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CN101163786B - 气体喷射器和相关的容器系统 - Google Patents

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Abstract

一种喷射器，包括限定容纳室的主体。管状端口或管与主体连接。管状端口或管限定与主体的容纳室连通的通道。主体的至少一部分包括第一喷射片。第一喷射片包括气体可渗透材料的柔性片，从而使得通过通道进入主体的容纳室中的气体能够通过第一喷射片的渗透而离开容纳室。

Description

气体喷射器和相关的容器系统
技术领域
本发明涉及一种气体喷射器(gas sparger)和集成气体喷射器的容器系统。
背景技术
喷射器通常用于生物反应器，用于将控制量的气体传送到包含细胞的培养基。部分地，气体用于控制培养基中的氧气的分压力(partial pressure)、PH值和培养基的其它界限(perimeters)，从而使得细胞生长的环境最佳。典型地，喷射器包括中空金属环，该中空金属环具有连接到其上的软管。该环由烧结金属形成从而使得环为多孔的。该环手工地定位在容器的底部，且软管向上延伸通过容器的顶部处的端口。在操作期间，受压气体通过软管被传送到环。然后，气体通过金属环渗透出以便以小气泡的形式进入培养基。当小气泡向上传播通过培养基时，至少一部分气体在培养基中变成气泡状(entrained)。其它传统的喷射器包括一段不锈钢管，该不锈钢管被弯曲成环，并具有沿环的弧形长度定位的小直径孔。
尽管传统喷射器在向培养基传送气体方面是有用的，但是它们具有很多缺陷。例如，传统喷射器制造相对昂贵，因此被设计成可再利用。然而，传统喷射器的再利用需要将它从容器上卸下，然后清洗和消毒。在一些情况下，喷射器的清洗很难，因为细胞副产物(cell by-product)、死细胞、和培养基中的其它微粒会寄存在喷射器上或残留在喷射器中。因此，喷射器清洗和消毒既费时又昂贵。必须花费时间并小心地将喷射器正确地定位和密封在容器中，而不污染喷射器或容器。
此外，在传统的生物反应器中，包含细胞的培养基被连续地混和或悬浮是必要的，以便培养基的特性保持均一。传统的喷射器会阻碍流体的流动，这会产生细胞死亡的死点。此外，细胞会被捕获到喷射器上或被喷射器抓住，这会损害或者杀死细胞。另外，必须小心地设计和定位喷射器以便它们不会阻碍混和系统。
因此，不需要清洗或消毒的喷射器和容器系统是有需求的，这种不需要清洗或消毒的喷射器和容器系统不存在污染容器或喷射器的危险，并且它对容器和混和系统中的流体流动的阻碍最小。
附图说明
下面将参考附图说明本发明的各种实施例。应该知道的是，这些附图仅说明了本发明的典型实施例，因此它们不应被视为对本发明的保护范围的限制。
图1是具有喷射器的容纳系统的剖视图；
图2是图1所描述的容纳系统的喷射器的底部立体图；
图3是图2所示喷射器的剖视图；
图3A是使用过渡构件将基座连接到喷射片(sparging sheet)的、图3所示喷射器的剖视图；
图3B是显示使用过渡构件的改进的连接的、图3A所示喷射器的剖视图；
图3C是图3所示喷射器的剖视图，其中喷射片的周边具有聚合覆盖层并连接到基座；
图4是在其中具有设置的竖直混和器的、图1所示的容器的剖视图；
图5是图4所示的竖直混和器的混和盘的底部立体图；
图6是安装在刚性支撑壳体上的喷射器的替换实施例的剖视图；
图7是具有大致圆环形构造的喷射器的替换实施例的顶部立体图；
图8是图5所示喷射器的剖视图；
图9是图6所示喷射器的替换实施例，其中用朝下延伸通过喷射器基座的端口替换了管子；
图10是喷射器的另一替换实施例的剖视图，该喷射器由多个接合在一起的喷射片形成；
图11是喷射器的替换实施例的剖视图，其中喷射片已经被固定到容器的底端壁；
图12是喷射器的另一替换实施例的剖视图，其中喷射片已经被固定到容器上安装的端口的边缘；
图13是包括容器的容器系统的剖视图，该容器系统的容器具有作为衬垫的喷射片；和
图14是包括容器的容器系统的剖视图，该容器系统的容器具有衬垫容器底部的喷射片。
具体实施方式
本发明涉及气体喷射器和集成气体喷射器的容器系统。通常，本发明的气体喷射器包括柔性的、气体可渗透的喷射片(sparging sheet)。在操作期间，气体被传送到喷射器，该喷射器与保持流体的容器相连。气体通过喷射器的柔性的、气体可渗透的喷射片以便进入容器中的流体中。当气体在流体中传播或混和时，至少一部分气体在流体中变成气泡状(entrained)。因此，喷射器被用于控制流体中的气体的分压力和/或控制流体的相关特性，例如PH值等。这种喷射器能够用于需要控制氧含量和培养基其它特性的生物反应器中，以便于细胞和微生物的适当生长。然而，这种喷射器还可用于发酵系统和需要或期望使气体暴露于流体的其它流体处理系统。
使用柔性的、气体可渗透的喷射片作为起泡机构的结果是，与传统的刚性金属喷射器相比，本发明的喷射器的所选实施例具有多种独特优点。通过示例，而不是限制，本发明的喷射器制造相对地低廉，因此，它在一次使用后即被处理掉。这样，没有必要在多次使用之间进行清洗或消毒。喷射器容易地适用于小型实验室试验或大规模商业制造系统。这种柔性的、气体可渗透的喷射片能够被选择和被制成大小适用于将气体分散成在期望区域上具有期望尺寸的微小气泡。这种分散能够使气体更容易进入流体，同时使泡沫的产生最少。此外，本发明的喷射器的所选实施例能够形成在容器上或连接到容器上以便形成不显眼的喷射器，该喷射器对容器中的流体流动或细胞运动的干扰最小。
