樞轉加壓的單次使用式生物反應器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及加壓的氣密密封袋，其安置在圓柱形支撐物內并且含有具有可變孔隙密度并將所述袋分隔成兩個腔室的隔膜，所述加壓的氣密密封袋用于提供營養(yǎng)培養(yǎng)基的最優(yōu)混合和充氣以使多種生物培養(yǎng)物、尤其細胞培養(yǎng)物生長，從而在一次性系統(tǒng)中制造多種醫(yī)藥和生物技術產品。
【專利說明】樞轉加壓的單次使用式生物反應器

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及含有用于醫(yī)藥和生物技術處理工業(yè)的產品的加壓的氣密密封袋，且更具體地說涉及一次性細胞袋或生物反應器。

【背景技術】
[0002]生物處理工業(yè)傳統(tǒng)上在發(fā)酵和細胞培養(yǎng)的制造工藝中使用不銹鋼系統(tǒng)和管道。這些裝置被設計成用于蒸汽滅菌和再使用。然而，清潔和滅菌是成本高的勞動密集型操作。此夕卜，這些具有必備管道和公用設施的傳統(tǒng)系統(tǒng)的安裝成本通常過高。此外，這些系統(tǒng)通常被設計成用于特定工藝，且無法容易地重新配置用于新應用。這些局限性已使得在最近10年內采用了一種新的方法，其使用塑料、單次使用式一次性袋和管來代替常見的不銹鋼罐。
[0003]具體地說，傳統(tǒng)上由不銹鋼制成的生物反應器已在許多應用中被一次性袋所替代，所述一次性袋經搖蕩以提供細胞培養(yǎng)所必需的必要通氣和混合。這些單次使用式袋通常以無菌形式提供且消除了成本高且耗時的清潔和滅菌步驟。袋被設計成用于在操作過程中維持無菌環(huán)境，由此使污染風險降到最低。
[0004]常用袋具有“枕頭樣式(pillow style) ”，主要因為這些袋可通過將兩片柔性塑料縫合在一起而以低成本制造。
[0005]成功的一次性生物反應器系統(tǒng)之一使用了上面置放生物反應器袋的搖蕩臺。生物反應器袋經液體營養(yǎng)培養(yǎng)基和所需細胞部分填充。所述臺搖蕩袋，提供細胞在袋中的持續(xù)移動以及來自紊流空氣-液體表面的通氣。所述袋通常具有用于引入空氣或氧氣的氣體供應管和允許移出呼吸氣體的廢氣管。營養(yǎng)物可經由其它管加入。
[0006]這類裝置的一個可能的局限性是其可能難以規(guī)模擴大超過幾百升，因為不良的液體循環(huán)引起會抑制細胞性能的營養(yǎng)物和廢棄物梯度。這是因為用于這些應用的單軸搖蕩器的來回運動在垂直于搖蕩軸的方向上產生良好液體循環(huán)，但在平行于搖蕩軸的方向上混合相對極少。在大容積袋(大于100升)中，或在較大長寬比的袋中，這種不良軸向循環(huán)可使實現(xiàn)袋內容物均質性的時間較長。這使得生物反應器袋中的PH值控制很困難，因為加入生物反應器以調節(jié)PH值的酸或堿的添加劑可能需要較長時間來分散在整個袋中。加入生物反應器袋中的營養(yǎng)物可能并非均勻分布。不良的液體循環(huán)還限制了可從頂部空間轉移的氧氣的量，且由此限制了無法培養(yǎng)的最大細胞濃度。
[0007]循環(huán)流動可通過結合第二旋轉軸來加以改進。通過使兩個軸同步，有可能賦予會大大改進混合和質量轉移的回轉運動。然而，加入第二軸會大幅增加成本，且機械復雜性的增加使得搖蕩器較不可靠且更難以維護。
[0008]然而，所有上述局限性出現(xiàn)于維賈伊?辛格(Vijay Singh)的美國專利6，190，913中(且所得波式生物反應器由通用電氣醫(yī)療集團(GE Healthcare)出售)；因此，同一發(fā)明人在2008年9月15日提交的美國專利申請案12/676，180 (轉讓給通用電氣醫(yī)療集團)中提出通過在袋內形成柔性檔板以在袋中形成渦流運動從而改進混合來克服這些局限性。然而，現(xiàn)有技術的這種修改并未去除最明顯的對袋接縫產生應力的缺點，所述缺點妨礙了使用這些袋進行大規(guī)模生產的用途。所提出的修改也并未提供袋中從所有方向上按需要的完全混合，因為所述袋僅在一個維度中搖蕩。
