(57)【要約】【課題】高剪断速度のリスクなしに良好な混合効率を可能にするバイオリアクターの提供。【解決手段】この課題は、流体処理用のバイオリアクターであって、可撓性材料から形成された容量部と、該バイオリアクター内にある１個以上の入口と、該バイオリアクター内にある１個以上の出口と、該バイオリアクターの該容量部内に少なくとも部分的に取り付けられたインペラアセンブリと、該バイオリアクターの該容量部内にある可撓性材料から形成されたＸ字形バッフルとを備え、該Ｘ字形バッフルは第１脚部と第２脚部とを備え、該第２脚部は該第１脚部と交差し、かつ、該第１脚部に取り付けられていてよく、該Ｘ字形バッフルは、該バイオリアクター内において高剪断速度なしに高い混合効率のために水平部品及び垂直部品を具備するように該バイオリアクター内に配置される、バイオリアクターによって解決される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体処理用のバイオリアクターであって、可撓性材料から形成された容量部と、該バイオリアクター内にある１個以上の入口と、該バイオリアクター内にある１個以上の出口と、該バイオリアクターの該容量部内に少なくとも部分的に取り付けられたインペラアセンブリと、該バイオリアクターの該容量部内にある可撓性材料から形成されたＸ字形バッフルとを備え、該Ｘ字形バッフルは第１脚部と第２脚部とを備え、該第２脚部は該第１脚部と交差し、かつ、該第１脚部に取り付けられていてよく、該Ｘ字形バッフルは、該バイオリアクター内において高剪断速度なしに高い混合効率のために水平部品及び垂直部品を具備するように該バイオリアクター内に配置される、バイオリアクター。
【請求項２】
前記第１脚部と前記第２脚部とが両方の脚部の長手方向中間点で取り付けられている、請求項１に記載のバイオリアクター。
【請求項３】
前記第１脚部及び前記第２脚部のそれぞれが前記バイオリアクターの内壁に固定された末端部を備える、請求項１又は２に記載のバイオリアクター。
【請求項４】
前記バイオリアクターが０．２：１、１：１、１．６：１又は２：１のアスペクト比を有する、請求項１〜３のいずれかに記載のバイオリアクター。
【請求項５】
前記容量部が２００Ｌ〜２０００Ｌの範囲の密閉容量部である、請求項１〜４のいずれかに記載のバイオリアクター。
【請求項６】
前記可撓性材料が、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むポリエチレン；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）；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；又は異なる熱可塑性樹脂の多層積層体を含む重合体組成物から形成された単層又は多層可撓性壁である、請求項１〜５のいずれかに記載のバイオリアクター。
【請求項７】
２００Ｌ〜２０００Ｌの折り畳み可能な容器であって、
可撓性材料から形成された容量部と、該容器内にある１個以上の入口と、該容器内にある１個以上の出口と、該容器の該容量部内に少なくとも部分的に取り付けられたインペラアセンブリと、該容器内の流体の所定容量と、
該容器の該容量内にあるＸ字形バッフルと
を備え、該Ｘ字形バッフルは、該容器内において水平部品及び垂直部品を備え、該Ｘ字形バッフルは該容器の内径寸法に延在し、該Ｘ字形バッフルは、低剪断混合を維持しつつ全体的なパワー入力を低減させるために、該流体の所定容量に部分的にのみ沈められる容器。
【請求項８】
前記折り畳み可能な容器が二次元ピローバッグ又は三次元バッグである、請求項７に記載の容器。
【請求項９】
前記流体が細胞を含む、請求項７又は８に記載の容器。
【請求項１０】
前記流体が前記細胞用のマイクロキャリアをさらに含む、請求項７〜９のいずれかに記載の容器。
【請求項１１】
請求項１のバイオリアクター又は請求項７に記載の容器内において流体を混合させる方法であって、次の工程：
容量部を画定するバイオリアクター又は容器を準備し；
該バイオリアクター又は該容器の該容量部内に少なくとも部分的に取り付けられたインペラアセンブリを準備し；
該バイオリアクター又は該容器内において水平部品及び垂直部品を具備するように該バイオリアクター又は該容器の該容量部内にＸ字形バッフルを配置し；
混合される流体を該バイオリアクター又は該容器に該Ｘ字形バッフルを部分的にのみ沈めるレベルにまで導入し；及び
