用于一次性容器的聚合物远程密封系统背景技术
诸如生物反应器的一次性容器用于产生和支持用于众多目的的生物
反应。生物反应可能易受温度和/或压力变化的影响。此外，随着生物反
应的进行，反应本身可能改变生物反应器内的各种参数，例如压力。因此，
监测生物反应的压力或其它变量可能是重要的。
生命科学工业正在从具有大型在位清洗(CIP)的基础设施的由不锈
钢制成的大型资金密集型设备转变为使用用作生物反应器的聚合物袋或
聚合物容器的较小设备。生物反应器的袋被使用一次然后被丢弃。该一次
性生物反应器技术明显地降低了工厂的资金成本。例如，在现存的使用不
锈钢CIP基础设施的设备中，运行该设备的高达90％的成本可能是由包括设
计为经受蒸气清洗循环的非常高端的仪器的在位清洗的基础设施导致的。
通过转向可丢弃的、一次性的生物反应器袋，可以消除CIP部分的成本并
且设备可以更柔性且小得多，这又允许更多的靶向药物治疗和其它较小规
模应用所需要的较小批量的生产。
随着制药厂从大型不锈钢过程容器转变到更小容量的、预消毒的、可
丢弃的塑料带系统，在这些系统中存在测量压力以控制生长的环境和随后
的过程的需求。通常，制药厂和生命科学工业一般已经使用预消毒的并且
在一次使用之后被丢弃的压力传感器，这又促使生命科学工业使用廉价的
传感器。这样的廉价传感器使用相对粗糙的方法用于流体隔离，例如硅凝
胶。这些方法可能导致不精确的测量，这对用于支持各种生物反应的生命
科学工业一般是不可接受的。
发明内容
提供一种用于将一次性容器连接至压力测量仪器的聚合物远程密封
系统。该聚合物远程密封系统包括过程侧接头、仪器侧接头和二者之间的
流体连接。过程侧接头被构造为连接至一次性容器并且由能够辐射杀菌的
聚合物制成。过程侧接头具有过程侧可偏转隔膜，该过程侧可偏转隔膜被
构造为响应于一次性容器的压力而偏转。仪器侧接头被构造为连接至压力
测量仪器并且由辐射杀菌的聚合物制成。仪器侧接头被构造为将流体压力
流体地传递至压力测量仪器的隔离膜片。管道将过程侧接头流体地连接至
仪器侧接头。
附图说明
图1是采用根据本发明的实施例的聚合物远程密封系统的一次性生物
反应器的示意图。
图2A是根据本发明的实施例的远程密封系统的过程侧连接的局部剖
视图。
图2B是根据本发明的另一实施例的远程密封系统的过程侧连接的局
部剖视图。
图2C是根据本发明的另一实施例的远程密封系统的过程侧连接的局
部剖视图。
图2D是根据本发明的另一实施例的远程密封系统的过程侧连接的局
部剖视图。
图3A是根据本发明的实施例的聚合物远程密封系统的仪器侧连接的
示意图。
图3B是根据本发明的另一实施例的聚合物远程密封系统的仪器侧连
接的示意图。
图3C是根据本发明的另一实施例的聚合物远程密封系统的仪器侧连
接的示意图。
图4是根据本发明的另一实施例的聚合物远程密封系统的过程侧连接
的示意的剖视图。
图5是根据本发明的实施例的利用用于一次性生物反应器的聚合物远
程密封系统的方法的流程图。
图6是根据本发明的实施例的用于中型散装容器(intermediate bulk
container)的聚合物远程密封系统的示意图。
图7是根据本发明的实施例的使用具有中型散装容器的聚合物远程密
封系统的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例一般利用远程密封系统以连接诸如生物反应器的一
次性容器内的压力至高精度压力测量仪器。因此，测量生物反应容器中的
压力的实际传感器设置在高精度压力测量仪器中。远程密封系统由聚合物
材料形成，该聚合物材料为预消毒的，并且在一些实施例中物理连接至预
消毒的一次性生物反应器。因此，生物反应器以及远程密封系统本身是可
丢弃的。这允许使用精密且精确的可重复利用的压力变送器，但仍给终端
使用者提供与生物反应容器的预消毒连接。现场仪器侧和过程侧的连接将
在下面单独描述。本发明的实施例包括各种仪器侧构造中的任何一个与各
种过程侧构造的任何组合。
图1是根据本发明的实施例的与一次性生物反应器一起使用的聚合物
远程密封系统的示意图。生物反应系统100包括生物反应器102，该生物反
应器102经由流体连接106连接至压力测量仪器104。生物反应器102一般包
括外部支撑容器108，该外部支撑容器108具有相对坚固的壁以使得它形成
