专利名称：利用冷冻和微波使生物材料脱水的设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于对诸如疫苗、抗生素、抗体酶、蛋白质和微生物培养基的生物材料 进行微波真空干燥的设备和方法。
背景技术：
对许多生物活性材料例如疫苗、微生物培养基等进行脱水以便储藏。现有技术中 使用的方法包括冷冻干燥和空气干燥方法如喷雾干燥。脱水通常降低材料的成活力。冷冻 干燥允许比空气干燥更高的成活力水平，但其需要长的处理时间并且成本高。其也导致在 干燥材料中一定程度的成活力损失。本领域中还已知利用共振腔类型的微波真空脱水器来使生物材料和其它材料脱 水。该方法将微波能量导入充当微波共振腔的真空腔中。但是，尤其在干燥的材料量相对 较小时(这对于生物材料而言为一般情形)，可能难以控制材料的温度。当微波在共振腔中 反射时，随着材料的干燥，设备的微波能量输出必须被样品中越来越少的水和材料所吸收。 待处理的材料质量还必须与设备的微波功率相匹配；因为微波能量被材料充分吸收，所以 相对于设备的微波功率而言，较小的材料量会在干燥时达到高温。
发明内容
本发明提供用于使生物材料脱水的设备和方法，其中所述材料在处于微波波导内 的抽真空容器中脱水，所述微波波导对大气开放。由于开放，所以波导可被空气冷却从而避 免材料过热。由于脱水在真空下即在低于大气压的压力下进行，因而水的沸点下降，使得在 较低温度下出现蒸发，从而使得对于所干燥材料的生物活性的损害最小化。使用本发明比 使用共振腔类型的微波真空脱水器可以实现对材料温度的更多控制。可以处理非常少量的 材料而不会过热。根据本发明的一个实施方案，所述设备包括用于冷冻生物材料容器的装置、微波 发生器、对大气开放的波导、用于将生物材料容器引入波导中的装置、用于对所述容器施加 真空的装置，和用于从波导中移出经脱水的材料的装置。所述设备可任选包括用于实现在波导中的样品和微波场之间的相对移动的装置。 这可以包括用于将容器移动通过波导的装置或者用于移动发生器的装置或者用于在容器 内移动生物材料的装置。所述设备可任选包括用于从容器移除盖的装置以及用于密封容器 的装置。根据本发明的另一个实施方案，所述设备具有波导，该波导具有用于引入生物材 料的透微波容器的输入端和用于移出该容器的排出端。所述设备包括用于将容器引入输入 端的装置、用于从容器上移除盖的装置和用于向容器施加高真空(足以引起和/或维持材 料冷冻)的装置。其包括用于将真空容器从输入端向排出端移动通过微波波导的装置、用 于将盖放回容器上的装置和用于将容器从排出端移出微波波导的装置。所述设备可包括在 发生器相反侧的波导一端的微波吸收槽。
根据本发明的另一实施方案，提供一种用于使生物材料脱水的方法。提供容纳待 脱水的生物材料的容器，所述容器可透过微波辐射。将该容器放入对大气开放的微波波导 中。对该容器施加真空。通过施加真空或者在放入波导之前对所述材料进行冷冻。施加微 波辐射来使生物材料脱水。将经脱水的材料从波导中移出。任选地，在从波导中或者真空 中移出之前，密封经脱水的材料的容器。如果材料容器在将其放入微波波导之前是加盖的，则所述方法包括在施加微波辐 射之前移除盖。所述方法可任选包括实现在波导中的样品与微波场之前的相对移动的步 骤。这可以是在施加微波辐射的同时移动抽真空的容器通过微波波导的步骤，或者是移动 发生器的步骤。因此，本发明产生经脱水的生物材料的容器，所述经脱水的生物材料的水分含量 低至例如3%到4%或更低。其特别适用于蛋白质例如单克隆抗体、酶和多肽的脱水。根据以下优选实施方案的说明和附图，本发明的这些和其它特征将变得明显。
图1是根据本发明的一个实施方案的设备的部分断面的侧视图；图2是其俯视图；图3是在从小瓶中移除盖之前所述设备在输入端部分的截面图；图4是在将盖放回小瓶之前所述设备在排出端部分的截面图；图5和6是根据本发明的脱水方法的流程图。
