(57)【要約】【課題】曝気装置、それを組み込んだ容器又はベッセルを提供する。【解決手段】曝気装置は、異なるサイズの気泡を生成し、かつ、容器の内容物に気泡を供給することができる複数の交換可能な曝気要素を備える。また、任意に１個以上の入口と、１個以上の出口と、複数の曝気要素を含む曝気装置と、容器に含まれる又は添加される１種以上の成分を混合、分散、均質化及び／又は循環させるための混合装置とを有する使い捨て又は単回使用容器などの容器も開示する。当該容器はバイオリアクターであり、曝気装置はバイオリアクター内容物の溶存気体濃度を制御し、それによりバイリアクター内の細胞培養物の適切な増殖を促進させる。【選択図】図１
2018061959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を曝気するためのシステムであって、
内部容量部を有する容器と、
前記内部容量部内に少なくとも部分的にあるインペラアセンブリと、
前記インペラアセンブリのための駆動装置と、 
前記容器内の流体中の溶存気体濃度を感知するセンサと、
前記流体中の溶存気体濃度を示す前記センサからの信号を受信する制御装置と、
前記内部容量部内にあり、かつ、複数の交換可能な曝気要素を有する曝気装置であって、各曝気要素が他の曝気要素とは異なる孔径を有する曝気装置と
を備え、
前記曝気装置は、前記曝気装置が気体源と流体連通する際、異なるサイズの気泡を生成するように前記容器の内部容量部内に配置され、
前記制御装置は、感知された溶存気体濃度に応じて、前記気体源から前記各曝気要素への気体の流れを個別に制御する
システム。
【請求項２】
前記複数の交換可能な曝気要素は第１の曝気要素を含み、前記第１の曝気要素はスパンボンドオレフィン系材料を含む第１の気体透過性材料を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記複数の交換可能な曝気要素は第１の曝気要素を含み、前記第１の曝気要素は膜を含む第１の気体透過性材料を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記インペラアセンブリが磁気的に駆動される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
容器への気体供給を制御する方法であって、次の工程：
前記容器に前記曝気装置を設け、ここで、前記装置は前記複数の曝気要素を有し、各曝気要素は、前記気体透過性材料と、気体源に接続するように構成された前記入口とを備え、前記入口は前記気体透過性材料と流体連通しており；及び
前記気体源から前記複数の曝気要素の全てより少ない数の曝気要素に気体を供給すること
を含む方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法であって、前記容器は流体を含み、前記方法はさらに次に工程：
前記容器内の流体中の溶存気体濃度を感知するセンサを設けること；
前記流体中の溶存気体濃度を示す前記センサからの信号を受信する制御装置を設けること；
前記制御装置を用いて、感知された溶存気体濃度に応じて、前記気体源から前記複数の曝気要素のそれぞれへの気体の流れを個別に制御すること
を含む方法。
【請求項７】
バイオ医薬流体を含む容器内において気液相からの物質移動を調節する方法であって、次の工程：
バイオリアクター内に前記複数の曝気要素を設け、ここで、前記複数の曝気要素のそれぞれは個別に気体源と液体連通しており、前記複数の曝気要素は全体で最大物質移動値を画定し；
前記容器内における溶存気体濃度を感知し；及び
前記感知された濃度に応じて、前記複数の曝気要素の１個以上への気体流れを個別に調節することにより前記最大物質移動値を減少させること
を含む方法。
【請求項８】
さらに、インペラアセンブリを用いて前記容器内の前記バイオ医薬流体を混合することを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記最大物質移動値は、前記感知された濃度に応じて、前記気体源から前記複数の曝気要素の全てより少ない数の曝気要素に気体を供給することにより減少される、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１３年１０月３０日に出願された米国仮出願第６１／８９７，２４６の優先権を主張し、その開示を参照によりここで援用する。
