搅拌釜式生物反应器 交叉参照相关申请
本发明专利申请要求2008年6月11日提交的美国临时专利申请No.61/131640的优先权，该美国临时专利申请全文内容结合在此引作参考。
【技术领域】
本发明涉及一次性搅拌釜式生物反应器。更具体地讲，本发明涉及由模制成型塑料形成的搅拌釜式反应器，在所述搅拌釜式反应器内模制成型有一个或多个端口。
背景技术
尺寸从大约1升至大约200升的多种小型生物反应器是由玻璃或钢、优选不锈钢形成。台式类型的通常的容积为2至10升。所有的反应器具有一硬质本体以及通过O形环密封至所述本体的可取下的顶部。所述顶部包含用于探头、采样、曝气、药物交换的端口、以及用于循环的搅拌杆。它们大体上被用于培养或发酵各种不同的生物体，例如植物、细菌(例如，E.coli)、动物细胞(例如，中国仓鼠卵巢(CHO)细胞)、酵母、霉菌等。
在每次使用之后(大体上3至15天)，反应器及其各部件在重新使用之前必须被拆开、清洁、重新组装、重新构造并蒸压处理。这是耗时的、耗费劳动力的过程，需要拆开并移动多个重的和/或小的以及易损坏的部件。附加地，大体上需要完成清洁过程，以确保这种清洁过程可以反复准确地被完成，而具有同样一致的结果。最好在所有工作已经完成之后，使得反应器及其各部件无菌地清洁，这意味着污染仍可由于残余的有机物或通过无菌组装组件进入的有益有机物而出现。
多种设计试图通过在玻璃或不锈钢釜内使用一次性衬套来克服这些问题。
美国专利公开文献No.6245555建议利用插入现有的釜内的塑料衬套，以减少清洁的次数并增加无菌的程度。然而，这也有很多限制。
衬套必须遵循釜的内侧表面，从而防止装置内的循环的任何不连续或防止死点或凹坑的形成，其中在所述死点或凹坑中，材料被捕获并化脓或者在整个系统中产生不均匀的流。然而，衬套中的褶皱仍出现并产生上述问题。所有端口是顶部安装式的，限制了生物反应器内使用的不同的部件可用的面积(供料管线、供气管线、搅拌器轴、电机和轴颈、采样端口、探头端口等)。附加地，顶板可释放地密封至衬套，同时仅仅实现了无菌的连接。通常，衬套系统限于用于气体输送与循环的曝气系统(air sparging system)。叶轮轴的使用得以避免，这是因为轴或叶轮在运输、存储或组装的过程中使得衬套破损。附加地，所有探头和采样器进入盖或顶部中并具有一管，所述管向下延伸到液体的期望深度中。这意味着经常有一材料的长的盲段需要在采样之前和之后被冲洗或取出，以确保获得准确的采样结果。近来，脂肪和胆固醇已知结合至用于这种衬套的多种塑料。
所期望的是一种一次性釜衬套，其克服了现有技术的不足。本发明提供了这样的装置。
【发明内容】
本发明是一种一次性生物反应器，其由模制成型的塑料形成从而可以是刚性的或至少半刚性的，并且可以保持在一支架内或者本身是直立的。所述生物反应器被预消毒，并具有彼此相互密封的顶部和本体。一个或多个端口在所述壳体的顶部和侧部中形成。优选地，至少一个端口低于所述壳体的液体/空气高度。所述低于液体/空气界面高度的一个或多个端口可用作为采样端口或用于探头的进出端口。利用这种端口允许进行采样，而无需现有技术的选样管，消除了死区段以及不正确的采样或污染的采样的危险。附加地，探头无需是长的，从而向下装配到容器内的所期望的高度。探头可以简单地侧向延伸到液体中处于期望的高度。液位下方的端口是用于添加一次性、光学传感器的理想的部位，并提供了连接感应设备的措施。