該インペラアセンブリを駆動させて該流体を混合させ、これにより、該Ｘ字形バッフルが該混合の間に任意の渦の形成を最小限に抑えること
を含む方法。
【請求項１２】
前記流体が細胞を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記流体が前記細胞用のマイクロキャリアをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
マイクロキャリアの分布を低いパワー入力で得ることができ、剪断レベルを低下させることができ、マイクロキャリアに対する損傷及び／又は細胞外キャリアの移動の危険を減少させることができる、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１３年４月１９日に出願された米国仮出願第６１／８１３，７２６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】
ここで開示する実施形態は、バイオリアクターとして有用な容器に関する。特に、ここで開示する実施形態は、特に単回使用撹拌タンクバイオリアクターでの使用に適した、該容器内に配置されたときに垂直部品及び水平部品の両方を有する可撓性フィルムバッフルを含む。
【背景技術】
【０００３】
背景
従来、流体は、ステンレス鋼製の容器を利用するシステムで処理されてきた。これらの容器は、使用後に滅菌されるため、再利用できる。滅菌手順は、高価で面倒なだけでなく、時間が無駄である。
【０００４】
製造におけるより大きな柔軟性を提供し、かつ、装置の有効な再生を行う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。
【０００５】
これら使い捨てバッグの使用例は、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系におけるものであり、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。
【０００６】
例えば、ワクチンの製造では、関連する液体は、アジュバントとしてアルミニウム塩を含有する場合が多い。このアルミニウム塩は、身体の免疫応答を増強することによってワクチンの有効性を改善する。残念ながら、アルミニウム塩は、０．２μｍよりも大きいサイズの粒子を有するため、無菌フィルタリングは、一般的には選択肢ではない。結果として、ワクチンを移動させる必要がある容器の数を最小限に抑えることが有利な場合が多い。というのは、それぞれの移動は、無菌性の潜在的な突破口となり、生じた汚染をろ過することができないからである。したがって、出荷される可撓性使い捨てバッグなどの同一の容器内においてワクチンを混合できることが有利である。
【０００７】
別の例は、細胞が懸濁液の状態又はマイクロキャリア上にあり、そしてバッグが液体、気体及び場合によってはバッグの内部の周囲にある細胞を循環させる循環部材を有するバイオリアクター又は発酵槽である。
【０００８】
いくつかの従来のバイオリアクターは、混合を改善させるためのバッフルとして機能する硬質金属インサートを保持するためのスリーブを備える。しかし、大容量のバイオリアクター、例えば、１０００Ｌ及び２０００Ｌ容量のバイオリアクターは、このような硬質バッフルを実現するには課題がある。というのは、これらのシステムの高さの増大により、バイオリアクターの上部から剛性のインサートを導入することが困難になるからである。さらに、より小さなスケールで見られる下から上への混合は、高さ対幅のアスペクト比が減少した場合であっても、バイオリアクターの全体的な高さが増大するとさらに顕著になる。
【０００９】
バイオリアクタープロセスの最適化のためには良好な混合が重要である。うまく設計された混合システムは、次の３つの基本機能を提供する：均一な分布で一定の生息条件（栄養素、ｐＨ、温度など）を生じさせること；Ｏ2を供給しＣＯ2を引き出すためのガスの分散；及び熱伝達の最適化。バイオリアクター容器のスケールが増加すると、損傷性のせん断効果を付与することなく許容可能な混合を与えることはより困難になる。いくつかの市販のバイオリアクタープラットフォームは、単一の底部搭載インペラを備える。停滞区域による渦の形成は、この単一の撹拌機に関連する場合が多い。バッフルが渦形成を抑制するために追加でき、流体を軸方向及び半径方向流れの好ましい流れパターンに移動させるために設置できる。うまく設計されたバッフルを設けることにより、複数のインペラ及び／又は高インペラ速度に関連する追加の高剪断リスクなしで良好な混合効率が可能になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、バイオリアクターにおける最適な細胞培養増殖性能に必要な均一な混合を達成するために、改良されたバッフルシステムを有する流体用使い捨て又は一回使用容器を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
