(57)【要約】  本一式の実施形態は、規模拡縮可能なバイオリアクタシステムを作り出すためのバイオ生産システム、方法、および装置に関する。具体的には、本一式の実施形態は、小さな試験規模のバイオ反応と商業規模のバイオ反応との間で動作パラメータを整合させることにより、商業規模のバイオ反応性能特性を決定することを可能にする。システムおよび方法は、非常に小量と非常に大量との間の流体力学的特性の相違を考慮しないバイオリアクタ装置を、規模にまたがり、単に寸法的に同じものとするのではなく、予測結果を達成するために、さまざまなシステム（混合アセンブリ、スパージャシステム、およびヘッドスペース気流システム）を互いに連動させて調整することを要求する。【選択図】図１
2021511033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験から商業生産に移行するための規模拡縮可能なバイオリアクタシステムであって、
第１の端部、第２の端部、および側壁を有する第１のバイオプロセス容器と、
前記第１のバイオプロセス容器の前記第１の端部と前記第２の端部との間に懸吊された第１の構成可能な混合アセンブリと、
第１の直径を有する第１のインペラであって、前記第１の構成可能な混合アセンブリに第１の位置で取り付けられ、前記第１の直径および前記第１の位置は、一組の動作パラメータを達成するように選択されている、前記第１のインペラと、を備える第１のバイオリアクタと、
第１の端部、第２の端部、および側壁を有する第２のバイオプロセス容器であって、前記第１のバイオプロセス容器と同じ容積ではない、第２のバイオプロセス容器と、
前記第２のバイオプロセス容器の前記第１の端部と前記第２の端部との間に懸吊された第２の構成可能な混合アセンブリと、
前記第１の直径と同じではない第２の直径を有する第２のインペラであって、前記第２の構成可能な混合アセンブリに第２の位置で取り付けられ、前記第２の直径および前記第２の位置は、前記一組の動作パラメータに適合するように選択され、前記動作パラメータは１容積当たりの動力およびインペラ先端速度を含む、前記第２のインペラと、を備える第２のバイオリアクタと、を備える、バイオリアクタシステム。
【請求項２】
前記第１のバイオプロセス容器は、前記第１のバイオプロセス容器の前記第１の端部に固着され、かつ第１の細孔数を有し、各細孔は第１の直径を有する第１のスパージャを含み、前記第２のバイオプロセス容器は、前記第２のバイオプロセス容器の前記第１の端部に固着され、かつ第２の細孔数を有し、各細孔は第２の直径を有する第２のスパージャを含む、請求項１に記載の規模拡縮可能なバイオリアクタシステム。
【請求項３】
前記第１の細孔数は、前記第２の細孔数と同じではなく、前記第１の直径は、前記第２の直径と同じではなく、前記細孔数および細孔サイズは、前記第１のバイオリアクタと前記第２のバイオリアクタとが同じｋＬａを達成するように選択されている、請求項２に記載の規模拡縮可能なバイオリアクタシステム。
【請求項４】
前記第１および第２の位置は、前記第１および第２のスパージャから上昇する気泡を再飛散させるように選択されている、請求項２に記載の規模拡縮可能なバイオリアクタシステム。
【請求項５】
前記第１のバイオリアクタは第１のヘッドスペース気流デバイスを含み、前記第２のバイオリアクタは第２のヘッドスペース気流デバイスを含み、各クロスフロースパージャは、ヘッドスペース全体に異なる気流速度を提供して、前記第１のバイオリアクタと前記第２のバイオリアクタとの間で液相のＣＯ2除去率を５パーセント以内にまで整合させるように動作する、請求項１に記載の規模拡縮可能なバイオリアクタシステム。
【請求項６】
前記第２のバイオリアクタは、前記第１の直径と同じではない第３の直径を有する第３のインペラを含み、前記第３のインペラは、前記第２の構成可能な混合アセンブリに取り付けられ、前記第３の直径および第３の取り付け位置は、前記一組の動作パラメータに適合するように、前記第２の直径および前記第２の位置と併せて選択されている、請求項１に記載の規模拡縮可能なバイオリアクタシステム。
【請求項７】
前記第１のインペラの直径対前記第１のバイオプロセス容器の幅の比は、前記第２のインペラの直径対前記第２のバイオプロセス容器の幅の比と同じではない、請求項１に記載の規模拡縮可能なバイオリアクタシステム。
【請求項８】
前記一組の動作パラメータは、バルク流体流およびＴ９５混合時間をさらに含む、請求項１に記載の規模拡縮可能なバイオリアクタシステム。
【請求項９】
前記一組の動作パラメータは、細胞の最適増殖条件に基づいて選択されている、請求項１に記載の規模拡縮可能なバイオリアクタシステム。
【請求項１０】
前記細胞は、真核性であり、前記インペラ先端速度が増加するにつれて増加するせん断力に感受性である、請求項９に記載の規模拡縮可能なバイオリアクタシステム。
【請求項１１】
前記第１のバイオプロセス容器は、０．１リットル〜５０リットルのベンチ規模容積であり、前記第２のバイオプロセス容器は、５０リットル〜１０，０００リットルの商業容積である、請求項１に記載の規模拡縮可能なバイオリアクタシステム。
【請求項１２】
前記第１および第２のバイオプロセス容器は、長方形の形状であり、前記第１および第２の構成可能な混合アセンブリは、バルク流体流を増加させるために中心軸からオフセットされている、請求項１に記載の規模拡縮可能なバイオリアクタシステム。
【請求項１３】
前記第１および第２のバイオプロセス容器のアスペクト比は、１．５よりも大きい、請求項１に記載の規模拡縮可能なバイオリアクタシステム。
【請求項１４】
前記第１のバイオプロセス容器は、１．５〜２のアスペクト比を有し、前記第２のバイオプロセス容器は、１．７５〜４のアスペクト比を有する、請求項１に記載の規模拡縮可能なバイオリアクタシステム。
【請求項１５】
異なる容積を有するバイオリアクタ間の流体混合特性を一致させる方法であって、
一組の動作パラメータを有する第１のバイオリアクタを選択することであって、前記第１のバイオリアクタは、
第１の端部、第２の端部、および側壁を有する第１のバイオプロセス容器と、
前記第１のバイオプロセス容器の前記第１の端部と前記第２の端部との間に懸吊された第１の構成可能な混合アセンブリとを備える、選択することと、
第１の直径を有する第１のインペラを選択することと、
前記第１のインペラを前記構成可能な混合アセンブリに取り付けることであって、前記第１の直径および前記取り付け位置は、前記動作パラメータに適合するように選択される、取り付けることと、
第１の端部、第２の端部、および側壁を有する第２のバイオプロセス容器であって、前記第１のバイオプロセス容器と同じ容積ではない、前記第２のバイオプロセス容器と、
前記第２のバイオプロセス容器の前記第１の端部と前記第２の端部との間に懸吊された第２の構成可能な混合アセンブリと、を備える第２のバイオリアクタを選択することと、
前記第１の直径と同じではない第２の直径を有する第２のインペラを選択することと、
前記第２のインペラを前記第２の構成可能な混合アセンブリに取り付けることであって、前記第２の直径および前記第２の取り付け位置は、前記一組の動作パラメータに適合するように選択され、前記一組の動作パラメータは、１容積当たりの動力およびインペラ先端速度を含む、取り付けることと、を含む方法。
【請求項１６】
前記第１の直径と同じではない前記第３の直径を有する第３のインペラを選択し、前記第３のインペラを前記第２の構成可能な混合アセンブリに取り付けるステップをさらに含み、前記第３の直径および前記第３の取り付け位置は、前記一組の動作パラメータに適合するように、前記第２の直径および前記第２の取り付け位置と併せて選択される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第３のインペラを追加するステップは、前記第１および第２のバイオリアクタにおいて１容積当たりの動力およびインペラ先端速度を維持するのに必要な前記第２および第３のインペラの先端速度を低下させる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１のインペラの直径対前記第１のバイオプロセス容器の幅の比は、前記第２のインペラの直径対前記第２のバイオプロセス容器の幅の比と同じではない、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記一組の動作パラメータは、バルク流体流およびＴ９５混合時間をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記一組の動作パラメータは、細胞の最適増殖条件に基づいて選択される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記細胞は、真核性であり、前記インペラ先端速度が増加するにつれて増加するせん断に感受性である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１のバイオプロセス容器は、０．１リットル〜５０リットルのベンチ規模容積であり、前記第２のバイオプロセス容器は、５０リットル〜１０，０００リットルの商業容積である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１および第２のバイオプロセス容器は、長方形の形状であり、前記第１および第２の構成可能な混合アセンブリは、バルク流体流を増加させるために中心軸からオフセットされている、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１および第２のバイオプロセス容器のアスペクト比は、１．５よりも大きい、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
異なる容積を有するバイオリアクタ間の流体混合特性を一致させる方法であって、
動作パラメータを有する第１のバイオリアクタを選択することであって、前記第１のバイオリアクタは、
第１の端部、第２の端部、および側壁を有する第１のバイオプロセス容器と、
前記第１のバイオプロセス容器の前記第１の端部と前記第２の端部との間に懸吊された第１の構成可能な混合アセンブリとを備える、選択することと、
第１の細孔数を有する第１のスパージャを選択することであって、前記細孔は第１の直径を有し、前記第１の数および第１の直径は、前記動作パラメータに適合するように選択され、前記第１のスパージャは前記第１の端部に固着される、選択することと、
第１の端部、第２の端部、および側壁を有する第２のバイオプロセス容器であって、前記第２のバイオプロセス容器のアスペクト比は、前記第１のバイオプロセス容器のアスペクト比と同じではない、第２のバイオプロセス容器と、
前記第２のバイオプロセス容器の前記第１の端部と前記第２の端部との間に懸吊された第２の構成可能な混合アセンブリとを備える、第２のバイオリアクタを選択することと、
第２の細孔数を有する第２のスパージャを選択することであって、前記細孔は第２の直径を有し、前記第２のスパージャは前記第２のバイオプロセス容器の前記第１の端部に固着される、選択することと、を含む方法であって、
前記第２の細孔数と前記第１の細孔数とは同じではなく、前記第２の直径と前記第１の直径とは同じではなく、前記第２の細孔数および第２の直径は、前記動作パラメータを５パーセント以内にまで整合させるように選択され、前記動作パラメータはｋＬａである、方法。
【請求項２６】
前記第１のバイオリアクタは第１のヘッドスペース気流デバイスを含み、前記第２のバイオリアクタは第２のヘッドスペース気流デバイスを含み、各ヘッドスペース気流デバイスは、ヘッドスペース全体に異なる気流速度を提供して、前記動作パラメータを整合させるように動作する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
第２のインペラを前記第２の混合アセンブリに取り付けるステップをさらに含み、前記第２のインペラは、前記第２のスパージャから上昇する気泡を再飛散させるように構成され、前記第２の数および第２の細孔サイズと併せた前記スパージャおよび第２のインペラの位置は、前記動作パラメータに適合するように選択される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１のバイオプロセス容器のアスペクト比は、１．５〜２であり、前記第２のバイオプロセス容器のアスペクト比は、１．７５〜４である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１のバイオプロセス容器は、０．１リットル〜５０リットルのベンチ容積であり、前記第２のバイオプロセス容器は、５０リットル〜１０，０００リットルの商業容積である、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１および第２のバイオプロセス容器は、長方形の形状であり、前記第１および第２の混合アセンブリは、所望のｋＬａを達成するために中心軸からオフセットされている、請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
ｋＬａは、Ｏ2を指す、請求項２５に記載の方法。
【請求項３２】
ｋＬａは、ＣＯ2を指す、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年７月３１日に出願された米国仮出願第６２／７１２，３４３号、２０１８年５月１４日に出願された米国仮出願第６２／６７０，９３４号、および２０１８年１月１７日に出願された米国仮出願第６２／６１８，２１５号の優先権を主張し、どちらも特定の参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【背景技術】
【０００２】
バイオ医薬品業界では、培地や緩衝液の調製、細胞や微生物の増殖、混合、懸濁などのさまざまなプロセスに、幅広い混合システムを使用している。バイオリアクタや発酵槽を含むいくつかの従来の混合システムは、剛性の支持ハウジング内に配置された可撓性のバッグを備えている。インペラが、可撓性バッグ内に配置され、駆動シャフトと連結される。駆動シャフトとインペラの回転により、可撓性バッグ内の流体の混合および／または懸濁が容易になる。
【０００３】
科学者およびエンジニアは、細胞培養物増殖のための無菌で十分に制御された環境を提供できるだけでなく、研究から製造規模への堅牢な規模拡大の解決策を提供できる撹拌槽型リアクタの作成に取り組んできた。従来の優れたエンジニアリング原則が、線形幾何学的規模拡縮アプローチに基づいてリアクタを設計するように適用されてきた（すなわち、容器は、同様の高さ／直径比および同様のインペラ／槽直径比を有する）。これは多くの場合かなりうまく機能するが、操作員は通常、規模拡大を通じて再現可能な結果を得るために、運用設定を選択する最善の方法として、多くの複雑な決定を行わなければならない。これは２相の、代謝に基づくシステムであるため、ほとんどの動作パラメータは動的に相互作用し、応答が非線形になることがよくあり、最適なパラメータの選択とプロセスの結果とは、多くの場合、予測不可能であり、コストがかかり、操作員レベルで適切に対処するには時間がかかりすぎる。
【０００４】
バイオ医薬品製造の当業者は、大規模バイオリアクタで見られる生理学的増殖条件をシミュレートまたは理想的に再現できる優れた規模拡大モデルおよび規模縮小モデルを有することの重要性を認識している。規模縮小モデルの重要性の理由は、多くの場合、複数のパラメータをすばやくスクリーニングする必要性に関連しており（細胞クローン、培地、重要な動作パラメータ、または産生物品質の最適化）、十分に制御された条件下で、より低コストで、より少ない労力で、幅広い実験を実行できることは有益である。優れた規模縮小モデルは、小規模で前もって特定されなかった問題が大規模で発生する可能性がはるかに低くなるという点で、所望のプロセスのリスクを軽減する。
【０００５】
