溫度控制表面和支承結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利說明】溫度控制表面和支承結(jié)構(gòu)
[0001]相關(guān)申請
本申請要求2011年12月2日提交的美國臨時申請N0.61/566，187和2012年I月13日提交的N0.61/586，398的優(yōu)先權(quán)益處，它們各個的教導(dǎo)通過引用而整體地結(jié)合在本文中。本申請還是2009年5月25日提交的美國專利申請N0.12/410,724的繼續(xù)部分申請，該申請要求2008年5月25日提交的美國臨時申請N0.61/039，382的優(yōu)先權(quán)益處，它們各個的教導(dǎo)也通過引用而整體地結(jié)合在本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]公開大體涉及生物化學(xué)處理系統(tǒng)和方法，并且具體而言，涉及控制反應(yīng)器器皿的溫度的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]可獲得各種器皿，以操縱流體和/或進行化學(xué)或生物反應(yīng)。例如，可使用傳統(tǒng)的或一次性生物反應(yīng)器來處理生物材料，諸如哺乳動物、植物或昆蟲細胞和微生物培養(yǎng)物。雖然已知這樣的生物反應(yīng)器和其它流體操縱系統(tǒng)結(jié)合溫度控制系統(tǒng)，但是需要改進這種系統(tǒng)。
[0004]因為微生物培養(yǎng)物的生長和繁殖為哺乳動物細胞的二十到四十(20-40)倍，所以微生物培養(yǎng)物的氧消耗和放熱速率為哺乳動物發(fā)酵過程的大約20至40倍。為了保持微生物培養(yǎng)物中的生長，用于微生物系統(tǒng)的生物反應(yīng)器因此必須能夠以哺乳動物細胞培養(yǎng)物的氧供應(yīng)和熱移除速率的20至40倍供應(yīng)氧給培養(yǎng)物流體以及從培養(yǎng)物流體移除熱。這通過多個手段在不銹鋼微生物發(fā)酵器中實現(xiàn)，包括，例如，多個葉輪進行的非常劇烈的攪動，以分散空氣泡和增加細胞對氧的吸收；非常高的流率的空氣，以供應(yīng)更多的氧；額外的冷卻表面，諸如冷卻盤管，以從培養(yǎng)物流體移除微生物細胞的新陳代謝產(chǎn)生的和劇烈攪動產(chǎn)生的摩擦熱所產(chǎn)生的大量熱。但是，在單次使用式生物處理袋中，熱移除是個現(xiàn)存的問題，特別是對于微生物生物反應(yīng)器而言。
[0005]如聚合物或塑料材料諸如膜和柔性袋的領(lǐng)域中技術(shù)人員所熟知的那樣，聚合物或塑料膜是相對而言非常不良的導(dǎo)熱體。因此，冷卻在容納可更換式容器例如柔性塑料袋的器皿內(nèi)部的流體可能需要特別修改柔性袋和/或器皿的冷卻表面?，F(xiàn)在需要一種系統(tǒng)和方法來改進微生物細胞培養(yǎng)物產(chǎn)生的大量的熱的移除。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]公開了一種在化學(xué)、制藥或生物反應(yīng)器系統(tǒng)中用于進行溫度控制的方法和設(shè)備。在一個方面，本發(fā)明包括可設(shè)置在反應(yīng)器系統(tǒng)中的熱交換模塊，反應(yīng)器系統(tǒng)具有內(nèi)部可更換式反應(yīng)劑容器，諸如，例如，柔性袋或半剛性容器。
[0007]本發(fā)明的一個實施例為一種用于化學(xué)、制藥或生物反應(yīng)器系統(tǒng)中的熱交換模塊，其包括:本體，本體構(gòu)造成設(shè)置在包括支承結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器器皿中，反應(yīng)器器皿具有內(nèi)部可更換式或單次使用式反應(yīng)劑容器，本體包括至少一個表面和至少一個導(dǎo)熱表面，所述至少一個表面構(gòu)造成符合反應(yīng)器器皿的形狀，而至少一個導(dǎo)熱表面適于接觸內(nèi)部可更換式容器，以有利于熱傳遞；以及設(shè)置在模塊本體內(nèi)的熱交換器，其包括流體循環(huán)路徑，熱交換流體可通過流體循環(huán)路徑而循環(huán)。
[0008]本發(fā)明的另一個實施例為一種用于化學(xué)、制藥或生物反應(yīng)器系統(tǒng)中的熱交換模塊，包括:本體，其構(gòu)造成設(shè)置在反應(yīng)器器皿中，反應(yīng)器器皿包括支承結(jié)構(gòu)且具有內(nèi)部可更換式或單次使用式反應(yīng)劑容器，本體進一步包括至少一個導(dǎo)熱表面，其適于接觸內(nèi)部可更換式反應(yīng)劑容器，以有利于熱傳遞；以及設(shè)置在模塊本體內(nèi)的熱交換器，其包括流體循環(huán)路徑，熱交換流體可通過流體循環(huán)路徑而循環(huán)。