设置在其中的一次性生物反应袋110的壳体。外壳108通常与一次性生物反
应袋110的尺寸和功能相匹配。然而，外壳108通常是可重复利用的物品。
一次性的生物反应器袋110一般是被构造为支持在样品112中发生的生物
反应的聚合物袋。
聚合物远程密封系统114连接一次性生物反应器袋110内的压力至压
力测量仪器104。该连接是流体连接以使得作用在隔膜(隔膜设置邻近过
程连接116上)上的压力在接头(或连接)106内产生流体运动，以在邻近
仪器接头(或连接)118的隔膜处产生关联运动。这样的运动将流体压力
从生物反应器袋110传递至位于仪器104内的压力传感器，以使得该压力可
以被非常精确地测量。此外，仪器104一般包括特征和/或校准信息，以补
偿温度变化和/或其它环境变化。进一步地，仪器104的各种实施例还可以
执行对于装置本身和/或生物反应的诊断，以提供额外的信息，而不是简
单地报告一次性生物反应器袋110内的压力。更进一步地，仪器104还可以
被构造为将压力信息经由(例如根据可寻址远程传感器高速通道
协议或FOUNDATIONTM现场总线协议的)过程通信回路或区段传递至一个或
多个额外的装置。此外，本文描述的实施例还可以包括将这样的压力信息
经由根据IEC62591的无线过程通信协议的天线120无线传输至任何合适的
装置。在一个实施例中，仪器104是商业可获得的卫生标准的压力传送器，
其可以从明尼苏达州的沙柯皮的爱默生过程管理公司(Emerson Process
Management of Shakopee,Minnesota)的市售型号3051HT买到。
图2A是根据本发明的实施例的远程密封系统与一次性生物反应器的
过程侧接头(或连接)的示意剖视图。凸缘130包括流体地连接至管道134
的凸缘体132。可变形的隔离膜片136连接至凸缘体132以提供流体紧密密
封。在一个实施例中，凸缘体132由辐射杀菌的聚合物制成。辐射杀菌的
聚合物的一个示例是聚氯乙烯。然而，根据本发明的实施例可以使用任何
合适的辐射杀菌的聚合物。在一些实施例中，隔离膜片136也由与凸缘体
132相同类型的辐射杀菌的聚合物制成。膜片136可以根据各种技术连接至
凸缘体132。例如，可以使用诸如热、超声波或其组合的已知的焊接技术
将膜片136在环形焊点137处焊接至凸缘体132。因此，一次性的生物反应
器的塑料壁将压靠隔离膜片136，并且生物反应器内的压力将使膜片136变
形，由此迫使填充流体通过管道134。该填充流体可以是在应用的压力和
温度下基本上不可压缩的任何合适的流体。该填充流体可以是硅油、水或
任何合适的流体。如上所述，这将保证类似的膜片在压力测量仪器处的相
关运动，然后该偏转被位于仪器104内的高准确度、精确度的压力传感器
104测量或以其它方式特征化。
图2B是根据本发明的另一实施例的远程密封系统的过程侧接头(或连
接)的示意剖视图。远程密封系统140包括凸缘体142，该凸缘体142例如
经由环形焊点145附接至一次性生物反应袋的壁144。因此，图2B中图示的
实施例消除了任何密封件，并且提供了用于头部空间和液位测量的简单连
接。此外，袋的壁144不仅用于容纳生物反应，还响应于其中的压力而偏
转，以使得壁144的偏转导致区域146内的流体的运动，该运动最终导致流
体流过管道134。凸缘体142一般由辐射杀菌的聚合物制成。然而，用于凸
缘体142的材料的选择也可以调整，以使得其能够容易地焊接或以其它方
式附接至通常用于一次性生物反应器的材料上。
图2C是根据本发明的另一实施例的聚合物远程密封系统的过程侧接
接头(或连接)的示意剖视图。过程侧接头(或连接)150包括连接至管
道134的管道连接器152。管道连接器152一般由辐射杀菌的聚合物制成。
连接器152包括一个或多个台阶部154、156，该一个或多个台阶部154、156
被构造为保持穿过连接器152的外径的柔性管道。在图2C示出的实施例中，
穿过台阶部154、156的柔性管道连接区域158至生物反应器的内部。过程
侧接头150包括细微的可收缩波纹结构159，该可收缩波纹结构159例如经
由焊点161附接至连接器152。因此，生物反应器的流体压力P作用在表面
160上以使波纹162收缩，并且由此减小区域164内的容积。该容积的减小