大型バイオリアクタは２相システム（気体ベースおよび液体ベース）であるため、主に、気体タイプの溶解度の違いのために、そして、規模にまたがって影響を受ける粘性、せん断、密度、および表面相互作用のために、システムの流体力学および／または物理特性が非常に動的（非線形）であることから、予測可能な方法で規模縮小するのは困難である。従来のバイオリアクタの設計を使用しても、バルク動力消失率は同様である可能性があるが、結果として得られるバルク流および測定混合時間は、すべての規模にまたがってほとんど同じであることはめったにない。その結果、大規模で見られるのと同じｐＨ、栄養素、ガス濃度、またはせん断の勾配が、小規模バイオリアクタで作成された単一動作状態下では容易に再現されないため、小規模システムでは問題とは見なされなかった問題が大規模で発生することがよくある。
【０００６】
現在採用されている主な設計方法は、システムの幾何学的比率の規模拡縮（槽の高さ対直径の比およびインペラ対直径の比）であり、これは、１）ほぼ一定のインペラ先端速度、または２）ほぼ一定のＰ／Ｖ（容積に対する動力入力）と併せて操作される。これらのアプローチは、ガスが供給されている間、操作員が回転攪拌機ベースのシステムにおける動力学および物質移動の非線形性の一部を補償できるため、合理的に成功している。一方、せん断は従来、インペラの先端速度に基づいて基準化される（先端速度はインペラ直径の２乗の関数である）。動力伝達は速度と直径（および部分的にインペラの形状）の非線形関数であるため、実際の機械設計の規模拡大の制限を満たす（動力要件が規模にまたがって妥当な大きさ内にあることを意味する）のに適しているため、容積に対する動力入力がより頻繁に使用される。
【０００７】
リアクタの一般的な設計がわかったところで、一般的な慣行では、２つの重要なプロセスパラメータの１つに焦点を当てる。段階１の目標定数を選択する−せん断に感受性である培養物ではインペラ先端速度が使用されることが多く、せん断に耐性のある培養物では、容積に対する動力入力（Ｐ／Ｖ）が使用されることが多い。混合効率は、選択された規模パラメータに関係なく重要であり、最も良いのは、規模にまたがって同様または少なくとも妥当なブレンド時間が達成可能であることを立証することであり（３０秒未満のＴ９０混合時間が最も望ましいが、水ベースの流体に固有のバルク流体混合消失問題のため、規模にまたがって達成できないことがよくある）。次いで、第２の段階の目標は、ｐＨ制御および溶存ガスに結び付けられることが多い−酸素の物質移動ｋＬａ（一次的）および二酸化炭素のｋＬａ（二次的）。一部のシステムは、計算流体力学（ＣＦＤ）を使用してさらに最適化される。これは、インペラの動力数（Ｎｐ）を決定するため、およびシステム内の流体流プロファイルをモデル化するための優れた方法である。動力伝達を推定して、システムに伝達される（混合）動力の量を予測するために使用できる。計算モデルまたはハイブリッドモデル（ＲＰＴ）は、流体場の方向、速度、および局所的せん断状態も予測できる。
【０００８】
十分な知識を有する操作員は、システムが適切に設計されている場合、容認可能な結果を達成するのに非常に成功することが多いが、特に規模拡大または別の場所への移転の一部として異なるシステム間でプロセス移行を容易にする必要がある場合は、プロセス全体が、不明で時間のかかるトラブルシューティングを抱えることがよくある。
【０００９】
見落とされがちな課題は、システムのバルク流体流と、これが規模にまたがってどのように変化するかである。流体は変位し、速度は規模にまたがって線形ではないため、液体の動きの混合プロファイルは、容積、先端速度、および直径にだけ基づいて変化するのではない。それはまた、リアクタ内の空間動力分布にも依存する。実際には、設計では、小容量システムの局所的混合性能を低下させて、大規模システムのバルク混合および物質移動性能に一致させる必要がある。優れた設計では、混合または容器の回転におけるある程度のランダム性が有益であるため、設計においてバッフル作用または流れかく乱体の効果を考慮に入れる。
【発明の概要】
【００１０】
１つの態様では、試験から商業生産に移行するための規模拡縮可能なバイオリアクタシステムが開示される。システムは、第１の端部、第２の端部、および側壁を有する第１のバイオプロセス容器と、第１のバイオプロセス容器の第１の端部と第２の端部との間に懸吊された第１の構成可能な混合アセンブリと、第１の直径を有する第１のインペラであって、第１の構成可能な混合アセンブリに第１の位置で取り付けられ、第１の直径および第１の位置は、一組の動作パラメータを達成するように選択されている、第１のインペラと、を備える第１のバイオリアクタと、第１の端部、第２の端部、および側壁を有する第２のバイオプロセス容器であって、第１のバイオプロセス容器と同じ容積ではない、第２のバイオプロセス容器と、第２のバイオプロセス容器の第１の端部と第２の端部との間に懸吊された第２の構成可能な混合アセンブリと、第１の直径と同じではない第２の直径を有する第２のインペラであって、第２の構成可能な混合アセンブリに第２の位置で取り付けられ、第２の直径および第２の位置は、一組の動作パラメータに適合するように選択され、動作パラメータは１容積当たりの動力およびインペラ先端速度を含む、第２のインペラと、を備える第２のバイオリアクタと、を含み得る。いくつかの実施形態では、第１のバイオプロセス容器は、第１のバイオプロセス容器の第１の端部に固着され、かつ第１の細孔数を有する第１のスパージャを含み、各細孔は第１の直径を有し、第２のバイオプロセス容器は、第２のバイオプロセス容器の第１の端部に固着され、かつ第２の細孔数を有する第２のスパージャを含み、各細孔は第２の直径を有する。いくつかの実施形態では、第１の細孔数は、第２の細孔数と同じではなく、第１の直径は、第２の直径と同じではなく、細孔数および細孔サイズは、第１のバイオリアクタと第２のバイオリアクタとが同じｋＬａを達成するように選択されている。いくつかの実施形態では、第１および第２の位置は、第１および第２のスパージャから上昇する気泡を再飛散させるように選択されている。いくつかの実施形態では、第１のバイオリアクタは第１のヘッドスペース気流デバイスを含み、第２のバイオリアクタは第２のヘッドスペース気流デバイスを含み、各クロスフロースパージャは、ヘッドスペース全体に異なる気流速度を提供して、第１のバイオリアクタと第２のバイオリアクタとの間で液相のＣＯ2除去率を５パーセント以内にまで整合させるように動作する。いくつかの実施形態では、第２のバイオリアクタは、第１の直径と同じではない第３の直径を有する第３のインペラを含み、第３のインペラは、第２の構成可能な混合アセンブリに取り付けられ、第３の直径および第３の取り付け位置は、一組の動作パラメータに適合するように、第２の直径および第２の位置と併せて選択されている。いくつかの実施形態では、第１のインペラの直径対第１のバイオプロセス容器の幅の比は、第２のインペラの直径対第２のバイオプロセス容器の幅の比と同じではない。いくつかの実施形態では、一組の動作パラメータは、バルク流体流およびＴ９５混合時間をさらに含む。いくつかの実施形態では、一組の動作パラメータは、細胞の最適増殖条件に基づいて選択さ��ている。いくつかの実施形態では、細胞は、真核性であり、インペラ先端速度が増加するにつれて増加するせん断力に感受性である。いくつかの実施形態では、第１のバイオプロセス容器は、０．１リットル〜５０リットルのベンチ規模容積であり、第２のバイオプロセス容器は、５０リットル〜１０，０００リットルの商業容積である。いくつかの実施形態では、第１および第２のバイオプロセス容器は、長方形の形状であり、第１および第２の構成可能な混合アセンブリは、バルク流体流を増加させるために中心軸からオフセットされている。いくつかの実施形態では、第１および第２のバイオプロセス容器のアスペクト比は、１．５よりも大きい。いくつかの実施形態では、第１のバイオプロセス容器は、１．５〜２のアスペクト比を有し、第２のバイオプロセス容器は、１．７５〜４のアスペクト比を有する。
【００１１】
１つの態様では、異なる容積を有するバイオリアクタ間の流体混合特性を一致させる方法が開示される。方法は、一組の動作パラメータを有する第１のバイオリアクタを選択することであって、第１のバイオリアクタは、第１の端部、第２の端部、および側壁を有する第１のバイオプロセス容器と、第１のバイオプロセス容器の第１の端部と第２の端部との間に懸吊された第１の構成可能な混合アセンブリとを有する、選択することを含み得る。方法は、第１の直径を有する第１のインペラを選択することと、第１のインペラを構成可能な混合アセンブリに取り付けることであって、第１の直径および取り付け位置は、動作パラメータに適合するように選択される、取り付けることと、を含み得る。方法は、第１の端部、第２の端部、および側壁を有する第２のバイオプロセス容器であって、第１のバイオプロセス容器と同じ容積ではない、第２のバイオプロセス容器と、第２のバイオプロセス容器の第１の端部と第２の端部との間に懸吊された第２の構成可能な混合アセンブリと、を備える第２のバイオリアクタを選択することを含み得る。方法は、第１の直径と同じではない第２の直径を有する第２のインペラを選択することと、第２のインペラを第２の構成可能な混合アセンブリに取り付けることであって、第２の直径および第２の取り付け位置は、一組の動作パラメータに適合するように選択され、一組の動作パラメータは、１容積当たりの動力およびインペラ先端速度を含む、取り付けることと、を含み得る。方法は、第１の直径と同じではない第３の直径を有する第３のインペラを選択し、第３のインペラを第２の構成可能な混合アセンブリに取り付けるステップをさらに含み得、第３の直径および第３の取り付け位置は、一組の動作パラメータに適合するように、第２の直径および２の取り付け位置と併せて選択される。いくつかの実施形態では、第３のインペラを追加するステップは、第１および第２のバイオリアクタにおいて１容積当たりの動力およびインペラ先端速度を維持するのに必要な第２および第３のインペラ先端速度を低下させる。いくつかの実施形態では、第１のインペラの直径対第１のバイオプロセス容器の幅の比は、第２のインペラの直径対第２のバイオプロセス容器の幅の比と同じではない。いくつかの実施形態では、一組の動作パラメータは、バルク流体流およびＴ９５混合時間をさらに含む。いくつかの実施形態では、一組の動作パラメータは、細胞の最適増殖条件に基づいて選択される。いくつかの実施形態では、細胞は、真核性であり、インペラ先端速度が増加するにつれて増加するせん断に感受性である。いくつかの実施形態では、第１のバイオプロセス容器は、０．１リットル〜５０リットルのベンチ規模容積であり、第２のバイオプロセス容器は、５０リットル〜１０，０００リットルの商業容積である。いくつかの実施形態では、第１および第２のバイオプロセス容器は、長方形の形状であり、第１および第２の構成可能な混合アセンブリは、バルク流体流を増加させるために中心軸からオフセットされている。いくつかの実施形態では、第１および第２のバイオプロセス容器のアスペクト比は、１．５よりも大きい。
【００１２】
１つの態様では、異なる容積を有するバイオリアクタ間の流体混合特性を一致させる方法が開示される。方法は、動作パラメータを有する第１のバイオリアクタを選択することであって、第１のバイオリアクタは、第１の端部、第２の端部、および側壁を有する第１のバイオプロセス容器と、第１のバイオプロセス容器の第１の端部と第２の端部との間に懸吊された第１の構成可能な混合アセンブリとを備える、選択することを含み得る。方法は、第１の細孔数を有する第１のスパージャを選択するステップであって、細孔は第１の直径を有し、第１の数および第１の直径は、動作パラメータに適合するように選択され、第１のスパージャは第１の端部に固着されるステップを含み得る。方法は、第１の端部、第２の端部、および側壁を有する第２のバイオプロセス容器であって、第２のバイオプロセス容器のアスペクト比は、第１のバイオプロセス容器のアスペクト比と同じではない、第２のバイオプロセス容器と、第２のバイオプロセス容器の第１の端部と第２の端部との間に懸吊された第２の構成可能な混合アセンブリとを備える、第２のバイオリアクタを選択するステップを含み得る。方法は、第２の細孔数を有する第２のスパージャを選択するステップであって、細孔は第２の直径を有し、第２のスパージャは第２のバイオプロセス容器の第１の端部に固着されるステップを含み得、第２の細孔数と第１の細孔数とは同じではなく、第２の直径と第１の直径とは同じではなく、第２の細孔数および第２の直径は、動作パラメータを５パーセント以内にまで整合させるように選択され、動作パラメータはｋＬａである。いくつかの実施形態では、第１のバイオリアクタは第１のヘッドスペース気流デバイスを含み、第２のバイオリアクタは第２のヘッドスペース気流デバイスを含み、各ヘッドスペース気流デバイスは、ヘッドスペース全体に異なる気流速度を提供して、動作パラメータを整合させるように動作する。方法は、第２のインペラを第２の混合アセンブリに取り付けるステップをさらに含み得、第２のインペラは、第２のスパージャから上昇する気泡を再飛散させるように構成され、第２の数および第２の細孔サイズと併せたスパージャおよび第２のインペラの位置は、動作パラメータに適合するように選択される。いくつかの実施形態では、第１のバイオプロセス容器のアスペクト比は、１．５〜２であり、第２のバイオプロセス容器のアスペクト比は、１．７５〜４である。いくつかの実施形態では、第１のバイオプロセス容器は、０．１リットル〜５０リットルのベンチ容積であり、第２のバイオプロセス容器は、５０リットル〜１０，０００リットルの商業容積である。いくつかの実施形態では、第１および第２のバイオプロセス容器は、長方形の形状であり、第１および第２の混合アセンブリは、所望のｋＬａを達成するために中心軸からオフセットされている。
【００１３】
特定の要素または行為の説明を簡単に特定するために、参照番号の最上位の数字は、その要素が最初に導入された図の番号を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】１つの実施形態による混合システム１００を示す。
【図２】１つの実施形態による混合システム２００を示す。
【図３】１つの実施形態による可撓性コンパートメント３００を示す。
【図４】１つの実施形態による、可撓性コンパートメント４０２およびらせん形アセンブリ４２６を含む混合システム４００を示す。
【図５】１つの実施形態によるらせん形アセンブリ５００の分解図を示す。
【図６】１つの実施形態による、可撓性容器６０４およびスパージャを含む混合システム６００を示す。
【図７】１つの実施形態によるスパージャ７００の設計を示す。
【図８】１つの実施形態によるスパージャ８００を示す。
【図９】１つの実施形態による、可撓性コンパートメント９０２およびオフセット駆動シャフト９１０を含む混合システム９００を示す。
【図１０】１つの実施形態による、オフセットされかつ角度の付いた駆動シャフト９１０を有する可撓性コンパートメント９０２を含む混合システム１０００を示す。
【図１１】１つの実施形態によるガス送達システムを含む混合システム１１００を示す。
【図１２】１つの実施形態によるガス送達システム１２００を示す。
【図１３】単一のインペラの実施形態による気泡軌道を示す混合システム１３００を示す。
【図１４】準最適に配置されたスパージャを有する気泡軌道を示す混合システム１４００を示す。
【図１５】準最適に配置された第２のインペラを有する気泡軌道を示す混合システム１５００を示す。
【図１６】最適に配置されたスパージャとインペラのセットとを有する気泡軌道を示す混合システム１６００を示す。
【図１７】１つの実施形態によるスパージャレイアウト１７００を示す。
【図１８Ａ】１つの実施形態による、異なるスパージャ位置を使用したガス分配パターンを示す。
【図１８Ｂ】１つの実施形態による、異なるスパージャ位置を使用したガス分配パターンを示す。
