具有增强的气体传输和热调节的生物反应器制造技术

提供了一种具有增强的气体传输和热调节的用于培养细胞的设备。该设备包括具有细胞培养床，诸如固定结构化床的生物反应器。泵，诸如搅拌器，用于将液体泵送通过细胞培养床，并且为搅拌器提供容器。第一导管可以与容器相关联，诸如通过连接到容器或邻近容器中的开口。生物反应器还可以包括流动延长器以增强气体向用作培养细胞的培养基的液体的传输，以及任选的温度调节器。还公开了相关方法。选的温度调节器。还公开了相关方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有增强的气体传输和热调节的生物反应器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年12月2日提交的序列号为62/942,345的美国临时专利申请和于2020年4月3日提交的序列号为63/004,706的美国临时专利申请的优先权，其公开内容通过引用并入本文。本申请还通过引用并入了序列号为62/758,152、62/733,375和62/608,261的美国临时专利申请；公开号为2018/0282678的美国专利申请；国际专利申请PCT/EP2018/076354；美国临时专利申请62/711,070；和美国临时专利申请62/725,545。


[0003]本文件总体上涉及细胞培养领域，并且更具体地涉及具有增强的气体传输和热调节的生物反应器。

技术介绍

[0004]生物反应器经常用于培养细胞。在生物反应器内，需要气相(例如空气或氧气)和液相(细胞培养基)之间一定水平的气体传输，以允许最佳的细胞生长。在这样的气体传输中，必须向细胞供应氧气。
[0005]气体传输对于固定床生物反应器尤其重要，其高细胞密度生长需要高水平的氧气。用于增强细胞生长的细胞培养基中存在的氧气量可以使用气体传输系数或kLa的概念来评估。这个值使用体积传质系数，该体积传质系数描述了对于给定的一组操作条件和表面，气体能够被输送到生物反应器中的细胞培养基的效率。
[0006]过去，已经提出了通过为生物反应器提供一个或多个起泡器或喷雾器以在细胞培养基中形成小气泡来增强气体传输的提议。然而，当使用喷雾器来支持高细胞密度生物反应器时，气泡输入的速度和对大量气泡的需求通常会导致剪切和过度发泡的负面影响。这会对细胞造成有害的过度机械和氧化压力，从而影响产量。此外，泡沫会堵塞生物反应器中的过滤器和其他连接器。此外，在非结构化的高细胞密度固定床生物反应器中使用喷雾器是具有挑战性的，因为所产生的气泡可能导致大的“云”或气穴，因为气泡没有通过固定床的可限定路径。这样的气泡对生物反应器状况的均匀性产生负面影响，从而影响细胞生长。
[0007]同样，某些固定床生物反应器提供液体
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气体接触，诸如在固定床上方的顶部空间中提供液体
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气体接触。虽然目前的实施方式确实用于向循环液体培养基提供气体传输，但是这种液体与气体接触的停留时间是有限的。通过增加这种停留时间可以增强气体传输。通过在与气相接触的同时在液体中还产生湍流，气体传输将进一步得到增强。
[0008]还可能需要调节(典型地提高)生物反应器的内部温度。过去，这是通过使用外部加热器实现的，诸如应用于生物反应器外表面的膜。可以理解，鉴于热量必须通过生物反应器的外部壁传递，而外部壁典型地具有高的热阻(即使不是，传输的热量也可能仅直接影响靠近壁内部的任何包含的液体培养基的一部分)，所以这种方法是低效的。薄膜与外部壁之间的不良接触也会导致重大损失。因此，使用当前的外部加热方法，即使引起不太多的温度升高也要花费大量的时间，并且精确调节整个生物反应器中液体的温度也是具有挑战性
的。由于包括成本和复杂性在内的几个原因，内部加热可能具有挑战性。此外，如果直接加热细胞所在的床，热量能损害生物反应器内的细胞生长。
[0009]因此，需要一种生物反应器，尤其是高细胞密度固定床生物反应器，其具有增强的气体传输，并且还具有任选的热调节能力。

