對液體，特別是在生物工程中的液體，和尤其是對細胞培養物進行充氣和脫氣的方法和裝置的製作方法
2023-10-21 09:43:32
專利名稱：對液體，特別是在生物工程中的液體，和尤其是對細胞培養物進行充氣和脫氣的方法和裝置的製作方法
對液體，特別是在生物工程中的液體， 和尤其是對細胞培養物進行充氣和脫氣的方法和裝置
本發明涉及對液體，特別是在生物工程中的液體，和尤其是對細胞
培養物(Zellkulturen )進行無泡充氣的方法和裝置。
對液體進行充氣用於氣體的輸入和脫附。特別是在培養介質中提供 和繁殖細胞培養的情形下充分的氧氣供應和二氧化矽的去除是一個問題。
然而，細胞培養在製藥工業例如抗體和蛋白質的製造中佔據著越來 越重要的位置。特別是為製造更複雜的物質必須預先確定細胞培養物， 因為它們具有通過平移後的改性製造高度糖基化的蛋白質的能力。
細胞培養物對培養它們的反應器(和容器)有特殊要求。例如，需 要避免高剪切力，因為這會破壞無細胞壁的細胞的細胞膜。而例如在攪 拌器上或者當氣泡在液體表面破裂時會產生剪切力。還要避免形成泡 沫，因為細胞易於與泡沫一起漂浮。在泡沫層中不存在充分的培養條件。 防沫劑的採用也可能會導致細胞損壞或處理過程中的產量損失，或者導 致處理費用升高。
表面充氣是能考慮到上述某些要求的一類細胞培養物充氣方法。在 表面充氣過程中，氣體的吸附和解附發生在液體表面上，即反應器氣體 空間與液體之間的界面上。由於根據表面積-體積比，採用表面充氣可能
通常僅能對很小的液體體積充氣，所以往往採用浸沒充氣。這可以分為 有氣泡充氣和無氣泡充氣。然而，所有會產生氣泡的充氣類型都具有上 面所述的缺陷，如形成泡沫或氣泡在液體表面破裂。此外，還需要例如 通過攪拌器分配和/或分散所述氣泡。但是，這又會產生剪切力。通常， 藉助於會產生氣泡的充氣雖可以達到要求的氣體傳送速率，但它們會同 時導致細胞損壞。
無氣泡充氣通過氣體交換發生在浸沒的膜表面上而解決了該問題。 在這裡，充氣是利用封閉或開孔的膜來進行的。它們設置在例如由攪拌 器攪動的液體中。與多孔聚合物相比，矽樹脂作為管材料已經得到了承 認。其原因在於高透氣性、高熱穩定性和均勻分布在長達50m的管段長 度上的管性能，該性能甚至在滅菌之後仍能保持。大的管段長度可用於縮短費時的管固定片的製造。矽樹脂管在使用 一次之後通常就被丟棄。
上述膜充氣情形的缺陷是相對較低的傳質係數(H,J. Henzler, J. Kauling: "Oxygenation of cell cultures" Bioprocess Engineering 9 ( 1993 ) 第61-75頁)。為實現高傳質速度，必須在生物反應器中設置相應較多的 膜表面。然而，這在設計和操作(安裝、滅菌、清潔、產生不充分混合
區域等等)上非常昂貴。此外，功率輸入可能也會升高。由於傳質係數 是功率輸入的函數，這可能會導致提高傳質速度。但是，這種可能受到 了由於更高的功率輸入而產生的細胞剪切應力的限制。
這些限制條件導致了以下要求，即相應的膜充氣需要提供高傳質系 數連同低的功率輸入和/或同時的低剪切應力。另 一從屬條件是要繼續充 分進行反應器空間的充分混合。這一方面必須防止細胞沉降，另一方面 要使得液體能在足夠短的混合時間內被混合。
為此，例如EP0172478A1中已經記述一種方法和裝置，j旦其迄今為 止並未在實踐中獲得公認。其為巻繞在籃上的膜管，其中所述籃在生物 反應器內部執行不帶自身旋轉(！)的偏心運動。然而，為此必需一個偏 心裝置。該偏心的機械裝置必須提供在反應器內，即無菌區之內。 一方 面，這會導致該偏心裝置的滅菌問題，另一方面這是汙染無菌區的持久 危險源。此外，在無菌區內安裝一個需要維護的機械複雜裝置如偏心裝 置是沒有道理的。可以認為對該偏心裝置的需要以及與此相關的所述問 題妨礙了該專利的應用。
因此本發明的目的在於提供一種有效的、以非破壞和易清潔方式運 行的對細胞培養物進行無氣泡充氣的方法和裝置。
現意外發現，該目標能通過一種對液體，特別是在生物工程中使用 的液體，和尤其是對細胞培養物進行充氣的方法實現，其中包括在一或 多個浸沒的以任意方式形成的膜表面(管、圓筒、(*尚未公開的)等 等)上進行氣體交換，所述膜表面在所述液體中執行任意的旋轉振蕩運 動。
圖1中以示意圖顯示了這樣 一 種布置和運動的例子，其中膜表面在 這種情形下由以與轉動方向(3)橫切的方式垂直設置在轉軸(2)上的 膜管(1 )構成。
在旋轉振蕩運動過程中，膜表面首先在一個轉動方向上運動，該運 動可以具有任何期望的形態。例如，膜表面以一特定的角加速度加速到某一特定的角速度，然後膜表面在此角速度下運動某一特定的時間。接 著，膜表面被以固定的減速度制動至靜止。在一固定的靜止時間之後， 適當時，接著進4亍在另一個轉動方向上的運動。此運動可以以前述運動 的鏡像進行，也可以是其它形態的。