【図１８Ｃ】１つの実施形態による、異なるスパージャ位置を使用したガス分配パターンを示す。
【図１８Ｄ】１つの実施形態による、異なるスパージャ位置を使用したガス分配パターンを示す。
【図１８Ｅ】１つの実施形態による、異なるスパージャ位置を使用したガス分配パターンを示す。
【図１８Ｆ】１つの実施形態による、異なるスパージャ位置を使用したガス分配パターンを示す。
【図１９】１つの実施形態による、さまざまなスパージャ位置から生じるガスからの気泡滞留時間１９００を示す。
【図２０】１つの実施形態による、さまざまなスパージャ位置を使用するｋＬａ動向２０００を示す。
【図２１】さまざまな実施形態によるスパージャ性能２１００を示す。
【図２２】容積規模にまたがる混合一貫性２２００を示す。
【図２３】１つの実施形態による、適合動作パラメータチャート２３００を示す。
【図２４】異なる容積を有するバイオリアクタ間で流体混合特性を一致させる方法を示す。
【図２５】異なる容積を有するバイオリアクタ間で流体混合特性を一致させる方法を示す。
【図２６】異なる容積を有するレガシーバイオリアクタ間のＫスコアの比較を示す。
【図２７】規模にまたがるｋＬａ比較データを示す。
【図２８】本明細書に記載のシステムにおける規模間の予測Ｋスコアを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
説明
バイオリアクタ規模拡縮のためのシステム、方法、および装置の実施形態を、添付の記述および図において説明する。図には、特定の実施形態の完全な理解を提供するために、多くの特定の詳細が示されている。当業者は、本明細書に記載の規模拡縮可能なバイオリアクタシステムおよび方法が、細胞培養産生物を実験室またはベンチ規模から商業規模生産に至らしめることを含むがこれらに限定されない、さまざまな用途に使用され得ることを理解することができるであろう。さらに、当業者は、特定の実施形態がこれらの特定の詳細なしで実施され得ることを理解するであろう。さらに、当業者であれば、方法が提示および実行される特定の順序は例示的であり、順序は変更されてもよく、それでもなお所定の実施形態の趣旨および範囲内に収まり得ると考えられることを容易に理解するであろう。
【００１６】
本発明の教示を多様な実施形態と併せて記載するが、本発明の教示をかかる実施形態に限定することを意図していない。対照的に、本発明の教示は、当業者が理解し得る場合、多様な変更例、変形例、および等価物を包含する。
【００１７】
さらに、記載されるさまざまの実施形態において、本明細書は、方法および／またはプロセスを特定の順序のステップとして示している場合がある。しかしながら、本方法またはプロセスが本明細書に記載された特定の順序のステップに依存しない限り、本方法またはプロセスは、記載された特定の順序のステップに限定されるべきではない。当業者であれば理解するであろうように、他の順序のステップが可能であり得る。したがって、本明細書に記載された特定の順序のステップを、特許請求の範囲に対する限定として解釈するべきではない。加えて、方法および／またはプロセスを対象とする特許請求の範囲は、それらのステップを記載された順序で実行することに限定されるものではなく、当業者であれば、順序が変更されてもよく、それでもなおさまざまな実施形態の趣旨および範囲内に収まり得ることを容易に理解するであろう。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態が本明細書において示され、記載されてきたが、かかる実施形態が単に例として提供されることは、当業者には明らかであろう。多くの変化形、変更、および置換が本発明から逸脱することなく当業者に思いつくであろう。本明細書に記載される本発明の実施形態の種々の代替物が本発明の実施に用いられ得ることを理解されたい。以下の特許請求の範囲は、本発明の範囲を定義し、これらの特許請求の範囲の範囲内の方法および構造ならびにそれらの等価物がそれにより網羅されることが意図される。
【００１９】
本明細書に記載の発明は、規模間でハードウェアを変更して２つ以上の規模間で同様の混合プロファイルおよび増殖条件を達成することにより、バイオ生産スペースの製造者が前述の生理学的増殖条件を予測できるようにする、規模拡縮可能なバイオリアクタシステムおよび一連の方法である。例えば、規模拡縮されたバイオリアクタシステムは、２つ以上の規模間で、槽の形状、インペラのサイズおよび数、インペラ対槽の直径（幅）の比、スパージング設計、およびＣＯ2ブランケット除去システムを変更することにより、同様のバルク流体、インペラ先端における同様のせん断力、および同様の１容積当たりの動力入力を達成する、２つ以上の異なるサイズのバイオリアクタを含み得る。言い換えると、本発明における２つ以上のバイオリアクタは、ベンチトップ規模を含む小規模において、商業規模バイオ生産システムに対する予測を行うために、同様の混合プロファイルおよび増殖条件をなおも達成しながら、非常に異なる物理的特性を有することができる。
【００２０】
局所的なせん断の大きさ、混合力消失率、およびバルク流体流はすべて、規模拡大設計でより完全に対処する必要がある。これは、インペラの動力配分を最適化する（大型容器ではインペラの数を増やす）ことで行うことができる。インペラがどのくらいの間隔で設置されるか制限を設ける（容積が増加するにつれて数を増やす）か、またはＣＦＤまたはＲＰＴモデルを使用してバルク流体混合特性を最適化し、インペラのサイズまたは形状（形状は必須ではないが、攪拌機の流体運動によって作り出される流体力学的（渦）プロファイルに一致させるために、掃引領域、ブレード形状、表面テクスチャ特性、または直径のいずれか）も変更することによる。主要な目標は、同様のＰ／Ｖ、バルク流、Ｔ９５混合時間を果たしながら、少なくとも３種の容積規模でほぼ同一の最大せん断レベルを達成し、そうしながら、細胞培養物のための合理的な動力入力値を有し、非常に大きな作業容量（＞１０００Ｌ）で起こり得る、細胞培養物感度によって課される実用制限内にあることである。本明細書に記載の発明は、せん断分布が類似しており、バルク流体の動きがほぼ同一であるため、リアクタ規模拡大が、規模にまたがってより予測可能であり、したがってより容易に／論理的に調整されることを可能とする。本発明の目的は、細胞系、流体タイプ、細胞密度、または培地調製を変更する際に固有の影響を受ける細胞培養プロセス感度の広範なばらつきの故に現在存在する満たされていないニーズに対処することである。
【００２１】
本明細書の方法は、せん断分布がより類似しており、バルク流体の動きがほぼ同一であるため、リアクタ規模拡大の設計および特性評価の所望の結果が、規模にまたがってより予測可能であり、したがってより容易に／論理的に調整されるように設計されている。本明細書の目的は、細胞系、液体タイプ、細胞密度、または培地調製を変更する際に固有の影響を受ける細胞培養プロセス感度の広範なばらつきの故に現在存在する満たされていないニーズに対処することである。
【００２２】
非円形容器に関しては、中心線からオフセットされた中央駆動攪拌機を備えた長方形容器を使用することは、多くの理由で有益である。これらの２つのジオメトリ（非正方形および非中心）の不均衡設計により、システム内でバッフル効果が改善され、望ましい混合ターンオーバー（バルク流）が生成され得る。本発明者らのデータは、性能測定を通して物質移動および混合性能が改善されるという考えを裏付け、同様の作業容量において円形設計と比較したｋＬａおよび混合において、２倍を超える改善を示した。先端速度およびＰ／Ｖを適合させるようにインペラの規模を拡縮すると、容器の定格作業容量が減少するにつれて、比例してより小さいインペラとなる。これは、より小規模で発生する流体力学の固有の変化を補償する助けとなる（比例してより大きいインペラと容器壁との間隙は、大規模システムのそれをはるかに表すバルク流を促進および誘導する）。次いで、これらの混合設計の特徴は、最適なスパージング位置と組み合わされ、これが、大規模でのバイオリアクタ効率を劇的に高めることになる。２相混合効率の利得により、液体カラム内の気泡滞留時間が増加し、複数のインペラによる気泡分布が全体的に改善され、これらは、どちらも、物質移動性能を大幅に改善させることが知られている非常に望ましい属性である。
【００２３】
図１は、さまざまな実施形態による流体混合システム１００を示す。混合システム１００は、概して、剛性ハウジング１０２と、剛性ハウジング１０２に取り付けられたモータ１０４と、駆動シャフト１２０を介してモータ１０４と回転連通し、可撓性コンパートメント１１８の内部に回転運動を提供する第１の軸受アセンブリ１０６と、ドア１１０を剛性ハウジング１０２に固定し、可撓性コンパートメント１１８用の筐体を提供するヒンジ１０８と、剛性ハウジング１０２をそこに取り付けるための剛性ハウジング支持体１１２と、剛性ハウジング支持体１１２に固着され、混合に可動性を提供する支持ホイール１１４とを備える。剛性ハウジング１０２は、１つ以上のポート２２８および可撓性コンパートメント２１８からの第２の軸受アセンブリ２２２を保持するための、剛性ハウジング床１２４に切り込まれた剛性ハウジング開口部１２２を有し得る。いくつかの実施形態では、剛性ハウジングは、所定の位置に固定され得、支持ホイール１１４を必要としない。そのような実施形態では、剛性ハウジング支持部１１２は、ボルトにボルト固定されてもよいし、または単に剛性ハウジング１０２の重量によって所定の位置に保持されてもよい。
【００２４】
図２は、さまざまな実施形態による流体混合システム２００の断面図を示す。混合システム２００は、第１の軸受アセンブリ２０４を介して可撓性コンパートメント２１８の内部と無菌回転連通している駆動シャフト１２０を有する剛性ハウジング２０８に取り付けられたモータ２０２を備える。混合システム２００はまた、可撓性コンパートメント２１８の第１の端部２３４と第２の端部２３６との間にドライブライン２０６を懸吊するように作用する、ヨーク２３０およびヨーク／インペラ２３２からなるらせん形アセンブリ２１４も備える。ヨーク／インペラ２３２は、第２の軸受アセンブリ２２２に取り付けられて、可撓性コンパートメント２１８の反対側の端部において、らせん形アセンブリ２１４に回転運動を提供し得る。可撓性コンパートメント２１８内の流体に混合を提供するために、１つ以上のインペラ２１６がらせん形アセンブリ２１４に取り付けられ得る。剛性ハウジング２０８内への可撓性コンパートメント２１８の設置を容易にするために、プルハンドル２２０が、可撓性コンパートメント２１８の第２の端部２３６に、そしていくつかの実施形態では第２の軸受アセンブリ２２２上に取り付けられ得る。混合システム２００に可動性を提供するために、剛性ハウジング２０８は、剛性ハウジング支持体２２４に取り付けられ得、支持ホイール２２６が、剛性システム支持体２２４に取り付けられ得る。さまざまな実施形態において、可撓性コンパートメント２１８は、剛性ハウジング床１２４、２３８を貫いて突出し得る少なくとも１つのポート２２８をさらに備える。
【００２５】
さまざまな実施形態において、ユーザは、可撓性コンパートメント１１８、２１８を容易に設置するために、剛性ハウジング１０２、２０８へのドア１１０を開くことができる。図１に見られるように、ドア１１０が開位置に動くと、剛性ハウジング１０２、２０８の上面１２６は、正面が完全に開き得る。上面１２６は、背部と、ドアに向かって延びる２つの側部とを含む「Ｕ」字形外周形状を作り得る。ドア１１０が開いた構成にある間、可撓性コンパートメント１１８、２１８が、剛性ハウジング１０２、２０８のチャンバ内に移され得る。次いで、可撓性コンパートメント１１８、２１８の第１の端部１１６、２３４に配置された第１の軸受アセンブリ１０６、２０４が、駆動シャフト１２０、２４０に挿入され得る。可撓性コンパートメント１１８、２１８を駆動シャフト１２０に取り付けることに関する追加の開示が、２０１６年１２月２８日に出願されたＵＳ２０１７−０１８３６１７に見られ得、その全体は特定の参照により本明細書に組み込まれるものとする。剛性ハウジング１０２、２０８に取り付けられたハンガー（図示せず）を、可撓性コンパートメント１１８、２１８上のループ（図示せず）に引っ掛けて、可撓性コンパートメント１１８、２１８を剛性ハウジング１０２、２０８の上面１２６にさらに固定してもよい。可撓性コンパートメント１１８、２１８の第１の端部１１６が剛性ハウジング１０２、２０８の上面１２６にいったん固定されると、第２の端部２３６は、剛性ハウジング床１２４、２３８内にスライドし得る。さまざまな実施形態において、可撓性コンパートメント１１８、２１８は、可撓性コンパートメント１１８、２１８の第２の端部２３６の外側から突出する１つ以上のポート２２８および第２の軸受アセンブリ２２２を備える。剛性ハウジング床１２４、２３８の剛性ハウジング開口部１２２は、１つ以上のポート２２８および第２の軸受アセンブリ２２２を受容するように構成され、それにより、可撓性コンパートメント１１８、２１８の第２の端部２３６を剛性ハウジング１０２、２０８の剛性ハウジング床１２４、２３８に固定する。いくつかの実施形態では、クロージャ（図示せず）が、剛性ハウジング開口部１２２を覆って、１つ以上のポート２２８および第２の軸受アセンブリ２２２を剛性ハウジング１０２、２０８の剛性ハウジング床１２４、２３８にさらに固定することができる。さまざまな実施形態において、ユーザは、可撓性コンパートメント１１８、２１８の第２の端部２３６に配置されたプルハンドル２２０を握って、可撓性コンパートメント１１８、２１８を剛性ハウジング１０２、２０８内の適所に引き込むことができる。
【００２６】
さまざまな実施形態において、設置が完了すると、混合を必要とし得る流体が、無菌可撓性コンパートメント１１８、２１８内に供給され得る。モータ１０４、２０２が、コントローラ（図示せず）を使用して作動され得、次いで、第１の軸受アセンブリ１０６に前もって挿入された駆動シャフト１２０、２４０を回転させ得る。いくつかの実施形態では、モータ１０４、２０２から突出して無菌可撓性コンパートメント１１８、２１８内に至る単一の駆動シャフト１２０、２４０が存在し得、他の実施形態では、第１の軸受アセンブリ１０６は閉鎖され、第１の軸受アセンブリ１０６から延びる第２の駆動シャフト部分２４２を有する。さまざまな実施形態において、駆動シャフト１２０または第２の駆動シャフト部分２４２は、ドライブライン２０６の第１のライン２１０および第２のライン２１２を離間させるように働くヨーク２３０に取り付けられる。可撓性コンパートメント１１８、２１８の第２の端部２３６には、第１のライン２１０および第２のライン２１２の他方の端部を懸吊するとともに、それが回転すると混合を提供するように動作するヨーク／インペラ２３２を備える第２の軸受アセンブリ２２２が存在し得る。第２の軸受アセンブリ２２２は、回転運動を提供し、したがって、モータ１０４、２０２が反対側の端部かららせん形アセンブリ２１４を駆動するとき、回転運動により、らせん形アセンブリ２１４が自由に回転することを可能にするように設計され得る。１つ以上のインペラ２１６が、ヨーク／インペラ２３２に加えて、混合を提供し得る。
【００２７】
さまざまな実施形態において、ヨーク／インペラ２３２のさらなる利点は、非常に低量の混合を提供することである。例えば、バイオ反応は、反応開始時には少量を必要とし得るが、流体量は、バイオ反応が成熟するにつれて増加し得る。現在利用可能なバイオリアクタには、本実施形態が低減する、規模拡大に関する制限がある。所与のバイオリアクタの最適な規模拡大を検討する場合も、らせん形アセンブリ２１４のさまざまな位置に１つ以上のインペラ２１６を固着させ得る。いくつかの実施形態では、ヨーク／インペラ２３２は、廃液プロセスの間、非常に低量の流体中の均質な混合を維持し得る。
【００２８】
図３は、さまざまな実施形態による可撓性コンパートメント３００を示す。可撓性コンパートメント３００は、第１の端部３０２と、反対側の第２の端部３０４と、第１の端部３０２と第２の端部３０４とを接続する側壁３０６と、第１の端部３０２と第２の端部３０４とを接合する少なくとも３つのパネル３０８と、側壁線３１０と、中心線３１２と、コーナーライン３１４とを備える。