概要
所定の実施形態によれば、本明細書に開示されるのは、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させ、分散させ、均質化させ及び／又は循環せるための容器に関連したミキサーとを有する使い捨て又は一回使用の容器といった容器である。所定の実施形態によれば、この容器は、混合を改善させるために、特に低剪断混合を改善させるために成形されかつ容器内に配置された可撓性バッフルを備える。所定の実施形態によれば、バッフルは、ミキサーによって形成された渦を破壊する又は渦の形成を防止するように容器内に配置される。所定の実施形態によれば、バッフルは、剪断効果を制限するために単一のインペラと共に使用される。所定の実施形態によれば、バッフルは、容器全体の高さにわたって渦の破壊を向上させ、そして全ての動作容量を通して均質な混合を提供するために、水平方向及び垂直方向の両方の部材で成形される。所定の実施形態によれば、バッフルは、Ｘ字形である。
【００１２】
また、開示されるのは、内部容量部を有する容器内において流体を混合するためのシステムであって、容器と、インペラアセンブリと、該インペラアセンブリ用のドライブと、混合中に形成された任意の渦を破壊し、その形成を防止し又は最小限に抑えるために該容器の内部容量部内に配置されるバッフルとを備えるものである。
【００１３】
また、開示されるのは、インペラアセンブリと、混合中に形成された任意の渦を破壊し、その形成を防止し又は最小限に抑えるために容器内に配置されたバッフルとを有する容器内において流体を混合させる方法である。
【００１４】
所定の実施形態によれば、この方法は、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、かつ、密閉されており、該インペラアセンブリのブレード又は羽根を駆動させてバッグ内の流体を撹拌させることを含む。該容器内のバッフルは、回転ブレードによって形成されることのある任意の渦を破壊し、又は任意の渦の形成を防止し若しくは最小化させる。所定の実施形態では、インペラアセンブリ用のドライバは、バッグの外部にあり、かつ、インペラアセンブリを磁気により駆動させる。
【００１５】
ここで開示する実施形態は、バッフルによって与えられる均一な混合状態をもたらし、そして接着細胞のための支持マトリックス、例えば幹細胞（これに限定されない）を含めた所定の細胞の良好な増殖の可能性を高めるマイクロキャリアの均一な分布を与えることができる。マイクロキャリアの良好な分布を低いパワー入力で得ることができ、このシステム内での剪断レベルを低下させ、それによってマイクロキャリアに対する損傷及び／又は細胞外キャリアの移動の危険を減少させることができる。
【００１６】
剪断に対する感度の増加した所定のプロセス又は細胞株について、全体的なパワー入力を低減させることができると共に、依然として良好な混合を維持することができる。低いパワー入力は、より低い剪断力に変換される。これは、極端なプロセス、すなわち、より低いパワー入力を必要とするプロセスのための良好な解決策となる。低いパワー入力でのより均一な混合により、細胞培養プロセスのためのより大きなプロセスウィンドウが提供され、最適なプロセス条件を見出す際に大きな柔軟性がもたらされる。高い細胞密度を達成するように設計されたプロセスについては、パワー入力の増加を必要とすることなく良好な混合を得ることができる。
【００１７】
１４Ｗ／ｍ3の基準条件について３０秒を下回る混合時間（１０００Ｌ及びそれ未満について）が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、所定の実施形態に係るバッフルを有する容器の断面図である。
【図２】図２は、所定の実施形態に係るバッフルの断面図である。
【図３】図３は、所定の実施形態に係るバッフルの厚さ対容器容量のグラフ、及び所定の実施形態に係るバッフルの表面積対容器カラムのグラフである。
【図４】図４は、混合時間を示す様々なバッフル設計の図である。