[0009]本文還公開一種柔性生物反應(yīng)器或混合器袋，其包括至少一個雙壁部分，至少一個雙壁部分包括在雙壁部分內(nèi)的蛇形流體流通道。
[0010]本發(fā)明的另一個方面為一種容器，其選自柔性生物反應(yīng)器袋、柔性混合器袋和柔性管道，容器包括至少一個雙壁部分，其包括內(nèi)部和外部壁和導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱材料附連到內(nèi)部壁和外部壁中的至少一個的一部分上。
[0011 ] 本發(fā)明的又一個方面為一種柔性聚合物壁，其選自生物反應(yīng)器壁、混合器壁和管道壁，柔性壁包括導(dǎo)熱材料，其附連到柔性壁的一部分上。
[0012]本發(fā)明的又一個實施例為一種帶夾套的分層擋板式生物反應(yīng)器箱，其包括:外部圓柱形夾套；以及圓柱形箱，其具有內(nèi)部箱表面和外部箱表面，內(nèi)部箱表面限定腔室，腔室構(gòu)造成支承設(shè)置在腔室內(nèi)的柔性袋，外部箱表面具有分層擋板，分層擋板構(gòu)造成將液體冷卻劑發(fā)送到整個外部箱表面的周圍，圓柱形箱沿軸向設(shè)置在外部圓柱形夾套內(nèi)，其中外部圓柱形夾套以足以防止或最大程度地減小液體冷卻劑的損失的方式密封到圓柱形箱上。柔性生物處理袋可置于帶夾套的分層擋板式生物反應(yīng)器箱內(nèi)，以便通過在夾套中循環(huán)的冷卻劑進行冷卻。
【附圖說明】
[0013]根據(jù)在附圖中示出的本發(fā)明的說明性實施例的以下更具體的描述，本發(fā)明的前述和其它非限制性目標、特征和優(yōu)點將變得顯而易見，在附圖中，相同參考標號在不同的圖中表示相同部件。附圖是示意性的且不意圖按比例繪制，重點而是放在示出本發(fā)明的原理上。附圖是示意性的且不意圖按比例繪制，重點而是放在示出本發(fā)明的原理上。結(jié)合一個示例性實施例示出或描述的特征可與其它實施例的特征結(jié)合。這樣的修改和變型意圖包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0014]圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的系統(tǒng)的示意圖，其包括容納在支承結(jié)構(gòu)內(nèi)的容器。
[0015]圖2為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的系統(tǒng)的示意圖，其用于執(zhí)行流體操縱，包括生物、化學(xué)和生物化學(xué)過程。
[0016]圖3為根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)的示例性實施例的俯視圖，其具有至少一個熱交換器模塊。
[0017]圖4A為根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的橫截面?zhèn)纫晥D，其具有至少一個熱交換器豐旲塊。
[0018]圖4B為熱交換器或冷卻棒(wand)的橫截面俯視圖，其設(shè)置在模塊本體內(nèi)且構(gòu)造成提供流體循環(huán)路徑。
[0019]圖5為根據(jù)本發(fā)明的熱交換器模塊的實施例的局部透視圖，其中模塊本體具有構(gòu)造成符合外部支承結(jié)構(gòu)的形狀的表面，并且其中熱交換器到達反應(yīng)器器皿的底部。
[0020]圖6A為處于聯(lián)接位置的圖4A的熱交換器模塊的局部透視圖，其中熱交換模塊插入反應(yīng)器系統(tǒng)中。
[0021]圖6B為熱交換模塊的透視圖，其顯示流體循環(huán)路徑。
[0022]圖7為根據(jù)本發(fā)明的熱交換模塊的另一個示例性實施例的透視圖，其用于反應(yīng)器系統(tǒng)中。
[0023]圖8為示例性熱交換模塊的局部透視圖，其結(jié)合到外部支承結(jié)構(gòu)中。
[0024]圖9為示例性反應(yīng)器系統(tǒng)的俯視圖，其具有結(jié)合到外部支承結(jié)構(gòu)中的熱交換模塊。
[0025]圖10為示例性熱交換模塊的透視圖，其具有蛇形流路徑。
[0026]圖11為示例性熱交換模塊的透視圖，其具有非線性流路徑和構(gòu)造成與窗對齊的開口。
[0027]圖12為反應(yīng)器系統(tǒng)的示例性實施例的透視圖，其具有帶夾套的分層擋板式生物反應(yīng)器箱以將液體冷卻劑發(fā)送到外部箱表面周圍。
[0028]圖13為示例性熱交換模塊的分解圖，其包括襯里。
[0029]圖14A為根據(jù)本發(fā)明的熱交換模塊的橫截面圖，其包括具有豎向通道節(jié)段的襯里。
