，換能器中的氣隙）結(jié)合，另一側(cè)與細胞培養(yǎng)基中的流 體結(jié)合。在所述板中所產(chǎn)生的波的類型被稱為復合波。壓電板中的一部分復合波與漏對稱 (leakysy_etric)(還稱為壓縮或延伸）蘭姆波相似。所述板的壓電性質(zhì)通常導致對稱蘭 姆波的激發(fā)。由于波輻射到水層中，因此它們發(fā)生泄漏，這導致在水層中產(chǎn)生聲駐波。蘭姆 波存在于其表面處于無應力狀態(tài)的無限廣度的薄板中。由于本實施方案的換能器實際上是 有限的，因此實際的模態(tài)位移更加復雜。
[0097] 圖14示出板的厚度上的面內(nèi)位移（X-位移）和面外位移（y-位移）的典型變化， 面內(nèi)位移是板的厚度的偶函數(shù)，面外位移是奇函數(shù)。由于板的有限尺寸，位移分量在板的寬 度和長度上變化。通常，（m，n)模式是這樣的換能器位移模式，其中如圖14所示，隨著厚度 變化，換能器位移在寬度方向上具有m個波動，在長度方向上具有n個波動。m和n的最大 值是晶體尺寸和激發(fā)頻率的函數(shù)。
[0098] 換能器被驅(qū)動為使得壓電晶體以高階模通式（m，n)振動，其中m和n獨立地為1 或更大。通常，換能器以大于（2, 2)的高階模振動。高階模將產(chǎn)生更多的波節(jié)和波腹，從而 在水層中產(chǎn)生三維駐波，該三維駐波的特征為在聲場中在所有方向上（不僅在駐波的方向 上，也在橫向方向上）具有強的梯度。結(jié)果，聲學梯度導致在橫向方向上具有更強的捕獲 力。
[0099] 在一些實施方案中，驅(qū)動換能器的脈沖電壓信號可以具有正弦、矩形、鋸齒或三 角波形；并且頻率為500kHz至10MHz。脈沖電壓信號可以用脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動，這產(chǎn)生 任何所需的波形。脈沖電壓信號還可以具有振幅或頻率調(diào)制啟動/停止能力以消除流 (streaming)〇
[01 00] 換能器用于建立可產(chǎn)生相同數(shù)量級的與駐波方向垂直和沿駐波方向的力的壓力 場。當力為大致相同數(shù)量級時，大小為〇. 1微米至300微米的顆粒更有效地向凝聚區(qū)域("捕 獲線"）移動。由于垂直聲致泳動分力具有相等的大梯度，因此在換能器與反射器之間具有 在駐波方向上位置規(guī)則分布的"熱點"或顆粒集中區(qū)。熱點位于聲學輻射勢能最大或最小 的位置。這些熱點代表顆粒集中位置，其使得能夠在集中過程中在換能器和反射器之間實 現(xiàn)更好的波傳遞，以及更強的顆粒間作用力，這導致更快和更好的顆粒凝聚。
[0101] 圖15和圖16是示出聲致泳動分離器的各部分的分解圖。圖15只具有一個分離 腔室，圖16具有兩個分離腔室。
[0102] 參照圖15,流體通過四端口入口 191進入分離器190。提供轉(zhuǎn)換件192以建立通 過分離腔室193的活塞流。換能器40和反射器194位于分離腔室的相對的壁上。之后，流 體通過出口 195流出分離腔室193和分離器。
[0103] 圖16具有兩個分離腔室193。系統(tǒng)連接器196位于兩個腔室193之間以將其連接 在一起。
[0104] 用不同的中國倉鼠卵巢（CHO)細胞系測試了聲致泳動分離器。在一個實施方案 中，利用圖15所示的系統(tǒng)對起始細胞密度為8. 09XIO6個細胞/mL、濁度為1，232NTU、細胞 活力約為75%的溶液進行了分離。換能器為2MHz晶體，在大約2. 23MHz下運轉(zhuǎn)，消耗24-28 瓦。采用25mL/分鐘的流速。該實驗的結(jié)果示于圖17。
[0105] 在另一個實驗中，對起始細胞密度為8. 09XIO6個細胞/mL、濁度為1，232NTU、 細胞活力約為75%的溶液進行了分離。CHO細胞系具有雙模態(tài)粒度分布（粒度12ym和 20ym)。結(jié)果示于圖18。
[0106] 圖17和圖18由BeckmanCoulter細胞活力分析儀生成。其他測試顯示，在從流 體中分離細胞方面，IMHz和3MHz的頻率不如2MHz那樣有效。
[0107] 在流速為IOL/小時的其他測試中，捕獲了 99%的細胞，并且證實細胞活力大于 99%。流速為50mL/分鐘（即3L/小時）的測試獲得了 3XIO6個細胞/mL的最終細胞密 度，活力接近100%，并且?guī)缀鯖]有或完全沒有溫度升高。在其他測試中，6L/小時的流速獲 得了 95%的濁度降低。
[0108] 進行了進一步的測試，利用酵母模擬CHO進行生物應用。對于這些測試，流速為 15L/小時，測試了不同的頻率和功率水平。表1示出了測試結(jié)果。
[0109] 表I:15L/小時流速下的2. 5"X4"系統(tǒng)結(jié)果
[0110]
[0111] 在生物應用中，預期所述系統(tǒng)的所有部分（例如流動腔室、導向或出自生物反應 器或過濾裝置的管道、包括超聲換能器和反射器的套管、溫度調(diào)節(jié)夾套等）都可以彼此分 離，并且為一次性的。避免離心和過濾使得能夠更好地分離CHO細胞而不會降低細胞活力。 換能器還可以被驅(qū)動為產(chǎn)生迅速的壓力變化以防止或清除由于CHO細胞凝聚而導致的堵 塞。還可以改變換能器的頻率以在給定功率下獲得最佳效果。