【図５】図５は、混合時間対パワー入力に関する応答曲線である。
【図６】図６は、２００Ｌ〜２０００Ｌの容量にわたる３つのシステム（バッフルなし、パドルバッフル、Ｘ−バッフル）の性能を示すグラフである。
【図７】図７は、２００Ｌ〜２０００Ｌの容量にわたって、パドルバッフルとＸ字形バッフルとを比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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容器は、ポリエチレン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。ポリエチレンとしては、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；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が挙げられる。「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並びに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、充填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、低いガス移送を有し、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、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。容器は、混合される細胞及び培養培地などの流体を含むのに十分なサイズのものである。所定の実施形態では、容器は、細胞培養の状況において細胞を成長させることができるものなどの生物学的に活性な環境をサポートすることができるバイオリアクターであることができる。
【００２０】
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容量部を画定し、かつ、混合装置を容器の内部に部分的に又は完全に収容することができる使い捨ての変形可能で折り畳み可能な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、例えば混合が完了した後に流体を排出させることができる。
【００２１】
所定の実施形態では、容器は、二次元若しくは「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、任意に容器内の液体について、導電率、ｐＨ、温度、溶存ガス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。
【００２２】
所定の実施形態では、各容器は、その内部において部分的に又は完全に、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収容する。所定の実施形態によれば、インペラアセンブリは、例えば軸周りの回転や振動により可動できる１個以上のブレード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。インペラアセンブリは、ブレードの少なくとも一部にわたって形成された保護フードを有することができ、該フードの下部表面とブレードの外形寸法との間には、該ブレード及び該ブレードと該フードの下部表面との間にある液体の自由な動きを可能にするように空間が含まれる。このフードは、容器を損傷するおそれのあるブレードから容器を保護するように利用される。
【００２３】
所定の実施形態によれば、容器は、少なくとも１個のバッフル部材を備え、該バッフル部材は、容器が流体を含有するときにバッフル部材が流体中に沈められた水平部品及び垂直部品の両方を有するように容器内に配置される。所定の実施形態によれば、バッフル部材全体に満たない部分は流体中には沈められない。所定の実施形態によれば、バッフルは、容器の内径寸法に延在する。所定の実施形態によれば、バッフル部材は、Ｘ字形である。
【００２４】
インペラ／バッフルの組み合わせの適切な設計及び実装は、広範囲の容量及びアスペクト比にわたる混合解決手段を提供し、優れた規模設定性及び明確な性能を有するバイオリアクターシステム群の開発を可能にする。
【００２５】
