利用聲駐波的生物反應器的制造方法
【專利說明】利用聲駐波的生物反應器
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2013年2月7日提交的美國臨時專利申請序列號61/761，717的優(yōu) 先權。本申請還是于2013年9月13日提交的美國專利申請序列號14/026, 413、和于2013 年3月15日提交的美國專利申請序列號13/844, 754的部分延續(xù)案，所述美國專利申請序 列號14/026, 413要求于2012年10月2日提交的美國臨時專利申請序列號61/708, 641 的優(yōu)先權，所述美國專利申請序列號13/844,754要求于2012年3月15日提交的美國臨 時專利申請序列號61/611，159、同樣于2012年3月15日提交的美國臨時專利申請序列號 61/611，240、和于2013年1月21日提交的美國臨時專利申請序列號61/754, 792的優(yōu)先權。 這些申請的全部內容均以引用的方式并入本文。
【背景技術】
[0003] 在過去的20年間，生物技術領域飛速發(fā)展。這種發(fā)展由許多因素導致，其中一些 因素包括可用于生物反應器的設備的改進、對生物系統(tǒng)的了解增加、以及對各種物質（例 如單克隆抗體和重組蛋白）與人體各系統(tǒng)的相互作用的認知提高。
[0004] 設備的改進使得可大量和低成本地進行生物衍生物質的生產，例如重組蛋白。這 在藥物領域尤其普遍，在藥物領域中，多種新藥治療的成功直接歸因于能夠通過基于蛋白 的生產方法大量生產這些物質。
[0005] 用于基于生物學的新藥的生產工藝的關鍵因素之一是生物反應器及與其相關的 附屬工藝。生物反應器領域的一部分發(fā)展是由于灌注式工藝。灌注式工藝由于其較低的資 本成本和較高的生產量而區(qū)別于分批補料式（fed-batch)工藝。
[0006] 在分批補料式工藝中，將培養(yǎng)物接種于生物反應器中。采用在生長周期過程中逐 步添加大量新鮮的所選的營養(yǎng)物來提高生產率和生長。在收集培養(yǎng)物之后回收產物。由于 分批補料式生物反應器工藝簡單，并且由公知的發(fā)酵工藝發(fā)展而來，因此其是吸引人的。然 而，分批補料式生物反應器的啟動成本高，并且為了在生長周期結束時獲得具有成本效益 的量的產物而具有大的體積。在分批補料完成后，生物反應器必須清潔并滅菌，這導致非生 產性停工期。
[0007] 灌注式生物反應器處理被供入生物反應器中的一批連續(xù)的新鮮培養(yǎng)基，同時抑制 生長的副產物被不斷地移除。灌注式生物反應器工藝可以減少或消除非生產性停工期。灌 注式培養(yǎng)所達到的細胞密度（3000-10000萬個細胞/ml)通常高于分批補料模式的細胞密 度（500-2500萬個細胞/ml)。然而，灌注式生物反應器需要細胞保持裝置以防止當移除副 產物時培養(yǎng)物逸出。這些細胞保持系統(tǒng)增加了灌注式工藝的復雜程度，并且需要管理、控制 和維持以有效運轉。以前，諸如細胞保持設備的故障或失靈等操作問題是灌注式生物反應 器的難題。這在過去限制了它們的吸引力。

【發(fā)明內容】

[0008] 在多個實施方案中，本公開涉及用于生產如重組蛋白或單克隆抗體等生物分子、 以及用于從生物反應器的細胞培養(yǎng)物中分離這些所需產物的系統(tǒng)。通常，包含細胞和所需 產物的流體培養(yǎng)基經(jīng)過或流過過濾裝置。
[0009] 在多個實施方案中，公開了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括生物反應器和過濾裝置。所述生 物反應器包括反應容器、攪拌器、供料入口和出口。所述過濾裝置包括：入口，其流體連接至 所述生物反應器出口以從所述生物反應器接收流體；流動腔室，通過該流動腔室，所述流體 能夠流動；和圍繞所述流動腔室的套管，所述套管包括至少一個超聲換能器以及位置與所 述至少一個超聲換能器相對的反射器，所述至少一個超聲換能器被驅動以在所述流動腔室 中產生多維駐波。
[0010] 所述過濾裝置還可以包括產物出口，通過該產物出口回收所需產物。所述過濾裝 置還可以包括再循環(huán)出口，其用于將流體送回所述生物反應器。
[0011] 所述多維駐波可以具有相同數(shù)量級的軸向分力和橫向分力。所述生物反應器可以 作為灌注式生物反應器來運轉。
