KR20130101027A - 유체 여과 시스템 - Google Patents

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KR20130101027A
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Abstract

적어도 세 개의 챔버를 각각 가지며, 선택적으로 투과가능한 장벽에 의해 제어되는 챔버들 사이의 유체 흐름, 교번하는 흐름 다이어프램 펌프에 의해 제어되는 흐름을 포함하는 밀폐된 반응기 시스템. 또한, 듀얼 다이어프램 펌프, 다이어프램 펌프-구동 샘플링 매니폴드, 및 변형 모듈 모두는 밀폐된 반응기 시스템뿐만 아니라 다른 시스템과 함께 사용가능하다.

Description

유체 여과 시스템{FLUID FILTRATION SYSTEMS}
본 발명은 여과 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 생물학적 유체 및 제품용 여과 시스템뿐만 아니라 샘플링 매니폴드, 펌프 시스템, 및 이와 같은 시스템에 유용한 변형 모듈에 관한 것이다.
통상적으로, 유체액, 혼합물 또는 부유액을 분리, 정화, 변경, 및/또는 농축시키기 위하여 여과작용이 수행된다. 생물공학 약제 및 의료 산업에서, 약물, 진단, 화학물질뿐만 아니라 이외 많은 제품의 성공적인 제조, 처리 및 분석에 여과작용은 매우 중요하다. 예를 들어, 유체 또는 가스를 멸균하고 복합 부유액을 여과된 "클리어" 분획("clear" fraction) 및 여과되지 않은 분획으로 명확히 하는데 여과작용이 사용될 수 있다; 유사하게, 부유액의 성분은 분산매(suspending medium)를 제거 또는 "여과"함으로써 농축될 수 있다. 또한, 적절한 필터 재료를 선택함에 따라서, 필터 기공 크기 또는 다른 필터 변수들, 이외 다른 많은 특수용 필터는 개발되어 왔다; 이들은 미생물, 혈액의 배양뿐만 아니라 용액, 혼합물, 또는 부유액일 수 있는 다른 유체를 포함하여, 다양한 소스로부터 선택적으로 성분을 분리하는 것을 수반할 수 있다. 세포 및 재조합체 DNA 기술의 향상에 따라서, 많은 새로운 제품들이 개발 중에 있으며, 이들 제품들의 대부분은 너무 복잡해서, 세포 배양 기술을 이용하여 생세포의 복합 합성 기계류에 의해 단지 제조될 수 있다. 고 생산성, 고 세포 농도로 장기간동안 배양조직들을 유지시킴으로써 그리고 추가 처리 및 정화에 더욱 적합한 제품 스트림을 제공함으로써 이와 같은 세포 배양의 생산성을 향상시키기 위하여 여과 작용이 사용될 수 있다.
필터 화학성질, 구성 및 사용 모달리티는 화학적 및 물리적 특성에 따라서 재료 분리를 용이하게 하기 위하여 개발되어 왔다. 광범위한 필터 기술의 개발에도 불구하고, 이들 기술들은 일반적으로 막히는 경향으로 인해 제한되고 있다. 예를 들어 배양된 포유동물 세포의 부유액을 여과하기 위하여 사용될 때, 죽은 세포, 세포 잔해(cell debris), 응집물, 섬유상 생체분자 또는 배양조직의 복합 "수프(soup)"에서 발견된 다른 성분들에 의해 막히는 경향이 있다. 이 점에서, 여과 방법은 여과 효율 및 멤브레인의 수명에 크게 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로 "데드 엔드" 여과로서 알려진 일종의 여과 공정에서, 전체 유체는 멤브레인 면에 수직한 멤브레인을 통과한다. 잔해물이 그 표면에 빠르게 축적되어 멤브레인을 빠르게 봉쇄한다. 전형적으로, "데드 엔드(dead end)" 여과를 이용하는 적용은 소형 샘플을 포함한다. 이 공정은 간단하면서 상대적으로 값싸다. 일반적으로 접선 흐름 여과(또한, TFF로서 공지됨)로서 공지된 또 다른 여과 공정은 데드 엔드 여과에 대한 개선점을 제공한다. TFF에서, 여과될 유체는 펌프에 의해 전형적으로 저장소로부터 필터를 통해서 저장소로 다시 재순환된다. 필터를 통한 유동은 필터의 면과 평행하다. 임의의 잔해물의 축적은 순환 유체의 "워시아웃(washout)" 효과에 의해 효율적으로 제거된다. 그럼에도 불구하고, 이들 제한들 중 하나는 필터면 상에 젤형 침전물을 형성하는 경향이 있는데, 이는 필터의 효용성을 제한하여 결국 필터를 막는다. 교번 접선 흐름 여과로서 공지된 또 다른 공정은 또 다른 여과 모드를 제안한다; 이 공정은 여과 멤브레인 면에 평행한 유동 패턴을 생성한다는 점에서 TFF와 유사하지만, 유동 방향은 필터면을 가로질러 반복적으로 교번되거나 역방향이 된다는 점에서 TFF와 상이하다. 유동 방향의 변경을 복합관, 밸브 및 펌프 경로를 사용하여 설명하면, 배양조직 유동 경로에 이와 같은 구성요소의 배치는 시어(sheer)를 시스템에 부가하고 세포용 사이트를 응집물 및 잠재적인 클로깅 사이트(clogging site)에 제공함으로, 동종의 배양조직을 지속시키는 데 매우 적합한 시스템은 존재하지 않는다. 특허 6,544,424호에 기술된 교번 접선 흐름 여과 시스템은 필터 소자, 통상적으로 중공 섬유 카트리지로 이루어지는데, 이 필터의 일 단부는 여과될 내용물을 함유하는 저장소에 연결되고 타 단부는 필터 소자를 통해서 저장소 및 펌프 사이에 역방향으로 흐르는 여과되지 않는 액체를 수용하여 역방향으로 배출할 수 있는 다이어프램 펌프에 연결된다. 세포 배양 배지(medium)가 높은 세포 농도 및 다른 셀룰러 제품들에 사용될 때 조차도, 이 시스템은 세포 배양 배지를 포함하여 복합 혼합물의 여과 작용을 지속하는 능력을 보여준다. 그러나, 이 시스템의 응용 범위는 제한된다.
단백질, 뉴클레오티드, 대사물질, 및 이외 다른 물질들을 포함하여, 천연 또는 가공될 수 있는 다양한 셀 유도된 생물학적 제제들의 제조를 위하여 동물 세포 배양조직의 사용 빈도가 점진적으로 증가되고 있다. 따라서, 다양한 제조 방법이 사용될 수 있다. 이들 방법은 "간단한" 배치(batch) 내지 연속적인 공정을 사용하는 데 걸쳐 있을 수 있다.
정상적인 배치(batch) 배양 생산 공정에서, 세포는 우선 새 배지(fresh medium)에 접종되며, 그 후, 세포는 빠르게 대수생장기(logarithmic growth phase)로 진입한다. 세포가 이 배지에서 영양분을 소모하기 때문에, 폐기물이 축적되며, 이로 인해, 세포가 셀룰러 부패 페이스(cellular decay phase)보다 앞서 고속 생장으로부터 정지 생장으로 전이한다. 각 경우에 배치 배양액 제조를 최적화하기 위한 다양한 방법이 개발되었지만, 이들 공정은 고속 생장 및 부패 사이클을 겪는다. 또 다른 배양 공정은 일반적으로 관류(perfusion)로서 공지된 공정을 연속적으로 이용하여 배양조직을 유지하는 것을 포함한다. 관류 배양에서, 세포로부터 발생된 폐기물은 세포 유지 동안 배양액으로부터 연속적으로 제거된다. 제거된 폐기물 배지는 새 배지로 보충된다. 그러므로, 이 방법에 따르면, 세포 농도 및 생산성이 유지되는 평형 상태를 성취할 수 있다. 전형적으로, 약 1 내지 2 배양조직 체적은 날마다 교환되고 관류에서 성취되는 세포 농도는 전형적으로 배치 배양의 최고조에서 성취되는 것보다 2배 내지 10배 이상이다. 그러나, 관류 공정의 큰 이점에도 불구하고, 이의 수용은 저속이다. 이 저속 수용의 한가지 이유는 대부분의 제품이 "T" 플라스크와 같은 배치 배양 시스템에서 작은 크기로 제조된다는 점에서 불가피한 것일 수 있다. 더 많은 물질이 필요로 되면, 이는 일반적으로 "T" 플라스크의 수 및 크기를 증가시키거나 배양조직을 회전병(roller bottles) 또는 스피너 플라스크로 전달함으로써 제조되는데, 이들 둘 다는 전형적으로 본래 배치 배양이다. 배양조직이 바이오리액터에 정합될 때까지, 이 공정은 배양조직을 사전에 취급함으로써 크게 바이어스되어왔다. 그러므로, 연구 개발 수준에 맞춰서, 더욱 작은 크기로 할 수 있는 폐기처분가능한 관류 시스템을 생성하는 것이 바람직하다. 세포가 생장하여 고정된 면에 부착 또는 가두게 되는 중공의 섬유 바이오리액터 또는 다른 고체 베드 바이오리액터의 문제를 다루기 위한 시도들은 부분적으로만 유효하며, 이들의 고유 이종성 및 세포로의 비접근성은 연구 툴로서의 유용성을 제한한다. 연속적인 관류에서 동종의 배양액을 유지하면서 용이하게 크기가 축소되는 시스템을 생성하여, 배양액의 어떤 부분을 샘플링하며, 변경하거나 감시하는 전체 배양조직에서 상태를 반영하는 것이 바람직하다. 연구원은 세포, 분석 또는 원하는 제품에 필요로 되는 연속적인 배양액을 조사하여 연속적인 정상 상태 배양조직에서 세포의 행동을 연구할 수 있다. 연구원은 배양조직 응답을 관찰하는 것보다 앞서 배양조직에 대해 근본적인 변경을 행할 수 있다. 또한, 제품을 생성하기 위한 수단을 제공하는 것에 더하여, 이와 같은 연속적인 배양조직은 매우 효율적인 연구 및 개발 툴을 제공할 수 있다. 본 발명은 조종(manipulation), 샘플링 및 분석될 수 있는 동종의 배양조직을 유지하는 관류 바이오리액터 시스템을 제공함으로써 이 문제를 해결한다. 본 시스템은 사용 준비가 용이하고 손쉽게 폐기처분될 수 있는 간편한 멸균 형태로 제공될 수 있다.
최근 새로운 재료, 제조 방법 및 요건의 발달에 따라서, 폐기처분가능한 장비의 구성 및 사용이 점진적으로 용인되고 있다. 세포 배양 바이오리액터 및 저장 용기로서 폐기처분가능한 백(bag)이 더욱 일반적으로 사용되고 있다. 이와 같은 폐기처분가능한 용기는 최소한의 조작으로 "설정(set-up)"될 수 있고 사용자에 의해 세정 또는 멸균될 필요가 없다. 이들 폐기처분가능한 백은 세정, 멸균 및 사용할 준비가 된 형태로 공급되어 비용을 크게 절약하고 사용자에 의한 조작을 감소시킨다; 게다가, 이들 폐기처분가능한 백의 사용이 끝나면, 백은 분해 또는 세정됨이 없이 손쉽게 폐기처분될 수 있다. 이 백은 본래 부숴지기 쉽고, 크기가 제한된다는 단점이 있다. 그러나, 대형 폐기처분가능한 백의 구성에서 상당한 진척을 이루어왔다. 이 백의 또 다른 단점은 배양조직을 교반하거나 혼합하는 성능이 제한된다는 것이다. 혼합의 크기가 선형적으로 증가함에 따라서 백 크기를 이에 맞춰서 증가시키는 것은 어렵다. 백 체적이 정육면체로 증가되지만, 배양조직의 두부 간격(culture head space)의 표면적은 정사각형으로 증가된다. 산소 전달은 생장 및 세포 생산성에 따라서 제한되고 있다. pH, 산소 또는 이외 다른 프로브, 배양조직의 재생성에 크게 영향을 미치고 성취 가능한 세포 농도 및 생산성을 제한할 수 있는 인자로 배양조직의 상태를 감시하는데 제한이 있다. 일부 백 제조자들은 임펠러를 백에 통합시키고 또한 백 내의 배양 조직을 샘플링, 감시, 및 변경시키는 수단을 개발하여 교반 문제를 해결하는데 상당한 진척을 이루어 왔다. 그러나, 이들 개발에도 불구하고, 이들 백은 배치 또는 유가식(feed batch)으로 세포를 생장시키는데 사용된다.
그러므로, 폐기처분가능한 백 또는 유사한 시스템의 생산성을 향상시키고 이들 단점들 중 일부를 완화시키는 장치를 통합하는 것이 바람직하다. 이와 같은 장치의 일부 바람직한 특징은 다음 특징:
(i) 폐기처분가능한 백 내에서 배양조직의 혼합을 용이하게 하는 능력,(ii) 연속적인 관류 모드로 세포를 유지하고 배양조직을 지속하는 능력,(iii) 공정 멸균성을 유지시키면서, 최소 붕괴를 갖는 중간 공정에서 이 공정으로 대체될 수 있도록 외부에서 사용될 용량(capacity)을 포함하는 능력,(iv) 실제로 완전히 또는 부분적으로 폐기처분되는 능력
을 포함할 수 있다. 이 장치가 미국 특허 6,544,424호에 설명된 구성 재료 및 조립 방법에 제한되지 않기 때문에, 이 요건뿐만 아니라 폐기처분가능한 시스템에 관한 내용을 포함하는 미국 특허 6,544,424호에 설명된 교번 접선 흐름 여과 시스템을 고려할 수 있다; 그러나, 미국 특허 6,544,424호에 설명된 시스템은 완전한 배양 시스템으로서 사용될 수 있는 시스템, 예를 들어 배양 용기 및 관류 장치를 단일 장치로 통합 또는 결합시키는 시스템으로서 사용될 수 있는 시스템을 설명하지 않는다. 서술되는 바와 같이, 본 발명은 연속적인 배양 수단을 제공하는 것 이외에, 완전히 폐기처분될 수 있고 또한 다른 이점들 및 용도를 제공하는 장치와 같이 사용될 수 있다.
교번 접선 흐름 공정에는 근본적으로 멤브레인 표면에 평행(축방향 유동) 및 수직(트랜스 멤브레인 흐름)한 가변하는 압력 기울기 및 흐름이 존재한다. "압력 사이클(pressure cycle)" 동안, 펌프의 압력은 농축물 저장소의 압력보다 크다. 농축물은 다이어프램 펌프로부터 전방으로 흐르는데, 즉 필터 소자를 통해서 농축물 저장소를 향하여 흐른다. 또한, 액체의 일부는 필터 멤브레인을 가로질러 여과물 격실(filtrate compartment)로 강제로 흐른다. 그러므로, 밀폐된 여과물 격실로 인해, 여과물의 유입이 여과물 격실을 가압할 수 있다. 반대로, 교번 접선 흐름 여과 처리의 "배출 사이클" 동안, 펌프의 압력은 농축물 저장소의 압력보다 작아, 액체가 역방향, 즉 저장소로부터 펌프로 흐른다. 게다가, 배출 사이클 동안, 저장소 압력 사이클 동안 가압되는 여과물 격실 유체는 또한 역방향으로, 즉 여과물 격실로부터 농축물 격실로 흐를 것이다. 역흐름은 멤브레인을 유지하고 클로깅을 금지하는 백 플러시 성분(back flush component)을 생산한다. 이 효과는 또한 중공 섬유 또는 루멘측(lumen side) 내부에서 축방향 흐름에 대한 저항이 중공 섬유의 외피 및 외측에서 보다 클 때 형성되는 또 다른 종류의 트랜스멤브레인 흐름에 의해 더욱 향상된다. 그러므로, 상술된 바와 같이, 압력 사이클 동안 중공 섬유의 입구로 강제로 흐르는 가압된 유체는 최소 저항 경로를 취하거나, 이 저항에 비례하여, 유체는 루멘을 통해서뿐만 아니라 부분적으로 멤브레인을 가로질러 여과물 또는 외피측으로 흐를 것이다. 축방향 압력 기울기는 필터의 배출단을 향하여 유체를 흐르게 하는 필터의 양측상에 형성된다. 중공 섬유의 배출단을 향하여, 루멘 압력은 최소로 감소된다. 외피측에 대한 루멘 내부의 압력 강하로 인해 여과물은 농축물 저장소로 가는 중에 루멘 또는 농축물 스트림으로 재진입된다. 여과물 측으로부터 농축물 측으로의 흐름은 부가적인 백 플러싱을 제공한다. 이와 같은 흐름이 또한 배출 사이클 동안 그러나 역방향으로 관찰되는 것이 명백하다. 따라서, 이 공정은 필터 소자의 양측에서 백 플러싱 용량을 제공한다. 따라서, 서술된 흐름은 농축물 및 여과물 측 사이에서 유체를 교환시키기 위한 큰 용량을 제공하는 것이 명백하다. 이와 같은 교환은 유체를 처리하는데 큰 이점을 가질 수 있다.
본 발명의 목적은 특정 시스템이 되는 방식으로 시스템의 구성을 변경함으로써 멤브레인을 가로질러 유체를 교환시키기 위한 교번 접선 흐름 여과 시스템의 용량을 사용하고 기존 장치, 엄밀하게 말하면 이전에 사용되는 여과 장치를 뛰어넘어 더욱 개선시키기 위한 것이다.
도시된 바와 같이, 교번 접선 흐름 여과 공정을 특정하게 구분함으로써, 혈액 처리를 크게 개선시키며, 시스템을 폐기처분가능한 관류 바이오리액터로 변환시키며, 특정한 생물학적 및 화학적 반응을 용이하게 하거나, 생물학적 또는 다른 유체로부터 어떤 성분의 정화 또는 분리를 위하여 사용되는 시스템을 제조할 수 있다. 다른 공정들 및 용도들 역시 가능함은 명백해 질 것이다.
밀폐된 여과 시스템은 2개의 챔버로 구성되는 필터 소자가 반응기 챔버라 지칭되는 챔버로 둘러싸인 시스템임으로, 반응기 챔버 및 하나 또는 두 개의 필터 소자 챔버는 포트를 통해서 시스템 외부에서 접근가능하다. 필터 소자는 바람직하게는 내부 중공 섬유 멤브레인이 반투과성이고, 카트리지 외벽은 반-투과성이거나 완전 투과성인 중공 섬유 필터 카트리지이다. 일 실시예에서, 이는 중간 크기 분자 또는 착물이 여과물 챔버에 수집되도록 하고 심지어 보다 작은 분자 또는 착물이 반응 챔버에 수집되도록 한다. 유체 흐름은 교번 흐름 펌프에 의해 제어된다.
밀폐된 바이오리액터 시스템은 3가지 유형의 챔버: 여과 농축물 챔버, 여과 농축물 챔버를 근본적으로 둘러싸지만 이들의 입구 또는 출구단을 차단하지 않는 여과물 챔버, 및 여과물 챔버를 근본적으로 둘러싸지만 또한 농축물 챔버의 입구 또는 출구를 차단하지 않는 처리 챔버를 포함한다. 이 처리 챔버는 여과 농축물 챔버의 입구를 빠져나오는 유체를 캡쳐링하는 둘러싸인 공간을 제공한다. 처리 챔버로부터의 유체가 이 챔버 외부로부터 접근될 수 있는 유일한 방법은 처리 챔버 벽 내의 하나 이상의 포트를 통해서 이다. 여과물 챔버 및 여과 농축물 챔버는 여과 농축물 챔버의 반투과성 멤브레인에 의해 분리되는데, 이는 보다 작은 분자(멤브레인의 기공을 통과하는데 충분히 작은 분자)가 여과 농축물 챔버 및 처리 챔버로부터 여과물 챔버로 이동시키며, 이 챔버로부터 분자들은 시스템으로부터 채집된다. 교번 흐름 펌프는 여과 농축물 챔버를 통해서 교번 방향으로 유체를 저장 챔버로부터 앞뒤로 흐르게 한다.
본 발명의 매니폴드는 바이오리액터, 발효기, 또는 이외 다른 일부 처리 용기와 같은 유체원에 연결될 수 있으며, 이 유체원으로부터 유체를 도출하며, 이 유체의 대부분 또는 모두를 유체원으로 반환하는 장치이다. 여기서 유체원과 매니폴드 사이의 유체 흐름 방향은 교번 흐름 펌프에 의해 제어되며, 매니폴드는 유체 부분표본(fluid aliquots)이 샘플링 또는 다른 목적을 위하여 제거되거나 유체원으로 전달되기 위하여 추가되는 포트를 더 포함한다. 선택적으로, 테스트용 유체의 저분자량 물질을 선택할 수 있는 필터 소자는 매니폴드의 일부분이며, 게다가, 매니폴드는 장치 내에서 흐르는 유체를 감시하도록 센서들을 부가할 수 있는 포트를 더 포함하며; 선택적으로, 센서가 부착된 유사 포트가 필터 소자 내에서 여과물을 검침하기 위하여 매니폴드에 부가될 수 있다.
본 발명의 듀얼 펌프 시스템은 직렬로 연결된 2개의 펌프를 포함하는데, 이들 중 적어도 하나(제1 펌프)는 교번 흐름 다이어프램 펌프이다. 제1 펌프는 펌프 챔버들 중 하나를 통해서 바이오리액터의 챔버에 연결될 수 있다. 이 펌프는 다른 챔버를 통해서 이 시스템의 제2 펌프의 제1 챔버에 연결된다. 제2 펌프는 또한 교번 흐름 다이어프램 펌프이거나 교번 흐름 기계적 펌프일 수 있다. 제2 펌프는 제1 펌프로 전달되는 정압력 및 부압력을 교번적으로 생성하는 일반적으로 전동력 하에서 압력 제어 메커니즘에 연결될 수 있고 제1 펌프를 통해서 밀폐된 여과 시스템 또는 밀폐된 바이오리액터 시스템의 챔버와 같은 바이오리액터 챔버에 연결될 수 있다. 프록시미티(proximity), 기계적, 전자적, 광학적, 위치 또는 다른 장치들과 같은 센서들은 바람직하게는 제2 펌프에서 다이어프램의 위치를 나타내는 방식으로 제2 펌프와 통합될 수 있다. 두 개의 펌프 사이의 비탄성적 결합을 사용함에 따라서, 제1 펌프의 다이어프램의 모션은 제2 펌프의 다이어프램의 모션에 대응할 것이다.
본 발명의 변형 모듈(modifier module)은 시스템 내 성분들 중 일부(또는 적어도 공통적으로, 전부)를 변경하기 위한 여과 및 바이오리액터 시스템 내부에서 사용되도록 설계된 모듈이다. 바람직하게는 원주형의 모듈은 개질제의 스캐폴드 및 파퓰레이션(scaffold and population)을 포함하며, 이 개질제 파퓰레이션은 동종(모든 에이전트가 동일) 또는 이종(모든 에이전트가 동일하지 않음) 중 하나이다. 개질제의 예는 항체 또는 효소이다. 개질제 파퓰레이션은 반드시 스캐폴드로 될 수 있다. 개질제 파퓰레이션이 반드시 스캐폴드가 되지 않는 경우에, 모듈은 스캐폴드를 부분적으로 또는 완전히 둘러싸는 멤브레인이 스캐폴드 및 멤브레인 사이에 격실을 생성하도록 하며, 개질제 파퓰레이션이 바람직하게는 스캐폴드에 대해서 적층되는 이 격실 내에 유지되는 동안, 반응기 또는 처리 챔버로부터 성분이 개질제(들)와 상호작용하도록 멤브레인을 가로질러 한 방향 또는 양방향으로 통과할 수 있도록, 반투과성 또는 완전 투과성 멤브레인을 더 포함한다.
