用于气体流与液体质量传递的方法和设备的制造方法
【专利说明】用于气体流与液体质量传递的方法和设备
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求美国临时申请No. 61/625, 794的优先权，所述申请以具体引用的方式 并入本文。
【背景技术】
[0003] 1.抟术领域
[0004] 本发明涉及用于产生气-液质量传递的方法和系统，在一个例子中，该气-液质量 传递可用于为反应器内具有较浅深度的生物培养物充氧。
[0005] 2.相关抟术
[0006] 生物细胞在生物反应器内的生长需要对多个不同的工艺参数进行严格控制。例 如，随着细胞生长，其从周围的培养基中吸收氧气并释放CO 2。必需仔细监测和调控氧气和 CO2在培养基内的浓度，以确保细胞的生存力和最佳生长。另一个需要仔细检测和控制的因 素是细胞在培养物内的密度。为确保所有的工艺参数均被适当地控制，细胞通常在逐渐增 大的反应器的连续阶段中生长。例如，细胞培养物可首先在小烧瓶中开始。一旦细胞密度 达到临界值，则将培养物转移至较大的台式反应器，在该台式反应器中培养物与另外的培 养基混合。接着，一旦细胞密度再次达到临界值，则将培养物再次移至具有更多培养基的较 大反应器中。继续进行此过程直到获得所需的培养物体积。因为每个不同尺寸的反应器仅 在相对较窄的体积变化上处理培养物，因此可使用常规技术控制所有的工艺参数。
[0007] 虽然上述制备方法有效，但在生长过程期间必需将细胞培养物转移至不同的容器 存在许多缺点。例如，该过程耗时、费力并且要求生产者获得并维护相对大量的不同尺寸的 反应器。此外，转移培养物的过程暂时中止了优选的工艺条件，可潜在地损坏细胞并且增加 了破坏无菌状态的风险。已尝试通过处理培养物在单个反应器内的大的体积变化来克服上 述一些问题。例如，与仅可发生培养物的2倍体积变化的常规反应器相比，已尝试使培养物 在反应器内的体积变化增加5倍。
[0008] 这种概念是，首先将小体积的培养物置于相对较大的反应器容器内，然后通过分 批进料或连续进料模式继续添加培养基至培养物，使得细胞生长至容器达到培养物的预定 最大体积的点。根据需要的培养物的量，仍可将培养物转移至较大的反应器。目标是在达 到所需的最终体积之前，减少培养物需要转移到的不同反应器/容器的数目。
[0009] 然而，在培养物在单个反应器内以大的体积变化生长的过程中存在许多复杂因 素。例如，在每个反应器中均存在用于给培养物充氧的机构，其汽提出不需要的CO 2，并且连 续地混合培养物，使得培养物基本上保持均匀。混合常常由设置在容器内的叶轮来完成。叶 轮的尺寸、位置和操作被设置为使得能够实现培养物的最佳混合而不损坏细胞。通常通过 定位在容器底板上的限定鼓泡器将小直径的气泡分散在容纳有培养物的容器中来完成充 氧。随着气泡在培养物内上升，氧气被吸收到培养物中。通常通过定位在容器底板上的第 二鼓泡器将大直径的气泡分散在容器中来完成CO 2的汽提。随着大气泡在培养物内上升， 培养物内的一部分〇)2平衡进入大气泡的空气中并被带出培养物。
[0010] 使培养物在单个反应器内以大的体积变化生长的复杂因素之一为用于充氧、汽提 CO2和混合培养物的参数以及其他操作参数随培养物体积的增大而改变。如上文所讨论的 用于充氧、汽提CO 2和混合的传统机构被设计为在窄的流体体积范围内操作，因此对于设定 的配置尺寸，传统机构不能有效地作用于小的流体体积和大的流体体积两者。当其他气体， 诸如氮气，需要施加于培养物时，情况也是如此。因此，本领域所需的是用于为培养物充氧 和/或从培养物中汽提CO 2的方法和系统，并且更一般地讲，形成与培养物的气-液质量传 递的方法和系统，其解决了所有或一些上述问题并且可以在难以正确执行传统鼓泡器机构 的条件下有效地操作。
