專利名稱：用于生長支撐在液體表面上的生物材料的生物反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用生物反應器來保持培養(yǎng)基以及促進生物材料的生 長，并且尤其涉及用于生長需要光源的生物材料(比如水生植物)的 透明生物反應器。
背景技術：
f
光生物反應器是允許:光合微生物以可控的方式生長的設備。授權 給Forth的美國專利No. 5,846,816 ( "Forth" ) 乂>開了 一種生物物質生 產裝置，其包括橫截面為倒三角形的透明腔室10，如Forth中的圖l 所示。延伸穿過這個腔室的是第一導管22，第一導管沿著其長度具有 多個穿孔以允許將氣體引入腔室中。還有 一對連接到熱交換介質供應 站的熱交換導管26延伸穿過這個腔室。
空氣通過導管進入的通道形成了一個區(qū)別性的流動模式，其使得 腔室中的液體向上循環(huán)通過腔室的中央?yún)^(qū)域、跨過腔室在蓋板16下面 的上部區(qū)域、然后沿著腔室側壁20向下返回到導管，如Forth中的圖 3所示。蓋板包括有兩個孔28，循環(huán)氣體由此離開腔室。表面上空氣 通道和液體循環(huán)保證了懸掛在其中的生物能暴露給光并且還防止了生 物(比如藻類)附著于腔室的壁上。
盡管Forth所公開的生物反應器促進了生物的生長，但是對于要 求無菌生長環(huán)境的應用來說一般卻沒有什么用處。孔朝著可能包含空 中雜質的空氣開放。這種雜質對于必須達到美國食品及藥品管理局對 于避免雜質的嚴格要求的藥物學應用來說特別令人頭疼。
另外，F(xiàn)orth所要求的液體的恒定循環(huán)妨礙了一些類型生物的生長。例如，浮萍科的完全不同的水生植物是最好在水面上生長的淡水 植物。這些表面生長的植物通常傾向于相對平靜的水面來支持和促進 最佳生長。
因此，有利地是具有一種用于促進植物類生物材料在與雜質隔絕 的相對無菌環(huán)境中生長的光生物反應器系統(tǒng)。如果這種系統(tǒng)能夠促進 表面生長的水生植物(比如浮萍科植物)的生長，那么更加有利。

發(fā)明內容
以上優(yōu)點通過本發(fā)明的生物反應器組件來獲得并且還闡述了其它 要求，這種生物反應器組件用于保持培養(yǎng)基并支撐多種植物的生長。 該組件包括有光源和容器，該容器具有允許光穿過其中并且限定出填 充有培養(yǎng)基和生物材料的儲存器的透光壁結構。儲存器的長軸基本上 水平以允許儲存器能被部分地填充培養(yǎng)基并且限制出用于支撐植物和 其它傾向于這種支撐的生物材料的相對較大表面積。該組件還可以包 括有夾具，用于將容器分開的壁結構部分緊固和密封起來，并且包括 緊固到壁部分以維持無菌環(huán)境的端蓋。作為另一選擇，夾具可以限定 出貫穿的開口，其允許各種測量和控制生物反應器功能的設備(比如
氣體供應噴嘴、排氣噴嘴、氣體溫度探針、pH探針、取樣導管、氣 體成分探針以及培養(yǎng)基溫度探針)通過。
在一個實施例中，本發(fā)明包括一種用于保持培養(yǎng)基并支撐多種植 物生長的組件。該組件包括有至少一個光源和至少一個鄰近光源布置 的容器。該容器的壁結構具有透光性以允許來自光源的光穿過并且與 其它部件一起限定出對周圍環(huán)境封閉的儲存器。儲存器為限定了長軸 大致在其最長尺寸上延伸的細長形狀。在該組件中，容器的朝向使得 儲存器的長軸相對于重力基本上處于水平面中。這樣，儲存器在部分
地填充有培養(yǎng)基時形成了:植物支撐于其上的相對較大的培養(yǎng)基表面。 在一個方面，壁結構具有橫截面恒定的擠壓形狀。例如，壁結構 可以具有圓柱形、橢圓形或矩形橫截面。管壁結構的優(yōu)選尺寸范圍為
長度介于10至50英尺并且直徑介于2至12英寸。在長軸的橫截面中， 長軸優(yōu)選地與基本上水平的平面對齊以進一步最大化培養(yǎng)基表面積。例如，矩形橫截面的兩個對角可以定位為比剩余兩個對角更靠近基本 上水平的平面。
在另一個方面，可以使用多個容器，其中容器布置為垂直的堆疊 并且每個容器之間間隔開。這個垂直的堆疊可以與電動光源(比如作 為光源的光發(fā)射二極管或熒光燈)相結合。通過將燈定位在堆疊的兩 側上并且潛在地定位在容器之間的空間內而將光供應給垂直堆疊。
容器中還可以包括有一個或多個用于將壁結構的多個部分保持起 來的夾具。夾具可以包括有一個或多個開口，用于插入各種取樣和控
制設備，比如氣體供應噴嘴、排氣噴嘴、氣體溫度探針、pH探針、 取樣導管、氣體成分探針以及培養(yǎng)基溫度探針，其通過限定在夾具中 的開口延伸入儲存器。
在另一個方面，夾具限定了被形成和設計為接收壁結構部分的相 鄰端部的開口。例如，夾具可以包括尺寸適于繞著夾具端部周圍延伸 的中心帶。可選地，夾具可以具有一對在夾具的相對端部上間隔開的 向內指向的凸緣，其中凸緣被構造成夾持壁結構部分的端部。為了便 于夾持，壁結構部分的端部可以向外擴口以嚙合向內指向的凸緣。優(yōu) 選地，每個夾具由FDA許可的復合材料構造并且包括有硅酮密封件以 防止雜質進入容器。