在這種情況下所述旋轉振蕩運動能提供以下優點 .容易通過適當地控制驅動馬達來實現。
.從設計和機械角度看，與更複雜的運動例如EP0172478A1中所公 開的運動相比沒有額外的要求。
.可以通過有目的地改變所述運動而使該運動最佳化，從而使膜表 面上的流動最優。由於傳質係數是流到膜表面上的流的函數，因此能使 膜表面在所有情況下都顯示儘可能高的相對於液體的速度的運動是最 佳的。然而，液體也會被膜表面加速。如果膜表面僅在一個方向上旋轉， 則在一定時間後將導致液體的順轉，因此將沒有/只還有少量的傳質。為 在膜表面與液體之間產生相對速度，擋流板將是必需的。相比之下，在 所述旋轉振蕩運動的情形下，能通過膜表面的周期性運動反轉阻止液體 的永久順轉。合理的運動看上去如下，例如膜表面以某種方式加速使 得相對於液體的速度儘可能高同時功率輸入低/剪切應力低。如果膜表面 的進一步加速不合理，例如由於這會達到過高的速度或液體將順轉到不 可取的程度，則膜表面被減速。此時，要規定該運動使得相對於液體的 速度仍儘可能高同時功率輸入低/剪切應力低。除了在減速時膜表面具有 液體的角速度的一段儘可能短的時間之外，其它情形下總存在高相對速 度。在隨後運動反轉和開始鏡像運動時，對應的事態將再次發生。這裡， 在運動反轉時甚至當膜表面處於靜止時，仍存在相對速度，因為液體的 減速比膜表面慢，仍在"緩緩而行"。圖2對這樣一種運動過程在呈星 型安裝的膜管的位置、它們的角速度以及用於產生此運動過程的轉矩方 面進行了說明。圖2中的上圖舉例顯示了上面纏有膜管的轉子的位置。 標記的時間段(約8-12秒)相應於一個旋轉振蕩運動過程。這裡，轉子 完成在所述一個旋轉方向上的180。運動並返回。相關的角速度顯示在圖 2的下圖中。此外，其還顯示了在驅動軸上測量的轉矩，其中已經減去 了空轉轉矩。空轉轉矩是指在相同但不含液體的容器中以相同運動過程 驅動轉子所需的轉矩。因此，所繪轉矩相當於作用在液體上的轉矩。它 可能與膜表面周圍的流有關係。在此例中，轉矩的走向大致呈盒形。因此，在一定時間段內轉矩具有近似相等的值，直到其隨後在極短的時間 內改變符號。這說明，除了轉矩符號改變的很短時期之外，膜表面周圍 的流動是形態均勻和良好的。
膜表面的所述旋轉振蕩運動的另 一優點在於以下事實，即消除了 在膜表面產生流動所需的單獨攪拌器或混合器。膜表面的提供和產生膜 表面上的流動的這種統一避免了局部大功率輸入和局部高剪切應力的 區域。在其它情況下會在例如攪拌器槳葉外端之後產生這些區域。此外， 在其它系統中，膜表面上發生的流動在時間和空間上不均勻，因為攪拌 機葉片會周期性地在一側掠過膜表面。相比之下，對於這裡所述的本發 明來說，功率輸入以空間上更均勻的方式發生並直接為膜表面上的流服 務。
所述方法和裝置按本發明的構造導致了在膜表面所有點處的有目 的的液體運動，並由此導致了由膜表面相對於液體的運動產生的高的確 定傳質。
因此，本發明的方法和本發明的裝置總的說來導致了比習用方法 和裝置更好的傳質與產生傳質所需的機械功率輸入之比。
取決於實際需要的對供氧的控制可以通過改變所述旋轉振蕩運動 來實現。所述運動的變化招致了膜表面周圍流動的改變，而這又接著招 致了傳質的變化。
取決於實際需要的對供氧的控制還可以通過改變流入膜表面內部 空間的氣體或氣體混合物或某種氣體組分的氣體濃度和/或壓力來進行 控制。對從膜表面內部空間向外的流動的可能控制與此類似。
當施加相應的壓力時，膜表面還可被用於在液體中產生微泡或氣 泡。這對於能承受氣泡充氣的堅固細胞系來說是有利的。傳質係數可由 此得以提高。
例如各種直徑和壁厚的非多孔性矽樹脂管都適合作為膜表面。所述
管優選地在外徑為~ 1.4 mm時內徑為~ 1 mm,到外徑為~3 mm時內徑 為~ 2 mm的範圍內。應選擇管徑和總管長這些參數以保證應用時的足夠 傳質。
傳質特別是由膜表面對反應器液體體積之比(體積比傳質表面 (volumenspezifische Stoffaustauschflache))決定的。在這裡,7寸於動 物細胞培養物來說，普通值為25 m"到45 m"。在本發明中，該體積比傳
7質表面的值達到O.l m"國150 m",優選地l m"-100 m"，特別優選地5
不過，傳質還由從管中的氣相到管周圍的液相的傳質係數，以及相 應的驅動濃度梯度決定。由此導致的膜內壓力的操作參數源自期望的穿 過膜的物質流，並有兩個上限。 一方面，矽樹脂管的材料填充量只容許 特定的膜內壓力，而另一方面在壓力較低時氣泡既可能已經在膜的外表 面上以不期望的程度形成。所述膜內壓力由適當設置以下參數產生穿 過膜的體積流量和/或膜管始點的壓力和膜管終點的壓力。產生的另 一操 作參數，即液相中的氣體濃度，源自操作條件和培養條件。