【０００２】
分野
ここで開示する実施形態は、バイオリアクター、特に単回使用撹拌タンクバイオリアクターなどの容器又はベッセルにおいて使用できるモジュール式曝気装置に関し、またモジュール式曝気装置及び混合アセンブリ、それらを含む容器及びベッセルに関する。
【背景技術】
【０００３】
背景
従来、生体材料などの流体は、ステンレス鋼製の容器又はベッセルを利用するシステムで処理されてきた。これらの容器は、再利用できるように使用後に滅菌される。滅菌手順は、高価で面倒なだけでなく、時間も無駄である。
【０００４】
製造におけるより大きな柔軟性を提供し、設備の有効な再生をもたらすのに必要な時間を削減するために、製造業者は、製品バッチで一度使用し、その後処分されるバッグなどの使い捨て滅菌容器を利用し始めている。これら使い捨て又は単回使用バッグの使用例は、少なくとも一方が液体で、他方が液体又は固体である２種以上の成分を混合するためのシステムにおいてであり、このバッグは内容物をできるだけ均一に混合させるための混合部材などを有する。
【０００５】
そのような使い捨て容器の例は、内部において細胞が懸濁液の状態又はマイクロキャリア上にあるバイオリアクター又は発酵槽バッグであり、そしてその容器は、液体、気体及び場合によっては細胞を容器内部の周囲に循環させる循環部材を有している。多くの従来の混合バッグは、使い捨てバッグを取り替えるタンクの形と似るように、バッグの底部が円錐形となった円筒形にされている。このような形状は、バッグの内容物を混合するのに役に立つ。
【０００６】
従来、バッグは、バッグ内に収容される磁気結合インペラ及び遠隔にてインペラを回転させるバッグの外側にある磁気モーターなど、内容物を混合又は循環させる混合装置を備える。
【０００７】
容器はまた、細胞培養流体といったバイオ医薬流体などの容器内容物に気泡を導入させて空気、酸素、二酸化炭素などの気体を交換する曝気装置又はガススパージャーを備えることができる。制御された気体量をサンプルに供給することができる。曝気装置の重要な側面は、曝気装置が生成する気泡のサイズである。バイオリアクター用途では、例えば、気体−液体相又はその逆からの物質移動がその処理のために十分なものとなるよう気泡サイズを管理することと、かなりの剪断又は発泡などの負の培養効果を生じさせることとの間には均衡がある。一般的に、気泡は小さいほど、気泡から流体への気体移動はより効率的である。というのも、多数の小さな気泡をシステムへの所与の気体流量で生成することにより表面積の増大が生じるからである。しかしながら、気泡が小さいほど、より大きな気泡と比較して細胞に対する起こり得る損傷が大きくなり、流体表面上の泡沫の全体的な蓄積も大きくなる傾向にある。
【０００８】
培養中の細胞などベッセルの内容物に対してほぼ均質な環境を創り出し保持することも、バイオリアクターの操作において非常に重要なことである。混合（ｐＨ、栄養素、及び溶存気体）、剪断、温度などに関して区画及び／又は勾配を設けることは望ましくない。細胞培養プロセスには可能な限り高い物質移動能力が必要な場合もあれば、感受性細胞が傷つかない状態に保持する程度に十分な大きい特定の気泡サイズが必要な場合もある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、例えば、バイオリアクターでの最適な細胞培養成長性能に役立つ多目的曝気装置を有する流体用の使い捨て又は単回使用容器又はベッセルといった容器又はベッセルを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
概要
ここで開示する実施形態は、ガススパージャー又は曝気装置、及びそれらを組み込んだ容器又はベッセルに関する。所定の実施形態によれば、曝気装置は異なるサイズの気泡を生成し、それらを容器の内容物（例えばバイオ医薬流体）に供給することができる複数の曝気要素を備える。特定の実施形態において、曝気要素は交換可能である。特定の実施形態において、各曝気要素は、既知のサイズの気泡を生成する予め選択された気体透過性材料を有する。特定の実施形態によれば、使い捨て又は単回使用容器といったここで開示する容器は、任意に１個以上の入口と、１個以上の出口と、容器に含まれる又は添加される１種以上の成分を混合、分散、均質化及び／又は循環させるための容器に関連した任意の流体撹拌機又は混合装置を有する。特定の実施形態において、撹拌機は曝気要素が生成する気泡を流体に分配することを助ける。特定の実施形態によれば、容器は前述の曝気装置を単体又は混合装置と組み合わせて備える。