本发明的喷射器能够形成为柔性容器的一部分，例如一次性使用的袋或衬垫，或者可连接到这种柔性容器上。然后，喷射器和相关容器能够同时消毒，并作为单一系统出售。这种方法简化了消毒过程，不包括容器或喷射器的消毒，并且消除了最终用户必须手动地将喷射器插入容器中和在容器中正确地定位喷射器的困难。可选地，本发明的一次性喷射器能够被设计成可改进用于已有的刚性容器。此外，在一些实施例中，整个喷射器或喷射器的大部分能够被设计成软且柔性的，使得组合的喷射器和容器能够被折叠和/或卷曲成用于存储和/或运输的紧凑形状，而无损害喷射器或容器的风险。本发明的不同实施例的许多其它优点将在下面说明，或者根据以下公开和附图将变得显然。
图1描述了包括本发明特征的容纳系统10的一个实施例。容纳系统10包括大致刚性的支撑壳体12，在该支撑壳体12中设置容器系统30。支撑壳体12具有上端14、下端16、和限定室20的内表面18。底板22形成在下端16处。开口24延伸通过底板22以便与室20相通。上端14终止于唇缘26处，该唇缘26限定室20的进入开口28。如果需要，可在上端14上安装盖(未显示)以便覆盖进入开口28。应该知道的是支撑壳体12可以为各种不同尺寸、形状、和构造。例如，在一替换实施例中，进入开口28能够被永久的顶端壁闭合。进入端口可形成在支撑壳体12的另一位置处，如侧壁或底板。可选地，进入端口能够被门闭合。
同样，如图1所描述，容器系统30至少部分地设置在支撑壳体12的室20中。容器系统30包括容器32，该容器32具有安装在其上的喷射器34。在所描述的实施例中，容器32包括柔性袋状主体36，该主体36具有限定室40的内表面38。更具体地，主体36包括侧壁42，当主体36未折叠时该侧壁42具有在第一端44和相对的第二端46之间延伸的大致圆形或多边形横截面。第一端44终止于顶端壁48处，同时第二端46终止于底端壁50处。
主体36由柔性的、不透水材料形成，例如低密度聚乙烯片或其它聚合片(polymeric sheet)，该低密度聚乙烯片或其它聚合片的厚度在大约0.1mm-大约5mm的范围内，更通常在大约0.2mm-大约2mm的范围内。也可使用其它厚度。材料可由单层材料组成，或者可包括密封在一起或分离的两层以上材料，以便形成双层壁容器。当多层被密封在一起时，材料可包括层压材料或挤压材料。层压材料包括两个或更多个单独形成的层，该两个或更多个单独形成的层随后通过粘合剂固定在一起。
挤压材料包括单个整体片，该单个整体片包括可由接触层分隔开的不同材料的两个或更多个层。所有层同时被共同挤压。这种能够使用于本发明的挤压材料的一个实例是HyQ CX3-9膜(犹他州洛根的HyCloneLaboratories有限公司制造)。HyQ CX3-9膜是在cGMP设备中制造的三层的、9密耳铸造膜。外层是与超低密度聚乙烯产品接触层共同挤压的聚酯弹性体。可使用于本发明的挤压材料的另一实例是HyQ CX5-14铸造膜(同样由犹他州洛根的HyClone Laboratories有限公司制造)。该HyQCX5-14铸造膜包括聚酯弹性体外层、超低密度聚乙烯接触层、和设置在聚酯弹性体外层和聚乙烯接触层之间的EVOH阻挡层。在另一实例中，可以使用由三个独立的网状吹制膜制成的多网膜。两个内部网中的每个是4密耳聚乙烯膜(其被HyClone称为HyQ BM1膜)，同时外部阻挡网是5.5密耳厚的6层共同挤压膜(其被HyClone称为HyQ BX6膜)。
材料被公认与活细胞直接接触并能够保持溶液无菌。在该实施例中，材料也可通过电离辐射等杀菌。能够使用于不同情况中的材料的实例被2000年7月4日授权的美国专利No.6,083,587和2003年4月24日公布的美国专利公开公报No.US 2003-0077466 A1所公开，因此通过特定引用将它们结合到本文中。
在一实施例中，主体36包括两维枕垫形式的袋，其中两片材料以重叠关系设置，并且两片材料在它们的周边处被限定在一起以形成内部室40。可选地，单片材料能够在周边上折叠并围绕周边缝合以便形成内部室40。在另一实施例中，主体36可由连续的管状挤压聚合材料形成，该连续的管状挤压聚合材料被切成一定的长度并且端部缝合封闭。
在另一实施例中，主体36可包括三维袋，该袋不仅具有圆形侧壁，而且具有两维顶端壁48和两维底端壁50。三维主体36包括多个分离板，典型地为三个以上，更通常地为四个或六个。每个板大致相同并且包括主体36的侧壁部分、顶端壁、和底端壁。每个板的对应周边被缝合。典型地，这种缝合通过使用本领域公知的方法来形成，例如热能、RF能、声能或其它缝合能等。
在替换实施例中，板能够以各种不同图案形成。关于制造三维袋的一个方法被2002年9月19日公布的美国专利公开公报No.US 2002-0131654A1所进一步公开，因此，它的附图和详细说明通过引用被结合到本文中。
应该知道的是主体36可被制造成实际上具有任何期望的尺寸、形状、和构造。例如，主体36可形成具有室40，该室40的尺寸为10升、30升、100升、250升、500升、750升、1,000升、1,500升、3,000升、5,000升、10,000升或其它期望的体积。尽管主体36可以是任何形状，在一实施例中，主体36特定地被构造成与支撑壳体12的容纳室20互补或大致互补。
然而，在任何实施例中，所期望的是当主体36容纳在容纳室20中时，主体36由支撑壳体12均匀地支撑。支撑壳体12对主体36的至少大致均匀的支撑有助于在充满流体时防止主体36在施加到其上的液压力的作用下出现故障。
尽管在上述公开实施例中容器32具有柔性的、袋状构造，但是，在替换实施例中，应该知道的是容器32能够包括任何形式的可折叠容器或半刚性容器。此外，与具有闭合顶端壁48相反，容器32可包括开口顶部的衬垫。容器32还可是透明的或不透明的，并且在其中结合有紫外光抑制剂。
多个端口52安装在顶端壁48上，该多个端口52与室40流体连通。尽管显示了两个端口52，应该知道的是，根据容器32的预定用途，可具有一个或三个或更多的端口52。这样，根据要进行的处理类型，每个端口52可用作不同目的。例如，端口52可与软管54连接用于将流体或其它成分分配到室40中或从室40抽出流体或其它成分。此外，例如当容器32被用作用于生长细胞或微生物的生物反应器时，端口52能用于设置进入室40的各种探测器，例如温度探测器、PH值探测器、溶氧探测器等。