細胞培養工藝中慣常的藉助於緩衝C02平衡設置pH值通常可以通 過將所需的C02量混入進氣中來實現。
本發明的方法和本發明的裝置還有利地適用於微載體培養物的無 氣泡充氣。
本發明的方法和本發明的裝置還有利地適用於透析應用，例如用於 發酵的優化工藝控制。發酵期間產生的代謝產物和/或副產物可以通過透 析除去。某些代謝產物和/或副產物有時是不想要的，因為它們在特定濃 度範圍內具有毒性作用，或在特定濃度範圍內對發酵具有不利影響。這 可以例如通過抑制生長或產物形成來進行。此外，適當時，必須在下遊 處理中將代謝產物和/或副產物從實際產物中分離，這會造成工作和成本 的增多。透析提供了從培養空間中排出代謝產物和/或副產物的可能(R. P6rtner , H. M汪rkl: " Dialysis cultures ，， Applied Microbiology and Biotechnology 50 ( 1998)第403-414頁)。低分子量組分例如代謝物可 以通過透析膜擴散，而細胞和產物被保留在培養空間中。滲析液位於透 析膜的與培養空間相對的另一側。低分子量組分被藉助於滲析液的(連
續)交換而排出。此外，還有可能在滲析液中引入濃度比在培養空間中 更高的組分(例如基質)。因此組分能被有針對性地隨後計量加入培養 空間中。與上述透析應用有關的透析膜可以例如以模塊形式安裝在轉子 上。此安裝可以例如代替一或多個膜表面，或者附加於它們之上。 本發明的裝置特徵在於以下特徵
此裝置由可在容器如生物反應器內運動的以可旋轉方式安裝的轉 子構成。轉子的構造滿足其可以在所述生物反應器內部攜帶膜表面例如 管、圓筒、模塊等等。置為以旋轉振蕩的方式運動。所需驅動轉矩從驅動向反應器內部所述轉
子上的傳遞可以藉助於磁耦合進行，或者轉子軸藉助於旋轉式密封裝置
而被引導穿過生物反應器外殼並被直接偶聯到驅動上。從無菌的角度考
慮，磁耦合的使用是特別有利的，因為它將無菌和非無菌空間彼此清楚
地分離開且不需要旋轉式密封裝置。
作為用於產生旋轉振蕩運動的驅動，馬達提供的功率必須足以牙'J用 轉子儘管在轉子和液體的質量慣性矩影響下也以規定的運動過程進行
振蕩運動。因此轉子的質量慣性矩和液體對轉子的力作用兩者對於驅動 的設計都是決定性的。在足夠的馬達轉速下，傳動機構能夠提供所需轉 矩。例如，可以考慮偏心驅動作為驅動構造。偏心驅動將傳統驅動馬達 的均勻轉動轉化成驅動軸上的旋轉振蕩運動。此外，作為本發明的裝置 的驅動構造還可以考慮能自由編程的定位驅動，例如步進馬達。這種可 自由編程的驅動系統的優點在於膜的旋轉振蕩運動可以在很寬範圍內 適配於工藝要求，而偏心驅動的通常只具有有限可能性。
馬區動的參數如轉速、轉矩和傳動比(Getriebeuntersetzungen )可以 針對相應的應用自由選擇並取決於規^t。對於生物技術領域的應用，通 常選擇所述參數以產生0.01 W/n^到4000 W/n^液體體積的體積比功率 輸入，優選地約IOOO W/m3。
細胞培養物的體積比功率輸入通常為O.Ol-lOO W/m3。
此外，還應選擇所述參數以使對於細胞培養應用而言轉子與液體之 間的最大相對速度為l ms",更好為0.15ms人
為了吸收源自傳動機構與轉子之間的連接的應力，傳動機構通常借 助於能吸收輕微的軸偏移或輕微的軸失準的任意抗扭耦合如波紋管耦 合而與轉子連接。
用於裝配膜表面的裝置在其設計上可以有利的方式易於適配於細 胞培養物中的特定條件例如細胞聚結。這可以例如藉助於膜表面的類型 和布置來進行。
轉子具有具體應用所需數量的轉子臂，根據應用其可以為1 -64個， 優選地2-32個，特別做地4-16個轉子臂。選擇轉子臂數量的問題將在後 面詳細說明。轉子臂可以是直線狀的(例如圖l、 8、 9、 IO)或枝狀的， 在這裡優選直線狀或Y形的(例如圖ll),且優選地呈星形排列在支座上。除星形之外也可想到任何其它可取的排列。星形排列或枝狀星形排 列或彎曲星形排列(例如圖7)的優點在於膜表面在液體體積內相當均 勻的分布、膜表面上的良好流動和良好的充分混合。轉子臂被對稱或不 對稱地安裝在轉子軸上並被設置在反應器空間之內。膜表面，優選地膜 管，被例如通過巻繞、懸掛、卡鎖或在文獻中已知的其它方法，以規則 或不規則的間距固定在每個轉子臂上。
在該裝置的一種特殊設計中，兩個纏繞臂構成一個轉子臂。膜表面，
優選地膜管，以規則(參見圖13)或不規則間距(對應於圖13,不過並 非轉子臂的每個凹陷都覆有膜管)水平或垂直(對於垂直纏繞，例如圖
12中9、 IO上的纏繞臂)纏繞到這些纏繞臂上。
如果轉子現在旋轉，則膜管被反應器中的液體推動，並由此切向流