【００１１】
特定の実施形態によれば、ここで開示する曝気装置は、バイオリアクター内において、バイオリアクター内容物の溶存気体濃度（例えば、空気、酸素、ＣＯ2など）を制御し、それによりバイオリアクターでの最適な細胞培養の成長を促進するように使用され、又は発酵槽内においてその中の流体の酸素含有量を制御するように使用できる。
【００１２】
また、内部容量部を有する容器又はベッセル内で流体を曝気するためのシステムが開示され、当該システムは容器と、インペラアセンブリと、インペラアセンブリのための駆動装置と、複数の交換可能かつ着脱可能な曝気要素を有する曝気装置とを備え、該曝気装置は内部容量部内に配置され、異なるサイズの気泡を生成する。
【００１３】
また、容器又はベッセル内において、該容器内に配置されるインペラアセンブリ及び曝気装置により流体を曝気する方法も開示される。特定の実施形態において、当該方法は、それぞれが既知の孔径、孔径分布及び／又は全孔隙率の所定の気体透過性材料を有する複数の曝気要素を予め選択し、選択された各曝気要素をベース部材に装着して曝気装置を組み立てることを含む。特定の実施形態によれば、当該方法は、容器に流体を導入し、ここで、該容器にはインペラアセンブリが少なくとも部分的に収容されており、インペラアセンブリのブレード又は翼を駆動させて容器内において流体を撹拌し、そして気体を曝気装置に導入し、その後曝気装置が予め選択された異なるサイズの気泡を生成して容器内における流体を曝気することを含む。特定の実施形態によれば、インペラアセンブリのための駆動装置はバッグの外部にあり、インペラアセンブリを磁気的に駆動させる。
【００１４】
また、容器内において気体の液相への物質移動を制御又は調節する方法も開示される。当該方法は、バイオリアクターといった容器内に複数の曝気要素を設け、ここで、該複数の曝気要素のそれぞれは気体源と流体連通し、しかも該複数の曝気要素のそれぞれは全体で最大物質移動値を画定し；該最大物質移動値を、該複数の曝気要素のそれぞれに対する気体流れを個別に調節することにより減少させることを含む。特定の実施形態において、最大物質移動値は、該複数の曝気要素の少なくとも１個に対する全気体流れを停止させることにより減少できる。特定の実施形態では、複数の曝気要素のそれぞれに対する気体流れは、手動で又はＰＬＣなどの制御装置により個別に制御可能である。特定の実施形態では、単一の気体源が使用され、該気体源は、例えば容器の外部又は容器の内部にある好適な配管と共にそれぞれ個別の曝気要素に独立にマニホールド形成される。
【００１５】
曝気装置のモジュール方法は製造上の利点をもたらす。というのも、各モジュール式要素における気体透過性材料の複数の小型部分をオーバーモールドすることで、一つの大型気体透過性部分をオーバーモールドすることを必要とする工程と比較して複雑さが軽減し、そして成形コストが減少するからである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、所定の実施形態に係る曝気装置及び混合アセンブリの分解図である。
【図２Ａ】図２Ａは、所定の実施形態に係るインペラカップの平面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの線２−２に沿った断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、所定の実施形態に係る曝気要素の平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの線Ａ−Ａに沿った曝気要素の断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ａの線Ｆ−Ｆに沿った曝気要素の断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、所定の実施形態に係る曝気要素のタブの平面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、図３Ｄの線Ｅ−Ｅに沿ったタブの断面図である。
【図３Ｆ】図３Ｆは、所定の実施形態に係る気体流路を示す図３Ｂにおける細部Ｂの拡大図である。