本发明提供了一种针对现有的玻璃或钢组件的直接改型，其利用了现有的支承结构、诸如温度探头和pH探头的用于测量不同参数的探头以及控制结构。模制成型的结构克服了由于其固定的尺寸而导致的不连续、死区等的问题，这是由模制成型过程所产生的。可再生的探头和其它设备部位还通过使用模制成型的端口结构被确保。而且，硬碗在于其可接受加热毯，其中所述加热毯用在玻璃上，这意味着无需外部支承或加热套。模制成型的塑料允许材料选择的更大灵活性，因而减少或消除了油脂或胆固醇结合。优选地，系统允许空气喷射气体/循环系统和/或用于气体交换的空气喷射以及用于循环的搅拌器/叶轮，而无需担心对于容器的损害。模制成型的容器本身是支承性的，并不用像柔软衬垫结构那样需要支承壳体。附加地，对于模制成型的塑料结构，加热或冷却毯可直接附着至模制成型的本体，而在柔软的袋中，毯必须被安装在支承壳体之内或之外。近来，通过在液体/空气高度下方形成一个或多个端口，可以实现排干，从而允许在期望时简单并几乎完全的排出所有液体。
本发明的一个目的是提供一种用于培养或处理生物的生物反应器，其由预消毒的、一次性壳体形成，所述壳体由选自半刚性或刚性塑料的塑料形成，所述壳体包含彼此相互密封的顶部和本体，所述本体具有内部空间，在所述壳体的顶部和本体中分别形成一个或多个端口，并且所述端口与所述壳体的内部流体连通，所述一个或多个端口具有帽，以将所述本体的内部空间与周围环境隔离。
本发明的另一目的是提供一种生物反应器，所述生物反应器具有两个或多个端口，至少一个端口被模制成型到所述本体中，处于低于所述壳体的液体/空气界面的高度。
本发明的另一目的是提供一种生物反应器，所述生物反应器具有一个或多个被模制成型到所述顶部和本体中的端口。
本发明的另一目的是提供一种生物反应器，所述生物反应器还包括安装在所述壳体的本体内并具有一个或多个桨片的搅拌器轴。
本发明的另一目的是提供一种生物反应器，在所述生物反应器内，所述本体包含一端口，所述端口在最远离所述顶部的本体的一部分附近，并且所述最远离所述顶部的所述端口包含选择性保持至所述本体的内部的空气扩散器，其中所述空气扩散器由料块形成，其中所述料块选自塑料、陶瓷和金属料块，所述端口连接至本体的外部上的气体管线。
本发明的另一目的是提供一种生物反应器，所述生物反应器具有一个或多个端口，其中所述本体的一个或多个端口连接至Luer接头。
本发明的一个目的是提供一种生物反应器，其中所述生物反应器具有安装在所述壳体的本体内的、具有一个或多个桨片的搅拌器轴；以及保持毂部，其中所述保持毂部位于所述生物反应器的本体的底部上，从而保持并对中所述轴。
【附图说明】
通过以下的说明将清楚本发明的其它特征。
图1示出了本发明的第一实施例的透视图；
图2示出了本发明的第一实施例的本体的剖视图；
图3示出了本发明的第一实施例的剖视图；
图4A至4C示出了本发明的可选的搅拌机构的剖视图；
图5示出了本发明的本体的可选实施例的透视图；
图6示出了根据本发明的顶部的一个实施例的透视图；
图7A至7C示出了本发明的一种类型的接头及其附着至一种类型的端口的方式的透视图；
图8示出了本发明的可选的实施例；
图9示出了本发明的顶部的一个实施例的透视图；
图10示出了根据本发明的生物反应器的底部的一个实施例的透视图；
图11示出了根据本发明的与如图10所示的生物反应器的底部交界连接的不同的支承件的一个实施例的透视图；并且
图12示出了与图11的基部相连的图10的生物反应器的透视图。
【具体实施方式】
图1示出了本发明的一个实施例。生物反应器2在一支架4内被保持，其中所述支架包括多个腿6(在该实施例中，3个腿，但是一个连续的腿或2个大腿或不止3个腿也可以被使用)以及支承边框8。如图所示，腿6可具有可选的支承件10，所述支承件在底部或底部附近设置，从而在反应器2充料时防止腿6扩张并将所述腿保持在支架4内。