迫使其中的流体流过管道134，该流体运动被仪器104作为压力检测。
图2D是根据本发明的另一实施例的聚合物远程密封系统的过程侧接
头的示意剖视图。接头(或连接)170包括管道连接器172，在一个实施例中，
该管道连接器172由辐射杀菌的聚合物制成。连接器172包括至少一个台阶
部174，该至少一个台阶部174被构造为在管道134在部分174上滑动时保持
管道134。此外，连接器172包括另一台阶部176，该另一台阶部176的尺寸
以及被构造为适于接收和保持连接至一次性生物反应器的管道178。连接
器172包括可偏转隔离膜片180，该隔离膜片180例如通过热或超声波焊接
在位置182处附接至连接器172。此外，管道178内的压力作用在膜片180上，
以使膜片180运动，这改变区域184中的容积，由此导致流体流过管道134。
图3A是根据本发明的实施例的聚合物远程密封系统的仪器侧接头(或
连接)的示意剖视图。接头(或连接)200包括凸缘202，该凸缘202经由
任何合适的方法(例如夹紧、螺栓连接或其组合)附接或以其它方式连接
至仪器104。密封件204被夹在凸缘202与仪器104之间，以在其中产生流体
密封腔206。腔206在一侧被仪器104的可偏转隔离膜片208界定。因此，膜
片208的偏转将导致仪器104内的压力传感器的测量隔膜或结构的相关偏
转，以使得压力能够被检测到。可操作地连接至例如生物反应容器的一次
性容器的管道134附接至凸缘202。在一个实施例中，凸缘202由辐射杀菌
的聚合物制成。在图3A示出的实施例中，远程密封系统在使用之前填充有
基本不可压缩流体。因此，例如注射器210的注射器在端口212处被插入凸
缘202中。使用管道阀214调节端口212，同时隔膜泵或其它合适的装置可
操作地连接至凸缘体阀216。使用流体填充远程密封系统的第一步是从可
抛弃的过程接头(或连接)中排出空气。因此，真空泵被启动并且阀216
被断开以排出系统中所有的空气。在空气被排出之后，阀216闭合并且管
道阀214断开。使用注射器210将预定体积的填充流体推入远程密封系统
中。然后，阀214闭合。此时，压力测量仪器可以被归零并且系统准备好
被使用。在被使用之后，可抛弃的远程密封系统可以被移除，重新填充的
组件可以被排干，并且新的过程接头(或连接)可以被安装用于下次应用。
图3B是根据本发明的另一实施例的聚合物远程密封系统的仪器侧接
头(或连接)的示意剖视图。接头(或连接)230包括凸缘232，在一个实
施例中，凸缘232由辐射杀菌的聚合物制成。接头230还包括可操作地连接
至凸缘体232的可变形的聚合物隔膜234。在一个实施例中，可变形的聚合
物隔膜234也由辐射杀菌的聚合物制成。隔膜234可以根据任何合适的技术
连接至凸缘体232。在一个示例中，隔膜234焊接至凸缘体232。因此，本
发明的实施例可以包括聚合物远程密封系统，该聚合物远程密封系统预填
充有填充流体，以使得在使用之前不需要使用者再进行填充。可替代地，
本发明的实施例还包括允许其使用者在使用之前使用填充流体填充远程
密封系统的结构。在使用中，凸缘体232被推动压靠仪器104至密封件236
形成流体密封连接的程度。因此，通过管道134接收的流体压力使得可变
形的聚合物隔膜234运动，其导致仪器104的隔膜238进行类似的运动。隔
膜238的运动将流体压力传输至位于仪器104内的高精度压力传感器，以精
确地测量压力。
图3C是根据本发明的另一实施例的聚合物远程密封系统的仪器侧接
头(或连接)的示意剖视图。接头(或连接)250包括塑料主体252，该塑
料主体252连接至管道134以使得生物反应流体的压力通过管道134内的填
充流体被传输至腔254中。可变形的聚合物隔膜256密封地连接至塑料主体
232，以使得区域254中的流体压力产生塑料隔膜256的偏转。如上所述，
隔膜256可以以各种方式附接至凸缘252，该各种方式包括超声波或热焊
接。如图3C所示，凸缘252被仪器凸缘258推动压靠仪器104。仪器凸缘258
包括孔260，该孔260的尺寸适于通过凸缘252。然而，凸缘252包括凸肩261，
该凸肩261接收仪器凸缘258的夹紧压力并且压靠密封件262。因此，当仪