【附图说明】
[0011] 现将参考所附附图来讨论本发明的各种实施例。应当理解，这些附图仅示出了本 发明的典型实施例，因此不应视为限制本发明的范围。
[0012] 图1为包含培养物的反应器系统的横截面侧视图；
[0013] 图2为图1中示出的气体递送系统的一个实施例的局部横截面侧视图；
[0014] 图3为图1中示出的气体递送系统的替代实施例的局部横截面侧视图；
[0015] 图4为可与图1中示出的反应器一起使用的第一位置中的气体递送系统的另一个 替代实施例的局部横截面侧视图；
[0016] 图5为在第二位置中的图4示出的气体递送系统的局部横截面侧视图；
[0017] 图6为图4中示出的气体递送系统的替代实施例的局部横截面侧视图；
[0018] 图7为图1中示出的反应器系统的横截面侧视图，其包括从容器的上端壁可调节 地向下延伸的气体递送系统的另外的替代实施例；
[0019] 图8为图1中示出的反应器系统的横截面侧视图，其包括气体递送系统的另外的 替代实施例，所述气体递送系统包括具有连接至其的多个间隔开的喷嘴的多腔管；
[0020] 图9为沿图8中的剖面线9-9截取的图8中示出的管的横截面侧视图；以及
[0021] 图10为沿图8中的剖面线10-10截取的图8中示出的喷嘴的横截面侧视图。
【具体实施方式】
[0022] 如在本说明书和所附权利要求书中所用，方向术语诸如"顶部"、"底部"、"左"、 "右"、"上"、"下"、"上部"、"下部"、"近侧"、"远侧"等在本文中仅用于指示相对方向而并非 旨在限制本发明或权利要求书的范围。
[0023] 本发明涉及用于有效地产生气-液质量传递并尤其用于产生与较浅体积的液体 的气-液质量传递的新型方法和系统。在一个实施例中，所述方法和系统可用于为设置在 反应器容器内的生物培养物且尤其是具有相对较浅深度的培养物充氧。例如，所述方法和 系统通常可在用于培养细胞或微生物的生物反应器和发酵罐中使用。具体地讲，本发明的 方法和系统可用于培养细菌、真菌、藻类、植物细胞、动物细胞、原生动物、线虫动物等等。所 述方法和系统还可与用于生物学目的的溶液和/或悬浮液诸如培养基、缓冲液或试剂的形 成和/或处理一起使用。例如，所述方法和系统可用于形成培养基，在培养基中用气体水 平受控的二氧化碳进行鼓泡，以用于通过调节碳酸盐/碳酸氢盐水平来控制培养基的pH。 在其他应用中，所述方法和系统可用于从培养物或流体中汽提气体，诸如氧气或CO 2。应当 理解，本发明的方法和系统并不限于与生物培养物一起使用，其还可用于食品生产、化学生 产、生物医药生产和需要气-液质量传递的其他类型的生产。
[0024] 一般来讲，本发明方法的一个实施例包括以足够的粘度和方向使气体流通过液体 的顶部表面的上方，使得气体流在液体的顶部表面上产生足以在气体流和液体之间产生质 量传递的湍流。此过程在本文中称为"气体流质量传递"，或者在该过程用于为流体充氧的 情况下，该过程可称为"气体流充氧"。该过程类似于从湖的表面上方吹过的风形成朗缪尔 环流以为湖水充氧的方式。即，由于气体流流过液体的表面上方，因此存在气体进入流体的 有效质量传递，并且存在靠近表面的流体的竖直环流。流体的这种环流确保了流体的上层 具有均匀的气体浓度。接着，可使用叶轮或其他混合系统以确保流体的上层在流体的剩余 部分中均匀地混合，使得整个流体具有合适的气体浓度。在其他应用中，如上所述并且如将 在下文中更详细地讨论的，使气体流通过流体的顶部表面上方以便产生流体湍流的相同过 程可用于从流体中汽提出气体。
[0025] 虽然本文主要参照为生物培养物充氧讨论了气体流质量传递，但相同的方法和系 统也可用于为其他类型的液体，诸如上文所述的那些充氧。此外，如下文中更详细地讨论 的，本发明的方法和系统并不限于为流体充氧，其还可与其他气体一起使用以影响进入液 体和/或离开液体的任何类型的质量传递。
