間を移動可能である、請求項１４記載のＤＯセンサ窓アセンブリ。
16. 前記スライドロックは、前記ＤＯ窓本体上の一対の軸受台の間をスライドする、請求項１５記載のＤＯセンサ窓アセンブリ。
17. 前記スライドロックは、前記スライドロックのスライド移動を制限するために、軸受台に配置された少なくとも１つのタブと相互作用する少なくとも１つのリッジを含む、請求項１６記載のＤＯセンサ窓アセンブリ。
18. 前記スライドロックは、前記第１の位置と前記第２の位置に対応する移動を示す表面表示を含む、請求項１４～１７のいずれかに記載のＤＯセンサ窓アセンブリ。

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