器凸缘258被推动压靠凸肩261时产生流体紧密密封。使用偏压的一个方式
是通过安装螺栓、夹紧件等。当如此连接时，隔膜256的运动使仪器104的
隔离膜片产生相关的运动，然后该运动被仪器104检测或以其它方式测量，
以提供高质量的压力测量。
到此为止，本发明的实施例大致提供了从生物反应器一直延伸至高精
度的过程流体压力测量仪器的直接流体连接。然而，本发明的实施例还可
以补充已知的远程密封系统，以减少远程密封系统的可抛弃部分采用的材
料的量。
图4是根据本发明的另一实施例的聚合物远程密封系统的过程侧接头
(或连接)的示意剖视图。接头(或连接)400包括密封主体402，在一个
实施例中，密封主体402由辐射杀菌的聚合物制成。主体402具有可偏转隔
膜404，在一个实施例中，该可偏转隔膜404也由辐射杀菌的聚合物制成。
隔膜404经由焊接或其它合适的技术附接至主体402。主体402还包括被构
造为接收管道134的管道连接器406。过程连接器408能够经由任何合适的
技术可操作地连接至一次性生物反应器。连接器408包括接收密封环412的
安装区域410。此外，密封环412具有一对环形突出部414、416，该一对环
形突出部414、416分别延伸进分别位于连接器408和主体402中的凹槽418、
420中。连接器408和主体402中的每一个都分别具有锥形部422、424，以
使得周向夹紧包围部422、424产生将连接器408和主体402偏压至一起的
力。以此方式，在连接器408和主体402之间产生流体紧密密封。
在一个实施例中，主体402也包括填充端口426，该填充端口426允许
填充流体在使用之前被引入主体402中。因此，一次性的生物反应器可以
设置有连接器400，如图4所示，其中没有任何流体出现在该系统中。此外，
所述生物反应器/连接器系统可以在使用之前使用辐射被预先杀菌。然后，
使用者仅需要将填充流体引入端口426并且将该系统连接至过程流体压力
测量仪器，以监测生物反应的压力。此外，本领域技术人员应认识到，因
为引入端口426的冷流体位于塑料隔膜404的离生物反应袋的无菌内部的
相对侧，所以可以在不破坏无菌环境的情况下将流体引入端口426。
图5是根据本发明的实施例的使用聚合物远程密封系统以监测生物反
应压力的方法的流程图。方法500开始于方框502，在方框502中，聚合物
远程密封系统连接至生物反应袋。接下来，在方框504中，生物反应袋/远
程密封系统被无菌化。在一个实施例中，这样的无菌化采用辐射工艺，例
如伽马辐射工艺。接下来，在方框506中，无菌的生物反应器/远程密封系
统可操作地连接至压力测量仪器，例如图1中图示的。在其中远程密封系
统预填充有填充流体的实施例中，方法500可以直接进行至方框510，在方
框510中，生物反应样品被引入生物反应袋中。然而，在填充流体没有被
预填充进远程密封系统的实施例中，方框508被执行以提供需要的填充流
体。如上所述，可以引入填充流体的一个方式是通过首先(例如通过注射
器或其它合适的仪器)排空远程密封系统然后将排空的远程密封系统连接
至填充流体源。
在方框512中，采用过程测量仪器来测量生物反应袋中的压力。该压
力可以被连续地、周期性地、间歇地或响应某些事件地测量。最后，当生
物反应过程完成时，方法500继续至方框514，在方框514中，聚合物远程
密封系统被从仪器上解除连接并且被丢弃。
如上所述，本发明的各种实施例采用填充(在线或预填充)有填充流
体的聚合物远程密封系统。该聚合物远程密封系统由可以被无菌化的塑料
制成。该密封系统允许使用精确且相对昂贵的压力测量仪器。然而，尽管
该远程密封系统是可丢弃的，但是可以重新利用该压力测量仪器。聚合物
远程密封系统给使用者提供与过程的预杀菌的连接和与压力测量仪器的
连接。该聚合物远程密封系统可以从压力测量仪器上移除并且在一次性生
物反应器被丢弃时丢弃。
聚合物远程密封系统的两侧(过程侧和仪器侧)可以使用类似的构造。
两侧将通常具有聚合物隔膜，该聚合物隔膜具有结合至聚合物密封件上的
防气体渗透层。来自过程接头(或连接)的流体压力通过流体填充系统传
输至压力测量仪器。过程侧接头(或连接)一般包括塑料主体，该塑料主
体具有结合至其上的隔膜，该隔膜与生物反应袋或容器连接。仪器侧接头