孔60延伸通过容器32的底端壁50。孔60与支撑壳体12的底板22上的开口24平齐。喷射器34的一部分延伸通过孔60和开口24。喷射器34密封到容器32的主体36上，使得流体不能从孔60泄漏。通常，喷射器34包括基座62，该基座62具有安装在其上的柔性的、气体可渗透的喷射片64。
参考图2，喷射器34的基座62包括管状构件66，管状构件66具有内部表面68和相对的外部表面70，每个表面在第一端72和相对的第二端74之间延伸。内部表面68限定纵向延伸通过管状构件66的通道76。凸缘78在第一端72处环绕管状构件66，并从管状构件66径向地朝外突出。在所描述的实施例中，凸缘78具有大致圆环形构造。在替换实施例中，凸缘78可以是任何其它期望形状，例如椭圆形、正方形、或其它多边形或不规则构造。凸缘78具有第一侧80和相对的第二侧82，每个侧面延伸到周边84。管状构件66和凸缘78能够模制成单一整体件。可选地，管状构件66能够通过焊接或其它传统技术被连接到凸缘78上。
在一实施例中，基座62由聚乙烯、硅树脂或KRATON
Figure 2006800133859_0
等软的、弹性可弯曲聚合材料或弹性材料模制成，前述材料具有小于90的邵氏硬度值(having a durometer on a Shore A scale with a value ofless than 90)，更优选地小于70，但通常大于5。在其它实施例中，还可使用硬度位于上述范围的热固聚合物或热塑性聚合物。还可使用关于容器32的前述的那些其它材料。在一些实施例中，作为材料特性的结果，管状构件66能够手动地折叠起来以便弯曲闭合通道76，或者管状构件66能够手动地夹紧以闭合通道76，其中在每种情况下，管状构件66将弹性地恢复到初始构造而无永久变形。
在一实施例中，典型地，凸缘78的最大直径在大约2cm-大约30cm的范围内，更通常地，在大约5cm-大约15cm的范围内。典型地，管状构件66的长度在大约2cm-大约30cm的范围内，更通常地，在大约5cm-大约15cm的范围内。同样，典型地，管状构件66的最大内直径在大约0.2cm-大约5cm的范围内，更通常地，在大约0.5cm-大约3cm的范围内。在替换实施例中，应当知道的是上述尺寸中的每个是可变化的。例如，如果需要，管状构件66可包括具有一米或更长的细长管。进一步注意到本实施例的管状构件66的第二端74在内部表面68和外部表面70上具有光滑的、大致圆柱形构造，而无凸缘、倒钩、或从其延伸的其它突起。
基座62的一个优点是更易适用于与不同直径或构造的管子连接。例如，可以想到的是，包括容器32和喷射器34的容器系统30能够作为单一单元被卖给最终用户。然后，最终用户所建造的系统可具有各种不同尺寸和类型的气体软管，前述软管能够与喷射器34的管状构件66连接，用于传送气体到管状构件66。作为柔性管状构件66的结果，仅需要用具有相对端的、具有预定尺寸的单个连接器来将管状构件66连接到气体软管。例如，如图1所描述，管状连接器88被设置具有相对端90和92，并具有从相对端朝外径向地突出的圆环形倒钩。第一端90固定在管状构件66的第二端74处的通道76中。管状构件66围绕连接器88弹性地收缩以形成流体紧密密封。塑料拉带77也围绕设置在连接器88上的管状构件66的第二端74的部分被固定，以便进一步确保它们之间的密封接合。连接器88的第二端92容纳在气体管线96的第一端94中。如果气体管线96的直径不同于管状构件66，则标准连接器88可被设有第二端92，前述第二端92的尺寸被构造成与气体管线96连接。
相反，如果在凸缘78上形成传统的倒钩杆，则有必要先将管子连接到倒钩杆，然后使用连接器88以解决气体管线96的尺寸变化。结果，管状构件66设置用于更普遍地连接。进一步地，由于凸缘78和管状构件66都由软且柔性的材料构成，容器32能够折叠和/或卷曲起来，用于运输和/或存储而无损害喷射器34和/或容器32的担忧。
参见图3，喷射片64在凸缘78的周边84处或邻近凸缘78的周边84处被固定到凸缘78的第一侧82。结果，容纳室100形成在凸缘78的第一侧和喷射片64之间。管状构件66的通道76与容纳室100连通。在所描述的实施例中，喷射片64与凸缘78具有大致相同构造。在替换实施例中，喷射片64可具有不同于凸缘78的构造。例如，在凸缘78保持圆形时，喷射片64可以是椭圆形、正方形、三角形、或其它多边形或不规则构造。进一步地，喷射片64不需要一直延伸到周边84，而可以在与周边84朝内径向地隔离的位置处固定到凸缘78。在该设计中，凸缘78包括在喷射片64的边缘和周边84之间延伸的圆环形边缘部分。该边缘部分可用于将凸缘78密封到容器32上。同样，应知道的是，喷射片64可被构造成当容纳室100充满气体时平坦地靠在凸缘78上或被构造成朝上的帐篷。通过增加喷射片64的表面积，可以在更大面积上实现起泡。
在一实施例中，可通过直接将喷射片64的周边86焊接到凸缘78来将喷射片64固定到凸缘78。根据喷射片64和凸缘78所使用的材料类型，可使用热焊、RF能、超声波等传统焊接技术。在其它实施例中，可使用各种形式的粘结剂将喷射片64连接到凸缘78。此外，可使用各种形式的机械紧固件来形成连接。例如，可使用一个或更多个卷曲夹或夹具将喷射片64固定到凸缘78。也可使用其它传统的紧固技术。
与直接将喷射片64固定到凸缘78上相反，可在喷射片64和凸缘78之间使用过渡构件。例如，图3A所描述的，环形过渡构件55具有在内侧第一端58和外侧第二端59之间延伸的顶表面56和相对的底表面57。过渡构件55典型地由聚合材料片形成，通过前述任何焊接技术该聚合材料片将容易地和牢固地与凸缘78结合。这种材料的实例包括与前述关于基座62和主体36相同的材料。在装配期间，过渡构件55的第二端59处的底表面57焊接到凸缘78。第一端58不固定到凸缘78，因此相对凸缘自由移动。例如通过在第一端58处焊接到底表面57(图3A)或通过在第一端58处焊接到顶表面56(图3B)来将喷射片64固定到过渡构件55。