在一個可選實施例中，容器壁結構可限定出一個封閉的儲存器， 其具有至少兩個間隔開的部分，每個所述間隔開的部分都具有一個長 軸。所述間隔開的部分的長軸處于共同的、基本上水平的平面內。這 樣，在其中一個所述部分中部分地填充培養(yǎng)基也部分地填充了其佘部 分并且形成了植物支撐于其上的培養(yǎng)基表面。
本發(fā)明具有很多優(yōu)點。總而言之，生物反應器組件允許以可控、 無菌且清潔的環(huán)境來從轉基因植物生產臨床和商業(yè)規(guī)模數(shù)量的生物藥 品。例如，使用了限定出用于部分填充入培養(yǎng)基的儲存器的容器就為 表面承載的生物材料(比如浮萍植物)的大規(guī)模生產提供了較大的表 面積。另外，使用具有密封件的夾具來將容器壁結構的各個部分互連 并且密封住用于插入各種測量設備和供應設備的開口就保證了清潔且無菌的環(huán)境從而促進藥用生物材料的生長。夾具系統(tǒng)還允許很容易地 裝配和拆卸容器，以維護和修改。測量設備和供應設備保證了儲存器
內的環(huán)境被嚴格地控制以最大化其中生物材料的生長和提取。


以上概述性地描述了本發(fā)明，現(xiàn)在就結合附圖，附圖并不是按比
例繪制的，并且其中
圖l是本發(fā)明一個實施例的生物反應器組件的側視圖2是圖1所示生物反應器組件的正視圖3是本發(fā)明另一實施例的生物反應器組件的正視圖4是本發(fā)明又一實施例的生物反應器組件的正視圖5是利用相對較大直徑容器的本發(fā)明另一實施例的生物反應器
組件的側一見圖6是利用橢圓形容器的本發(fā)明另一實施例的生物反應器組件的 側碎見圖7是利用傾斜矩形容器的本發(fā)明另 一實施例的生物反應器組件 的側^L圖8是圖l和2的生物反應器組件中示出的一個容器的端部的側 視圖9是本發(fā)明另一實施例的夾持組件的外部帶部件的平面圖IO是用于與圖9所示的外部帶部件一起來形成夾持組件的內部 密封部件的平面圖11是本發(fā)明另 一 實施例的生物反應器組件的側視圖，其中容器 的壁結構具有多個被夾具結合起來的部分；和
圖12是圖11所示生物反應器組件的平面圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖更完整地描述本發(fā)明，其中示出了本發(fā)明的一些 實施例(而不是所有的實施例)。實際上，本發(fā)明可以以很多不同的形 式實施并且不應當視為限于這里所闡述的實施例；而是，這些實施例 是提供來使得本申請滿足可應用的法律規(guī)定。同樣的附圖標記自始至終表示同樣的元件。
圖1中示出了本發(fā)明一個實施例的生物反應器組件10。生物反應 器系統(tǒng)中包括了多個基本上水平延伸的容器11，容器由擱架12垂直 堆疊地支撐并且鄰近多個垂直延伸的燈13。每個容器11包括有透光 的圓柱形壁結構14，其限定了用于將培養(yǎng)基保持在半滿水平的儲存器 15從而提供一個表面，所用表面用于支撐浮萍或其它需要光來生長的 生物材料。
這里所用的詞語"培養(yǎng)基"涉及任何液體、凝膠、半液-半固體、 或者化合物、化學制品或營養(yǎng)素的流體供應物，它們用來促進容納在 儲存器15中的生物的生長、測試、變態(tài)或操作。因此培養(yǎng)基可以是水、 水與肥料、土壤的組合、瓊脂凝膠、泥漿或者其它有水或沒有水的成 分的其它組合，只要可以利用這里所述的設備可以誘導成分的一些類 型的流動和操作。
這里所用的詞語"生物材料"或"生物"說明任何需要光以及培養(yǎng)基 供應來支持增殖或提取(expression)的材料。優(yōu)選地，生物材料是需 要液體表面或者在液體表面上茁壯生長的植物，比如浮萍科植物。其 它優(yōu)選的水生植物包括巨槐葉萍(Giant Salvinia )、 Kariba草(Kariba weed)、 7K蘚(Aquarium watermoss )、 滿江紅(Water Fern )、 卡羅 萊納蚊蕨(Carolina i^oSqwito fern )、水風信子(water hyacinth )、 jacinthe d，eau、可變葉角果藻(Variable-leaf Pondweed )、 Waterthread Pondweed (角果藻)、軟水草(Hydrilla )、美洲澤瀉(American Water-Plantain )、 Marsh Pennywort(天胡荽)，匍旬燈心草(Creeping Rush)。這些植物和其它生物材料可以是野生植物、用于疫苗生產的 轉基因植物、用于人類或動物的治療蛋白和肽、類藥劑營養(yǎng)品 (neutraceutical )、小分子藥物、研究和生產試劑(細胞培養(yǎng)的生長 因素和培養(yǎng)基添加劑)或者藥物賦形劑。
