生物反应器系统和生物处理方法与流程

本发明的实施例大体上涉及生物处理系统和方法，并且更特别地涉及一种生物反应器系统，其中，这样的系统的单次使用式培养袋的形状和/或构造可选择性地改变。

背景技术：

多种器皿、装置、构件以及单元操作因执行生物化学过程和/或生物过程和/或操纵液体和这样的过程的其它产物而已知。越来越多地，为了避免与对在生物制药制造过程中使用的器皿进行杀菌相关联的时间、费用以及困难，单次使用式或一次性生物反应器袋和单次使用式混合器袋用作这样的器皿。例如，生物材料(例如，动物细胞和植物细胞)(包括例如哺乳动物细胞、植物细胞或昆虫细胞和微生物培养物)可使用一次性或单次使用式混合器和生物反应器来处理。

一种类型的生物反应器混合系统包括刚性圆柱形器皿，单次使用式柔性袋定位于刚性圆柱形器皿中。使用无菌一次性袋排除清洗器皿的耗时步骤并且降低污染的可能性。袋利用期望的流体填充，以用于混合，并且，设置于袋内的叶轮(由定位于器皿外部的磁性驱动器系统或马达驱动)用于使流体混合。取决于所处理的流体，系统可包括与袋联接的许多流体管线和不同的传感器、探头以及端口，以用于监测、分析、采样以及液体转移。例如，采集端口典型地位于一次性袋和器皿的底部处，并且允许采集管线连接到袋，以用于在过程完成之后对袋进行采集和排放。

这些单次使用式柔性袋的体积典型地在从约50升到约2000升的范围内。在许多应用中，诸如，在按比例增大的初始阶段期间，合乎期望的是，利用显著地小于一次性袋的最大工作体积的工作体积来培养。然而，由于系统约束(诸如，需要维持袋内的流体水平高度高于传感器穿透袋的区域)，有时也许不可能利用低于某一下限阈值的体积来工作。给定的生物反应器系统可在控制下有效地运行所处于的该最小体积被称为调节比。例如，对于许多大规模细胞培养应用，在可在2000l生物反应器中完成商业规模运行之前，首先在较小的生物反应器中实施过程，以确保细胞培养性能适当地按比例增减并且可以可再生产地实现期望的细胞密度、活性、糖基化模式以及表达率。该按比例增大过程可相当耗时并且昂贵，从而要求使用许多不同的增大体积的生物反应器。因此，在低工作体积(高调节比)下操作生物反应器的能力是合乎期望的，因为这样做可减少按比例增大到期望的采集体积所需要的生物反应器的数量。如今，大部分的生物反应器具有5:1的最大调节比，这意味着200l器皿可在控制下有效地操作成降至约40l。

虽然现有的生物反应器系统大体上适合于可被视为性能普通的情况，但需要具有增大的调节比和改进的可排放性的生物反应器系统。

技术实现要素：

在实施例中，一种生物反应器系统包括：器皿，其具有底部底面；柔性生物处理袋，其设置于器皿内；以及柔性囊袋，其定位于器皿的底部底面与生物处理袋的中间。柔性囊袋选择性地可充气，以改变生物处理袋的几何结构或构造中的至少一个。

在另一个实施例中，一种生物处理方法包括以下步骤：将柔性囊袋设置于生物反应器器皿的底部底面上；将柔性生物处理袋在器皿内大体上设置于柔性囊袋顶上；在柔性生物处理袋内执行生物处理；以及使柔性囊袋充气，以改变柔性生物处理袋的几何结构或构造中的至少一个。

在又一个实施例中，一种用于在生物反应器系统中使用的设备包括柔性囊袋，柔性囊袋具有构造成用于连接到加压空气源的入口端口。柔性囊袋构造成在生物反应器器皿的底部底面上定位于也设置于器皿内的柔性生物处理袋底下，并且构造成选择性地利用加压空气源来充气，以改变柔性处理袋的几何结构或构造，以改进生物反应器系统的可排放性或增大生物反应器系统的调节比。