[0009]因此，需要一種使得使用者能夠規(guī)模擴大在將確保營養(yǎng)培養(yǎng)基從所有方向上完全混合的柔性容器中在生物反應器袋中規(guī)模擴大營養(yǎng)培養(yǎng)基混合的設備。


【發(fā)明內容】

[0010]鑒于上述技術背景已實現(xiàn)本發(fā)明，且本發(fā)明的一個目的是提供一種生物反應器袋，其使得使用者能夠在生物反應器袋中規(guī)模擴大營養(yǎng)培養(yǎng)基混合并有效混合營養(yǎng)培養(yǎng)基。
[0011]生物反應器包括圓柱形支撐物、柔性容器，所述柔性容器包括界定柔性容器中兩個腔室的隔膜，且隔膜具有可變孔隙度，使得來自袋所有側的營養(yǎng)培養(yǎng)基通過使用使圓柱形支撐物在-110°到+110°之間樞轉的構件來經由袋的中間傳遞；這使隔膜提升來自袋所有側的營養(yǎng)培養(yǎng)基并在袋的中部中心將其排干；以相反方向逆轉循環(huán)提供營養(yǎng)培養(yǎng)基的最佳混合。在容器已經加壓從而在內部形成固定容積使得生物反應器如同硬壁容器般起作用但其保留使用柔性一次性容器來制造生物產品的優(yōu)點時觀察到營養(yǎng)培養(yǎng)基最有效的移動。
[0012]容器壁和隔膜是縫合在一起的柔性薄片。兩個外層是不可滲透的，而隔膜具有可變的孔隙度，形成兩個腔室之間的流體連通。隔膜在鄰接于一個邊緣的中心具有最高孔隙度?；蛘?，容器可為模型化結構。
[0013]容器固定不動地安置在圓柱形支撐物中，使得隔膜垂直對齊，且最高密度孔隙處于頂部中間部分(頂部垂直和中間水平軸)。隨著圓柱形支撐物被樞轉，隔膜在圓柱形支撐物移動的方向上將液體向上掠起，提升液體，且經由孔隙沿著隔膜中心的一側傾注所述液體，使得來自容器所有方向的液體均勻地混合；在連續(xù)的基礎上在相反方向上重復所述操作，產生容器中全部液體的高度有效并均勻的混合。
[0014]值得注意的是，在本發(fā)明中不存在將氣體噴射或引入營養(yǎng)培養(yǎng)基中的構件；氣體與營養(yǎng)培養(yǎng)基的混合是在其被反復地劇烈翻轉時經由表面吸收到營養(yǎng)培養(yǎng)基中來實現(xiàn)的。雖然這種培養(yǎng)基充氣的方式高度適于細胞培養(yǎng)生長，但這可能并不足以支持細菌培養(yǎng)物或需要極高度充氣的那些培養(yǎng)物的生長。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點在結合附圖閱讀以下描述時將變得更明顯，在所述附圖中:
[0016]圖1a是含有加壓柔性袋和營養(yǎng)培養(yǎng)基的圓柱形支撐物的正視圖；lb是圓柱形支撐物順時針移動半途的視圖；lc是圓柱形支撐物順時針移動到110°的視圖。
[0017]圖2a是含有未加壓柔性袋和營養(yǎng)培養(yǎng)基的圓柱形支撐物的正視圖；2b是圓柱形支撐物順時針移動到一半的正視圖；2c是圓柱形支撐物順時針移動到110°的正視圖。
[0018]圖3是含有未加壓柔性袋和營養(yǎng)培養(yǎng)基的圓柱形支撐物的正視圖；3b是圓柱形支撐物順時針移動到一半的正視圖；3c是圓柱形支撐物逆時針移動到110°的正視圖。
[0019]圖4是垂直安置的柔性袋的側視圖，展示隔膜中孔隙的配置。

【具體實施方式】
[0020]本發(fā)明目前優(yōu)選的實施例參考圖式描述，其中相同的組件用相同的數(shù)字標識。優(yōu)選實施例的描述是示例性的且并不打算限制本發(fā)明的范圍。