生物反應器組件10的擱架12包括用于支撐擱架其余部分的基部 16，如圖l和2所示。具體地，基部16包括有多個置于地面或其它位 于擱架橫向端部和中央處的三個腿部元件23的底部處的其它支撐表面上的支柱22。置于腿部元件上的是水平延伸并且長度基本上等于容 器ll長度的支撐導軌24。
三個垂直支撐元件17連接到水平支撐導軌24的每個側面和中心 并且由此向上延伸。優(yōu)選地，垂直支撐元件17支撐為更靠近基部16 的后緣從而為支撐在懸臂式支撐元件19上的容器11提供額外的穩(wěn)定 性，支撐元件19朝著基部的前緣延伸。
每個懸臂式支撐元件19以規(guī)則的間隔安裝到垂直支撐元件的前 緣。另外，每個懸臂式支撐元件包括有位于其后表面上的固定到垂直 支撐元件19的安裝板20以及位于其前表面上的保持元件21。如圖2 所示，保持元件可以限定一個弓形上表面，其形狀和大小與容器壁結 構14的外表面相匹配以便為容器提供相對密合的支撐。
在圖l和2所示實施例中，另一對垂直支撐元件25在水平支撐導 軌24的最外端處從基部的水平支撐導軌24向上延伸。 一對角撐板18 增強垂直支撐元件25中最外側的與水平支撐導軌24的連接。每個角 撐板18為三角形，其一邊固定到水平支撐導軌24，另一邊固定到垂 直支撐元件25。因為垂直支撐元件的向后定位，靠前的角撐板18的 基部邊就比靠后的角撐板的基部邊長。
支撐在垂直支撐元件17、25中每個的頂端處的是另一水平支撐導 軌26,其長度等于底部的支撐導軌24并且與之平行地延伸。頂部和 底部的支撐導軌都支撐多個燈安裝件27。燈安裝件定位在沿著導軌 24、 26以規(guī)則的間隔延伸的相應對之中。這樣，每對燈安裝件能支撐 一個垂直延伸的燈13。
燈13優(yōu)選地為電能的人造光源。例如，燈光可以由光發(fā)射二極管、 熒光燈、白熾燈、鈉汽燈、金屬卣化物燈或它們的各種組合、以及其 它類型的燈來供應。可選地，人造光源也可以用直接或間接的太陽光 來輔助或替換。然而，人造光源由于其易于控制和定位所以是優(yōu)選的， 以使得容納在儲存器15中的所有浮萍或其它生物材料能獲取充分的 光以便促進生長。可以通過導線或者現(xiàn)有技術中方便的其它方式來向 各種類型的燈供應電能，.因)此這里就不再另外詳細地描述。如上所述，圖1所示實施例中的燈13具有與保持在擱架12中的 容器11的大致水平朝向正交的垂直朝向(即在重力方向上)。垂直朝 向的燈13定位在容器11堆疊的一側上并且沿著容器的壁結構14以規(guī) 則的間隔平行地間隔開。這樣，從每個容器的一端到容器的另一端， 每個燈給每個容器11的相鄰區(qū)段提供照明。
取決于不同的因素，比如支持生長所需的燈光強度、容器11的位 置或者儲存器15中培養(yǎng)基的期望溫度，燈13的各種不同構造都是可 能的。例如，圖3示出了燈13的一個可選構造。在這個實施例中，燈 在容器之間以間隔、平行的布置延伸。特別地，這個布置中的燈可以 在數(shù)個類似于圖1和2所示垂直堆疊的背靠背的垂直容器堆疊的容器 之間延伸。
圖4示意性地示出了燈13的另 一可選構造，其中燈在成對的容器 ll之間的垂直間隔內成對地水平延伸。于是，每個燈沿著相應的一個 容器11的長度平行地延伸。定位在容器之上使得每對燈13能沿著容 器的壁結構14的整個頂部長度向下照射。這種布置可以更好地適于幾 乎都駐留在培養(yǎng)基頂面上的生物材料。
圖4所示實施例中的容器11定位在垂直堆疊的相鄰對中。這個實 施例中的擱架12包括有垂直支撐元件17，但是不是必須要有支撐導 軌24、 26來支撐燈13，除非需要垂直支撐元件的額外穩(wěn)定性。從垂 直支撐元件向內延伸的是懸臂式支撐元件19(為了清楚起見圖4中沒 有示出)，其可以在端部連接到相鄰的垂直堆疊容器11的懸臂式支撐 元件的端部。每對燈13固定到其相應容器11上面的懸臂式支撐元件 的保持元件21的底部。
圖4所示容器ll的相對布置也能通過將兩個圖l和2所示的生物 反應器組件的前端布置為相鄰關系而實現(xiàn)。這種布置還將圖4所示水 平延伸的燈13與圖1和2所示的垂直延伸的燈相組合。有利地，這種 并排關系允許相鄰的垂直堆疊容器11的燈之間的重疊。
如圖4所示并排布置的垂直堆疊容器的另 一優(yōu)點在于提高了容器 的密度并且同時允許更容易地進入容器和燈13以進行維護。例如，每對垂直堆疊能間隔開以便在它們之間提供維護通道28。另外，堆疊的 密度仍然足夠地低以使得能用方便的建筑結構為堆疊的重量提供支 撐。如圖4所示，這樣允許了并排的堆疊定位在這種結構的中層水平 29以及地面30上。