取决于所使用的循环系统的类型，支架4还可以支承用于循环机构的驱动机构12(如图所示)，其中所述循环机构大体上是如下详细所述的搅拌器或桨片组件14。在该具体实施例中，驱动机构12是电机，并且所述驱动机构通过多个臂18(尽管示出了3个，但是可以使用其它的数量)安装至生物反应器2的顶部16上方的上中心处。诸如安装块(未示出)等的其它结构可以在顶部16或支承边框8上形成，以支承驱动机构12。如图所示，驱动机构12具有一轴20，所述轴可连接至如下所述的搅拌器。除了上述结构以外，还可以使用其它支架，并且所述支架将同样地工作。
生物反应器本体22具有一内部空间，流体、隔室、探头和生物反应器的其它器件至少部分地容纳在所述内部空间中。本体22可密封地连接至顶部16。这可以是通过一种机械密封件实现，例如橡胶垫圈和夹片24(如图所示)，或者这可以通过一种夹具实现，例如带夹具或Ladish或TriClover夹具、顶部16和本体22上的匹配的螺纹等。可选地，本体和顶部可以通过以下的方式被密封，即粘合剂或顶部16与本体22的热密封或者它们在例如滚塑设备(rotomolding apparatus)内一起形成为一个部件。
本体22具有一个或多个侧壁26，所述侧壁从顶部16向下延伸并终止于封闭的底部28，所述封闭的底部优选具有半球形的形状。如图所示，存在圆形结构的一个侧壁26，其是针对现有的玻璃和金属本体的改进。可选地，如果期望的话可以具有3、4个或更多个侧壁(未示出)。
优选地，本体是由模制成型的塑料的单个部件制成。可选地，所述本体可以由两件塑料或多件塑料制成，它们例如通过加热、胶合剂或垫圈(未示出)被密封在一起。
在如图5所示的另一可选结构中，仅仅顶部16a和底部28a由模制成型的塑料制成，并且该实施例中的一个侧壁26a是由柔性塑料形成，例如塑料膜。这仍允许在装置内在液体/空气高度下方使用一个或多个端口。同样注意到的是，诸如32a的端口如果期望的话可以端接于一软管倒钩接头(hose barb)或其它连接结构。
在该实施例的生物反应器2内还形成一个或多个端口30(在该实施例中，在顶部16内形成有三种类型的端口30a至c(总共5个端口))并且还在本体22内形成有一个或多个端口32(在该实施例中，形成有两种不同类型的端口32a至b，在该实施例中总共七个这样的端口)。顶部16和本体22具有相同类型的和/或不同类型的多个端口，以在整个生物反应器2内向所述顶部或本体的期望的部位提供所期望类型、数量的端口。这些端口30、32或它们的至少一部分被形成为顶部16和/或本体22的一部分。它们可以形成有螺纹，以匹配诸如封帽的可密封的盖、垫圈内具有通孔的垫圈式帽、或各种不同的Luer接头。可选地，一个或多个端口可以在塑料顶部16和/或本体22内被制出，这是通过钻制或烧制(burning)一孔并然后将一端口穿过所述孔或在所述孔周围安装(例如热粘合或粘合剂)就位而实现的。在本发明中可以采用多种不同的端口类型和尺寸。
端口30a可被用于液体或气体入口或出口、或被用于诸如pH探头、温度计或温差电偶等的探头。端口30b可以用于类似的目的。端口30c用于此后详细说明的搅拌器轴。可选地，如果生物反应器是气举式结构并且不使用搅拌杆，则端口30c可以被用于本体的底部上或附近的喷淋器的空气管线或用于任何其它期望的目的。端口32a可以被用于采样液体或用于探头，例如通常在这种生物反应器中所使用的pH探头、测温探头、溶解氧探头、乳糖级别探头等。端口32a尽管在图中示出是在侧壁26上被形成，但是端口32a如果期望的话还可以如图2所示在底部中被形成。端口32b是带有阀的端口，其被用于将气体供应至本体22和/或从本体排空或输出气体。所述端口可以通过以下的方式用于这两种功能，即连接一3位阀或Y形管(在所述Y形的每个臂上具有诸如夹管阀的阀)以控制流(未示出)。针对端口32b的阀的一种合适的系统是可购自Billerica，Massachusetts的MillporeCorporation的LYNX