具体实施例方式脱水设备脱水设备10具有支撑平台12，以及位于平台12下方的微波发生器14、循环器73 和水槽16。平台上方的微波波导18在循环器73和水槽16之间延伸，穿过平台12中的空 间间隔的穿孔20、22。波导18通过框架25支撑在平台12上。波导18包括纵向延伸段，其 在本文中称为处理段对，待脱水的材料移动通过处理段对，如下文所述。处理段M具有底壁40，侧壁42、44和上壁46。纵向狭缝49延伸通过上壁46。波 导18的内部因而对大气开放。狭缝49的开口被微波扼流器(microwave choke) 51包围， 用以减少微波辐射通过该狭缝漏出。在狭缝和扼流器上方有可移动封盖(未示出)以减少 辐射漏出。处理段M具有产品输入端26 (待经脱水的材料的容器被引入该产品输入端26) 和产品排出端观(经脱水的材料的容器从该产品排出端观移出)。为了本发明优选实施方 案的描述，该容器为透微波的小瓶38，用于包含例如蛋白质。小瓶提升机构30在波导的处理段M的输入端沈下方固定至支撑平台12。该机 构包括安装在平台12下侧的具有小瓶提升活塞34的气缸32和在活塞34的上端用于保持 材料小瓶38的小瓶容纳平台36，其中活塞34延伸通过平台12中的穿孔。波导18的处理 段M在小瓶保持平台34上的其底壁40中具有端口 48，用于小瓶38和小瓶提升平台36进 入处理段24。小瓶下降机构50在处理段M的产品排出端28下方固定至支撑平台12。该机构 在结构上与小瓶提升机构30相同，包括具有小瓶下降活塞M的气缸52和在活塞M上端的小瓶容纳平台56，其中小瓶下降活塞M延伸通过支撑平台12中的穿孔。波导18的处理 段M在小瓶容纳平台56上方的其底壁40中具有端口 55，用于在材料脱水之后将小瓶从处 理段M移出。管57围绕每个端口 48、55向下延伸以减少辐射从波导中的泄漏。提供小瓶拾取头58用于将小瓶38传递通过处理段对。拾取头58具有固定于可 移动的支撑平台62的主体60。平台62设置为通过拾取头移动机构64沿着波导的处理段 24移动。该机构包括支撑在框架25上的驱动带66，其平行于处理段M且由马达68驱动。 可移动的支撑平台62固定于驱动带66用于在其上移动，使得驱动带66的动作沿着处理段 24的长度移动拾取头58。波导狭缝的封盖可以固定于支撑平台62或者是支撑平台62的 延伸部。最好参见图1，小瓶拾取头58的结构具有主体60，该主体60具有上部61和底部 63。上部61具有分别通向冷凝器65、温度传感器67和真空传感器69 (为清楚起见，在图 2-4中省略)的端口。冷凝器65有助于脱水过程中从材料中释放的水分的冷凝。温度传感 器67和真空传感器69各自测量小瓶内的温度和压力。上部61在拾取头体60的底部63 上可绕垂直轴旋转，以使得在需要测量时，各传感器与小瓶垂直对准。拾取头的主体60具有在其中为圆柱孔形式的真空腔70。真空源、冷凝器和真空管 路(未示出)与小瓶拾取头的主体60的底部63中的真空端口 71连接，以提供真空腔70 的抽空和材料中水分的移除和冷凝。小瓶拾取套筒72安装在真空腔70中，其上部在真空 腔70内并且其下部延伸穿过拾取头支撑平台62中的穿孔并穿过上壁46中的纵向狭缝49。 套筒72因而延伸进入波导18的处理段M中。在套筒72的底部边缘处提供密封面76，用 于与小瓶38的气密密封接合。气缸78固定于拾取头主体60的上部61。其具有活塞80，活塞80延伸穿过体60 上端的穿孔82并进入拾取套筒72中。在活塞80的下端的盖托架84具有成形为并适于接 合和容纳小瓶38的盖88的环形法兰86。为了在脱水过程中对小瓶进行空气冷却，可以将压缩空气管线(未示出)与拾取 头支撑平台62连接，通过处理段的上壁46中的狭缝49将压缩空气导引到小瓶38处。或 者，可以在拾取套筒72的下部上提供空气叶轮以在旋转时使得波导中的空气对着小瓶吹。为了在微波处理之前将生物材料冷冻，所提供的真空系统能够将容器抽空到低于 约4mm汞柱、更准确的是低于4. 58mm汞柱的压力，即水的三相点压力。