ИНТЕРФЕЙС СЪЕМНОГО ДАТЧИКА РАСТВОРЕННОГО КИСЛОРОДА ДЛЯ БИОРЕАКТОРА/МИКСЕРА ОДНОРАЗОВОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
INTERFACE OF A REMOVABLE DISSOLVED OXYGEN SENSOR FOR A DISPOSABLE BIOREACTOR/MIXER

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2
[0001] Кислород является газом, представляющим значительный интерес, просто вследствие своей роли в цикле развития всех живых организмов. Измерение концентрации кислорода или парциального давления является важным в широком множестве прикладных задач. В некоторых прикладных задачах концентрации газообразного кислорода измеряются непосредственно. В других прикладных задачах измеряется концентрация кислорода, растворенного в жидкости. Важно понимать, что выражение «растворенный кислород» относится к молекулам газообразного кислорода, растворенным в воде, и не следует это путать со связанными атомами кислорода, которые встречаются в молекуле воды HO.
[0002] Подающее надежды применение для измерения растворенного кислорода существует в биологических образцах. Эти биологические образцы могут быть образцами в искусственных условиях в лаборатории или образцами в естественных условиях в пациенте. Измерение растворенного кислорода в биологических образцах предоставляет важную диагностическую информацию для поставщиков медицинских услуг и/или информацию об эффективности конкретного лечения. Часто биологический образец содержится в биореакторе/миксере, и измерение растворенного кислорода предоставляет важную информацию о состоянии биомассы, содержащейся в нем.
[0003] Биологическая промышленность переходит от больших, капиталоемких установок, выполненных из нержавеющей стали с большой инфраструктурой очистки на месте (CIP) и к меньшим установкам, использующим полимерные мешки или контейнеры, функционирующие в качестве биореакторов одноразового использования. Мешок или контейнер биореактора одноразового использования может быть использован однократно и затем выброшен. Использование биореакторов одноразового использования может значительно снижать капитальные затраты, требуемые для производства. Например, в существующих установках, использующих CIP-инфраструктуру из нержавеющей стали, до 90% эксплуатационных затрат может быть отнесено к CIP-инфраструктуре, включая в себя высококачественную контрольно-измерительную аппаратуру, предназначенную, чтобы выдерживать цикл очистки паром. Посредством перехода к выбрасываемым контейнерам биореакторов одноразового использования CIP-доля капитальных затрат может быть устранена, оборудования могут быть гибкими и гораздо меньшими, что, в свою очередь, предоставляет возможность производства меньших партий, которые необходимы, например, для более целевых медикаментозных лечений и других прикладных задач малого масштаба.
[0004] Известный датчик растворенного кислорода предусмотрен в патенте США № 8828202. В замысле указанного выше патента мембрана окна для датчика помещается на стенку контейнера, и датчик растворенного кислорода (DO) находится полностью снаружи контейнера. В то время как эта компоновка является полезной для определения растворенного кислорода в средах одноразового использования, могут быть выполнены улучшения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Предусмотрен интерфейс для соединения датчика растворенного кислорода с контейнером биореактора одноразового использования. Мембрана окна для растворенного кислорода (DO) функционально соединяется с контейнером одноразового использования и выполнена с возможностью позиционировать DO-датчик по меньшей мере внутри контейнера одноразового использования. В некоторых вариантах осуществления корпус окна для DO устанавливает мембрану окна для DO на своем дальнем конце. Корпус окна для DO может включать в себя защелку для обеспечения позиционирования DO-датчика в корпусе окна для DO. Дополнительно, корпус окна для DO может включать в себя по меньшей мере одно теплообменное ребро.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0006] Фиг. 1A и 1B являются схематичными видами в поперечном сечении, сопоставляющими известную конструкцию (фиг. 1A) с конструкцией в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения (фиг. 1B).