[0026] 当气体流质量传递用于为反应器容器内的生物培养物充氧时，气体流质量传递具 有多个处理优势，特别是相比于常规的鼓泡技术。在反应器容器被设计为在相对较大的流 体体积变化中处理细胞或微生物培养物的情况下，容器的直径通常需要相对较大以保持几 何形状要求和高度要求。随着容器的直径相对于体积增加，培养物在容器内的深度下降。因 此，对于容器内体积非常小的培养物，诸如当将初始体积的培养物转移到容器中时，通常从 容器的底板鼓泡进入培养物的充氧气泡的驻留时间不足以为培养物适当地充氧。即，因为 培养物的深度太浅，所以当气泡从鼓泡器行进至培养物的顶部表面时，充氧气泡未在培养 物内留存足够的一段时间而不能充分地给培养物充氧。同样，用于汽提出CO 2的较大鼓泡 气泡的驻留时间也不足以从培养物中完全移除不需要的CO2。这个问题由于如下事实而变 得更加复杂：CO 2气体比空气重，使得CO2像覆盖层一样铺在培养物的顶部表面上方，从而进 一步妨碍了给培养物充氧和移除co 2。
[0027] 与随着培养物的深度增加而变得更加有效的鼓泡相反，通过将空气流或包含氧气 的其他气体流吹过培养物的顶部表面上方而完成的气体流充氧或质量传递随着培养物或 正在处理的其他流体的深度下降而变得更加有效。因此，气体流充氧对于设置在反应器内 的较浅深度的培养物尤其有用；包括以小体积开始并且增加至大体积的反应器。此外，已 知鼓泡在培养物的顶部表面产生不需要的泡沫，特别是当使用的鼓泡器生成非常小的气泡 (亚毫米直径）时。相比之下，气体流质量传递产生最小限度的泡沫并且可通过减少所需 的传统鼓泡量来帮助减少容器泡沫生成。此外，气体流充氧防止在培养物的表面上形成CO 2 覆盖层。因此，培养物的表面上的气体得到良好控制且良好混合，从而允许CO2从培养物中 消散出去、混合到反应器的顶部空间中并通过系统排气端口离开。气体流充氧与系统液体 的相互作用也有助于直接促进从培养物中汽提CO 2。因此，对于相对较浅深度的培养物，气 体流充氧可用于给培养物充氧以及从培养物中移除CO2，在一些情况下，这消除了在本发明 的某些形式中对传统鼓泡的需要。
[0028] 随着培养物在反应器内的深度增加，在反应器的底部通过气体流充氧来给培养物 充氧的效率降低。因此，随着培养物的深度增加，(10 2传感器或其他参数或机构可用于确定 应何时启动鼓泡或其他充氧方法。即，随着培养物的深度增加，可通过诸如阶梯式增量或通 过连续逐渐增加来启动鼓泡以便确保总是适当地给培养物充氧。所施加的气体流充氧可随 着鼓泡增加而减少或可保持恒定。即使气体流未完全给培养物充氧，气体流仍使培养物的 上部区域平衡并防止CO 2形成覆盖层，这又有助于传统的鼓泡操作。因此，即使对于相对较 深体积的培养物，气体流充氧可继续结合鼓泡或其他充氧方法使用。应当理解，电子控制器 可用于根据传感器读数自动地启动和/或调控鼓泡和气体流动。
[0029] 转到附图，现在将讨论可用于执行气体流充氧/质量传递的系统的例子。图1示 出了结合了本发明的特征的反应器系统10的一个实施例。一般来讲，反应器系统10包括 限定腔室14的支撑壳体12、设置在腔室14内的容器组件16和与容器组件16联接的混合 系统17。支撑壳体12通常包括刚性槽，诸如金属槽。该槽可装有夹套以用于控制容器组件 16内的培养物的温度。支撑壳体12可为将适当地支撑容器组件16的任何所需尺寸、形状 或配置，如下文所讨论的。
[0030] 继续参考图1，容器组件16包括具有侧面20的容器18,该侧面从上端22延伸至 相对的下端24。上端22终止于上端壁33,而下端24终止于下端壁34。容器18还具有限 定隔室28的内表面26。隔室2