動。對於膜管上的流動而言，應注意在相同的角速度下的流動通常會根 據膜管的位置隨著離轉子軸的徑向距離的增大而改善。其原因在於同樣 增大的圓周速度。在良好入流時優選地以儘可能向外的方式設置儘可能 多的膜管。 一種符合此要求的可能方法在於增大軸周圍的轉子臂的數 目。但是，增大轉子臂數目對充分混合和膜上的流動都有負面作用(在 轉子臂間產生的混合間隔變少)。此外，增大的轉子臂數目還使得在繞 上和繞下所述管以及安裝和卸下時難以處理所述轉子。而且，在轉子臂 數目較大時，由於空間原因，轉子臂在軸上的固定越來越成問題。
用於供應和除去氣體的所述旋轉振蕩的膜表面優選地從不動的環 境，例如反應器蓋，通過轉動密封或柔性管提供。在細胞培養工藝中轉 動密封通常是不可取的，因為它們可能會導致清潔和滅菌時的困難。這 是本發明的裝置與其中膜表面以純轉動方式運動，即沒有運動方向的反 轉，的裝置相比的一個優點。沒有運動方向的反轉，隨著不斷旋轉所述 管將變得更加扭曲並最終脫落。由於所述往復運動，就旋轉振蕩膜表面 來說不發生柔性管的淨扭轉。當然，先決條件是所述往復運動以能使膜 表面在一段時間的運動之後位於運動起點的方式進行。
具有纏繞膜管的裝置的另一優點在於，膜表面，例如膜管，的張力 S可以變化(圖3)。通過流入膜表面內部空間的氣體或氣體混合物的壓 力、流出膜表面內部空間的氣體或氣體混合物的壓力、膜表面內部空間 的幾何形狀、流動阻力和形變等參數可以獲得最佳張力(對膜管的情形， 這些參數例如為膜管的入口壓力、出口壓力、內徑、數量和彎曲的幾何形狀，以及彎曲的形變)(H.N.Qi, C.T. Goudar ， J.D. Michaels, H.畫J.Henzler, G.N. Jovanovic, K.B. Konstantinov:"Experimental and Theoretical Analysis of Tubular Membrane Aeration for Mammalian Cell Bioreactors" Biotechnology Progress 19 (2003 )第1183-1189頁)。對於
膜管的情形，管張力的降低會導致管在運動過程中的偏轉擴大。更大的 管偏轉會增大環流，並由此增大傳質係數。根據應用的類型，選擇所述 張力以使膜管一方面被長期穩定地固定，但另一方面優選地能夠在所述 流中移動和能夠被偏轉幾毫米。對於由負載膜表面的定子和保證液體運 動的轉子構成的傳統的膜充氣系統來說，不能或者僅能勉強利用此優 點，因為當膜管的張力過低時，存在它們接觸到轉子和被破壞的危險。 這種破壞在本發明的裝置中不會發生，因為在反應器中只有單個運動部 件，其同時自己負載著膜表面。
在所述裝置的具體實施方案中，管張力可以由於用於裝納纏繞臂的 裝置之間的垂直距離被擴大而發生改變(對比圖12)。對膜管張力的精 密調整可以例如藉助於張力調整裝置(8)中的螺杆的旋轉來實現。
管張力的降低導致了在纏繞臂上固定膜管的問題。如果管張力較 低，作用在膜管上的大的力作用可能會導致膜管從纏繞臂上滑落。為對 付此問題，例如可以在纏繞臂的表面提供外螺紋。或者，例如可以在纏 繞臂上外側提供網(Steg),以防止管從臂外滑落。在這裡要確保所述 纏繞的膜管不被螺紋上任何可能存在的毛口破壞。此外，星形支座的纏 繞臂上的外螺紋也為改變管的纏繞提供了可能。例如，在纏繞管時將可 以只使用每隔一個或每隔兩個的螺紋凹坑。由此將可以在各個膜管之間 設定規定的間距。
從上述專利EP0172478A1已可明顯看出在所述系統的情形下充分混 合不可能沒有問題。對於充分混合，由於所述振蕩轉子運動，本發明中 的運動引導更加有利。促進軸向充分混合的一種可能是調整膜表面(圖 4)。
由此，特別是可以改進與運動膜的旋轉軸平行方向上的液體交換。 例如，膜管的定位角可藉助於裝置的任何期望的徑向旋轉來改變(例如 圖12中的9或10)。在設計方面，裝置(9、 10)應優選地能夠彼此獨立 地和相對於彼此可變地旋轉。
在所述裝置的另一種構造中，在轉子軸上安裝了矯直元件(對照圖
ii5、 6以及12中的(4))。這些矯直元件構造為纏繞臂，或者由兩個棒 構成。它們被設置在反應器空間之間從而相應地在一側支撐所述管，或 給管造型(ausformen)。
另 一種改進充分混合的可能是由矯直元件提供的，因為由流動阻力 引起的膜表面的偏轉在一個轉動方向上被限制(例如藉助於圖5中的矯 直元件(4))。因此，膜表面在一個轉動方向上的偏轉比在相反方向 上強，這將導致在此方向上較弱的液體輸送。液體在旋轉振蕩的轉子的 兩個運動方向上的不等輸送導致了在一個方向上的淨輸送並由此導致 了液體的更好充分混合。
膜表面的偏轉因其而在一個轉動方向上被限制的所述矯直元件可 以均勻或非均勻地分配在膜管長度上。這些元件被設置在反應器中以實 現預期的效果(參見"實施例'，部分描述的實驗設備，和給出的測量結 果)。當這些裝置例如僅位於反應器下部三分之一時，則不同水平高度 下的流動阻力不同。對於本發明的裝置的振蕩旋轉運動，這導致了在平 行於旋轉軸方向上的額外的液體充分混合。