[0007] Фиг. 2A и 2B являются схематичными видами в вертикальном разрезе и поперечном сечении, соответственно, датчика растворенного кислорода в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0008] Фиг. 3 - это схематичный вид сверху, иллюстрирующий запорную деталь датчика растворенного кислорода в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0009] Фиг. 4A - это схематичный вид защелки для DO-датчика в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0010] Фиг. 4B - это схематичный вид защелки при использовании на DO-датчике в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0011] Фиг. 5A-5D являются схематичными видами мембраны для DO, прикрепленной к окну для DO в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0012] Фиг. 6A и 6B являются схематичными представлениями сопряжения традиционного DO-датчика с контейнером биореактора через растягиваемую и эластичную чувствительную мембрану окна в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0013] Варианты осуществления, описанные в данном документе, в целом, относятся к системе и способу соединения датчика растворенного кислорода с контейнером биореактора одноразового использования через мембрану окна для соединения датчика и держатель мембраны. Эта система в одном варианте осуществления продлевает мембрану окна для соединения датчика и датчик растворенного кислорода внутрь контейнера биореактора одноразового использования, что, как предполагается, должно обеспечивать более хорошую компенсацию температуры. Когда используется в данном документе, контейнер биореактора одноразового использования подразумевает охват любого контейнера или удерживающего сосуда, который подходит для процесса одноразового использования и выбрасывается после использования вместо повторного использования. Предпочтительным примером является мешок, имеющий гибкую полимерную стенку. Дополнительно, некоторые варианты осуществления также предусматривают запорный механизм, чтобы прикреплять датчик растворенного кислорода в окно для датчика.
[0014] Температура является важным параметром для измерений растворенного кислорода. Она влияет на измерение, изменяя проницаемость мембраны датчика и растворимость кислорода в воде. Следовательно, существует внутренний температурный элемент, встроенный в датчик растворенного кислорода (DO).
[0015] Известные конструкции датчика растворенного кислорода (DO), как правило, предусматривают способ присоединения DO-датчика к контейнеру биореактора одноразового использования через мембрану окна для присоединения датчика и держатель окна. Однако мембрана окна для датчика типично располагается на стенке контейнера, и DO-датчик (и его внутренний температурный элемент) размещается полностью снаружи контейнера. Это может потенциально создавать проблемы с точки зрения компенсации температуры. Что касается типичного контейнера биореактора, внутренний процесс регулируется при температуре 36,5°C, тогда как комнатная температура обычно равна 20-25°C. Следовательно, существует температурный градиент через весь присоединенный датчик растворенного кислорода, и компенсация температуры датчика растворенного кислорода является неточной. В одном наблюдении температура контейнера биореактора была 36,5°C, а температура считывания DO-датчика была только 28,1°C. Эта разница температур может вызывать значительные погрешности измерения.
[0016] Чтобы устранять эту проблему по меньшей мере некоторые варианты осуществления, описанные в данном документе, предусматривают мембрану окна для присоединения датчика и держатель мембраны, который простирается внутрь контейнера одноразового использования, так что мембрана окна для присоединения, мембрана DO-датчика и внутренний температурный элемент датчика могут достигать термического равновесия с процессом. Это обеспечивает более хорошую компенсацию температуры датчика, таким образом, приводя к более высокой точности измерения.
[0017] Фиг. 1A и 1B являются схематичными видами в поперечном сечении, сопоставляющими известную конструкцию (фиг. 1A) с конструкцией в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения (фиг. 1B). На фиг. 1A известная система 100 установки датчика растворенного кислорода соединяется с боковой стенкой 102 контейнера 104 одноразового использования. Система 100 включает в себя принимающую часть106 для трубчатого датчика, который имеет размер, позволяющий принимать датчик 108 растворенного кислорода. Система 100 также включает в себя фланцевую часть 110, которая устанавливается на боковую стенку 102 контейнера 104 одноразового использования. Фланцевая часть 110 также включает в себя проницаемую для кислорода мембрану 112, которая герметизирует от протекания текучей среды контейнер, но в ином случае предоставляет возможность кислороду проходить сквозь нее, так что датчик 108 может измерять содержание DO для образца 114 в контейнере 104. В целях схематичного представления датчик 116 температуры показан внутри датчика 108 для компенсации значения DO для температуры. Однако, как может быть видно на фиг. 1A, датчик 116 температуры является внешним по отношению к контейнеру 104 и, таким образом, является чувствительным к окружающей температуре 118, которая может вынуждать датчик 116 температуры считывать значение, которое отличается от температуры образца 114 и мембраны 112.