應當注意的是，這里沒有為其它實施例另外詳細地描述擱架12 的不同構造，因為圖l和2所示的擱架構造可以擴展到在其它實施例 的相對位置中支撐容器11和燈13的擱架。還應當注意的是，盡管擱 架12的一個優(yōu)選實施例在圖l和2中示出，但是仍然可以有具有其它 材料、支撐元件布置等的各種可選構造的擱架，它們仍然能將容器ll 和燈13支撐在其相應的位置中。在另一例子中，擱架12可以構造為 具有管箍的互連螺紋桿以支撐容器11。
還應當注意的是，燈13和容器11的相對位置以及燈和容器的數(shù) 目可以進^亍^修改以適應具體的應用。例如，更大數(shù)目的燈可以用來加 速生物材料的生長，或者以更緊密的布置堆疊的更大數(shù)目容器可以用 來生長更大量的生物材料。因此，燈和容器的組合并不限于上述構造 并且仍然將落入本發(fā)明的范圍。
每個容器11的壁結構14由透光材料構造，這種材料允許足夠的 光通過以促進存儲在其中限定的存儲器15中的生物材料的生長。例 如，壁結構14可以用玻璃(比如硼硅玻璃或火石玻璃)或者塑料(比 如聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、硅酮、尼龍或聚乙 烯)構造。這些材料可以是柔性的或相對硬的。優(yōu)選地，透光材料不 僅允許一些光通過，而且還是完全透明的以促進支持生長所必須的光 完全通過。然而，根據(jù)生物材料所需或者降低儲存器15中熱量聚集的 要求等因素，半透明材料可以用來篩除特定的波長或光強度。
這里的詞語"壁結構"指的是至少部分限定儲存器15的任何元件 或者元件集合。圖1和2實施例所示的壁結構14具有沿著長度具有恒 定的圓形橫截面的圓柱形壁結構，其在這種情況下是由于使用了由透 明材料構造的定長主干管道。優(yōu)選地，壁結構具有2至12英寸的直徑 以及10至50英尺的長度，用于浮萍科生物材料的生長。這種尺寸通常允許在常規(guī)高度的房間內堆疊4至8個容器11。然而，應當認識到， 只要能為生物材料的生長提供適當大的培養(yǎng)基表面，可以使用任何長 度或直徑的壁結構。
壁結構14也可以使用其它形狀，包括具有或不具有恒定橫截面的 形狀。例如，壁結構可以為淚珠形，或者一些構造來滿足照明需要或 可用空間的任意或不規(guī)則形狀。然而，優(yōu)選地，其形狀選擇為最大化 存儲器15由壁結構在垂直于重力方向的平面(即水平面)中形成的橫 截面部分的表面積。例如，直徑為6英寸、長度為IO英尺的圓柱形橫 截面的壁結構14 (圖2所示實施例)將在水平面上具有35平方英尺 的最大表面積(在其頂部和底部之間的中點處)。
增加到直徑為10英寸的圓柱形橫截面將導致培養(yǎng)基表面積增加 到42平方英尺，如圖5中另一實施例所示。然而，由于壁結構14高 度增加帶來的折中就是在有限的垂直空間內只能堆疊更少的容器。
在另 一實施例中，壁結構14的橫截面為具有長軸(即其最寬直徑) 和短軸(即其最窄直徑)的橢圓形，如圖6所示。有利地，長軸在水 平面上朝向以便最大化儲存器15中培養(yǎng)基的頂部表面積，同時最小化 壁結構14的高度以使得在固定的垂直空間內能堆疊更多的容器11。 例如，水平朝向的長軸為ll.l英寸并且長度為IO英尺的所示橢圓形 橫截面的最大培養(yǎng)基表面積為83平方英尺。另外，相對小的高度仍然 在每個垂直堆疊中允許了大量的容器11。
在又一實施例中，壁結構14為具有四個角的矩形橫截面，如圖7 所示。通過傾斜容器以使得兩個相對的角更靠近水平面或者處于水平 面中并且另一對相對的角更加遠離水平面，就最大化了矩形壁結構14 的水平橫截面面積。例如，長度為IO英尺并且對角線長為IO英寸的 矩形壁結構14可以得到大約98平方英尺的培養(yǎng)基表面積。類似于橢 圓形壁結構14，仍然能在有限的垂直空間內采用相對大量的矩形容器 11。可選地，矩形壁結構14可以布置為使得其頂部和底部與水平面對 齊。
再參考圖1和2，壁結構14具有一對端部，其中每個端部由夾具40和端蓋41的組件來封閉。如圖8中更詳細地示出，端蓋41為透明 材料的圓板，優(yōu)選地其材料與壁材料14所用的材料相同，其抵靠著壁 結構14的否則為開口的端部而被保持。另外，端蓋41可以限定有一 個或多個用于讓各種隨后將更詳細描述的設備進行操作的開口。可選 地，如果希望，尤其是如果壁結構14相對透明的話，端蓋41可以由 半透明或不透明材料構造。
夾具40包括如圖9所示的外部帶部件42，其被劈分為兩個由鉸 鏈43互連的部分。與鉸鏈相對的是一個鎖閉組件，其包括安裝在一個 部分上的螺釘44以及限定在另一部分上緊固凸緣45中的螺紋開口。 兩個部分連接起來的外部帶部件42呈圓形，其內徑與圓柱形壁結構的 外徑一致。這樣，外部帶部件42就能打開來包圍壁結構14并且隨后 通過將螺釘44緊固在緊同凸緣45中來緊固，如圖11所示本發(fā)明另一 實施例中所示。當然，外部帶部件的大小和形狀可以變化以便與壁結 構的各種大小和形狀(如圖5、 6和7所示)相適應。