除了在一側支撐膜管以防偏轉(同樣對照圖5)的可能性之外，還 有另一種促進充分混合的可能性在於對膜管造型(例如在一側具有凸 出，還對照圖6)。所述造型產生了所述兩個運動方向的流型的不對稱。 例如，在設計方面，通過使用圖12中的矯直元件(4)實現了所述支撐 或造型。膜表面的偏轉因其而在一個轉動方向上被限制的所述矯直元件 (4)可以均勻或非均勻地分配在膜管長度上。此裝置優選地採取能使
以通過鬆開或拴緊兩個平頭螺絲而被:意放置和固定^軸上。 P
在本發明的進一步改進中，傳質和充分混合可通過在反應器內部裝 配固定擋流板來進一步提高。這些擋流板能擾亂由於膜表面的旋轉振蕩 運動所形成的流動。
在所述裝置的一種具體構造中，充分混合是通過振蕩旋轉的膜裝置 不具有旋轉對稱性而改善的。因此，例如，對於圖l中其上纏有膜表面 的轉子臂呈星形排列的情形，可以省去一個或多個所述臂，從而產生缺 口。反應器中液體的充分混合自然會被此旋轉對稱性的破壞改善。這種 不對稱排列的另 一優點是可能在產生的缺口中容納傳感器、浸管等而不 會因此妨礙充氣裝置的運動。當然，這只在膜的振動幅度足夠小以致在
12所述浸沒的裝置(傳感器、浸管等)與所述膜之間未出現接觸時才適用。 為了進一步改善充分混合，特別是保證顆粒(微載體、細胞或細胞 團)被可靠地懸浮，除了膜表面之外還可以在所述振蕩轉動設備的膜表 面上提供導流元件和充分混合元件，例如攪拌機葉片、槳葉或其它元件， 特別是在反應器底部附近，以防這些顆粒沉降(參見圖6中的攪拌器 (5"。
改善充分混合的另一種可能在於以在一個轉動方向上繞轉子軸彎 曲的形式設計轉子臂(圖7)。由此在兩個旋轉方向上的旋轉過程中都 能促進徑向充分混合。
還可以通過將轉子臂在一個旋轉方向上繞轉子軸切向安裝在一個
裝置上來進一步改善充分混合(參見圖8中的(6))。在這裡，同樣，
在兩個旋轉方向上的旋轉過程中都能促進徑向充分混合。此外，由於轉 子臂的所述切向布置在此自動產生了 一個沒有膜表面的圓柱狀區域，從 而改善了旋轉軸區域中的充分混合。
另一種改善充分混合的可能在於將轉子軸偏心地裝配在容器中(圖
9)。原因在於流動不對稱性與無膜表面的區域的結合。
與其獨立地，可以通過將所述具有兩個旋轉方向的轉子軸雖然裝配 在容器中心，但隨後通過使轉子軸具有偏心裝置來改善充分混合(對照 圖10中的(7))。其原因在於流動不對稱性與在轉子運動過程中不斷 改變的無膜表面的可變區域的結合。
與用於對液體進行膜充氣的傳統裝置不同，使用本發明的裝置，可 以將每體積的膜表面儘可能均勻地分配在反應器中(圖ll)。這將產生 氣體在空間上的均勻吸附和解附，這正是細胞培養工藝中特別期望的。
優選地是所述設計能實現單獨零件的可變和簡易裝配。由此，優選 地可以單獨地除去轉子臂。這使得可能在安裝於轉子上之前將膜管纏繞 到轉子臂對上去。所述轉子臂對由此也可以單獨從轉子上卸下來。為實 現在獨立的臂對上分別纏繞膜管，可以建立纏繞輔助措施。
裝配在反應器中的浸管(例如用於提供介質或鹼/酸，或用於收穫或 用於採樣)縮小了可用於轉子的反應器體積。這可能伴隨著，例如，反 應器內容納的膜表面的減少。抵消此缺陷的一種可能是將浸管、探頭或 其它反應器內部零件整合在轉子中。由此這些零件會一起運動，而這通 常是不利的。相反，由此可以獲得輸入物質的更好分配或較為代表性的液體提取，例如收穫，或較為代表性的測量。
轉子的重量優選地較低，從而使轉子的慣性動量保持儘可能小。所 提供的驅動功率可通過低慣性動量減少。從而，本發明的裝置由此優選 地儘可能輕並同時有足夠的穩定性。
所述用於對液體、特別是生物工程中的液體和尤其是對細胞培養物 進行無泡充氣的方法和/或裝置優選地在各自地最佳溫度下進行。在微生 物或細胞培養物的情形下這通常為最佳培養溫度。
附圖
圖l是用於通過容器內的膜表面對液體進行充氣和脫氣的旋轉振蕩 運動的示意圖。在這裡，所述膜表面由纏繞在轉子上的膜管(l)構成。
所述膜表面繞轉子軸(2)在兩個旋轉方向(3)上旋轉。
圖2顯示了用於通過膜表面對液體進行充氣和脫氣的旋轉振蕩運動 的位置、角速度和轉矩。在這裡，所述膜表面由纏繞在轉子上的膜管構 成。
圖3是特徵在於可以改變膜表面(例如膜管)的張力CT的裝置的示意
圖。在這裡，所述膜表面由纏繞在轉子上的膜管構成。
圖4是特徵在於可以改變膜表面的定位角的裝置的示意圖。在這裡， 所述膜表面由纏繞在轉子上的膜管(1)構成。
圖5是特徵在於可以藉助於矯直元件(4)在一個轉動方向上限制由 流動阻力引起的膜表面偏轉的裝置的示意圖。在這裡，所述膜表面由纏 繞在轉子上的膜管(1 )構成。
