声学生物反应器工艺的制作方法
【专利说明】声学生物反应器工艺
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年7月12日提交的美国临时专利申请序列号61/845,531的优先 权。本申请还是于2014年2月7日提交的美国专利申请序列号14/175,766的部分延续案，所 述美国专利申请序列号14/175,766还是于2013年9月13日提交的美国专利申请序列号14/ 026,413的部分延续案。运些申请的全部内容均W引用的方式并入本文。
【背景技术】
[0003] 许多因素导致了生物技术领域的发展，其中一些因素包括可用于生物反应器的设 备的改进。设备的改进使得能够W大规模、低成本进行生物衍生物(例如单克隆抗体和重组 蛋白）的生产。用于基于生物学的新药的生产工艺的关键因素之一是生物反应器及与其相 关的辅助工艺。
[0004] 现代生物反应器是一种非常复杂的设备。除了其他参数，生物反应器设及流体流 速、气体含量、溫度、抑和氧含量的调节。能够调整所有运些参数，进而使得细胞培养能够尽 可能有效地由生物反应器工艺产生所需的生物分子。用于生物反应器领域的一种工艺是灌 注式工艺。灌注式工艺由于其低资金成本和高生产量而区别于分批补料式(fed-batch)工 乙。
[0005] 在分批补料式工艺中，将培养物接种于生物反应器中。采用在生长周期过程中逐 步添加大量新鲜的所选的营养物来提高生产率和生长。在收获培养物之后回收产物，产物 通常是单克隆抗体或重组蛋白。目前采用多种类型的分离用过滤器将细胞、细胞碎片和其 他废物与所需的产物分离。运种过滤器是昂贵的，并且在处理生物反应器材料时会变得堵 塞从而失去功能。分批补料式生物反应器还具有高的启动成本，并且为了在生长周期结束 时获得具有成本效益的量的产物而通常需要大的体积，并且运种工艺包括大量的非生产性 停工期。
[0006] 灌注式生物反应器处理被供入生物反应器中的一批连续的新鲜培养基，同时抑制 生长的副产物被不断地移除。灌注式生物反应器工艺可W缩短或取消非生产性停工期。灌 注式培养所达到的细胞密度(3000-10000万个细胞/ml)通常高于分批补料模式的细胞密度 (500-2500万个细胞/ml)。然而，灌注式生物反应器需要细胞保持装置W防止当移除副产物 时培养物逸出。运些细胞保持系统增加了灌注式工艺的复杂程度，并且需要管理、控制和维 持W有效运转。W前，诸如细胞保持设备的故障或失灵等操作问题是灌注式生物反应器的 难题。运在过去限制了它们的吸引力。
【发明内容】
[0007] 在多个实施方案中，本公开设及用于生产如重组蛋白或单克隆抗体等生物分子的 系统，W及用于从生物反应器的细胞培养物中分离运些所需产物的方法。一般而言，所述生 物反应器包括用于产生多维驻波的装置。该驻波用于将细胞培养物保持在原位。营养液流 循环通过所述生物反应器从而流过细胞培养物W收集由细胞培养物产生的生物产物/生物 分子。之后，可w从远离所述细胞培养物的营养液流中分离/收获生物分子。
[0008] 在多个实施方案中，公开了一种包括生物反应器的系统。所述生物反应器包括反 应容器、揽拌器、供料入口和出口。位于所述反应容器中的生长空间由至少一个超声换能器 和位置与所述至少一个超声换能器相对的反射器限定。驱动所述至少一个超声换能器W在 所述反应容器的生长空间中产生多维驻波。
[0009] 本文还公开了用于从细胞培养物收集生物分子的方法，包括:将所述细胞培养物 悬浮于生物反应器的生长空间中，所述生物反应器包括至少一个超声换能器，W及位置与 所述至少一个超声换能器相对的反射器，驱动所述至少一个超声换能器W产生多维声驻 波，该多维声驻波将所述细胞培养物保持在所述生长空间中；W及使营养液流流动通过所 述细胞培养物W收集生物分子。
[0010] 所述生物反应器还可包括次级过滤系统，该次级过滤系统位于所述生长空间和生 物反应器出口之间。当所述多维声驻波失效时，启动所述次级过滤系统。所述多维声驻波通 常W共振的形式运行。
