磁性混合器制造技术

本发明专利技术的系统和方法涉及轴向磁通定子，其实施成替代驱动端磁体和驱动电机。轴向磁通定子包括控制电路，以单独地或组合地控制提供至定子的电压和电流，以测量转矩和转速，以及以测量由轴向磁通定子和叶轮磁体产生的磁通量和磁通量密度。轴向磁通定子包括多个载流元件，用于产生沿轴向方向的磁通量并驱动叶轮。用于产生沿轴向方向的磁通量并驱动叶轮。用于产生沿轴向方向的磁通量并驱动叶轮。

Magnetic mixer

【技术实现步骤摘要】
磁性混合器


[0001]实施例大体上涉及生物反应器的领域，并且更具体地涉及用于生物反应器的磁性混合器驱动器。

技术介绍

[0002]混合器和泵具有广泛范围的应用，包括生物反应器。旋转混合器100(图1A)中的主要元件为驱动器14(其包含驱动机构)和叶轮端11处的叶轮12(其包含混合叶片)。两个元件对准且由不同拓扑联接在一起。一方面，磁性耦合是叶轮12保持联接到驱动器端13的一组磁体10的位置。这通过由单独的电机旋转的驱动端中的一组磁体来建立。现有技术包含由某些"磁性"间隙16分开的各端上的一组圆柱形磁体14(见图1B)，"磁性"间隙16主要由空气、固定元件和混合袋壁构成，它们都为非磁性元件。现有技术存在许多障碍，包括但不限于：(1)需要使用较昂贵且较大的磁体(例如，钕磁体)的磁体之间的弱耦合，(2)容积利用率低，(3)作为单次使用的元件的叶轮中使用稀土磁体，增加了叶轮的成本且带来了环境挑战，以及(4)驱动器大小大，因为其由单独的电动机驱动的一组大耦合磁体构成。
[0003]混合系统通常包括机械地连接到驱动轴的搅拌器或叶轮，驱动轴通过容器的顶部中的开口降入流体中。驱动轴连接到布置在容器外的电动机。在封闭容器中，流体密封件设在驱动轴与容器的壁之间，以防止流体从容器泄漏。其它混合系统包括容器外的旋转磁性驱动头和作为容器内的搅拌元件的旋转磁性叶轮。磁性驱动头的移动允许转矩传递，且因此允许磁性叶轮的旋转，从而允许叶轮混合和搅拌容器内的流体。由于封闭容器中不需要使驱动轴穿透容器壁来机械地旋转叶轮，故机械式联接的系统可消除对具有驱动轴与容器之间的流体密封件的需要。容器内的叶轮与容器外的驱动系统或电机的磁性耦合可消除污染问题，允许了完全包封的系统，且防止泄漏。
[0004]在生物制药行业中，越来越多地使用单次使用或一次性器皿或容器作为封闭型系统，典型地在1到2000升的范围中。容器可为例如具有基本上圆柱形形状的罐型支承件，且由刚性材料诸如不锈钢制成，以向例如单次使用的生物反应器中使用的类型的柔性袋或器皿提供足够支承。灭菌的一次性袋的使用消除耗时的容器清洁步骤，且减少了污染机会。柔性器皿或袋以准确方式置于容器内，使得例如不同的管线或管、混合器和传感器可适当地且准确地连接到袋。
[0005]将单次使用或一次性袋与磁性搅拌器系统组合建立了生物制药制造中使用的无菌环境。用于混合和操纵液体和/或用于执行生物化学和/或生物过程的多种容器、装置、构件和单元操作是可用的。例如，可使用包括一次性处理袋的生物反应器来处理包括哺乳动物、植物或昆虫细胞和微生物培养物的生物材料。复杂生物产品诸如蛋白质、单克隆抗体等的制造在许多情况中需要多个处理步骤，其范围涉及从发酵或细胞培养(细菌、酵母、昆虫、真菌等)到初级回收和纯化。
[0006]可期望通过使用更环境友好的较廉价的元件来解决如上文陈述的需要。本专利技术的方面将运用小得多的叶轮，且具有减小的磁力，这将允许袋与驱动器更容易分开。此外，将
解决驱动器(用户)端上的移动部分来提供更安全的机构。
[0007]磁性驱动头的移动允许了转矩传递，且因此允许磁性叶轮的旋转，从而允许容器内的叶轮混合和搅拌容器内的流体，而不提供密封轴。在使用完全封闭的容器时，或在按需要使用容器来保持内部容积和待混合的流体的无菌性时，磁性混合原理是特别有利的。
[0008]在如生物制药生产中使用的单次使用的处理技术中，使用了塑料器皿和袋，它们典型地被预先灭菌(例如，通过伽马辐照)，且用作完全封闭的系统，使用无菌连接件来使所述系统连接到相邻的流体处理设备和线上。在单次使用的容器和生物反应器的这些应用中，磁性混合技术的使用出于过程安全性、简单性和低成本的原因而是优选的，低成本来自于省略了旋转轴周围的复杂密封布置。
[0009]现今，对使用磁性混合技术的过程提出了某些挑战，其中缺乏叶轮与外部驱动器之间通过轴的直接和永久机械连接。这些缺陷包括不了解叶轮的实际速度；与直接机械联接相比，更难以评估转矩和功率输入。此外，由于与机械轴相比，通过磁性耦合传递的功率典型地为有限的，因此磁性混合器典型地在较低功率输入下操作，这使得难以在这种测量中的摩擦力、干扰和噪声的背景下评估功率输入和转矩。因此，需要改进磁性混合和磁性混合器耦合的评估、测量和控制。
[0010]更详细而言，当前磁性混合器的挑战包括：(1)间接(非实时)确定输送到流体的功率，如用公式或查找表的用户界面操作执行的；(2)在混合过程发生时的流体密度和/或粘度变化，而没有混合过程的准确控制；以及(3)不能识别混合过程中的异常。迄今为止使用的生物反应器中没有任何特征或直接过程可检测或标记此类问题。
[0011]此外，现有解决方案未提供在混合的同时输送至流体的功率的直接测量。现有方法取决于查找表来计算输送至流体的功率。此外，没有装置或方法能够连续地监测流体的粘度和密度，或在没有如之前所提到的查找表的情况下检测混合过程中的异常。
[0012]可期望通过向生物反应器和/或混合器提供附加功能来解决如上陈述的需要。其将允许在混合的同时准确监测输送至流体的功率，且将由使用者提供更准确的控制。其还将有利地允许流体性质的连续更新，且优选在混合异常的情况下发出警报，诸如，例如，当体积气液比超过阈值时，在叶轮"溢流"的情况下。