圖6是特徵在於可以藉助於矯直元件(4)相應地使膜表面成型以便 更好地充分混合和/或可以還裝配用於導流和充分混合的攪拌機葉片/槳 葉(5)或其它裝置的示意圖。在這裡，所述膜表面由纏繞在轉子上的 膜管(1 )構成。
圖7是特徵在於可以通過以在其中一個旋轉方向(3)上彎曲的形式 設計繞轉子軸(2)的轉子臂來改善充分混合的裝置的示意圖。在這裡， 所述膜表面由纏繞在轉子上的膜管(1)構成。
圖8是特徵在於可以通過在其中一個旋轉方向(3)上繞轉子軸(2) 成切向將轉子臂安裝在裝置(6)上來改善充分混合的裝置的示意圖。 在這裡，所述膜表面由纏繞在轉子上的膜管(1)構成。圖9是特徵在於可以通過將具有兩個旋轉方向(3)的轉子軸(2) 偏心地裝配在容器中來改善充分混合的裝置的示意圖。在這裡，所述膜 表面由纏繞在轉子上的膜管(1)構成。
圖10是特徵在於可以通過使具有兩個旋轉方向(3)的轉子軸(2) 裝配在容器中心但具有偏心裝置(7)來改善充分混合的裝置的示意圖。 在這裡，所述膜表面由纏繞在轉子上的膜管(1)構成。
圖ll是特徵在於可以繞具有兩個旋轉方向(3)的轉子軸(2)盡可 能均勻地分配每體積膜表面的裝置的示意圖。在這裡，所述膜表面由纏 繞在轉子上的膜管(1)構成。
圖12是本發明的不具有纏繞的膜管的現有實施方式的示意圖和照片。
圖13是在轉子臂上纏繞膜管的例子的照片。
圖14顯示了具有膜管的方法和裝置與位於傳統的管定子上的膜管 相比，傳質係數k隨體積比功率輸入P/V的變化。
圖15顯示了對不同幅度ymax的體積比功率輸入P/V隨等效轉速f的變化。
圖16顯示了對不同幅度ymax的體積比和運動比 (bewegungsspezifisch)功率輸入PB/V隨等效轉速f的變化。
圖17顯示了對不同幅度ymax的運動比牛頓數NeB隨雷諾數Re的變化。 圖18顯示了 Y形轉子臂在不同幅度ymax下的傳質係數k隨體積比功率 輸入P/V的變化。
附圖標記清單
1- 膜管
2- 轉子軸
3- 旋轉方向
4 -矯直元件，由其可以限制膜管在 一 個旋轉方向上的偏轉
5- 攪拌器
6- 用於切向設置轉子臂的裝置
7- 轉軸中的偏心裝置
8- 用於設定膜管張力的張力裝置
9， 10-用於將其上纏繞有膜管的纏繞臂呈星形裝納的上下裝置C7-管張力
實施例
下面詳細給出了本發明的一種具體實施方案及其設計方案，但本發 明並不限於此。
圖12顯示了不帶纏繞膜管的轉子的示意設計和照片。其中顯示了基 本的設計部件。
為保證切向流動到膜管上，膜管與流向呈橫向安裝。這是通過分別 在反應器的底部之上和反應器內的液面之下設置一個星形裝置來實現 的。膜管被纏繞在圖12所示的裝置9和10的各自8個轉子臂上。
圖13為此顯示了膜管在轉子臂上的一種可能纏繞的例子的照片。在 這種情況下，膜管無間隔地纏繞在所述纏繞臂上。在此實施例中，每個 臂上纏繞了25m長和12.5m長的管段。在此纏繞中，在轉動臂上新的管 段開始的地方都必須有 一 個缺口 。
如果現在旋轉轉子，則膜管被反應器中的液體推動，並由此被切向 入射。對於膜管的入射流，應注意在相同的角速度下，入射流通常會根 據膜管的位置隨不斷增大的離轉子軸的徑向距離而改善。其原因在於同 樣地增大的圓周速度。因此，在良好入流的情況下必須儘可能向外地安 裝儘可能多的膜管。 一種滿足此要求的可能方法在於提高軸周圍的轉子 臂數目。但是，提高轉子臂數目對充分混合和膜的入射流都有負面作用 (在轉子臂間產生的混合間隔變少)。此外，增大的轉子臂數目還會損 害在繞上和繞下管時以及在安裝和卸下時的轉子操作性。同樣，在轉子 臂數目較大時，由於空間原因，轉子臂在軸上的固定越來越成問題。考 慮到上述問題，八個臂的數目似乎是 一 個合理的折中。
圖12的系統優選地在設置膜管張力方面具有自由度。為了能夠影響 傳質效率，管張力應當是可變的。自由振蕩並從而能更好地環流的管應 能保證更好的傳質。可通過增大用於裝納轉子臂的裝置之間的垂直間隔 來改變管張力。在通過旋轉固定塊(Spannblock)中的螺杆將夾緊螺拴 松至處於所述固定塊內之後可以實現管張力的精密調整。
如上面已經提到，管張力是一個可變量。降低管張力會導致在臂上 固定膜管時出現問題。如果管張力較低，則在膜管上的大的力作用可能 會導致膜管從臂上滑落。為對付此問題，在所述臂的表面提供了外螺紋。 在這裡要確保所述纏繞的膜管不被螺紋上任何可能存在的毛口破壞。此外，纏繞臂上的外螺紋也為改變管的纏繞提供了可能。例如，在纏繞管 時將可以只使用每隔一個的或每隔兩個的螺紋凹坑。因此將可以在各個 膜管之間設定規定的間距。
在上述專利EP0172478A1中已經表明，對於所述系統充分混合不可 能沒有問題。對於充分混合，基於所述振蕩轉子運動，本發明中的運動 引導更加有利。促進軸向充分混合的一種可能是設定膜表面。膜管的定 位角可通過任意地徑向旋轉圖12中的至少一個裝置9和10來改變(還對 照圖4)。從設計的角度，必須能夠彼此獨立地和相對於彼此可變地旋 轉所述兩個裝置。