夾具40還包括內部密封部件46，如圖10所示。適于圓柱形壁結 構14實施例的內部密封部件具有大小與壁結構的內徑相適應的圓柱 形環(huán)形狀，如圖8所示。具體地，密封部件46包括一對間隔跨過密封 部件主體的削邊47。每個削邊在密封部件的一個端部的外周邊周圍延 伸并且其大小和形狀適于容納壁結構14的端部或者端蓋41的邊緣。
密封部件可以由金屬(比如抗蝕的不銹鋼)或者FDA (美國食品及藥 物管理局)許可的復合材料(比如足夠堅硬的乙酰共聚物)構造以便 將端蓋41和壁結構14壓縮為密封嚙合。
優(yōu)選地，凹陷在每個削邊47內的是密封件48，其在所示實施例 中為具有圓形橫截面的O形環(huán)。密封件48的這種定位是有利的，因 為當外部帶部件42被緊固在其上時，其被插入和壓縮在壁結構14的 端部或端蓋41的邊緣之間，如圖11中單獨的實施例所示。優(yōu)選地， 這個密封件由惰性材料(比如硅酮)來構造以保持儲存器15中的無菌 環(huán)境以及防止微粒污染。然而也可以使用足以保持儲存器15內無菌環(huán) 境的其它類型密封件。例如，F(xiàn)DA許可的合成橡膠材料(比如前述硅酮、聚乙烯或橡膠)可以用于密封件。
對于不同形狀和材料,的壁結構14、端蓋41或夾具40,可以使用 不同的密封構造。例如，由其中限定有孔的圓形坯料構成的塾片型密 封件可以用在一個端部由平面邊緣限定的壁結構和一個端蓋之間，所 述端蓋為利用栓鎖和杠桿型夾具保持在壁結構的端部上的平面圓形坯 料。在這種情況下，密封件48可以由聚合體或金屬材料構造，由于其 所作用的表面積增加，因此就無需很大程度地受壓從而形成氣密且液 封的密封。
在本發(fā)明的另一實施例中，每個容器11的壁結構被劈分為在相鄰 端部由夾具40連接起來的分離部分31，如圖11和12所示。圖12示 出了分離部分31的使用，其每個都由其自身相應的成對的懸臂式支撐 元件10所支撐。另外，燈13與容器11的前和后側鄰近地垂直延伸。 當然，圖12所示的多段式容器也能布置在大量的其它容器中，如圖3 所示，或者用于這里所示和所述的各種其它實施例中以替代沒有子段 的整體壁結構的容器。然而，多段式壁結構14具有易于拆解以便緊湊 地運輸以及使得容器11長度可變化的優(yōu)點。
如圖11所示， 一個壁結構部分31的一端連接到相鄰的壁結構部 分并且在另一段處被端蓋41封閉。具體地，端蓋被夾具40保持到壁 結構部分的端部。方便夾持固定的是一個擴口邊緣32，其在每個壁結 構部分31的端部處徑向向外地延伸。優(yōu)選地，擴口邊緣是圓形的以使 得能夠密合地裝配到夾具40的削邊47內。另夕卜，每個夾具40的帶部 件42可以具有一對在帶部件的相對端部上間隔開的向內指向的凸緣 49。
在裝配過程中，壁給構部分31的擴口邊緣座靠在密封件48以及 密封部件46的相應削邊上。然而，在帶部件42的一端處向內指向的 凸緣延伸過壁結構部分的向外指向的擴口邊緣32。當帶部件42被緊 固時，向內指向的凸緣49向下延伸到壁結構14位于擴口邊緣32基部 處的外表面上。這就通過將內徑形成為小于擴口邊緣的直徑而保持擴 口邊緣，從而限制了壁結構部分的軸向運動。為了便于提供無菌的環(huán)境同時仍允許對儲存器15內的環(huán)境進行 控制，多個螺紋開口被F艮^1貫穿內部帶部件42和/或端蓋41以允許各 種取樣、測量和供應設備穿過其中。參考圖11,貫穿端蓋的螺紋開口 50允許主填充和排出噴嘴51穿過其中。這些噴嘴中的每個都能以相 對高的速率接收或供應培養(yǎng)基和生物材料并且因此具有相對較大的直 徑。
另外，噴嘴51連接到從端蓋41向下延伸的彎頭以及主填充和排 出導管52。如圖1和2所示，主填充和排出導管52優(yōu)選地單獨配給 每個容器ll以使得各個容器中生產的生物材料之間沒有串擾。而且， 這種區(qū)分隔絕了交叉污染的發(fā)生并且允許為每個容器使用定制的培養(yǎng) 基。噴嘴51還提供了在原處清潔(clean-in-place， CIP)達到藥物標 準的能力。在上游，填充導管52可以連接到由其導管分叉的中央頭部 歧管，每個導管具有一個或多個控制流動的閥。
作為另 一個選擇，生物反應器組件10還可以包括可置換的容器襯 墊，其構造為在每個容器11的內部周圍延伸。例如，這種襯墊可以是 可充氣的以覆蓋容器限定儲存器15的部分并且是半透明的以允許光 透過，或者可以是滑動入壁結構14的半透明聚合物套筒。有利地，容 器襯墊是可移除的和可置換的并且允許插入另一容器襯墊從而促進清 潔過程。也可以通過使用一種特殊的端蓋41以便于清潔，這種端蓋中 限定有特別大的開口，用于連接大的培養(yǎng)基抽取噴嘴。端蓋的連接方 便了培養(yǎng)基抽取過程中儲存器15中真空的荻得。