【００２９】
さまざまな実施形態において、中心線３１２は、可撓性コンパートメント３００の第１の端部３０２の中心から第２の端部３０４の中心まで延びる垂直軸の指標である。例えば、中心線３１２は、中心線３１２から対向するパネル３０８までの長さが等しくなるように配置され得る。さまざまな実施形態において、側壁線３１０は、可撓性コンパートメント３００の第１の端部２３４から第２の端部３０４まで延びる平面の指標であり得、中心線３１２からパネル３０８の中間点まで延びる。さまざまな実施形態において、コーナーライン３１４は、可撓性コンパートメント３００の第１の端部３０２から第２の端部３０４まで延びる平面の指標であり、中心線３１２から２つのパネル３０８が接合されてコーナーを形成する位置まで延びる。さまざまな実施形態において、上記の指標を使用して、デッドゾーンを減らし、バルク流体を増やし、それによって混合システム１００、２００内の全体的な混合効率を高めるときに、らせん形アセンブリ２１４が可撓性コンパートメント３００内のどこにあるかを決定することができる。
【００３０】
図４は、さまざまな実施形態による混合システム４００を示す。混合システム４００は、少なくとも３つのパネル４１０と、パネルが出会う側壁コーナー４１２とを有する側壁４０８によって合わせて接合された、第１の端部４０４と反対側の第２の端部４０６とを有する可撓性コンパートメント４０２を備える。可撓性コンパートメント４０２はさらに、１つ以上の入口４１４と、１つ以上の出口４１６と、１つ以上のスパージャ４１８と、任意選択でセンサ４２２を含む１つ以上のセンサポート４２０と、排出口４２４とをさらに含み得る。さまざまな実施形態において、らせん形アセンブリ４２６は、可撓性コンパートメント４０２の第１の端部４３４と第２の端部４３６との間に懸吊され、そこに配置された１つ以上のインペラ４２８を有し得る。さまざまな実施形態において、駆動シャフト４３０が、第１の軸受アセンブリ４３２内に突出し得、第１の軸受アセンブリ４３２は、可撓性コンパートメント４０２の外部の駆動シャフト４３０と可撓性コンパートメント４０２の内部のヨークとの間に無菌接続を提供し得る。さまざまな実施形態において、第２の軸受アセンブリ４４０が、可撓性コンパートメント４０２の第２の端部４０６に配置され得、可撓性コンパートメント４０２の外側の部分で突出するプルハンドル４４４を含み得、反対側／内側の部分で、第２の軸受アセンブリ４４０は、ヨーク／インペラ４４２に接続し得る。さまざまな実施形態において、らせん形アセンブリ４２６は、各々がヨーク４３８に接続された第１の端部４３４と、ヨーク／インペラ４４２に接続された第２の端部４３６とを有する、第１のライン４４６および第２のライン４４８から構成され得、動作中に、回転運動は、可撓性コンパートメント４０２内で流体４５０を混合するために適用され得る。さまざまな実施形態において、可撓性コンパートメント４０２は、使用される第２の軸受アセンブリ２２２に固着されるかまたはその一部として成形され、設置中に剛性ハウジング１０２、２０８上の保持デバイス内に滑り込むことができる取り付けリング４５２を含み得る。いくつかの実施形態では、設計は、ピンに適合し、可撓性コンパートメント４０２の底部ポート内に滑り込むことができるスナップリングを含み得る。
【００３１】
さまざまな実施形態において、可撓性コンパートメント４０２は、１つ以上の入口４１４および出口４１６を含み得る。入口４１４は、設置プロセス中、可撓性コンパートメント４０２をその作業容積まで膨張させるために、ガスを可撓性コンパートメント４０２に追加するために使用され得る。さらに、入口４１４は、乾燥培地、緩衝液、液体栄養素、または混合を必要とする他のものを導入するために使用され得る。出口４１６は、混合プロセスが完了した後、またはバイオ反応が所望の状態を達成した後に、可撓性コンパートメント４０２の内容物を回収するために使用され得る。さらに、排出口４２４を使用して、可撓性コンパートメント４０２内の廃棄物を排出し得る。入口４１４、出口４１６、および排出口４２４を取り付けるための、当技術分野で知られているさまざまな方法が存在する。一般的な手法は、コンポーネントを可撓性コンパートメント４０２に溶接することである。例えば、コンポーネントは、可撓性コンパートメント４０２を構成するポリマーに溶接され得るポリマーを含み得る。ＵＳ２０１７−０１８３６１７には、可撓性コンパートメント４０２を製造するために使用される一般的な溶接可能材料のリストが含まれている。
【００３２】
さまざまな実施形態において、センサ４２２を使用して、可撓性コンパートメント４０２内の環境状態を監視し得る。その全体が特定の参照により本明細書に組み込まれるものとする、２００７年３月２６日に出願されたＵＳ２００８−００３２３８９に記載されているものを含め、市場で入手可能なさまざまなセンサおよびセンサポート４２０が存在する。溶接および接着方法を使用してセンサポート４２０を可撓性コンパートメント４０２に接着する方法を開示している上記引用文献には、さまざまな技術が記載されている。
【００３３】
さまざまな実施形態において、本明細書に記載の混合システム４００は、細胞を培養し、次いで細胞全体を回収するか、またはタンパク質や酵素などの細胞副産物を回収するために使用され得る。このようなバイオ反応は、しばしばガスの導入を必要とし、これは、典型的には、バイオ生産の分野ではスパージャ４１８を使用して行われる。さまざまなスパージャ４１８の設計およびそれらの取り付け方法が、２０１２年９月２８日に出願されたＵＳ２０１３−００８２４１０に記載されており、その全体が特定の参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【００３４】
さまざまな実施形態において、第１の軸受アセンブリ４３２および第２の軸受アセンブリ４４０は、周囲の溶接または接着剤によって、可撓性コンパートメント４０２の開口部に封止され得る第１の環状封止フランジ４５４および第２の環状封止フランジ４５６を含み得る。ＵＳ２０１７−０１８３６１７に開示されているように、これにより、外側ケーシングが可撓性コンパートメント４０２に固定されたままの状態でハブの回転運動が可能になり、らせん形アセンブリ４２６が、外部に対して無菌のまま、可撓性コンパートメント４０２内で自由に回転することを可能にする。
【００３５】
さまざまな実施形態において、取り付けリング４５２が、剛性ハウジング１０２、２０８上の保持デバイスに係合可能であり得る。保持デバイスは、取り付けリング４５２を保持および／またはその動き制限することができるブラケットまたは他の何らかの物理的構造の形態をとり得る。一般に、設置プロセス中、ユーザは、可撓性コンパートメント４０２の設置を完了するために、取り付けリング４５２と保持デバイスとの相互作用を容易にするために、プルハンドル４４４を剛性ハウジング開口部１２２内に引き込む。
【００３６】
さまざまな実施形態において、可撓性コンパートメント４０２に対するらせん形アセンブリ４２６の最適な位置は、図４に示されているように中心線３１２に沿っている。
【００３７】
図５は、さまざまな実施形態によるらせん形アセンブリ５００の一部分の分解図の例示である。らせん形アセンブリ５００は、第１のライン５０２と、第２のライン５０４と、１つ以上のラング５１６と、１つ以上のスタビライザ５２４と、１つ以上のインペラ５３６とを備え得る。ラインの各々は、第１の端部５０６、５１０と第２の端部５０８、５１２とを含み得る。
【００３８】
さまざまな実施形態において、らせん形アセンブリは、第１のライン５０２の開口部５１４を貫いて突出する第１の突起部５１８と第２のライン５０４の開口部５１４を貫いて突出する第２の突起部５２０とを有する１つ以上のラング５１６を備え得る。いくつかの実施形態では、ラングキャップ５２２を、突起部５１８、５２０にスナップ留めして、ラング５１６をライン５０２、５０４に固定し得る。
【００３９】
さまざまな実施形態において、らせん形アセンブリ５００は、第１のライン５０２の開口部５１４を貫いて突出する第１の端部５３０と第２のライン５０４の開口部５１４を貫いて突出する第２の端部５３２とを有するクロスメンバ５２６を含むスタビライザ５２４を含み得る。スタビライザキャップ５３４を、端部５３０、５３２にスナップ留めして、スタビライザ５２４をらせん形アセンブリ５００に固定し得る。いくつかの実施形態では、ステム５２８が、中央から、クロスメンバ５２６に垂直に突出し得る。
【００４０】
さまざまな実施形態において、インペラ５３６は、第１のライン５０２の開口部５１４を貫いて突出する第１の取り付け具５４２と、第２のライン５０４の開口部５１４を貫いて突出する第２の取り付け具５４４とを有するフィン５３８を含み得る。いくつかの実施形態では、インペラキャップ５４６を、取り付け具５４２、５４４にスナップ留めして、インペラ５３６をらせん形アセンブリ５００に固定し得る。さまざまな実施形態において、受容部５４０が、中心からインペラ５３６に垂直に延在し得る。
【００４１】
さまざまな実施形態において、受容部５４０は、本質的に管状であり得、スタビライザ５２４からステム５２８を受容する。受容部５４０およびステム５２８は、らせん形アセンブリ５００の回転速度が変化するときに、互いに相対的にスライドし得る。
【００４２】
図６は、本発明の特徴を組み込んだ混合システム６００の１つの実施形態の図である。混合システム６００は、可撓性容器６０４がその中に配置される実質的に剛性の支持剛性支持ハウジング６０２を備える。剛性支持ハウジング６０２は、上端６０６と、下端６０８と、コンパートメント６１２の境界を定める内面６６６とを有する。下端６０８に形成されているのは床６１４である。包囲側壁６１６は、床６１４から上端６０６に向かって上方に延びる。以下でより詳細に説明するように、１つ以上の開口部６１８が、コンパートメント６１２と連通するように、剛性支持ハウジング６０２の床６１４または側壁６１６を貫いて延在することができる。本開示の発明で使用できるスパージャデバイスおよびシステムの例が、２０１７年５月９日に発行された米国特許第９，６４３，１３３号に開示されており、特定の参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【００４３】
上端６０６は、コンパートメント６１２への入口開口部６２２の境界を定めるリップ６２０で終端する。所望であれば、入口開口部６２２を覆うように、図示しないカバーを上端６０６に取り付けることができる。同様に、アクセス開口部を、第２の端部における側壁６１６を貫いて、または床６１４を貫いてなど、剛性支持ハウジング６０２上の別の位置に形成することができる。アクセス開口部は、操作員がアクセス開口部を通して手が届き、可撓性容器６０４を操作および配置する助けとなれるように十分に大きい。アクセス開口部は、ドアまたはカバープレートによって選択的に閉じることができる。
【００４４】
剛性支持ハウジング６０２は、さまざまな異なるサイズ、形状、および構成であり得ることが理解される。例えば、床６１４は、平坦、切頭円錐形であったり、または他の傾斜を有することができる。側壁６１６は、円形、多角形である横断面を有することができ、または他の構成を有することができる。剛性支持ハウジング６０２は、断熱されている、かつ／またはジャケット付きであり得、可撓性容器６０４内に含まれる流体を加熱または冷却するために、加熱または冷却された流体が、ジャケットを通って流れることができる。可撓性容器６０４は、以下に説明されるものなど、任意の所望の容積であり得る。
【００４５】
図６にも示されているように、可撓性容器６０４は、支持剛性支持ハウジング６０２のコンパートメント６１２内に少なくとも部分的に配置されている。可撓性容器６０４は、その上に取り付けられた１つ以上のポート６２６を有する容器６２４からなる。図示の実施形態では、容器６２４は、流体６３０または他のタイプの材料を保持するのに適したチャンバ６２８の境界を定める内面６１０を有する可撓性バッグからなる。より具体的には、容器６２４は、容器６２４が膨張したときに、第１の端部６３４と反対側の第２の端部６３６との間に延びる実質的に円形または多角形の横断面を有することができる側壁６３２を備える。第１の端部６３４は、頂端壁６３８で終端し、一方、第２の端部６３６は、底端壁６４０で終端する。
【００４６】
容器６２４は、典型的には、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍ、より一般的には約０．２ｍｍ〜約２ｍｍの範囲の厚みを有する、低密度ポリエチレンまたは他のポリマーシートなど、可撓性で不透水性の材料の１枚以上のシートから構成することができる。他の厚さも使用し得る。材料は、単一層の材料からなることができ、あるいは合わせてシールされているかまたは２重壁の容器を形成するために分離している２つ以上の層から構成することができる。これらの層が一緒にシールされる場合、材料は、積層材料または押出材料を含み得る。積層材料は、あとで接着剤によって合わせて固定される２つ以上の別々に形成された層から構成することができる。
【００４７】
押出材料は、接触層によって各々分離され得る２つ以上の異なる材料層からなる単一の一体シートからなり得る。すべての層が同時に押出される。本発明で使用することができる押出材料の１つの一例は、ユタ州ＬｏｇａｎのＨｙＣｌｏｎｅ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＨｙＱ  ＣＸ３−９フィルムである。ＨｙＱ  ＣＸ３−９フィルムは、ｃＧＭＰ施設で製造された３層、９ミルのキャストフィルムである。外側層は、超低密度ポリエチレン製品接触層と共押出されたポリエステルエラストマーである。本発明で使用することができる押出材料の別の例は、やはりＨｙＣｌｏｎｅ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ、Ｉｎｃ．から入手可能なＨｙＱ  ＣＸ５−１４キャストフィルムである。ＨｙＱＣＸ５−１４キャストフィルムは、ポリエステルエラストマー外側層、超低密度ポリエチレン接触層、およびそれらの間に配置されたＥＶＯＨバリア層を含む。さらに別の例では、インフレーションフィルムの３つの独立したウェブから製造されたマルチウェブフィルムを使用することができる。２つの内側のウェブは各々４ミルの単層ポリエチレンフィルム（ＨｙＣｌｏｎｅではＨｙＱ  ＢＭ１フィルムと呼ばれている）であるが、外側のバリアウェブは５．５ミルの厚さの６層共押出フィルム（ＨｙＣｌｏｎｅではＨｙＱ  ＢＸ６フィルムと呼ばれている）である。
【００４８】
材料は、生細胞との直接接触が承認され、溶液を無菌状態に維持することができる。そのような実施形態では、材料は、イオン化放射によるなどして滅菌可能とすることができる。さまざまな状況で使用することができる材料の例が、２０００年７月４日に発行された米国特許第６，０８３，５８７号および２００３年４月２４日に公開された米国特許公開第２００３／００７７４６６  Ａ１に開示されており、特定の参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【００４９】
１つの実施形態では、容器６２４は、２次元まくら状バッグから構成され、２枚の材料シートが重なり合う関係に配置され、２枚のシートはそれらの外周で合わせて境界を定められ、内部チャンバ６２８を形成する。代わりに、単一の材料シートを折り畳んで重ね合わせ、外周を縫合して、内部チャンバ６２８を形成することができる。別の実施形態では、容器６２４は、ある長さに切断して端部を縫合して閉じた、連続管状押出ポリマー材料から形成することができる。
【００５０】