도 1a는 본 발명의 밀폐된 여과 시스템의 일 실시예의 단면도로서, 이 시스템은 커넥터 라인에 의해 이 단면도에 또한 도시된 저장 용기에 연결되고, 커넥터 라인에 의해 압축 공기 제어기에 연결된다.
도 1b는 도 1a의 밀폐된 여과 시스템의 확대 단면도이다.
도 1c는 도 1b의 선 1c-1c를 따라서 취한 도 1b의 밀폐된 여과 시스템의 필터 소자 및 필터 소자 어댑터의 단면도이다.
도 1d는 도 1b의 선 1d-1d를 따라서 취한 도 1b의 밀폐된 여과 시스템의 필터 소자의 단면도이다.
도 1e는 도 1b의 선 1e-1e를 따라서 취한 도 1b의 밀폐된 여과 시스템의 단면도이다.
도 1f는 도 1b에 도시된 시스템의 일부의 확대 단면도이다.
도 1g는 도 1b의 밀폐된 여과 시스템의 평면도이다.
도 1h는 도 1a의 밀폐된 바이오리액터 시스템의 부분 단면도이다. 이 도면은 도 1a와 비교하면 이 시스템의 일부를 확대한 것이다.
도 1i는 본 발명의 밀폐된 여과 시스템의 일 실시예의 단면도로서, 어댑터가 제2 커넥터 라인에 연결되고 펌프 챔버로부터 유체 복원하기 위한 도관이 존재한다.
도 2는 본 발명의 밀폐된 여과 시스템의 일 실시예의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 밀폐된 여과 시스템의 일 실시예의 단면도이다.
도 3a는 두 개의 펌프가 다이어프램 펌프인 듀얼 펌프 시스템과 함께 사용되는 밀폐된 여과 시스템의 일 예의 단면도이다.
도 3b는 듀얼 펌프 시스템과 함께 사용되는 밀폐된 여과 시스템의 일 예의 단면도로서, 이 두 개의 펌프는 연동 펌프에 의해 제어되는 커넥터 라인에 의해 연결되는 다이어프램 펌프이다.
도 3c는 듀얼 펌프 시스템에서 사용가능한 펌프의 일 예를 도시한 부분적인 단면도 및 부분적인 사시도이다. 이 펌프는 모터 구동축에 연결되는 캠 메커니즘에 의해 구동되는 피스톤 펌프이다.
도 3d는 도 3c의 펌프를 도시하지만, 서로 다른 위치의 캠 및 결합된 피스톤을 도시한다.
도 3e는 듀얼 펌프 시스템에서 사용가능한 펌프의 일 예를 도시한 부분적인 단면도 및 부분적인 사시도이다. 이 펌프는 가역 스크류 메커니즘에 의해 구동되는 피스톤 펌프이다.
도 3f는 도 3e의 펌프를 도시하지만, 서로 다른 위치의 캠 및 결합된 피스톤 메커니즘을 도시한다.
도 4a는 본 발명의 밀폐된 바이오리액터 시스템의 단면도이다. 이 시스템의 반응 챔버는 하베스트 라인에 연결된다.
도 4b는 도 4a에 도시된 시스템의 확대 단면도이다.
도 4c는 도 4a에 도시된 시스템의 일부의 확대 단면도이다.
도 4d는 퍼핏 밸브에 대응하는 부가된 특징을 갖는 도 4의 시스템의 일부의 단면도이다.
도 4e는 도 4d의 시스템의 평면도이다.
도 4f는 저장 챔버가 수평으로 배치된 본 발명의 밀폐된 바이오리액터 시스템의 부분 단면도이다.
도 4g는 펌프가 상부 위치에 있고 필터 소자가 펌프 하부에 배치된 본 발명의 밀폐된 바이오리액터 시스템의 일부 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 매니폴드 샘플링 시스템의 일 실시예를 도시한 부분 단면도이다.
도 5b는 본 발명의 매니폴드 샘플링 시스템의 일 실시예를 도시한 부분 단면도이다.
도 6a는 반응 챔버가 반응 챔버에서의 유체 조성을 변경할 수 있는 변형 모듈을 포함하는 본 발명의 유체 여과 시스템의 단면도이다.
도 6b는 저장 케이스에서 변형 모듈의 단면도이다.
도 6c는 저장 케이스에서 변형 모듈의 단면도이다.
도 6d는 변형 모듈의 단면도이다.
도 7은 다이어프램 펌프가 분리가능하게 밀폐되는 밀폐된 여과 시스템의 단면도이다.
상세한 설명의 내용에 관한 테이블:
밀폐된 필터 시스템 및 공정의 상세한 설명이 개시된다.
밀폐된 바이오리액터 시스템 및 공정의 상세한 설명이 개시된다.
매니폴드 시스템 및 공정의 상세한 설명이 개시된다.
듀얼 펌프 시스템의 상세한 설명이 개시된다.
변형 모듈 시스템의 상세한 설명이 개시된다.
용어
본 발명의 반응기 시스템에 의해 처리되는 "유체(fluid)"는 통상적으로 부유 입자상 물질(예를 들어, 세포, 세포 파편, 불용성 분자 착물, 입자, 또는 가용성 분자)을 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 수용액이다. 이 유체는, 유체에서 용해되는 분자를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
"선택적으로 투과가능한 장벽(selectively permeable barrier)"(또는 선택적으로 투과가능한 벽)은 모든 입자상 물질이 통과하도록 하지는 않을 것이며 및/또는 모든 용해된 물질이 통과하도록 하지는 않을 것이다.
통상적으로, "선택적으로 투과가능한 장벽"은 중공 섬유 필터 카트리지의 일부인 중공 섬유의 벽에 대한 기술어로서 본원에서 사용된다.
"선택적인 장벽"은 선택적으로 투과가능한 장벽에 대하여 본원에 사용되는 또 다른 용어이다. 통상적으로, "선택적인 장벽"은 중공-섬유 필터 카트리지의 외벽에 대한 기술어로서 본원에서 사용된다.
완전-투과가능한 장벽(또는 벽)은 장벽의 하나 이상의 개구부에서 유체가 입자상이나 용해되는 임의의 유체 성분의 경로를 차단함이 없이 통과하도록 하는 것이다.
완전 저항성 장벽은 어떠한 유체도 통과하지 못하도록 한다. 유체가 장벽의 일측에서 타측으로 이동하도록 하기 위하여, 개방 위치에서 하베스트 포트(harvest port)와 같은 개구부가 장벽에서 생성되어야만 한다.
밀폐된 바이오리액터 시스템에서, 중공 섬유 필터 카트리지의 외벽(즉, 여과물 챔버의 외벽)은 선택적으로 투과가능하거나, 완전히 투과가능하거나, 또는 완전히 저항성일 수 있다. 보통, 중공 섬유 카트리지는 완전히 저항성이다.
밀폐된 여과 시스템 및 공정
밀폐된 여과 시스템(및 후술되는 밀폐된 바이오리액터 시스템)은 농축물 챔버 및 여과물 챔버를 사용한다. 이를 달성하는 가장 간편한 방식은 중공 섬유 필터를 사용하는 것이다. 이와 같은 필터는 카트리지의 길이를 따라서 평행하게 진행하고 카트리지(바람직하게는 포팅재(potting agent)로)의 각 단부에 내장된 다수의 중공 섬유(hollow fiber: HF)를 포함하는 카트리지로서 이루어지며; HFs의 단부에서 루멘은 개방된 채 유지되고, 따라서 카트리지의 일 단부로부터 타 단부로, 즉 카트리지 입구단으로부터 카트리지 출구단으로 각 루멘을 통해서 연속적인 경로를 형성한다. 중공 섬유는 카트리지의 외벽(즉, 카트리지 벽) 및 이들 단부에서의 포팅층(potting layer)에 의해 둘러싸인다. 따라서, 카트리지 벽 및 HFs의 벽에 의해 한정된 챔버가 존재한다. 이 챔버는 여과물 챔버로서 사용될 수 있다. HFs의 인트라루미나(intraluminar)(내부) 공간은 총괄적으로 본 시스템 각각에서 농축물 챔버의 구성부로 간주된다.
농축물 챔버는 카트리지의 각 단부에 장착되는 어댑터에 의해 HFs의 내부 공간을 넘어서 연장된다. 카트리지의 단부와 결합되는 각 어댑터는 농축물 챔버의 일부인 공간을 형성한다. 섬유를 통한 유체 흐름의 방향에 따라서, 이 공간은 (1) 섬유를 배출할 때 유체를 수집하거나 (2) 외부원으로부터 도달하는 유체가 HF 개방 단부와 인터페이스하도록 하고, 경로가 카트리지의 타단부를 향하여 이어지도록 하기 위하여 이 HFs 사이에 유체 자체를 분배시키도록 작용한다. 각 어댑터는 2개의 단부를 구비할 것이고, 일 단부는 카트리지에 장착되고, 타단부는 용기 또는 펌프에 연결가능한 개구부가 구비된다. 통상적으로, 용기는 유체 흐름을 허용하는 라인에 의해 어댑터에 연결되지만, 원한다면, 용기는 어댑터에 직접 연결될 수 있거나 어댑터는 용기 일부 또는 전체 내용물이 어댑터 내에 포함될 수 있는 용기의 일부를 형성할 수 있다. 통상적으로, 어댑터는 펌프에 직접 연결되지만, 원한다면, 펌프는 유체 흐름을 허용하는 라인을 통해서 펌프에 연결될 수 있다.
커넥터 라인이 어댑터에 부가될 때, 농축물 챔버는 또한 이 커넥터 라인 내부 공간을 포함하도록 연장된다.
커넥터 라인이 일 단부에서 어댑터에 연결되고 타단부에서 용기(예를 들어, 생장 배지에서 부유되는 세포들을 포함하는 것)에 연결될 때, 용기의 내부가 농축물 챔버의 추가 연장이 되는 것으로 고려될 수 있지만, 본원에서 기술과 설명을 위하여, 용기와 농축물 챔버는 별도의 개체로 지칭된다.
중공 섬유 필터의 루멘의 벽은 투과가능하고, 간단히 완전히 투과가능하거나 선택적으로 투과가능한 장벽을 제공한다. 선택적으로 투과가능한 중공 섬유 벽은 멤브레인 기공 크기의 전체 범위 내에 있는 선택 범위 내에 있을 수 있는데, 통상적으로 삼투성 멤브레인, 한외여과(ultrafiltration), 정밀여과(microfiltration), 내지 거대여과(macrofiltration)로 분류되는데, 여기서 예를 들면, 한외여과 범위는 약 10 내지 약 500kDa 범위의 분자량 컷-오프(cut-off)를 포함할 수 있다. 0.2 미크론의 기공 크기는 통상적으로 세포를 보유하는데 유용하지만, 대사산물, 다른 분자 또는 분자 착물이 기공을 통과하도록 한다. 10kDA 내지 500kDa 범위 내의 기공 크기는 세포뿐만 아니라 이 기공 크기보다 큰 분자 및 분자 착물을 보유하는 데 바람직하다.
필터 카트리지의 외벽은 종종 비-투과성이고, 통상적으로 여과물이 배출 및/또는 대체될 수 있는 포트를 갖는다. 그러나, 밀폐된 여과 시스템을 위하여, 필터 카트리지는 비선택적(완전 투과가능한)일 수 있지만 바람직하게는 반투과성(장벽의 기공보다 큰 용해된 물질(예를 들어, 분자 및 분자 착물)이 장벽을 통과하지 못하도록 하고 기공 크기보다 큰 입자상 물질이 장벽을 통과하지 못하도록 함)일 수 있는 장벽을 구성하는 외벽을 포함한다. 10kDA 내지 500kDa 범위 내의 기공 크기는 이 기공 크기보다 큰 분자 및 분자 착물만을 보유하는 데 바람직하다. 그러나, 기공 크기는 충분히 작거나 충분히 크게 이루어져, 장벽이 매우 저항성으로 됨으로써, 작은 염 및 이들의 성분만이 통과하도록 하거나, 500kDa보다 큰 분자 또는 입자가 멤브레인을 통과하도록 한다. 이와 같은 멤브레인 선택은 기공 크기뿐만 아니라 전하, 소수성 멤브레인 구성, 멤브레인 표면, 기공 극성 등을 포함하는 다른 멤브레인 특성에서 제한된다.
일반적인 양상으로, 밀폐된 여과 시스템은,
1) 농축물 챔버, 상기 농축물 챔버는 입구단에서 입구 및 출구단에서 출구를 포함하며, 상기 농축물 챔버는 농축물 챔버 벽을 포함하고, 상기 벽의 적어도 일부는 반투과성인, 농축물 챔버;
2) 여과물 챔버(예를 들어, 중공 섬유 외부인 중공 섬유 필터 카트리지 내부의 일부), 상기 여과물 챔버는 적어도 부분적으로 상기 농축물 챔버를 둘러싸며, 상기 여과물 챔버는 필터 챔버 내벽 및 필터 챔버 외벽을 포함하며, 여기서, 필터 챔버 내벽의 적어도 일부는 농축물 챔버 벽의 반투과성 부분에 대응하며; 상기 필터 챔버 외벽은 여과물 챔버 외부 장벽(가능하면 완전 투과성이지만 바람직하게는 반투과성)을 포함하는, 여과물 챔버;
3) 교번 흐름 펌프, 상기 펌프는 농축물 챔버 출구의 주변에 연결되어 펌프로부터의 유체가 농축물 챔버에 유입되도록 하고, 농축물 챔버로부터의 유체가 펌프내로 흐르도록 하며; 상기 펌프는 외벽, 다이어프램, 및 이 다이어프램에 의해 분리되는 2개의 챔버를 포함하는, 교번 흐름 펌프;
4) 반응 챔버, 상기 반응 챔버는 농축물 챔버 입구로 그리고 밖으로의 유체 흐름을 차단하지 않는 밀봉 방식으로 여과물 챔버 및 농축물 챔버 모두를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배치되며, 상기 반응 챔버는 반응 챔버 내벽 및 반응 챔버 외벽을 포함하며, 상기 반응 챔버 내벽은 여과물 챔버 외부 장벽을 포함하며, 상기 반응 챔버 외벽은 농축물 챔버의 외부 또는 여과물 챔버의 외부에 밀봉되고, 상기 반응 챔버 외벽은 선택적으로 교번 펌프 외벽에 밀봉되는, 반응 챔버;
5) 하베스트 포트, 상기 하베스트 포트는 반응 챔버 외벽에 부착되어 유체가 반응 챔버로부터 배출되거나 반응 챔버로 유입되도록 하는, 하베스트 포트
를 포함하는 시스템이다.
상술된 바와 같이, 하나 이상의 포트를 통해서 여과물 저장소에 접근하여 여과물을 제거하거나 여과물 챔버의 여과물에 첨가할 수 있다.
"밀봉(sealed)", "밀봉가능하게(sealingly)" 등의 용어는 두 개의 챔버 또는 다른 시스템 구성들의 연결부 또는 접합부는 유체가 이 연결부 또는 접합부를 통해서 누출되지 않도록 한다는 것으로 지칭된다.
전술한 밀폐된 여과 시스템 및 여과물 저장소가 존재하는 이하의 변경은 도면 및 이하 도면의 상세한 설명에서 예시된다.
"여과물 저장 시스템(filtrate reservoir system)"이라 지칭되는 양상에서, 밀폐된 여과 시스템은 여과물 챔버에 연결된 여과물 저장소를 더 포함할 수 있고, 따라서 이 저장소와 여과물 챔버 사이의 직접적인 유체 흐름이 허용되도록 한다. 본원에서, 반응 챔버 외벽은 여과물 챔버 외부에 밀봉되지만, 저장소 내로 개방되는 여과물 챔버의 부분을 둘러싸지 않는다. 저장소는 저장소 내로 개방되는 여과물 챔버의 부분을 둘러싼다. 이 저장소는 반응 챔버로부터 분리됨으로써, 저장소와 반응 챔버 사이의 직접적인 유체 교환은 이루어지지 않는다. 반응 챔버(제1 세트 포트(들))에 연결된 하베스트/부가 포트(들) 이외에도, 시스템은 여과물 저장소 외부로 연장되고, 또 여과물 저장소에 연결되는 제2 세트 포트(들)를 포함한다.
여과물 챔버 외부 장벽의 기공의 크기는 시스템의 의도된 용도에 따라서 가변될 수 있다.
밀폐된 여과 시스템 및 여과물 저장 시스템 둘 다에서, 제2 하베스트 포트가 존재할 수 있는데, 이 포트는 여과물 챔버 또는 저장 챔버에 부착되어 유체가 여과물 챔버 또는 저장 챔버로부터 배출되거나 여과물 챔버 또는 저장 챔버로 유입되도록 한다.
다이어프램 펌프는 2개의 펌프 챔버 및 이들 사이에 다이어프램을 포함한다. 하나의 펌프 챔버는 농축물 챔버에 연결되어, 농축물 챔버를 통한 유체 흐름 방향이 펌프에 의해 한정되고 제어되도록 할 수 있다. 다른 한 펌프 챔버, 즉 구동 챔버는 정압 및 부압의 소스에 교번적으로 연결된다.
밀폐된 여과 시스템 및 여과물 저장 시스템에 대하여, 챔버 및 압력 제어기 사이의 연결부로서, (도관) 커넥터 라인은 통상적으로 다이어프램 펌프 외부에 연결된 챔버, 또는 구동 챔버에 연결될 것이다.
밀폐된 여과 시스템 및 여과물 저장 시스템에 대해서, 커넥터 라인은 통상적으로 농축물 챔버 포트에 연결될 것이다. 밀폐된 여과 시스템 및 여과물 저장 시스템에 대하여, 이 라인은 외부 바이오리액터, 용기, 또는 다른 농축물 보관함에 대한 연결부로서 작용할 것이다.
밀폐된 여과 시스템 및 여과물 저장 시스템에 대하여, 부가적인 커넥터 라인 및/또는 하베스트 라인은 필요에 따라서 사용된다. 전부는 아니지만 대부분의 이와 같은 가능성이 본원에서 예로 도시된다.
게다가, 밀폐된 여과 시스템 및 여과물 저장 시스템은 프로브, 기구, 또는 장치의 삽입을 위하여 및/또는 물질의 첨가 및 제거를 위하여 농축물, 여과물 및/또는 반응기 격실에 추가 포트를 더 포함한다.
교번 접선 흐름 여과 시스템과 같이, 밀폐된 여과 시스템 및 여과물 저장 시스템은 전체 필터를 통해서 균일한 흐름을 제공한다. 또한, 교번 접선 흐름 여과 시스템과 같이, 본 발명의 밀폐된 반응기 시스템은 다양한 필터 타입으로 사용될 수 있다.
여과물 챔버 및 농축물 챔버를 결합한 장치는 본원에서 "필터 소자(flter element)"라 지칭된다. 사용될 수 있는 하나의 필터 소자는 그 사용이 본원에서 광범위하게 기술되는 중공 섬유(HF) 필터이다. 이들은 다양한 크기, 구성, 재료, 기공 크기, 다공성 및 하우징으로 이용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 시스템은 중공 섬유 필터를 사용할 필요는 없다. 다른 별개의 장치들을 사용할 수 있다. 그러한 장치 하나가 "플레이트 및 프레임(plate and frame)" 필터일 수 있다. 또 다른 장치는 분리 멤브레인과 같은 스크린 메시로 구성되는 스크린 모듈이다.
반응 챔버는 다양한 기능으로 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 영구적인 또는 일시적인 스토리지 저장소(storage reservoir)로서 사용될 수 있다. 이것이 주 처리로 반환되기 전에 또는 하베스트로 반환되기 전에 내용물이 다양한 변경 또는 처리되는 것이 가능하게 한다.
본 발명의 밀폐된 여과물 반응기 시스템(및 후술되는 밀폐된 바이오리액터 시스템)은 신장 투석, 혈액 처리, 물 정화 농도, 유체 교환, 또는 다른 각종 여과 응용을 포함하지만 이에 제한되지 않는 추가 응용에 사용될 수 있다. 설명을 위하여, 일 상황으로 신장 투석의 경우에, 환자의 순환기 시스템은 농축물 챔버에 연결될 수 있다. 반응 챔버 및/또는 여과물 챔버는 투석 공정을 용이하게 하는데 바람직한 농도 또는 체적에서 특정 유체 성분(전해질, 생물학적으로 활성화 성분, 흡착제 및 기타)의 소스이다. 교번 접선 흐름 공정 중 고유한 "측방향(lateral)" 흐름으로 인해, 챔버들 사이의 플럭스(fluxes)는 격실 사이의 고속 평형을 용이하게 한다. 농축물 챔버 및 여과물 챔버 사이의 선택적으로 투과가능한 장벽은 하나의 저항 장벽을 제공할 수 있다. 선택적으로, 여과물 챔버 및 반응 챔버 사이의 선택적인 장벽은 제2 저항 장벽을 제공하고, 따라서 격실 사이의 선택 및 고속 평형을 조합하면, 순환에서의 원치 않거나 독성의 부산물, 즉 농축물 챔버로부터 여과물 챔버 및/또는 반응 챔버 내로 통과하는데 충분히 작은 부산물의 더욱 효율적인 제거 공정을 제공한다.
본 발명의 밀폐된 반응기 시스템은 멸균될 수 있고 멸균 후에는, 멸균 후 시스템 내부로 유입되는 외부 미생물 또는 다른 오염물로 인해 그 내부가 오염되는 것을 방지하기 위하여 멸균 후 충분히 밀봉되어 저장될 수 있는 것이 바람직하다. 또한, 시스템이 폐기될 수 있게 하는 구성 및 구조 물질로 이들 시스템이 형성되는 것이 바람직하다.
밀폐된 여과 시스템을 사용하는 본 발명의 공정
일반적인 양상에서, 밀폐된 여과 시스템 공정은,
1) 농축물 챔버로부터 유체 커넥터를 통해서 용기(예를 들어, 저장 용기)로 유체를 배출하는 단계로서, 상기 배출 단계 동안, 상기 유체의 일부가 반투과성 장벽을 통해서 여과물 챔버 내로 향하게 되고, 이후 선택적인 장벽을 통해서 반응 챔버 내로 향하게 되도록 하고, 상기 배출 단계는 유체 커넥터의 말단 위치에서 농축물 챔버에 연결되는 다이어프램 펌프에 의해 가해지는 힘으로 인해 이루어지는, 배출 단계;
2) 다이어프램 펌프에 의해 가해지는 힘의 방향을 전환함으로써, 용기에서의 적어도 일부 유체가 농축물 챔버 내로 다시 흐르고, 농축물 챔버에서의 적어도 일부 유체가 여과물 챔버 내로 흐르는(그리고, 바람직하게는 여과물 챔버에서의 일부 유체가 반응 챔버 내로 흐르는) 힘 방향 전환 단계; 및
3) 단계(1) 및 (2)를 적어도 한번 반복하는 단계로서, 농축물 챔버로부터 배출되는 유체는 부유액 및 용액으로 구성되는 그룹으로부터 선택되고, 농축물 챔버, 여과물 챔버, 반응 챔버, 및 다이어프램 펌프는 동일한 밀폐된 여과 시스템의 부분(바람직하게는, 밀폐된 여과 시스템은 일반적인 양상 또는 상기 본원의 제2 양상에서 설명된다)인, 반복 단계
를 포함한다.
전술한 공정과 이하의 공정에서, 유체가 장벽의 일부를 한 방향으로 가로지른다는 점은 배제되지 않고, 실제로 종종 장벽의 또 다른 부분에서 반대 방향으로의 유체 흐름과 관련된다.
통상적으로, 농축물 챔버, 반응 챔버, 및/또는 여과물 챔버로부터의 물질이 적어도 한번 수집(harvest)될 것이다.