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连接器，并如美国专利公开文献US2005/0016620所示。
优选地，本体的一个或多个端口32在低于生物反应器的正常液体/气体界面高度的部位被形成。
如果期望的话，图1和/或2中的一个或多个端口32a或32b可以被用于将气体提供至本体的内部。诸如POREX
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微孔膜的塑料料块(frit)或陶瓷石料(ceramic stone)或烧结的金属过滤器可以附着至本体内的端口的内侧，以提供所期望的尺寸的气泡。可选地，顶部16内的端口32a可以被用于保持一管，其中所述管向下延伸到本体中以提供气体供应。另外，还可以使用料块或陶瓷石料或烧结的金属过滤器以提供期望的气泡尺寸。
图3示出了一生物反应器2，其中顶部16和本体22密封在一起，而搅拌机构14安装就位。搅拌机构由一轴40以及一个或多个桨片42形成。轴40穿过端口30c延伸，并且连接至驱动机构12(未示出)的轴20。优选地，一个或多个在端口30c中的O形环允许轴40以并不影响本体22内的密封的整体性的方式移动。
图4A示出了一搅拌器14以及在本体22的底部内所形成的保持毂部50。保持毂部50将轴的一部分定位并保持成，轴在运输、存储或使用的过程中并不移出。同样作为可选的元件，在图4A中示出了叶片43。这些叶片可以被模制成型到本体22的内侧表面中并向外延伸到内部中，或者所述叶片可以在模制成型之后被单独地加上。各叶片43有助于引导流并且确保在生物反应器2内出现合适的混合。
图4B和4C示出了搅拌器14的可选的结构。在该实施例中，气体供应管线在搅拌器轴40内被形成。轴40具有一中空的中央孔44，其中所述中空的中央孔延伸通过轴的至少一部分。在轴40的底部上或附近设有气体出口46，其中所述气体出口可以保持料块、陶瓷石料或烧结的金属过滤器52，以产生期望的气泡尺寸。气体通过端口30a中的气体端口48进入孔44中。一个或多个气体导管54将端口30a的内部与孔44相连。一个或多个而在该实施例中为2个的诸如O形环的垫圈56在气体端口48的上方和/或下方安装，以确保气体流经端口48并经过导管54进入孔44中，并且并不排至大气或影响本体的整体性。在使用中，气体从供应源流入端口48中、然后流入导管54中，并且向下经过中央孔44到达轴内的气体出口46，并然后流入本体22的内部容腔中。
图6示出了顶部16的一个实施例，其具有一些本发明可用的不同的端口结构和类型。例如，端口30a可以是一种螺纹型的端口，具有匹配螺纹的气体或液体管线或探头螺合到所述端口中以产生液密性密封。
图7A至7C示出了另一种端口/接头类型。如图7C所示的接头31具有凸轮锁定部33。该凸轮锁定部与端口30内的配合的凸轮锁定部保持部35(图7B)配合。首先通过将接头31的凸轮锁定部33与端口30的凸轮开口35对正，然后接头31被插入端口30中。接头31然后被向下推压并旋转，以跨越过凸轮斜坡37，并终止且本身安坐在端口30的凸缘锁定部限位部39中。
图8示出了本发明的一个可选的实施例，其包括位于本体14内的磁性混合器101，其中所述混合器通过位于本体14的外侧表面上的磁性驱动器100被远程驱动。