通常需要约2. 5mm 汞柱以下的压力，这是因为生物材料溶液具有比纯水更低的冰点。或者，提供冷冻机如液氮 浴或低温冷冻机(未在图中示出)。应该理解的是，设备10还包括启动气缸的适当空气管线和控制器、抽空真空室70 的真空管线和控制器，以及操作驱动马达的控制器。在设备的一个替代实施方案中(未在图中示出)，微波发生器安装在可移动台上， 使得其可以在微波处理过程中相对于样品移动。在这种情况下，材料样品在波导中固定，样 品和微波场之间的相对移动是通过移动发生器而非移动样品实现的。这种相对移动稳定了 样品所经历的能量场。在设备的另一个替代实施方案中(未在图中示出)，容器保持在波导内并且移动 生物材料通过容器。该容器是固定的，材料通过例如振动或重力而移动。脱水方法
在脱水设备10的操作循环开始时，小瓶提升活塞34和小瓶下降活塞M均处于它 们的回缩位置，使得小瓶容纳平台36、56在支撑平台12上。拾取头活塞80也处于其回缩位 置，使得盖托架84在拾取头58的主体60内处于其升起位置。拾取头支撑平台62在波导 18的处理段M的输入端沈处，拾取头58与小瓶进入端口 48垂直对准。具有待经脱水的 材料(例如蛋白质)的小瓶38被盖88覆盖，并且在大气压下放置在小瓶容纳平台36上。启动小瓶提升气缸32以升起活塞34和小瓶容纳平台36，提升小瓶38通过小瓶进 入端口 48进入波导的处理段M中，直至小瓶的瓶肩邻接在小瓶拾取套筒72的下端的密封 表面76为止。然后启动拾取头气缸78，以降下拾取头活塞80和盖托架84来接合小瓶的盖 88。设备的该位置示于图8中。然后通过真空源和管线对真空室70施加高真空，将真空室 中的绝对压力降至低于约2. 5mm汞柱，或者低于约0. 2mm汞柱。然后启动拾取头气缸78，提升盖托架84并且从小瓶38上移除盖88。在处于大气 压的小瓶内部和部分真空的真空室70和拾取套筒72之间的压差有利于该移除。盖移除使 得真空被施加于小瓶38中。通过拾取套筒72所施加的真空导致小瓶和拾取套筒72之间 在密封表面76处密封，使得小瓶被拾取套筒72牢牢地支撑住。然后启动小瓶提升气缸32 来降下小瓶提升活塞34，从波导18中抽出小瓶容纳平台36。对容器施加高真空将样品冷却到其凝固点以下。然后启动微波发生器14，导致微波能量通过波导18移动到水槽16。循环器73防 止微波能量再次进入发生器。启动驱动带马达68，以移动驱动带66并从而移动拾取头支撑 平台62。支撑平台62的移动方向朝着处理段M的排出端观。小瓶38保持抽真空。通过 微波能量加热生物材料导致材料脱水。根据需要，可以在脱水过程中通过传感器69、67测 量小瓶中的压力和温度。样品由于升华而脱水，这是因为冰直接转变成气体。在排出端观，使得小瓶38与处理段M的底壁40中的小瓶移除端口 55对准，并且 停止驱动带马达68。停用微波发生器14。启动气缸52以升起小瓶降下活塞M，使小瓶容 纳平台56延伸通过端口 55进入微波波导的处理段M中，使得其接合小瓶38的底部。该 位置示于图4中。启动拾取头气缸78以降下拾取头活塞80，将盖88推回到小瓶38上。真 空室70中的真空随后被释放。这破坏了拾取套筒72和小瓶38之间在密封表面76处的密 封，从而将小瓶从套筒的支撑中释放出来。真空的释放还导致处于减压下的小瓶内部以及 目前处于大气压下的真空室70和拾取套筒72之间的压差。然后启动拾取头气缸78，以提 升活塞80和盖托84。由于压差，在盖托84缩回时，小瓶中的减压将盖88保持在小瓶38上 的合适位置。然后启动气缸52以降下小瓶容纳平台56并随之降下小瓶38，从小瓶从波导 18中抽出。然后可以手动从设备10中移出小瓶。其是含有经经脱水的材料的真空密封且 加盖的小瓶。将设备返回到另一材料小瓶的处理开始条件，启动驱动马达68以将拾取头58返 回到处理段M的输入端沈。可以笼统地理解上述方法，其包括图5中的流程图所举例说明的以下步骤。在步 骤100中，将生物材料的加盖容器装入波导中。在步骤102中，移除盖并且对容器施加高真 空，致使材料在步骤104中冷冻。在步骤106中，引导微波能量通过波导。在步骤108中， 容器通过波导移动到排出端。在步骤110中，对容器加盖。在步骤112中，从波导移出经脱 水的材料的抽真空的容器。