여과물 저장소를 포함하는 시스템에 적용가능한 밀폐된 여과 시스템 공정의 변경으로서, 이 공정은,
1) 농축물 챔버로부터 유체 커넥터를 통해서 용기로 유체를 배출하는 단계로서, 상기 배출 단계 동안, 상기 유체의 일부가 선택적으로 투과가능한 장벽을 통해서 농축물 챔버로부터 여과물 챔버로 향하게 되도록 하며, 여과물 챔버 내로 향하는 상기 유체의 일부가 여과물 챔버 벽의 개구부를 통해서 여과물 저장소로 향하게 되도록 하고, 여과물 챔버 내로 향하는 상기 유체의 일부가 선택적인 장벽을 통해서 반응 챔버 내로 향하게 되도록 하고, 상기 배출 단계는 유체 커넥터의 말단 위치에서 농축물 챔버에 연결되는 다이어프램 펌프에 의해 가해지는 힘으로 인해 이루어지는, 배출 단계;
2) 다이어프램 펌프에 의해 가해지는 힘의 방향을 전환함으로써, 용기에서의 적어도 일부 유체가 농축물 챔버 내로 다시 흐르고, 농축물 챔버에서의 적어도 일부 유체가 여과물 챔버 내로 흐르고, 여과물 챔버에서의 적어도 일부 유체가 여과물 저장소 내로 흐르고, 여과물 챔버에서의 적어도 일부 유체가 반응 챔버 내로 흐르는, 힘 방향 전환 단계; 및
3) 단계(1) 및 (2)를 적어도 한번 반복하는 단계로서, 농축물 챔버로부터 배출되는 유체는 부유액 및 용액으로 구성되는 그룹으로부터 선택되고, 농축물 챔버, 여과물 챔버, 반응 챔버, 및 다이어프램 펌프는 동일한 여과물 저장 시스템의 부분(바람직하게는, 밀폐된 여과물 저장 시스템은 본원에 앞서 기술되어 있다)인, 반복 단계
를 포함한다.
통상적으로, 농축물 챔버, 여과물 저장 챔버, 및/또는 반응 챔버로부터의 물질이 적어도 한번 수집될 것이다.
도 1a 내지 1h는 밀폐된 여과 시스템 및 이에 연결된 장치의 다양한 도면을 도시한 것이다. (이들 도면 중 하나에 사용되는 참조 번호(예를 들어, 농축물 챔버에 대한 45)는 이들 도면들 중 모든 다른 도면에서 동일한 구성요소에 적용될 수 있다.)
도 1a에서, 밀폐된 유체 여과 시스템(1)이 처리될 유체 물질 또는 농축물(9) 을 포함하는 처리 용기(2)에 유체 커넥터(3)를 통해서 연결된다(도 1a, 1b, 및 1h에서, 참조 번호 9는, 시스템이 사용중이고 농축물을 포함하는 경우에, 농축물 자체가 아니라 농축물의 위치를 나타낸다(용기(2)에 도시된 농축물 유체는 제외)). 유체 여과 시스템(1)은 적어도 3개의 챔버: 여과되지 않은 물질을 가두는 농축물 챔버(45)(도 1b 내지 1h에 더욱 상세하게 도시됨), 필터 소자(5)(예를 들어, 중공 섬유 필터) 내의 여과물 챔버(10)(도 1b 내지 1h에 더욱 상세하게 도시됨), 및 선택적으로 투과가능한 장벽(19)(예를 들어, 중공 섬유 카트리지의 외벽 또는 또 다른 멤브레인)에 의해 필터 소자로부터 분리된 반응 챔버(11)를 포함한다.
유체 여과 시스템(1)은 하우징(15)에 의해 둘러싸여 지고, 하우징의 형상, 크기 또는 방향(orientation)은 시스템을 둘러싸기 위한 필요에 따라서 가변될 수 있다. 하우징(15)은 폴리카보네이트 또는 폴리설폰, 가요성 또는 탄성 재료, 또는 임의의 다른 재료 또는 재료의 복합물과 같은 고체 중합체를 포함한 다양한 재료로 구성될 수 있다. 처리 용기(2)는 처리될 유체용 임의의 적합한 보관함이 될 수 있다. 예를 들어, 처리 용기(2)는 액체를 포함할 수 있는 탱크, 백, 플라스크, 등을 비배타적으로 포함한, 바이오리액터, 순환기 시스템 또는 임의의 다른 용기일 수 있다. 처리 용기(2)는 합성 중합체, 스테인리스 강철과 같은 비활성 금속, 유리, 등을 포함하는, 임의의 적합한 재료 또는 재료의 조합으로 구성될 수 있지만, 단단하며, 가요성 또는 탄성 재료 또는 이들의 조합을 배제하지 않고, 이들이 처리 용기가 되는 한 이와 같은 재료가 형상, 크기 또는 구성면에서 제한되지 않는다. 처리 용기(2)는 접근성에서 제한되지 않는다. 그것은 용기의 내용물로 부가 또는 용기의 내용물로부터 차감되도록 변경될 수 있다. 예를 들면, 라인(36) 또는 튜브(39)는 이와 같은 부가 또는 차감을 제어하기 위하여 예를 들어 펌프(14)를 이용하여 처리 용기(2)의 내용물로부터 부가 또는 차감하는데 사용될 수 있다. 이와 같은 처리 용기는 모든 크기 및 구성면에서 상업적으로 이용가능하고, 본 기술 분야에 널리 공지되어 있다. 유체 커넥터(3)는 처리 용기(2)로부터 유체 교환 포트(35)를 통해서 농축물 챔버(45)의 입구단에 또한 대응하는 필터 소자(5)의 입구단(42)으로 유체가 향하도록 작용한다. 챔버(45)로의 입구로서 작용하는 입구단(42)은 또한 농축물용 저장소로서 작용할 수 있고, 이의 형상 및 위치는 필요에 따라서 가변될 수 있고, 이의 체적은 다이어프램 펌프 변위 체적과 거의 동일하게 될 수 있고, 저장소(42)와 펌프 사이에서 용이하게 하고, 또한 높은 농축물 농도 레벨 및 최종 농축물로의 복구를 용이하게 한다. (도 1b: 중공 섬유 필터의 구성이 도 1b 내지 1h를 고려함으로써 최적으로 이해된다.) 포트(35)는 입구단 저장소(42)용 단부 커버로서도 작용할 수 있는 입구단 어댑터(40)에 의해 제 위치에 고정되고, 이 후 이는 필터 소자(5)에 대한 커버 및 입구단으로서 작용하고, 35, 40, 및 42의 결합체로서, 하우징(15)의 상부 플레이트(16)를 통해서 유체가 필터 소자 입구단(42)으로 흐르게 하기 위한 도관 어댑터로서 작용한다. 저장소로서, 저장소(42)는 상부 플레이트(15) 위, 관통하여, 또는 아래에 배치될 수 있고, 이의 위치 및 구성은 여과물 챔버(들) 또는 반응 챔버(들)로부터 포트와 간섭하지 않을 것이다. 유체 흐름은 추가로 필터 채널(17)을 통해서 흐르는데, 이는 중공 섬유 필터의 루멘(들)의 내부에 대응하고 필터 소자는 중공 섬유 필터에 대응한다. 필터 채널은 집합적으로 유체 여과 시스템(1)의 농축물 챔버(45)에 대응한다. 일 방향에서, 유체 흐름은 여과 소자(5)의 출구단(43)으로 진행하여 이로부터 배출된다. 필터 소자(5) 및 농축물 챔버(45) 둘 다의 출구단(43)에서 어댑터(41)는 필터 소자 출구단(43)으로부터 다이어프램 펌프(4)의 액체 수용 챔버(7)로 유체를 흐르게 한다. 어댑터(41)는 도시된 구성 또는 형상에 의해 제한되지 않고, 어댑터(41)는 직접적으로 또는 펌프 어댑터(29)를 통해서 펌프(4)에 연결될 수 있고, 또는 어댑터(41)는 도관(본원에 도시되지 않음)을 통해서 필터 출구단(43)을 펌프(4)에 연결시킬 수 있다.
처리 용기(2)와 다이어프램 펌프(4)(교번 흐름 펌프) 사이의 필터 소자(5)를 통한 흐름은 미국 특허 6,544,424에서 이미 기술된 바와 같이 펌프(4)에 의해 발생된다. 펌프(4)는 바람직하게는 내부 다이어프램(6)에 의해, "제1 챔버" 또는 "구동 챔버"라고도 지칭되는 제1 내부 챔버(8) 및 "제2 챔버" 또는 "액체 수용 챔버"라고도 지칭되는 제2 내부 챔버(7)로 분리된 펌프 하우징(4)을 포함한다. 도 1a 및 1b에서 펌프 하우징(4)은 두 개의 하우징 구성요소, 제1 펌프 하우징 구성요소(25) 및 제2 펌프 하우징 구성요소(24)로 구성된다. 이 구성요소들은 각각 플랜지(26, 27)를 포함한다. 제1 내부 챔버(8)의 압력은 제2 내부 챔버(7)의 유체 내용물의 오염을 야기하지 않고 다이어프램 펌프(4) 내에서 다이어프램을 구동시킨다. 공기 구동 펌프가 도 1a에 도시되어 있다. 압축된 공기는 제어기(54)에 의해 라인(튜브)(21), 바람직하게는 멸균 필터(22) 및 공기 입구 포트(23)를 통해서 챔버(8)로 흐른다. 처리 용기(2)에 대한 챔버(8)에서 공기압을 증가시키는 것이 챔버(7) 내로의 가요성 다이어프램(6)을 구동시키며, 필터 소자(5)를 통해서 이 챔버에서의 액체를 용기(2)로 구동시킨다. 처리 용기(2)로부터 펌프(4)로의 역방향 흐름은 용기(2)에 대한 챔버(8)의 압력을 감소시킴으로써 발생된다. 이 사이클은 반복된다. 이와 같은 펌프에 의해 발생되는 교번 흐름은 미국 특허 6,544,424에 기술되어 있다.
밀폐된 여과 시스템의 구성을 용이하게 하기 위하여, 누설 방지 커넥션으로 펌프 하우징(26, 27)(도 1b 및 1f)의 주변에 가요성 다이어프램 외부 플랜지(47)(도 1f)를 고정시키는 것이 바람직할 수 있고, 누설 방지 커넥션은, 통상적으로, 챔버(7, 8)를 포함하는 2개의 펌프 절반(halves)의 플랜지(26, 27) 사이의 다이어프램을 스퀴즈하는(squeeze) 클램핑 메커니즘을 이용한다. 이와 같은 커넥션은 다수의 방식으로 구현될 수 있지만, 도 1b 및 도 1f에 일 예가 도시되어 있고, 도시된 바와 같이, 각 다이어프램 펌프 절반 상의 주변 플랜지(26, 27)는 다이어프램(6)의 플랜지부 상의 대향 "O" 링 세그먼트(44)를 수용하도록 설계된 "O" 링 그루브(28)를 포함한다. 주변 플랜지(26, 27) 및 "O" 링 그루브(28)의 바람직한 실시예는 주변 플랜지(26, 28)를 함께 결합시키고, 플랜지(26, 27) 사이의 다이어프램 "0" 링 플랜지(47) 및 "0" 링 세그먼트(44)를 동시에 고정시키는 것이고, 이는 다음과 같이 플랜지(26, 27)의 인접면 사이의 간격을 제어함으로써 달성될 수 있다. 다이어프램(6)의 외주변으로부터 내측 방향으로 다이어프램 펌프(4)의 중심축을 향하여, 다이어프램 플랜지(26, 27)는 "O" 링 세그먼트(44)(도 1b 및 도 1f)를 포함하는 다이어프램(6) 플랜지 세그먼트(47)(즉, 다이어프램의 플랜지 세그먼트)의 대응하는 두께보다 다소 작은 거리 만큼 서로로부터 이격된다. 다이어프램 두께를 제외한 플랜지 사이의 이 간격은 "압축 거리(compression distance)"라 지칭된다. 다이어프램(6)의 외주변으로부터 외측 방향으로 플랜지(26, 27)의 외주변을 향하여, 플랜지(26, 27)의 마주보는 면 사이의 간격은 압축 거리와 동일하고, 따라서 2개의 마주하는 플랜지(26, 27)는 함께 가압되어, 두 개의 플랜지 세그먼트(26, 27) 사이의 접촉면(48)을 형성함과 동시에, 다이어프램 플랜지 세그먼트(47) 및 "0" 링 세그먼트(44)를 압축 거리 만큼 압축한다. 일단 접촉하면, 주변 플랜지(26, 27)는 접촉면(48)을 따라 서로 결합될 수 있고, 이 과정에서 다이어프램(6)은 펌프 세그먼트 사이에 견고히 밀봉된다. 이 방법은 해당 및 인접한 펌프 플랜지 세그먼트 사이의 압축 거리를 제어함으로써 다이어프램(6), 플랜지(47), 및 "O" 링 세그먼트(44) 상의 압축 크기를 설정하는 것이 가능하게 한다. 게다가, 2개의 다이어프램 펌프 절반의 플랜지가 결합면(48)을 따라서 단단하게 결합된 채로 유지하는 것을 보장하기 위하여, 이 결합은 플랜지(26, 27)의 면(49)을 따라서 더욱 강화될 수 있다. 이는 하우징(15)의 내벽에 대해서 플랜지(26, 27) 단부를 단단하게 결합시켜, 바람직하게는 누설 방지 방식으로 면(49)을 따른 결합을 형성하는 것이 도 1f에 예시되어 있다. 이 절차는 펌프 내에서 다이어프램을 고정시키고 펌프를 제한 스캐폴드(confining scaffold)에 고정시킬 뿐만 아니라, 다른 특유의 장점을 도출한다. 한 가지 장점은 유체 여과 시스템(1)의 길이를 연장하여 핵심 부품을 모두 포함하는 전체 시스템용 인클로져(enclosure)를 형성하는 원통형 하우징(15)을 이용한다는 것이다. 원통형 하우징(15)은, 직립 위치(도시된 바와 같이) 또는 뒤집힌 위치로 시스템을 유지하기 위하여, 전체 시스템용 스탠드(stand)로서 작용한다. 주변 플랜지(26, 27)를 하우징(15)에 결합 또는 고정시키는 것은 전체 시스템에 구조적인 지지체를 부가하여 그 내용물을 보호한다. 또 다른 이점은 반응 챔버(11)에 대해 도 1b의 "베이스(base)"(25)를 형성하는 것이다. 게다가, 인클로져(15)에 탑(top)(16)을 제공함으로써, 필터 소자(5) 및 반응 챔버(11)를 완전히 둘러쌀 수 있다. 인클로져(15) 및 탑(top)(16)은 원하는 형상으로 구성되고 다양한 소자, 액세서리 또는 챔버(11)에 부가 및/또는 차감을 위한 삽입물을 수용하도록 설계되어, 도시된 바와 같은 시스템 다양성을 증가시키기는 조건을 감시하거나 이 조건에 영향을 미친다. 도 1a는 벽(15), 베이스(25), 및 탑(16)에 의해 형성된 인클로져(11)의 일 예를 도시하고, 일단부가 펌프(4)에 연결되고 타단부가 어댑터(40)에 연결되는 필터 소자(5)를 포함하는 시스템이 또한 도시되며, 이는 도관(3)으로 및 인클로져 탑(16)을 통과하는 경로를 형성한다. 인클로져(15)에 대해서 결합되어 밀봉되는 탑(16) 및 펌프 플랜지(26, 27)로 인해, 필터 소자(5)는 반응 챔버(11) 내에 위치되고, 여과물 챔버(10)(및 필터 소자(5))는 각각의 벽 부분으로서 반응 챔버(11)와 공통의 선택적 장벽(19)을 공유한다(여과물 챔버(10)는 루멘(17)의 면, 카트리지 외벽(19), 및 포팅 재료(potting material)(44)로 채워진 영역에 의해 규정된다). 선택적 장벽(19)의 특성을 제어함으로써, 매우 유용한 선택적 장벽은 반응 챔버(11)와 여과물 격실(10) 사이에 형성될 수 있다(따라서 필터 소자(5)로). 도시된 바와 같이, 필터 소자(5)의 널리 공지된 기능 및 여과물 챔버(10)와 농축물 챔버(45) 사이의 구성요소들을 선택적으로 분리시키기 위한 능력을 이용하고, 필터 소자(5)와 반응 챔버(11) 사이의 선택적인 장벽(19)을 추가로 제공하면, 다수의 유용한 기능을 갖는 고유 장치가 형성된다.
반응 챔버(11)로부터의 채집물은 하베스트 포트(12)에 연결되는 라인(13)을 통해서 수집되는데, 하베스트 포트는 챔버와 이 라인 사이에서 유체를 교환시켜 유체가 반응 챔버로 유입되거나 배출되도록 한다(탑(16)(또는 이의 등가물)을 통한 하베스트 포트(12)(또는 이의 등가물)의 관계에 대해선 도 1b를 참조).
시스템의 하우징(15), 다이어프램 펌프(4), 다이어프램(6), 밸브, 필터 및 기타 구성요소들은 다양한 재료, 바람직하게는 유체 여과 시스템(1)의 동작중 발생된 압력에 견디는 재료, 바람직하게는 화학적으로, 증기로 또는 복사로 멸균될 수 있는 재료로 구성될 수 있는데, 이와 같은 재료는 스테인리스 스틸을 포함할 수 있다. 그러나, 스테인리스 스틸의 주요 단점들 중 하나는 하우징(15) 내부의 또는 다이어프램 펌프(4) 내부의 내용물을 파악하지 못한다는 것이다. 스테인리스 스틸의 다른 단점은 무게, rudql, 특정 형상으로 형성하기 어렵다는 점이다. 그러므로, 폐기처분가능한 시스템이 요구될 때, 폴리카보네이트, 폴리설폰과 같은 재료 또는 구조적인 강도 및 투명성을 위하여 선택되는 다른 재료들을 이용하는 것이 바람직한데, 이와 같은 재료는 원하는 형태로 손쉽게 성형되고, 가볍고 상대적으로 저렴하며, 또는 화학적으로, 복사 또는 증기로 멸균될 수 있다. 구성 재료의 추가로 원하는 특징은 제조 기술, 포장, 저장, 및 수송의 용이성, 및 손상 또는 오염에 대한 보호 제공에 대한 적합성이다.
도 1a 내지 1h는 본 발명에 따른 유용한 중공 섬유 필터(5)를 도시한다. (도 1b에 도시된 바와 같은 동일한 특징부 보다 도 1h에 도시된 구조적인 특징부가 손쉽게 알 수 있다). 필터(5)는 카트리지 입구단으로부터 카트리지 출구단까지의 카트리지의 길이를 평행하게 진행하는 다수의 중공 섬유(HF)를 포함하는 카트리지로서 제조된다. 중공 섬유의 세그먼트가 중공 섬유 카트리지의 제조자에 공통되는 방법에 의해 카트리지의 양단부에서 외부로 포팅(potted) 되는데, 이 중공 섬유는 카트리지의 단부에서 카트리지의 벽 및 포팅 재료(44)로 둘러싸인다. 포팅 화합물의 예는 에폭시 및 폴리우레탄이다. 따라서, 포팅된 카트리지 벽(19) 단부(44) 및 HF의 벽(17)에 의해 한정되는 챔버가 존재한다. 이 챔버는 본 발명의 여과물 챔버로서 사용될 수 있다. 각각 단일 HF 인트라루미나 공간에 각각 대응하는 다수의 농축물 챔버가 존재한다고 할 수 있다. 그러나, 설명을 위하여, 인트라루미나 공간은 본 시스템 각각에서 총괄적으로 농축물 챔버를 구성하는 것으로 간주된다.
도시된 중공 섬유 필터의 루멘(중공 섬유)의 벽(17)은 선택적으로 투과가능하며, 간편하게는 본 시스템 기술에서 지칭된 선택적으로 투과가능한 벽을 제공한다. 필터 카트리지의 외벽(19)(카트리지 벽)은 본 시스템의 기술에서 지칭되는 선택적 장벽을 포함하는데, 이 장벽은 또한 선택적으로 투과가능할 수 있다.
또한, 도 2는 도 1a 내지 1h의 밀폐된 여과 시스템(1)을 도시하지만, 커버링(50, 51)과 더불어 확대된 것을 도시한다. 도 2에서, 밀폐된 여과 시스템(1)은 커넥터 라인(3)(즉, 유체 커넥터 라인) 및 하베스트 포트(들)(12)를 통해서 하베스트 라인(들)(13) 모두에 연결된다. 게다가, 시스템은 각 단부에서 커버링(50, 51)에 의해 둘러싸여, 다른 노출된 단부가 완전히 둘러싸여 지도록 한다. 특정 예에서, 접혀져야할 필요가 있기 때문에, 유체 커넥터 라인 및 하베스트 라인(들)은 접혀진 것처럼 도시되어 있고, 따라서 그들은 커버링에 의해 둘러싸일 수 있다. 유체 커넥터 라인(3) 및 하베스트 라인(들)(13)은 자신들의 단부에서 차폐재(52)로 각각 보호된다.
도 2에서 도면부호(4, 5, 15)는 도 1a 내지 1h를 참조한 동일한 구성에 적용한다.
도 3은 도 1a 내지 1h에 도시된 밀폐된 여과 시스템(1)의 변경을 도시한다. 도 3에 도시된 시스템(501)은 도 1a 내지 1h에 도시된 시스템에 존재하지 않는 여과물 저장소(564)를 갖는다. 도 3에서, 여과물 저장소(564) 및 반응 챔버(511)는 저장소(564)와 챔버(511) 사이에서 직접 유체 교환하지 않도록 하는 분리 장벽(560)에 의해 서로 분리된다. 여과물 저장소(564) 및 반응 챔버(511) 둘 다는 필터 소자(505)의 여과물 챔버(510)와 별도로 유체 교환을 수행할 수 있다. 여과물 챔버(510)와 반응 챔버(511) 사이의 유체 교환은 도 1a 내지 도 1h에 도시된 여과 소자(515)의 외벽과 구조적으로 유사한 외벽을 갖는, 즉 선택적 장벽인 필터 소자(505)의 일부를 통해서 영향받는다.
대조적으로, 여과물 챔버(510)와 여과물 저장소(564) 사이의 유체 교환은 여과물 챔버(510)로부터 여과물이 하베스트 포트(562)("제2 하베스트 포트") 및 라인(563)을 통해서 채집될 수 있는 저장소(564)까지의 직접 도관을 제공하는 개구부(561)를 통해서 영향받는다. 반응 챔버(511)로부터의 채집은 포트("제1 하베스트 포트")로서 기능하는 챔버로 연장되는 튜브(512)를 통해서 반응 챔버에 접근할 수 있는 라인(513)을 통해서 수집된다.
도 3의 시스템(501)에서, 하우징(515)은 도 1a 및 1b에 도시된 하우징(15)과 유사하다.
도 3에서, 유체 커넥터 세그먼트(503), 하베스트 튜브(512, 562), 펌프(504), 필터 소자(505), 및 다른 시스템 액세서리를 포함한 핵심 커넥션은 그들의 다양한 형태로, 커버링(550, 551)에 의해 둘러싸여 도시되고 완전히 보호된다. 또한, 이와 같은 커버링은 시스템 또는 이의 다양한 격실에 연결되는 라인 또는 장치를 둘러싼다. 이들은 튜빙, 센서, 전기선, 필터 등을 포함할 수 있고, 이와 같은 장치는 2차 차폐부(shield)에 의해 추가로 둘러싸이거나 보호될 수 있으며, 예를 들어, 유체 커넥터 세그먼트(503) 및 하베스트 튜브(563)는 이들 단부에서 차폐부(552)로 추가로 보호될 수 있고, 따라서 커버링(550)이 제거되고 유체 커넥터 세그먼트(503) 및 하베스트 라인(563)이 노출될 때, 내부 체적은 멸균 방식으로 대응부에 연결이 가능하게 하면서 오염으로부터 보호된다.