附图说明

将通过参考附图而阅读以下对非限制性实施例的描述来更好地理解本发明，其中，在下文中：

图1是根据本发明的实施例的生物反应器系统的正视图。

图2是图1的生物反应器系统的简化侧视横截面视图，其中，单次使用式柔性袋和可充气囊袋设置于生物反应器系统中，并且，图2示出处于未充气状态的囊袋。

图3是图1的生物反应器系统的简化俯视平面图，其中，可充气囊袋设置于生物反应器系统中。

图4是根据本发明的实施例的可充气囊袋的透视图。

图5是图1的生物反应器系统的简化侧视横截面视图，其中，单次使用式柔性袋和可充气囊袋设置于生物反应器系统中，并且，图5示出处于充气状态的囊袋。

图6是根据本发明的实施例的可充气囊袋的俯视平面图，其示出囊袋的尺寸关系。

具体实施方式

将在下文中详细地参考本发明的示例性实施例，在附图中，图示这些实施例的示例。在任何可能的情况下，在所有附图中使用的相同的参考字符都指相同或同样的部分。

如本文中所使用的，用语“柔性”或“可塌缩”指柔韧或能够弯曲而不断裂的结构或材料，并且还可指可压缩或可膨胀的材料。柔性结构的示例是由聚乙烯膜形成的袋。用语“刚性”和“半刚性”在本文中可互换地用于描述“不可塌缩”的结构，即，不会在正常的力下折叠、塌缩或以其它方式变形以基本上减小其伸长尺寸的结构。取决于情境，“半刚性”还可指代比“刚性”元件更具柔性的结构，例如，可弯曲管或导管，但仍可指代不会在正常的条件和力下纵向地塌缩的结构。

“器皿”如该用语在本文中所使用的那样意味着柔性袋、柔性容器、半刚性容器、刚性容器或柔性或半刚性管道，视情况而定。如本文中所使用的用语“器皿”旨在包含具有柔性或半刚性的壁或壁的部分的生物反应器器皿、单次使用式柔性袋以及在生物处理或生物化学处理中常用的其它容器或导管，包括例如细胞培养/纯化系统、混合系统、介质/缓冲液制备系统以及过滤/纯化系统，例如，色谱及切向流过滤器系统及其相关联的流动路径。如本文中所使用的，用语“袋”意味着例如用作用于位于内部的内容物的生物反应器或混合器的柔性或半刚性容器或器皿。

如本文中所使用的，用语“调节比”指生物反应器的操作范围的宽度，并且被限定为生物反应器的最大操作体积与最小操作体积的比。例如，具有200升的最大操作体积和40升的最小操作体积的生物反应器具有5:1的调节比。如本文中所使用的，“可排放性”指在批料的排空或采集期间容易地并且完全地排放生物反应器的内容物的能力。

本发明的实施例提供一种生物反应器系统，该生物反应器系统具有：器皿，其具有底部底面；柔性生物处理袋，其设置于器皿内；以及柔性囊袋，其定位于器皿的底部底面与生物处理袋的中间。柔性囊袋选择性地可充气，以改变生物处理袋的几何结构或构造中的至少一个，以便为生物反应器系统提供改进的可排放性或增大的调节比。