在初次供應和移除培養(yǎng)基時，用其它設備對培養(yǎng)基進行取樣和測 量。例如，每個夾具40中限定在帶部件42中的開口 53以及限定在密 封部件46中的螺紋開口 54允許取樣噴嘴55、多級溫度探針56和pH 探針57的插入和緊固，如圖8、 10和11所示。如圖8中最清楚地示 出(其中為了清楚起見，沒有示出夾具40的帶部件42)，每個探針可 以包括有連接在螺紋部分64端部處的螺栓頭58，其允許螺紋部分前 進入螺紋開口 54從而將其緊固到夾具40。取樣導管類似地連接，如 圖11所示。盡管示出了具有延伸入儲存器15的螺紋，但是壁結構14最靠近儲存器的部分可以限定相對平滑的圓柱形開口，這個圓柱形開
口具有沿著其長度延伸的一連串o形環(huán)或其它密封件以防止泄漏。
探針(或噴嘴)本身從螺紋部分延伸入培養(yǎng)基。對于探針，從螺
栓頭58延伸的是電導線:59，其連接到常規(guī)的電子測量設備和控制系 統(tǒng)60。取樣噴嘴55具有其自己的導管65，其連接到取樣和供應網(wǎng)絡 66。這樣，就能在不打開容器11并且沒有污染危險的前提下測量培養(yǎng) 基的pH值、溫度(在培養(yǎng)基的多個水平處)或者為其它測量進行取 樣。優(yōu)選地，這里所述的所有螺紋開口# 密封以防止雜質通過，比如 通過使用聚合物條帶、焊接、墊圏和密封件組合等。作為另一可選方 案， 一旦螺紋部分被緊固在螺紋開口內，就可以對它們進行焊接、膠 粘或者不然的話永久連接從而緊密密封。有利地，對于這種永久連接， 只要在焊接或連接過程中設備能正確地定位，甚至可以無需這種永久 的連接螺紋。
除了培養(yǎng)基的供應、移除和測量外，利用以類似方式連接到上述 設備的其它設備可以供離、，移除和測量儲存器15中的空氣或其它氣 體。例如，另外的螺紋開口 50、 54允許空氣溫度探針61、氣體供應 噴嘴62和排氣噴嘴63的通過。這些設備中的每個都用其自身的螺栓 頭58和螺紋部分64緊固到其相應的螺紋開口中。空氣溫度探針61 允許測量空氣的溫度。氣體供應噴嘴62和排氣噴嘴63允許控制儲存 器15內氣體的類型、溫度、流速和其它特性。優(yōu)選地，排氣噴嘴63 被偏置以使得只允許在單向上流動，從而防止雜質的滲透。在氣體供 應噴嘴62的一端上優(yōu)選地是噴射器67，其散射供應的空氣以使得其 不會過度地干擾儲存器15內的培養(yǎng)基和生物。在氣體供應噴嘴的另一 端上的是氣體供應管道70。
應當注意的是，根據(jù)使用者所需的信息，也可以利用很多其它設 備對儲存器15進行其它測量。例如，氣體成分探針可以用來取樣C02 的含量，這可以用作反饋來修正噴嘴62、63所加入或移除的氣體成分。 這里所述的測量、供應和移除設備也可以具有不同的大小、構造和放 置，這取決于所需的頻率、準確度、速度以及性能的其它數(shù)量。另外，根據(jù)使用者的各種需要，比如可達性、容器材料至開口的 可容許性、泄漏和污染的危險等，設備也可以在容器11的其它位置和
部分延伸穿過容器。例如，除了夾具40的端蓋41之外，設備也可以 延伸穿過限定在壁結構14或生物反應器10的其它部件中的開口。作 為另一可選方案，壁結構J4的一個較短區(qū)段(例如長度為4至6英寸) 可以限定用于各種設備的;開口。例如，噴嘴62、 63可以被支撐和延伸 穿過壁結構的這個較短區(qū)段并且壁結構的這個較短區(qū)段可以用環(huán)帶管 型的夾具緊固到其余的壁結構。為了易于維護和清潔，這個較短區(qū)段 可以移除和重新連接。
氣體供應噴嘴62和排氣噴嘴63也可以采用具有足夠動力的泵來 在收獲生物材料之前減少儲存器15內的氣體壓力以便增加生物材料 的蛋白質生產。可選地，在生長階段，可以增大氣體壓力^促進儲存 器中生物材料的生長。特別地，這對于大部分暴露在儲存器中的氣體 中的培養(yǎng)基表面上生長的植物來說特別有效。而且，本發(fā)明儲存器的 氣密構造方便其中氣體壓力的操縱。
還應當認識到，盡管所示的夾具40對于所示的壁結構14的構造 來說是優(yōu)選的，但是速里也'可以使用其它類型的夾具來連接生物反應 器組件10的不同部分。可選的夾具構造可以根據(jù)需要著重于各種因 素，比如易于應用和移除、牢固的連接(其將受益于上述杠桿型變型 或允許逐漸緊固的杠桿和棘輪設計)、保證氣密且液封的密封從而保證 儲存器15內無菌環(huán)境的互補式密封設計、抗蝕性、生物相容性、使用 FDA規(guī)章許可的用于藥物制造工藝的材料以及支持各種測量和取樣 設備同時保持無菌儲存器的能力。