[0030]圖14B為圖14A的襯里的俯視圖，其設(shè)置在示例性反應(yīng)器系統(tǒng)中。
[0031]圖15A為根據(jù)本發(fā)明的熱交換模塊的橫截面圖，其包括具有水平通道節(jié)段的襯里。
[0032]圖15B為圖15A的襯里的橫截面圖，其設(shè)置在示例性反應(yīng)器系統(tǒng)中。
[0033]圖16A為根據(jù)本發(fā)明的熱交換模塊的橫截面圖，其包括具有螺旋通道節(jié)段的襯里。
[0034]圖16B為圖16A的襯里的橫截面圖，其設(shè)置在示例性反應(yīng)器系統(tǒng)中。
[0035]圖17為熱交換模塊的橫截面圖，其包括構(gòu)造成與窗對齊的襯里。
[0036]圖18為根據(jù)本發(fā)明的示例性襯里節(jié)段的橫截面圖。
[0037]圖19A為內(nèi)部或外部管道膜的截面圖，其具有附連到膜上的導(dǎo)熱材料區(qū)段。
[0038]圖19B為內(nèi)部或外部袋膜的截面圖，其具有附連到膜上的導(dǎo)熱材料區(qū)段。
【具體實施方式】
[0039]以下是本發(fā)明的優(yōu)選的實施例的描述。將理解，本發(fā)明的特定實施例以說明而不是限制本發(fā)明的方式顯示。在開始，本發(fā)明在其最寬泛的各方面進行描述，以下是更詳細的描述。本發(fā)明的成分和方法的特征和其它細節(jié)將在權(quán)利要求中進一步指出。
[0040]另外，本文給出的任何示例或說明無論如何不應(yīng)當(dāng)看作對與它們一起使用的任何用語的約束、限制或表示限定。相反，這些示例或說明要看作關(guān)于僅一個特定實施例進行描述且僅作為說明。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，與這些示例或說明一起使用的任何用語將包含可或可不與其一起給出或在說明書中別處給出的其它實施例，并且所有這樣的實施例意圖包括在該用語的范圍內(nèi)。指示這種非限制性示例和說明的語言包括但不限于例如”、“諸如”和“在一個實施例中”。
[0041]如本文使用，用語“包括”、“包含”、“具有”或其任何其它變型意圖覆蓋非排它性包括。例如，包括元件列表的過程、物品或設(shè)備不一定限于僅那些元件，而是可包括未明確列出或這樣的過程、物品或設(shè)備所固有的其它元件。另外，除非明確有相反陳述，“或”表示包括性的或而不是排它性的“或”。
[0042]本文公開了系統(tǒng)和方法來容納和操縱流體，以及調(diào)整與化學(xué)、生物或制藥反應(yīng)或過程相關(guān)聯(lián)的流體的溫度。本發(fā)明的某些實施例涉及用于流體容納系統(tǒng)的一系列改進和特征，例如，通過提供器皿，器皿包括熱交換器，熱交換器可為柔性可收縮的袋或剛性或半剛性的熱交換模塊的形式。本發(fā)明的一些實施例包括空心擋板(在襯里內(nèi)部或外部，或兩者)，冷卻劑循環(huán)通過其中。本發(fā)明的其它實施例包括帶夾套的分層擋板式生物反應(yīng)器箱，其對100%的箱表面提供冷卻劑，從而將熱傳導(dǎo)離開設(shè)置在箱內(nèi)的柔性袋生物反應(yīng)器。
[0043]雖然本文的大部分描述涉及本發(fā)明的涉及生物反應(yīng)器和化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的示例性應(yīng)用，但是本發(fā)明和其用途不限于此，并且應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的各方面還可用于其它設(shè)施中，包括涉及一般容納系統(tǒng)以及用于容納或混合或其它處理的系統(tǒng)的那些。
[0044]用語“剛性”和“半剛性”在本文可互換地用來描述為“非可收縮的”結(jié)構(gòu)，也就是說在正常力下不折疊、收縮或以其它方式變型而顯著減小其伸長尺寸的結(jié)構(gòu)。取決于內(nèi)容，“半剛性”還可表示比“剛性”元件更柔性的結(jié)構(gòu)，例如，可彎曲的管或?qū)Ч埽€表示在正常狀況和力下不沿縱向收縮的結(jié)構(gòu)。本文使用的“柔性容器”、“柔性袋”或“可收縮的袋”表示當(dāng)經(jīng)歷內(nèi)部壓力，例如，容納在其中的液體或氣體的重量或靜液壓力產(chǎn)生的壓力時，在不受益于單獨的支承結(jié)構(gòu)的情況下，容器或袋不能保持其形狀和/或結(jié)構(gòu)完整性?？芍貜?fù)使用的支承結(jié)構(gòu)諸如剛性器皿或箱可利用來包圍和支承可收縮的袋。
[0045]本文使用的用語“器皿”大體表示包圍和支承柔性袋的支承結(jié)構(gòu)或箱。用語器皿意圖包含生物反應(yīng)器器皿以及普遍用于生物或生物化學(xué)處理中的其它容器或