さらに別の実施形態では、容器６２４は、環状側壁だけではなく、２次元頂端壁６３８および２次元底端壁６４０も有する、３次元バッグから構成することができる。例えば、３次元容器６２４は、図７に示されるように、ある長さに切断された連続管状押出ポリマー材料から形成された側壁６１６を含むことができる。次いで、円形の頂端頂端壁６３８および底端壁６４０を、側壁６１６の対向する端部に溶接することができる。さらに別の実施形態では、３次元容器６２４は、複数の、典型的には３枚以上、より一般的には４〜６枚の別個のパネルから構成することができる。各パネルは、実質的に同一とすることができ、容器６２４の側壁６３２、頂端壁６３８、および底端壁６４０の一部分を構成する。隣接するパネルの周縁は、容器６２４を形成するために、合わせて縫合される。シームは、典型的には、熱エネルギー、ＲＦエネルギー、超音波、または他のシーリングエネルギーのような当技術分野で既知の方法を用いて形成される。別の実施形態では、パネルは、さまざまな異なるパターンで形成し得る。
【００５１】
容器６２４が、事実上任意の望ましい寸法、形状および構成を有するように製造できることは理解される。例えば、容器３２は、１０リットル、３０リットル、１００リットル、２５０リットル、５００リットル、７５０リットル、１，０００リットル、１，５００リットル、３，０００リットル、５，０００リットル、１０，０００リットル、または他の所望の容積に寸法決めされたチャンバ６２８を有して形成することができる。チャンバ６２８はまた、約１０リットル〜約５，０００リットルまたは約３０リットル〜約１，０００リットルの範囲の容積を有することもできる。上記の容積から選択される任意の他の範囲も使用できる。容器６２４は任意の形状とすることができるが、１つの実施形態では、容器６２４は、剛性支持ハウジング６０２のコンパートメント６１２と相補的または実質的に相補的であるように特に構成される。
【００５２】
しかしながら、任意の実施形態において、容器６２４がコンパートメント６１２内に受容されたとき、容器６２４は、一般に、支持剛性支持ハウジング６０２によって均一に支持されることが望ましい。剛性支持ハウジング６０２による容器６２４の少なくとも概ね均一な支持を有することは、流体で満たされたときに容器６２４に加えられる水力による容器６２４の破損を防ぐ助けとなる。
【００５３】
上述の実施形態では、容器６２４は可撓性容器６０４の形態であるが、代替実施形態では、容器６２４は、任意の形態の折り畳み式容器、可撓性容器６０４、または半剛性容器からなり得ることが理解される。さらに、閉じた頂端壁６３８を有するのとは対照的に、容器６２４は、開いた頂部裏張りを含むことができる。容器６２４はまた、透明または不透明であり得、紫外光阻害剤をその中に取り込むことができる。
【００５４】
頂端壁６３８には、チャンバ６２８と流体連通している複数のポート６２６が取り付けられている。２つのポート６２６が示されているが、容器６２４の意図される用途に応じて、１つまたは３つ以上のポート６２６が存在し得ることが理解される。したがって、各ポート６２６は、行われる処理のタイプに応じて、異なる目的を果たすことができる。例えば、ポート６２６は、流体または他のコンポーネントをチャンバ６２８内に分配するため、または流体をチャンバ６２８から引き出すためのチューブ６４２と連結することができる。さらに、容器６２４が細胞または微生物を増殖させるためのバイオリアクタとして使用される場合など、ポート６２６を使用して、温度プローブ、ｐＨプローブ、溶存酸素プローブなどのさまざまなプローブの、チャンバ６２８へのアクセスを提供することができる。ポート６２６は、さまざまな異なる構成であり得、側壁６１６および底端壁６４０を含む、容器６２４上の任意の数の異なる位置に配置され得ることが理解される。
【００５５】
必須ではないが、１つの実施形態では、チャンバ６２８内で流体６３０を混合するための手段が提供される。混合するための手段は、混合アセンブリの形態であり得る。限定ではなく例として、図６に示す１つの実施形態では、駆動シャフト６４６がチャンバ６２８内に突出し、その端部にインペラ６４８が取り付けられている。動的シール６５０は、駆動シャフト６４６と容器６２４との間にシールを形成する。駆動シャフト６４６の外部回転は、チャンバ６２８内で流体６３０を混合および／または懸濁させるインペラ６４８の回転を容易にする。回転混合アセンブリを可撓性容器内にどのように組み込むかの具体例が、２００８年６月１０日に発行された米国特許第７，３８４，７８３号および２０１０年３月２３日に発行された米国特許第７，６８２，０６７号に開示されており、特定の参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【００５６】
混合手段または混合アセンブリのさらに別の代替実施形態では、チャンバ６２８内で垂直ミキサを垂直方向に往復運動させることによって混合を達成することができる。垂直ミキサの組み立ておよび動作に関するさらなる開示が、２００６年９月７日に公開された米国特許公開第２００６／０１９６５０１号に開示されており、特定の参照により本明細書に組み込まれるものとする。さらに他の実施形態では、混合は、蠕動ポンプを使用して流体をチャンバ６２８の内外に動かすことによって、容器６２４内の磁気インペラまたは攪拌棒を回転させることによって、および／または流体中に十分な気泡を注入して流体を混合することによってなど、単にチャンバ６２８全体に流体を循環させることによって達成できることが理解される。他の従来の混合技術もまた用いることができる。
【００５７】
図６を続けると、底端壁６４０は、複数のスパージャがその中に組み込まれている。具体的には、底端壁６４０は、第１の側面６５４と、反対側の第２の側面６５６とを有する第１のシート６５２を備える。第１のシート６５２は、同様に第１の側面６６０と、反対側の第２の側面６６２とを有する第２のシート６５８に重なっている。第１のシート６５２および第２のシート６５８は、典型的には、容器６２４に関して上記で説明されたものなどの可撓性ポリマーシートからなる。底端壁６４０に関して上記で説明したように、第１のシート６５２は、図７に示すように、周縁７０２で側壁６３２に溶接される連続シートからなることができる。あるいは、第１のシート６５２は、側壁６１６の一体部分からなることができるし、あるいは側壁６１６に取り付けられるかまたは側壁６１６の一体部分である、合わせて固定された複数の別個のシートからなることができる。第２のシート６５８は、第２のシート６５８の外周縁７０４に沿ってなど、第１のシート６５２の第２の側面６５６に溶接すること、および／または側壁６１６に溶接することができる。他の実施形態では、第２のシート６５８は、第１のシート６５２に関して上記で説明したように、側壁６１６に溶接されるかまたは側壁６１６の一体部分からなることができ、第１のシート６５２は、第２のシート６５８の第１の側面６６０および／または側壁６１６に溶接するかまたは他の方法で固定される。
【００５８】
図８に描かれているのは、第２のシート６５８に重なる第１のシート６５２の平面図である。この実施形態では、第１のシート６５２および第２のシート６５８は、溶接線８０２によって合わせて溶接されている。本明細書で説明される他の溶接線と同様に、溶接線８０２は、レーザー溶接、音波溶接、熱溶接などの従来の技法を使用して形成することができる。溶接線８０２は、第１のシート６５２および第２のシート６５８の周囲または外縁を合わせて溶接するように示されているが、周囲縁の一方もしくは両方から半径方向内側に、または他の位置に形成することができる。図８にも示されるように、第１のシート６５２と第２のシート６５８との間に他の溶接線を生成することにより、４つの別個のスパージャ８０４、８０６、８０８、８１０が形成される。
【００５９】
例えば、スパージャ８０４、８０６、８０８、８１０は、第１のシート６５２および／または第２のシート６５８の周縁にまたは周縁に隣接して配置された第１の位置８２０で始まり、スパージャ８０４に対する所定の経路に沿って、第１のシート６５２および第２のシート６５８の内部に延び、次いで、第１の位置８２０に隣接する第１のシート６５２および／または第２のシート６５８の周縁にあるまたは周縁に隣接する第２の位置８２２まで戻る、溶接線８１２、８１４、８１６、８１８を形成することによって形成される。溶接線８１２は、第１のシート６５２と第２のシート６５８との間で境界を定められ、溶接線８１２によって部分的に囲まれた領域であるスパージャ経路８２４の周囲の境界を定める。図示の実施形態では、スパージャ経路８２４は、第１の端部８３０から反対側の第２の端部８３４まで延びるガス移送経路８２６を含む。開口部８２８が、第１の位置８２０と第２の位置８２２との間で、かつ第１のシート６５２と第２のシート６５８との間の第１の端部８３０に形成され、それを通してガスをガス移送経路８２６に供給することができる。スパージャ経路８２４はまた、ガス移送経路８２６と流体連通する第２の端部８３４に形成されたスパージング領域８３２も備える。図示の実施形態では、ガス移送経路８２６は、細長い経路であり、スパージング領域８３２は、拡大された円形領域を形成する。他の構成も使用することができる。
【００６０】
複数の穿孔８３６がスパージング領域８３２の第１のシート６５２を貫いて延び、ガスがガス移送経路８２６に沿ってスパージング領域８３２に入り、次いで穿孔８３６から出て、チャンバ６２８内に配置された流体６３０中に気泡を形成することができる。スパージャ８０６、８０８、８１０は、同様に形成され、同様の参照文字を使用して、同様の要素を識別する。この技術を使用することにより、複数の別個のスパージャを容器６２４上に容易に形成することができる。各スパージャは、任意の所望の位置に配置することができ、任意の所望のサイズ、形状、または構成とすることができる。同様に、４つのスパージャが示されているが、１、２、３、５、またはそれ以上などの任意の数のスパージャが、第１のシート６５２および第２のシート６５８で形成され得ることが理解される。スパージング領域は、第１のシート６５２および第２のシート６５８にわたって均一に分布させることができ、または最適なスパージングのために規定された位置に配置することができる。例えば、ミキサによって生成された流体６３０の混合または動きが、流体６３０中での気泡の飛散を助けるように、混合手段の真下にスパージャを配置することができる。
【００６１】
いくつかの実施形態では、各スパージャは、同じ数の穿孔８３６を有することができ、すべての穿孔８３６は、同じサイズおよび形状とすることができる。代替実施形態では、穿孔８３６は、２つ以上の異なるスパージャ間で異なり得る。例えば、異なるスパージャは、異なる状況での性能を最適化するために、異なる数、サイズ、および／または形状の穿孔８３６を有することができる。より大きな穿孔８３６は、流体６３０からＣＯ2をストリッピングするために最適であり得るより大きな気泡を生成するが、より小さな穿孔は、酸素供給流体６３０に好ましい可能性があるより小さな気泡を生成する。同様に、穿孔８３６の数を増加させることは、気泡を流体と混合させること、および／またはストリッピングまたは酸素供給を増加させることにおいて助けとなり得る。他の実施形態では、１つ以上のスパージャ８０４、８０６、８０８、８１０が、異なる穿孔８３６の組み合わせを有し得ることが理解される。例えば、単一のスパージャが、小さな穿孔８３６と大きな穿孔８３６との両方を有することができる。１つの実施形態では、典型的には、０．８ｍｍ、０．４ｍｍまたは０．２ｍｍ、０．１ｍｍ未満の直径を有する穿孔８３６からはより小さな気泡が形成され、一方、、典型的には、１．５ｍｍ、０．８ｍｍ、０．４ｍｍまたは０．１５ｍｍ超える直径を有する穿孔から大きな気泡が形成される。他の直径の穿孔も使用することができる。穿孔および結果として生じる気泡のサイズは、意図される用途および容器６２４のサイズに依存する。例えば、大きな気泡は、典型的には、小さな容器で比較的少量の流体を処理するときよりも、大きな容器で大量の流体を処理するときの方が大きい。小さな気泡のための穿孔の直径と大きな気泡のための穿孔との間の差異またはデルタは、典型的には、少なくとも０．１５ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍまたは１ｍｍであり、多くの場合、これらの値の±０．１ｍｍまたは±０．５以内である。他の差異も使用できる。
【００６２】
以下でより詳細に説明するように、スパージャ８０４、８０６、８０８、８１０は同時に動作することができ、あるいは、マニホルドまたは他のレギュレータを使用して、１つ以上のスパージャを動作させるが、他のスパージャは動作させないことができる。したがって、異なる穿孔８３６を有する異なるスパージャを有することにより、選択されたスパージャを異なる状況または時間で使用して、性能を最適化することができる。
【００６３】
いくつかの実施形態では、スパージャ８０４のガス移送ガス移送経路８２６は必要とされないことが理解される。例えば、穿孔８３６を、ガス移送経路８２６に重なる第１のシート６５２を貫いて形成して、ガス移送経路８２６をスパージング領域８３２の一部分に変換することができる。穿孔８３６は、任意の従来の技術を使用して形成され得ることが理解される。例えば、穿孔８３６は、シートの製造プロセスの一部として形成することができ、またはその後の孔抜きまたは他の技術によって作成することができる。１つの実施形態では、１つ以上のレーザーを使用して、穿孔８３６を形成することができる。レーザーを使用することの利点は、正確な所定サイズを有する気泡が形成され得るように、穿孔８３６を正確な位置に、正確な直径で形成することができることである。さらに、レーザーを使用して穿孔を形成すると、レーザーによって溶融した材料が穿孔の周縁に集まり、それによって穿孔が強化され、シートの破裂を防ぐ助けとなる。
【００６４】
本発明の１つの実施形態では、１つ以上スパージャ８０４、８０６、８０８、８１０へのガス流を制御するために、マニホルドを使用することができる。例えば、図８に示されているのは、本発明の特徴を取り込んだマニホルド６６４の１つの実施形態である。マニホルド６６４は、ガス入口ポート８４０と、複数のガス出口ポート８４２、８４４、８４６、８４８とを有する本体８３８を備える。ガス出口ポート８４２、８４４、８４６、８４８は、分岐流路８５０を介してガス入口ポート８４０と並列に連通している。圧縮器または圧縮ガスのキャニスタなどのガス源が、ガス入口ポート８４０と流体連結される。ガスは、空気、酸素、もしくは任意の他のガスまたはガスの組み合わせであり得る。ガスライン７０６は、ガス出口ポート８４２、８４４、８４６、８４８から、それぞれ、各スパージャ８０４、８０６、８０８、８１０の第１の端部８３０にある対応する開口部８２８まで延びる。ガスライン７０６は、開口部８２８を密閉するように、開口部８２８で、第１のシート６５２と第２のシート６５８との間に溶接することができる。ガスライン７０６は、可撓性または剛性のチューブからなることができ、本体８３８と一体的に形成されるか、または別個に取り付けられることができる。
【００６５】
バルブ８５２が、本体８３８に取り付けられ、各ガスライン７０６へのガスの流れをそれぞれ制御する。１つの実施形態では、バルブ８５２は、スパージャ８０４、８０６、８０８、８１０へのガスの流れを開閉、または制限するために使用することができる、ソレノイドバルブなどの電気バルブとすることができる。この実施形態では、バルブ８５２の動作を制御するために、それらに電気配線８５４を連結することができる。他の実施形態では、バルブ８５２は、手動で、油圧で、空気圧で、または他の方法で操作されるバルブを含むことができる。マニホルド６６４を使用することにより、異なるスパージャまたは異なるスパージャの組み合わせを異なる時間に使用して、上記したように性能を最適化することができる。
【００６６】