[0018] Фиг. 1B - это схематичный вид держателя DO-датчика в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Некоторые из элементов, показанных на фиг. 1B, являются аналогичными элементам с фиг. 1A, и аналогичные компоненты нумеруются аналогично. Более конкретно, может быть видно, что тот же DO-датчик 108, который соединяется с системой 100, может быть соединен с системой 200 установки датчика растворенного кислорода. Однако система 200 устанавливает датчик 108 в положении, которое перемещает датчик внутрь контейнера 104. Система 200 включает в себя принимающую гильзу или часть 206 для трубчатого датчика, который имеет размер, позволяющий принимать DO-датчик 108. Часть 206 соединяется с фланцем 210, который соединяется с боковой стенкой 102 контейнера 104. Однако принимающая часть 206 для трубчатого датчика также включает в себя часть на противоположной стороне фланца 210, простирающуюся изнутри контейнера. Таким образом, по меньшей мере принимающая часть 206 трубчатого датчика выполнена с возможностью ее позиционирования в контейнере и окружения образцом 114. Дополнительно, чувствительный к температуре элемент 116 датчика 108 позиционируется ближе к образцу 114 по сравнению с системой 100 установки. Это помогает гарантировать то, что элемент 116 указывает температуру образца 114 и/или мембраны 112 более точно.
[0019] Фиг. 2A и 2B являются схематичными видами в вертикальном разрезе и поперечном сечении, соответственно, датчика растворенного кислорода в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Корпус 250 окна для DO вставляется во фланец 252 контейнера биореактора, который включает в себя фланцевую часть 253, которая закрепляется и уплотняется относительно стенки контейнера одноразового использования. Корпус 250 окна предпочтительно прикрепляется к фланцу 252 контейнера биореактора посредством упругой пластмассовой трубки 254 (показана прерывистой линией), покрывающей часть внешней стороны корпуса 250 окна. Канавка 264 под уплотнение выполнена с возможностью принимать и удерживать уплотнительное кольцо, чтобы предотвращать утечку образца из контейнера одноразового использования. DO-датчик, который может быть любым подходящим DO-датчиком, известным на текущий момент, или разработанным позже, вставляется в корпус 250 окна для DO и закрепляется через адаптер 258 датчика. Адаптер 258 датчика содержит пресс 262 для большого пальца, который облегчает вставку и выставление DO-датчика 260. В одном варианте осуществления адаптер 258 датчика также содержит деталь 262 (показана более подробно на фиг. 3), который препятствует вращению DO-датчика 260 в корпусе 250 окна.
[0020] Как показано на фиг. 2A и 2B, вспомогательный уплотнительный элемент (например, уплотнительное кольцо) 256 предусматривается рядом с нижней частью адаптера 258 датчика, чтобы препятствовать атмосферному кислороду в достижении наконечника DO-датчика, чтобы вызывать помеху. Мембрана 272 окна для DO прикрепляется к концу корпуса 250 окна для DO с помощью колпачка 274 мембраны, который будет описан более подробно относительно фиг. 5A-5D. Корпус 250 окна для DO может включать или не может включать в себя множество теплообменных ребер 276. В проиллюстрированном варианте осуществления ребра 276 предусматриваются в форме множества круглых колец, окружающих корпус 250 окна для DO. Однако явно предполагается, что ребра 276 могут дополнительно или альтернативно проходить продольно по оси корпуса 250 окна для DO. Теплообменные ребра 276 выполнены с возможностью находиться в непосредственном контакте с образцом 114 и способствовать улучшению теплового потока к чувствительному к температуре элементу (такому как элемент 116) в DO-датчике.
[0021] Фиг. 3 - это схематичный вид сверху, иллюстрирующий запорную деталь датчика растворенного кислорода в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Защелка 265 является подвижной в направлении стрелки 300 между первым и вторым положениями. В первом положении защелка 265 предоставляет возможность DO-датчику 108 вставляться или выниматься из корпуса 250 окна для DO. Дополнительно, в первом положении DO-датчик 108 может поворачиваться в корпусе 250 окна для DO-датчика. Однако когда защелка 265 передвигается во второе положение, меньший диаметр 302 зацепляет часть DO-датчика 108 и препятствует осевому и вращательному перемещению. Таким образом, DO-датчик 108 запирается на месте.
[0022] Фиг. 4A и 4B являются схематичными видами защелки для DO-датчика и защелки при использовании на DO-датчике, соответственно, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Защелка 265 включает в себя боковую стенку 320, которая скользит в пределах опор 322. Скользящее движение также ограничивается ребрами 324 на защелке 265, взаимодействующими с выступами 326 опор 322. Дополнительно, как показано на фиг. 4A, защелка 265 может также включать в себя индикаторы, предоставляющими пользователю указание направления скольжения, соответствующего запертому/отпертому положениям.