【図４Ａ】図４Ａは、所定の実施形態に係る曝気装置及び混合アセンブリの斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａの曝気装置と混合アセンブリの断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、所定の実施形態に係る混合アセンブリの断面図である。
【図５】図５は、所定の実施形態に係る曝気要素の底面図である。
【図６】図６は、図５の線Ｄ−Ｄに沿った曝気要素の断面図である。
【図７】図７は、気体流量の増加に伴う１個〜４個及び全スパージャー部に関するＫLａ特性のグラフ図である。
【図８】図８は、気体移送効果対面積のグラフ図である。
【図９】図９は、平均気体移送効果対面積のグラフ図である。
【図１０】図１０は、３０ｈｒ-1  ＫLａに到達するのに必要な空気流量のグラフ図である。
【図１１】図１１は、ＫLａに対する空気流量のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
詳細な説明
特定の実施形態によれば、流体を受け取りかつ保持するように設計された使い捨て又は単回使用の容器は特に制限されず、超高分子量ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、低密度又は中密度ポリエチレンを含めたポリエチレン；ポリプロピレン；エチレン・酢酸ビニル（ＥＶＯＨ）；ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）；ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡ）；エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ共重合体）；様々な熱可塑性樹脂のブレンド；異なる熱可塑性樹脂の共押出物；異なる熱可塑性樹脂の多層積層体などの重合体組成物から形成された単層又は多層可撓性壁から形成できる。「異なる」とは、ＥＶＯＨの１以上の層を有するポリエチレン層などの異なる重合体タイプのみならず、同じ重合体タイプであるが異なる特性、例えば分子量、直鎖又は分岐重合体、充鎮剤などのものを含むことを意味する。典型的には、医療グレード、好ましくは動物を含まないプラスチックが使用される。これらは、一般的に、例えば蒸気、エチレンオキシド又はベータ若しくはガンマ放射線などの放射線によって滅菌可能である。ほとんどは、良好な引張強度、低い気体移送を有し、透明又は少なくとも半透明のいずれかである。好ましくは、この材料は、溶接可能であり、かつ、支持されていない。好ましくは、この材料は、透明又は半透明であり、内容物の視覚的な監視を可能にする。容器は、１個以上の入口と、１個以上の出口と、１個以上の任意のベント通路とを備えることができる。
【００１８】
所定の実施形態では、容器はバイオ医薬流体などの内容物を流体の状態で収容することのできる、単回使用のために滅菌可能な閉じた内部容量部を画定し、混合装置を内部容量部内に部分的に又は完全に収容し、そして内部容量部内に曝気装置を収容することのできる使い捨ての変形可能で折り畳み可能な可撓性のあるバッグであることができる。所定の実施形態では、閉じた容量部を、例えば適切なバルブ操作により開いて容量部に流体を導入し、そして例えば混合又はその他の処理が完了した後に流体を排出させることができる。
【００１９】
所定の実施形態では、容器は二次元又は「ピロー」バッグとすることができ、又は三次元バッグとすることができる。容器の特定の形状は特に限定されない。所定の実施形態では、容器は剛体基部を備えることができ、このものはポートや通気口などのアクセスポイントを与える。各容器は、１個以上の入口及び出口と、任意に容器内の流体について導電率、ｐＨ、温度、溶存気体などのパラメータを感知するための滅菌ガス通気口又はポートなどの他の機能を備えることができる。
【００２０】
所定の実施形態では、各容器は、その内部において部分的又は完全に、該容器内に含まれる１種以上の液体、気体及び／又は固体を混合、分散、均質化及び／又は循環させるためのインペラアセンブリを備えることができる。所定の実施形態によれば、インペラアセンブリは、例えば軸周り回転や振動により可動できる１個以上のブレード又は翼を備えることができる。所定の実施形態では、インペラアセンブリは、回転運動を、それと接触している流体を混合させる力に変換する。特定の実施形態では、ブレードはプラスチックから形成される。