根据喷射片64所使用材料的类型，使用过渡构件55能够产生很多好处。例如，正如下面将更加详细讨论的，可用于喷射片64的一种类型的材料是通常以TYVEK商标出售的热压粘合石蜡材料(spun-bonded olefinmaterial)。然而，热焊未涂覆的热压粘合石蜡材料到凸缘78会使热压粘合石蜡材料变薄，因此降低了它的结构强度。当气体应用到喷射器34时，在喷射片64和凸缘78之间的内侧相交处形成高应力、集中载荷。根据喷射片64的变薄量，该载荷会导致喷射片64故障。通过使用过渡构件55，气体产生的高应力、集中载荷形成在凸缘78和过渡构件55之间，由于材料的相容性，过渡构件55能够容易地抵抗该载荷而不会失效。通过把喷射片64焊接到过渡构件55的自由移动的第一端58上，喷射片64和过渡构件55之间的载荷以剪切形式均匀地施加两个构件之间的焊接处。即使变薄之后，喷射片64也能够容易地处理降低的载荷。
在图3C所描述的另一替换实施例中，覆盖层65可应用在喷射片64的周边68的一侧或两侧。覆盖层65可包含聚合材料，如低密度聚乙烯、乙酸乙烯(ethylene vinyl acetate)或常用于覆盖TYVEK的其它覆盖层。覆盖层65可使喷射片64的变薄最小化或防止喷射片64的变薄，使得喷射片64的覆盖部分能够直接焊接到凸缘78。
喷射片64可由具有各种不同特性的各种不同材料形成。如前述，喷射片64典型地由气体可渗透柔性材料片形成。典型地，喷射片64的厚度在大约20μm-大约2.5cm的范围内，通常地，在大约20μm-大约5000um的范围内，更通常地，在大约20μm-大约1000μm的范围内，更加通常地，在大约50μm-大约300μm的范围内。喷射片64的爆裂强度在大约2psig(14kPa)-大约50psig(343kPa)的范围内，通常地，在大约2psig(14kPa)-大约25psig(172kPa)的范围内，更通常地，在大约2psig(14kPa)-大约10psig(68kPa)的范围内。当使用Gurley Hill孔隙率的定量特性测量时，喷射片64的孔隙率在大约0.1-大约300(sec/100cc IN2)的范围内，通常地，在大约5-大约100(sec/100cc IN2)的范围内，更通常地，在大约5-大约60(sec/100cc IN2)的范围内，更加通常地，在大约5-大约30(sec/100cc IN2)的范围内。这种厚度、爆裂强度、和孔隙率可变化，且大部分取决于所用材料的类型。
在一些实施例中，喷射片64由蒸汽可渗透且防水的材料形成。即，尽管气体能够通过喷射片64，但是，当不使用时防止水和其它流体流通过。相似地，喷射片64可被构造成在足够高气体压力作用下仅允许气体通过。常期望的是一种具有高渗透性并且同时保持疏水性、强度、可焊接性、生物适应性、和伽马稳定性的材料。
同样，常期望的是一种容易地焊接到传统端口和膜(如关于容器32讨论的膜)中使用的通常材料的柔性材料。例如，在制造、包装、装载、和使用生物反应器期间，软膜或纸膜等柔性特征能够允许它被折叠。同样，所期望的是允许喷射器材料的表面积和形状能够根据焊接或切割图案容易地改变或变化。
能够用于形成喷射片64的所选类型材料的实例包括：(1)聚合非纺织织物(polymeric nonwoven fabrics)；(2)溶剂浇铸聚合膜(solvent castpolymeric films)；(3)开口蜂窝泡沫聚合片(open cell foamed polymersheets)；和(4)穿孔聚合片(perforated polymeric sheets)。如这里所用，术语“非纺织织物(nonwoven fabric)”是指具有中间插入单独纤维或线的结构的网，但是与编织品或纺织品的方式不等同。非纺织织物能够通过例如熔吹处理(meltblowing processes)、网状结合处理(spunbondingprocesses)、水缠绕(hydroentangling)、气载和结合的粗梳网处理(air-laidand bonded carded web processing)。已发现的在本发明中特别有用的一个特定类型的非纺织织物是常以TYVEK
Figure 2006800133859_3
商标出售的热压粘合石蜡材料，典型地，通过使用由高密度聚乙烯形成的连续的且非常精细的纤维来加工形成TYVEK
Figure 2006800133859_4
。典型地，该纤维的平均直径在大约2微米-大约8微米的范围内。这些纤维被闪纺成(flashspun)，然后作为网以随机分布的和非定向的图案放置在移动带上。最后，通过加热和加压使纤维网结合在一起。典型地，最终的网的厚度在大约50微米-大约250微米的范围内。
鉴于TYVEK具有高渗透性的有利品质并且同时保持疏水性、强度、可焊接性、生物适应性、和伽马稳定性，因此TYVEK
Figure 2006800133859_6
被发现是有用的。当使用Gurley Hill孔隙率的定量特性测量时，TYVEK
Figure 2006800133859_7
膜的孔隙率在大约6-大约30(sec/100cc IN2)的范围内。根据Bendtsen透气度的方法，相关透气度常在大约400-大约2000(ml/min)的范围内。典型地，医疗等级的TYVEK
Figure 2006800133859_8
具有大约20(微米)的相对孔尺寸和大约25-大约32(dynes/cm)的表面能量。湿气传输速率(Moisture Vapor Transmission Rates，MTVR)常在大约1500-大约1640(g/m2/24hrs)的范围内。