技术实现思路

[0010]根据本公开的第一方面，一种用于培养细胞的设备包括生物反应器，该生物反应器包括固定细胞培养床。提供用于将液体泵送通过细胞培养床的搅拌器。提供用于搅拌器的容器，和连接到容器的第一导管。
[0011]在一个实施例中，第一导管包括用于将气泡输送到容器中的注射器导管。在另一个实施例中，第一导管包括用于从生物反应器排出液体的排出导管。在前一种情况下，该设备还可以包括第二导管，该第二导管包括用于从生物反应器排出液体的排出导管。
[0012]在一个实施例中，生物反应器包括中央室和盖。第一导管从盖延伸并穿过中央室到达容器的开口。该设备还可以包括与容器相关联的管状柱，第一导管连接到管状柱。
[0013]搅拌器可以包括优选为磁性的叶轮，该叶轮通过轴承可旋转地联接到管状柱。搅拌器可以包括多个弯曲的叶片。另外或可替代地，搅拌器包括多个叶片，多个叶片中的每个叶片具有较高的中央部分和较低的周边部分，从而产生可变高度。
[0014]容器可以包括适于容纳可变高度的搅拌器的倾斜的上部部分。容器包括配件，该配件适于将通过第一导管输送到其的气体形成定制尺寸的气泡。配件包括穿孔部分。
[0015]细胞培养床可以适于分裂/剪切液体中的任何气泡。细胞培养床可以包括固定床，诸如结构化固定床。结构化固定床可以包括一个或多个细胞固定层以及任选的一个或多个间隔层的交替层。一个或多个细胞固定层或一个或多个间隔层形成路径以分裂或剪切行进穿过固定床的液体中的气泡。
[0016]细胞培养床可以位于生物反应器的环形外部室中，该环形外部室适于接收由容器中搅拌器旋转产生的泵送作用引起的液体流，或可以定位在具有任何其他形状的容器中(诸如具有方形或矩形横截面的容器，并布置成允许液体从一侧到另一侧流过固定床)。该设备还可以包括在生物反应器的环形外部室内以堆叠构造布置的多个细胞培养床。
[0017]在任一前述实施例中，生物反应器可还包括流动延长器，该流动延长器可能具有温度调节器，如本文所公开的。
[0018]根据本公开的另一方面，一种用于培养细胞的设备，该设备包括生物反应器，该生物反应器包括细胞培养床。提供用于将液体泵送通过细胞培养床的搅拌器。提供用于将气体注射到液体中以形成具有第一尺寸的第一气泡的注射器，搅拌器将第一气泡转化为具有比第一尺寸小的第二尺寸的第二气泡，以使第二气泡与液体一起输送到细胞培养床。
[0019]搅拌器位于与生物反应器流体连通的容器中，该容器包括至少一个入口和至少一个出口。注射器可以包括具有开口端的管，该开口端位于容器的至少一个入口的上游。壳体具有与至少一个入口相关联的中央室，中央室可以位于细胞培养床的径向内部。管的开口端可以定位在中央室内。注射器可以包括具有开口端的管，该开口端位于至少一个入口与至少一个出口之间的流体流动路径中。
[0020]细胞培养床可以包括固定床，诸如结构化固定床。结构化固定床可以包括交替层，
所述交替层包括一个或多个细胞固定层和一个或多个间隔层。可以在一个或多个细胞固定层与一个或多个间隔层之间形成通道，以将液体中的任何气泡分裂/剪切成具有比第二尺寸更小的第三尺寸的第三气泡。
[0021]根据本公开的另一方面，一种用于培养细胞的设备包括：包括细胞培养床的生物反应器、用于将液体泵送通过细胞培养床的装置，和用于将气体注射到液体中以形成具有第一尺寸的第一气泡的装置，泵送装置将第一气泡转化为具有小于第一尺寸的第二尺寸的第二气泡，以使第二气泡与液体一起输送到床。用于泵送的装置可以包括搅拌器。用于注射气体的装置可以包括连接到气体源的管。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于培养细胞的设备，所述设备包括：包括固定细胞培养床的生物反应器；用于将液体泵送通过所述细胞培养床的搅拌器；用于所述搅拌器的容器；和连接到所述容器的第一导管。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一导管包括用于将气泡输送到所述容器中的注射器导管。3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一导管包括用于从所述生物反应器排出液体的排出导管。4.根据权利要求2所述的设备，所述设备还包括第二导管，所述第二导管包括用于从所述生物反应器排出液体的排出导管。5.根据权利要求1所述的设备，其中所述生物反应器包括中央室和盖，所述第一导管从所述盖延伸并穿过所述中央室到达所述容器的开口。6.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括与所述容器相关联的管状柱，所述第一导管连接到所述管状柱。7.根据权利要求6所述的设备，其中所述搅拌器包括优选为磁性的叶轮，所述叶轮通过轴承可旋转地联接到所述管状柱。8.