图9示出了如图6所示的本发明的可选的顶部16，其中顶部16的至少一个或多个部分包括管夹202，其中所述管夹可以将系统的不同的管以有组织的且整齐的结构的方式保持。优选地，管夹202在顶部16的外缘200上形成，但是如果期望的话，所述管夹中的一些或全部还可以附着至顶部的上侧表面(未示出)。在该示意性实施例中，示出了四个管夹202，但是如果期望的话还可以使用更多或更少个。优选地，所述管夹被模制成型为顶部16的一部分。可选地，如果期望的话，所述管夹可以通过热熔结合、溶剂结合或粘合剂被单独地连接。同样，端口30b′和30b″中的一些或全部可以是如图所示的软管倒钩接头的形式而非如图6所示的螺纹端口30或Luer型接头、图7的凸轮锁定部或以下讨论的且本领域技术人员所知的其它类型的接头。连接至软管倒钩接头接头30b′的管可以具有系带(tie wrap)、诸如美国专利公开文献US 2008/0284163A1所公开的连接器、或其它器件，或者可以粘附至软管倒钩接头，从而甚至在系统中出现任何压力的条件下将管保持就位。
图10示出了如图1至3所示的生物反应器2的可选的底部28。在该实施例中，并非是使用支架6，底外壁204包括两个或多个、优选三个或四个锁定翼片206，所述锁定翼片被模制成型为底外壁204的一结构或单独地被形成并通过热学结合、溶剂结合或胶合剂的方式连接至底外壁204。
底外壁204的锁定翼片206与如图11所示的底部支承件210的对应的锁定结构208配合。生物反应器安放到支承件210中，并且底外壁204的锁定翼片206与支承件210的锁定结构208接合。这将生物反应器2固定至支承件210，从而生物反应器2以如图12所示的稳固的方式被保持直立。附加地，如果期望的话，一个或多个开口槽212可以在支承件210内形成，从而可以无需取出或夹紧地容纳任何管或其它结构，其中在生物反应器与支承件配合时，所述管或其它结构从生物反应器2延伸出。如图所示，翼片与结构206、208是螺纹型装置。然而，它们可以是其它的形式，例如如上所述的一些端口实施例中所使用的凸轮锁定部和凸轮锁定部保持部。锁定结构允许最终的使用者将基部从碗取出并且容易地再循环，这是因为基部并不与培养媒介接触并因而无需被消毒。
诸如压缩接头和管焊接部、软管倒钩接头和管螺纹件的接头在被直接模制成型到本体中时减少了滞留容积并简化了系统。这种部件是已知的，并且盖、连接器、用于进行采样的隔膜(也称为穿刺式针端口)、单向阀或其它阀等、无论是否Luer型；Luer Lok
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接头等容易可用于与来自诸如Ford Collins，Colorado的Value Plastics公司的多种公司的那些端口配合。
可用于形成顶部和本体的合适的聚合物包括但不限于聚碳酸酯、聚酯、尼龙、PTFE树脂以及其它含氟聚合物、丙烯酸和甲基丙烯酸树脂以及共聚物、聚砜、聚醚砜、聚芒砜(polyarylsulphone)、聚苯乙烯、聚醚酰亚胺、尼龙、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、ABS及其合金和混合物、聚烯烃、优选聚乙烯例如线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、和超高分子质量聚乙烯及其共聚物、聚丙烯及其共聚物、茂金属生成的聚烯烃(metallocene generated polyolefin)。
优选的聚合物是聚烯烃、尤其聚乙烯及其共聚物；聚苯乙烯；以及聚碳酸酯。
顶部和本体按照期望可以由相同的聚合物或不同的聚合物制成。
同样，聚合物可以是透明的或光学不透明的或不透光的。在使用不透明的或不透光的聚合物时，优选的是它们的使用限于侧壁，从而在底部可以使用光学扫描器或读取器以检测生物反应器内的液体的不同的参数。