7
除了在波导中对经脱水的材料的容器加盖之外，作为另外一种选择，可以移出未 加盖的容器。然后在从设备中移出容器之后，随后完成加盖。或者，材料的容器在处理之前进行冷冻，例如通过将其放置在液氮浴或低温冷冻 机中。经冷冻的材料然后在脱水设备10中进行处理。在该方法中的冷冻步骤因而是生物 材料在设备中脱水之前的一个预先步骤。在图6的流程图中说明了该方法。在步骤99中， 将材料的容器在液氮中冷冻。在步骤101中，经冷冻的材料然后装入波导中。在步骤103 中，移除盖并施加真空，通常低于2. 5mm汞柱。这种低压保持材料在微波处理过程中冷冻。 然后用步骤106、108、110和112处理该材料。或者，小瓶可以保持固定，而微波场在其周围移动，例如相对于样品移动微波发生
器ο也可以在没有通过波导移动容器，或移动发生器的步骤的情况下，实现生物材料 的脱水。移动均化了材料所暴露的场。没有这类移动，就需要容器在波导中的固定位置处 的微波能量强度对于样品而言是适当的。该方法的步骤可以包括图5或6的流程图中所示 的步骤，但省略移动容器的步骤108。实施例1根据本发明的设备具有功率输出为900瓦特的微波发生器、水槽和在二者之前延 伸的微波波导。波导的处理段长约33cm，具有截面为矩形(约5. 25cm高和10. 9cm宽)的 通道。处理段的上壁中的狭缝约2. 8cm宽，并且被微波扼流器环绕。实施例2将乳酸菌唾液固定相细胞与10%的脱脂奶粉混合并且分成0. 5ml小份，在_80°C 下冷冻一天，然后按照本发明干燥(100-700W，19-21分钟，真空为2mm汞柱)。在37°C厌氧 培养48小时后，通过将稀释液系列覆在菌总数测试片(petrifilm)上对最后的活细胞进行 计数。脱水存活的菌落形成单位的百分比为52. 2士9. 67%。经脱水的材料的水分含量为 3. 48士 1. 23%。实施例3使用粉状酶和消毒蒸馏水制备10%溶菌酶溶液。将10%酶的0. 5ml小份倾倒到 容器中并且在-80°C冷冻2小时。冷冻样品按照本发明干燥(800W，真空为2mm汞柱，脱水 时间27分钟)。使用Smgar法测量干燥前后的酶活性。10%的溶菌酶在脱水前后的活性和水分
权利要求
1.一种用于使生物材料脱水的设备，包括(a)微波发生器；(b)引导来自所述发生器的微波辐射的波导，所述波导对大气开放；(c)用于将所述材料的透微波容器引入所述波导的装置；(d)用于向所述容器施加真空的装置；(e)用于冷冻所述材料的装置；和(f)用于从所述波导中移出经脱水的材料的装置。
2 根据权利要求1的设备，还包括用于实现在所述波导中的所述容器和由所述发生器 产生的微波场之间的相对移动的装置。
3.根据权利要求2的设备，其中用于实现相对移动的所述装置包括用于使所述容器从 所述波导的输入端向排出端移动通过所述波导的装置。
4.根据权利要求2的设备，其中用于实现相对移动的所述装置包括用于移动所述发生 器的装置。
5.根据前述权利要求中任一项的设备，还包括用于密封经脱水的材料的所述容器的装置。
6.根据前述权利要求中任一项的设备，还包括用于从所述容器上移除盖的装置。
7.根据权利要求1的设备，还包括在所述波导远离所述发生器的一端的微波吸收槽。
8.根据权利要求1的设备，其中用于将所述容器引入所述波导的装置包括具有活塞的 容器提升机构，用于将所述容器提升通过所述波导下侧的端口。
9.根据权利要求1的设备，其中用于从所述波导移出所述容器的装置包括具有活塞的 容器下降机构，用于使所述容器下降通过所述波导下侧的端口。
10.根据权利要求1的设备，其中用于向所述容器施加真空的装置包括操作地连接真 空源的容器拾取头。