【００２１】
ここで図１を参照すると、特定の実施形態に従う曝気装置１０が示されている。該装置１０は、インペラカップ１２を備え、インペラカップ１２は、示される例示的な実施形態において、図２Ａ及び２Ｂで最もわかりやすいが、底部１５で終端する中央の円筒状カップ１４を有するディスク又は円形状の剛性ベース部材１３である。カップ１４は、インペラを駆動するのに使用されるオーバーモールドマグネット１８を受け入れるように構成される。複数の離間した突起物、ロッド、コーン又はピン１６が、ベース部材１３の上面から上方に延在している。示される実施形態においては、８個のそのような突起物が直線状に対を成して配列しているが、ベース部材上の突起物の数及び位置は特に限定されるものではない。突起物は、以下により詳細に説明する曝気要素における対応するタブに係合するように構成及び配置される。特定の実施形態において、図２Ｂにて最もわかるように、各突起物は、図示されるように、外側に広がる頭部１６Ａでそれぞれが終端する、間隔を開けて配置された本体部材を備える。特定の実施形態において、１個以上の脚部２９がベース部材１３の底面から下方に延在しており（図２Ｂ）、該脚部をハウジング又はタンク内におけるそれぞれ対応する受け穴（図示せず）が受け入れて、外部インペラ駆動装置が接続できるように適切に装置を配置することができる。ベース部材１３と曝気要素は、プラスチックから形成され得る。ベース部材１３は、モジュール式曝気要素のための支持部材又は基材として作用し、曝気要素のそれぞれに着脱可能及び選択可能に装着される。特定の実施形態において、ベース部材１３は、曝気要素の全てに共通する。
【００２２】
また図１は、複数の曝気要素２０Ａ〜２０Ｄも示している。示される実施形態においては、４個の該曝気要素が描写されているが、それよりも少なく又は多く使用することができる。図３Ａ〜３Ｆ及び図５〜６から最もわかるように、示される実施形態おいては、各曝気要素は略パイ状であり、断面にてＣ形状の周囲フランジ２８を備える（図３Ｅ）。フランジ２８は、１個以上の周囲タブ２２を保持しており、該周囲タブは、各々その周囲から外側に延在し、かつ、ベース部材１３における各突起物１６とスナップフィットなどにより着脱可能に係合するように構成及び配置された孔２２Ａを有する。特定の実施形態において、各孔２２Ａの直径はその上部開口から下部開口に向けて大きく、すなわち、図３Ｅからわかるように外側に放射状に広がっている。各曝気要素は、各タブ２２における各孔２２Ａとベース部材１３における対応するピン１６とを位置合わせすることにより、インペラカップ１２と容易に係合及び脱係合でき、望ましい仕様の曝気要素を単に選択して装着することにより、物質移動能力に対する望ましい気泡サイズを選択することが可能となる。
【００２３】
特定の実施形態では、各曝気要素は、下部プレート部材２３を備え、該下部プレート部材は、外側に放射状に延在するフランジ２６を有する周囲側壁３１を備える。図５及び６からわかるように、曝気要素の下部プレート部材２３は、さらなる強度を与えるために格子状パターンで配置された複数の補剛リブ９５を備えることができる。下部プレート部材２３は、上部プレート部材と嵌合してその間に閉じたキャビティを画定し（気体透過性材料２４が無い場合）、該キャビティに接続部材９６を通じて気体が導入される。曝気要素は、３５０μｍのメッシュ開口を有するＰＥＴＥＸ  ０７−３５０／３４といったＳｅｆａｒ  Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  Ｉｎｃ．社から入手可能なモノフィラメント織物などのスクリーン２７を備えることができる。曝気要素はまた、気体透過性材料のシート又はフィルム２４を備えることもできる。好適な材料としては、高分子フィルム又はシート、例えばＴｙｖｅｋ（登録商標）１０５９Ｂ、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））などのスパンボンドオレフィン系材料、ポリスルホン、ポリプロピレン、シリコーン、ポリフッ化ビニリデン（ＫＹＮＡＲ（登録商標））などのフルオロポリマー、ＰＯＲＥＸ（登録商標）４９０３などのＰＯＲＥＸ（登録商標）膜、ＥＭＤ  Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ社から市販されているＲＭ膜などが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２４】