図９は、さまざまな実施形態による混合システム９００を示す。混合システム９００は、第１の端部９０４と、第２の端部９０６と、側壁９０８とを有する可撓性コンパートメント９０２を備え、オフセット駆動シャフト９１０が、可撓性コンパートメント９０２内に配置され、可撓性コンパートメント９０２の第１の端部９０４および第２の端部９０６にそれぞれ固着された、第１のインペラ９１６を備えた第１の軸受アセンブリ９１２および第２の軸受アセンブリを有し、第１のインペラ９１６および第２のインペラ９１８が駆動シャフト９１０に固着され、可撓性コンパートメント９０２は、気泡９２４を流体９２６中に放出するように設計された少なくとも１つの穿孔９２２を有するスパージャ９２０をさらに含む。
【００６７】
さまざまな実施形態において、スパージャ９２０は、ガスを流体９２６中に放出して、溶存酸素を流体９２６に加える。可撓性コンパートメント９０２の第２の端部９０６上のスパージャ９２０の位置は、気泡９２４が第１のインペラ９１６および第２のインペラ９１８と最適に相互作用するように選択され得る。例えば、バイオ反応が特定の量の溶存酸素を必要とする場合、混合システム９００は、インペラ９１６、９１８による気泡９２４の再飛散により、流体中の気泡９２４の滞留時間に対して最適化することができる。これは、すべての気泡９２４が再飛散されるか、気泡９２４がまったく再飛散されないか、または特定の割合の気泡９２４が再飛散されるように、スパージャ９２０の位置を調整することによって達成することができる。例えば、スパージャ９２０は、第２の軸受アセンブリ９１４からさらに遠ざけられもよく、それにより、気泡９２４が再飛散される可能性を低くする。さまざまな実施形態において、気泡９２４の０％、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、または１００％が、第１のインペラ９１６および／もしくは第２のインペラ９１８または任意の組み合わせによっていったん再飛散される。さまざまな実施形態において、インペラ回転速度は、混合システム９００において発生する再飛散の量に影響を与えるように調整され得る。気泡９２４の直径とインペラ特性とを組み合わせた選択も、気泡９２４の滞留時間に影響を与え得る。
【００６８】
さまざまな実施形態において、穿孔９２２の直径および数は、増殖させる細胞タイプに基づいて、混合システム９００の動作特性を最適化するように選択することができる。例えば、流体９２６中の所望の溶存酸素含有量を達成するために混合システム９００において滞留時間を増加させる必要がある場合、穿孔９２２は、より小さな気泡９２４を生成するためにより小さくし得る。滞留時間はまた、所望のバイオ反応に必要とされるより多くのまたはより少ない再飛散のために、スパージャ９２０の位置および特性が、駆動シャフト９１０上のインペラの位置と併せて選択される場合に、増加し得る。
【００６９】
さまざまな実施形態において、規模拡縮可能な混合システム９００は、図９に示されるような２つ以上の混合システム９００を含み得、その場合、システムは、容量が変化し得る。容量は、５０リットル未満の試験サイズと５０リットルを超える商業サイズとの間で変動する。容量は、規模拡大／縮小コストに基づいて選択し得る。例えば、所与の細胞イプを使用して産生物を産生させるための最適条件をより小さな試験容量サイズで決定し得、したがって、最適化のためにリソースを大量の反応に費やす必要なく、高価な商業システムにおける結果を予測することができる。いくつかの実施形態では、インペラの数およびそれらの直径は変わり得るが、インペラ先端速度（せん断）および１容積当たりの動力入力は、２つ以上の混合システム９００間で一定に保つことが可能である（図２３を参照）。いくつかの実施形態では、スパージャ９２０の位置ならびに穿孔９２２の数およびサイズは、試験サイズの混合システム９００と商業サイズの混合システム９００との間で変わり得る。
【００７０】
図１０は、さまざまな実施形態による混合システム１０００を示す。混合システム９００は、第１の端部９０４と、第２の端部９０６と、側壁９０８とを有する可撓性コンパートメント９０２を含み得、オフセット駆動シャフト９１０が、可撓性コンパートメント９０２内に配置され、、可撓性コンパートメント９０２の第１の端部９０４および第２の端部９０６にそれぞれ固着された、第１のインペラ９１６を備えた第１の軸受アセンブリ９１２および第２の軸受アセンブリを有し、第１のインペラ９１６と第２のインペラ９１８とが駆動シャフト９１０に固着され、可撓性コンパートメント９０２は、流体９２６中に気泡９２４を放出するように設計された少なくとも１つの穿孔９２２を有するスパージャ９２０をさらに含む。
【００７１】
さまざまな実施形態において、駆動シャフト９１０は、可撓性コンパートメント９０２内で角度が付けられ、かつオフセットされ得る。このような構成は、発生する気泡９２４の再飛散の量を変化させることにより、バイオ反応の動作パラメータを変更する。例えば、スパージャ９２０が第２の軸受アセンブリ９１４の近くに配置されている場合、第１のインペラ９１６は気泡９２４を再飛散させ、一方、第２のインペラ９１８は再飛散のために同じ数の気泡９２４と接触しない。したがって、流体９２６中の溶存酸素含有量は、駆動シャフト９１０の角度に応じて変更することができる。さらに、長方形の可撓性コンパートメント９０２のバッフル効果は、可撓性コンパートメント９０２内の駆動シャフト９１０のオフセット量および角度に基づいて完全に変更された、増加、減少、または混合パターンとなり得る。
【００７２】
図１１は、さまざまな実施形態によるガス流物質移動のためのシステムおよび方法を含む混合システム１１００を示す。ガス流物質移動は、本明細書では主に生物学的培養物に酸素供給することに関して説明されているが、同じ方法およびシステムを、上記のものなどの他のタイプの液体に酸素供給するために使用することもできる。さらに、以下でより詳細に説明するように、本発明の方法およびシステムは、流体に酸素供給することに限定されず、液体へのおよび／または液体からの任意のタイプの物質移動に影響を与えるために他の気体と共に使用できる。
【００７３】
ガス流物質移動は、特に従来のスパージング技術と比べて、反応容器内の生物学的培養物に酸素供給するために使用される場合、多くの処理上の利点がある。反応容器が、比較的大きな流体量の変化にわたって細胞または微生物の培養物を処理するように設計されている場合、容器の直径は、通常、形状および高さの要件を維持するために比較的大きくする必要がある。容器の直径が容積に対して増加すると、容器内の培養物の深さは減少する。その結果、初期量の培養物が容器に移されたときなど、容器内の培養物の量が非常に少ない場合、典型的には容器の床から培養物中にスパージングされる酸素供給気泡の滞留時間は、培養物に適切に酸素を供給するには不十分である。つまり、培養物の深さが非常に浅いため、気泡がスパージャから培養物の上面に移動するときに、酸素供給気泡は、培養物に十分に酸素供給するのに十分な時間だけ培養物中に存在することがない。同様に、ＣＯ2をストリッピングするために使用されるより大きなスパージング気泡の滞留時間も、培養物から不要なＣＯ2を完全に除去するには不十分である。この問題は、ＣＯ2ガスは空気よりも重いため、ＣＯ2が培養物上面にブランケットのように横たわり、それにより、培養物の酸素供給およびＣＯ2除去をさらに妨げるという事実によってさらに悪化する。
【００７４】
培養物の深さが増すにつれてより効率的になるスパージングとは対照的に、空気または酸素を含む他のガスの流れを培養物の上面に吹き付けることによって達成されるガス流酸素供給または物質移動は、処理される培養物または他の流体の深さが減少するにつれてより効率的となる。したがって、ガス流酸素供給は、小量から始まり、大量まで増加するリアクタを含め、リアクタ内に配置された浅い培養物に特に有用である。さらに、スパージングは、特に使用されたスパージャが非常に小さな気泡（ミリメートル未満の直径）を生成する場合、培養物の上面に不要な泡を生成することが知られている。対照的に、ガス流物質移動は、最小限の泡を生成し、必要とされる従来のスパージング量を減らすことにより、容器の泡の発生を減らすことを支援する。さらに、ガス流酸素供給は、培養物の表面でのＣＯ2ブランケットの形成を防ぐ。そのため、培養物の表面のガスは、十分に制御されかつよく混合されるため、ＣＯ2が、培養物から放散し、リアクタのヘッドスペース内に混入し、システムの排気口から出ることが可能となる。ガス流酸素供給とシステム液体との相互作用も、ＣＯ2を培養物からストリッピングすることを直接容易にする助けとなる。したがって、比較的浅い培養物では、ガス流酸素供給を使用して、培養物に酸素供給し、培養物からＣＯ2を除去することができ、場合によっては、本発明の特定の形態では従来のスパージングの必要性を排除する。
【００７５】
リアクタ内の培養物の深さが増すにつれて、ガス流酸素供給によりリアクタの底部にある培養物に酸素供給する効率は低下する。したがって、培養物の深さが増すにつれて、溶存Ｏ2センサまたは他のパラメータもしくはメカニズムを使用して、スパージングまたは他の酸素供給方法をいつ作動させるべきかを決定することができる。すなわち、培養物の深さが増すにつれて、段階的増加または連続的な漸進的増加などによってスパージングを作動させて、培養物が常に適切に酸素供給されることを保証することができる。適用されるガス流酸素供給は、スパージングが増加するにつれて減少するか、または一定に留まることができる。ガス流が培養物に十分に酸素供給していない場合でも、ガス流は培養物の上部領域を平衡化し、ＣＯ2ブランケット化を防止し、これにより、従来のスパージング作業を支援する。したがって、比較的深い培養物量であっても、ガス流酸素供給は、スパージングまたは他の酸素供給方法と併せて使用し続けることができる。電子コントローラを使用して、センサの読み取り値に基づいてスパージングおよびガス流を自動的に起動および／または調整し得ることを理解されたい。
【００７６】
次に、ガス流酸素供給／物質移動を実行する際に使用することができるシステムの例を説明する。本開示の発明で使用することができるヘッドスペース空気流デバイスおよびシステムのさらなる例が、２０１６年７月１２日に発行された米国特許第９，３８８，３７５号に開示されており、特定の参照により本明細書に組み込まれるものとする。図１１には、本発明の特徴を取り込んだリアクタシステム１０の１つの実施形態が示されている。概して、リアクタシステム１０は、チャンバ１４の境界を定める支持ハウジング１２と、チャンバ１４内に配置された容器アセンブリ１６と、容器アセンブリ１６に連結された混合システム１７とを備える。支持ハウジング１２は、典型的には、金属槽などの剛性槽からなる。容器アセンブリ１６内の培養物の温度を制御するために、槽にジャケットを付けることができる。支持ハウジング１２は、以下で説明するように、容器アセンブリ１６を適切に支持する任意の所望のサイズ、形状、または構成であり得る。
【００７７】
引き続き図１１を参照すると、容器アセンブリ１６は、上端２２から反対側の下端２４まで延びる側面２０を有する容器１８を備える。上端２２は上端壁３３で終端し、下端２４は下端壁３４で終端する。容器１８はまた、コンパートメント２８の境界を定める内面２６も有する。コンパートメント２８は、流体を保持するように構成されている。流体は、細胞または微生物、培地、ならびに他の栄養素および添加物を含む生物学的培養物を含み得る。ガスによる物質移動を必要とする任意の他のタイプの流体も使用することができる。例えば、流体は、化学的、生物学的流体、食品、または他の流体であり得る。本明細書の例では、流体は、生物学的培養物２９として説明される。培養物２９は、上面３１を有する。ヘッドスペース３７が、コンパートメント２８内に位置し、培養物２９の上面３１と上端壁３３との間に境界が定められる。
【００７８】
図示された実施態様では、容器１８は、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍ、より一般的には約０．２ｍｍ〜約２ｍｍの範囲の厚みを有する、低密度ポリエチレンまたは他のポリマーシートもしくはフィルムなどの、可撓性で不透水性の材料で構成される可撓性バッグからなる。他の厚さも使用し得る。この材料は、単一のプライ材料からなることができ、または一緒にシールされるか、または二重壁容器を形成するように分離される２つ以上の層を含み得る。これらの層が一緒にシールされる場合、材料は、積層材料または押出材料を含み得る。積層された材料は、２つ以上の別々に形成された層を含み、後に接着剤によって一緒に固定される。本発明で使用することができる押出材料の例には、ユタ州ＬｏｇａｎのＨｙＣｌｏｎｅ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＨｙＱ  ＣＸ３−９およびＨｙＱ  ＣＸ５−１４フィルムが含まれる。材料は、生細胞との直接接触が承認され、溶液を無菌状態に維持することができる。そのような実施形態では、イオン化放射によるなどして滅菌可能とすることができる。使用前に、容器アセンブリ１６は、典型的には、密封され、滅菌され、したがって、培養物２９の導入前にコンパートメント２８は無菌である。
【００７９】
１つの実施形態では、容器１８は、２次元まくら状バッグからなり得る。別の実施形態では、容器１８は、ある長さに切断された連続管状押出ポリマー材料から形成することができる。端部を縫合して閉じるか、またはパネルを開いた端部でシールして、３次元のバッグを形成することができる。３次元バッグは、環状側壁だけでなく、２次元頂端壁および２次元底端壁も有する。３次元容器は、複数の別個のパネル、典型的には３つ以上、より一般的には４つまたは６つのパネルを含むことができる。各パネルは、実質的に同一であり、容器の側壁、頂端壁、および底端壁の一部分を構成する。各パネルの対応する周縁部は互いに縫合されている。シームは、典型的には、熱エネルギー、ＲＦエネルギー、超音波、または他のシーリングエネルギーのような当技術分野で既知の方法を用いて形成される。
【００８０】
別の実施形態では、パネルは、さまざまな異なるパターンで形成し得る。３次元バッグを製造する１つの方法に関するさらなる開示が、２００２年９月１９日公開の米国特許公開第２００２−０１３１６５４  Ａ１号に開示されており、その全体が特定の参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【００８１】
容器１８が、事実上任意の望ましい寸法、形状および構成を有するように製造できることは理解される。例えば、容器１８は、１０リットル、３０リットル、１００リットル、２５０リットル、５００リットル、７５０リットル、１，０００リットル、１，５００リットル、３，０００リットル、５，０００リットル、１０，０００リットル、あるいは他の所望の容積に寸法決めされたコンパートメントを有するように形成することができる。コンパートメントの寸法は、上記の容積のうちの任意の２つの間の範囲とすることもできる。容器１８は、任意の形状であり得るが、１つの実施形態では、容器１８は、容器１８が受容される支持ハウジング１２のチャンバ１４に概ね相補的であるように特に構成され、したがって、容器１８はチャンバ１４内に適切に支持される。
【００８２】
上述した実施形態では、容器１８は可撓性バッグとして示されているが、代替実施形態では、容器１８は、任意の形態の折り畳み可能な容器または半剛性容器からなり得ることが理解される。さらに別実施形態では、容器１８は、剛性であり得、支持ハウジング１２は除外され得る。
【００８３】