그러나, 도 1a 내지 도 1h에 설명된 바와 같은 밀폐된 여과 시스템(1)의 다수의 다른 구성요소들 및 특징들이 도 3의 시스템(501)에 존재한다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 필터 소자(5)의 모든 구성요소들은 도 3의 필터 소자(505)에 의해 근본적으로 평행하다. 또한, 다이어프램 펌프(4, 504) 및 필터 소자와 펌프 사이의 상호연결은 도 1a 및 도 1b 뿐만 아니라 도 3에 제공된다. 이와 같은 공통 구성요소는 농축물 챔버(45, 545) 및 선택적으로 투과가능한 장벽(19, 519)을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 게다가, 도 1a 내지 1h의 유체 교환 포트(35)는 도 3에 제공된다.
도 2 및 3에 도시된 밀폐된 유체 여과 시스템 및 여과물 저장소 시스템 각각은 오염 및 오취급에 대한 추가적인 보호를 위하여 보호 백으로 둘러싸일 수 있으며, 전체 시스템은 즉각 멸균될 수 있다. 이와 같은 안전한 특징은 투석과 같은 예견된 장치뿐만 아니라 다른 의료 장비 및 세포 배양 장치에 필수적이다. 도 1a 내지 1h 및 적용가능한 바와 같이, 도 2 및 3에서, 유체 커넥터(3)의 1차적인 기능은 신뢰성, 멸균성, 저 시어(sheer) 유체 도관을 제공하는 것이다. 바람직하게는, 처리 용기와 유체 여과 시스템(1) 사이에 양방향으로 흐르도록 한다. 게다가, 폐기처분가능한 유닛으로서 시스템을 이용할 때, 신뢰성 있고 간단한 커넥션이 폐기처분가능한 유닛과 처리 용기 사이에 형성되는 것이 필수적이다. 유체 커넥터(503)의 바람직한 특징은 멸균 및 신뢰성있는 방식으로 유체 여과 시스템(1)과 처리 용기(2) 사이의 커넥션을 형성, 파손 또는 재편하는 것이다. 튜브 용접기(tube welders), SIPable 밸브 조립체를 포함하여, 멸균 방식으로 유체 커넥터를 연결 또는 분리시키며, 생물학적 안전 후드 내에서 멸균 결합을 연결 또는 결합해제하며, 클린-팩(Pall 사) 또는 DACTM(GE 사)와 같은 멸균 커넥터의 이용을 위하여 또는 튜브 세그먼트 사이의 멸균 연결 또는 연결해제시키는 임의 다른 장치를 위한 다수의 널리 공지된 기술이 존재한다. 그러나, 이와 같은 커넥션은 하나 이상의 유체 커넥터를 포함할 수 있는 유체 커넥터를 이용하는 것을 배제하지 않는데, 여기서 하나 이상의 커넥터는 유체를 밀폐된 여과 시스템으로 전달하도록 작용하고 하나 이상의 커넥터는 밀폐된 여과 시스템으로부터 유체를 전달하도록 작용하며, 이와 같은 커넥터(들)는 체크 밸브, 센서, 제한 장치(restrictor) 등을 포함하여, 분류된 타입의 밸브, 커플링 또는 도관을 통한 유체에 영향을 미치는 장치를 포함할 수 있다. 필요에 따라서, 유체 커넥터는 또한 처리 용기 또는 다수의 용기 또는 다수의 밀폐된 반응기 시스템상의 하나 이상의 포트에 접근하도록 구획될 수 있다. 또한, 유체 커넥터는 유량계와 같은 프로브와 결합할 수 있어서, 커넥터, 프로브를 통한 흐름 속도, pH, 용해된 산소 등을 감시하며, 유체 커넥터를 통해 흐르는 배양의 생명력을 감시한다. 용기와 밀폐된 반응기 시스템 사이의 고속 흐름은 밀폐된 반응기 시스템 및 처리 용기에서 상태를 반영한다. 유체 커넥터에 대한 상기 또는 유사한 변경의 임의의 조합은 통상의 기술자에 의해 사용될 수 있다.
밀폐된 여과 시스템 및 여과물 저장소 시스템에 대하여, 커넥터 라인은 일반적으로 농축물 챔버 입구단 어댑터를 통해서 농축물 챔버의 입구단에 연결될 것이다. 변경된 어댑터 실시예로 지칭되는 밀폐된 여과 시스템의 실시예에서, 이 시스템은,
1) 농축물 챔버 입구단 어댑터로서의 저장소 어댑터로서, 제1 커넥터 라인에 연결되는 것 이외에도, 상기 저장소 어댑터는 제2 커넥터 라인을 또한 포함하도록 하는 저장소 어댑터; 및
2) 양 단부 중 하나에서 교번 흐름 펌프의 입구 챔버에 연결되는 배출 튜브로서, 상기 배출 튜브는 밀폐된 여과 시스템 외부의 일 지점으로 연장되어, 펌프의 입구 챔버에서 농축물이 시스템 외부에서 수집될 수 있는, 배출 튜브
를 더 포함한다.
밀폐된 여과 시스템의 변경된 어댑터 실시예의 일 예가 도 1i에 도시된다. 도 1i는 도 1a 내지 1h에 도시된 밀폐된 여과 시스템의 변경된 버전으로 간주될 수 있다는 것을 알 수 있다.
여기서, 이 시스템은 저장소 어댑터(42)를 포함한다. 저장소 어댑터에 연결되는 커넥터 라인(71) 이외에도, 저장소 어댑터에 연결되는 제2 커넥터 라인(73)이 존재한다. 커넥터 라인(71)은 용기와 같은 외부 유체 소스에 연결되지만, 카테터를 통해서 사람의 혈류에 연결되는데 특히 적합한데, 이 경우에 커넥터 라인은 또한 혈류에 연결될 것이다. 혈액은 라인(71)을 통해서 여과 시스템에 유입되고 라인(73)을 통해서 배출된다. 이 모드에서, 시스템은 혈액 및 신장 투석에 적합하다.
투석 모드에서, 본 시스템의 장점은 교번 접선 흐름 여과 시스템의 이점이 이용되지만 환자의 혈류는 항상 동일 방향이라는 것이다.
라인(71)이 시스템 외부의 용기(예를 들어, 도 1a의 용기(2))에 연결될 때, 연속 여과 때문에 이러한 작은 체적이 발생한다면, 변경된 어댑터 실시예는 용기로부터 작은 체적을 복구하는데 또한 적합하다.
변경된 어댑터 실시예에서, 저장소 어댑터에 압력 센서를 부가할 수 있다.
이 실시예는 2개의 영역(60, 62)을 각각 갖는 것으로 고려될 수 있는 배출 튜브(60, 62)를 포함한다는 것을 도 1i로부터 알 수 있다. 배출 튜브는 농축물, 특히 최종 농축물 체적을 복구하는데 이용가능하고, 일반적으로 농축물을 샘플링하는데 이용될 수 있다. 또한, 농축물을 희석하는데 이용될 수 있다.
저장소 어댑터의 체적은 바람직하게는 다이어프램 펌프(4)의 변위 체적과 동일하거나 다소 큰 것이 바람직하지만, 어떠한 크기로도 될 수 있다.
펌프(72, 74)는 저장소 어댑터로의 유체를 첨가 및 저장소 어댑터로부터 변경된(농축된) 유체의 제거율을 제어하도록 한다. 두 개의 펌프는 저장소 어댑터(42)의 가압을 가능하게 하는 방식으로 밸브로서 사용될 수 있다. 따라서, 이 시스템은 가압될 수 있는데(작동을 위한 진공을 필요로 하지 않음), 이는 많은 여과 응용에 유용하다.
다이어프램 펌프("저장소 펌프")가 저장소 어댑터 대신에 사용될 수 있는데, 이 경우에 시스템은 두 개의 펌프를 포함할 것이다. 이 저장소 펌프는 챔버들 중 하나에 연결된 2개의 커넥터 라인을 갖는다. 다른 챔버는 필터 소자에 연결된다. 두 개의 펌프의 다이어프램은 동기적으로 이동하여야 한다.
밀폐된 여과 시스템의 특징은 시스템의 응용 범위, 저장 및 수송력을 용이하게 한다. 예를 들어, 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 전체 시스템은 자체-내포된 용기에 패키징될 수 있다. 펌프(들), 필터, 유체 커넥터, 하베스트 라인, 변형 모듈, 변경 부유액은 편리하게 사전조립되며, 밀폐되고 멸균으로 제공될 수 있다.
본 발명의 중요한 속성은 밀폐된 여과 시스템의 밀폐 특성이다(후술되는 밀폐된 바이오리액터 시스템에서와 같이). 적절한 필터 및 공정에 적합한 재료로 구성되는 모든 다른 구성요소들이 제공되면, 본 시스템의 밀폐 특성은 또한 위험한 재료(즉, 부식성, 화염성, 생물학적 위험 등)를 지닌 여과 응용을 허용한다. 이는 금속, 세라믹, 또는 다른 재료로 구성되는 필터의 이용을 포함할 수 있다. 유사하게, 다이어프램 및 시스템의 다른 구성요소들은 공정 요구사항에 적합할 임의의 다수의 재료로 제조될 수 있다. 설명된 바와 같이, 모든 구성요소는 완전히 공정을 제한하는 방식으로 연결될 수 있다.
밀폐된 바이오리액터 시스템 및 공정
바람직한 양상에서, 밀폐된 바이오리액터 시스템은 다음:
1) 중공 섬유 필터 소자(바람직하게는 원통형 중공 섬유 필터 카트리지)로서, 이 필터 소자는 입구단 및 출구단을 포함하며, 이 필터 소자는 다수의(하나 이상의) 여과 농축물 챔버를 더 포함하며, 각 여과 농축물 챔버는 단부 개방형 중공 섬유이며, 이 섬유는 필터 소자(중심축이 하나의 필터 소자로부터 다른 필터 소자까지의 실린더의 중심을 통해서 연장된다)의 중심축에 평행하게 배치되며, 섬유 각각은 필터 소자가 입구단에서 입구 및 필터 소자의 출구단에서 출구를 가지며, 각 섬유는 반투과성 외벽을 포함하고, 이 필터 소자는 이 섬유를 둘러싸지만 개방 단부를 차단하지 않는 여과물 챔버를 포함하여 섬유의 반투과성 외벽이 또한 여과물 챔버 벽의 일부가 되도록 하는, 중공 섬유 필터 소자;
2) 여과물 하베스트 튜브(바람직하게는 단단함)로서, 이 튜브는 필터 소자 및 여과물 챔버를 필터 소자 입구단을 통해서 관통하며, 이 튜브는 바람직하게는 필터 소자의 중심축을 따라서 배치되는, 여과물 하베스트 튜브;
3) 교번 흐름 다이어프램 펌프로서, 이 펌프는 필터 소자의 출구단에 연결되어 펌프로부터의 유체가 여과 농축물 챔버로 유입하도록 하며, 이 펌프는 펌프 하우징, 2개의 챔버, 및 이 챔버를 분리하는 다이어프램을 포함하는, 교번 흐름 다이어프램 펌프;
4) 처리 챔버로서, 이 챔버는 카트리지를 둘러싸며, 이 챔버는 베이스, 외벽(바람직하게는 원통형), 베이스 및 탑 플레이트를 포함하며, 이 베이스는 밀봉된 방식으로 외벽 및 펌프 하우징 둘 다에 부착되며, 이 탑 플레이트는 밀봉된 방식으로 외벽에 부착되고, 이 탑 플레이트는 하베스트 튜브에 의해 관통되어 유체가 여과물 챔버로부터 저장 챔버 외부로 흐르도록 하는, 처리 챔버;
5) 처리 챔버 하베스트 라인 또는 라인들 및 처리 챔버 부가 라인 또는 라인들로서, 이 하베스트 및 부가 라인은 처리 챔버의 탑 플레이트(바람직함), 외벽, 또는 베이스를 관통하여 유체가 처리 챔버로부터 하베스트되거나 제거되거나 이에 부착되도록 하는, 처리 챔버 하베스트 라인 또는 라인들 및 처리 챔버 부가 라인 또는 라인들;
6) 산소가 처리 챔버로 공급되도록 하는 처리 챔버의 탑 플레이트(바람직함), 외벽, 또는 베이스 중 하나의 포트로서, 이 포트는 멸균 필터를 포함하여 미생물에 의해 처리 챔버의 오염을 방지하는, 포트; 및
7) 감지 장치가 처리 챔버에 삽입되도록 하는 처리 챔버의 탑 플레이트(바람직함), 외벽, 또는 베이스 중에 있는 포트(들)
를 포함한다.
바람직하게는, 밀폐된 바이오리액터 시스템의 전술한 바람직한 양상은 처리 챔버 내부의 관형 유체 커넥터를 포함하고, 바람직하지만 비배타적으로 펄터 주위에 배치되어, 이 커넥터가 이 필터 소자와 직접 접촉하지 않도록 하며, 이 커넥터는 밀봉된 출구단 또는 밀봉된 단부 및 입구단을 포함하며, 이 밀봉단은 처리 챔버의 탑 플레이트 및 필터 소자의 입구단 사이에 배치되며, 이 밀봉단은 하베스트 튜브에 의해 관통되며, 이 밀봉단은 필터 소자 입구로부터 흐르는 유체를 편향시켜 이와 같은 유체가 유체 커넥터 및 필터 소자를 분리시키는 공간을 통해서 흐르도록 하며, 이 유체 커넥터는 편향된 유체가 처리 챔버로 유입될 수 있도록 하는 개방단을 포함한다.
밀폐된 바이오리액터 시스템은 베이스에서 다수의 스파저 홀(sparger holes)을 포함하는데, 이 홀은 산소를 처리 챔버로 공급하는 포트의 부분으로서 기능하는 것이 바람직하다.
또한, 밀폐된 바이오리액터 시스템은 저장 챔버의 외벽, 탑 플레이트, 베이스 중 부가적인 포트들을 포함하여, 유체(또는 부유된 세포를 포함하는 유체)가 처리 챔버에 첨가될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
게다가, 밀폐된 바이오리액터 시스템이 저장 챔버 내부와 유체 커넥터 튜브의 전체 또는 일부를 둘러싸는 단부 개방형 드래프트 튜브(양단부에서 개방됨, 바람직하게는 원통형)로 예시된 교반 장치를 포함하는 것이 바람직하며, 이 드래프트 튜브는 유체 커넥터 튜브를 직접적으로 터치하지 않으며, 이 드래프트 튜브는 저장 챔버의 외벽에 연결되는 지지 프레임에 의해 제 위치에 유지된다.
펌프의 출구는 미생물이 펌프에 유입되는 것을 방지하는 필터에 의해 보호되는 것이 바람직하다.
특정 실시예에서, 유체 커넥터 튜브의 밀봉단은 변경되어, 이 밀봉단이 유체의 일부가 처리 챔버로부터 밸브 및 필터 소자의 입구단 사이의 공간으로 직접적으로 이동시키는 퍼핏 밸브를 포함한다. 그러나, 퍼핏 밸브는 필터 소자 입구로부터 흐르는 유체를 편향시키면서 유체가 대향 방향으로 흐르도록 하여, 이와 같은 유체가 필터 소자의 입구단으로부터 처리 챔버로 배출시키면서, 튜브 및 필터 소자를 분리시키는 공간을 통해서 흐르게 한다.
일반적인 양상에서, 밀폐된 바이오리액터 시스템은 다음:
1) 필터 소자로서, 이 필터 소자는 입구단에서 입구 및 출구단에서 출구를 포함하며, 이 필터 소자는 다수의 여과 농축물 챔버(가령 다수의 중공 섬유)를 포함하며, 이 여과 농축물 챔버 각각은 필터 소자의 입구단에서 입구 및 필터 소자의 출구단에서 출구를 포함하며, 이 여과 농축물 챔버 각각은 외벽을 더 포함하며, 이 외벽은 반투과성 부분을 포함하며, 이 필터 소자는 여과 농축물 챔버 외벽의 반투과성 부분을 둘러싸지만 여과 농축물 챔버의 출구 또는 입구를 차단하지 않는 여과물 챔버를 더 포함하여, 여과 농축물 챔버의 외벽의 반투과성 부분은 또한 여과물 챔버 벽의 부분이 되도록 하는, 필터 소자;
2) 여과물 하베스트 튜브로서, 이 튜브는 필터 소자 및 여과물 챔버를 관통하여 유체가 여과물 챔버를 배출하도록 하는, 여과물 하베스트 튜브;
3) 교번 흐름 다이어프램 펌프로서, 이 펌프는 필터 소자의 출구단에 연결되어 펌프로부터의 유체가 여과 농축물 챔버로 유입하도록 하며, 이 펌프는 펌프 하우징, 2개의 챔버, 및 이 챔버를 분리하는 다이어프램을 포함하는, 교번 흐름 다이어프램 펌프;
4) 처리 챔버로서, 이 처리 챔버는 필터 소자를 둘러싸며, 이 처리 챔버는 외벽을 포함하며, 이 외벽은 밀봉된 방식으로 펌프 하우징에 부착되며, 이 외벽은 유체가 여과물 챔버로부터 저장 챔버 외부로 흐르도록 하는 하베스트 튜브에 의해 관통되는, 처리 챔버;
5) 처리 챔버 하베스트 및 부가 라인(들)으로서, 이 하베스트 및 부가 라인(들)은 저장 챔버의 벽을 관통하여, 유체가 처리 챔버로부터 하베스트되거나 제거되거나 처리 챔버로 부가되도록 하는, 처리 챔버 하베스트 및 부가 라인(들);
6) 산소가 저장 챔버로 공급되도록 하는 저장 챔버의 벽의 포트로서, 이 포트는 멸균 필터를 포함하여 미생물에 의해 저장 챔버의 오염을 방지하는, 포트; 및
7) 감지 장치가 처리 챔버에 삽입되도록 하는 처리 챔버의 탑 플레이트(바람직함), 외벽, 또는 베이스 중에서의 포트(들)
를 포함한다:
바람직하게는, 시스템의 일반 양상은 처리 챔버 내에 관형 유체 커넥터를 더 포함하도록 수정되며, 이 관형 유체 커넥터가 바람직하게는 필터 소자 주위에 배치되어 이 필터 소자와 직접 접촉되지 않도록 하며, 이 커넥터는 밀봉단 및 입구단을 포함하며, 이 밀봉단은 처리 챔버의 벽 및 입구 필터 소자 사이에 배치되며, 이 유체 커넥터는 하베스트 튜브에 의해 관통되며, 이 밀봉단은 필터 소자 입구로부터 흐르는 유체를 편향시켜 이와 같은 유체가 바람직하게는 유체 커넥터 및 필터 소자를 분리시키는 공간을 통과하도록 하며, 이 유체 커넥터는 편향된 유체가 저장 챔버로 유입되도록 하는 개방단을 포함한다.
시스템의 일반적인 양상은 산소를 처리 챔버로 공급시키는 벽내의 단일 또는 다수의 홀을 포함하도록 변형되는 것이 바람직하다.
또한, 시스템의 일반적인 양상은 처리 챔버의 벽내에 부가적인 포트를 포함하여 유체(또는 부유된 세포를 포함하는 유체)가 저장 챔버에 첨가될 수 있도록 수정되는 것이 바람직하다.
게다가, 시스템의 일반적인 양상은 저장 챔버 내부와 유체 커넥터 튜브의 전체 또는 일부를 둘러싸는 개방형 드래프트 튜브(양단부에서 개방됨, 바람직하게는 원통형)로 예시된 교반 장치를 포함하는 것이 바람직하며, 이 드래프트 튜브는 유체 커넥터 튜브를 직접적으로 터치하지 않는 것이 바람직하다.
밀폐된 바이오리액터 발명의 바람직하고 일반적인 양상에서, 펌프로부터 외부 제어기로 연장되는 라인은 바람직하게는 미생물이 펌프로 유입되는 것을 방지하는 멸균 필터를 포함하는 것이 바람직하다. 게다가, 두 가지 양상에서, 유체 커넥터 튜브의 밀봉단은 변경되어, 이 밀봉단은 유체가 처리 챔버로부터 밸브 및 필터 소자의 입구단 사이의 공간으로 직접적으로 한 방향으로 이동시키는 퍼핏 밸브를 포함한다. 그러나, 퍼핏 밸브는 필터 소자 입구로부터 흐르는 유체를 편향시키면서 유체가 대향 방향으로 흐르지 않도록 하여, 이와 같은 유체가 튜브 및 필터 소자를 분리시키는 공간을 통해서 흐른다.
밀폐된 바이오리액터 발명의 바람직하고 일반적인 양상에서, 한 가지 바람직한 실시예에서, 이 시스템은 필터 소자의 중심축을 따라서 위치되는 견고한 하베스트 튜브를 더 포함하며, 이 튜브는 여과물 챔버 내부로부터 바이오리액터의 상부를 통해서 바이오리액터 외부로 연장된다.
밀폐된 바이오리액터 시스템에서, 처리 챔버는 바이오리액터로서 사용될 수 있다. 바이오리액터로서, 이는 분류된 세포 타입을 배양시키기 위하여 사용된다. 필터 소자(여과물 챔버 및 농축물 챔버)는 소모된 배지를 제거하고 제거된 배지를 신 배지로 대체하기 위한 세포 분리 장치로서 기능한다. 밀폐된 바이오리액터 시스템은 폐기처분가능한 관류 바이오리액터로서 사용될 수 있다. 이와 같은 시스템은 연속적인 배양의 공정을 크게 간단화할 수 있다. 바이오리액터를 지닌 세포 분리 시스템의 장비에 포함되는 복합 장비(complex setup)를 제거할 수 있다. 연구, 개발, 및 제조에서 필요로 된 바와 같이, 연속적인 배양에서 세포 라인을 유지하기 위한 수고를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 밀폐된 반응기 시스템은 멸균될 수 있고 멸균 후에는, 멸균 후 시스템 내부로 유입되는 외부 미생물로 인해 그 내부가 오염되는 것을 방지하도록 충분히 밀봉되어 저장되는 것이 바람직하다. 또한, 시스템이 처분될 수 있게 하는 구성 및 구성 물질로 이들 시스템을 형성하는 것이 바람직하다.
일반적인 양상에서, 밀폐된 바이오리액터 시스템 공정은 처리 챔버 및 이 처리 챔버 내에서 둘러싸인 다수의 여과 농축물 챔버 사이에서 앞뒤로 유체를 순환시키는 단계를 포함하며, 유체가 여과 농축물 챔버에 연결되는 펌프를 통해서 교번 방향으로 이동되며, 여과 농축물 챔버를 통한 유체의 모션은 여과 농축물 챔버와, 반투과성 멤브레인에 의해 여과 농축물 챔버로부터 분리되는 여과물 챔버 사이에서 유체를 전달시키며, 이 여과물 챔버는 처리 챔버로 둘러싼다.
통상적으로, 여과물 챔버로부터 물질은 배양의 처리 중에서 적어도 한번 수집될 것이다.
이 공정은 바람직하게는 본원에 서술된 밀폐된 바이오리액터 시스템을 이용하여 실행된다.