特定の実施形態において、気体透過性材料は、所定の位置、例えばプレート２３の側壁３１の周囲フランジ２６上にオーバーモールドされ、かつ、上部周囲フランジ部材２８により挟まれ得る（図３Ｅ）。スクリーン２７は、気体透過性材料２４の上部に配置され、これも上部フランジ部材２８によって挟まれる。
【００２５】
各曝気要素は、各曝気要素をインペラカップよりも上に選択的に持ち上げるように下方に延在する１個以上の脚部３９を備えることができる。これにより、ギャップの高さが変動しなくなる。
【００２６】
特定の実施形態において、各曝気要素は、例えば接続部材９６を介してホース、配管、導管などの気体源（図示せず）と流体連通した状態で配置できる流路３３（図３Ｆ）を含めた専用の入口気体源を備える。流路は、流路３３を通じて気体源から気体透過性材料への流体連通を与える。
【００２７】
図３Ｂからわかるように、特定の実施形態では、プレート部材２３において型への射出位置のための凹部４０と、オーバーモールド前に取り除かれることになる入口の痕跡である軸方向突起部４１がある。
【００２８】
特定の実施形態によると、このように曝気装置は、複数の別個の曝気要素、例えば図示するような四半円形物を備え、各々が各自の入口気体源を備え、各々が所定の孔径の特別に設計された又は予め選択された気体透過性材料を受容することができ、それによりバッグなどの単回使用容器内における気体透過性材料の孔径、気泡サイズ及び全表面積をカスタマイズすることが可能である。
【００２９】
均一な気泡分布についての曝気装置効率は、複数の気体入口を全表面積Ｘに合算される複数の曝気要素に設けることにより、表面積がＸの単一の気体入口を有する従来型の単一の曝気装置よりも向上する。曝気装置をモジュール式セクションに分解するこのアプローチによって、所定の材料及び特定の全表面積の装置がその全表面積をより効率的に使用することが可能になる。専用の気体入口より供給される各曝気要素内での気体分散は、全ての曝気要素の全表面積に渡ってより均一に分布することができる。これは、スパージャーが配置される表面が水平ではない場合に特に当てはまる。このことは、気体透過性材料によって生成される気泡サイズをより一致した状態に保持し、混合装置に関連する気泡の生成場所をより一貫した状態に保持するのに役立ち、場合によってはスパージング要素によって生成される気泡のサイズ分布を狭くし、そして細胞培養液といった処理流体のための環境をより均一にする。
【００３０】
特定の実施形態において、気泡が各曝気要素２０Ａ〜２０Ｄから出てくると、それらは混合アセンブリ１００によりベッセル中で分散される。特定の実施形態において、混合アセンブリ１００は、曝気要素に対して中央に配置され、かつ、曝気要素から放出される気泡の方向に対して曝気要素の上に配置される（図４Ａ）。
【００３１】
特定の実施形態において、混合アセンブリ１００は１個以上の可動ブレード又は翼１１６を有するインペラアセンブリであり、図１及び図４Ａには例示の目的で４個の離間したブレード１１６が示されている。ブレード１１６の数及び形状は特に限定されないが、ただし、作動した際に容器内で流体が十分に撹拌されることを条件とする。ブレード又は複数のブレードは、ポリエチレンなどのプラスチック材料、又はポリプロピレン共重合体などの放射線に抵抗性のある任意の重合体から構成することができる。特定の実施形態において、ブレード１１６は、図４Ｂ及び４Ｃの断面図に示されるように、それぞれ中央円筒部材１１７に取り付けられ、該中央円筒部材は、軸方向に延在する下部円筒部材１１９を有し、該下部円筒部材はその底端部で開口し、オーバーモールドマグネット１８の接続部１９を受け入れる。オーバーモールドマグネット１８のピン１２１を受け入れるように１個以上の孔１２０が設けられ、その後ピンを加熱し変形させてマグネットをインペラに永久的に結合させる。
【００３２】
