用于气体流与液体质量传递的方法和设备技术

本发明专利技术公开了一种用于实现气-液质量传递的方法和系统，其包括将液体递送至容器的隔室中，所述液体具有设置在所述隔室内的暴露的顶部表面。气体流通过所述液体的所述顶部表面的上方使得所述气体流在所述顶部表面上产生湍流，所述湍流足以实现所述气-液质量传递。在一个实施例中，所述液体为包含细胞或微生物的培养物，并且所述质量传递起作用以给所述培养物充氧，使其足以供养所述细胞或微生物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用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。
技术介绍
1.
本专利技术涉及用于产生气-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。2.相关技术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CO2。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。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。r>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。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。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CO2，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CO2的汽提。随着大气泡在培养物内上升，培养物内的一部分CO2平衡进入大气泡的空气中并被带出培养物。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CO2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CO2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。附图说明现将参考所附附图来讨论本专利技术的各种实施例。应当理解，这些附图仅示出了本专利技术的典型实施例，因此不应视为限制本专利技术的范围。图1为包含培养物的反应器系统的横截面侧视图；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；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；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；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；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；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；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；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。本专利技术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，本专利技术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CO2。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。一般来讲，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于给细胞或微生物的培养物充氧的方法，所述方法包括：将由细胞或微生物和培养基构成的培养物递送至容器的隔室中，所述培养物具有设置在所述隔室内的暴露的顶部表面；在所述容器内混合所述培养物；以及在混合所述培养物时，使含有氧气的气体流通过所述培养物的所述顶部表面的至少一部分的上方，使得所述气体流在所述顶部表面上产生足以给所述培养物充氧以使所述细胞或微生物生长的湍流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.18 US 61/625,7941.一种用于给细胞或微生物的培养物充氧的方法，所述方法包括：
将由细胞或微生物和培养基构成的培养物递送至容器的隔室
中，所述培养物具有设置在所述隔室内的暴露的顶部表面；
在所述容器内混合所述培养物；以及
在混合所述培养物时，使含有氧气的气体流通过所述培养物的
所述顶部表面的至少一部分的上方，使得所述气体流在所述顶部表
面上产生足以给所述培养物充氧以使所述细胞或微生物生长的湍
流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过所述气体流的所述步骤包括
通过所述气体流使得直接与所述培养物的所述顶部表面相邻的所述
气体的速度为至少25米/秒。
3.根据权利要求1所述的方法，其中通过所述气体流的所述步骤包括
将所述气体流以至少0.08VVM的流量通入所述容器的所述隔室中。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述容器包括具有底壁、顶壁和
在两者间延伸的环绕侧壁的柔性袋，通过所述气体流的所述步骤包
括通过在所述容器的所述侧壁上形成的第一开口递送所述气体。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述递送步骤包括通过与所述第
一开口联接的喷嘴递送所述气体。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体流在所述培养物中产生
至少3的kLa系数。
7.根据权利要求1所述的方法，其中通过气体流的所述步骤包括：
通过在所述容器上形成的第一开口推进管使得所述管的顶端位
于所述隔室内；以及
从所述管中吹出所述气体流使得所述气体流通过所述培养物的
所述顶部表面的所述至少一部分的上方。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括通过所述第一开口推进所述管
使得当从所述管中吹出所述气体流时，所述管的所述顶端与所述培
养物的所述顶部表面的距离在约1cm至约10cm内。
9.根据权利要求1所述的方法，其中使所述气体流通过所述培养物的
所述至少一部分顶部表面的上方的所述步骤不需要将气体气泡鼓入
到所述培养物中即可发生。
10.根据权利要求1所述的方法，其中使所述气体流通过所述培养物的
所述顶部表面的所述至少一部分的上方的所述步骤不需要首先使所
述气体流通入所述培养物即可发生。
11.根据权利要求1所述的方法，其中在递送所述气体的所述步骤期
间，所述培养物的所述顶部表面在所述容器内的第一高度处，使所
述气体流通过所述培养物的所述顶部表面的所述至少一部分的上方
的所述步骤不需要将气体气泡鼓入到所述培养物中即可发生，同时
所述培养物在所述第一高度处，并且所述方法包括：
向所述容器内的所述培养物添加培养基，使得所述培养物的所
述顶部表面升高至所述隔室内的第二高度；以及
在所述顶部表面已升高至所述隔室内的所述第二高度之后，将
含有氧气的气体气泡鼓入至所述培养物中。
12.根据权利要求1所述的方法，其中通过所述气体流的所述步骤包括
使所述气体流水平地或基本上水平地通过所述顶部表面的所述至少
一部分的上方。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体流向下倾斜地通过所述
顶部表面的所述至少一部分的上方。
14.根据权利要求1所述的方法，其中通过所述气体流的所述步骤包括
将所述气体流向下吹至所述培养物的所述顶部表面上，使得所述气
体流偏离所述顶部表面并且基本上水平地在所述顶部表面的所述至
少一部分上行进。
15.根据权利要求1所述的方法，其中喷嘴定位在所述容器的所述隔室
内，所述喷嘴具有环绕侧壁，所述环绕侧壁具有多个沿所述侧壁延
伸的径向间隔开的出口，通过所述气体流的所述步骤包括使所述气
体流通过所述喷嘴上的所述多个出口。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括随着所述培养物的体积在所述
隔室内增加，在所述容器的所述隔室内升高所述喷嘴。
17.根据权利要求1所述的方法，其中具有多个腔的管设置在所述容器
的所述隔室内，多个喷嘴与所述管联接，所述喷嘴在间隔开的位置
处并且其上具有至少一个出口，所述多个喷嘴中的每一个与对应的
所述多个腔中的一个流体联接，通过所述气体流的所述步骤包括随
着所述培养物的所述体积在所述隔室内增加，使所述气体连续地通
过所述多个喷嘴中的每一个的所述出口。
18.根据权利要求1所述的方法，其中混合所述培养物的所述步骤包括
旋转所述容器内的混合元件。
19.一种用于执行气-液质量传递的方法，所述方法包括：
将液体分配到容器的隔室中，所述容器具有顶壁、底壁和在两
者间延伸的环绕侧壁，所述液体具有设置在所述隔室内的暴露的顶
部表面；以及
通过在所述容器的所述侧壁上形成的第一开口将气体递送至所
述隔室中，使得所述气体通过所述液体的所述顶部表面的上方，所
述气体在所述液体的所述顶部表面上产生湍流，所述湍流足以在所
述气体和所述液体之间产生质量传递。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述递送步骤包括通过与所述第
一开口联接的喷嘴递送所述气体。
21.根据权利要求19所述的方法，其中在递送所述气体的所述步骤期
间，所述流体的所述顶部表面在所述容器内的第一高度处，所述方
法还包括：
向所述容器内添加另外的流体，使得所述流体的所述顶部表面
升高至所述隔室内的第二高度；
停止通过所述第一开口的所述气体流；以及
通过在所述容器的所述侧壁上形成的第二开口将气体递送至所
述隔室中，使得所述气体通过所述流体的所述顶部表面的至少一部
分的上方，所述第二开口处于比所述第一开口更高的高度处。
22.根据权利要求19所述的方法，其中在通过所述第一开口递送所述气
体的所述步骤期间，所述第一开口与所述流体的所述顶部表面的距
离在3cm内。
23.根据权利要求19所述的方法，还包括在递送所述气体时用叶轮混合
所述流体。
24.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·D·布劳，N·D·琼斯，B·R·马森，M·E·古德温，
申请(专利权)人：生命科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US