[0012] 所述套管可以是與所述流動腔室可分離的。有時，所述過濾裝置還包括位于所述 套管和所述流動腔室之間的夾套，該夾套用于調節(jié)所述流動腔室中的所述流體的溫度。所 述夾套、所述套管和所述流動腔室可以是彼此可分離的，并且可以是一次性的。
[0013] 在具體的實施方案中，所述超聲換能器包括能夠以高階模態(tài)振動的壓電材料。所 述壓電材料可以具有矩形形狀。
[0014] 所述超聲換能器可以包括：具有頂端、底端和內部容積的外殼；和位于所述外殼 的底端的晶體，該晶體具有暴露的外表面和內表面，并且當受到電壓信號驅動時，所述晶體 能夠振動。在一些實施方案中，襯里層接觸所述晶體的所述內表面，所述襯里層由基本上透 聲的材料制成。所述基本上透聲的材料可以為輕木、軟木、或泡沫。所述基本上透聲的材料 的厚度可以為至多1英寸。所述基本上透聲的材料可以為柵格的形式。在其他實施方案中， 所述晶體的外表面由厚度為小于或等于半波長的磨損面材料覆蓋，所述磨損面材料為氨基 甲酸酯涂層、環(huán)氧樹脂涂層、或硅酮涂層。在其他實施方案中，所述晶體不具有襯里層或耐 磨層。
[0015] 所述多維駐波可以為三維駐波。
[0016] 所述反射器可以具有非平面表面。
[0017] 以下更具體地描述這些和其他非限制性特征。
【附圖說明】
[0018] 以下是對附圖的簡單描述，其是為了說明本文所公開的示例性實施方案的目的， 不旨在對其進行限制。
[0019] 圖1示出由超聲換能器和反射器產生的單駐聲波。
[0020] 圖2為比較分批補料式生物反應器系統(tǒng)和灌注式生物反應器系統(tǒng)的圖。
[0021] 圖3為示出生物反應器的各部件的截面圖。
[0022] 圖4示出本公開的聲致泳動（acoustophoretic)過濾裝置的一個實施方案，其具 有圍繞作為流動腔室并且為一次性的的管的套管。
[0023] 圖5示出本公開的聲致泳動過濾裝置的另一個實施方案，其顯示了圍繞流動腔室 的夾套和圍繞該夾套的套管。所述套管含有用于調節(jié)經(jīng)過所述流動腔室的流體的溫度的流 體。
[0024] 圖6為示出本公開的系統(tǒng)的示意圖，所述系統(tǒng)包括具有聲致泳動分離裝置的灌注 式生物反應器、和再循環(huán)通路。
[0025] 圖7為常規(guī)超聲換能器的截面圖。
[0026] 圖8為常規(guī)換能器的耐磨板的照片。
[0027] 圖9為本公開的超聲換能器的截面圖。該換能器中存在氣隙，并且不存在襯里層 或耐磨板。
[0028] 圖10為本公開的超聲換能器的截面圖。該換能器中存在氣隙，并且存在襯里層或 耐磨板。
[0029] 圖11為以不同頻率驅動的正方形換能器的電阻抗振幅對頻率的圖。
[0030] 圖12示出圖11中的峰振幅中的七個的沿流體流的正交方向的捕獲線（trapping line)結構。
[0031] 圖13為聲壓振幅（右手邊刻度為Pa)和換能器面外位移（左手邊刻度為米）的 計算機模擬。左手邊刻度頂部的文字為"xl〇7"。左手邊刻度頂部帶有向上三角形的文字 為"1.473x10 6"。左手邊刻度底部帶有向下三角形的文字為"1.4612x10 1(]"。右手邊刻度 頂部的文字為"xlO6"。右手邊刻度頂部帶有向上三角形的文字為"1. 1129xl06"。右手邊刻 度底部帶有向下三角形的文字為"7. 357"。這些三角形示出圖中所示的給定刻度的最大值 和最小值。水平軸為腔室中沿X軸的位置，單位為英寸；垂直軸為腔室中沿Y軸的位置，單 位為英寸。
[0032] 圖14示出晶體的面內和面外位移，其中存在復合波。
[0033] 圖15示出具有一個流動腔室、用于執(zhí)行一些示例性分離的聲致泳動分離器的分 解圖。
[0034] 圖16示出具有兩個流動腔室的堆疊聲致泳動分離器的分解圖。
[0035] 圖17為示出在一個實驗中利用BeckmanCoulter細胞活力分析儀獲得的從培養(yǎng) 基中移除細胞的效果的圖。
[0036] 圖18為示出在另一個實驗中利用BeckmanCoulter細胞活力分析儀獲得的從培 養(yǎng)基中移除細胞的效果的圖。
【具體實施方式】
[0037] 通過參照以下對所需實施方案及其所包括的例子的詳細描述，本公開將更加易于 理解。在以下說明書及其所附權利要求中，提及了大量術語，其應當被定義為具有以下含 義。
[0038] 雖然為了清楚起見在以下描述中使用了特定術語，但這些術