如这里所使用的，术语“溶剂浇铸聚合膜(solvent cast polymeric films)”是指最初利用溶剂制造的聚合膜。在制造过程中溶剂被移除从而使获得的膜具有期望的孔隙率。浇铸聚合膜的实例包括以商标TEFLON
Figure 2006800133859_9
出售的聚四氟乙烯、聚砜、聚丙烯、硅树脂、KYNAR
Figure 2006800133859_10
(PVDF)、GORTEX
Figure 2006800133859_11
等。在一实施例中，能够被附接的浇铸聚合膜是多孔支撑层，例如纺织织物或这里所述其它材料中的一个。
开口蜂窝泡沫聚合片在本领域中是公知的，并且能够由各种不同聚合材料形成，例如低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、或聚亚安酯。利用气体、使用传统处理使材料起泡沫以便形成对于气体是多孔的开口蜂窝结构。典型地，可预知的是开口蜂窝泡沫聚合片的厚度在大约1mm-大约25mm的范围内。
这种穿孔的聚合片包括使用挤出等传统处理形成的聚合材料片，随后被穿孔以便制造多孔片。例如通过冲压或模压该片能够制造小的穿孔。在一实施例中，穿孔的直径在大约20μm-大约5mm的范围内，通常地，在大约20μm-大约500μm的范围内。穿孔聚合片能够由各种不同材料制成，例如聚乙烯、异类氟化聚合物(different fluorinated polymers)和前述关于主体36的其它材料。
在一些实施例中，喷射片64可包括两个或更多个上述类型的材料的组合或薄片。
重新参考图1，凸缘78的底表面82被密封到容器32的底端壁50以便将喷射器34固定到容器32并防止液体通过孔60泄漏出。凸缘78典型地通过传统焊接技术被固定到容器32。然而，可选地，还可使用粘结剂或机械连接。在安装阶段期间，喷射片64和容器32能够通过焊接方法等被同时固定到凸缘78的相对侧，或者以任何期望的次序一步一步地固定到凸缘78的相对侧。一旦容器系统30完全装配好，系统就可密封在存储袋中，然后整个系统通过各种形式的辐射灭菌来消毒。
在操作期间，容器系统30被定位在支撑壳体12的容纳室20中，使得喷射器34的管状构件66朝下通过支撑壳体12的底板22中的开口24。然后，如前所述，使用连接器88使气体管线96与管状构件66连接。在替换实施例中，管状构件66能够被形成为直接延伸到气源的细长管。
接下来，流体104通过端口52被分配到容器32的室40中。流体104可由各种不同材料形成。例如，当容器系统30被用作用于生长细胞或微生物的生物反应器时，流体104可包括取决于所培养的细胞或微生物的类型的培养基。流体还可包括细菌、真菌、藻类、植物细胞、动物细胞、原生动物、线虫类等种子接种体。本发明还可用于非生物学系统。例如，当希望控制或调节溶液中的PH值或气体分压力时，该系统可用于处理或混和溶液。
一旦流体104设置在容器32的室40中和/或同时充满容器32的室40时，气体能够通过气体管线96传送以便进入喷射器34的容纳室100。气体通过喷射片64移动，然后接触室40中的流体104。由于喷射片64具有相对大的表面积和相对小的孔尺寸，气体经喷射片64以能够容易地进入流体104的微泡的形式通过。此外，通过喷射器34的气体的类型取决于室40中的流体所需的处理类型。在细胞和微生物被培养的地方，典型地，气体包括选择性地与氧、二氧化碳、和/或氮组合的空气。此外，在其它实施例中，特定气体，例如同上的那些气体，或者气体组合可通过喷射器34。
同样，如图1所示，在一实施例中，有益的是，沿气体管线96或在喷射器34处使用单向阀106以便当喷射器34被淹没或不使用时降低流体蒸汽通过喷射片64的不期望传递。实际的湿气传输速率可随使用的流体104的类型和特定应用而大幅度地变化。
尽管不必要，但在一实施例中，提供了用于混和室40中的流体104的装置。通过实例，但不是限制，在一实施例中，驱动轴110突进到室40中并具有安装在驱动轴的末端的叶轮112。因此，驱动轴110的外部旋转促进叶轮112的旋转，叶轮112混和和/或暂停室40中的流体104。喷射器34典型地直接设置在混和装置的下方使得混和器产生的流体104的混和或移动有助于气泡进入流体104中。2005年10月27日公布的美国专利公开公报No.US 2005/0239199 A1公开了如何将旋转混和器结合到柔性容器中的一个特定实例，通过引用它被结合到本文中。Whitt F.Woods等于2006年3月20日提交的美国分案专利申请公开了名称为混和系统和相关混和器的另一实例，通过引用它被结合到本文中。
在混和装置的替换实施例中，可通过在室40内竖直往复移动竖直混和器来实现混和。例如，如图4所描述的一个实施例，竖直混和器129包括混和盘130，混和盘130具有多个延伸通过混和盘130的开口131。如图5所描述，多个柔性唇胀部132安装在混和盘130的底表面上使得当盘130竖直地朝上移动时，唇胀部132打开以允许流体通过开口131，当盘130朝下推动时，唇胀部132平齐地靠在盘130上，因此闭合了开口131。利用闭合的开口131，混和盘130迫使流体朝下，然后倒退并围绕混和盘130，以便混和容器32中的流体。
轴133朝混和盘130的下方延伸并通过容器32的开口。在容器32的外部，轴133与驱动机构连接，驱动机构以期望的频率和期望的高度选择性地使轴133上升和下降。柔性隔膜134在容器32和轴133之间延伸以便在轴133和容器32之间形成密封的流体连接。当轴133上升和下降时，柔性隔膜134弯曲以允许轴133和混和盘130的自由移动。进一步地，2005年5月11日提交的美国专利申请No.11/127,651公开了关于竖直混和器29的安装和操作，通过引用它被结合到本文中。在其它实施例中，应当知道的是可通过使流体简单地循环通过室40来实现混和，例如通过使用蠕动泵来使流体移进室40和移出室40。也可使用其它传统混和技术。