11.根据权利要求10的设备，其中所述拾取头包括适于与所述容器形成真空密封的套筒。
12.根据权利要求3的设备，其中用于使所述容器移动通过所述波导的装置包括用于 容器拾取头的可移动支撑平台，所述支撑平台与大致平行于所述波导布置的驱动带连接。
13.根据权利要求4的设备，其中用于移除盖的装置包括操作地连接活塞的盖托架，所 述盖托架可通过所述活塞从移除或放回所述容器上的所述盖的下方位置向托住所述盖以 与所述容器分离的上方位置移动。
14.根据权利要求1的设备，还包括冷凝器。
15.根据权利要求10的设备，其中所述容器拾取头包括底部和在所述底部上可旋转的 上部，所述上部具有温度传感器和压力传感器中的至少其一。
16.一种用于使生物材料脱水的设备，包括(a)微波发生器；(b)引导来自所述发生器的微波辐射的波导，所述波导对大气开放；(c)在所述波导内用于容纳所述材料的透微波容器；(d)用于向所述容器施加真空的装置；(e)用于冷冻所述材料的装置；和(f)用于从所述波导中移出经脱水的材料的装置。
17.根据权利要求16的设备，还包括用于实现在所述容器中的所述材料和由所述发生 器产生的微波场之间的相对移动的装置。
18.根据权利要求17的设备，其中用于实现相对移动的所述装置包括用于移动所述容 器中的所述材料的装置。
19.一种用于使生物材料脱水的方法，包括以下步骤(a)提供容纳所述待脱水的生物材料的透微波容器；(b)将所述容器放入对大气开放的微波波导中；(c)向所述容器施加真空；(d)冷冻所述材料；(e)施加微波辐射以使所述抽真空的容器中的所述材料脱水；以及(f)从所述波导中移出所述经脱水的材料。
20.根据权利要求19的方法，还包括实现在所述波导中的所述材料和微波场之间的相 对移动的步骤。
21.根据权利要求19的方法，还包括使所述抽真空的容器从所述波导的输入端向排出 端移动通过所述波导的步骤。
22.根据权利要求19的方法，还包括使所述发生器相对于所述波导中的所述材料移动 的步骤。
23.根据权利要求14或20的方法，还包括密封经脱水的材料的容器的步骤。
24.根据权利要求23的方法，其中所述密封是在从所述波导中移出所述容器之前完成的。
25.根据权利要求19的方法，其中将待脱水的材料的所述容器加盖，并且所述方法包 括从所述容器上移除所述盖的步骤。
26.根据权利要求23的方法，其中密封所述容器的步骤包括将所述盖放回到所述容器 上的步骤。
27.根据权利要求19至沈中任一项的方法，其中所述冷冻是在将所述容器放入所述波 导中之前完成的。
28.根据权利要求19至沈中任一项的方法，其中所述冷冻是在所述波导中通过向所述 容器施加真空来完成的。
29.根据权利要求19至观中任一项的方法，其中所述生物材料为蛋白质。
30.一种用于使生物材料脱水的方法，包括以下步骤(a)提供在对大气开放的微波波导内的透微波容器中的所述待脱水的生物材料；(b)向所述容器施加真空；(c)冷冻所述材料；(d)施加微波辐射以使所述抽真空的容器中的所述材料脱水；以及(e)从所述波导中移出经脱水的材料。
31.根据权利要求30的方法，还包括实现在所述波导中的所述材料和微波场之间的相 对移动的步骤。
全文摘要
公开了用于使生物材料例如疫苗和微生物培养基脱水的设备和方法，其中所述材料在处于微波波导中的抽真空的容器中脱水，所述微波波导对大气开放。所述设备包括用于冷冻生物材料的容器的装置、微波发生器、波导、用于将容器引入波导中的装置、用于对容器施加真空的装置和用于从波导中移出经脱水的材料的装置。在本发明的方法中，将生物材料的容器放入对大气开放的微波波导中，对容器施加真空，将材料冷冻和辐射以使其脱水。然后从波导中移出经脱水的材料。
文档编号A61K9/19GK102149813SQ200980136008
公开日2011年8月10日 申请日期2009年9月11日 优先权日2008年9月12日
发明者傅军, 帕拉斯图·伊格马艾, 罗伯特·L·派克, 蒂莫西·D·迪朗斯 申请人:能波公司