参考图1和图2，图示根据本发明的实施例的生物反应器系统10。生物反应器系统10包括装配于具有多个腿部16的基座14顶上的大体上刚性的生物反应器器皿或支承结构12。器皿12可例如由不锈钢、聚合物、复合物、玻璃或其它金属形成，并且可在形状上为圆柱形的，然而，在不脱离本发明的更广泛的方面的情况下，还可利用其它形状。器皿12可装备有向设置于器皿12内的单次使用式柔性袋20提供支承的提升组件18。器皿12可包括：一个或多个观察窗22，其允许人们查看柔性袋20内的流体水平高度；以及窗24，其定位于器皿12的下部区域处。窗24允许接近器皿12的内部，以用于将多种传感器和探头(未示出)插入并且定位于柔性袋20内，并且用于使一个或多个流体管线连接到柔性袋20，以用于使流体、气体等等被添加或从柔性袋20抽回。传感器/探头和控制设备用于监测并且控制重要的过程参数，所述过程参数包括下者中的任何一个或多个和下者的组合：例如，温度、压力、ph值、溶解氧(do)、溶解二氧化碳(pco2)、混合速率以及气体流动速率。如图1中所示出的，器皿12还可包括位于其底部表面中的排出端口26，排出管道可连接到排出端口26，以用于排放和/或采集柔性袋20的内容物。

具体地参考图2，图示了生物反应器系统10的示意性侧视剖视图。如其中所示出的，单次使用式柔性袋20设置于器皿10内并且受器皿10约束。柔性袋20容纳叶轮28，叶轮28附接到位于袋的内部的底部中心处的磁性毂30，叶轮28在也定位于袋20的内底部上的叶轮板(未示出)上旋转。位于器皿12外部的磁性驱动器32提供用于使磁性毂30旋转以使柔性袋20的内容物混合的原动力。虽然图2图示使用磁性驱动式叶轮，但也可能是其它类型的叶轮和驱动器系统，包括顶部驱动式叶轮。单次使用式柔性袋20进一步包括出口端口33，出口端口33构造成与排出端口26对准并且联接到排出端口26，从而提供与排出端口26的流体连通，以用于在处理之后对袋20进行排放，如所需要并且期望的那样。

如图2和图3中所示出的，生物反应器系统10还包括可充气囊袋34，可充气囊袋34在柔性袋20底下搁置于器皿12的底部表面或底面36上。特别地，囊袋34定位于器皿12的底部底面36与柔性袋20的底部的中间。如图3中所图示的，可充气囊袋34是大体上u形的，并且具有在器皿12中大体上朝向排出端口26延伸的成对的相对的腿部部分38、40。充气端口42设于腿部38、40中的一个腿部中，以用于选择性地使可充气囊袋34充气和放气，如下文中所讨论的那样，然而，在不脱离本发明的更广泛的方面的情况下，充气端口可位于囊袋上的其它位置处。图4提供可充气囊袋34的更详细的图示。如其中所示出的，可充气囊袋34可采用分段环面的形状，并且具有大体上与器皿12和袋20的周缘形状对应的周缘形状。

如在下文中详细地讨论的，囊袋34选择性地可充气和可放气，以改变就位于囊袋34顶上的柔性袋20的形状、几何结构以及体积(并且特别地，柔性袋20的底部的形状和几何结构)。图2图示处于囊袋34的放气状态的囊袋34，而图5图示处于囊袋34的完全充气状态的囊袋34。在实施例中，囊袋34可被充气成放气状态与充气状态之间的任何中间状态，如下文中所讨论的那样。

在实施例中，单次使用式柔性袋20由合适的柔性材料(诸如，均聚物或共聚物)形成。单次使用式柔性袋20也可由包括多个柔性层的层压件形成，其中，每个这样的层可包括均聚物或共聚物。柔性材料可为经usp等级vi认证的材料，例如，硅树脂、聚碳酸酯、聚乙烯以及聚丙烯。柔性材料的非限制性示例包括聚合物，诸如，聚乙烯(例如，线性低密度聚乙烯和超低密度聚乙烯)、聚丙烯、聚氯乙烯、聚二氯乙烯、聚偏二氯乙烯、乙烯醋酸乙烯酯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、尼龙、硅树脂橡胶、其它合成橡胶和/或塑料。柔性容器的部分可包括基本上刚性的材料，诸如，刚性聚合物，例如，高密度聚乙烯、金属或玻璃。在实施例中，可充气囊袋34可由与单次使用式柔性袋20相同或不同的柔性材料形成。