도 4a 내지 4e는 도 1a 내지 1h에 도시된 밀폐된 여과 시스템의 많은 근본적인 특징이 유지되는 것을 도시한다. 그러나, 도 4a 내지 4e의 경우에, 처리 챔버(211)는 동물 세포 또는 다른 미생물의 배양을 포함하는 세포 배양 바이오리액터로서 사용될 수 있는데, 이와 같은 내용물은 농축물(209)로서 작용한다. 도 1a 내지 1h로 도시된 바와 같이, 필터 소자(205)가 제공되고, 처리 챔버 크기, 형상, 및 구성은 필요에 따라서 가변될 수 있다. 처리 챔버(211)는 도 1a에 도시된 처리 용기(2)와 동일한 기능을 한다. 도 1a 내지 1h에 도시된 시스템과 또 다른 유사성은 다음과 같다. 유체 커넥터(3)가 반응 챔버(11) 및 처리 용기(2) 사이에 도관을 제공하는 것처럼 유체 커넥터(203)는 필터 소자(205) 및 처리 챔버(211) 사이의 도관을 제공한다. 유체 커넥터(203)는 필터 소자(205)의 입구단(242)으로부터 저장 챔버(211)로 흐르게 한다. 유체 커넥터는 유체 커넥터 입구 및 유체 커넥터 출구를 포함한다. 유체 커넥터(203)는 시어(shear)를 최소화하면서 유체가 챔버(211)로 배출되게 하여 챔버 내의 혼합을 최대화하여 챔버 내부의 배양액으로 산소 전달을 증가시키는 방식으로 추가로 구성될 수 있다. 유체 커넥터(203)는 도 4a 및 4b의 한 형태로 도시된 바와 같이 유체가 필터 소자(205)의 벽(219) 및 유체 커넥터(203) 사이에 흐르도록 하는 분리 공간(284)을 규정한다. 또한, 처리 챔버(211)의 베이스(243)(및 225)의 펌프(204)는 필터 소자(5)가 도 1a의 펌프(4)에 연결되는 방법과 유사하게 필터 소자(205)의 출구단(241)에 연결된다.(도 1의 펌프, 펌프 어댑터, 펌프 하우징, 펌프 공기 입구 포트의 구성요소들(6, 7, 8, 23, 27, 및 29)은 도 4a 내지 도 4e의 구성요소들(206, 207, 208, 223, 227, 및 229)와 유사하다. 다른 특징들은 멸균 필터(222) 및 라인(튜브)(221)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 것을 도시한다. 또 다른 유사점은 필터 입구단(242) 위에 배치되는 유체 커넥터 튜브(203)의 유체 수용단이다. 도 1a 내지 1h에 도시된 시스템 및 도 4a 내지 도 4e에 도시된 시스템 사이의 1차적인 차이점은 입구단(242)으로부터 유체 커넥터 튜브(203)의 연장부이다. 도 1a에서, 유체 커넥터는 외부 용기(2)로 연장되는데, 도 4a 내지 4e에서, 유체 커넥터(203)는 내부 용기, 저장 챔버(211)로 연장된다. 배타적은 아니지만, 이는 바람직하게는 필터 소자(205)의 베이스(243) 하방향으로 필터 소자(205)에 대해서 대칭적으로 연장되고 베이스(225) 위의 처리 챔버에서 종단된다.
그러므로, 펌프(204) 가압 사이클 중에, 유체는 펌프 챔버(207)로부터 농축물 챔버로서 기능하는 중공 섬유 루멘을 통해서 흐른다(도 4a, 4b, 및 4c, 또한 도 1a 내지 1h의 45, 17로 참조). 그 후, 유체는 이들 농축물 챔버의 입구단(271)에서 입구(270)를 통해서 필터 소자 입구단(242)에서 배출된다(도 4d). 그 후, 유체는 개구부(230)를 통한 유체 커넥터의 타단부에서 처리 챔버로 배출되기에 앞서 유체 커넥터(203)로 향한다(도 4a 참조). 필터 소자 입구단(242) 및 탑 플레이트(216) 사이에 배치된 유체 커넥터 단부는 도 4a에서 밀봉된다. 그러므로, 필터 소자 입구로부터 배출되는 유체는 유체 커넥터의 단부를 통해서 배출되는 것이 아니라 오히려 개구부(230)를 향하여 편향된다.
다이어프램 펌프의 배기 사이클 중, 유체 흐름의 방향이 반전되어, 처리 챔버(211)로부터 개구부(230)를 통해서 유체 커넥터(203)로, 입구단(242)을 통해서 중공 섬유로, 출구단(273)에서의 출구(272)를 통해서 섬유 밖으로 배출되고 펌프 챔버(207)로 다시 흐른다(섬유의 출구 및 출구단의 위치에 대하여 도 1을 참조하라). 여과 공정에 대한 접선 흐름을 제공하는 것 이외에도, 교번 흐름은 또한 반응 챔버(211)로 배출되는 유체의 속도로 인해 처리 챔버(211)에서 혼합을 제공할 것이다. 도 4a에서, 펌프(204) 및 처리 챔버 사이의 반전 유체 흐름에 의해 발생되는 혼합 이외에도, 추가적인 교반이 필요로 될 수 있다. 이의 예가 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있다. 반응 챔버 내의 혼합을 용이하게 하기 위하여 처리 챔버 내의 관형 단부 개방형 드래프트 튜브의 존재가 도시되어 있으며, 이 드래프트 튜브는 유체 커넥터(203) 주위에 배치되지만 유체 커넥터로부터 이격된다. 드래프트 튜브(224)는 개방 드래프트 튜브 입구 및 개방 드래프트 튜브 출구를 포함한다. 드래프트 튜브의 외주변 상에 대칭적으로 위치되는 개구부(231)를 통해서 처리 챔버내에서 버블링되는 공기 또는 산소는 유체 양압력 에너지(fluid uplift energy)을 제공하여, 드래프트 튜브의 양단에 대한 원형 흐름을 발생시키며, 이 공정은 본 기술에서 이해되고 텍스트에서 이하에 추가로 설명된다.
도 1a 에서, 장벽(19)은 여과물 챔버(10) 및 반응 챔버(11) 사이의 교환을 조절하기 위한 선택적인 장벽이 바람직하다. 그러나, 도 4a의 시스템에서, 선택적인 장벽(219)을 사용할 수 있지만, 장벽(219)은 비투과성 장벽이 되어 인접 챔버들(210 및 211) 사이의 혼합을 방지한다.
여과물 챔버(210)가 다양한 방식으로 접근될 수 있거나 다양한 수단에 의해 시스템으로부터 제거되는 물질을 필터링하는 것이 이해도지만, 도 4a, 4d, 및 4e는 바람직하게는 견고한 여과물 하베스트 튜브(214)에 연결되는 여과물 하베스트 라인(213)의 예를 도시하며, 라인 및 튜브는 여과물 챔버(210)로부터 여과물(예를 들어, 세포 없는 여과물)을 제거하기 위한 루트를 제공한다. 여과물으로서 배양액으로부터 제거된 배지는 예를 들어 처리 챔버에 연결된 이용가능한 포트(또한 "도관"이라 칭함)중 하나에 연결되는 추가 라인(281)을 통해서 신 배지로 대체된다. 하베스트 펌프(249)는 여과물 제거율을 제어한다. 처리 하베스트 라인(244)은 시스템 외부로부터 처리 챔버(211)로 연장된다. 라인(244)은 후술될 종류의 매니폴드 또는 또 다른 라인에 선택적으로 연결될 수 있다.
하베스트 라인(244)에 연결되는 펌프는 배양액을 "블리드(bleed)"하는데 사용될 수 있는데, 이 절차는 통상적으로 세포 농도를 제어하는데 사용된다. 이 시스템에 및 로부터 유체 첨가 또는 제거의 제어는 공통 펌핑 시스템, 절차 및 제어를 이용하여 수동 또는 자동화될 수 있다. 다수의 포트 및 도관은 처리 챔버의 벽 또는 탑 플레이트로 삽입될 수 있거나 참조번호 244와 같은 라인에 연결된 매니폴드(도 5a에서 포트(245, 246, 및 247))의 부분일 수 있다. 다른 것들은 배지, 보충물, 베이스, 가스 또는 다른 첨가물의 첨가를 위하여 사용될 수 있다. 다른 포트들은 벤트(들)(238)로서 또는 샘플링(234)을 위하여 사용될 수 있다(도 4a, 또한 도 5a에서 매니폴드). 하베스트 튜브(214)를 필터 소자(205)의 중심축을 따라서 여과물 챔버(210)의 중심으로 배치하는 것이 유용할 수 있다(도 4a, 4d 및 4e). 이와 같은 배치는 하베스트 튜브가 밀폐된 바이오리액터 시스템을 관통할 필요가 있는 벽의 수를 최소화함으로써 전체 시스템의 구성 및 조립을 용이하게 한다. 유체 커넥터(203) 및 처리 챔버(211)에서 흐름 경로에 수직인 하베스트 튜브를 배치함으로써 발생될 수 있는 바와 같이, 세포를 부착 및 축적시키는 방해물을 제거 또는 최소화한다. 여과물 하베스트 튜브(214)는 특히 견고할 때, 또한 튜브가 유체 커넥터를 관통하는 지점에서 유체 커넥터(203)를 위한 부착점으로서 사용될 수 있다. 설명되는 바와 같이, 흐름 제어 장치를 배치하면 시스템의 유체 커넥터 또는 다른 부품을 통한 흐름을 제어할 수 있다.
고농도 및 생존력(viablity)으로 세포를 유지시키는 도 4a 내지 4e에 도시된 바와 같은 시스템은 또한 필수 요건을 지닌 배양액을 수용하여야 하는데, 세포 배양 또는 유사한 애플리케이션과 친숙한 것은 필수 요건이 무엇인지를 알기 때문에, 몇 가지 예가 제공된다.
산소- 적절한 산소 레벨은 고 세포 농도로 배양액을 유지하는데 필요로 되는 중요한 구성요소이다. 산소 공급 시스템의 예가 도 4a, 4b 및 도 4c에 도시되어 있다. 기공(231)을 통해서 처리 챔버(211)로 가스를 배출하는 스파저 링(230)이 도시되어 있다. 이 스파저 링은 저장 챔버(211)의 베이스 또는 펌프 플랜지(226) 내에 대칭적으로 배치될 수 있다. 기공으로부터 처리 챔버의 외벽(215)으로 효율적으로 연장될 수 있는 채널(232)에는 처리 챔버 벽(215)을 가로지르고 유입가스를 멸균하기 위해 입구에서 필터(233)를 포함하는 채널(232)을 통해서 가스를 공급받는다. 이와 같은 원형의 관형 스파저 링(230) 및 스파지 기공(231)은 제조중 펌프 플랜지(226)로 수행될 수 있다.
기공(231)은 다이어프램 펌프 근처의 처리 챔버의 단부에 배치된다는 것을 알 수 있다.
스파지 기공(231)은 베이스(225)를 따라서 위치되어 산소 전달을 최대화하며, 시어(shear)를 감소시키고 교반을 증가시킨다. 스파지 기공(231) 또는 공기 입구 조립체의 다른 부분에는 단방향 체크 밸브가 장착되어 한 방향으로 만의 흐름을 보장하여, 스파저 링(230)으로의 역흐름을 중단시킨다. 산소를 배양액으로 전달하는 또 다른 방법(도시되지 않음)은 드래프트 튜브(224) 자체로 가스를 전달하기 위해 드래프트 튜브 지지 프레임(252)에 채널을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같은 드래프트 튜브 자체는, 본 기술 분야에 익숙한 방법들을 이용하여 스파지 메커니즘에 의해 또는 확산 메커니즘에 의해 드래프트 튜브로 유입하는 산소가 배양액으로 전달 되도록 하는 방식으로 구성될 수 있다.
교반-배양액의 혼합, 또한 부유 배양의 중요한 양상은 다수의 공지된 메커니즘에 의해 제공될 수 있다. 일 예로서, 드래프트 튜브(224)가 필터 소자(205)를 둘러싸면서 중앙에 배치되는 것이 4a 내지 4b에 도시되어 있다. 스파저 기공(231)과 결합하여, 상승 버블에 의해 생성되는 업드래프트는 드래프트 튜브 내에서 유체 흐름의 양압력을 발생시킨다. 유체 업드래프트는 드래프트 튜브(224)의 외부의 버블에 의해 생성될 수 있고 유체는 드래프트 튜브의 베이스 및 반응기 베이스(225) 사이의 드래프트 튜브 출구(229)의 중심을 통해서 다운드래프트로 반환되어 순환 흐름을 재개한다. 다이어프램 펌프 플랜지(226) 및 반응기 베이스(225)는 셀 축적용 데드존(dead zone)의 형성을 최소화하고 배양액의 순환 흐름을 용이하게 하기 위하여 형상화될 수 있음에 유의한다. 드래프트 튜브의 최상단은 저장소에 액체가 존재할 때 액위(237) 아래에서 유지된다. 이 교반의 "공기-리프트" 방법은 널리 알려진 공정이고 이 공정에 익숙한 통상의 기술자에 의해 가변될 수 있다. 드래프트 튜브의 부착 및 위치조정은 다양한 방식으로 성취될 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 이 드래프트 튜브는 다른 부착물에 의해 드래프트 튜브 지지 프레임(252)을 통해서 반응기 벽(215) 또는 탑 플레이트(216) 또는 다른 베이스(225)에 고정될 수 있다. 반응기의 최상부의 벤트 튜브(238)는 첨가된 가스 또는 일반적으로 가스 흐름용 벤트를 제공할 것이다.
또 다른 가능한 교반의 형태는 다이어프램 펌프에 의해 야기되는 교번 흐름의 이점을 포함한다. 도 4d 및 4e에 도시된 바와 같이, 단방향 체크 밸브 조립체(225)를 유체 커넥터(203)에 결합시킬 수 있는데, 이는 도 4a 및 4d에 도시된 바와 같이 유체 커넥터를 통한 직접 흐름 일 수 있고 처리 챔버로의 흐름 방향일 수 있다. 펌프(204)의 배기 사이클 동안, 전체 흐름은 처리 챔버(211)로부터 펌프 챔버(207)로 구성된다. 이 흐름의 적어도 일부는 퍼핏 밸브 개구부(246)를 통해서 이루어지고 이 흐름의 일부는 상술된 바와 같이 개구부(230)를 통해서 진행할 것이다. 가요성 재료로 될 수 있는 퍼핏 밸브(228)(도 4d 및 도 4e 참조)는 반응 챔버에 대한 유체 커넥터 내에서 발생되는 부압력에 의해 그리고 처리 챔버(211)로부터 포트(246)를 통해 펌프 챔버(207)로의 필터 소자(205)로 흐르는 유체의 흐름에 의해 발생된 최종 힘에 의해 개구부로부터(246) 강제로 떨어질 수 있다. 한편으로, 펌프 가압 사이클 동안, 흐름 방향이 반전될 때, 입구단(242)에서 배출하면서, 펌프 챔버(207)로부터 배출되는 흐름은 필터 소자(205)로 향하고, 개구부(246)에 대한 퍼핏 밸브(228)를 강제하며, 이들 개구부를 통한 추가적인 유체 흐름을 효율적으로 차단하고, 따라서 흐름은 개구부(230)로부터 배출되면서 단지 유체 커넥터(203)를 통해서 진행할 수 있다(도 4a 참조). 이 공정은 처리 챔버(211) 내의 순환 흐름을 제공하여 혼합을 용이하게 한다. 밸브(225)의 방향 및 이의 구성은 필요에 따라서 가변될 수 있다. 다른 공통적인 교반 형태는 처리 챔버 내에서 혼합을 용이하게 하도록 사용될 수 있다.
시스템용 온도 제어는 열 블랭킷(thermal blanket), 물 또는 공기 재킷, 가열 소자, 등을 포함한 다양한 방식으로 성취될 수 있다.
서술된 밀폐된 바이오리액터 시스템은 최적의 결과를 성취하기 위하여 다양한 용도를 위하여 주문제작될 수 있다.
밀폐된 바이오리액터 시스템의 또 다른 예가 도 4f에 도시되어 있다. 도 4f에서의 예는 처리 챔버(211)가 백(215) 내에 존재하는 밀폐된 바이오리액터 시스템을 도시하고, 이는 도 4a의 시스템과 유사한 전체 시스템용 인클로저로서 작용한다. 그러나, 필터 소자(205)는 이 예에서 수평으로 배치되어 있다. 또한, 도 4에 존재하는 드래프트 튜브(224) 및 공지 스파징 기공(231)은 여기에 부재하며, 배양액으로 교반 및 산소 전달의 다른 형태가 제공된다. 펌프(204)는 일 단부, 출구단(243)에서 필터 소자에 연결되고 타단부 또는 입구단(242)에서, 필터 소자는 유체 커넥터(203)에 연결되거나 입구단은 직접적으로 백으로 배출될 수 있다.
상술된 바와 같이, 다이어프램 펌프에 의해 발생되는 유체 흐름은 필터 소자(205)를 통해서 펌프 챔버(207) 및 처리 챔버(211) 사이에서 가역적으로 흐른다. 필터링된 하베스트는 포트(212) 및 하베스트 라인(213) 및 펌프(204)를 이용하여 여과물 챔버(210)로부터 수집될 수 있고, 시스템으로부터의 추가적인 첨가 및 차감은 다른 라인(246 및 247) 또는 필요하다면 다른 라인을 통해서 이루어질 수 있다. 게다가, 도 4f에서, 구성요소(54, 206, 208, 및 219)는 도 4a, 4b, 4d 및 4e의 구성요소들(54, 206, 208, 및 219)과 근본적으로 또는 기능적으로 동일하다. 참조 번호가 기재되어 있지 않지만 도 4f의 다른 구성요소들은 도 4a, 4b, 4c, 및/또는 4d와 동일한 의미가 있음은 명백하다.
따라서, 도 4f의 유체 여과 시스템은 도 4a의 유체 여과 시스템의 간단한 변형으로 간주될 수 있다. 필터 소자(205)를 둘러싸는 커넥터 튜브(203), 원통형 드래프트 튜브(224), 스파저 링(230) 및 산소 버블 유입용 기공(231)은 도 4f에 도시되어 있지 않다.
제공된 예들은 시스템의 가능한 구성 전부가 아니라 일부를 도시한다. 펌프가 상부 위치에 있고 필터 소자가 펌프 아래에 있는 시스템을 포함할 수 있다. 다이어프램 펌프로부터 배출되는 유체는 필터 소자의 최상부로 흘러 필터의 하단부에서 반응 챔버로 배출된다. 이와 같은 실시예가 도 4g에 도시되어 있다. 도 4g에서 포스트(250) 및 라인(244)용 포트는 탑 플레이트(216) 아래에서만 도시된다는 점에 유의한다. 이들 포트는 탑 플레이트 (216) 위에서 연장되지만, 탑 플레이트 위의 이들 포트들의 부분은 도 4g에 도시되지 않는데, 그 이유는 펌프 플랜지의 부분을 포함하는 원통형 구성요소(226)가 이 도면을 위하여 도시된 것으로부터 이들을 불명료하게 하기 때문이다.
다이어프램 펌프가 직접적으로 필터 소자에 연결되는 것이 아니라 도관을 통해서 연결되는 시스템을 고려할 수 있다. 다른 예들이 또한 가능하다.
샘플링 매니폴드 및 공정
일반적인 양상에서 매니폴드 발명은 다음을 포함한다.
(1) 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 채널(튜브의 내부 채널과 같은);
(2) 이 채널의 제1 단부 및 튜브에 연결되는 교번 흐름 다이어프램 펌프; 및
(3) 채널의 두 단부 사이의 위치에서의 채널에 위치되는 다수의(하나 이상의) 프로브 포트로서, 채널의 제2 단부는 유체원(용기 또는 반응 챔버)에 연결될 수 있는, 다수의 프로브 포트.
포트는 프로브 또는 센서가 채널 내의 유체를 샘플링하거나 감시하기 위하여 삽입될 수 있는 장소를 제공한다. 포트는 또한 채널 내 내용물에 첨가 또는 차감이 이루어질 수 있는 장소를 제공한다. 샘플링에 사용될 때, 각 프로브 포트는 프로브 장치에 연결된다. 각 프로브 장치는 채널 내에 유체의 물리적 또는 화학적 특성을 측정하는 장치일 것이다. 이 측정은 유체에 존재하는 특정 물질의 압력, pH, 또는 농도의 측정을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
매니폴드 발명은 채널 내의 필터 소자와 필터 소자 및 하나 이상의 포트 사이에 배치되는 여과물 챔버를 더 포함할 수 있다. 필터 소자는 예를 들어 중공 섬유 필터 카트리지일 것이다. 필터 카트리지의 외벽은 바람직하게는 완전한 투과성이 되어, 보다 작은 물질의 크기 선택 단계가 중공 섬유의 반투과성 멤브레인 벽에 의해 제어된다.
본 발명의 매니폴드 샘플링 공정은 다음을 포함한다.
(1) 용기(또는 챔버 또는 격실)로부터의 유체를 매니폴드 채널에 유입시키는 단계;
(2) 용기에 반환되도록 유체를 대부분 또는 완전히 배출시키는 단계로서, 유체의 모션은 교번 흐름 다이어프램 펌프에 의해 제어되는, 배출 단계; 및
(3) 이 채널 내에 존재하는 유체의 특성을 측정하는 단계로서, 이 측정은 이 채널에 연결된 프로브 장치에 의해 이루어지고 이 프로브 장치는 유체의 물리적 또는 화학적 특성을 측정할 수 있는, 측정 단계.
이 공정은 바람직하게는 상술된 매니폴드 시스템을 이용하여 수행된다.
본원에 서술된 바와 같은 교번 접선 흐름 공정에서 여과물 격실 및 농축물 격실(또는 챔버) 사이의 고속 유체 평형은 이와 같은 측정을 용이하게 하여, 농축물 및 여과물을 동일 샘플 스트림에서 샘플링할 수 있다.
도 5a 및 5b는 샘플링 매니폴드(259, 260)의 2가지 실시예를 도시한다. 매니폴드로부터 처리 용기까지의 커넥션(244)은 바이오리액터로부터 매니폴드를 분리하는 것을 용이하게 하거나 바이오리액터로의 연결을 용이하게 하고 멸균 방식으로 이와 같은 절차의 수행을 용이하게 한다. 바이오리액터 시스템(예를 들어, 도 4a 및 도 4f)의 폐기처분가능한 특성은 예를 들어 도 4a의 라인(244)을 통해서 바이오리액터에 가역적으로 연결될 수 있는 제거가능한 샘플링 매니폴드의 사용에 의해 개선된다. 프로브를 처리 챔버(211)(도 4a)에 직접 삽입할 수 있지만, 그렇게 하는 것은 편리하지 않다. 프로브는 값비싸며, 바이오리액터로 공급되면, 시스템의 비용을 크게 증가시킨다. 사전 멸균된 바이오리액터로 프로브를 직접 삽입하면 오염될 수 있으며, 이와 같은 프로브는 캘리브레이션 중에 고장날 수 있거나 캘리브레이션 밖에 있어 무용하게 됨으로 배양을 위협한다. 프로브는 크게될 수 있어, 필요시 소형 배양 시스템에 의해 손쉽게 수용되지 않는다. 그러므로, 단일 멸균 커넥션을 구현할 수 있는 본 발명의 매니폴드와 같은 장치를 통합하여, 배양액을 빈번하게 샘플링하고 샘플을 분석함으로써 배양액의 상태를 감시한다. 이와 같은 샘플링은 배양액의 고속 변화를 감시할 정도로 충분히 빨라야 한다. 도 5a 및 도 5b에 도시된 매니폴드(259, 260)는 다수의 가변 프로브(261, 263, 264, 및 265와 같은)를 보유할 수 있다. 프로브로부터의 출력은 예를 들어 라인(262)을 통해서 이와 같은 출력을 감시할 수 있는 제어기 장치 또는 장치들(도시되지 않음)에 연결될 수 있고 데이터 출력을 제공하고 pH, DO, CO2, 및 이외 다른 것들과 같은 배양 파라미터의 능력을 제어할 수 있다.
매니폴드(259, 260) 둘 다는 라인(244)을 통해서 일 단부(제1 단부)가 펌프(274)에 연결되고 타단부(제2 단부)가 예를 들어 바이오리액터, 바이오리액터 시스템, 또는 여과 시스템에 연결되는 채널(예를 들어, 튜브)(266 및 279) 각각을 포함하여, 유체가 매니폴드 및 바이오리액터 사이에 흐르도록 한다. 채널(266 및 279)은 다이어프램 펌프(274)에 연결된다. 이와 같은 펌프는 다이어프램 펌프(4 및 204)와 유사하고 다이어프램(276)에 의해 분리된 2개의 챔버(277 및 278)를 갖는다. 펌프(274)는 펌프(7 및 207)에 대해서 상술된 바와 같이 펌프 챔버(277) 및 처리 챔버(211)(도 4a 참조)를 통해 유체를 수용하고 배출할 수 있다.