所定の実施形態によれば、バッフル部材は、「Ｘ」の一方の脚部が、インペラアセンブリの作動により渦が形成する位置付近又はその位置で流体の表面を通って延在するように容器内に配置される。流体表面を通してスライシングするバッフルの垂直部品及び水平部品の両方を有するこの配置は、流体の円形流路を妨害する渦防止装置として作用する。Ｘ字形状は、厳密に垂直又は厳密に水平のバッフルの他の構成と比較すると、流体のバルク内の流路を良好に崩壊させ、底部から頂部への混合の傾向を低減させ（インペラアセンブリが容器の底部に配置された状態）、そしてより短期間でより均一な分布を与えることを可能にする。
【００２６】
所定の実施形態によれば、バッフル部材は、流体の表面で渦形成を破壊するのに十分な広さ（容器の半径方向寸法に関して）とすべきであるが、ただし、容器内の側部から側部まで流れを阻止するほど広すぎてはならない（容量部全体を混合するための時間を増加させると考えられる）。
【００２７】
ここで、図１を参照すると、基部１４と、１個以上の可動ブレード又は羽根１６とを有するインペラアセンブリ１０を有する容器１が示されている。ブレード１６の数及び形状は特に限定されないが、ただし、これらは、作動時に容器内の流体を十分に撹拌することを条件とする。基部及び１以上のブレードは、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ガンマ線照射に耐性のある任意の重合体から構成できる。所定の実施形態では、基部１４は、混合インペラオーバーモールドマグネットなどのインペラの磁性基部を収容する軸方向延長部材２２を備え、ここで、ブレード１６は、部材２２の上に軸方向に延在し、その際、これらは、磁性インペラが駆動磁石によって駆動されるときに自由に回転する。所定の実施形態では、インペラアセンブリ１０が使い捨て容器１内に設置される場合には、延長部材２２は、容器１の外部に突出し、そしてこのもの及び／又は基部１４は、容器１にシールされる。インペラアセンブリ１０の残りの部分は、容器１内に収容される。好ましくは、インペラアセンブリは、容器が混合位置（吊り下げ位置など）にあり、かつ、容器の入口３０に近接している場合には、容器の底部に又はその近くに位置する。
【００２８】
図１に示す実施形態では、使い捨て容器１は、ポリエチレンなどの溶接可能なプラスチックから作製され、かつ、密閉される。容器１の内部への流体アクセスは、第１導管（図示せず）にシールされている入口３０を介し、容器から外への流体アクセスは、第２導管（図示せず）にシールされている出口を介する。所定の実施形態では、容器１は、２００Ｌの最小作業容量及び１０００Ｌの最大作業容量を有する。所定の実施形態では、インペラアセンブリの少なくとも一部は容器の内部にあり、インペラアセンブリ用のドライバは容器１の外部にある。
【００２９】
０．２：１のアスペクト比及び２０００Ｌまでの高容量という挑戦的な点であっても、均質な分散で比較的短い混合時間が実証されている。
【００３０】
図２は、バッフル５０の実施形態を示す。所定の実施形態では、バッフルは、ポリエチレンなどの溶接可能なプラスチック製のフィルムである。バッフル５０は、第１脚部５１及び第１脚部５１と交差し、任意にそれに取り付けられる第２脚部５２を備える。所定の実施形態では、脚部５１及び５２の取り付け位置は、両方の脚部の長手方向の中間点５３である。しかし、これら２個の脚部が互いに実際に接触し又は結合することは必要ではない。各脚部の各末端Ｔは、好ましくは、各脚部の本体に対して約４５°の角度で屈曲している。
【００３１】
これらの末端のそれぞれは、容器１内の所定の位置にバッフルを固定するために、例えば溶接などによって該容器の内壁に固定できる。所定の実施形態では、容器がバッグであル場合には、それらの末端は、バッグの縫い目内でヒートシールされている。図２に例示するように、所定の実施形態では、これらの縫い目は、インペラの後方（１２時）でかつバッグにわたって６時の位置に並ぶ。底部は、バッグの最も低い水準で取り付けられ、頂部は、バッグの最大容量の上にある水準で取り付けられる。容器を支持するシステムの基部に直接バッフルを取り付けること及び／又は側面の代わりに容器の頂部に取り付けることを含めて、他の取り付け位置も可能である。実際には、そうすることによって、バッフルに許容可能な「たるみ」を導入することができる。特定の取り付け位置にかかわらず、上側脚部は、流体の外に、すなわち、バッグの最大容量よりも上に（液体中に完全に沈められるのではなく）延在することが好ましい。これは、混合時間を約５０％短縮する。
【００３２】
