温度控制表面和支承结构的制作方法
【专利说明】温度控制表面和支承结构
[0001]相关申请
本申请要求2011年12月2日提交的美国临时申请N0.61/566，187和2012年I月13日提交的N0.61/586，398的优先权益处，它们各个的教导通过引用而整体地结合在本文中。本申请还是2009年5月25日提交的美国专利申请N0.12/410,724的继续部分申请，该申请要求2008年5月25日提交的美国临时申请N0.61/039，382的优先权益处，它们各个的教导也通过引用而整体地结合在本文中。
技术领域
[0002]公开大体涉及生物化学处理系统和方法，并且具体而言，涉及控制反应器器皿的温度的系统。
【背景技术】
[0003]可获得各种器皿，以操纵流体和/或进行化学或生物反应。例如，可使用传统的或一次性生物反应器来处理生物材料，诸如哺乳动物、植物或昆虫细胞和微生物培养物。虽然已知这样的生物反应器和其它流体操纵系统结合温度控制系统，但是需要改进这种系统。
[0004]因为微生物培养物的生长和繁殖为哺乳动物细胞的二十到四十(20-40)倍，所以微生物培养物的氧消耗和放热速率为哺乳动物发酵过程的大约20至40倍。为了保持微生物培养物中的生长，用于微生物系统的生物反应器因此必须能够以哺乳动物细胞培养物的氧供应和热移除速率的20至40倍供应氧给培养物流体以及从培养物流体移除热。这通过多个手段在不锈钢微生物发酵器中实现，包括，例如，多个叶轮进行的非常剧烈的搅动，以分散空气泡和增加细胞对氧的吸收；非常高的流率的空气，以供应更多的氧；额外的冷却表面，诸如冷却盘管，以从培养物流体移除微生物细胞的新陈代谢产生的和剧烈搅动产生的摩擦热所产生的大量热。但是，在单次使用式生物处理袋中，热移除是个现存的问题，特别是对于微生物生物反应器而言。
[0005]如聚合物或塑料材料诸如膜和柔性袋的领域中技术人员所熟知的那样，聚合物或塑料膜是相对而言非常不良的导热体。因此，冷却在容纳可更换式容器例如柔性塑料袋的器皿内部的流体可能需要特别修改柔性袋和/或器皿的冷却表面。现在需要一种系统和方法来改进微生物细胞培养物产生的大量的热的移除。
【发明内容】
[0006]公开了一种在化学、制药或生物反应器系统中用于进行温度控制的方法和设备。在一个方面，本发明包括可设置在反应器系统中的热交换模块，反应器系统具有内部可更换式反应剂容器，诸如，例如，柔性袋或半刚性容器。
[0007]本发明的一个实施例为一种用于化学、制药或生物反应器系统中的热交换模块，其包括:本体，本体构造成设置在包括支承结构的反应器器皿中，反应器器皿具有内部可更换式或单次使用式反应剂容器，本体包括至少一个表面和至少一个导热表面，所述至少一个表面构造成符合反应器器皿的形状，而至少一个导热表面适于接触内部可更换式容器，以有利于热传递；以及设置在模块本体内的热交换器，其包括流体循环路径，热交换流体可通过流体循环路径而循环。
[0008]本发明的另一个实施例为一种用于化学、制药或生物反应器系统中的热交换模块，包括:本体，其构造成设置在反应器器皿中，反应器器皿包括支承结构且具有内部可更换式或单次使用式反应剂容器，本体进一步包括至少一个导热表面，其适于接触内部可更换式反应剂容器，以有利于热传递；以及设置在模块本体内的热交换器，其包括流体循环路径，热交换流体可通过流体循环路径而循环。
[0009]本文还公开一种柔性生物反应器或混合器袋，其包括至少一个双壁部分，至少一个双壁部分包括在双壁部分内的蛇形流体流通道。
[0010]本发明的另一个方面为一种容器，其选自柔性生物反应器袋、柔性混合器袋和柔性管道，容器包括至少一个双壁部分，其包括内部和外部壁和导热材料，导热材料附连到内部壁和外部壁中的至少一个的一部分上。
[0011 ] 本发明的又一个方面为一种柔性聚合物壁，其选自生物反应器壁、混合器壁和管道壁，柔性壁包括导热材料，其附连到柔性壁的一部分上。
[0012]本发明的又一个实施例为一种带夹套的分层挡板式生物反应器箱，其包括:外部圆柱形夹套；以及圆柱形箱，其具有内部箱表面和外部箱表面，内部箱表面限定腔室，腔室构造成支承设置在腔室内的柔性袋，外部箱表面具有分层挡板，分层挡板构造成将液体冷却剂发送到整个外部箱表面的周围，圆柱形箱沿轴向设置在外部圆柱形夹套内，其中外部圆柱形夹套以足以防止或最大程度地减小液体冷却剂的损失的方式密封到圆柱形箱上。柔性生物处理袋可置于带夹套的分层挡板式生物反应器箱内，以便通过在夹套中循环的冷却剂进行冷却。
【附图说明】
[0013]根据在附图中示出的本发明的说明性实施例的以下更具体的描述，本发明的前述和其它非限制性目标、特征和优点将变得显而易见，在附图中，相同参考标号在不同的图中表示相同部件。附图是示意性的且不意图按比例绘制，重点而是放在示出本发明的原理上。附图是示意性的且不意图按比例绘制，重点而是放在示出本发明的原理上。结合一个示例性实施例示出或描述的特征可与其它实施例的特征结合。这样的修改和变型意图包括在本发明的范围内。
[0014]图1为根据本发明的一个实施例的系统的示意图，其包括容纳在支承结构内的容器。
[0015]图2为根据本发明的另一个实施例的系统的示意图，其用于执行流体操纵，包括生物、化学和生物化学过程。