라인(244) 및 프로브 매니폴드를 통해서 용기 및 펌프 사이에서 순환하는 유체의 빈도와 프로브 매니폴드는 다이어프램 펌프(274)의 순환 빈도를 제어함으로써 제어될 수 있다. 이는 배양 샘플 속도를 제어하기 위한 간편한 방법을 제공한다. 프로브(261, 263, 264, 및 265)는 매니폴드 채널(266 또는 279)로 노출되는 감지 단부를 지닌 매니폴드(260)에서 고정될 수 있다. 따라서, 매니폴드 채널(266 또는 279) 내의 유체가 탐침되고 감시될 수 있다. 외부원으로부터 매니폴드 내에서 유체의 오염을 방지하고 배출된 매니폴드 내의 유체를 가두는 방식으로 매니폴드 내에 프로브를 배치하여야 한다. 덜 바람직하지만, 또 다른 도관을 통해서 배양 용기로 샘플을 반환시키는 것이 아니라 샘플이 분석용 매니폴드(260)를 통과하면서, 연동 펌프와 같은 연속 펌프를 이용하고 하나의 도관을 통해 배양 배지를 제거하는 것이 설명된 개념의 범위를 넘지 않는다.
서술된 샘플링 매니폴드(260)의 다른 이점이 존재한다. 다음은 일부 예이다.
1. 샘플링 매니폴드는 또한 예를 들어 라인(234, 245, 또는 247)을 통해서 그리고 예를 들어 펌프(248)를 통해서 바이오리액터 내 배양액 및 이로부터 첨가 및 차감시키는 267과 같은 다수 포트를 통합할 수 있다. 이로 인해, 밀폐된 반응기 시스템에 첨가될 필요가 있는 포트의 수는 크게 감소되어, 시스템의 구성을 용이하게 하고 이의 이용을 간단화한다.
2. 샘플링 매니폴드(260)와 도 4a에 도시된 201과 같은 밀폐된 반응기 시스템 사이의 단일 커넥터 라인(244)은 공통 튜브 용접기 또는 유사한 멸균 커넥터를 이용하여 샘플링 매니폴드를 용기에 빠르게 탈부착시킨다.
프로브 고장 또는 캘리브레이션을 필요로 하면, 샘플링 매니폴드는 또 다른 것과 빠르게 교환되어, 배양의 위험성을 크게 감소시킨다.
3. 이와 같은 샘플링 매니폴드가 준비되고 도 4에 도시된 201과 같은 바이오리액터로부터 별개로 멸균될 수 있어, 이들의 이용 및 멸균을 크게 간편하게 한다.
4. 샘플링 매니폴드는 폐기처분가능한 백과 함께 손쉽게 사용될 수 있다. 폐기처분가능한 백의 제한들 중 하나는 다수의 프로브를 백에 배치하고 백 내의 배양 조건을 감시하고 제어하는 것이 어렵다. 서술된 바와 같은 프로브 매니폴드는 이 핸드 캡을 경감시킬 수 있다.
5. 서술된 매니폴드는 도 5a에 도시된 바와 같이 채널(266) 내 필터 소자(285)(가령 중공 섬유 필터 카트리지)를 포함하는 방식으로 수정될 수 있다. 필터 소자(285)가 사용될 때, 필터 소자를 둘러싸고 포트(263, 264, 및 267)와 유체 접촉하는 매니폴드 여과물 챔버(286)(또는 격실)를 이용하는 것이 바람직하다. 도 5a의 필터 소자(285)의 위치는 하나의 위치이지만, 필터 소자 및 여과물 챔버(286)는 채널(266) 내부의 그 밖의 곳에서 유사하게 위치될 수 있다. 배양 배지는 배양액을 포함한 챔버(211) 및 펌프 챔버(277) 사이에 가역적으로 흐를 것이다.
6. 바이오리액터로부터 배양 샘플을 제거하는 능력은 바이오리액터 내 고정된 프로브로 손쉽게 이루어지지 않는 부가적인 진단 능력을 사용자에게 제공한다. 예를 들어, 바이오리액터로부터 펌프로 흐르는 샘플의 흐름은 특정 지속기간 동안 중단될 수 있으며, 이 기간 동안, 산소 농도의 붕괴율은 감시될 수 있어, 배양 조건을 반영한다. 유사하게, 다른 배양 파라미터, 글루코스, CO2, pH 및 다른 것들의 변화율은 배양을 방해함이 없이 반복적으로 감시될 수 있다. 바이오리액터로부터 샘플의 반복적인 제거가 필요로 되지 않음으로, 오염 위험성 및 샘플의 변화를 감소시킨다.
7. 필터 소자(285)에 의해 여과된 스트림을 형성하는 능력은 여과물 라인(247)에 의해 스트림이 HPLC와 같은 2차 분석 장치 또는 일부 다른 분석기로 흐르게 한다.
필터 소자(285)는 두개의 O-링(258)에 의해 채널(266) 내에서 위치 고정될 수 있다. 그러나, 필터는 또한 접착제를 이용하여 또는 기계적으로 채널 내에서 위치되고 밀봉될 수 있다.
필터 및 채널(266)의 벽 사이에 형성된 매니폴드 여과물 챔버(286)는 채널(266)에 노출되는 프로브에 의해 탐침될 수 있다. 바람직하게는 필터 소자(285)는 완전히 투과가능한 외벽을 갖는다. 챔버(211, 277) 사이의 교번 흐름은 매니폴드(260) 내의 농축물 및 여과물 격실 사이에서 유체의 흐름을 용이하게 한다. (매니폴드의 농축물 격실은 예를 들어 필터 소자(285)와 필터 소자에 의해 점유되지 않는 채널(266)의 부분의 중공 섬유 내부의 공간이다).
바이오리액터 및 펌프(274) 사이의 매니폴드를 통한 교번 흐름은 프로브 매니폴드가 배양 조건을 정확하게 반영할 수 있게 한다. 시스템의 농축물 챔버, 여과물 챔버 또는 처리 챔버 및 원한다면 평행 스트림의 배양 조건을 감시하는 것을 포함하도록 이 개념을 확장할 수 있다. 세포 파편 없이 여과된 스트림에서 배양 조건을 감시하면 프로브 상의 파편의 축적을 최소화함으로써 프로브의 수명을 연장할 수 있다. 여과된 스트림은 또한 여과된 샘플을 필요로하는 다른 분석 기구로 향할 수 있다. 이는 다음을 토대로 세포 성장 및 배양 활동을 감시하는 능력을 사용자에게 제공한다. 이와 같은 장치는 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다.
듀얼 펌프 시스템
듀얼 펌프 발명
또 다른 발명은 듀얼 펌프 시스템으로서, 이 시스템은 다음을 포함한다.
1) 두 개의 챔버로 구성된 다이어프램 펌프인 제1 펌프로서, 이 제1 펌프는 유체원에 연결가능한 펌프 저장 챔버인 제1 챔버를 포함하며, 이 제1 펌프는 도관에 연결가능한 인터페이스 챔버인 제2 챔버를 포함하며, 이 제1 및 제2 챔버는 탄성적으로 변형가능한 다이어프램에 의해 분리되는, 제1 펌프;
2) 이 제1 펌프의 인터페이스 챔버에 연결되는 도관; 및
3) 이 도관에 연결되는 인터페이스 챔버를 포함하는 제2 챔버로서, 이 제2 펌프 인터페이스 챔버는 탄성적으로 변형가능한 다이어프램, 또는 비탄성적, 피스톤형 가동벽으로 구성된 그룹으로부터 선택된 가동 소자를 포함하며, 이 제2 펌프는 압력 조절 메커니즘에 연결가능한, 제2 펌프;
일 실시예에서, 이 압력 조절 메커니즘은 배타적으로 제2 펌프(제1 펌프가 아님)에 연결된다. 또 다른 실시예에서, 이 압력 조절 메커니즘은 예를 들어 연동 펌프를 이용함으로써 제1 펌프 및 제2 펌프 둘 다에 연결된다.
유체원의 예는 바이오리액터, 예를 들어, 밀폐된 유체 여과 시스템 또는 상술된 밀폐된 바이오리액터 시스템의 농축물 챔버를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
일 실시예에서, 제2 펌프는 또한 탄성적으로 변형가능한 다이어프램을 포함한 교번 흐름 다이어프램 펌프이다. 또 다른 실시예에서, 제2 펌프는 가동벽을 포함하는 기계적 펌프이며, 이 펌프의 가역적인 이동 및 펌프 작용은 잘 설정된 방법에 의해 부여된다. 많은 가능한 기계적 펌프들 중 한 가지 예는 가동벽이 모터 또는 스텝 모터에 결합되는 캠 메커니즘에 의해 구동되는 피스톤 펌프의 일부인 피스톤(피스톤 벽)이다. 가역적인 피스톤 이동은 캠 스트로크에 의해 결정된다는 것이 널리 알려져 있다. 가능한 메커니즘 펌프의 또 다른 예에서, 가동벽은 모터 또는 스텝 모터에 결합되는 스크류 또는 스레드 구동축에 직접 또는 간접적으로 결합한다. 구동축의 회전은 스크류-형 방식으로 벽을 이동시킨다. 축 회전방향(그러므로, 벽 이동 방향) 및 벽에 의해 이동되는 거리는 전자기계적 회전 장치의 회전 방향 및 지속기간 및/또는 스크류 축의 구성에 의해 제어될 수 있다. 상기 두 가지 실시예들 중 피스톤 이동의 속도는 모터 회전 속도, 피치 및 스크류의 피치 방향에 의해 제어될 수 있다. 모든 에너지를 제1 펌프로 전달하기 위해 제2 펌프 챔버 및 벽이 밀봉되어 누설 방지가 되어야 함은 또한 알려져 있다.
제1 펌프의 인터페이스 챔버는 두 개의 펌프 시스템에서 펌프의 임의의 다른 펌프보다 크게 되어, 제1 다이어프램 펌프 내에서 다이어프램의 이동을 제한하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 제1 펌프의 인터페이스 챔버, 제2 펌프의 인터페이스 챔버, 및 이들을 연결하는 도관은 비압축성 배지, 바람직하게는 액체로 채워진다.
선택적으로, 듀얼 펌프 시스템은 펌프 작용의 추가적인 제어를 위하여 하나 이상의 챔버, 특히 제2 다이어프램 펌프의 인터페이스 챔버에서 센서를 더 포함한다. 또한, 선택적으로, 하나 이상의 부가적인 펌프는 공기, 액체 또는 다수의 펌프 시스템에서 펌프(들)의 작용을 제어할 수 있는 기계적인 결합을 통해서 듀얼 펌프 시스템의 두 개의 펌프에 연결된다.
듀얼 펌프 펌핑 공정은 하나 이상의 펌프 사이클을 통해서 제1 및 제2 펌프를 순환시키는 단계를 포함하는데, 이 펌프들은 각 인터페이스 챔버에 의해 서로 연결되며, 제1 펌프는 인터페이스 이외에 외부 유체원에 연결된 펌프 저장 챔버를 포함하는 2개의 챔버로 구성된 다이어프램 펌프이며, 이 제2 펌프의 인터페이스 챔버는 외부 유체원에서의 압력보다 교번적으로 적거나 큰 외부 압력원(압력 조절 메커니즘)으로부터 방출되는 압력에 노출된다.
공기압(예를 들어, 도 1a 및 4a)에 의해 구동되는 단일 펌프 시스템(예를 들어, 더블 펌프 시스템 보다는)을 이용하면 특히 큰 규모에서 대단히 유효하다는 것이 입증된다. 그러나, 신뢰성 및 펌핑 정확도에 부정적인 영향을 미치는 많은 특징을 겪게 된다. 이와 같은 단점은 고유한 공기 압축성으로부터 도출된다. 예를 들어, 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 압력 사이클 동안 가스(통상적으로 공기)는 펌프의 제1 챔버(8)로 흘러, 그 내의 가스를 가압하고 압축한다. 펌프의 공기 제1 챔버(8) 및 제2 챔버(7) 사이에 가요성 다이어프램(6)을 가지면 챔버내 내용물을 분리하고 가압동안 제1 챔버(8)의 팽창을 허용하고, 동시에 액체를 제2 챔버(7)로부터 처리 용기(2)로 향하게 한다. 이 결과의 흐름 속도는 제1 챔버(8) 및 처리 용기(2) 사이의 압력 차 ΔΡ의 함수이다. 설명을 위하여, 용기(2) 내의 압력이 일정한 채로 유지된다고 가정하면, 특정 속도로 다이어프램(6)을 구동하는데 필요로 되는 챔버(8)의 압력은 용어 "구동압(driving pressure)"이라 칭하고, 따라서 증가하는 ΔΡ에 따라서 구동압, 흐름 속도를 증가시켜, 다이어프램 위치를 제어하는 것이 어렵다. 서비스 공기압의 약간의 변화, 센서, 조절기, 밸브, 제어기 전자 장치 응답의 고유 지연은 압력 사이클의 끝에서 다이어프램의 최종 위치에 영향을 미친다.
유사한 곤란성이 배기 사이클 중에 발생된다. 펌프 제1 내부 챔버(8)의 가스 압력이 처리 용기(2)에 대해서 감소될 때, 흐름 방향은 용기(2)로부터 다이어프램 펌프(4)를 향하여 역으로 된다. 흐름 속도는 용기(2) 및 다이어프램 펌프(4) 사이의 ΔΡ에 좌우되고 "부 구동압(negative driving pressure)"이라 칭한다.
그러나, 가스의 압축성 때문에, 압력 및 배기 사이클 동안 각각 유사한 +ΔΡ 또는 -ΔΡ를 발생시키는 것은 두 방향에서 유사한 흐름을 발생시키지 않는다. 챔버(8)로 그리고 챔버로부터의 흐름 속도를 결정하기 위하여, 다음 식이 이용될 수 있다.
흐름 속도 = 챔버(8) 변위량 / 변위 시간
챔버(8)로 그리고 챔버(8)로부터의 동일한 흐름 속도를 유지함으로써, 각 압력 및 배기 사이클의 지속기간은 유사하지 않으며, 용기(2)에 대한 챔버(8)를 가압하면 챔버 내에서 가스를 압축함으로써, 챔버 내에서 가스량을 증가시키며, 역으로, 배기 사이클로의 전이는 챔버(8) 내 압력을 감소시켜, 사실상 챔버(8)로부터 가스량을 소거하는데 더 긴 시간을 필요로 한다. 압력 및 배기 동안 일정한 사이클 기간을 설정하기 위한 노력은 바람직하지 않은 효과 유사하지 않은 가스 흐름 속도로 성취될 수 있다.
단일 펌프 교번 접선 흐름 시스템을 구동시키기 위해 가스를 이용한 또 다른 효과는 사이클 전이 동안 관찰된다. 압력 사이클로 전이하면, 제1 내부 챔버(8)의 압력은 완전 배기로부터 정 구동압으로 스위치할 필요가 있다. 유사하게, 배기 사이클로 전이하면, 챔버(8) 내 압력은 완전 압력으로부터 부의 구동압으로 스위치할 필요가 있으며, 교번 흐름 사이클 동안 이와 같은 급격한 압력 변화는 사이클 전이 동안 짧은 지연이 되어 "소프트 전이"라 칭한다. 이와 같은 지연은 더 높은 흐름 속도로 되는데, 여기서 유체 흐름 모멘텀은 전이를 붕괴시키는데 점점 더 중요하게 된다. 사이클 흐름 제어 정확도를 더욱 복잡하게 할 수 있는 일부 팩터들이 존재한다. 소프트 전이가 많은 애플리케이션에서 유용하지만, 많은 다른 애플리케이션에서 유용하지 않을 수 있다. 예를 들어, 접선 흐름(기술적으로 덜 효율적인 "데드 앤드 여과(dead end filtration)"로 반전)의 임의의 감소는 소프트 전이 동안 필터의 수명을 감소시키거나 여과 용량을 감소시킨다는 것이 알려져 있다. 차단되지 않거나 지연되지 않는 사이클 전이는 특히 더욱 일정한 교번 접선 흐름이 필수적인 경우 더 바람직할 수 있는데, 이와 같이 지연되지 않은 사이클 전이는 "하드 전이(hard transitions)"라 지칭한다.
하나의 다이어프램 펌프를 이용하는 또 다른 잠재적인 문제는 공기 구동 챔버 및 액체 챔버로 펌프를 분리시키기 위한 단일 다이어프램 이용시 내재 한다. 다이어프램가 파괴되면, 가압된 공기는 제한되지 않는 처리 용기로 흘러, 잠재적으로 위험 상태를 야기한다. 또한, 액체는 제어기를 향하여 흘러, 잠재적으로 프로세스를 오염시키고 제어기를 손상시킨다.
다양한 제어 방식 센서, 공기압 장치, 프로세스 수정 또는 다른 가능한 방식으로 공기 구동 단일 펌프 시스템의 서술된 단점들 중 일부를 보상할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 다이어프램 사이클 또는 흐름 속도가 교번하는 흐름 사이클 동안 보다 큰 정밀도 및 신뢰성으로 제어될 수 있다면 더욱 바람직하다. 다이어프램 파괴시 밀폐된 반응기 시스템의 무결성이 손상 및 오염되지 않고 유지된다면 또한 바람직하다. 어떤 경우에, 특히 압축된 공기 또는 진공 서비스가 제한되고 또는 이용되지 않는 경우에 압축된 공기 또는 진공 이외의 펌핑 에너지원이 펌프를 구동하는데 사용되면 더욱 바람직하다. 도 3a, 3b, 3c, 및 3e는 서술된 직접 공기 구동 펌프 시스템 이외의 방법들의 예를 제공한다.
도 3a는 다이어프램 펌프(104)만을 이용하여 더욱 개선되는 듀얼 펌프 시스템을 포함하는 밀폐된 여과 시스템(101)을 도시한다.
그러나, 도 1a 내지 1h에 도시된 바와 같은 밀폐된 여과 시스템(1)의 많은 특징이 도 3a에 도시된 시스템(101)에 존재한다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 도 1a의 구성요소들(3, 4, 5, 6, 7, 8, 11, 12, 13, 및 14)은 구성요소들(103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 111, 112, 113, 및 114) 각각으로서 존재한다. 추가적인 예들은 구성요소들(115(비록 제2 펌프(144)를 포함하는데 충분히 길지라도), 116(비록 단면도 때문에 크로스 해칭할 필요가 있을지라도), 119, 124, 125, 129, 140, 141, 142, 및 143)로서 존재하는 도 1a에서의 구성요소들(15, 16, 19, 24, 25, 29, 40, 41, 42, 및 43)이다. 도 1a 및 3a에 공통되는 전술한 구성요소들 모두는 또한 도 3b에 존재한다.
그러나, 도 3a에서, 제2 펌프(144)는 듀얼 펌프 시스템을 형성하도록 통합되는데, 두 개의 펌프는 도관(135)을 통해서 직렬로 연결된다. 도관(135)은 짧을 수 있어, 도 3a에서 처럼 두개의 펌프들 사이의 연결 길이를 최소화하는데, 이는 두 개의 펌프와 전체 밀폐된 반응기 시스템을 결합하여 하나의 모듈로 결합되도록 한다. 도관(135)은 길게되어, 도 3b에 도시된 바와 같이 두 개의 펌프를 분리시킨다. 공기, 모터 드라이브 또는 다른 기계적인 장치의 이용을 포함하지만 이에 제한되지 않으면서, 도관의 선택이 펌프를 구동하는 방법의 선택에 있어 더 큰 유연성을 허용한다.
도 3a 및 도 3b에서, 듀얼 펌프 시스템의 예들은 제1 펌프(104)와 유사한 제2 펌프(144)의 이용, 즉 두 개의 챔버로 구성된 다이어프램 펌프를 도시한다. 제1 펌프(104)처럼, 제2 펌프(144)는 다이어프램(136)으로 분리되는 두 개의 챔버(137, 138)를 포함한다. 제1 펌프(104) 내의 챔버(107)(또한 본원에서 "펌프 저장 챔버"라 칭함)는 전술된 바와 동일하다. 용기(예를 들어, 도 1a에서 용기(2)를 참조)로부터 그리고 용기로 흐르는 농축물을 수용하거나 배출하는 저장소로 이어진다. 그러나, 상술된 공기 구동 시스템과 달리, 제1 펌프(104) 내의 챔버(108)(또한 본원에서 "제1 펌프의 인터페이스 챔버")는 도관(135)을 통해서 제2 펌프(144)의 챔버(137)(또한 "제2 펌프의 인터페이스 챔버"라 칭함)와 연결된다. 게다가, 제1 펌프(104)의 챔버(108), 제2 펌프의 챔버(137), 뿐만 아니라 도관(135)은 바람직하게는 비압축성 배지, 바람직하게는 액체(139는 이와 같은 실시예가 사용될 때 액체의 위치를 나타냄)로 채워진다. 제2 펌프(144)의 제2 챔버(138)는 챔버(138)로 또는 이 챔버로부터의 공기 흐름을 사용하거나 서술된 바와 같이 일부 다른 메커니즘에 의해 챔버(137)의 체적을 변경시킴으로써 교번 펌프(104)를 구동시킬 수 있다. 펌프(144)의 제2 챔버(138)는 선택적으로 멸균 필터(122) 및 라인(121)을 통해서 제2 챔버의 내용물에 대한 정압력 또는 부압력을 가하는 공기 압력 조절 메커니즘 또는 장치(154)에 연결될 수 있다. 가스가 사용되는 경우에, 가스를 챔버(138)에 부가하는 것은 다이어프램(136)을 구동시키고 챔버를 팽창시킨다. 이는 챔버(137) 내 액체를 도관(135)을 통해서 챔버(108)로 이동시켜, 이 챔버를 팽창시킨다. 전술된 바와 같이, 챔버(108) 내 압력이 용기(102) 내 압력 보다 높으면, 챔버(108)의 팽창은 챔버(107)내 농축물을 용기(102)를 향하여 구동시킬 것이다. 역으로, 챔버(138)를 배기시키고 용기(102)에 대한 압력을 감소시키면 위치(139)에서의 비압축성 액체가 제1 펌프 챔버(108)로부터 제2 펌프 챔버(137)로 흐르도록 한다. 그 후, 농축물은 용기(102)로부터 제1 펌프 챔버(107)로 흐른다. 다음은 서술된 더블 펌프 시스템의 일부 이점을 나타낸다.
한 가지 이점은 위치(139)에서의 비압축성 액체는 애플리케이션에 따라서 가변될 수 있다. 예를 들어, 세포 배양 시스템에서 사용될 때, 위치(139)에서의 비압축성 액체는 PBS(인산-완충된 살린) 또는 배양 배지 그 자체 일 수 있다. 부가적인 보호로서, 위치(139)에서의 비압축성 액체는 전체 밀폐된 반응기 시스템과 동시에 멸균될 수 있거나 전용 포트(도시되지 않음)를 통해서 멸균 방식으로 멸균 다음 펌프 챔버로 첨가될 수 있다. 그러므로, 다이어프램(106)이 파괴되면, 위치(139)에서의 비압축성 액체는 배양액에 해를 미침이 없이 농축물 경로(109)로 흐른다. 다이어프램(106 또는 136) 중 하나가 별개로 파괴되면, 배양액은 전체 손실에 대해 보호될 것이고 실제로 런(run)이 "안전" 모드하에서 완료될 때까지 계속될 수 있거나 손상된 밀폐된 반응기 시스템을 새로운 밀폐된 반응기 시스템과 교환시킬 수 있다.