将喷射器34焊接到容器32上能够提供高等级的表面积，同时提供轮廓小的喷射器。在一些实施例中，这能够减少叶轮112附近的湍流和/或减少细胞在裂纹、焊缝、或裂缝中的聚集的可能性。进一步地，使用单个使用的一次性容器系统30可有助于避免或减少与一些传统喷射器相关的污染和清洗问题，有时，包括清洗这样的部件的许多孔、孔隙、和裂缝。例如，在一些喷射器中的小的空区域会出现细胞碎片或其它材料寄存和聚集的区域，这导致出现污染情况的增加。在一些情况中，这可在随后的运行中继续。
如前所述，在细胞培养中使用喷射器34的一个目的是帮助于氧的传质(mass transfer of oxygen，kLa)，这对于生长细胞的呼吸作用常常是必要的。在单个使用的生物反应器中使用喷射器34的优点是：例如当使用TYVEK
Figure 2006800133859_12
时，喷射片64的众多孔隙结构能够对于从通过喷射器34引导的大量气体的氧的传质具有有益效果。在一些实施例中，所期望的是小气泡被引导进生物反应器，因为它们有利于传质(mass transfer)。通过可渗透的隔膜的传质能够独立于气泡产生的传质而出现。相关地，流体柱内的长的气体保留时间和更高的表面与体积的比率常常是期望。
通常可接受的是可通过表面张力效应来控制气泡尺寸，其内在地与盐、蛋白质、糖、和微观成分的总比率以及营养培养基的微观成分相关。试验计算的kLa值、目视观测、和来自生物反应器的数据常常表示气泡尺寸，并且改进的传质或许是本喷射器方法的品质特性。液体的组分和流变特性、混和强度、流体的周转率、气泡尺寸、细胞团的出现、和界面间的吸附特性都影响气体的传质，例如影响氧到细胞的传质。传质的主要驱动力包括表面积和浓度梯度。在很多情况中，搅拌箱生物反应器中的氧传质的阻力的主要来源是围绕气泡的液体膜。
通过使用如上所述的TYVEK
Figure 2006800133859_13
和其它相似的气体可渗透的隔膜，可容易地增加喷射片64的表面积。在一些实施例中，通过喷射器入口直接的恒定补充，喷射片64和液体分界面之间的氧梯度(oxygen gradient)可保持在高水平。进一步地，当叶轮112将培养基直接朝下泵送到喷射片64上时，快速混和强度还有益于传质。气体可渗透隔膜的使用允许通过大块膜表面的氧的传质，其还有利于在流体柱中上升的气泡的形成。
在许多情况下，小气泡在生物反应器的顶部能够引起更大的泡沫，这对根据Henry规则的细胞生存力和kLa、以及与分压力相关的气体溶解度具有负面影响。边界层(boundary layer)常常导致对大量液体中的溶解的氧程度的控制能力的降低。典型地，所期望的是避免或减轻泡沫的出现，因为过量泡沫会导致废气过滤器堵塞和运行故障。与传统系统相比，本文中所述的新颖的喷射器方法能够提供所期望的传质特性，常常产生的泡沫程度被降低。这是由于更高效率和通过喷射器引入的更少气体，从而保持目标氧的溶解度。
应当知道的是喷射器34可以为各种不同尺寸、形状、设计和构造。通过实例，但不是限制，如图6所描述的替换实施例，喷射器120集成了本发明的特征。喷射器120与喷射器34之间相同的元件以相同的参考标记表示。前述公开的喷射器34安装在柔性容器32上。相反，喷射器120特定地设计成可移动地安装到刚性容器上，该刚性容器被设计成在不使用袋或衬垫的情况下保持流体104。特定地，如图6所示，所示的支撑壳体12的底板22具有延伸通过底板22的开口24。然而，在该实施例中，管状颈部(tubular collar)122环绕开口24并从底板22向下延伸。颈部122在环形唇缘124处终止。
喷射器120与喷射器34大致相同，除了管状构件66已经被加长和凸缘128在管状构件66的两个相对端之间的位置处环绕管状构件66并从管状构件66朝外径向地凸出。凸缘的外直径与唇缘124的外直径大致相同，从而通过靠在环形唇缘124上定位凸缘128，夹具126可将凸缘128固定到环形唇缘124，因此，密封闭合开口24。在该实施例中，流体104可直接分配到支撑壳体12的容纳室20中，喷射器120可用于喷洒其中的流体104。鉴于前述内容，在多次使用之间容器被清洗和消毒的情况下，喷射器120能够改进成已有的刚性容器。然而，喷射器120仍保持为单个使用产品，该单个使用产品在每次使用后能够被处理掉。
如图7和8所描述的喷射器140的另一替换实施例，喷射器140具有大致环形或圆环形。喷射器140包括大致圆形的基座142，基座142具有居中地延伸通过基座142的孔144。在一实施例中，基座142包括无孔聚合材料的柔性片，例如聚亚安酯或聚乙烯挤压片。基座142可由与前述关于主体36相同的材料构成。在替换实施例中，基座142可包括半刚性或大致刚性板。例如，基座142可由高密度聚乙烯材料或其它刚性型的塑料形成。基座142包括顶表面146和相对的底表面148，每个表面在内侧边缘150和相对的外侧边缘152之间延伸。内侧边缘150限定开口144。
在所描述的实施例中，大致圆形的喷射片1 54被设置具有内侧边缘156和外侧边缘158，内侧边缘156限定中心开口157。使用焊接、粘结、或机械紧固件等前述技术，内侧边缘150和156、以及外侧边缘152和158分别密封在一起。结果，容纳室160形成在基座142和喷射片154之间。喷射片154可具有与前述喷射片64相同的特性。进一步地，在该实施例和本文所讨论的所有其它实施例中，可用一个或更多个过渡构件55将喷射片连接到基座142等独立结构上。
管162与喷射片154连接。管162可选择性地与气源连接用于将气体传送到容纳室160。喷射器140例如可通过焊接固定到容器，或者固定到容器32的底端壁50。例如，内侧边缘150和/或外侧边缘152可焊接或固定到容器32上。