還應當注意的是，盡管上述每個實施例都具有沿著單獨的長軸(即 在其最長尺寸上延伸的長度)延伸并且具有恒定橫截面的連續(xù)儲存器 15，但是本發(fā)明不應限于這種形狀。壁結構14、端蓋41和容器11限 定儲存器15的其它部分可以具有幾個扭曲、翻轉、分叉和偏差，只要 儲存器內的培養(yǎng)基能填充到限定較大培養(yǎng)基表面積的水平，用于支撐 表面承載的生物材料，比如浮萍植物。通常，這種儲存器會具有一個或多個主體部分，每個都具有一個 長軸，其中所有或者大多數(shù)所述部分的長軸處于共同的平面內。這樣， 儲存器就可以被定向(通過定向容器)為直到其基本上水平(即與重 力方向正交)以使得可流動的培養(yǎng)基形成相對大的表面積。這里使用 詞語"基本上水平"是因為可能希望長軸的一定角度來引導用于處理目
的的流動。例如，圖1所示容器11在主填充和排出噴嘴51的方向上 具有每50英尺一英寸的卞降以便于填充和排出操作。更陡的下降可以 用來進一步在下降方向上推動培養(yǎng)基，但是優(yōu)選地這種下降不導致容 器的一端充滿培養(yǎng)基，或者培養(yǎng)基填充到壁結構14阻止生物材料在培 養(yǎng)基表面上向上完全地生長的高度。因此，長度較長的儲存器15通常 需要不太陡的下降，除非儲存器相對其長度來說相對較高。
在最初使用期間，利用主填充和排出導管51來供應相對大量的培 養(yǎng)基從而使容器11填充有培養(yǎng)基。生物材料也能利用主噴嘴51來加 入，或者可以在最初裝配容器11時加入。優(yōu)選地，加入表面承載的生 物材料，比如浮萍科植物或者需要光來通過光合作用來增殖的上述水 生植物品種。在填充儲存器15時，從視覺上或自動地進行監(jiān)測以確定 在哪一點處培養(yǎng)基達到了限定出最大表面積的水平。在圖l和2所示 實施例的情況中，這大約;出:現(xiàn)在半滿點。
在加入生物材料和培養(yǎng)基之后，向燈13供應電能(或者燈已經(jīng)打 開)以使得通過透明的壁結構14將光照射入儲存器15。隨著時間的 過去，生物材料從光中吸收能量以及從培養(yǎng)基中吸收營養(yǎng)并且開始增 殖。在生物材料用于制藥目的的情況下，生物材料開始將肽和蛋白質 分泌入周圍培養(yǎng)基中。
還是在此期間，使用各種探針56、 57、 61來測量儲存器中氣態(tài)和 培養(yǎng)基環(huán)境的性質(溫度、pH值、C02成分等)。然后，收集這些數(shù) 據(jù)并用于控制燈13的強度、容器11周圍空氣的溫度和對流性質、通 過氣體供應噴嘴62以及填充和排出導管52供應到儲存器15的氣體和 培養(yǎng)基的溫度和量。另外，取樣噴嘴55可以用來提取少量樣品以判斷 分泌的進展。這種進展也可以用來確定儲存器15內的各種前述條件。在某一點處，比如當培養(yǎng)基耗盡或者希望完全收獲生物材料時，
儲存器15的全部內容物可以從主填充和排出噴嘴51以及導管52流 出。在流出之后，可以利用相同的噴嘴和導管來讓清潔化合物流過整 個系統(tǒng)。可選地，可以建立一些類型的穩(wěn)態(tài)，其中生物材料的提取產 品能被連續(xù)地取樣，或者部分地排出，并且培養(yǎng)基和氣體能更新，以 使得生長和提取過程能幾乎無限地持續(xù)。
本發(fā)明具有很多優(yōu)點。總而言之，生物反應器組件IO允許從包含 的無菌環(huán)境中的轉基因植物中生產臨床和商業(yè)規(guī)模數(shù)量的生物藥品。 例如，限定了部分填充有培養(yǎng)基的容器15的容器11的使用為表面承 載的生物材料(比如浮萍科植物)的大規(guī)模生產提供了較大的表面。 另外，使用具有用來互連容器壁結構14各個部分的密封件以及用于插 入各種測量設備和供應設備的密封開口 50、 54的夾具40保證了清潔 和無菌的環(huán)境以促進藥用生物材料的生長。夾持系統(tǒng)還允許為了維護 和變化的目的而容易地裝配和拆卸容器11。測量設備和供應設備保證 了儲存器15內的環(huán)境被嚴格地控制以最大化其中生物材料的生長和 提取。
在本發(fā)明前述描述和相關附圖的教導之下，所屬技術領域的熟練 技術人員能得到這里所述的本發(fā)明的很多變型和其它實施例。因此， 應當理解到，本發(fā)明并不限于所公開的具體實施例，并且變型和其它 實施例都應當涵蓋在所附權利要求的范圍內。盡管這里使用了具體的 詞語，但是它們只是以普通且描述性的意義而使用，而不是用于限制。
權利要求
1.一種組件，其用于保持培養(yǎng)基并且支撐需要光來增殖的生物材料的生長，所述組件包括至少一個光源；和至少一個鄰近光源布置的容器，所述容器具有限定了細長的無菌儲存器的柔性透光壁結構，所述細長的儲存器具有基本上水平朝向的長軸，其中所述儲存器能被部分地填充培養(yǎng)基以便形成生物材料支撐于其上的培養(yǎng)基表面。
2. 根據(jù)權利要求l的組件，其中所述壁結構沿著所述長軸具有恒 定的橫截面。
3. 根據(jù)權利要求2的組件，其中橫截面為矩形橫截面。
4. 根據(jù)權利要求l的組件，其中壁結構長度介于4至20英尺。