图6是示例性囊袋34的俯视平面图，其示出囊袋的多种尺寸关系。对于具有约200升的最大工作体积的生物反应器和一次性袋(其具有约22英寸的内径)(诸如，例如通用电气公司的xdr-200单次使用式搅拌罐生物反应器)，囊袋34可具有图6中所示出的构造，其中，a是大约4英寸，b是大约15¾英寸，c是大约19¾英寸，d是大约5英寸，并且，e是大约11½英寸。也可能是其它尺寸关系和囊袋构造。如在下文中详细地讨论的，可充气囊袋可被设定大小以允许生物反应器系统以几乎任何期望的流体体积运行。特别地，囊袋34的体积可选取成使得在充气状态下，柔性袋20内的流体的水平高度高于传感器穿透柔性袋20的点。另外，可选取囊袋34的形状，以便环绕叶轮(其中，利用顶部装配式叶轮或底部装配式叶轮)，但不干扰叶轮的操作。

在使用中，在将单次使用式柔性袋插入到器皿12中之前，可充气囊袋34可定位于器皿12的底部处。然后，可充气囊袋34的充气端口42可通过软管连接到仪表空气源，软管延伸通过器皿12中的排放端口或通过器皿12中的底部开口，用于叶轮的磁性驱动器延伸通过底部开口。在实施例中，仪表空气能够提供30-90psi以用于充气。然后，单次使用式柔性袋20定位于囊袋34(处于其放气状态)顶上，并且，袋20中的出口端口33连接到器皿12的排出端口36，并且，叶轮28以在本领域中迄今为止已知的方式联接到磁性驱动器32。

在一种操作模式下，在袋内以常规方式执行生物处理操作。在处理之后，诸如，在采集步骤期间，或在有必要对袋进行排放的任何时间，袋20的内容物可通过排出端口36被释放。在排放或采集期间，随着袋20中的流体水平高度下降，囊袋34可使用仪表空气源来充气。如图5中所图示的，当囊袋34被充气时，在囊袋34接触袋20的区域中，囊袋34使柔性袋20向上升高。在囊袋34处于分段环面的形状的情况下，囊袋34将袋20沿着袋20的底部外周缘向上推动。因此，使囊袋34充气改变柔性袋20的底部的构造和形状，从而在袋20的底部中形成漏斗状构造。这用来促进特别地在最后排空阶段期间对袋进行排放，因为漏斗状形状引起袋20内的流体流向出口端口33和排放端口26。这与如下的现有的系统形成对照：其中，在整个排放过程期间，柔性袋大体上平坦地就位于器皿的底部上，从而造成随着流体水平高度下降而进行少于完全排放和/或非常慢的排放。

在另一种操作模式下，可充气囊袋34可被利用来增大并且改进调节比。例如，一旦囊袋34和柔性袋20以上文中所描述的方式定位于器皿12中，囊袋就可被充气，以将袋20的至少部分从器皿12的底部提起。在实施例中，过程介质可在囊袋34的充气之前或之后被添加到袋20。与当袋20完全地就位于器皿12的底部上时相比，使囊袋34充气有效地减小袋的体积，并且使袋20内的流体水平高度升高。在囊袋34处于其充气状态的情况下，然后，可利用袋20中的过程介质来开始进行生物处理并且以常规方式执行生物处理。随着过程扩展开并且袋内的流体水平高度增大，囊袋34可被放气(立即或分阶段)，使得可利用袋20的最大工作体积。特别地，囊袋34可随着批料扩展而逐步地(或基本上瞬时地)被放气。