可选地，喷射器140可简单地定位在容器32的底板上或支撑壳体12的底板上。可通过加载使喷射器140固定就位，或通过其它可移除的紧固技术使喷射器140固定就位。在喷射器140固定就位时，管162延伸通过一个端口52。可选地，管162可与基座142连接，然后延伸通过容器32和/或支撑壳体12底部的孔。在喷射器140的替换变型中，孔144可从基座142上消除和/或孔157可从喷射片154上消除。在另一变型中，基座142可由与喷射片154相同的材料制成。
图9描述了喷射器170的另一替换实施例。喷射器170和喷射器140之间相同元件用相同参考标记表示。喷射器170与喷射器140大致相同，并包括基座142和喷射片154。然而，与喷射器140相反，在喷射器170中，管162被移除并用安装在基座142上的端口172代替。端口172包括杆174，杆174具有第一端176和相对的第二端178。杆174是一种形式的管状构件并限定通道184，通道184延伸通过杆174。凸缘180环绕杆174的第一端176并从杆174的第一端176朝外径向地突出。凸缘180通过焊接、粘结、或其它传统技术被安装到基座142的顶表面146。杆174朝下延伸通过形成在基座142上的孔。倒钩182环绕杆174的第二端178并从杆174的第二端178朝外径向地突出。杆174适用于与管连接用于传送空气到容纳室160。在安装期间，杆172可朝下通过形成在容器32和/或支撑壳体12上的孔。与前述喷射器140相同的变型和装备可应用于喷射器170。在进一步的实施例中，端口172可由喷射器34的基座62替换。在这点上，基座62可称作或用作端口。
图10描述了喷射器190的另一替换实施例。喷射器190包括主体192，主体192包括固定在一起的多个喷射片。特别地，主体192包括第一喷射片194，第一喷射片194具有终止于周边195的大致圆形构造。主体192还包括第二喷射片196，第二喷射片196具有终止于周边198的大致圆形构造。周边195和198通过焊接、粘结、或紧固件接合在一起。结果，容纳室200被限定在喷射片194和喷射片196之间。在替换实施例中，主体194可通过使用与前述容器32相同的方法由一个或三个或更多个材料片形成。应该知道的是主体194可以以各种形状构造成，包括球形、圆柱形、盒形、金字塔形、不规则形状等，并可包括可渗透的和不可渗透的材料或表面的任意组合。
喷射器190还包括管状构件202，管状构件202具有与第二喷射片196连接的第一端204和相对的第二端206。管状构件202限定通道208，通道208与容纳室200连通。应该知道的是喷射器190可使用可重复使用的刚性容器或一次性的柔性容器。在所描述的实施例中，所描述的容器32具有安装在底端壁50上的管状端口210。连接管212具有连接到端口210的第一端214和连接到连接器218的相对的第二端216。连接器218包括：外侧杆220，外侧杆220容纳在连接管212的第二端216中以便形成密封接合；内侧杆222，其与管状构件202的第二端206连接；和远端杆224，其与内侧杆222流体连通并适用于与气体管线连接。在该构造中，通过连接管212、同时保持容器32的容纳室40密封闭合，气体可传送到喷射器190的容纳室200。应该知道的是，可使用各种不同连接技术和连接器将喷射器190连接到容器32，从而使气体能够传送到喷射器190。
图11描述了本发明的喷射器230的一个实施例，喷射器230形成为容器32的一部分。特别地，如图9所描述，端口172安装在容器32的底端壁50的内部表面38上从而使杆174朝下延伸通过孔60。通过将喷射片234的周边232直接焊接到容器32的底端壁50上来形成喷射器230，从而使喷射片234环绕并覆盖端口172。结果，喷射器230具有限定在容器32的底端壁50和喷射片234之间的容纳室236。如前述，端口172的杆174适用于与气体管线连接，使得气体能够传送到容纳室236。应该知道的是，喷射片234以及这里引用的其它喷射片可由与前述喷射片64相同的替换材料制成。
在所描述的实施例中，容纳室236限定圆屋顶形空间。本文描述的那些喷射器安装构造可允许通过利用这里所示的圆屋顶形等不同尺寸形状来调节例如喷射片234的表面积和对应的气体流速的要求。如前述，本发明的一些实施例可包括与附接到端口172的管道串联连接的单向阀，这防止流体逆流。
在替换实施例中，如同前述图1，端口172可由基座62替换。如同前述基座62的替换实施例还可适用于与图11相关的本替换实施例中。在本实施例中，基座62的凸缘78直接固定到容器32的底端壁50，从而使管状构件66延伸通过开口60。然而，此外，喷射片234直接附接到容器32的底端壁50上，而不直接连接到基座62。
在其它实施例中，应该知道的是，喷射片234和端口172可安装在容器32的各种不同位置。此外，喷射片234可形成具有任何期望的构造。端口172可由能够与气体管线连接并传送气体到容纳室236的各种替换型的端口替换。
图12描述了本发明的喷射器250的另一替换实施例。喷射器250与喷射器230相似，并且相同元件以相同参考标记表示。在图12所描述的实施例中，端口172的凸缘180已经被扩大。喷射片234已经直接固定到凸缘180以便环绕并覆盖通道184，通道184延伸通过端口172。
图13描述了结合本发明的特征的容器系统260的替换实施例。容器系统260包括容器32，容器32包括柔性主体36，柔性主体36具有安装在其底板上的端口52。柔性喷射片262安装到容器32的侧壁上，以便覆盖在流体管线下方延伸的侧壁的至少一部分，以及以便覆盖容器的底板。喷射片262由本文前述的一种或多种多孔材料形成。在使用时，气体通过端口52传送。气体通过喷射片262在大表面积上渗透，从而使气体能够快速地和有效地被吸收到流体中。图14所描述的实施例与图13所描述的实施例大致相同，除了喷射片262仅覆盖容器32的底板。
本发明的喷射器还可用于去除或提取液体中不期望的溶解化合物。例如，可以与主喷射器联合使用或者可独立于主喷射器使用的单独的喷射器可使用于生物反应器以便去除作为生化反应或细胞呼吸的生物产品(bioproduct)产生的废品(例如二氧化碳)。喷射器可被构造成具有更大空隙，以致力于允许不期望的溶解气体成分被排除出培养基，以便控制PH值、溶解氧、或其它工艺参数。