[0016]图3为根据本发明的反应器系统的示例性实施例的俯视图，其具有至少一个热交换器模块。
[0017]图4A为根据本发明的示例性实施例的横截面侧视图，其具有至少一个热交换器丰旲块。
[0018]图4B为热交换器或冷却棒(wand)的横截面俯视图，其设置在模块本体内且构造成提供流体循环路径。
[0019]图5为根据本发明的热交换器模块的实施例的局部透视图，其中模块本体具有构造成符合外部支承结构的形状的表面，并且其中热交换器到达反应器器皿的底部。
[0020]图6A为处于联接位置的图4A的热交换器模块的局部透视图，其中热交换模块插入反应器系统中。
[0021]图6B为热交换模块的透视图，其显示流体循环路径。
[0022]图7为根据本发明的热交换模块的另一个示例性实施例的透视图，其用于反应器系统中。
[0023]图8为示例性热交换模块的局部透视图，其结合到外部支承结构中。
[0024]图9为示例性反应器系统的俯视图，其具有结合到外部支承结构中的热交换模块。
[0025]图10为示例性热交换模块的透视图，其具有蛇形流路径。
[0026]图11为示例性热交换模块的透视图，其具有非线性流路径和构造成与窗对齐的开口。
[0027]图12为反应器系统的示例性实施例的透视图，其具有带夹套的分层挡板式生物反应器箱以将液体冷却剂发送到外部箱表面周围。
[0028]图13为示例性热交换模块的分解图，其包括衬里。
[0029]图14A为根据本发明的热交换模块的横截面图，其包括具有竖向通道节段的衬里。
[0030]图14B为图14A的衬里的俯视图，其设置在示例性反应器系统中。
[0031]图15A为根据本发明的热交换模块的横截面图，其包括具有水平通道节段的衬里。
[0032]图15B为图15A的衬里的横截面图，其设置在示例性反应器系统中。
[0033]图16A为根据本发明的热交换模块的横截面图，其包括具有螺旋通道节段的衬里。
[0034]图16B为图16A的衬里的横截面图，其设置在示例性反应器系统中。
[0035]图17为热交换模块的横截面图，其包括构造成与窗对齐的衬里。
[0036]图18为根据本发明的示例性衬里节段的横截面图。
[0037]图19A为内部或外部管道膜的截面图，其具有附连到膜上的导热材料区段。
[0038]图19B为内部或外部袋膜的截面图，其具有附连到膜上的导热材料区段。
【具体实施方式】
[0039]以下是本发明的优选的实施例的描述。将理解，本发明的特定实施例以说明而不是限制本发明的方式显示。在开始，本发明在其最宽泛的各方面进行描述，以下是更详细的描述。本发明的成分和方法的特征和其它细节将在权利要求中进一步指出。
[0040]另外，本文给出的任何示例或说明无论如何不应当看作对与它们一起使用的任何用语的约束、限制或表示限定。相反，这些示例或说明要看作关于仅一个特定实施例进行描述且仅作为说明。本领域普通技术人员将理解，与这些示例或说明一起使用的任何用语将包含可或可不与其一起给出或在说明书中别处给出的其它实施例，并且所有这样的实施例意图包括在该用语的范围内。指示这种非限制性示例和说明的语言包括但不限于例如”、“诸如”和“在一个实施例中”。
[0041]如本文使用，用语“包括”、“包含”、“具有”或其任何其它变型意图覆盖非排它性包括。例如，包括元件列表的过程、物品或设备不一定限于仅那些元件，而是可包括未明确列出或这样的过程、物品或设备所固有的其它元件。另外，除非明确有相反陈述，“或”表示包括性的或而不是排它性的“或”。
[0042]本文公开了系统和方法来容纳和操纵流体，以及调整与化学、生物或制药反应或过程相关联的流体的温度。本发明的某些实施例涉及用于流体容纳系统的一系列改进和特征，例如，通过提供器皿，器皿包括热交换器，热交换器可为柔性可收缩的袋或刚性或半刚性的热交换模块的形式。本发明的一些实施例包括空心挡板(在衬里内部或外部，或两者)，冷却剂循环通过其中。本发明的其它实施例包括带夹套的分层挡板式生物反应器箱，其对100%的箱表面提供冷却剂，从而将热传导离开设置在箱内的柔性袋生物反应器。
[0043]虽然本文的大部分描述涉及本发明的涉及生物反应器和化学反应系统的示例性应用，但是本发明和其用途不限于此，并且应当理解，本发明的各方面还可用于其它设施中，包括涉及一般容纳系统以及用于容纳或混合或其它处理的系统的那些。
[0044]用语“刚性”和“半刚性”在本文可互换地用来描述为“非可收缩的”结构，也就是说在正常力下不折叠、收缩或以其它方式变型而显著减小其伸长尺寸的结构。取决于内容，“半刚性”还可表示比“刚性”元件更柔性的结构，例如，可弯曲的管或导管，还表示在正常状况和力下不沿纵向收缩的结构。本文使用的“柔性容器”、“柔性袋”或“可收缩的袋”表示当经历内部压力，例如，容纳在其中的液体或气体的重量或静液压力产生的压力时，在不受益于单独的支承结构的情况下，容器或袋不能保持其形状和/或结构完整性。可重复使用的支承结构诸如刚性器皿或箱可利用来包围和支承可收缩的袋。
[0045]本文使用的用语“器皿”大体表示包围和支承柔性袋的支承结构或箱。用语器皿意图包含生物反应器器皿以及普遍用于生物或生物化学处理中的其它容器或