バッフルの特定の寸法は、容器のサイズに少なくとも部分的に依存する。図３に示すように、バッフルの厚さは容器の容量に比例し、方程式ｙ＝０．０００６ｘ＋０．９０９８（Ｒ2＝０．９９５９）により容器の容量に関連する。同様に、バッフルの表面積は、容器の容量に比例し、方程式ｙ＝０．１６０１ｘ＋３３．８６９（Ｒ2＝０．９８５８）により容器の容量に関連する。
【００３３】
好ましくは、バッフルは、ある水準で渦（又は渦がバッフルの非存在下で形成することになる領域）を通って延びるように容器内に配置される。渦の位置は、アスペクト比と共に変化する。渦がバッフルの非存在下で形成することになる領域は、経験から決定でき、又は操作で使用されることになる同様の混合条件の下で、ただし、バッフルの非存在下でかつ渦が形成する場所に留意して容器内の流体を混合させることによって決定できる。「渦マップ」を作成することができ、所定の容器のアスペクト比、容器の容積、インペラ位置及びインペラサイズについて渦の位置を記録する。１０００Ｌ容器における１：１のアスペクト比について、渦は、一般に６時の位置にある。２０００Ｌ容器における２：１のアスペクト比及び２００Ｌの容器における１．６：１のアスペクト比について、渦は、一般に、９時の位置にある。
【００３４】
容器内に適切に配置された「Ｘ」形状のバッフルは、均質な混合で比較的短い混合時間を与えるものの、他の形状も好適であるが、ただし、バッフルは、渦形成の領域と交差することを条件とする。好適な形状としては、ジグザグ、三角形及び対角バッフルが挙げられる。
【実施例】
【００３５】
例１
満２００Ｌタンク内において可撓性バッフルのサンプルによって生じた混合時間及び品質を評価した。結果を図４に示す。Ａ及びＢは、タンク内部の所定の位置でフィルムバッフルを保持する金属棒を表す。これらをコントロールとして実行して、混合に及ぼす任意の影響がホルダーではなくバッフルによって生じることを確認した。Ｅは、標準的な剛性パドルバッフルを表す。
【００３６】
表２は、図４のサンプルのそれぞれにおいて使用されるバッフルの厚さを示す。バッフルのほとんどが渦を排除したが、混合時間は広く変化した。Ｘ字形バッフルは、均一の混合で最短の混合時間であった。
【００３７】
例２
この例を、１３インチのインペラ及びＸ字形バッフルを有するバイオリアクターについての混合性能を特徴付けるために実施して、パワー入力の変化が混合性能にどのように影響を与えるのかを決定し、２００Ｌ〜２０００Ｌの容量範囲にわたってインペラ／バッフル設計の有効性を決定した。
【００３８】
典型的なバイオプロセスのパラメータとしては、多くの場合、特に、温度、酸素レベル、ｐＨ及びパワー入力についての仕様が挙げられる。混合性能を向上させるために、一般にはパワー入力を増大させる。しかしながら、パワー入力が増大すると、剪断による細胞損傷の危険性も増大する場合がある。バイオリアクターシステムの機能を完全に理解するためには、エンドユーザがプロセス条件を最適化してそれらの特定の細胞株の要望を満たすことを可能にするように混合時間とパワー入力との関係を理解することが有用である。
【００３９】
機器を幅広く選択して様々な条件下で混合性能を特徴付けるように試験を実施した。この試験に基づき、選択された設計の一つは、Ｘ字形バッフルを有する１３インチの４枚ブレードインペラに基づいていた。
【００４０】
この設計の特徴付けは、１０００Ｌの容量で、１０Ｗ／ｍ3未満から最大３０Ｗ／ｍ3までのパワー入力にわたる混合時間の測定を含む。さらに、様々な容量についての混合時間（１０Ｗ／ｍ3の一定のパワーで）も記録した。
【００４１】
フェノールフタレイン混合試験を実施して、１３インチのインペラ及びＸ字形バッフルでの混合の有効性を評価した。Ｌｅｖｉｔｒｏｎｉｘ（登録商標）制御ソフトウェアを使用して、速度及び駆動電流を含めたインペラの作業率を監視した。これらのデータを使用して、試験を行ったそれぞれのｒｐｍでのパワーを次式に従って算出した：
パワー＝トルク×回転速度
トルク＝（駆動電流Ａ＋駆動電流Ｂ）／２×トルク定数／１００
トルク定数は、Ｌｅｖｉｔｒｏｎｉｘ（登録商標）によって、ＬＰＳ−４０００モータについて２１．３２であると定義される。
回転速度＝２×３．１４／６０×ｒｐｍ。
【００４２】
フェノールフタレイン指示薬を使用することによって、酸及び塩基の添加により容器内の液体のｐＨが変化したときに混合パターンを観察することが可能になる。混合時間は、全容量を通した完全な色の変化にかかる時間として定義される。フェノールフタレイン（ｐｈｔｈ）混合方法を使用して、混合時間及び品質に関する視覚的比色情報を得た。このプロトコルは、次のように概説される：