[0021]現(xiàn)有技術袋是扁平矩形的“枕頭樣式”的細胞培養(yǎng)袋，其常用于搖蕩生物反應器應用，例如1998年8月12日申請的標題為“使用波浪誘發(fā)的攪拌培養(yǎng)細胞的方法(Methodfor Culturing Cells Using Wave-1nducedAgitat1n) ” 的美國專利第 6，190，913 號的系統(tǒng)。這一現(xiàn)有技術和其它現(xiàn)有技術袋展示在美國專利申請案12/676，180的圖1-圖11中。
[0022]本發(fā)明中的袋(圖1)是通過將兩個外部柔性不可滲透的薄片8與穿孔隔膜7縫合在一起而形成的，所述穿孔隔膜在相鄰于一個邊緣的中心部分具有遠為較高的孔隙度6，形成能夠保持營養(yǎng)培養(yǎng)基15的兩個腔室，且產生繞著袋的四邊的輪廓接縫5，且形成柔性袋與圓柱形支撐物內表面附接使得袋不可移動的部位。還提供了與除菌過濾器3附接的氣體端口 4以避免來自外部的任何污染。提供了具有除菌過濾器12的液體端口 13以引入營養(yǎng)培養(yǎng)基，所述液體端口還可用于在使過濾器12分離之后自袋去除液體以及在不使用過濾器的情況下引入生物培養(yǎng)物。袋8被安置在硬壁的圓柱形支撐物I內，所述硬壁的圓柱形支撐物又被加熱元件2所覆蓋。圓柱形支撐物I由平臺11經由滾動機構14支撐，所述滾動機構由馬達10經由連桿9控制。
[0023]圖1具有本發(fā)明的三種配置；圖1a是起始位置，其中袋8垂直地安置。營養(yǎng)培養(yǎng)基15經由端口 13引入袋中，且其由于隔膜7是多孔的而穿過所述隔膜以在隔膜7兩側上提供均等水平。重要的是應注意，圖1a中薄片8在垂直安置時的孔隙度比頂部中心部分小得多，小到至少10倍。在整個隔膜中提供多孔結構的原因是為了在隔膜7樞轉時減小所述隔膜上的壓力，允許其使營養(yǎng)培養(yǎng)基跨越由隔膜7形成的兩個腔室傳遞。進一步注意到，在圖1中，袋的壁完全內襯于圓柱形支撐物的硬壁且這種情況是通過經由氣體端口 4中的一者引入氣體以加壓所述袋來實現(xiàn)的。這種情況也使所述袋形成三維容器。這種情況在使用本發(fā)明來生長哺乳動物細胞(如中國倉鼠卵巢細胞)時通常將是所需的，其中提供有混合在空氣中的約5%二氧化碳，且二氧化碳進入營養(yǎng)培養(yǎng)基的模式是通過營養(yǎng)培養(yǎng)基的表面。
[0024]圖1展示圓柱形支撐物的順時針移動，而圖1b展示隔膜7在其樞轉到約30° -35°時的位置。應注意，隔膜7提升營養(yǎng)培養(yǎng)基且在旋轉達到大于90°時，其經由隔膜主要經由較高孔隙度部分6排空，使得液體從左腔室移動到右腔室中，如圖1所示。接著以相反方向重復圓柱形支撐物的操作，從而提供從右腔室到左腔室以及從后面到前面的混合。值得注意的是，隨著圓柱形支撐物樞轉，很可能從一個端口離開以排出的營養(yǎng)培養(yǎng)基將覆蓋氣體端口中的一者。由于氣體端口中的一者用于引入氣體且另一者用作排出裝置，故不管哪個氣體端口被營養(yǎng)培養(yǎng)基暫時淹沒，操作都將不受到影響。
[0025]圖2展示以起始位置安置的本發(fā)明的側視圖，展示具有可變穿孔6的隔膜7 ;值得注意的是隔膜7中的最大開口在以起始位置垂直安置時提供在隔膜7的頂部中心位置中。這種配置允許營養(yǎng)培養(yǎng)基在隔膜7經樞轉提升營養(yǎng)培養(yǎng)基時從左邊流到右邊以及從后面流到前面。
[0026]袋7可為模制三維結構或通過縫合柔性薄片來制造。邊緣和角撐可為弧形接縫或被制造為如本文中所示的一系列直線接縫區(qū)段。
[0027]本發(fā)明提供一種使得使用者能夠規(guī)模擴大生物反應器袋中營養(yǎng)培養(yǎng)基混合的設備。這種設備可以很簡單地控制PH值，其中酸或堿到生物反應器袋的加入不會花費很長時間來獲得。從左邊到右邊和從后面到前面的均勻混合提供多種生物培養(yǎng)物最優(yōu)生長所需的理想混合模式。因此，本發(fā)明為使用者提供一種簡單方法來規(guī)模擴大生物反應器袋中的營養(yǎng)培養(yǎng)基混合，從而提供生物產品的最高制造產率。