(或连接)也一般包括聚合物主体，该聚合物主体具有结合至其上的隔膜，
该隔膜将压力传输至仪器。该系统可以填充有各种压力传输介质并且使用
填充螺杆或塑料焊接的填充接头(或连接)。一旦聚合物远程密封系统已
经达到其寿命的终点，那么该系统可以从仪器上解除连接并且与一次性的
生物反应器一起被丢弃。然后，新的填充有流体的聚合物远程密封系统可
以附接至仪器上并且连接至新的一次性的生物反应袋。
到此为止，本发明的实施例已经大致描述了用于与生物反应器结合使
用的聚合物远程密封系统。然而，本发明的实施例可以与任何一次性的容
器仪器使用。一次性的容器的另一个示例是中型散装容器或化学包。
图6是根据本发明的实施例的用在中型散装容器(IBC)上的聚合物远
程密封系统的示意图。IBC600包含一定量的液体，该液体可以使用阀604
从端口602分配。IBC600连接至聚合物远程密封系统606，以使得IBC600中
的液体的压力作用在系统606的聚合物的隔离膜片上，以将流体压力流体
地传输至测量仪器608。在一个实施例中，聚合物远程密封系统606包括设
置为与IBC600的内容物热接触的可选的温度传感器610。温度传感器600可
以是具有随温度变化的电特性的任何合适的装置。非限制的示例包括热电
偶、电阻温度装置(RTDs)、电热调节器等。温度传感器610经由两个或多
个导体电连接至测量仪器608，该两个或多个导体以附图标记612用虚线示
意性地图示出。因此，在一些实施例中，测量仪器不仅能够测量压力，还
能够测量温度。此外，在一个实施例中，测量仪器608可以设置有IBC608
的内容物的液体密度的指示。一旦已知液体密度，测量仪器608能够给予
测量的压力和已知的密度提供IBC608中的液位的指示。
如图6所示，在一些实施例中，测量仪器608可以提供与其连接至的一
次性容器的内容物有关的本地指示。在该示例中，面614设置有指示器，
例如提供与内容物有关的信息的指针616。例如，当已知密度时，指示器
616可以提供IBC600中的液位的本地指示。此外，其它变量，例如压力和/
或内容物的温度可以显示在面614上。在一些实施例中，测量仪器608还无
线地提供一个或多个变量的数字指示给附图标记618指示的其它装置。
图7是使用根据本发明的实施例的具有中型散装容器的聚合物远程密
封系统的方法。方法700开始于方框702，在方框702中，聚合物远程密封
系统被用来将一次性容器连接至测量仪器，例如仪器608。在其中聚合物
远程密封系统包括温度传感器的实施例中，温度传感器电连接至测量仪
器，如方框704所指示的。在其中测量仪器可以接收液体密度信息的实施
例中，执行可选的方框706。在方框706中，液体密度信息被测量仪器接收。
将密度信息提供给测量仪器可以位于本地的测量装置中，如附图标记708
所指示的，或者通过与测量仪器的无线通信，如附图标记710所指示的。
在方框712中，测量仪器测量一次性容器的内容物的压力和可选的温
度。在方框714中，提供与测量有关的一个或多个输出。该输出(多个输
出)可以本地地提供，如附图标记716所指示的，和/或可以无线地提供，
如附图标记718所指示的。方框714中提供的该输出(多个输出)可以是测
量的压力、基于该压力和已知密度计算的液位、温度或其组合。此外，本
地输出716和/或无线输出718可以包括例如当液位低于阈值或温度高于阈
值时的报警指示。
本文描述的实施例提供了测量一次性容器中的变量的便捷方式，同时
仍确保了使用高质量的测量。一旦一次性容器为空的或被更换，那么聚合
物远程密封系统可以与该容器一起被丢弃或保留。由于测量仪器与一次性
容器隔离，所以这允许高精度的复杂的无线测量仪器与不同的一次性容器
一起使用和重复使用，并且不需要清洁该仪器。当不再需要一次性容器的
有源监测时，可以断开聚合物远程密封系统与测量仪器或仪表的连接，并
且该聚合物远程密封系统可以与一次性容器一起被丢弃或保留。然后，可
以将新的聚合物远程密封系统置于下次的一次性容器中并且连接至相同
的测量仪器或仪表。
虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应理
解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上作出改
变。