5. 根據(jù)權利要求l的組件，另外還包括擱架，并且多個所述容器 由所述擱架支撐并且布置為彼此間隔的垂直堆疊。
6. 根據(jù)權利要求5的組件，其中光源包括以所述多個容器之間的 間隔定位的多個電燈，所述多個電燈在基本上水平的平面上延伸。
7. 根據(jù)權利要求l的組件，其中所述壁結構沿著所述長軸具有恒 定的橢圓形橫截面并且其中橢圓形橫截面具有在基本上水平的平面上 延伸的長軸。
8. 根據(jù)權利要求l的組件，還包括氣體供應噴嘴、排氣噴嘴、氣 體溫度探針、pH探針、取樣導管、氣體成分探針以及培養(yǎng)基溫度探 針中的至少一個，其通過由容器限定的開口延伸入儲存器。
9. 一種組件，其用于保持培養(yǎng)基并且支撐需要光來增殖的生物材 料的生長，所述組件包括支撐擱架；多個細長的橫向延伸的容器，它們由所述支撐擱架承載并且以彼 此垂直地間隔開的堆疊布置，每個容器具有限定了細長的無菌儲存器 的柔性透光壁結構，所述細長的儲存器具有基本上水平朝向的長軸，其中所述儲存器能被部分地填充培養(yǎng)基以便形成生物材料支撐于其上的培養(yǎng)基表面；和至少一個光源，其由所述支撐擱架承載并且安裝為鄰近所述容器 用于照明所述容器。
10. 根據(jù)權利要求9的組件，其中所述支撐擱架包括多個垂直的 支撐元件，以及互連所述垂直支撐元件的上和下橫向延伸的支撐導軌， 并且其中所述容器安裝到所述垂直支撐元件。
11. 根據(jù)權利要求9的組件，其中所述至少一個光源包括多個安裝在所述擱架上的細長熒光管。
12. 根據(jù)權利要求11的組件，其中所述管垂直地延伸并且彼此橫向間隔開。
13，根據(jù)權利要求ii的組件，其中所述管基本上水平地延伸并且大體平行于所述容器。
14. 一種用于在液體培養(yǎng)基中生長需要光來增殖的生物材料的方 法，所述方法包4舌提供至少一個柔性透光容器，其限定了長軸為基本上水平朝向的 儲存器；將液體培養(yǎng)基充入儲存器直到達到部分填充的水平以便限定出沿 著儲存器長度延伸的培養(yǎng)基的頂面；將生物材料加入儲存器并且將生物材料支撐在培養(yǎng)基的頂面上；和將容器暴露給光源以通過光合作用來促進生物材料的生長。
15. 根據(jù)權利要求14的方法，還包括在將液體培養(yǎng)基充入儲存器 并加入生物材料之后密封儲存器以防止污染。
16. 根據(jù)權利要求14的方法，其中所述提供透光容器包括利用一 個或多個夾具將透光容器的各個部分夾持在一起。
17. 根據(jù)權利要求14的方法，還包括通過限定在容器中的開口來 進入儲存器。
18. 根據(jù)權利要求17的方法，其中所述進入儲存器包括通過夾具開口插入氣體供應噴嘴并將氣體供應到儲存器。
19. 根據(jù)權利要求17的方法，其中所述進入儲存器包括通過夾具 開口插入溫度探針并測量儲存器內的溫度。
20. 根據(jù)權利要求17的方法，其中所述進入儲存器包括通過夾具 開口插入pH探針并測量儲存器內的培養(yǎng)基的pH值。
21. 根據(jù)權利要求17的方法，其中所述進入儲存器包括通過夾具 開口取樣。
22. 根據(jù)權利要求14的方法，其中填充儲存器包括通過限定在容 器端部處的開口供應培養(yǎng)基。
23. 根據(jù)權利要求14的方法，還包括在填充儲存器之后從儲存器 中排出液體培養(yǎng)基。
24. 根據(jù)權利要求14的方法，還包括自動地測量和控制溫度、培 養(yǎng)基pH值、培養(yǎng)基填充高度、氣壓和氣體濃度之一。
25. 根據(jù)權利要求14的方法，還包括將調節(jié)的空氣供應到容器周 圍以控制儲存器內的溫度。
26. 根據(jù)權利要求14的方法，還包括加熱和循環(huán)培養(yǎng)基。
27. 根據(jù)權利要求14的方法，還包括以彼此垂直地間隔開的堆疊 安裝多個容器。
全文摘要
本發(fā)明的用于生長支撐在液體表面上的生物材料的生物反應器用于保持培養(yǎng)基并支撐多種植物的生長。這種組件包括光源和具有透光壁結構并限定出儲存器的容器。儲存器的長軸基本上水平以允許儲存器能被部分地填充培養(yǎng)基并且限定用于支撐植物的相對較大的表面積。這種組件還包括有用于將容器分開的壁結構部分緊固和密封在一起的夾具，以及連接到壁部分從而限定出無菌環(huán)境的端蓋。作為另一選擇，夾具可以限定有貫穿的開口，以允許各種用于測量和控制生物反應器功能的設備(比如氣體供應噴嘴、排氣噴嘴、空氣溫度探針、pH探針、取樣導管、氣體成分探針以及培養(yǎng)基溫度探針)通過其中。
文檔編號C12M1/00GK101294133SQ20081008075
公開日2008年10月29日 申請日期2004年5月25日 優(yōu)先權日2003年5月30日
發(fā)明者B·赫斯特, K·艾弗里特, R·E·布蘭森, T·B·維克斯 申請人:比奧萊克斯公司