ブレード１１６は、オーバーモールドマグネット１８の上のみならず曝気要素２０Ａ〜２０Ｄの上にも軸方向に配置され、その際、これらのブレードは、好適なアクチュエータにより磁気式インペラが駆動すると自由に回転する。曝気装置の一貫した位置をインペラアセンブリの下に保持することにより、各モジュール式曝気要素がインペラの下において均等に又は対称的に配置されるため容器の容量部への気体分布をより向上させることが可能である。これにより、生成される気泡サイズのより小さな分布を保つことができる。なぜなら、高剪断インペラ領域における相互作用が、気泡のサイズ、形成及び挙動に影響を与えることができるからである。
【００３３】
特定の実施形態において、インペラアセンブリ１００が容器に設置されると、オーバーモールドマグネット１８を格納する円筒カップ１４が容器の外側に突出し、そして容器に封止される。この実施形態では、インペラアセンブリ１００の残り部分は、容器の内部容量部の内部に格納される。好ましくは、容器が混合位置（例えば吊り下げ位置）にある場合には、曝気装置及び混合アセンブリは、容器の底部又はその付近に配置され、容器の入口のすぐ近くにある。このように、特定の実施形態において、インペラアセンブリの少なくとも一部分は容器内部にあり、インペラアセンブリのための駆動装置は容器の外部にある。
【００３４】
曝気要素２０Ａ〜２０Ｄのモジュール式の特徴により、様々な範囲の気泡サイズ対物質移動能力を達成するのが融通自在になる。例えば、３個のみの曝気要素（例えば、２０Ａ、２０Ｂ及び２０Ｃ）を４個の代わりに使用する（例えば、２０Ｄを使用しない）場合には、各曝気装置は専用の気体注入を有しているため、当該装置の物質移動能力は気泡サイズを変更することなく、そして新しい装置を組み立てることなく、修正することができる。１個以上の気体源から注入される気体を受容する複数の曝気装置の制御は、手動で又はＰＬＣなどの制御装置で実施できる。容器の製造に影響を与えることなく最終組み立て時に曝気要素をカスタマイズすることが実現されると共に、バイオリアクターなどの容器内において気泡によって生じる剪断を制御及び管理する能力の改善が実現される。各曝気要素から出ていく気泡サイズ及び気泡速度の管理が改善するからである。また、有害な泡沫生成も減少させることができる。曝気装置に気体を供給する配管は、単一の気体源を使用するか複数の気体源を使用するかどうかにかかわらず、容器内部又は容器外部にマニホールド形成され、特定の用途にも柔軟な設計をもって容易に使用することが可能になる。各曝気要素は個別にマニホールド形成でき、それによってシステムへの気体供給について卓越した制御が得られる。
【００３５】
特定の実施形態において、バイオリアクター／発酵槽の培養液又はシステム内において、例えば酸素又は二酸化炭素などの望ましい溶存気体濃度を保持するために、フィードバック制御ループが使用される。この制御システムは、典型的には、溶存気体処理値に及ぼす所望の効果を達成するために気体組成及び／又は曝気装置への流量を変更するといった措置を与えるように構成される制御ループアルゴリズムによって決定されるような、応答出力の引き金となる、インライン又はオンラインのプローブ／センサからの実時間処理値を表す信号入力を受信する。溶存気体（例えばＯ2）は継続的又は断続的に監視でき、流量はフィードバック制御ループを通じて継続的又は断続的に調節できる。
【００３６】
曝気装置をどのようにマニホールド形成するかに応じて、制御システムは、バイオリアクター／発酵槽系内の特定の望ましい溶存気体濃度を管理するように設計されたフィードバック制御アルゴリズムの一部として、複数の曝気装置内の曝気装置の数を変更できる様々なマニホールド形成技術を伴う応答反応を含めるように管理できる。
【００３７】
個別の気体源入口を有する複数のスパージャーを採用することにより曝気要素の表面積を増大させることで、システムの物質移動容量係数ＫLａ能力を高めることができる。ＫLａは、スタティックガッシングアウト方法（ｓｔａｔｉｃ  ｇａｓｓｉｎｇ  ｏｕｔ  ｍｅｔｈｏｄ）により評価でき、その際、システムは、窒素ガスの添加により酸素除去される。その後、空気を制御流量で（制御された速度で撹拌しながら）添加する。経時的な溶存酸素濃度の記録をプロットし、そして次式に従って数理解析を行ってＫLａを導出する。
【数１】
2018061959.tif 000003
（Ｃ＝溶存酸素濃度、ｔ＝時間）
所定の条件下では、個別の気体源入口を有する４個の曝気要素を採用することで、単一の入口から気体が供給される単一（全体に等しい）表面積で設計される１個の要素よりも高いＫLａが得られる。
【実施例】
【００３８】
例１