另一種促進充分混合的可能在於在一側支撐膜管(1 )以防偏轉(還 對照圖5)或對膜管(1)造型(例如在一側為凸出形式，還對照圖6)。 所述造型產生了所述兩個運動方向的流型的不對稱。在設計方面，通過 使用圖12中的裝置(4)可以提供所述支撐和/或造型。這些裝置的設計 形式應使它們在安裝時在高度和對準兩方面都可變。它們可以通過鬆開 或拴緊兩個平頭螺絲而被隨意地放置和固定在軸上。
圖12所示的各個部件的設計意在簡化可操作性。由此，轉子臂將可 單獨地除去。這使得可能在安裝於轉子上之前將膜管纏繞到轉子臂對上 去。所述轉子臂對由此也可以分別從轉子上卸下來。為實現在獨立的臂 對上分別纏繞膜管，設計了纏繞輔助措施。
轉子的重量應當儘可能低，以使轉子的慣性動量保持儘可能小。通 過小的慣性動量，為驅動提供的功率可得以降低。從而，從設計的角度， 本發明被構造的儘可能輕並同時具有足夠的穩定性。
本發明的特殊實施方案用於對液體容積為IOOL的細胞培養生物反 應器進行充氣，其中反應器內徑為400 mm,高度對直徑之比為2:1。中 央轉軸的直徑為16mm,轉子的外徑為360 mm。纏繞臂設計成直徑為14 mm。在纏繞臂上削出螺距為3mm的相應螺紋，以防內徑為2mm外徑為 3 mm的膜管滑動。
在本發明的所述實施方案中， 一個最大轉速為2500 min",最高轉 矩為6Nm且傳動比為l:12的步進馬達^:用作轉子驅動。傳動機構通過波
下面對本發明的特殊實施方案的選擇的測量結果進行簡要說明和 討論。為此，在30 m"的體積比物質交換區域情況下測量了具有上述裝置的方法的傳質係數k (對於氧氣)和體積比功率輸入。作為參照，對
位於傳統的管定子上的相同膜管進行了同樣測量(對比，24 n^的體積 比物質交換區域)。圖14顯示了傳質係數k隨體積比功率輸入P/V的變化。 通過比較清楚顯示了由於所述方法和裝置造成的傳質係數k的增長。由 此，在10 W/n^的功率輸入下傳質係數高大約30。/c)。如果使用內徑lmm、 外徑1.4mm且管段長約1200 mm的膜管則在此功率輸入下有可能獲得傳 遞係數的大約70%的增長(結果未顯示)。
通過本發明的方法和裝置之所以可能實現體積比傳質係數ka的提 高是因為有更多的體積比物質交換區域可用。如果通過與所述測量序列
"具有膜管的方法與裝置"(參見圖14)相比研究Y形臂(參見圖ll) 的體積比傳質係數ka隨體積比功率輸入的變化，則體積比傳質係數ka要 高57%，產生大約127%的另外使用的體積比物質交換區域(結果未顯 示)。對於內徑lmm、外徑1.4mm且管段長約1200 mm的膜管，傳質系 數ka可被提高224Q/。，產生大約146%的另外使用的體積比物質交換區域
(結果未顯示)。
以下扼要介紹對轉子運動的研究。此時改變的參數為振動的幅度和 加速度。迄今為止所提供的測量序列都是在180。的幅度(180。往返，對 照圖2)下記錄的。為了明確此最初給定的定義是否也代表最適合所述 系統的變體，對幅度ymax為20° 、 90。和270。的功率輸入和傳質進行了研究， 以便能與前面的結果相比較。所有測量都是用Y形轉子臂進行的。
測量了在偏離180°的幅度下0-200 W/m3的體積比功率範圍內的等效 轉速。此測量的結果顯示在圖15中。
為了更有效地比較上述結果，需要考慮以下事項
一個運動的等效轉速f在180°的幅度時是由時間T定義的。它是系統 為走完一個運動循環所需的時間。
丄
等效轉速f總是涉及振蕩系統走完360。所需的時間。對於前面使用的 幅度ymax為180°的振動，這很容易，因為系統在一個往(+180。)返(-180° ) 運動中自動走完360。。該時間(或一個運動循環的時間)自動等於走完 360。的時間。
18現在如果使用180。之外的幅度，這就不再適用了！運動循環的時間 T要換算成360。的運動必須通過係數z,所述係數z表示走完360。所需的循環數。formula see original document page 19 ,其中 2.1^,1
這同樣適用於各個幅度下的功率輸入，其因此被定義為運動比功率
輸入PlB。
圖16顯示了在不同幅度下體積比和運動比功率輸入PB/V隨等效轉
速f變化的測量結果。可以看出，所有運動都表現出類似的功率輸入特徵。 體積和運動比功率輸入隨相應的等效轉速而增大。由此可以推出所給定
義是正確的。如果所得測量結果涉及360。的運動，則可知系統的功率輸 入取決於幅度值。