図１１を続けると、容器１８上に形成されているのは、その上に取り付けることができる複数の異なるポートの例であり、各ポートはコンパートメント２８と連通している。具体的には、上端壁３３には、ライン３９Ａおよび３９Ｂがそれぞれ連結されたアクセスポート４０および４１が取り付けられている。アクセスポート４０および４１は、ガス、培地、培養物、栄養素、および／または他のコンポーネントを容器１８内に送達するために使用することができ、かつ培養物２９またはガスをヘッドスペース３７内から引き出すために使用することができる。例えば、本発明のいくつかの形態では、ポート４０は、ヘッドスペース３７へのガス入口として使用することができ、ポート４１は、ヘッドスペース３７からのガス出口として使用することができる。容器１８には、任意の数のアクセスポートを形成することができる。センサポート４２が、容器１８の側面２０に形成されている。センサ５０は、コンパートメント２８と典型的にはその下端で連絡するようにセンサポート４２内に配置される。対応するセンサ５０が各々その中に配置されている任意の数のセンサポート４２が、容器１８上に形成され得ることが理解される。使用することができるセンサ５０の例には、温度プローブ、ｐＨプローブ、溶存酸素センサ、二酸化炭素センサ、細胞質量センサ、栄養素センサ、および培養物または産生物を試験またはチェックすることを可能にする任意の他のセンサが含まれる。センサはまた、光学センサおよび他のタイプのセンサの形態であり得る。
【００８４】
下端壁３４に取り付けられているのは、スパージングポート４３および４４である。第１のスパージャ５２がポート４３に取り付けられ、培養物２９に酸素供給するために培養物２９に小さな気泡を送達するように設計されている。スパージャ５２は、ポート４３と一体に形成されるか、またはポート４３に取り付けられることができる。第２のスパージャ５４がポート４４に取り付けられ、培養物２９からＣＯ2をストリッピングするために培養物２９により大きな気泡を送達するように設計されている。したがって、第１のスパージャ５２からの気泡は、第２のスパージャ５４からの気泡よりも小さい。本発明のいくつかの形態では、第２のスパージャ５４は、開放管または比較的大きな孔を有する多孔質フリットを備えた管とすることができ、一方、第１のスパージャ５２は、比較的小さな孔を有する多孔質フリットを備えた管とすることができる。第１のスパージャ５２はまた、ポート４３上に広がるようにポート４３の端部または下端壁３４の内面に取り付けられた有孔または多孔質膜を含むことができる。スパージャは、さまざまな異なる構成で提供され、任意のタイプのスパージャを、所望に応じて、または予想される培養物量、細胞および条件に応じて適切に、使用できることが理解される。
【００８５】
容器１８は、任意の所望の数のポートを備えて形成され得、ポートは、容器１８の任意の所望の位置に形成され得ることに再度留意されたい。ポートは、同じ構成または異なる構成とすることができ、それらに限定されないが、上記列挙されたようなさまざまな異なる目的のために使用することができる。ポートならびにさまざまなプローブ、センサ、および配管をそこにどのように連結するかについての例が、２００６年１１月３０日に公開された米国特許公開第２００６／０２７００３６号および２００６年１０月２６日に公開された米国特許公開第２００６／０２４０５４６号に開示されており、特定の参照によって本明細書に組み込まれるものとする。ポートはまた、容器１８を、２次容器、凝縮器、および他の所望の付属品に連結するために使用することができる。
【００８６】
また、容器１８の側面２０に沿って配置されているのは、垂直方向に離間した複数のガスポート４５〜４７である。ポート４５〜４７の各々は、対応するガス送達システムの一部を形成し、システムは、ガス流酸素供給／物質移動を生成するようにガスをコンパートメント２８内に送達するように設計されている。図１２に描かれているのは、ガスポート４５を含むガス送達システム１２００、６０Ａの拡大図である。ポート４５は、容器１８に取り付けられたフランジ６２と、そこから外向きに突出する管状ステム６４とを備える。ステム６４は、コンパートメント２８と連通するように、そこを長手方向に延びる通路６６の境界を定める。環状バーブ６８が、ステム６４の自由端に形成され、管７０と連結する。次いで、管７０は、無菌コネクタ７２と連結する。
【００８７】
無菌コネクタ７２は、第２のコネクタ部分７６と選択的に嵌合し、流体連結する第１のコネクタ部分７４を含む。管状ステム７５が、第１のコネクタ部分７４から突出し、管７０と流体連結する。コネクタ部分７４および７６の各々は、コネクタ部分７４および７６への開口部を覆う封止層７８Ａおよび７８Ｂをそれぞれ有する。コネクタ部分７４および７６が合わせて連結された後、封止層７８Ａおよび７８Ｂは、コネクタ部分間から引き出され、したがって、コネクタ部分７４とコネクタ部分７６との間に無菌流体接続が形成される。無菌コネクタは、当技術分野で知られている。無菌コネクタの１つの例は、Ｐａｌｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造されているＫＬＥＥＮＰＡＣＫ（登録商標）コネクタである。ＰＡＬＬコネクタは、米国特許第６，６５５，６５５号に詳細に記載されており、その内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものとする。他の無菌コネクタも使用することができる。
【００８８】
管８０が、第２のコネクタ部分７６と流体連結し、ガス供給源８２まで延びる。ガス供給源８２は、無菌コネクタ７２、ポート４５を通過してコンパートメント２８に入るガスを送達する。ガスは酸素であり得、または空気など、酸素を含むガスであり得る。所望の用途に応じて、他のガスも使用することができる。ガス供給源８２は、加圧キャニスタ、圧縮器、または他のガス供給源を含むことができる。管８０に沿って配置されているのは、ガスが通過するときにガスを滅菌するガスフィルタ８４である。管８０に沿ってさらに取り付けられているのは、バルブ８６である。バルブ８６は、送達システム６０Ａを通るガスの流れを選択的に停止させるため、および容器１８内の培養物２９が送達システム６０を通って流出するのを防ぐために使用される。バルブ８６は、さまざまな異なる構成を有することができる。例えば、バルブ８６は、ボールバルブ、ゲートバルブ、管８０を挟むクランプ、または意図された目的のために機能する任意の他のタイプのバルブを含むことができる。バルブ８６は、手動で制御することができるし、または電気式、油圧式、空気圧式などとすることができる。バルブ８６は、送達システム６０に沿ったどこにでも配置することができるが、典型的には、ガスポート４５の近くに配置されることが理解される。１つの実施形態では、バルブ８６は、ポート４５に隣接する管７０に、またはポート４５に直接取り付けることができる。
【００８９】
前述したように、ガス送達システム６０の目的は、培養物２９または他の適用可能な流体の上面３１上に、十分な速度と方向でガス流を送達して、ガス流が、その中の細胞または微生物を増殖させるために培養物に酸素供給するのに十分な乱流を上面３１上に生成することである。「上に」という用語は、水平、実質的に水平、下向きに傾斜、または上向きに傾斜などの任意の所望の配向で上面３１上を移動するガスを含むことを広く意図している。ガス流は、直線経路を流れる必要はなく、垂直または水平軸の周りなどの円形経路または渦状に流れることができるし、あるいはランダムな経路に沿って流れることができる。ガス流は、層流または乱流とすることができ、ガス流の方向、流量、および／または速度は、一定または可変とすることができる。例えば、ガス流は、下向きの垂直方向から実質的に水平方向に変化することができる。容器１８の側面２０にガスポート６４を配置することにより、この実施形態において通路６６を通って出て行くガスは、コンパートメント２８内を水平または実質的に水平に移動し、したがって、上面３１上を横切って通過できる。いくつかの実施形態では、ガス流酸素供給は、スパージングなどの他の形態の酸素供給なしで細胞または微生物を増殖させるのに必要な程度まで培養物に独立して酸素供給するのに十分であり得る。他の実施形態では、ガス流酸素供給は、スパージングまたは他の酸素供給プロセスと併せて使用することができる。
【００９０】
１つの実施形態では、ガス流酸素供給は、空気のみを使用して、スパージングの助けなしに、３よりも大きい、より一般的には５または７よりも大きいｋＬａ係数を有する酸素物質移動を達成することができる。ガス流酸素供給はまた、別個のスパージングなしで、活性な培養物中で、３０％〜５０％の空気飽和範囲の安定酸素濃度設定値を維持することができる。上記値は、インペラによる混合を伴う攪拌槽リアクタおよび他のタイプのリアクタで達成することができる。１つの特定の例では、空気のみを使用するガス流酸素供給により、１／５の容器容積で３．５Ｅ＋０６細胞／ｍＬの細胞濃度に対して、目標値５０％の空気飽和（８６８ｍｂａｒの周囲圧力）でＣＨＯ培養物に酸素供給し、かつＣＯ2をストリップすることができた。この時点で、次いで、培養物に培地を、容器容積一杯まで供給した。ガス流酸素供給によって提供される酸素供給およびＣＯ2ストリッピングは、このレベルの培養物密度および容器充填量では過剰であったことは注目すべきであり、目標ｐＨおよび溶存Ｏ2の目標値を保つために、空気に混合されたＮ2およびＣＯ2の添加する必要があった。
【００９１】
動作中、容器１８のコンパートメント２８を培養物２９で満たすと、上面３１は、通路６６の近くに位置する。１つの実施形態では、通路６６と上面３１との間の距離Ｄ1は、約０．７５ｃｍ〜約１５ｃｍの範囲であり、約１ｃｍ〜約１０ｃｍまたは約２ｃｍ〜約５ｃｍがより一般的である。他の距離も使用することができる。さらに、距離Ｄ1は、容器１８のサイズ、ガスの投射角（液体表面に対して垂直な流れが最適である）、ガスの流量、およびガスの表在速度などの要因に基づいて変化することができる。距離Ｄ1を測定するとき、上面３１は、培養物２９の攪拌下での最大液体波高とすることができ、または攪拌なしの上面３１とすることができる。規模拡縮可能な表現の場合、流量は、システムの最大定格液体動作容量の毎分容器容積（ＶＶＭ）の割合で測定することができる。通路６６を通過するガスの流量は、典型的には、約０．０６ＶＶＭ〜約０．２ＶＶＭの範囲であり、約０．０８ＶＶＭ〜約０．１ＶＶＭ、または約０．１６ＶＶＭ〜約０．１８ＶＶＭがより一般的である。意図される用途に応じて、他の流量もまた使用することができる。通路６６を出る、またはコンパートメント２８内の上面３１を横切って移動するガスの速度は、典型的には、約２５ｍ／秒〜約２７５ｍ／秒の範囲であり、約２５ｍ／秒〜約１７５ｍ／秒または約３０ｍ／秒〜約１００ｍ／秒がより一般的である。速度は、２５ｍ／秒よりも大きく、より一般的には４０ｍ／秒、６０ｍ／秒、８０ｍ／秒、または１００ｍ／秒よりも大きくすることができる。通路６６を出る所望のガス速度を達成するために、通路６６は、コンパートメント１２の容積、すなわち、容器容積（ＶＶ）に基づく最小出口フラックス面積を有することができる。この最小出口フラックス面積は、約ＶＶ（リットル）／８０（リットル／ｍｍ2）〜約ＶＶ（リットル）／７．８（リットル／ｍｍ2）の範囲とすることができ、約ＶＶ（リットル）／４０（リットル／ｍｍ2）〜約ＶＶ（リットル）／３０（リットル／ｍｍ2）または約ＶＶ（リットル）／８．５（リットル／ｍｍ2）〜約ＶＶ（リットル）／６．２５（リットル／ｍｍ2）がより一般的である。他の面積も使用することができる。
【００９２】
所望であれば、ポート４５は、動作中にステム６４が曲げられ、それを通過するガスが上面３１に向かってわずかに下向きになるように構成することができる。例えば、ステム６４は、中心長手方向軸８８を有する。ポート４５は、ステム６４の軸８８が使用中に水平に対して１°〜約１０°の範囲の角度αだけ傾くように形成することができ、したがって、そこを通過するガスが上面３１に対してわずかに下方に通過する。他の角度も使用することができる。
【００９３】
前述したように、ガス流酸素供給は、容器１８内の浅い培養物２９に対して最も効率的である。１つの実施形態では、ガス流酸素供給が細胞または微生物を増殖させるために独立して培養物２９に酸素供給することができる、上面３１と下端壁３４との間の最大距離Ｄ2（図１１を参照）は、容器１８の直径、すなわち容器径（ＶＤ）に基づく距離の範囲内であり得る。例えば、最大距離Ｄ2は、約ＶＤ（ｃｍ）＊０．３〜約ＶＤ（ｃｍ）＊０．４の範囲であり得る。容器１８が円形横断面を有さない場合、ＶＤは平均直径に基づくことができる。いくつかの特定の例では、Ｄ2は、容器の直径に応じて、約５ｃｍ〜３０ｃｍ、または１０ｃｍ〜１００ｃｍの範囲とすることができる。他の距離も使用することができる。ある深さでは、システムは、スパージングまたは他の酸素供給システムを使用せずに動作することができる。さらに、深さによっては、吹き込みガスによって引き起こされる自然循環により、別個のミキサを使用せずに、所望の酸素供給を培養物全体に達成することができる。しかしながら、深さが増すにつれて、培養物の適切な酸素供給には、培養物のすべてが適切に酸素供給されることを保証するために、ガス流酸素供給と、インペラやロッキングなどの別の混合システムとの両方が必要となる。
【００９４】
培養物２９の深さが増すと、混合が達成されているときでさえ、センサ５０が、追加酸素供給の必要性を検出し得る。次いで、培養物２９中の酸素供給およびＣＯ2レベルをさらに制御するために、電気コントローラまたは手動レギュレータを使用して、スパージャ５２および５４を通るスパージングガスの流れを調整することができる。ガス流酸素供給を使用する場合、空気または酸素のスパージングは浅いところでは必要ないが、培養物中の酸素を制御するために、すなわちガス流酸素供給により生成された過剰な酸素を取り除くために、スパージャ５４などによる窒素のスパージングをすべての深さで使用することができる。ガス送達システム６０Ａは、図１１には、距離Ｄ2の頂点に対応する容器１８の高さまたはその近くに配置された唯一のガス送達システムとして示されているが、２つ以上のガス送達システム６０Ａを、それと同じ高さまたはその近くに配置して、同時に動作させることができる。
【００９５】
ガス送達システム６０Ａを介して容器１８に送達されたガスは、容器１８が過度に膨張しないように、アクセスポート４１を通して引き出すことができる。容器１８を通過するかなり大量のガスのために、従来のシステムと比較して、培地の蒸発率が高くなる可能性がある。したがって、リアクタシステム１０は、アクセスポート４１と連結する凝縮器と共に動作させることができる。リアクタシステム１０と共に使用することができる凝縮器の一例が、２０１１年８月２５日に公開された米国特許公開第２０１１／０２０７２１８  Ａ１号に開示されており、その全体が特定の参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【００９６】
培養物２９は、既定の物質密度または他の所望の値が培養物２９内で判定されるまで、通路６６より下のレベルで増殖し続ける。次いで、バルブ８６を閉じて、培地および他のコンポーネントを、上面３１のレベルが図１１に示す第２のガス送達システム６０Ｂから動作距離内にまで上昇するまで、培養物２９に加えることができる。次いでに、ガス送達システム６０Ｂを作動させ、ガス流に上面３１上を再び通過させ、それにより、培養物２９のガス流酸素供給を継続する。次いで、このプロセスを、後続のガス送達システム６０Ｃに対して継続することができる。同様に、他の高さでガス流酸素供給を継続するために、任意の数の追加ガス送達システムを容器１８の側面２０に沿って垂直方向に離間することができる。
【００９７】
図１３は、さまざまな実施形態による流体混合システム１３００を示す。さまざまな実施形態において、混合システム１３００は、インペラ１３０６を備えた駆動シャフト１３０４と、スパージャ１３０８とを有するコンパートメント１３０２を備えることができ、気泡経路１３１０は、スパージャ１３０８から上昇する気泡の軌道を示す。
【００９８】
さまざまな実施形態において、コンパートメント１３０２は１．５のアスペクト比を含み、スパージャ１３０８は、単一インペラ１３０６に対して、気泡の再飛散に準最適な位置に配置されている。さまざまな用途で、気泡が再飛散されないことが要求される場合があるが、より頻繁に、再飛散により混合システム１３００内での気泡の滞留時間が長くなり、これは、ほとんどの場合で好適である。
【００９９】