[0028]本發(fā)明在利用與用于大規(guī)模生物反應器的柔性袋相關的技術中去除所有結構和技術障礙；加壓袋位于硬壁圓柱形支撐物內，消除了對袋接縫的任何應力，且與會不可避免地將營養(yǎng)培養(yǎng)基體積限制為僅數(shù)百升的現(xiàn)有技術相比，此技術允許使用可輕易含有數(shù)千升營養(yǎng)培養(yǎng)基的生物反應器構造。
[0029]盡管已詳細描述和說明了本發(fā)明袋，但應明確了解到，這僅以說明和實例的方式進行且并非采取限制的方式。所述范圍僅受所附權利要求書的條款限制。
【權利要求】
1.一種生物反應器，其包含: a)圓柱形支撐物，其具有經配置以固定不動地固持柔性容器的內表面且包含用于使所述圓柱形支撐物沿著其圓形軸在-110°到+110°之間樞轉的機構； b)單次使用式柔性容器，其具有至少一個內壁和內部容積，其中所述柔性容器包含: (1)柔性隔膜，其具有固定不動地放置在所述柔性容器內的表面且界定右腔室和左腔室，所述隔膜包含多個提供所述右腔室與所述左腔室之間流體連通的孔隙；且 (2)任選地包含以下元件中的一或多者: (a)液體入口； (b)液體出口； (c)氣體入口； (d)氣體出口； (e)加熱和、或冷卻元件； (f)壓力傳感器；和 (g)溫度傳感器； 其中所述柔性容器固定不動地駐存于所述圓柱形支撐物內，使得所述隔膜得以垂直地放置。
2.根據(jù)權利要求1所述的生物反應器，其中所述柔性容器是加壓的。
3.根據(jù)權利要求1所述的生物反應器，其中所述隔膜的所述表面包含可變密度的孔隙，且其中沿著水平軸中間和垂直軸中間的所述隔膜總表面的25% -30%包含比所述隔膜的其余部分高3-5倍的孔隙密度。
4.根據(jù)權利要求1所述的生物反應器，其中所述用于使所述圓柱形支撐物樞轉的機構包含一或多個用于改變所述圓柱體的樞轉頻率、樞轉角度的控制器。
5.根據(jù)權利要求1所述的生物反應器，其進一步包含溫度控制器和壓力控制器。
6.根據(jù)權利要求1所述的生物反應器，其中所述隔膜中的所述多個孔隙的大小在Iμ m到1000 μ m范圍內。
7.根據(jù)權利要求1到6中任一權利要求所述的生物反應器，其中所述柔性容器的形狀是圓柱形、卵形、立方形、圓形、矩形或正方形。
8.根據(jù)權利要求1到7中任一權利要求所述的生物反應器，其中所述柔性容器通常是枕頭型柔性袋，其中至少所述柔性容器的內部部分和所述隔膜包含生物相容性材料。
9.一種制造生物產品的方法，其包含: a)提供根據(jù)權利要求1到8中任一權利要求所述的生物反應器； b)將營養(yǎng)培養(yǎng)基經由所述液體入口引入所述柔性容器中； c)將能夠制造生物產品的生物培養(yǎng)物經由所述液體入口引入所述柔性容器中； d)將所述營養(yǎng)培養(yǎng)基加熱或冷卻到預定溫度； e)將壓縮氣體來源連接到所述氣體入口； f)將所述柔性容器加壓以實現(xiàn)所述柔性容器與所述圓柱形支撐物的所述內表面的連續(xù)接觸； g)使所述圓柱形支撐物以足以混合所述營養(yǎng)培養(yǎng)基并使所述生物培養(yǎng)物通氣的頻率在-110與+110的角度之間樞轉；以及 h)使所述圓柱形支撐物持續(xù)樞轉直到所述生物培養(yǎng)物的密度足以制造生物產品為止。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其進一步包含從所述柔性容器中去除所述營養(yǎng)培養(yǎng)基以便進一步處理所述生物產品。
11.根據(jù)權利要求9所述的制造生物產品的方法，其中所述生物培養(yǎng)物包含細菌、酵母、桿狀病毒、哺乳動物細胞或植物細胞。
【文檔編號】C12M1/12GK104428406SQ201380024872
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年3月22日 優(yōu)先權日:2012年3月24日
【發(fā)明者】薩爾法拉茨·尼亞齊 申請人:醫(yī)用蛋白國際有限責任公司