技术实现思路

[0013]本专利技术的系统和方法涉及一种用于生物反应器混合器或泵的磁性驱动器，其加强磁性耦合来提供较高的转矩，且替代驱动端的磁体和驱动电机。本文公开的实施例在两端上使用背铁来加强磁性耦合和饼形磁体(在楔形形状和格式的意义上的"饼"形，即，三角形/梯形具有较宽的外缘和较小的内部尺寸，或定形为圆形或环形扇段)，以提高容积利用率，且因此提供较高的转矩且允许使用较廉价的材料(例如，铁素体)。在另一个实施例中，转子侧构造有Halbach阵列，其在不需要增加背铁件的情况下提高转矩。另一实施例实施了轴向磁通定子以替代驱动端磁体和驱动电机。
[0014]在一个实施例中，一种系统被描述为要用作生物反应器混合器，该系统包括：旋转驱动器、能够围绕中心(旋转)轴线旋转的叶轮以及定位成一个或多个阵列格式的多个磁体，呈第一阵列格式的第一组磁体定位在邻近旋转驱动器的驱动端处，且呈第二阵列格式的第二组磁体定位在叶轮处；其中旋转驱动器为驱动定子。
[0015]一方面，系统具有驱动定子，其为轴向磁通定子。另一方面，轴向磁通定子定位在多个磁体的下侧上。轴向磁通定子包括控制单独或组合地提供给定子的电压和电流的控制电路。轴向磁通定子包括测量转矩和转速的控制电路。轴向磁通定子包括测量由轴向磁通定子和叶轮磁体产生的磁通量和和磁通量密度的控制电路。轴向磁通定子包括产生沿轴向方向的磁通量并驱动叶轮的多个载流元件。
[0016]在本文所述的实施例中，轴向磁通定子包括固定载流元件或将载流元件附连到其上的芯。公开的实施例的方面因此允许芯为磁性的或非磁性的。
[0017]另一实施例为混合系统，其包括：产生沿轴向方向的磁通量的多个载流元件、能够围绕轴向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表征流体混合装置中的状态的磁性混合系统，所述系统包括：包括流体的容器(601;701;1001)；产生磁场的驱动器(110;111;120;160;410;420;605;705;1005)；操作所述驱动器的控制器(113;902)；与所述系统定位在一起来检测所述磁场或磁通量的一个或多个传感器(808;907,908,910)；以及从所述传感器接收信息来计算提供至所述流体的功率、所述叶轮的转矩和速度中的一个或多个的处理器(912)。2.根据权利要求1所述的磁性混合系统，其特征在于，所述磁性混合系统包括所述容器内的叶轮(1002)，其中所述驱动器产生磁场以旋转所述叶轮，且所述传感器测量所述磁场或提供至所述叶轮的磁通量。3.根据权利要求1或权利要求2所述的磁性混合系统，其特征在于，所述一个或多个传感器与所述驱动器、所述叶轮定位在一起，或定位在所述叶轮与所述驱动器之间。4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述传感器进一步检测提供至所述驱动器的电流和电压。5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述驱动器为定子(110;111;120;160;605;705)。6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述驱动器包括与电机组合的一组永磁体。7.根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述驱动器为定子、电机或磁性耦合，并且所述传感器为分别单独或组合地与其定位在一起的换能器。8.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述叶轮的转矩和速度对应于所述流体混合中的转矩和速度。9.根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述处理器单独地或组合地将功率、转矩或速度与一种或多种流体性质一起使用来评估实时混合状态和混合性质。10.根据权利要求9所述的磁性混合系统，其特征在于，所述处理器单独地或组合地检测流体性质、混合状态或混合性质的变化。11.根据权利要求1至权利要求10中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述处理器检测如由习得模式或预定阈值确定的流体性质、混合状态或混合性质的异常。12.根据权利要求1至权利要求11中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述流体性质包括所述流体的密度和粘度等。13.根据权利要求12所述的磁性混合系统，其特征在于，所述处理器单独地或组合地检测流体的密度或粘度、功率、转矩或速度中的异常。14.根据权利要求1至权利要求13中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述处理器单独地或组合地检测堵塞、气体分散或流体中的一种或多种污染物。15.根据权利要求1至权利要求14中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述处理器为在反馈回路中向所述控制器提供指示的分析器。