図１４は、さまざまな実施形態による流体混合システム１４００を示す。さまざまな実施形態において、混合システム１４００は、駆動シャフト１４０４がその中に配置されたコンパートメント１４０２を備え得、駆動シャフト１４０４には第２のインペラ１４０６および第１のインペラ１４０８が固着され、スパージャ１４１０がコンパートメント１４０２の底部に固着され、気泡経路１４１２がそこから延びる。
【０１００】
さまざまな実施形態において、駆動シャフト１４０４ならびに第１および第２のインペラ１４０６、１４０８の位置に対するスパージャ１４１０の位置は、気泡の再飛散に準最適である。このようなシステムは、追加混合が必要であり、気泡滞留時間を増やす必要がない場合に、好ましい場合がある。しかしながら、ほとんどの用途において、スパージャ１４１０およびインペラ１４０６、１４０８の相対位置は、気泡経路１４１２を変更し、気泡滞留時間をより長くするように選択することができる。
【０１０１】
図１５は、さまざまな実施形態による流体混合システム１４００を示す。さまざまな実施形態において、混合システム１５００は、コンパートメント１５０２と、コンパートメント内に配置された駆動シャフト１５０４と、駆動シャフト１４０４に固着された第１のインペラ１５０６および第２のインペラ１５０８と、スパージャ１５１０と、気泡経路１５１２とを備え得る。
【０１０２】
さまざまな実施形態において、スパージャ１５１０ならびに第１および第２のインペラ１５０６、１５０８の相対位置は、気泡の再飛散に準最適である。より短い気泡滞留時間が最適な用途も存在するが、ほとんどの状況で、これは望ましい構成ではない。
【０１０３】
図１６は、さまざまな実施形態による流体混合システム１６００を示す。さまざまな実施形態において、混合システム１６００は、コンパートメント１６０２と、コンパートメント１４０２内に配置された駆動シャフト１６０４と、駆動シャフト１４０４に固着された第１のインペラ１６０６および第２のインペラ１６０８と、スパージャ１６１０と、スパージャ１４１０から生じる気泡の上昇流を示す気泡経路１６１２とを含み得る。
【０１０４】
さまざまな実施形態において、図１６の流体混合システム１６００は、再飛散に最適化されている。スパージャ１４１０ならびに第１および第２のインペラ１６０６、１６０８の相対位置は、気泡経路１６１２に影響を与えるように選択され、それにより、混合システム１６００内の気泡滞留時間を増加させた。ほとんどの用途において、これは理想的な配置である。
【０１０５】
図１７は、実験目的のためのスパージャレイアウト１７００を示す。スパージャレイアウト１７００は、インペラ先端掃引１７０２、スパージャ位置１７０４、およびコンパートメント１７０６を含む。
【０１０６】
図１７は、駆動シャフト（図示せず）をコンパートメント１７０６の側壁に向かってオフセットさせ、さまざまなスパージャ位置１７０４を一度に１つずつ動作させて、最適な気泡分散パターンを決定した実験を設定している。さまざまな実施形態において、コンパートメント１７０６のコーナーは、バッフルとして作用することにより気泡分布を増加させるように作用する。
【０１０７】
図１８Ａ〜図１８Ｆは、図１７に示されたスパージャ位置１７０４の各々に対する気泡分布パターンを示す。灰色のスパージャ位置は、どのスパージャが動作中であるかを示す。他のスパージャはオフになっている。例えば、スパージャ位置１は図１８Ａで動作中であるが、他のスパージャ位置はオフになっている。
【０１０８】
図１９は、図１７に示されたスパージャ位置１７０４の性能を示す。ｘ軸は、使用中のスパージャ位置１７０４を示し、ｙ軸は、経過時間を示す。実線は、最初に放出された気泡が表面に到達するのにかかる時間を秒単位で示し、破線は、スパージャへのガスの流れが止まった後に気泡の９５％が表面に到達するのにかかる時間を示す。一般に、泡が流体中に長く留まることは、より多くの溶存酸素が流体中に入り、細胞を培養することができることを意味し、これは、ほとんどの用途で好適である。規模拡縮可能なシステムを作り出す場合、気泡滞留時間を増減させて、２つ以上の混合システム間でｋＬａを一致させると、商業規模生産のより良い予測モデルが可能になる。前述したように、スパージャおよびインペラの位置を変更して再飛散特性を変更できることは、有用となり得る。
【０１０９】
図２０は、図１７に示されたスパージャ位置１７０４の性能を示す。ｘ軸は、使用中のスパージャ位置１７０４を示し、ｙ軸は、得られた正規化ｋＬａ値を示す。一般に、より高いｋＬａ値が好適である。規模拡縮可能なシステムでは、スパージャ位置を選択して、異なる形状および容量を有する２つ以上の混合システム間でｋＬａ値を一致させようと試みることができる。
【０１１０】
図２１は、従来技術のスパージングシステムに対する、本出願に記載されたスパージング方法およびシステムとを使用した、混合システム容量にまたがる比較データを示す。ｋＬａをｙ軸に示し、毎分容器容積当たりの流量をｘ軸に示す。従来技術のスパージングシステムおよび方法は、５０リットル〜２０００リットルのシステム間で同様のｋＬａ値を生成しないことが明らかに示されている。しかしながら、本明細書に開示されたスパージャは、異なる容量を有するシステム間でかなり同様のｋＬａ値を生成する。
【０１１１】
上記の方法を使用して、スパージャ細孔のサイズおよび数を調整し、ｋＬａを実験的に測定し、フリット＋開放管を有するシステムをフリット＋ＤＨＳを有するシステム（上述のスパージャシステムおよび方法）と比較した。
【０１１２】
規模にまたがって、この方法は、規模拡縮後の性能を改善し、規模にまたがるｋＬａの最大標準偏差を２０％から８．６％に減少させ、開放管またはＤＨＳを使用する規模にまたがるｋＬａの平均標準偏差を１６％から６％に減少させる。
【０１１３】
図２２は、所与の１容積当たりの動力入力における、容積にまたがる混合一貫性を示す。図２２に示されたデータを生成するために使用された混合システム２００は、図２およびこの文書の他所に示したものである。示されたプロットは、アスペクト比２．５および３つのインペラを有する５０リットル容器と、アスペクト比２．５および３つのインペラを有する５００リットル容器と、アスペクト比２．５および３つのインペラを有する５０００リットル容器とから取られたデータのものである。インペラ直径は、各規模にまたがり同じではなく、インペラ直径対容器幅の比も同じではなかった。見てわかるように、ｔ９５混合時間は、所与の１容積当たりの動力において規模にまたがり一定のままである。
【０１１４】
図２３は、規模５０、１００、２５０、５００、１０００、および２０００リットルのシステムにまたがり、一定またはほぼ一定のインペラ先端速度および１容積当たりの動力を示す表を示す。インペラの直径および数を変更して、さまざまなサイズのシステムに対処した。
【０１１５】
図２４は、さまざまな実施形態による、異なる容積を有するバイオリアクタ間で流体混合特性を一致させる方法２４００を示す。ブロック２４０２は、一組の動作パラメータを有する第１のバイオリアクタを選択するステップであって、第１のバイオリアクタは、第１の端部、第２の端部、および側壁を有する第１のバイオプロセス容器と、第１のバイオプロセス容器の第１の端部と第２の端部との間に懸吊された第１の構成可能な混合アセンブリとを備える、ステップを含む。ブロック２４０４は、第１の直径を有する第１のインペラを選択するステップを含む。ブロック２４０６は、第１のインペラを構成可能な混合アセンブリに取り付けるステップであって、第１の直径および取り付け位置は、動作パラメータに適合するように選択される、ステップを含む。ブロック２４０８は、第１の端部、第２の端部、および側壁を有する第２のバイオプロセス容器を備える第２のバイオリアクタを選択するステップであって、第２のバイオプロセス容器は、第１のバイオプロセス容器と同じ容積ではなく、第２の構成可能な混合アセンブリが第２のバイオプロセス容器の第１の端部と第２の端部との間に懸吊されている、ステップを含む。ブロック２４１０は、第１の直径と同じではない第２の直径を有する第２のインペラを選択するステップを含む。ブロック２４１２は、第２のインペラを第２の構成可能な混合アセンブリに取り付けるステップであって、第２の直径および第２の取り付け位置は、一組の動作パラメータを５パーセント以内にまで整合させるように選択され、一組の動作パラメータは、１容積当たりの動力およびインペラ先端速度を含む、ステップを含む。
【０１１６】
図２５は、さまざまな実施形態による、異なる容積を有するバイオリアクタ間で流体混合特性を一致させる方法２５００を示す。ブロック２５０２は、動作パラメータを有する第１のバイオリアクタを選択するステップであって、第１のバイオリアクタは、第１の端部、第２の端部、および側壁を有する第１のバイオプロセス容器と、第１のバイオプロセス容器の第１の端部と第２の端部との間に懸吊された第１の構成可能な混合アセンブリとを備える、ステップを含む。ブロック２５０４は、第１の細孔数を有する第１のスパージャを選択するステップであって、細孔は第１の直径を有し、第１の数および第１の直径は、動作パラメータに適合するように選択され、第１のスパージャは第１の端部に固着される、ステップを含む。ブロック２５０６は、第１の端部、第２の端部、および側壁を有する第２のバイオプロセス容器を備える第２のバイオリアクタを選択するステップであって、第２のバイオプロセス容器のアスペクト比は、第１のバイオプロセス容器のアスペクト比と同じではなく、第２の構成可能な混合アセンブリが、第２のバイオプロセス容器の第１の端部と第２の端部との間に懸吊されている、ステップを含む。ブロック２５０８は、第２の細孔数を有する第２のスパージャを選択するステップであって、細孔は第２の直径を有し、第２のスパージャは、第２のバイオプロセス容器の第１の端部に固着され、第２の細孔数と第１の細孔数とは同じではなく、細孔は同じではなく、第２の直径と第１の直径とは同じではなく、第２の細孔数および第２の直径は、動作パラメータを５パーセント以内にまで整合させるように選択され、動作パラメータはｋＬａである、ステップを含む。
【０１１７】
一連の予測データと実際のデータとを収集し、図２６、２７、および２８に示した。以下は、異なる容積を有するバイオリアクタにまたがり規模拡縮を確実に行うために必要な細孔サイズを予測する方法である。
【０１１８】
１．経験的データと文献ベースの回帰とを使用して、以下を予測する：
ａ．細孔サイズおよび流量から気泡サイズ（内部経験的データ回帰）
ｂ．気泡終末速度（Ｔａｌａｉａ，２００７，Ｔｅｒｍｉｎａｌ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｏｆ  ａ  ｂｕｂｂｌｅ  ｒｉｓｅ  ｉｎ  ｌｉｑｕｉｄ  ｃｏｌｕｍｎ、自社内で気泡速度の測定によっても検証された）。
ｃ．気泡終末速度で除算した液体カラム高さに基づく滞留時間
２．ｋＬａスコアは以下に基づく：
【数１】
2021511033.tif 000003
【０１１９】
図２６は、レガシーバイオリアクタにおける規模にまたがる予測Ｋスコア比較データを示す。
【０１２０】
図２７は、レガシーバイオリアクタにおける規模にまたがる実際のｋＬａ比較データを示す。
【０１２１】
図２８は、本明細書に開示された実施形態のうちのいくつかにおける規模にまたがる予測Ｋスコア比較データを示す。
【０１２２】
本明細書に開示されたシステムおよび方法を使用すると、異なる容量に対応する混合システムにまたがって、動作パラメータを一定に保つことができる。試験またはベンチ規模から商業規模に移行する場合、最も重要な側面は、バイオリアクタの増殖条件を容易に予測できることである。本明細書の規模拡縮可能なシステムにより、ユーザは、スパージャ設計、駆動システム、およびヘッドスペース気流システムのさまざまな側面を調整することで、システムにまたがってコンポーネントが完全に異なるが、同じまたは同様の結果を生み出し得るようなシステムを作り出すことが可能となる。すべてのシステムが互いに相互作用し、選択が行われるとき、他の態様を考慮する必要があることに注意されたい。例えば、気泡滞留時間を長くする必要がある場合、駆動システムを変更して気泡を再飛散させることができる。ＣＯ2蓄積を減らす必要がある場合は、追加のスパージングおよびヘッドスペース全体の気流を増やしてもよい。これまで、ユーザはどの測定量がより重要であるか（せん断、１容積当たりの動力、またはｋＬａ）を決定し、寸法的に（容器アスペクト比、インペラ直径対容器幅／直径など）同じである規模拡縮可能なシステムを設計する必要があった。本開示の発明により、さまざまなシステムが互いにどのように影響するかを理解して、さまざまな動作パラメータを一定に保つことができる。
【０１２３】
本発明の教示を多様な実施形態と併せて記載するが、本発明の教示をかかる実施形態に限定することを意図していない。対照的に、本発明の教示は、当業者が理解し得る場合、多様な変更例、変形例、および等価物を包含する。
さらに、多様な実施形態を記載する際、本明細書が、方法および／またはプロセスを特定の順序のステップとして提示している場合がある。しかしながら、本方法またはプロセスが本明細書に記載された特定の順序のステップに依存しない限り、本方法またはプロセスは、記載された特定の順序のステップに限定されるべきではない。当業者であれば理解するであろうように、他の順序のステップが可能であり得る。したがって、本明細書に記載された特定の順序のステップを、特許請求の範囲に対する限定として解釈するべきではない。加えて、方法および／またはプロセスを対象とする特許請求の範囲は、記された順序でのそれらのステップの性能に限定されるものではなく、当業者であれば、順序が変更されてもよく、それでもなおさまざまな実施形態の趣旨および範囲内に収まり得ることを容易に理解するであろう。
【図１】
2021511033.tif 000004
【図２】
2021511033.tif 000005
【図３】
2021511033.tif 000006
【図４】
2021511033.tif 000007
【図５】
2021511033.tif 000008
【図６】
2021511033.tif 000009
【図７】
2021511033.tif 000010
【図８】
2021511033.tif 000011
【図９】
2021511033.tif 000012
【図１０】
2021511033.tif 000013
【図１１】
2021511033.tif 000014
【図１２】
2021511033.tif 000015
【図１３】
2021511033.tif 000016
【図１４】
2021511033.tif 000017
【図１５】
2021511033.tif 000018
【図１６】
2021511033.tif 000019
【図１７】
2021511033.tif 000020
【図１８Ａ】
2021511033.tif 000021
【図１８Ｂ】
2021511033.tif 000022
【図１８Ｃ】
2021511033.tif 000023
【図１８Ｄ】
2021511033.tif 000024
【図１８Ｅ】
2021511033.tif 000025
【図１８Ｆ】
2021511033.tif 000026
【図１９】
2021511033.tif 000027
【図２０】
2021511033.tif 000028
【図２１】
2021511033.tif 000029
【図２２】
2021511033.tif 000030
【図２３】
2021511033.tif 000031
【図２４】
2021511033.tif 000032
【図２５】
2021511033.tif 000033
【図２６】
2021511033.tif 000034
【図２７】
2021511033.tif 000035
【図２８】
2021511033.tif 000036
【国際調査報告】
2021511033.tif 000037
2021511033.tif 000038