為了能夠進行系統的按比例擴大和按比例縮小，必須能夠以無量綱 的方式描述系統。每個攪動系統的特徵都在於無量綱的牛頓數或功率 數。牛頓數是攪拌器類型和發生的流動的函數。如果牛頓數被看做雷諾 數的函數，則可以得出攪動系統的功率特性。在紊流區域會建立恆定的、 特徵性的牛頓數。此時應檢查對振蕩系統這樣進行表示和特徵描述是否 可能。計算根據以下公式進行。
p
NeB=>~
B P.f3.D5
圖17顯示了運動比牛頓數隨不斷增大的雷諾數的變化。顯然系統可 以以無量綱的方式獨立於幅度來描述。
在對起攪動系統作用的所述方法和裝置進行表徵之後，為表徵起充氣系統作用而進行了實驗。對選擇的三個幅度20。、 90。和270。進行了傳 質測量，並對照180。振動的結果比較考慮。測量結果顯示在圖18中。顯 然所有測量結果都排列在180。振動的值周圍+/-10%的區域內。在這裡， 最好的結果是由幅度為20。的測量序列獲得的。幅度為270。的測量序列顯 示出稍微不同於其它序列的路線。在此表現出傳質對功率輸入的較弱依 賴性。
權利要求
1. 對液體，特別是生物工程中的液體，和尤其是細胞培養物進行充氣的方法，具有在一或多個浸沒的膜表面如管、圓筒或模塊上進行的氣體交換，特徵在於所述膜表面在所述液體中執行任意的旋轉振蕩運動。
2. 權利要求1的方法，特徵在於通過改變所述運動如改變幅度、 等效轉速、膜表面的加速度、膜表面的減速度、運動的中斷或間斷而控 制充氣速度、功率輸入、混合時間和/或剪切應力，其中運動過程不限於 循環模式。
3. 權利要求1或2的方法，特徵在於通過改變流入膜表面內部空 間的氣體或氣體混合物或某種氣體組分的氣體濃度和/或壓力來控制充 氣速度。
4. 權利要求1或2的方法，特徵在於通過改變流出膜表面內部空 間的氣體或氣體混合物或某種氣體組分的氣體濃度和/或壓力來控制充 氣速度。
5. 權利要求l-4之一的方法，特徵在於通過安裝固定的擋流板來 提高傳質。所述擋流板擾亂由於膜表面的旋轉振蕩運動所形成的流動。
6. 權利要求1-5之一的方法，特徵在於膜表面的提供是藉助於柔 性管或用於輸入和輸出氣體的旋轉密封實現的。
7. 權利要求l-6之一的方法，特徵在於膜表面被用於在液體中產 生微泡或氣泡。
8. 權利要求l-7之一的方法，特徵在於轉子臂以在其中一個旋轉 方向上彎曲的方式繞轉子軸旋轉。
9. 用於按照權利要求l-8之一所述對液體進行脫氣的裝置，其具 有通過一或多個任意形成的、浸沒的膜表面進行的氣體交換，所述膜表 面柔性地裝配在待充氣和/或脫氣的介質中並可被以旋轉振蕩的方式移 動。
10. 權利要求9的裝置，特徵在於可以改變膜表面例如膜管的張 力。對於膜管的情形，膜張力的縮小會導致管在運動過程中偏轉變大。
11. 權利要求9或10的裝置，特徵在於可以改變膜表面的定位角。
12. 權利要求9-11之一的裝置，特徵在於可以在一個旋轉方向上 限制由流動阻力導致的膜表面的偏轉。
13. 權利要求9-12之一的裝置，特徵在於只對一部分膜限制所述由流動阻力導致的膜表面的偏轉。
14. 權利要求9-13之一的裝置，特徵在於所述振蕩旋轉的膜裝置 可以設計為不具有旋轉對稱性。
15. 權利要求9-14之一的裝置，特徵在於為了更好地充分混合可 以對所述膜表面進行相應造型和/或安裝攪拌器葉片/槳葉或其它用於流 動導向和充分混合的裝置。
16. 權利要求8-15之一的裝置，特徵在於可以將每體積的膜表面 分配得儘可能均勻。
17. 權利要求8-16之一的裝置，特徵在於轉子臂在其中一個旋轉 方向上呈切向裝配在轉子軸周圍。
18. 權利要求8-17之一的裝置，特徵在於所述具有兩個旋轉方向的轉子軸偏心地安裝在容器中。
19. 權利要求8-18之一的裝置，特徵在於所述具有兩個旋轉方向 的轉子軸安裝在容器中心，但具有偏心裝置。
全文摘要
本發明涉及一種向液體，特別是生物工程中的液體，和尤其是向細胞培養物中無氣泡地充氣的方法的裝置，具有通過一或多個浸沒的任何類型的膜區域(管、圓筒等等)進行的氣體交換，其中所述膜區域在所述液體中形成任意的旋轉和振蕩運動，解決了要解決的問題。圖1顯示了這樣一種布置和運動的例子的示意圖，其中膜區域由垂直設置在轉軸(2)上並垂直於旋轉方向(3)的膜管(1)構成。在旋轉振蕩運動時，所述膜區域首先在一個旋轉方向上運動，其中該運動可以是任意方式的。例如膜區域以一特定的角加速度加速到某一特定的角速度，然後膜表面在此角速度下運動某一特定的時間。接著，膜區域被以固定的減速度制動直至靜止。接著，適當時在一固定的靜止時間之後，膜區域在另一個旋轉方向上運動。此運動可以以前述運動的鏡像進行，也可以是其它形態的。
文檔編號C12M1/06GK101432062SQ200780014767
公開日2009年5月13日 申請日期2007年2月12日 優先權日2006年2月24日
發明者B·弗拉姆, H·布羅德, J·考林, R·羅斯 申請人:拜爾技術服務有限責任公司