本发明的大多数生物反应器是注射成型的，但是它们可以被旋转成型，这是在这样的情况中完成的，即需要带有套的本体或者增加了独特的结构，其中所述独特的结构最好经由旋转成型技术完成。
模制的或硬成型的塑料体的另一优点在于，加热或冷却毯可以容易地附着至它们。
实际上，本体按照需要被构造成优选具有大致平坦的开口边框，一个圆形侧壁从所述边框向下延伸并终止于带有圆角的底部，如图1所示。本体优选由诸如聚苯乙烯的模制成型的塑料制成，优选具有一些或全部所期望的端口(包括在侧壁中形成的一个或多个端口)并且优选地具有在预期的液体/空气高度下方的高度侧壁内形成的一个或多个端口。顶部被单独地模制成型具有一些或全部其所期望的端口，其中所述端口在合适的部位被模制形成。在多种模制成型应用中，端口将包含毛刺或由一薄塑料层封闭，其中所述薄塑料层需要被取下，从而打开端口。可选地，如上所述，端口在模制成型之后通过以下措施被形成，即在合适的部位钻制孔并且以液密性的方式将端口接头安置就位。
在一个或多个端口上附上诸如不同的Luer接头的帽，包括带有螺纹的帽、Luer基隔膜盖(Luer based septum cover)、Luer Lok帽、关闭的Luer或其它螺纹帽、插头；连接至形成有软管倒钩接头的端口的管等。
如果使用的话，具有桨片42的搅拌器轴40插入顶部16内的端口30中，并且轴40的底部在毂部50内被对中并保持。顶部16然后被密封至本体22，例如这是通过夹具24或通过热学密封或粘合剂完成的。
取决于探头的类型和所选择的消毒技术，一个或多个探头可以在这时被增加并密封就位。
所选择的生物反应器然后被消毒、包装并发送至使用者。
生物反应器可以通过多种不同的技术被消毒。最常用的技术是特别地gamma辐射以及小程度的beta辐射。在该实施例中，多种探头并不是gamma辐射稳定的，并且需要在无菌的情况下在使用者的设施中被组装到生物反应器中。
另一种方法是使用诸如环氧乙烷的气体。在这种类型的消毒情况中，可以使用不同的端口以供应气体并然后将气体从生物反应器的内部排出。这可以是专用的端口或者其然后可以被用于其它的用途，例如排空或液体/气体运动。
可选地，所述装置通过利用蒸气以及优选过热蒸气和压力而高压灭菌被消毒。在该实施例中，除了所述端口(30或32)中的一个以外还使用将蒸气排出的通气口(未示出)。
消毒装置安置在支架内，并且用于空气、液体、探头、采样器等的不同的连接件连接至装置的合适的端口。所述装置充有媒介至期望的高度，从而在顶部16连接至本体22的地方的稍微下方形成液体/空气界面，从而像这种装置通常的那样留出气体的液上空间。至少一个端口32在界面所在高度的下方。
媒介然后用待生长的生物体播种，所述生物体可以是植物、动物细胞(例如CHO或NSO细胞)、病毒、酵母菌、霉菌或细菌(例如E.coli)，并且液体被循环，并且空气/气体和液体以高效培养内部培养物的方式进入或从装置中离开。
在合适的时间之后，这些细胞可以通过以下方式被收获，即通过将液体排干、留下细胞，或者在细胞需要被破裂以回收所期望的产物的情况中取出细胞并然后使得所述细胞破裂或者在装置内破裂所述细胞并然后取出破裂的物质以便进一步处理。附加地，对于大量可用的端口而言，可以使用所述装置以运用一灌注式反应器(perfusionreactor)，在所述灌注式反应器内，少量的细胞或明确的产物在连续的基上被取下以便进一步处理，而装置内的细胞继续生长并得到所期望的产物。
在所述处理完成之后，装置被排空，并且所有连接件被取下，并且装置端口被密封。其然后例如通过焚烧被合适地处理掉。