[0112] 已經(jīng)參照示例性實施方案描述了本公開。顯然，通過閱讀并理解上文的詳細描述， 本領域技術人員可以進行改變或修改。本公開旨在被理解為包括所附權(quán)利要求及其等價形 式的范圍以內(nèi)的所有這些改變和修改。
【主權(quán)項】
1. 一種系統(tǒng)，包括： 生物反應器，其包括反應容器、攪拌器、供料入口和出口；和 過濾裝置，其包括： 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(qū)動以在所述流動腔室中產(chǎn)生多 維駐波。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述過濾裝置還包括產(chǎn)物出口，通過該產(chǎn)物出口 回收所需產(chǎn)物。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述過濾裝置還包括再循環(huán)出口，其用于將流體 送回所述生物反應器。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多維駐波具有相同數(shù)量級的軸向分力和橫向 分力。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述生物反應器為灌注式生物反應器。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述套管是與所述流動腔室可分離的。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中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(diào)節(jié)所述流動腔室中的所述流體的溫度。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述夾套、所述套管和所述流動腔室是彼此可分 離的，并且是一次性的。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其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。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述壓電材料具有矩形形狀。11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述超聲換能器包括： 具有頂端、底端和內(nèi)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(nèi)表面，并且當受到電壓信 號驅(qū)動時，所述晶體能夠振動。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中襯里層接觸所述晶體的所述內(nèi)表面，所述襯里 層由實質(zhì)上透聲的材料制成。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述實質(zhì)上透聲的材料為輕木、軟木、或泡沫。14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述實質(zhì)上透聲的材料的厚度為至多1英寸。15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述實質(zhì)上透聲的材料為柵格的形式。16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其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。17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述晶體不具有襯里層或耐磨層。18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多維駐波為三維駐波。19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述反射器具有非平面表面。
【專利摘要】本發(fā)明涉及灌注式生物反應器，其包括至少一個能夠聲學地產(chǎn)生多維駐波的超聲換能器。所述駐波能夠用于將細胞保持在反應器中，并且還能夠用于排水或者從生物反應器所產(chǎn)生的廢料中進一步收集產(chǎn)物。所述生物反應器包括反應容器、攪拌器、供料入口和出口。包括過濾裝置，該過濾裝置具有入口、流動腔室和圍繞該流動腔室的套管，其中所述套管包括所述超聲換能器。
【IPC分類】B01D21/28
【公開號】CN105120975
【申請?zhí)枴緾N201480019651
【發(fā)明人】巴特·利普肯斯, 路易斯·瑪斯, 斯擔利·科瓦爾斯基三世, 沃爾特·M·小普雷斯, 杰森·迪翁, 布萊恩·杜特拉, 阿里·梅爾卡多, 托馬斯·肯尼迪三世, 阿瑟·馬丁
【申請人】弗洛設計聲能學公司
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2014年2月7日
【公告號】CA2900277A1, EP2953700A1, WO2014124306A1