[0023] Защелка 265 помогает закреплять DO-датчик 108 на месте во время работы и предоставляет возможности блокировки/маркировки для конечного пользователя. Блокировка/маркировка является процедурой обеспечения безопасности, чтобы гарантировать, что опасные машины правильно отключены и не имеют возможности запуска снова до завершения технического обслуживания или ремонта. В этом варианте осуществления защелка 265 может включать в себя отверстие, через которое механический замок закрепляется для того, чтобы удерживать защелку 265 в конкретной ориентации. Когда механический замок закрепляется через отверстие в защелке 265, защелка 265 может не переключать положения. Таким образом, DO-датчик может быть заперт или отперт по желанию. Таким образом, отверстие в защелке 265 обеспечивает соединение механического замка с защелкой 265, тем самым, обеспечивая блокировку/маркировку. Защелка 265 также гарантирует, что DO-датчик 108 вставляется в корпус 250 окна для DO на точную длину, так что чувствительный к кислороду наконечник DO-датчика 108 может правильно взаимодействовать с мембраной 272 окна для DO (показана на фиг. 2A и 2B).
[0024] Фиг. 5A-5D являются схематичными видами DO-мембраны, прикрепленной к окна для DO в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Мембрана 272 окна для DO прикрепляется к корпусу 250 окна для DO через колпачок 350, присоединяемый к корпусу 250 окна для DO. Колпачок 350 может быть прикреплен любым подходящим образом. Например, колпачок 350 может быть приварен ультразвуковым образом к корпусу 250 окна для DO, как показано на фиг. 5B. Альтернативно, колпачок 350 может быть навинчен на корпус 250 окна для DO, как показано на фиг. 5C. Дополнительно, колпачок 350 может также быть защелкнут на корпус 250 окна для DO, как показано на фиг. 5D. Во всех проиллюстрированных вариантах осуществления, однако, дополнительный уплотнительный элемент (уплотнительное кольцо 352) сжимается и уплотняет мембрану 272 окна для DO и колпачок 350 по отношению к корпусу 250 окна для DO.
[0025] Фиг. 6A и 6B являются схематичными представлениями сопряжения традиционного DO-датчика с контейнером биореактора через растягиваемую и эластичную чувствительную мембрану окна в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, растягиваемая, эластичная чувствительная мембрана окна может быть использована для сопряжения DO-датчика с биореактором. Фиг. 6A и 6B являются схематичными представлениями сопряжения традиционного DO-датчика 108 с контейнером 400 биореактора через растягиваемую и эластичную чувствительную мембрану 402 окна. В этом варианте осуществления корпус окна для DO-датчика и колпачок устранены, а DO-датчик 108 сопрягается с контейнером биореактора с помощью растягиваемой, упругой чувствительной мембраны 402 окна. Когда DO-датчик не присутствует, мембрана находится в своей ослабленной форме, но все еще изолирует внутренность контейнера от внешней среды. Когда DO-датчик 108 помещается внутрь чувствительной мембраны 402 окна (как показано на фиг. 6B), мембрана 402 будет растягиваться и, таким образом, обертывать DO-датчик 108, как показано. Мембрана 402 выполняется из материала, который делает ее очень проницаемой для кислорода, чтобы предоставлять возможность кислороду из образца/процесса достигать чувствительного к кислороду наконечника DO-датчика 108. Однако мембрана 402 также проектируется (посредством выбора материала и/или толщины), чтобы быть прочной и достаточно упругой, чтобы предотвращать разрыв.
[0026] Как описано выше, варианты осуществления, описанные в данном документе, в целом, предусматривают корпус окна для DO, DO-мембрану и температурный элемент DO-датчика, которые вставляются в контейнер, вместо расположения вдоль поверхности стенки контейнера. Также, по меньшей мере некоторые варианты осуществления предусматривают ребристые детали в нижней части корпуса окна для DO, чтобы обеспечить лучшие теплообменные свойства корпуса окна для DO. Дополнительно, некоторые варианты осуществления предусматривают защелку, чтобы предоставлять возможность выборочной вставки или изъятия DO-датчика кислорода. Варианты осуществления также включают в себя сочетания таких признаков.
[0027] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники признают, что изменения могут быть сделаны в форме и деталях без отступления от духа и области применения изобретения. Например, фланец контейнера может быть предусмотрен, когда DO-датчик имеет механическую деталь, добавленную к корпусу датчика, которая взаимодействует с фланцем контейнера. Поскольку контейнер находится под давлением во время применения, единственной точкой присоединения, представляющей интерес, является присоединение к контейнеру. Это будет устранять пластмассовые крепежные устройства (пластиковые хомутики и т.д.), чтобы гарантировать, что датчик удерживается на месте.