应该知道的是，前述实施例是本发明的形成喷射器的可选方法的简单实例。同样应该知道的是不同实施例的各种特征可混合和匹配以产生其它实施例。
本发明可通过其它特定形式来体现，而不脱离本发明的精神或实质特征。无论从哪方面来看，所述实施例仅作为示例，而不是限制。因此，本发明的保护范围由所附权利要求表示，而不由前述说明表示。在权利要求等同范围和含义内产生的所有变化都将落入它们的保护范围内。

Claims (29)

1.一种喷射器，包括：
基座，所述基座具有从其延伸的管状构件，管状构件具有限定通道的内部表面；
喷射片，所述喷射片由气体可渗透材料的柔性片构成；和
柔性过渡构件，所述柔性过渡构件固定到喷射片和基座之间并在喷射片和基座之间延伸，过渡构件由不同于喷射片的材料构成；
其中基座由非孔隙材料构成，过渡构件为环形的柔性片的形式。
2.根据权利要求1所述的喷射器，其中基座包括凸缘，所述凸缘从管状构件径向地朝外突出。
3.根据权利要求1所述的喷射器，其中基座包括环形构件，所述环形构件具有限定开口的内侧边缘和环绕的外侧边缘。
4.根据权利要求3所述的喷射器，其中所述喷射器还包括：
过渡构件，所述过渡构件包括环形第一过渡构件和环形第二过渡构件，所述环形第一过渡构件固定到喷射片和基座之间并在喷射片和基座之间延伸，所述环形第二过渡构件固定到喷射片和基座之间并在喷射片和基座之间延伸。
5.根据权利要求1所述的喷射器，其中基座由聚合材料的挤压片构成。
6.根据权利要求1所述的喷射器，其中管状构件包括与基座整体地形成的或者与基座连接的端口、杆、或细长管。
7.根据权利要求1所述的喷射器，其中喷射片由聚合非纺织织物、溶剂浇铸聚合膜、开口蜂窝泡沫聚合片、或穿孔聚合片形成。
8.根据权利要求1所述的喷射器，还包括与管状构件连接的单向阀。
9.一种容器系统，包括：
柔性聚合袋，所述柔性聚合袋具有限定室的内部表面；和
喷射器，所述喷射器包括：
基座，所述基座具有从其延伸的管状构件，管状构件具有限定通道的内部表面；
喷射片，所述喷射片由气体可渗透材料的柔性片构成；和
柔性过渡构件，所述柔性过渡构件固定到喷射片和基座之间并在喷射片和基座之间延伸，过渡构件由不同于喷射片的材料构成；
所述喷射器至少部分地设置在聚合袋的室内，喷射器的基座固定到聚合袋。
10.一种喷射器，包括：
基座，所述基座具有从其延伸的管状构件，管状构件具有限定通道的内部表面，基座由柔性聚合材料形成，所述柔性聚合材料具有小于90的邵氏硬度值；和
喷射片，所述喷射片由固定到凸缘上的气体可渗透材料的柔性片构成。
11.根据权利要求10所述的喷射器，其中基座包括凸缘，所述凸缘从管状构件径向地朝外突出。
12.根据权利要求10所述的喷射器，其中管状构件包括与基座整体地形成的或者与基座连接的端口、杆、或细长管。
13.根据权利要求10所述的喷射器，其中喷射片焊接到基座。
14.根据权利要求10所述的喷射器，还包括柔性过渡构件，所述柔性过渡构件固定到喷射片和基座之间并在喷射片和基座之间延伸，过渡构件由不同于喷射片的材料构成。
15.根据权利要求10所述的喷射器，其中喷射片在与管状构件隔离的位置处连接到基座，从而使得在基座和气体可渗透片之间形成容纳室。
16.根据权利要求10所述的喷射器，其中喷射片由非纺织织物、溶剂浇铸聚合膜、开口蜂窝泡沫聚合片、或穿孔聚合片构成。
17.一种容器系统，包括：
容器，所述容器具有限定室的内部表面，所述室适用于保持流体，所述容器包括由一个或多个柔性聚合材料片形成的袋；和
喷射片，所述喷射片由气体可渗透材料的柔性片构成，所述柔性片直接固定到容器的内部表面或者通过柔性过渡构件固定到容器的内部表面，从而使得在容器的内部表面和喷射片之间形成容纳室。
18.根据权利要求17所述的容器系统，其中所述袋包括开口顶部的衬垫。
19.根据权利要求17所述的容器系统，其中容器设置在刚性支撑壳体中。
20.根据权利要求17所述的容器系统，还包括与容器连接的管状端口、杆或管，从而使得管状端口、杆或管所限定的通道与容纳室连通。
21.根据权利要求20所述的容器系统，还包括与管状端口、杆或管连接的单向阀。
22.根据权利要求17所述的容器系统，其中过渡构件具有固定到喷射片和容器的内部表面之间、并在喷射片和容器的内部表面之间延伸的大致环形构造，过渡构件由不同于喷射片的材料构成。
23.根据权利要求17所述的容器系统，其中喷射片由非纺织织物、溶剂浇铸聚合膜、开口蜂窝泡沫聚合片、或穿孔聚合片构成。
24.一种利用气体喷射流体的方法，该方法包括如下步骤：
将流体分配到容器的室中，所述容器包括由一个或多个柔性聚合材料片形成的袋；和
将气体传送到喷射器从而使得气体渗透通过喷射器的喷射片，所述喷射器连接到容器或设置在容器的室内，所述喷射片由气体可渗透材料的柔性片构成，所述柔性片直接固定到容器的内部表面或者通过柔性过渡构件固定到容器的内部表面，从而使得在容器的内部表面和喷射片之间形成容纳室。
25.根据权利要求24所述的方法，其中分配流体的步骤包括供应一种或多种成分到容器的室内以便产生包含生长细胞或微生物的液体培养物。
26.根据权利要求25所述的方法，其中气体传送步骤包括控制氧的水平，以便喷射培养物和将氧在培养物中的分压力保持在适用于细胞或微生物的继续生长的水平。
27.根据权利要求24所述的方法，其中气体传送步骤包括控制氧或碳的水平，以便喷射流体，从而调节或调整流体中PH值或氧的分压力。
28.根据权利要求24所述的方法，其中流体包括两种或更多种成分以便形成溶液，所述方法还包括利用容器的室混和溶液的步骤。
29.根据权利要求24所述的方法，所述方法还包括将容器定位在刚性支撑壳体中的步骤。
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