一連のＫLａ試験を、１３インチの丸型インペラ、バッフル及び適切なセンサを備える１０００Ｌベッセルで実施して、モジュール式スパージャーにおける気体透過性材料の面積と所期の気体移送効率との関係を確立した。これらの試験について、インペラのｒｐｍを６０ｒｐｍ、１０Ｗ／ｍ3のパワー入力で一定に保持した。図１のモジュール式スパージャーの４個の全ての位置における気体透過性材料としてＴｙｖｅｋ（登録商標）１０５９Ｂを使用し、５ｌｐｍ〜２０ｌｐｍの範囲の空気流量（空気流量（ｖｖｍ）については０．００５〜０．０２０ｍｉｎ-1）を使用して、それぞれの条件で３回実験を繰り返した。全サイズのスパージャーの試験も行った。水、プルロニック（０．２％）、１Ｘ  ＰＢＳ、５０ｐｐｍの消泡剤からなる模擬媒体を使用した。結果を図７に示す。データから、空気流量が高いほど高いＫLａ値が得られることが示される。
【００３９】
気体移送効果を、ＫLａ／面積／ｖｖｍとスパージャーの各モジュール式セグメントの面積とを比較することにより確かめることができる。図８は、４０．９８平方インチのモジュール式スパージャーの各モジュールの面積と、２００平方インチの全サイズのスパージャーの面積とに基づく関係を示している。図９は、全ての空気流量にわたる平均気体移送効果を示している。
【００４０】
ＫLａ／面積／ｖｖｍ値は、スパージャーの面積が小さくなるにつれて増大するため、モジュール式スパージャーが気体移送において良好な効率を与えることは明らかである；さらに小さな面積を使用して、空気流量の増加なしに同一のＫLａを達成することができる。このことは図１０に示されている。図１０のグラフは、３０ｈｒ-1のＫLａに必要な空気流量は、約０．０２５ｖｖｍ（１０００Ｌに対して２５ｌｐｍ）である。単に１個のモジュールを使用すると、これの同じＫLａを達成するための空気流量要件は、０．０３５ｖｖｍに上昇する。したがって、Ｔｙｖｅｋ（登録商標）の２個のモジュールを約０．０２５ｖｖｍの空気流量で使用して、３０ｈｒ-1という望ましいＫLａ値を達成することができる。
【００４１】
例２
本明細書に開示される実施形態に従うモジュール式スパージャーは、１種類を超える気体透過性材料をシステムで使用することを可能にする。例１は、ＴＹＶＥＫ(登録商標)材料がスパージャーの４個のモジュール式セグメントのうち２個しか占めない場合に、高いＫLａが達成できることを実証するものである。例えば、残りの２個のモジュール式セグメントのための気体透過性材料、例えばＰｏｒｅｘ（登録商標）ＰＯＲ９７６１９（「ＰＥ−１０」）、ＰＯＲ４９２０（「ＰＥ−４０」）及びＰＯＲ４９０３（「ＰＥ−９０」）（全てポリエチレンから構成される）を選択して、ＴＹＶＥＫ(登録商標)を使用して生成された気泡よりも大きな気泡を生成することができた。
【００４２】
例１のベッセルを使用して、これら３種類の気体透過性材料を、スパージャーの１個又は２個のセグメントにおいて、５ｌｐｍ〜５０ｌｐｍ（０．００５ｖｖｍ〜０．０５ｖｖｍ）の空気流量の範囲にわたってインペラのｒｐｍを６０ｒｐｍで一定に保持しつつ評価した。結果の概要を図１１に示す。
【００４３】
概して、より大きな孔径（ＰＥ−９０）の材料は、低いＫLａ値をもたらす傾向にある一方、最も小さい孔径（ＰＥ−１０）は、最も高いＫLａ値をもたらした。しかしながら、より大きい気泡サイズが望ましい場合には、それよりも低いＫLａ値が許容できる。
【符号の説明】
【００４４】
１０    曝気装置
１２    インペラカップ
１３    ベース部材
１４    カップ
１５    底部
１６    突起物、ロッド、コーン又はピン
１６Ａ  頭部
１８    オーバーモールドされるマグネット
１９    接続部
２０Ａ〜２０Ｄ  曝気要素
２２    周囲タブ
２２Ａ  孔
２３    下部プレート部材
２６    フランジ
２７    スクリーン
２８    周囲フランジ
２９    脚部
３１    周囲側壁
３３    流路
３９    脚部
４０    凹部
４１    軸方向突起部
９５    補剛リブ
９６    接続部材
１００  混合アセンブリ、インペラアセンブリ
１１６  ブレード
１１７  円筒部材
１１９  下部円筒部材
１２０  孔
１２１  ピン
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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