16.根据权利要求15所述的磁性混合系统，其特征在于，所述分析器单独地或组合地将功率引导至驱动器来增大或减小搅拌，调整流体性质以及校正任何缺陷或异常。17.根据权利要求1至权利要求5或权利要求7至权利要求16中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述驱动器包括用于驱动生物反应器中的磁性叶轮的轴向磁通定子(110;111;120;160;605;705)，其包括：多个载流元件(164;764)，其用于产生沿轴向方向的磁通量；芯(121;170;175)，其用于附连所述载流元件，使得所述芯包括多个固定节段(123;163;176;763)，各个节段均具有高度和其中调制槽(122;165)处于其间的宽度，所述节段结合在具有中心中空轴线的板上。18.一种磁性混合系统，包括：包括流体的容器(601;701;1001)；驱动器(110;111;120;160;410;420;605;705;1005)，其包括产生磁场的一个或多个驱动磁体，其中所述驱动器驱动所述容器内的叶轮(1002)；操作所述驱动器的控制器(113;902)；一个或多个传感器(808;907,908,910)，其单独地或组合地与所述驱动器的至少一部分、与所述叶轮的至少一部分定位在一起，或定位在所述叶轮与所述驱动器之间的空间中，以检测所述磁场或磁通量；以及从所述传感器接收信息以计算提供至所述流体的功率、所述叶轮的转矩和速度中的一个或多个的处理器(912)；其中，所述处理器单独地或组合地将功率、转矩或速度与一种或多种流体性质一起使用来评估实时混合状态和混合性质。19.根据权利要求18所述的磁性混合系统，其特征在于，所述传感器单独地或组合地检测流体性质和所述磁场的对准。20.根据权利要求18至权利要求19中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述驱动器包括用于驱动生物反应器中的磁性叶轮的轴向磁通定子(110;111;120;160;605;705)，其包括：多个载流元件(164;764)，其用于产生沿轴向方向的磁通量；芯(121;170;175)，其用于附连所述载流元件，使得所述芯包括多个固定节段(123;163;176;763)，各个节段均具有高度和其中调制槽(122;165)处于其间的宽度，所述节段结合在具有中心中空轴线的板上。21.根据权利要求18至权利要求19中任一项所述的磁性混合系统，其特征在于，所述驱动器包括与电机组合的一组永磁体。22.一种控制流体混合装置中的状态的方法，所述方法包括以下步骤：提供所述流体混合装置，所述装置具有包括流体的容器(601;701;1001)、产生磁场的驱动器(110;111;120;160;410;420;605;705; 1005)、由所述驱动器驱动的叶轮(1002)、操作所述驱动器的控制器(113;902)、一个或多个传感器(808;907,908,910)以及处理器(912)；通过所述一个或多个传感器检测磁场、磁通量、提供给流体的功率、转矩、速度、电流或电压中的至少一者；如果之前未检测到，则计算所述叶轮的功率、转矩和速度；以及通过所述处理器，使用所述功率、转矩和速度来分析，以确定所述流体的一种或多种流
体性质、实时混合状态以及混合性质。23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述检测步骤包括检测所述叶轮的位置。24.根据权利要求22或权利要求23所述的方法，其特征在于，所述分析步骤包括检测所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：JP亚历山大，K格鲍尔，DA托雷，AS阿塔拉，S迪达里，RL达姆任，
申请(专利权)人：环球生命科技咨询美国有限责任公司，
类型：发明
国别省市：