通过在初始处理阶段期间使囊袋34充气，可实现针对生物反应器系统的改进的调节比。例如，使用200升一次性袋的常规200升生物反应器可具有等同于5:1的调节比的40升的最小操作体积。这意味着，在40升的最小操作体积下，袋内的流体水平高度将高于传感器，从而允许期望的过程控制。然而，在袋中小于40升的情况下，袋中的流体的水平高度可下降至不可获得准确的传感器读数的点(如果真的会发生)。因此，在这样的常规系统中，过程不可在低于40升的体积下有效地运行。

通过使用本文中所描述的可充气囊袋34(可充气囊袋34可具有例如10-15升的在其充气状态下的内部体积)，生物反应器的最小操作体积可被下推至约25-30升。特别地，可利用囊袋34的充气来维持袋内的最小流体水平高度(例如，处于高于传感器的水平高度)，以用于在比原本将在袋一直延伸到器皿的底部的情况下必要的流体体积更低的流体体积下执行生物处理操作。例如，在上文中所描述的200升生物反应器的情况下，如果流体的体积是例如25-30升，则流体的水平高度可低于准确地感测过程条件和参数所要求的水平高度。然而，囊袋34的充气将使流体向上移位，从而推动流体水平高度高于准确感测所要求的水平高度，由此使生物反应器能够在较低的流体体积下运行。因此，在囊袋34的充气允许最小操作体积从40升减小至约25-30升的上文中所描述的示例中，生物反应器系统的调节比可增大到约6:1至8:1或更大。

虽然囊袋34在本文中示出并且描述为具有分段环面的形状，但本发明在这一点上并非如此受限。实际上，取决于柔性袋的构造或形状、器皿和/或其底部底面的构造或形状以及排放端口和/或叶轮/驱动器构件的位置中的一个或多个，囊袋的形状或构造可被选择成在排放或采集期间提供任何期望的流体流构造。例如，囊袋34可为环面、环形形状的或楔形形状的，然而，在不脱离本发明的更广泛的方面的情况下，也可能是其它形状和构造，诸如，矩形、三角形等等。在实施例中，囊袋的周缘形状可被选择成与器皿的内部周缘形状(由内部侧壁限定)对应或成镜像。另外，囊袋34的体积可被选择成促进排放或将调节比增大至期望的程度，如上文中所描述的那样。

虽然可充气囊袋已在本文中示出并且描述为用于与大体上圆柱形的平底生物反应器器皿一起使用，但可作出多种修改，以实现将囊袋与具有其它构造的生物反应器一起使用。例如，旨在可选择囊袋的大小、形状以及构造，以便实现将囊袋与任何形状(包括正方形、矩形等等)的器皿、任何底部构造(平坦或漏斗形)的器皿以及具有任何叶轮构造(顶部装配式或底部装配式)的器皿一起使用。

在实施例中，囊袋34可与袋20本身集成，而不是为在将单次使用式柔性袋20定位于器皿内之前在器皿12内取向的单独的构件。例如，囊袋34可焊接到袋20的底部，使得袋20将包含两个单独的隔间，一个隔间呈可充气囊袋的形式，并且另一个隔间用于保持过程介质并且执行生物处理操作。所集成的袋和囊袋可在期望易于安装的情形下被利用，因为囊袋和处理隔间两者可在单个步骤中安装于器皿中。在主要关注成本节约的情况下，可利用单独的囊袋和袋，使得在排空和采集之后，可再使用可充气囊袋。

如上文中所讨论的，本发明的柔性囊袋因此提供改进的针对生物反应器系统的可排放性，以及允许通过提供如下的能力而增大系统的调节比：在使囊袋充气时，选择性地使柔性袋内的流体水平高度升高到高于传感器的水平高度。此外，精确地控制充气和放气的水平的能力允许在迄今为止在本领域中未见到的程度上对制造过程精确地控制。