根据权利要求1所述的设备，其中所述搅拌器包括多个弯曲的叶片。9.根据权利要求1所述的设备，其中所述搅拌器包括多个叶片，所述多个叶片中的每个叶片具有较高的中央部分和较低的周边部分，从而产生可变高度。10.根据权利要求9所述的设备，其中所述容器包括适于容纳可变高度的所述搅拌器的倾斜的上部部分。11.根据权利要求1所述的设备，其中所述容器包括配件，所述配件适于将通过所述第一导管输送到其的气体形成定制尺寸的气泡。12.根据权利要求11所述的设备，其中所述配件包括穿孔部分。13.根据权利要求1所述的设备，其中所述细胞培养床适于分裂/剪切所述液体中的任何气泡。14.根据权利要求1所述的设备，其中所述细胞培养床包括固定床。15.根据权利要求14所述的设备，其中所述固定床包括结构化固定床。16.根据权利要求15所述的设备，其中所述结构化固定床包括交替层，所述交替层包括一个或多个细胞固定层，以及任选的一个或多个间隔层。17.根据权利要求16所述的设备，其中所述一个或多个细胞固定层或所述一个或多个间隔层形成路径，以分裂或剪切行进通过所述固定床的所述液体中的气泡。18.根据权利要求1所述的设备，其中所述细胞培养床位于所述生物反应器的环形外部室中，所述环形外部室适于接收由所述容器中的所述搅拌器的旋转产生的泵送作用引起的液体流。19.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括在所述生物反应器的环形外部室内以堆叠构造布置的多个细胞培养床。20.根据权利要求1到19中任一权利要求所述的设备，其中所述生物反应器还包括流动
延长器，所述流动延长器可能具有温度调节器。21.一种用于培养细胞的设备，所述设备包括：包括细胞培养床的生物反应器；用于将液体泵送通过所述细胞培养床的搅拌器；和用于将气体注射到所述液体中以形成具有第一尺寸的第一气泡的注射器，所述搅拌器将所述第一气泡转化为具有比所述第一尺寸小的第二尺寸的第二气泡，以使所述第二气泡与所述液体一起输送到所述细胞培养床。22.根据权利要求21所述的设备，其中所述搅拌器位于与所述生物反应器流体连通的容器中，所述容器包括至少一个入口和至少一个出口。23.根据权利要求22所述的设备，其中所述注射器包括具有开口端的管，所述开口端位于所述容器的所述至少一个入口的上游。24.根据权利要求23所述的设备，所述设备还包括具有中央室的壳体，所述中央室与所述至少一个入口相关联且位于所述细胞培养床的径向内部，其中所述管的所述开口端定位在所述中央室内。25.根据权利要求22所述的设备，其中所述注射器包括具有开口端的管，所述开口端位于所述至少一个入口与所述至少一个出口之间的流体流动路径中。26.根据权利要求21所述的设备，其中所述细胞培养床包括固定床。27.根据权利要求26所述的设备，其中所述固定床包括结构化固定床。28.根据权利要求27所述的设备，其中所述结构化固定床包括交替层，所述交替层包括一个或多个细胞固定层和一个或多个间隔层。29.根据权利要求28所述的设备，其中在所述一个或多个细胞固定层与一个或多个间隔层之间形成通道，以将所述液体中的任何气泡分裂/剪切成具有比所述第二尺寸更小的第三尺寸的第三气泡。30.一种用于培养细胞的设备，所述设备包括：包括细胞培养床的生物反应器；用于将液体泵送通过所述细胞培养床的装置；和用于将气体注射到所述液体中以形成具有第一尺寸的第一气泡的装置，所述泵送装置将所述第一气泡转化为具有比所述第一尺寸小的第二尺寸的第二气泡，以使所述第二气泡与所述液体一起输送到所述床。31.根据权利要求30所述的设备，其中所述用于泵送的装置包括搅拌器。32.根据权利要求30所述的设备，其中所述用于注射所述气体的装置包括连接到气体供应源的管。33.一种在细胞培养床中培养细胞的方法，所述方法包括：提供具有气泡的液体；搅拌所述液体以分裂所述气泡；以及将具有所分裂的气泡的所述液体输送到所述细胞培养床。34.根据权利要求33所述的方法，其中所述提供步骤包括向用于执行所述搅拌步骤的搅拌器上游的所述液体供应气体。35.根据权利要求33所述的方法，其中所述提供步骤包括向包括用于执行所述搅拌步
骤的搅拌器的容器中的所述液体供应气体。36.根据权利要求33所述的方法，其中所述细胞培养床包括交替层，所述交替层包括形成供所述液体通过所述床的通道的一个或多个细胞固定层和一个或多个间隔层，当所述液体穿过所述细胞培养床时，所述层执行进一步分裂所述气泡的步骤。37.一种用于培养细胞的方法，所述方法包括：包括细胞培养床的生物反应器；用于将液体泵送通过所述细胞培养床的搅拌器；和用于将气体注射到所述液体中以形成具有第一尺寸的气泡的注射器；其中所述搅拌器适于将所述气泡分裂或剪切成小于所述第一尺寸的第二尺...

【专利技术属性】
技术研发人员：JC，
申请(专利权)人：尤尼沃尔塞尔斯技术股份公司，
类型：发明
国别省市：