[0011] 所述生物反应器可W具有一组构成所述超声换能器的元件。此外或可供选择地， 各超声换能器可W产生多个多维声驻波。
[0012] 在具体的实施方案中，所述生物反应器在所述生长空间中不包括叶轮（即物理揽 拌器）。在具体的实施方案中，所述细胞培养物由中国仓鼠卵巢(CH0)细胞组成。由此产生的 生物分子可W为单克隆抗体或重组蛋白。
[0013] 所述多维声驻波可W具有相同数量级的轴向分力和横向分力。所述生物反应器可 W作为灌注式生物反应器来运行。所述生物反应器可W包括夹套，其用于调节生长空间中 的流体的溫度。
[0014] 在具体的实施方案中，所述超声换能器包括能够W高阶模态振动的压电材料。所 述压电材料可W具有正方形或矩形形状。
[0015] 所述超声换能器可W包括:具有顶端、底端和内部容积的外壳;和位于所述外壳的 底端的晶体，该晶体具有暴露的外表面和内表面，并且当受到电压信号驱动时，所述晶体能 够产生声波。在一些实施方案中，衬里层接触所述晶体的所述内表面，所述衬里层由基本上 透声的材料制成。所述基本上透声的材料可W为轻木、软木、或泡沫。所述基本上透声的材 料的厚度可W为至多1英寸。所述基本上透声的材料可W为栅格的形式。在其他实施方案 中，所述晶体的外表面由厚度为小于或等于半波长的磨损面材料覆盖，所述磨损面材料为 氨基甲酸醋涂层、环氧树脂涂层或娃酬涂层。所述晶体的外表面还可W具有粘附于所述晶 体的外表面上的由匹配层或耐磨板材料形成的磨损面。所述匹配层或耐磨板可W由氧化侣 组成。在其他实施方案中，所述晶体不具有衬里层或耐磨层。
[0016] 所述多维声驻波可W为Ξ维驻波。所述反射器和/或所述超声换能器可W具有非 平面表面。
[0017] W下更具体地描述运些和其他非限制性特征。
【附图说明】
[0018] W下是对附图的简单描述，其是为了说明本文所公开的示例性实施方案的目的， 不旨在对其进行限制。
[0019] 图1示出由超声换能器和反射器产生的单驻声波。
[0020] 图2为比较常规的分批补料式生物反应器系统和灌注式生物反应器系统的图。
[0021 ]图3为示出本公开的生物反应器的各部件的截面图。
[0022] 图4为管状生物反应器及其中的生长空间的剖开图。多个超声换能器用于产生将 细胞培养物保持在原位的驻波。箭头示出了营养液流向上流动通过驻波和其中所保持的细 胞培养物。
[0023] 图5为常规超声换能器的截面图。
[0024] 图6为本公开的超声换能器的截面图。该换能器中存在气隙，并且不存在衬里层或 耐磨板。
[0025] 图7为本公开的超声换能器的截面图。该换能器中存在气隙，并且存在衬里层和耐 磨板。
[0026] 图8为可用于产生多维驻波的压电阵列的图示。
[0027] 图9为W不同频率驱动的正方形换能器的电阻抗振幅对频率的图。
[00%]图10示出图9中的峰振幅中的屯个的沿流体流的正交方向的捕获线（trapp ing line)结构。
[0029] 图11为声压振幅（右手边刻度为化)和换能器面外位移（左手边刻度为米）的计算 机模拟。左手边刻度顶部的文字为"χ10- 7"。左手边刻度顶部带有向上Ξ角形的文字为 "1.473Χ10-6"。左手边刻度底部带有向下S角形的文字为"1.4612x1〇-id"。右手边刻度顶部 的文字为"Χ?ο 6"。右手边刻度顶部带有向上Ξ角形的文字为"1.1129X106"。右手边刻度底部 带有向下Ξ角形的文字为"7.357"。运些Ξ角形示出图中所示的给定刻度的最大值和最小 值。水平轴为腔室中沿X轴的位置，单位为英寸;垂直轴为腔室中沿Υ轴的位置，单位为英寸。
[0030] 图12示出晶体的面内和面外位移，其中存在复合波。
[0031] 图13示出可W使用的、具有一个生长空间的生物反应器的分解图。
[0032] 图14示出可W使用的、具有两个堆叠的生长空间的生物反应器的分解图。
【具体实施方式】
[0033] 通过参照W下对所需实施方案及其所包括的例子的详细描述，本公开将更加易于 理解。在W下说明