在实施例中，提供了一种生物反应器系统。生物反应器系统包括：器皿，其具有底部底面；柔性生物处理袋，其设置于器皿内；以及柔性囊袋，其定位于器皿的底部底面与生物处理袋的中间。柔性囊袋选择性地可充气，以改变生物处理袋的几何结构或构造中的至少一个。在实施例中，器皿包括底面中的排放端口，并且，生物处理袋包括构造成用于与排放端口连接的出口端口，其中，出口端口和排放端口协作，以促进生物处理袋的内容物的排放。在实施例中，囊袋选择性地可充气，以使生物处理袋的至少部分上升至高于出口端口的水平高度。在实施例中，囊袋选择性地可充气，以在生物处理袋的底部处形成漏斗状形状，以将生物处理袋的内容物朝向出口端口以漏斗方式输送。在实施例中，囊袋在充气状态下具有环面形状或分段环面形状。在另一个实施例中，囊袋在充气状态下具有楔形形状。在实施例中，柔性囊袋成形并且定位成以便在器皿的底部底面中大体上环绕排放端口。在实施例中，囊袋与生物处理袋集成。在实施例中，器皿是基本上刚性的。

在另一个实施例中，提供了一种生物处理方法。方法包括以下步骤：将柔性囊袋设置于生物反应器器皿的底部底面上；将柔性生物处理袋在器皿内大体上设置于柔性囊袋顶上；在柔性生物处理袋内执行生物处理；以及使柔性囊袋充气，以改变柔性生物处理袋的几何结构或构造中的至少一个。在实施例中，方法还包括使柔性囊袋连接到加压空气源的步骤。使柔性囊袋连接到加压空气源的步骤可包括：将软管从加压空气源通过位于器皿的底部中的排放端口插入；以及使软管连接到柔性囊袋的入口端口。在实施例中，使柔性囊袋充气的步骤在柔性生物处理袋的排放期间执行。在实施例中，方法还可包括将柔性囊袋定位成至少部分地环绕位于器皿的底部底面中的排放端口的步骤。在实施例中，使柔性囊袋充气的步骤在生物处理的第一阶段期间执行，并且，方法还可包括在生物处理的第二阶段期间使柔性囊袋放气的步骤，第二阶段在时间上出现于第一阶段之后。在实施例中，使柔性囊袋充气的步骤先于在柔性生物处理袋内执行生物处理而执行；并且，方法还可包括以下步骤：使柔性生物处理袋内的培养物扩增，由此，使培养物扩增增加柔性生物处理袋内的流体水平高度；以及随着柔性生物处理袋内的流体水平高度增加，使柔性囊袋放气。在实施例中，柔性囊袋在充气状态下具有环形形状、分段环面形状或楔形形状中的一种。在实施例中，柔性囊袋与柔性生物处理袋集成。

在又一个实施例中，提供了一种用于在生物反应器系统中使用的设备。设备包括柔性囊袋，柔性囊袋具有构造成用于连接到加压空气源的入口端口。囊袋构造成在生物反应器器皿的底部底面上定位于也设置于器皿内的柔性生物处理袋底下，并且选择性地利用加压空气源来充气，以改变柔性处理袋的几何结构或构造，以改进生物反应器系统的可排放性或增大生物反应器系统的调节比。在实施例中，柔性囊袋在充气状态下具有环形形状、分段环面形状或楔形形状中的一种。

如本文中所使用的，以单数形式叙述且以词语“一”或“一种”开头的元件或步骤应当被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确地陈述这样的排除。此外，本发明的对“一个实施例”的引用不旨在被解释为排除也将所叙述的特征并入的额外的实施例的存在。此外，除非明确地相反地陈述，否则“包含”、“包括”或“具有”具有特定性质的一个元件或多个元件的实施例可包括不具有该性质的额外的这样的元件。

本书面描述使用示例来公开本发明的若干实施例(包括最佳模式)，并且还使本领域普通技术人员能够实践本发明的实施例(包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法)。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域普通技术人员所想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果这些示例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同的结构元件，则这些示例旨在处于权利要求书的范围内。