도 3a에 도시된 듀얼 펌프 시스템의 또 다른 이점은 서로 다른 크기의 챔버(107, 137)의 이용을 포함한다. 예를 들어, 챔버(107)의 체적은 챔버(108, 137)보다 크게 이루어질 수 있다. 이것은 예를 들어 챔버의 벽으로의 그 팽창을 방지하기 위하여 다이어프램(106)의 챔버(107)로의 팽창이 제한되어야 한다면 유용하다. 비탄성적인 유체 결합을 이용하여 챔버(108, 137)의 보다 작은 최대 체적은 챔버(107)의 최대 체적 보다 작은 체적을 변위시킬 것이다. 챔버(107)는 체적의 차이에 의해 채워지지 않을 것이다. 전술된 바와 같이, 통상 높은 흐름 속도에서 챔버(108)가 과압되면, 다이어프램(106) 위치를 제어하는 것이 다소 어렵다. 다이어프램은 통상으로 배양된 세포에 잠재적으로 해로운 영향을 미치면서 챔버(1070의 벽으로 강제로 연장하게 된다. 변경된 시스템에서, 작은 챔버(137)를 갖는 제2 펌프(144)는 다이어프램(106)의 이와 같은 과연장부를 제거한다.
듀얼 펌프 시스템의 일부 다른 장점들은 교번 접선 흐름을 더욱 유연하게 제어하는 것을 포함한다. 도 3a에서, 예를 들어, 두 개의 펌프 사이의 도관(135)이 비탄성적인 경우, "리모트(remote)" 제2 펌프(144)로 제1 펌프(104)를 제어하는 수단을 제공한다. 다이어프램의 위치를 탐색하기 위하여 센서(146 및 147)를 제2 펌프(144)에 통합시킬 수 있다. 이 정보는 제1 펌프(104) 내의 다이어프램의 정확한 위치 및 제어를 위하여 사용될 수 있다. 멸균된 채로 유지하여야 하는 단일 펌프의 사용에 따라서, 센서의 사용 또는 삽입은 크게 제한된다. 제2 펌프의 사용은 이 제한을 제거한다. 위치조정 장치 또는 센서는 제1 펌프 및 배양에 영향을 미침이 없이 공정에 최소 영향을 미치는 바람직하게는 제2 펌프에 통합될 수 있는 많은 다른 것들 중 프록시미티, 압력, 접촉 및 광학을 기반으로 한다. 두 개의 펌프가 불투과성 다이어프램에 의해 분리되기 때문에, 이는 시스템의 멸균 전 또는 후에 성취될 수 있다. 게다가, 제2 펌프의 이용으로 멸균 공정에 의해 손상될 수 있는 민감한 센서 또는 위치조정 장치를 이용할 수 있다. 이와 같은 경우에, 제1 펌프는 통상적인 수단에 의해 멸균될 수 있지만, 제2 펌프는 변하기 쉽고 멸균되지 않은 센서를 수용한다. 제2 펌프로의 센서의 배치는 덜 중요한데, 그 이유는 지적된 바와 같이, 펌프는 불투과성 장벽에 의해 분리되기 때문이다. 두 개의 펌프 사이에서 위치(139)에서의 액체에 의해 제공되는 액체 결합을 유지함으로써, 잠재적인 오염물을 중성화할 수 있는 액체 내에 에이전트를 포함시킬 수 있다. 제안된 시스템은 펌프 제어를 고도로 유지하면서 배양액을 오염으로부터 보호한다.
지적된 바와 같이, 듀얼 펌프 시스템의 또 다른 이점은 압축된 공기 또는 진공 이외의 에너지원에 밀폐된 반응기 시스템을 결합시키는 능력을 포함한다. 이 제2 펌프 구동 시스템이 도 3b 및 3c에 도시된 바와 같이 전기 모터에 의해 제공되는 경우, 제2 펌프(144)에 액체 결합을 통해서 제1 펌프(104)를 제2 다이어프램 펌프(144)를 결합시킬 수 있다.
도 3b는 전기(본원에서 연동성) 펌프(152)를 통해서 제1 펌프(104)에 연결되는 제2 펌프(178)를 도시한다. 제2 펌프 챔버(176) 및 제1 펌프 챔버(108) 사이의 액체 흐름은 두 펌프의 인터페이스 챔버에 연결되는 도관(171) 예를 들어, 튜빙을 통해서 전기 펌프(152)(예를 들어, 가역적 연동 펌프)에 의해 발생된다. 연동 펌프(152)는 챔버(176)로부터 챔버(108)로 한 방향, "압력(pressure)" 사이클로 액체를 펌프한다. 챔버(176)내 액체가 펌핑될 때, 챔버(176) 상의 센서(179)는 펌핑 방향의 변경을 위하여 신호를 발한다. 유사하게, 센서(180)는 "배기(exhaust)" 사이클의 종료에 관한 신호를 발한다. 임의 수의 펌핑 메커니즘은 연동 펌프를 대체할 수 있다. 도 3a에 또한 도시된 도 3b의 참조 번호는 두 도면에서 시스템에 공통되는 대부분이지만 모든 구성요소를 나타내는 것은 아니다.
도 3b의 시스템의 다른 구성요소는 제1 펌프 커넥터 튜브(170), 제2 펌프 커넥터 튜브(172), 제2 펌프 하우징 구성요소(173 및 174), 제2 펌프 다이어프램(175), 제 2 펌프의 제1 챔버(인터페이스 챔버)(176), 및 제2 펌프의 제2 챔버(177)를 포함한다.
도 3c 및 도 3d는 도 3a에 도시된 듀얼 펌프 시스템의 변형을 도시한다. 도 3e 및 도 3f는 도 3a에 도시된 듀얼 펌프 시스템의 또 다른 변형을 도시한다. 도 3c 내지 3d의 제2 펌프 및 이들의 구조는 본 기술에 널리 공지되어 있다.
도 3c 및 3d에서, 제2 펌프(644)는 피스톤 펌프이다. 듀얼 펌프 시스템의 2개의 펌프 사이에 액체 결합(621)(예를 들어, 튜빙)이 존재한다. 두 개의 구성요소에 번호를 매긴(638, 630 및 634) 두 개의 상이한 구성(삽입물의 좌측 및 우측 각각)에서 도 3c 및 3d에 도시된 메커니즘이 모터 구동축(630)에 연결되고 로브(634)를 통해서 편심 스트로크를 발생시키도록 사용될 수 있는데, 이는 제2 펌프(644)의 피스톤(636)(또한 제2 펌프의 피스톤 벽이라 지칭함)와 결합될 때, 배기 및 압력 스트로크를 발생시키도록 사용될 수 있다. 압력 사이클은 캠(638)이 피스톤(636)을 피스톤 챔버(637)로 이동시킬 때 발생되어, 제1 펌프(104) 내 챔버(108)를 향하여 챔버내 내용물을 배출시킨다. 배기 사이클은 캠 메커니즘의 연속 회전 및 챔버(637)로부터 피스톤(636)의 후퇴에 의해 발생되고, 공정에서, 챔버(637)는 챔버(108)로부터 흐르는 수용 유체를 팽창시킨다. 챔버(637)의 체적은 챔버(108)의 체적과 동일하게 설정되어, 제1 펌프(104)의 다이어프램 변위 스트로크를 설정한다. 게다가, 유체 흐름 속도는 전기 펌프 회전 속도를 제어함으로써 정확하게 제어될 수 있다.
도 3e 및 도 3f는 가역 스크류 드라이브(658)에 의해 구동되는 피스톤 펌프인 제2 펌프(656)의 또 다른 예를 도시한다. 가역 스크류 드라이브는 모터 구동축(652)에 결합된다. 펌프 하우징(657) 내 피스톤(653)(또한 제2 펌프의 피스톤 벽이라 칭함)의 선형 모션은 모터 회전 속도, 펌프 챔버(654)의 크기, 및 가역 스크류(658)의 피치 및 길이에 의해 설정된 것이다. 스레드 나사(658)는 직접적으로 또는 간접적으로 피스톤(653)에 결합될 수 있다. 제1 경우에, 스크류는 피스톤(653)의 스레드 구멍(659)을 통과함으로써 피스톤에 결합되어, 스크류의 회전이 피스톤을 이동시킨다. 제2 경우에, 피스톤은 도시되지 않은 스크류 축(658)의 스레드되지 않은 부분에 부가된다. 별도의 스레드식 결합은 제1 경우에 축형의 스레드 부분에 배치되고 축의 제1 케이스 회전은 스레드 결합을 이동시킨다. 스레드 결합 및 피스톤 사이의 결합은 피스톤으로의 스레드 결합의 이동을 부여한다. 간접 결합은 표면 사이의 밀봉을 간략화함으로써 바람직하게 된다. 스레드 결합의 밀봉이 복잡한 경우, 둥근 관형 물체, 라운드 축에 대한 피스톤 개구부(659), "O" 링, 개스킷, 기계적 결합, 등을 이용한 가역 스크류(658)의 부분의 밀봉 더욱 간단하고 신뢰할 수 있게 된다. 유사하게, 라운드 피스톤의 주변 직경은 라운드 내부 펌프 챔버 벽(657)에 대해서 밀봉될 수 있다. 도 3e 및 3f에서 펌프 챔버(654) 및 도 3c 및 도 3d에서 챔버(637)는 에너지를 도관(651)을 통해서 제1 펌프 챔버(108)로 전달하기 위해 밀봉되어야 함은 이해될 것이다. 누설의 제거는 챔버(637) 및 챔버(108)로 그리고 이들로부터의 액체 변위의 정확한 제어 또는 흐름 제어를 구현한다. 듀얼 펌프 시스템의 두 개의 펌프를 위한 액체 도관(651)(예를 들어, 튜빙)이 존재한다.
제2 펌프, 예를 들어, 펌프(144)는 제1 펌프(104)의 챔버(108)로 액체를 가역적으로 펌핑하는 수단으로서 작용하는 한 특정 형상을 취할 필요가 없거나 특정 재료로 이루어질 필요가 없다.
도 3c 내지 3d 및 도 3e 내지 3f에서, 참조번호(636, 653) 각각은 가동 피스톤이며, 중앙의 해시는 "O" 링 또는 일부 다른 개스킷을 나타냄에 유의한다. 챔버(637, 654)는 도 1에서 챔버(7)와 유사하다. 이들 챔버 내의 액체는 이들 챔버로부터 제1 펌프 챔버(8)로 흘러 제1 펌프 내의 다이어프램을 구동시킨다. 도 3e 내지 3f에서, 참조 번호(658)는 피스톤(653)을 가역적으로 구동시키는 가역적인 스크류이다.
이들의 특성으로 인해, 캠 또는 가역적인 스크류는 피스톤의 스트로크를 설정하여, 모터가 회전하도록 하며, 피스톤은 설정된 거리만큼 앞뒤로 이동된다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같은 공기 구동 다이어프램 펌프 또는 가역적인 연동 펌프로 인해, 제어기는 스트로크가 종료될 때를 알 필요가 있음으로, 사이클이 종료될 때 및 역방향으로 이동할 때를 제어기에 통지하도록 센서와 같은 장치를 이용한다.
도 3a에 도시된 도 3c, 3d, 3e, 및/또는 3f의 임의의 참조번호는 이들이 나타나는 시스템에 공통되는 구성요소를 나타낸다. 그럼에도 불구하고, 참조번호로 표시되지 않은 모든 공통 구성요소는 공통적인 구성요소로서 인식될 수 있다.
본원에서, 펌프 설명은 제1 펌프(104)와 직렬로 또는 병렬로 사용될 수 있는 펌프의 수를 제한하지 않는다. 예를 들어, 비압축성 결합에 의해 제2 다이어프램 펌프를 구동하는데 제3 펌프가 사용될 수 있다. 제2 다이어프램 펌프는 또한 비압축성 결합을 통해서 제1 펌프에 결합될 수 있다. 제3 펌프는 피스톤 또는 다이어프램 펌프일 수 있고 전기 모터 또는 일부 다른 수단에 의해 구동될 수 있다. 예를 들어, 도 3a의 제2 다이어프램 펌프(144)의 챔버(138)는 전술된 바와 같이 액체 도관을 통해서 제3 펌프의 피스톤 또는 다이어프램 챔버에 결합될 수 있다. 챔버(138)는 제3 펌프의 피스톤 또는 다이어프램의 순환에 따라서 순환된다. 제2 펌프(144)는 상술된 바와 같이 액체 결합을 통해서 제1 펌프(104)를 구동하도록 작용할 수 있다. 이와 같은 시스템의 이점은 제1 및 제2 다이어프램 펌프뿐만 아니라 이들 사이의 액체 커넥션을 완전히 멸균할 능력뿐만 아니라 제2 및 제3 펌프 사이의 비멸균 액체 커넥션을 유지한다는 것이다. 이 방식으로, 제1 펌프 또는 제2 펌프 중 어느 하나의 다이어프램가 파괴되는 경우, 멸균 환경을 유지할 수 있고 동시에 전기 펌프에 의해 제공되는 펌핑 정확도 및 제어를 유지할 수 있다. 이와 같은 시스템은 투석 애플리케이션 또는 일부 다른 의료 또는 중요한, 비의료 애플리케이션에서 필요로 되는 고 레벨의 신뢰성을 제공할 수 있다.
본 발명의 변형 모듈
본 발명은 시스템 내 성분들 중 일부(또는 덜 통상적으로, 전부)를 변경하기 위한 여과 및 바이오리액터 시스템 내부에서 사용되도록 설계된 변형 모듈이다.
변형 모듈(바람직하게는 형상면에서 원주형)은 일반적인 양상에서 다음을 포함한다:
1) 스캐폴드; 및
2) 이 스캐폴드에 결합되는 개질제의 파퓰레이션.
선택적으로, 모듈은 개질제의 파퓰레이션을 둘러싸고 스캐폴드와 결합하여 이 파퓰레이션을 둘러싸는 반투과성 멤브레인을 더 포함한다.
변형 모듈(바람직하게는 형상면에서 원주형)은 일반적인 양상에서 다음을 포함한다:
1) 스캐폴드; 및
2) 이 멤브레인 및 이 스캐폴드 사이의 격실을 허용하는 방식으로 이 스캐폴드를 부분적으로 또는 완전히 둘러싸는 반투과성 멤브레인; 및
3) 격실 내의 개질제의 파퓰레이션으로서, 이 반투과성 멤브레인은 이 개질제로 투과되는 것이 아니라 멤브레인을 통과하는데 충분히 작은 분자로 투과될 수 있고, 이 개질제 파퓰레이션은 격실(바람직하게는 스캐폴드에 대해서 적층된다) 내에 유지되는, 개질제 파퓰레이션.
개질제의 예는 항체 또는 효소이다.
스캐폴드에 결합되는 개질제 파퓰레이션은 스캐폴드(예를 들어, 개질제는 수지이다)의 표면을 코팅할 수 있다.
개질제 파퓰레이션은 비드의 일부일 수 있거나 이에 부착될 수 있는데, 특히 개질제는 스캐폴드에 결합되는 것이 아니라 멤브레인-스캐폴드 격실 내의 위치에서 유지된다.
개질제는 바람직하게는 항체, 효소, 비효소 촉매, 수용체, 리간드, 생물학적 분자, 친화성 수지, 및 이온 교환 수지, 생물학적 수용체, 생물학적 수용체에 결합될 리간드, 및 생물학적 분자를 변경할 화학물질로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
특정 사항 중, 바람직하지 않은 레벨로 신장 및 혈액에 축적될 수 있고 본원에 서술된 밀폐된 여과 시스템과 같은 여과 시스템을 이용하여 제거될 수 있는 성분과 같은 성분을 결합 또는 변경하는 개질제이다. 바람직하지 않은 것으로 고려될 수 있는 성분은 일반적으로 독성물질, 염증성 단백질(가령 플라즈마 C-반응성 단백질(CRP) 및 아밀로이드 A(SAA)), 집락자극 또는 생장 인자, 케모카인(가령, CXC, CC, C, 및 CX3C 케모카인으로서 공지된 루커사이트 케모어트랙티브 사이토카인), 염증유발 인터류킨(pro-inflammatory interleukins)(예를 들어, IL-1, IL-6), 종양 괴사 인자-α(TNF-α)], 췌장 분비 트립신 억제제(PSTI), HDL 콜레스테롤(HDL), 저농도 리포단백질(LDL) 콜레스토롤, 호르몬, 요소, 염, 약물 및 비타민을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 변경 공정은 다음 단계를 포함한다.
(1) 본 발명의 변형 모듈과 유체를 접촉시키는 단계; 및
(2) 반투과성 멤브레인을 이용하여 유체를 여과하는 단계로서, 이 변형 모듈은 여과 시스템의 챔버 또는 바이오리액터 시스템, 바람직하게는 본 발명의 여과 시스템 또는 밀폐된 바이오리액터 시스템의 챔버 중 어느 하나 내에 존재하는, 여과 단계.
본원에 설명된 본 발명의 밀폐된 여과 시스템에 따르면, 개질제의 바람직한 위치는 반응 챔버이고 바람직한 순서는 단계(2)가 단계(1)를 따른다는 것이다. 일 실예에서, 이 공정은 여과되고 수정된 유체가 특히 투석을 통해서, 주입, 또는 구강을 통해서, 인간에게 투여된다.
반응 챔버 유체 및 다른 유체의 변형
변형 모듈(351)의 잠재적인 애플리케이션이 도 6a에 도시된다. 이 도면에서, 반응 챔버(311)는 변형 모듈(350)을 수용하도록 설계되는데, 그 기능은 이 챔버에서 유체의 조성에 1차적으로 영향을 미치는 것이다. 따라서, 도 6a는 본 발명의 밀폐된 여과 시스템의 일 실시예를 도시한다.
도 6a의 밀폐된 반응기 시스템(301)의 많은 특징이 도 1a, 1b, 1c, 1d 및 1f의 시스템(1)에 존재한다. 구성요소(303, 306, 307, 308, 309, 312, 313, 314, 315, 316, 321, 322, 323, 324, 325, 326, 327, 329, 335, 340, 341, 342, 및 343)는 도 1, 1b, 1c, 1d , 1e, 및 1f에서 구성요소(3, 6, 7, 8, 9, 12, 13, 14, 15, 16, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 29, 35, 40, 41, 42, 및 43) 각각과 동일하다. 도 6a에 부가적으로 표시된 구성요소가 후술된다.
변형 모듈은 예를 들어 다음과 같이 구성될 수 있다. 변형 모듈의 1차적인 부분은 스캐폴드 바디(354) 및 개질제 파퓰레이션(352)으로 이루어질 수 있다.
선택적으로, 모듈은 개질제의 파퓰레이션을 둘러싸고 스캐폴드와 결합하여 이 파퓰레이션을 둘러싸는 반투과성 멤브레인을 더 포함한다.
반투과성 멤브레인(353)은 챔버(311)로부터의 구성요소가 개질제(352)와 반응하도록 교차하는 멤브레인이다. 벨로우즈형 커버(362)는 스캐폴드 바디를 둘러싸서 이를 외부 환경으로부터의 오염으로부터 격리한다(도 6a 및 6c 참조).
전체 변형 모듈은 둘러싸서 이를 오염에 대해서 보호할 필요가 있다. 커버(362)는 가요성 벨로우즈인 최내부 보호층이다. 벨로우즈(362)(도 6c)는 도 6a에서 붕괴된 형태로 표시된다. 개질제가 개구부(358)를 통해서 반응 챔버로 삽입될 때, 커버링(362)(또는 370)은 개질제를 노출시킴이 없이 삽입중에 붕괴된다. 커버링(365 및 366)은 단단한 인클로져를 제공한다. 포지셔너(367)는 단단한 하우징(365) 내에서 개질제를 위치 및 유지시키도록 작용한다. 바디(355)는 레지(ledge)(367)에 의해 고정된다.
어댑터(356) 내 채널(358)은 변경 스캐폴드 단부(354)를 반응기 탑에서 포트(331)를 통해서 반응 챔버로 향한다.
개질제 파퓰레이션(352)은 이에 직접 부착되거나 이에 부착되지 않는 스캐폴드 바디(354)의 부분일 수 있거나 유지 다공성(완전 투과성) 또는 반 다공성(반투과성) 멤브레인(353)을 지닌 스캐폴드 바디(354)에 대해 둘러 쌓여질(바람직하게는 적층) 수 있다.
도 6a내지 6d의 개질제 파퓰레이션(352)의 표현은 매우 개략적인데, 그 이유는 이 개질제가 필터 시스템, 스캐폴드, 이들 도면에 표현된 다른 아이템들보다 훨씬 작기 때문이다. 도 6c에서, 각 에이전트는 작은 육각형으로 표현된다. 개질제가 항체이면, 예를 들어, 개질제 파퓰레이션을 표현하는데 필요한 육각형 수는 너무 커서 육각형이 인식될 수 없게 된다. 그러나, 도 6c의 표현은 스캐폴드와 개질제의 기하학적 관계 및 이 개질제를 둘러싸는 임의의 반투과성 멤브레인을 논의하기 위해 도 6a 내지 6d중 가장 깨끗한 것을 기반으로 한다.
도 6c에서, 개질제 파퓰레이션(352)은 2개의 서브-파퓰레이션: 즉, 스캐폴드(354)를 터치하는 개질제의 서브-파퓰레이션 및 반투과성 멤브레인(353)을 터치하는 개질제의 서브-파퓰레이션으로 구성된다. 이와 같이, 이는 멤브레인에 의해 격실 내에 유지되고 그리고 스캐폴드(354)에 대해 적층된 개질제 파퓰레이션의 개요적인 표현으로 간주될 수 있다.
도 6c에서, 반투과성 멤브레인(353)을 터치하는 개질제의 서브-파퓰레이션의 제거는 개질제 파퓰레이션이 스케폴드에 결합되는 실시예의 개요적인 표현을 제공하게 된다. 이 경우에서, 반투과성 멤브레인(353)은 선택적으로 제거될 수 있는데, 이 판단은 이와 같은 멤브레인에 의한 필터링이 요구되는지 여부에 대한 것을 토대로 구성된다.
도 6a, 6b 및 6d는 스캐폴드에 결합된 개질제의 파퓰레이션의 표현을 개요적인 방식으로 제공한다.
스캐폴드(354)의 일부는 스캐폴드 구조적인 "헤드(head)"(355)로서 기능할 수 있다. 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 스캐폴드 헤드는 멤브레인(363)용 부착 장소로서 작용한다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 스캐폴드 헤드는 스캐폴드의 하부에서 보다 스캐폴드의 최상부에서 더 큰 직경을 가짐으로써, 링이 저장 케이스(371)의 하우징(365)에 부착되는 모듈 지지링(367)상에 배치될 수 있는 립(lip), 및 모듈이 필요로 될 때까지 멸균된 변형 모듈을 저장하는데 적합한 케이스를 제공한다.
도 6c에서, 저장 케이스(371)는 변형 모듈을 제 위치에서 유지하도록 설계된 부가적인 특징을 포함한다. 하우징 내의 하부 어댑터(356)의 위치는 홀더(356) 및 저장 케이스(371)의 하우징(365)에 부착되는 원형 홀더 링(368)에 의해 고정된다.