【００４３】
材料：
・フェノールフタレイン溶液：０．５重量％、１Ｌのｐｈｔｈ溶液＝５ｇのｐｈｔｈ＋６００ｍＬのエタノール＋残部容量のＤＩ水
・６Ｍ水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）
・５Ｍ塩酸（ＨＣｌ）
・ＤＩ水
・秒表示付きタイマー
・ビデオ機能
・ｐＨ値を監視するためのｐＨ計。
【００４４】
方法：
１．タンクに所望の容量まで水を満たす。タンク内の水の各１００Ｌについて、ｐｈｔｈ溶液２１ｍＬを添加する。
２．ミキサーを回してタンク内に均質な環境を確保し、その後、水のサンプルを取り、そしてｐＨを測定する。
３．酸／塩基を添加してｐＨレベルを約６．９に調整する。
４．ビデオをオンにする。タンク内における水の各１００Ｌについて、６ＭのＮａＯＨを４ｍＬ添加する（溶液がピンク色に変化する）。
５．タンクを混合しながら、溶液の色が変化したときに混合パターンを観察し、観察された任意の区域的影響を記録する。完全な混合を達成するのにかかる時間を記録する（ビデオの再生を使用してこの時間をさらに正確に記録する）。ビデオをオフにする。
６．さらに数分間にわたって又は均質な環境を確保するようにタンクを混合する。ビデオをオンにする。タンク内において水各１００Ｌについて、５ＭのＨＣｌを３．４ｍＬ添加する（溶液が透明に変化する）。
７．工程５を繰り返す。
【００４５】
記：
このプロセスを複数の試験のために反復できる。しかし、ｐＨを定期的にチェックして、操作が約６．９〜８．５の範囲内にあることを確認する必要がある（色の変化がｐＨ＝８．２で生じる）。必要に応じてバルクｐＨを調整する。ある程度の時間後、タンクはその緩衝能力に達する可能性があるため、タンクを排水して、再度始動させる必要がある。
【００４６】
表１．これらの混合試験で使用される共通の容量に必要なｐｈｔｈ、酸及び塩基の容量:
【表１】
2018161145.tif 000003
【００４７】
ほとんどの場合、データは、１の標準偏差の信頼区間による３回の試験の平均である。
【００４８】
１０００Ｌでの１３インチインペラ及びＸ字形バッフルについてのパワー入力に対する混合時間に関連する応答曲線を図５に示す。この曲線は、３０秒以下の混合時間の目標が１０Ｗ／ｍ3以上のパワー入力について満たされることを明らかに示す。全ての条件で、Ｘ−バッフルの追加により均一な混合が生じる。
【００４９】
例３
特性評価試験の第２シリーズは、２００Ｌ〜２０００Ｌの全範囲の容量にわたってＸ字形バッフルの有効性を検討した。一定のタンク直径では、容量の変化はアスペクト比の変化に相当し、０．２：１で２００Ｌの最小容量及び２：１で２０００Ｌの最高容量である。図６の結果は、特に、従来のパドルバッフル及びバッフルなしと比較して、このアスペクト比の全範囲にわたるＸ−バッフルの有効性を実証する。
【００５０】
図７は、単にバッフルを有するシステムについてのデータに非常に近い。ここで、Ｘ−バッフルは容量の増加には影響を受けにくく、混合時間は、２００Ｌ〜１０００Ｌの全ての容量にわたって３０秒では比較的一定であることが明らかになった。これは、２００Ｌで３６秒の混合時間を有するパドルバッフルに匹敵し、１０００Ｌで４２秒に対して１５％を超えて増加する。２０００Ｌの最高容量で、Ｘ−バッフルの値は最も明白である。パドルバッフルでは、２００Ｌ〜２０００Ｌの混合時間が１４５％増加するのに対し、Ｘ−バッフルでの増加は６７％に過ぎない。Ｘ−バッフルは、最低アスペクト比及び最高アスペクト比の両方で、システムに一貫した混合性能を与える。
【００５１】
混合時間が１０Ｗ／ｍ3程度に低いパワー入力について３０秒未満のときにこのバイオリアクターのためのプロセスウィンドウを開くことができた。このインペラ／Ｘ−バッフル設計は、約２００Ｌ〜約２０００Ｌの容量、約０．２：１〜約２：１のアスペクト比で少なくとも有効である。
【符号の説明】
【００５２】
１  容器
１０  インペラアセンブリ
１４  基部
１６  可動ブレード
２２  軸方向延長部材
３０  入口
５０  バッフル
５１  第１脚部
５２  第２脚部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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