[发明专利]生物反应器结构

说明书

技术领域

本发明涉及可线性地放缩至任意所需容积的一次性生物反应器。更特别地，本发明涉及这种生物反应器，其长度尺寸可增加而生物反应器的其它尺寸与纵横比(宽度/高度)在反应器容积中保持不变，在所述反应器中生物反应受影响以保持恒定流体动力特性。

发明背景

培养微生物细胞(发酵)或动物及植物细胞(组织培养)是商业上重要的化学及生化生产过程。这些过程使用活体细胞是因为利用常规易于获得的起始材料的活体细胞可以经济地合成商业高价值化学品，包括如单克隆抗体或酶等蛋白质、疫苗或酒精饮料。

发酵涉及在营养液培养基中活体细胞的生长或保持。在典型的分批发酵过程中，所需微有机体或真核细胞是放在由水、营养化学物质和溶解气体组成的成分明确的培养基中，并使其以所需培养密度生长(或繁殖)。液体培养基必须包含细胞生命过程所需的所有化学物质，也应提供最优环境条件以持续生长和/或复制。目前，典型微生物细胞培养过程可利用连续搅拌釜式反应器或气体流化床反应器，其中微生物种群悬浮在循环营养基中。同样，体外哺乳动物细胞培养可利用滚动培养瓶对细胞悬浮培养，或对需表面附着的细胞，培养物生长至与在所附细胞之上含有营养培养基组织的培养瓶中组织汇合。如此保持的活体细胞新陈代谢由前体化学物质引入到营养混合剂中产生所需产物。所需产物由液体培养基精炼或由细胞本身提取。

目前，生物技术产业在制造过程中常规采用不锈钢生物反应器和配管，因为它们可以被消毒并重复使用。但是，这些系统成本高。此外，这些系统需要细胞培养定期转移，因为在生物反应过程中其生长伴随反应容积增加。但是，当培养容积增加时大型反应器的有效反应容积并非线性可放缩。因此，由于培养容积增加将改变混合条件，培养物不能均匀混合。因此，有必要将细胞培养物转移至具有不同几何特性的生物反应器，以达到基本相同的混合条件。这个程序需要保持反应器组多样化，通常有三组则相应增加资金成本。此外，必须保持细胞培养物转移条件以防止细胞培养物污染。这项要求大大增加了生物反应成本。

在所使用的可线性放缩反应系统内，必须包括使反应器中细胞培养循环且无死区的装置，以使在生物反应器内进行完全生物反应。此外，必须避免细胞将切变的条件。此外，必须提供补充养分、氧气或二氧化碳的装置，以保持细胞的生长和细胞活力，并保持适当的所需pH值。同时，必须注意最初灭菌并随后排除不良的细胞类型和细胞毒素。

生物反应器一种系统已使用配备电机或液压系统的大工作台，生物反应器袋放在其上。电机/液压系统摇动该反应器袋，提供细胞的恒定运动。此外，该袋有气体及养分供应管和废气及废物管，可为好氧生物供应养分及如空气等气体，并排除如呼出气体、二氧化碳等废物。配管布置为随反应器袋运动而工作，使得气体和液体/固体一致运动。见美国专利6,190,913。这种系统需要使用资本密集型设备，元件易受磨损。此外，随工作台使用的反应器袋尺寸受工作台尺寸及电机或液压装置的提升能力的限制。

另一替代系统采用两端附连可运动臂的长的柔性管状袋，在充填后袋由可运动臂呈U形向下悬挂。然后两臂交替相对另一臂向上或向下运动，以引起袋内摇摆运动和流体运动。如果需要，中间横截面可能包含约束以引起更均匀的混合动作。该系统要求使用特定形状的袋及液压或其它提升设备以引起液体流动。此外，由于重量的考虑，袋的大小和容积受装备的提升能力和袋的强度所限。

一种改进通过使用能够与如发酵罐、混合袋、储藏袋等一次性生物袋共同被选择性地加压和紧缩的一个或多个袋已显示。压力袋可围绕袋的选定外部，或包含在这种袋的内部中。通过压力袋选择性地加压和紧缩，能够实现袋内流体运动，从而保证了细胞悬液、混合和/或气体和/或养分/排泄物在袋内转移而不破坏切变力或泡沫生成。

替代地，可选择包含分布器或其它将气体引入袋中的装置的静态(非移动)袋。气体引起流体在袋内运动并引起气体、养分和废品的混合和转移。

美国专利5,565,015使用可密封入塑料容器中的扁平可膨胀的多孔管。管在气体压力下膨胀使气体流入袋中。当未施加气体时，该管压扁并大体上关闭扁平管的孔隙，以防止从袋中泄漏。

美国专利6,432,698还将管插入并密封在袋内的气体扩散器内。可发现由于没有阀或其它装置以防止倒流，必须保持恒定正气压以防止袋内任何液体进入扩散器，然后进入气体管线，并最终进入空气泵。