멤브레인(353)의 목적은 스캐폴드에 대한 개질제 파퓰레이션(352)을 유지하고 이의 벽을 가로질러 유체를 교환하는 것이다. 그러므로, 도 6c에 도시된 모듈(351)이 이 도면에서 모듈(351)로서 도 6a의 시스템(311)의 챔버(311)로 삽입되면, 반응기 챔버(311) 내의 유체가 다공성 멤브레인(353)을 가로질러 흐르도록 그리고 개질제 파퓰레이션(352)과 접촉하도록 자유롭게 됨으로써, 반응기 챔버 유체내 성분이 개질제 파퓰레이션과 반응한다. 개질제 파퓰레이션은 반응기 챔버 유체의 선택된 성분과 반응하거나 상호작용할 수 있는 임의 개질제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 개질제는 항체일 수 있는데, 이 경우에, 반응기 챔버 유체 내 일부 성분에 대해 반응하는 것이 되도록 선택된다. 그러나, 대안적으로, 항체와 같은 개질제를 어떤 고체 수지와 링크하는데 더욱 효율적일 수 있다. 이 경우에, 수지는 스캐폴드(354)에 직접 링크되거나 이 위에 코팅될 수 있다. 이 스크린 기공 크기는 수지보다 작게되어 수지를 유지시키고 이의 표면을 가로지르는 자유 교환을 허용한다. 스크린 또는 멤브레인(353)의 양단부는 스캐폴드 본체에 대해 밀봉되어 수지를 완전히 둘러싸고 유지시킨다.
이 공정중에 발생된 여과물은 장벽(319) 내의 기공(318)을 통해서 반응 챔버(311)로 자유롭게 또는 선택적인 방식으로 흐르도록 하여, 변형 모듈(350)을 적신다. 수지 상에 부착된 항체가 배양 세포에 의해 발생된 분비된 에이전트에 대한 것이라고 가정하면, 이 에이전트는 항체에 의해 캡쳐링되고 반응 챔버 유체로부터 선택적으로 제거된다. 도 6a에 도시된 시스템(301)은 많은 용도를 가지고, 이들 중 하나가 투석이다. 개인의 정맥에 삽입함에 따라서, 카테터는 시스템 및 개인 사이에 직접 또는 간접적인 유체 커넥터(333)를 제공한다. 이 예에서, 반응 챔버에는 규정된 투석액이 제공된다. 이와 같은 용액은 사용자를 보호하여 주문제작되어, 투석 공정을 지원하며, 개질기의 효능을 향상시키거나 어떤 다른 방식으로 공정을 실행한다. 이 경우에, 필터 소자(예를 들어, HF 필터 카트리지의 섬유)의 농축물 챔버(345)는 마이크로 필터 멤브레인 또는 울트라 필터 멤브레인일 수 있다. 장벽(벽)(319)은 또한 본래 선택적임으로 혈액 성분의 분획을 용이하게 되어, 원하는 분자만이 개질기와 반응하도록 반응 챔버로 유입되도록 한다. 혈액은 교번 펌프(304) 및 정맥 시스템 사이에 필터 소자(305)를 통해서 가역적으로 순환할 것이다. 상술된 바와 같이, 교번 접선 흐름 여과 사이클 동안, 유체는 중공 섬유의 루멘을 통해서 흐를 뿐만 아니라 농축물 및 여과물 챔버 사이의 여과 멤브레인(317)을 가로질러, 여과물 및 반응 챔버(310 및 311) 각각 사이의 장벽(319)을 가로질러, 및 장벽(353) 또는 변형 모듈의 부분인 다른 장벽이 양방향으로 가로질러, 양방향 유선속을 용이하게 한다. 그러므로, 교번 흐름은 시스템 격실 사이의 혼합을 향상시킨다. 적절한 분자량 컷오프(MWCO)를 갖는 중공 섬유를 사용하면 혈액, 세포 분획, 단백질, 등의 필수 구성요소의 선택적인 보유를 위하여 사용될 수 있다. 또한, 멤브레인의 MWCO에 따르면, 다른 선택적인 분자 성분들이 멤브레인/선택적으로 투과가능한 장벽(317) 표면을 가로질러 교환하도록 허용될 수 있다. 필터 멤브레인(317)을 가로질러 교환하도록 효소, 특정 단백질, 호르몬, 독성물질, 부산물 등을 허용할 수 있다. 선택적인 멤브레인(319) 및 잠재적으로 선택적인 멤브레인(353)은 여과물 챔버(310)로부터의 특정 성분이 반응 챔버(311)로의 흐름을 추가로 조절하도록 사용될 수 있다. 멤브레인/장벽(319)의 선택은 충전 특성, 투과성, 다공성, 화학적 특성, 등을 조절함으로써 설정될 수 있다. 장벽(319)의 구성은 변경될 수 있어 표면적을 증가시킨다.
반응 챔버(311)에서, 관심 제품은 장벽(353)을 가로질러 자유롭게 교환하여 개질제 파퓰레이션(352)과 반응하거나 결합한다. 일단 결합되면, 선택된 제품은 농축물 또는 혈액 스트림으로 반환되는 것이 방지된다. 또 다른 가능성은 개질제로서 항체 대신에 효소(들)를 사용하는 것이다. 효소는 순환시 특정 유해 성분에 대해서 선택적이거나 환자에게 유용한 어떤 중요한 대사 반응에 영향을 미친다. 이 성분이 선택적인 멤브레인(들)을 가로질러 순환으로부터 반응 챔버로 흐르면, 부착된 효소(들) 개질기와 반응하도록 이용될 수 있다. 비활성되거나 더욱 유력하게 제조된 변경된 성분은 장벽(353, 319, 및 317)을 가로질러 교환시키는 자유롭게 되어 농축물 스트림 또는 혈액 스트림을 재유입시키거나 반응 챔버에서 제2 변형 모듈(도시되지 않음)과 반응하여, 유체를 추가 변경 또는 제거한다. 유사한 방식으로, 본 발명의 기술된 구성이 건강관리 또는 다른 분야에 다양하게 사용할 수 있다.
멸균 시스템에는 사전멸균된 변형 모듈(들)(350 및 351)과 별개로 공급받을 수 있다는 것을 예견할 수 있다. 다양한 변형 모듈로부터 선택이 이루어져 시스템의 유연성을 더욱 증가시킨다. 필요에 따라서 또는 당면 요건들(immediate requirements)을 토대로 선택적인 변형 모듈(351)을 반응 챔버(311)로 삽입시킬 수 있다.
다양한 잠재적인 모듈(351)로부터 선택할 능력을 제공하는 것 이외에 이 모듈러 개념은 또한 시스템과 정상적으로 멸균되어 사전조립될 수 없지만 다른 더 적은 분비 수단에 의해 멸균되거나 위생적이 될 수 있는 단백질과 같은 변하기 쉬운 개질제 파퓰레이션(352)을 포함한 변형 모듈(351)을 이용할 능력을 제공한다. 예를 들어, 변형 모듈(351)의 조립체는 변하기 쉽지않은 모듈(351) 부분을 위한 증기, 복사 등을 이용하며, 멸균 환경에서 두 개의 조립체 및 변하기 쉬운 성분을 멸균하기 위해 여과를 이용하는 것을 포함한다. 항체 또는 다른 방부제의 이용은 다른 위생 옵션을 제공한다. 동결된 또는 동결 건조된 바와 같은 안정 형태로 변하기 쉬운 개질제를 저장할 수 있고 이 때, 개질제 파퓰레이션을 이용하기에 앞서 수화되거나 활성화될 수 있다.
본 발명의 밀폐된 바이오리액터 시스템으로의 변형 모듈의 삽입은 개방하에서 그리고 시스템을 오염시킬 가능성을 갖는, 보호되지 않은, 멸균되지 않은 환경, 절차하에서 "필드"에서 발생할 수 있다. 서술된 밀폐된 바이오리액터 시스템은 무균 방식으로 절차를 수행하는 능력을 제공한다. 이와 같은 커넥터는 클린-팩(Pall 사로부터) 및 DAC(GE로부터)으로서 상업적으로 입수할 수 있으며, 그 결과 이와 같은 커넥터의 사용과 친숙한 통상의 기술자는 변형 모듈을 멸균 방식으로 반응기 시스템에 효율적으로 삽입할 수 있다.
1 밀폐된 여과 시스템
10 여과물 챔버
11 반응 챔버
12 하베스트 포트
45 농축물 챔버

Claims (14)

  1. 밀폐된 여과 시스템에 있어서,
    1) 농축물 챔버로서, 상기 농축물 챔버는 입구단에서 입구 및 출구단에서 출구를 포함하며, 상기 농축물 챔버는 농축물 챔버 벽을 포함하고, 상기 벽의 적어도 일부는 반투과성인, 상기 농축물 챔버;
    2) 여과물 챔버로서, 상기 여과물 챔버는 적어도 부분적으로 상기 농축물 챔버를 둘러싸며, 상기 여과물 챔버는 필터 챔버 내벽 및 필터 챔버 외벽을 포함하며, 필터 챔버 내벽의 적어도 일부는 농축물 챔버 벽의 반투과성 부분에 대응하고, 상기 필터 챔버 외벽은 여과물 챔버 외부 장벽을 포함하는, 상기 여과물 챔버;
    3) 교번 흐름 펌프로서, 상기 펌프는 농축물 챔버 출구의 주변에 연결되어 펌프로부터의 유체가 상기 농축물 챔버에 유입되도록 하며, 상기 농축물 챔버로부터의 유체가 펌프내로 흐르도록 하고, 상기 펌프는 외벽, 다이어프램, 및 상기 다이어프램에 의해 분리되는 2개의 챔버를 포함하는, 상기 교번 흐름 펌프;
    4) 반응 챔버로서, 상기 반응 챔버는 상기 농축물 챔버 입구로 그리고 밖으로 흐르는 유체를 차단하지 않는 밀봉된 방식으로 상기 여과물 챔버 및 농축물 챔버 둘 다를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배치되며, 상기 반응 챔버는 반응 챔버 내벽 및 반응 챔버 외벽을 포함하며, 상기 반응 챔버 내벽은 상기 여과물 챔버 외부 장벽을 포함하며, 상기 반응 챔버 외부 장벽은 농축물 챔버의 외부 또는 여과물 챔버의 외부에 밀봉되고, 상기 반응 챔버 외벽은 선택적으로 교번 펌프 외벽에 밀봉되는, 상기 반응 챔버; 및
    5) 하베스트 포트로서, 상기 하베스트 포트는 상기 반응 챔버 외벽에 부착되어 유체가 상기 반응 챔버로부터 배출되거나 상기 반응 챔버로 유입되도록 하는, 상기 하베스트 포트를 구비하는 밀폐된 여과 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 밀폐된 여과 시스템은 상기 저장소 및 상기 여과물 챔버 사이에 직접적으로 유체가 흐르도록 상기 여과물 챔버에 연결되는 여과물 저장소를 더 포함하며,
    상기 반응 챔버 외벽은 상기 여과물 챔버 외부에 밀봉되지만, 상기 저장소로 개방된 상기 여과물 챔버의 부분을 둘러싸지 않으며,
    상기 저장소는 상기 저장소로 개방되는 상기 여과물 챔버의 부분을 둘러싸며,
    상기 저장소가 상기 반응 챔버로부터 분리됨으로써, 상기 저장소 및 상기 반응 챔버 사이에 직접적으로 유체 교환은 이루어지지 않고,
    상기 반응 챔버에 연결된 하베스트/부가 포트 또는 포트들 이외에도, 상기 밀폐된 여과 시스템은 상기 여과물 저장소 외부로 연장되고 또 상기 여과물 저장소에 연결되는 제2 세트의 포트 또는 포트들을 포함하는 밀폐된 여과 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 밀폐된 여과 시스템은 1) 농축물 챔버 입구단 어댑터로서의 저장소 어댑터로서, 제1 커넥터 라인에 연결되는 것 이외에도, 상기 저장소 어댑터가 제2 커넥터 라인을 포함하도록 하는, 저장소 어댑터; 및
    두 단부 중 하나가 상기 교번 흐름 펌프의 입구 챔버에 연결되는 배출 튜브로서, 상기 배출 튜브는 상기 밀폐된 여과 시스템 외부의 지점으로 연장되어, 펌프의 입구 챔버의 농축물이 시스템 외부로 수집되도록 하는, 배출 튜브를 포함하는 밀폐된 여과 시스템.
  4. 밀폐된 여과 시스템 공정에 있어서,
    1) 농축물 챔버로부터 유체 커넥터를 통해서 용기(예를 들어, 저장 용기)로 유체를 배출하는 단계로서, 상기 배출 단계 동안 상기 유체의 일부가 반투과성 장벽을 통해서 여과물 챔버로 향하고 나서 선택적인 장벽을 통해서 반응 챔버로 향하게 되고, 상기 배출 단계는 상기 유체 커넥터의 말단 위치에서 상기 농축물 챔버에 연결된 다이어프램 펌프에 의해 가해지는 힘으로 인해 이루어지는, 상기 배출 단계;
    2) 상기 용기로부터 적어도 일부 유체가 상기 농축물 챔버로 다시 흐르고 상기 농축물 챔버로부터 적어도 일부 유체가 상기 여과물 챔버(및 바람직하게는 이 여과물 챔버로부터 일부 유체가 이 반응 챔버로 흐른다)로 흐르도록 다이어프램 펌프에 의해 가해지는 힘의 방향을 반대로 하는 단계; 및
    3) 이 단계(1) 및 (2)를 적어도 한번 반복하는 단계로서, 상기 농축물 챔버로부터 배출되는 유체는 부유액 및 용액으로 구성된 그룹으로부터 선택되고 상기 농축물 챔버, 여과물 챔버, 반응 챔버, 및 다이어프램 펌프는 상기 동일의 밀폐된 여과 시스템의 부분인, 반복 단계를 포함하는 밀폐된 여과 시스템 공정.
  5. 밀폐된 바이오리액터 시스템에 있어서,
    1) 필터 소자로서, 상기 필터 소자는 입구단에서 입구 및 출구단에서 출구를 포함하며, 상기 필터 소자는 다수의 여과 농축물 챔버(가령 다수의 중공 섬유)를 포함하며, 상기 여과 농축물 챔버 각각은 필터 소자의 입구단에서 입구 및 필터 소자의 출구단에서 출구를 포함하며, 상기 여과 농축물 챔버 각각은 외벽을 더 포함하며, 상기 외벽은 반투과성 부분을 포함하며, 상기 필터 소자는 여과 농축물 챔버 외벽의 반투과성 부분을 둘러싸지만 여과 농축물 챔버의 출구 또는 입구를 차단하지 않는 여과물 챔버를 더 포함하여, 상기 여과 농축물 챔버의 외벽의 반투과성 부분은 또한 여과물 챔버 벽의 부분이 되도록 하는, 필터 소자;
    2) 여과물 하베스트 튜브로서, 상기 튜브는 필터 소자 및 여과물 챔버를 관통하여 유체가 여과물 챔버를 배출하도록 하는, 여과물 하베스트 튜브;
    3) 교번 흐름 다이어프램 펌프로서, 상기 펌프는 필터 소자의 출구단에 연결되어 펌프로부터의 유체가 여과 농축물 챔버로 유입하도록 하며, 상기 펌프는 펌프 하우징, 2개의 챔버, 및 상기 챔버를 분리하는 다이어프램을 포함하는, 교번 흐름 다이어프램 펌프;
    4) 처리 챔버로서, 상기 처리 챔버는 필터 소자를 둘러싸며, 상기 처리 챔버는 외벽을 포함하며, 상기 외벽은 밀봉된 방식으로 펌프 하우징에 부착되며, 상기 외벽은 유체가 여과물 챔버로부터 저장 챔버 외부로 흐르도록 하는 하베스트 튜브에 의해 관통되는, 처리 챔버;
    5) 처리 챔버 하베스트 및 부가 라인(들)으로서, 상기 하베스트 및 부가 라인(들)은 저장 챔버의 벽을 관통하여, 유체가 처리 챔버로부터 하베스트되거나 제거되거나 처리 챔버로 부가되도록 하는, 처리 챔버 하베스트 및 부가 라인(들);
    6) 산소가 저장 챔버로 공급되도록 하는 저장 챔버의 벽의 포트로서, 상기 포트는 멸균 필터를 포함하여 미생물에 의해 저장 챔버의 오염을 방지하는, 포트; 및
    7) 감지 장치가 처리 챔버에 삽입되도록 하는 처리 챔버의 탑 플레이트(바람직함), 외벽, 또는 베이스 중에서의 포트(들)를 포함하는 밀폐된 바이오리액터 시스템.
  6. 밀폐된 바이오리액터 시스템에 있어서,
    1) 중공 섬유 필터 소자로서, 상기 필터 소자는 입구단 및 출구단을 포함하며, 상기 필터 소자는 다수의 여과 농축물 챔버를 더 포함하며, 각 여과 농축물 챔버는 단부 개방형 중공 섬유이며, 상기 섬유는 필터 소자의 중심축에 평행하게 배치되며, 상기 섬유 각각은 필터 소자가 입구단에서 입구 및 필터 소자의 출구단에서 출구를 가지며, 각 섬유는 반투과성 외벽을 포함하고, 상기 필터 소자는 상기 섬유를 둘러싸지만 개방단을 차단하지 않는 여과물 챔버를 포함하여 섬유의 반투과성 외벽이 또한 여과물 챔버 벽의 일부가 되도록 하는, 중공 섬유 필터 소자;
    2) 여과물 하베스트 튜브로서, 상기 튜브는 필터 소자 및 여과물 챔버를 필터 소자 입구단을 통해서 관통하며, 상기 튜브는 바람직하게는 필터 소자의 중심축을 따라서 배치되는, 여과물 하베스트 튜브;
    3) 교번 흐름 다이어프램 펌프로서, 상기 펌프는 필터 소자의 출구단에 연결되어 펌프로부터의 유체가 여과 농축물 챔버로 유입하도록 하며, 상기 펌프는 펌프 하우징, 2개의 챔버, 및 상기 챔버를 분리하는 다이어프램을 포함하는, 교번 흐름 다이어프램 펌프;
    4) 처리 챔버로서, 상기 챔버는 카트리지를 둘러싸며, 상기 챔버는 베이스, 외벽, 베이스 및 탑 플레이트를 포함하며, 상기 베이스는 밀봉된 방식으로 외벽 및 펌프 하우징 둘 다에 부착되며, 상기 탑 플레이트는 밀봉된 방식으로 외벽에 부착되고, 상기 탑 플레이트는 하베스트 튜브에 의해 관통되어 유체가 여과물 챔버로부터 저장 챔버 외부로 흐르도록 하는, 처리 챔버;
    5) 처리 챔버 하베스트 및 부가 라인(들)으로서, 상기 하베스트 및 부가 라인(들)은 저장 챔버의 탑 플레이트, 외벽 또는 베이스를 관통하여, 유체가 처리 챔버로부터 하베스트되거나 제거되거나 처리 챔버로 부가되도록 하는, 처리 챔버 하베스트 및 부가 라인(들);
    6) 산소가 처리 챔버로 공급되도록 하는 처리 챔버의 탑 플레이트, 외벽, 또는 베이스 중 하나의 포트로서, 상기 포트는 멸균 필터를 포함하여 미생물에 의해 처리 챔버의 오염을 방지하는, 포트; 및
    7) 감지 장치가 처리 챔버에 삽입되도록 하는 처리 챔버의 탑 플레이트(바람직함), 외벽, 또는 베이스 중에 있는 포트(들)를 포함하는 밀폐된 바이오리액터 시스템.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 밀폐된 바이오리액터 시스템은 상기 커넥터가 상기 필터 소자와 직접 접촉하지 않도록 상기 처리 챔버 내 및 상기 필터 소자 주위에 배치되는 관형 유체 커넥터를 더 포함하며, 상기 커넥터는 밀봉단 및 입구단을 포함하며, 상기 밀봉단은 처리 챔버의 벽 및 입구 필터 소자 사이에 배치되며, 상기 유체 커넥터는 하베스트 튜브에 의해 관통되며, 상기 밀봉단은 필터 소자 입구로부터 흐르는 유체를 편향시켜 이와 같은 유체가 유체 커넥터 및 필터 소자를 분리시키는 공간을 통과하도록 하며, 상기 유체 커넥터는 편향된 유체가 저장 챔버로 유입되도록 하는 개방단을 포함하는, 밀폐된 바이오리액터 시스템.
  8. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 밀폐된 바이오리액터 시스템은 상기 필터 소자의 중심축을 따라서 위치되는 단단한 하베스트 튜브를 더 포함하며, 상기 튜브는 상기 여과물 챔버 내부에서 상기 바이오리액터의 최상부를 통해서 상기 바이오리액터 외부로 연장되는, 밀폐된 바이오리액터 시스템.
  9. 밀폐된 바이오리액터 시스템 공정에 있어서,
    처리 챔버 및 상기 처리 챔버 내에서 둘러싸인 다수의 여과 농축물 챔버 사이에서 앞뒤로 유체를 순환시키는 단계를 포함하며,
    유체는 상기 여과 농축물 챔버에 연결되는 펌프를 통해서 교번하는 방향으로 구동되고,
    상기 여과 농축물 챔버를 통한 상기 유체의 모션은 상기 여과 농축물 챔버 및 반투과성 멤브레인에 의해 여과 농축물 챔버로부터 분리되는 여과물 챔버 사이에서 유체를 전달시키고 상기 여과물 챔버는 처리 챔버로 둘러싸는 밀폐된 바이오리액터 시스템 공정.
  10. 매니폴드에 있어서,
    1) 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 채널;
    2) 상기 채널의 제1 단부 및 튜브에 연결되는 교번 흐름 다이어프램 펌프; 및
    3) 상기 채널의 두 단부 사이의 위치에서의 채널에 위치되는 다수의 프로브 포트로서, 상기 채널의 제2 단부는 유체원에 연결될 수 있는, 다수의 프로브 포트를 포함하는 매니폴드.
  11. 매니폴드 샘플링 공정에 있어서,
    (1) 용기로부터의 유체를 매니폴드 채널에 유입시키는 단계;
    (2) 상기 용기에 반환되도록 유체를 대부분 또는 완전히 배출시키는 단계로서, 상기 유체의 모션은 교번 흐름 다이어프램 펌프에 의해 제어되는, 배출 단계; 및
    3) 상기 채널 내에 존재하는 유체의 특성을 측정하는 단계로서, 상기 측정은 상기 채널에 연결된 프로브 장치에 의해 이루어지고, 상기 프로브 장치는 유체의 물리적 또는 화학적 특성을 측정하는, 측정 단계를 포함하는 매니폴드 샘플링 공정.
  12. 듀얼 펌프 시스템에 있어서,
    1) 두 개의 챔버로 구성된 다이어프램 펌프인 제1 펌프로서, 상기 제1 펌프는 유체원에 연결가능한 펌프 저장 챔버인 제1 챔버를 포함하며, 상기 제1 펌프는 도관에 연결가능한 인터페이스 챔버인 제2 챔버를 포함하며, 상기 제1 및 제2 챔버는 탄성적으로 변형가능한 다이어프램에 의해 분리되는, 제1 펌프;
    2) 상기 제1 펌프의 인터페이스 챔버에 연결되는 도관; 및
    3) 상기 도관에 연결되는 인터페이스 챔버를 포함하는 제2 챔버로서, 상기 제2 펌프 인터페이스 챔버는 탄성적으로 변형가능한 다이어프램, 또는 비탄성적, 피스톤형 가동벽으로 구성된 그룹으로부터 선택된 가동 소자를 포함하며, 상기 제2 펌프는 압력 조절 메커니즘에 연결가능한, 제2 펌프를 포함하는 듀얼 펌프 시스템.
  13. 매니폴드 모듈에 있어서,
    1) 스캐폴드; 및
    2) 상기 스캐폴드에 결합되는 개질제의 파퓰레이션.
  14. 변형 모듈에 있어서,
    1) 스캐폴드; 및
    2) 상기 멤브레인 및 상기 스캐폴드 사이의 격실을 허용하는 방식으로 상기 스캐폴드를 부분적으로 또는 완전히 둘러싸는 반투과성 멤브레인; 및
    3) 격실 내의 개질제의 파퓰레이션으로서, 상기 반투과성 멤브레인은 상기 개질제로 투과되는 것이 아니라 멤브레인을 통과하는데 충분히 작은 분자로 투과될 수 있고, 상기 개질제 파퓰레이션은 격실 내에 유지되는, 개질제 파퓰레이션을 포함하는 변형 모듈.
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