[发明专利]对液体，特别是在生物工程中的液体，和尤其是对细胞培养物进行充气和脱气的方法和装置

说明书

本发明涉及对液体，特别是在生物工程中的液体，和尤其是对细胞 培养物(Zellkulturen)进行无泡充气的方法和装置。

对液体进行充气用于气体的输入和脱附。特别是在培养介质中提供 和繁殖细胞培养的情形下充分的氧气供应和二氧化硅的去除是一个问 题。

然而，细胞培养在制药工业例如抗体和蛋白质的制造中占据着越来 越重要的位置。特别是为制造更复杂的物质必须预先确定细胞培养物， 因为它们具有通过平移后的改性制造高度糖基化的蛋白质的能力。

细胞培养物对培养它们的反应器(和容器)有特殊要求。例如，需 要避免高剪切力，因为这会破坏无细胞壁的细胞的细胞膜。而例如在搅 拌器上或者当气泡在液体表面破裂时会产生剪切力。还要避免形成泡 沫，因为细胞易于与泡沫一起漂浮。在泡沫层中不存在充分的培养条件。 防沫剂的采用也可能会导致细胞损坏或处理过程中的产量损失，或者导 致处理费用升高。

表面充气是能考虑到上述某些要求的一类细胞培养物充气方法。在 表面充气过程中，气体的吸附和解附发生在液体表面上，即反应器气体 空间与液体之间的界面上。由于根据表面积-体积比，采用表面充气可能 通常仅能对很小的液体体积充气，所以往往采用浸没充气。这可以分为 有气泡充气和无气泡充气。然而，所有会产生气泡的充气类型都具有上 面所述的缺陷，如形成泡沫或气泡在液体表面破裂。此外，还需要例如 通过搅拌器分配和/或分散所述气泡。但是，这又会产生剪切力。通常， 借助于会产生气泡的充气虽可以达到要求的气体传送速率，但它们会同 时导致细胞损坏。

无气泡充气通过气体交换发生在浸没的膜表面上而解决了该问题。 在这里，充气是利用封闭或开孔的膜来进行的。它们设置在例如由搅拌 器搅动的液体中。与多孔聚合物相比，硅树脂作为管材料已经得到了承 认。其原因在于高透气性、高热稳定性和均匀分布在长达50m的管段长 度上的管性能，该性能甚至在灭菌之后仍能保持。大的管段长度可用于 缩短费时的管固定片的制造。硅树脂管在使用一次之后通常就被丢弃。

上述膜充气情形的缺陷是相对较低的传质系数(H.-J.Henzler，J. Kauling：“Oxygenation of cell cultures”Bioprocess Engineering9(1993) 第61-75页)。为实现高传质速度，必须在生物反应器中设置相应较多的 膜表面。然而，这在设计和操作(安装、灭菌、清洁、产生不充分混合 区域等等)上非常昂贵。此外，功率输入可能也会升高。由于传质系数 是功率输入的函数，这可能会导致提高传质速度。但是，这种可能受到 了由于更高的功率输入而产生的细胞剪切应力的限制。

这些限制条件导致了以下要求，即相应的膜充气需要提供高传质系 数连同低的功率输入和/或同时的低剪切应力。另一从属条件是要继续充 分进行反应器空间的充分混合。这一方面必须防止细胞沉降，另一方面 要使得液体能在足够短的混合时间内被混合。

为此，例如EP0172478A1中已经记述一种方法和装置，但其迄今为 止并未在实践中获得公认。其为卷绕在篮上的膜管，其中所述篮在生物 反应器内部执行不带自身旋转(！)的偏心运动。然而，为此必需一个偏 心装置。该偏心的机械装置必须提供在反应器内，即无菌区之内。一方 面，这会导致该偏心装置的灭菌问题，另一方面这是污染无菌区的持久 危险源。此外，在无菌区内安装一个需要维护的机械复杂装置如偏心装 置是没有道理的。可以认为对该偏心装置的需要以及与此相关的所述问 题妨碍了该专利的应用。

因此本发明的目的在于提供一种有效的、以非破坏和易清洁方式运 行的对细胞培养物进行无气泡充气的方法和装置。

现意外发现，该目标能通过一种对液体，特别是在生物工程中使用 的液体，和尤其是对细胞培养物进行充气的方法实现，其中包括在一或 多个浸没的以任意方式形成的膜表面(管、圆筒、(*尚未公开的)等 等)上进行气体交换，所述膜表面在所述液体中执行任意的旋转振荡运 动。

图1中以示意图显示了这样一种布置和运动的例子，其中膜表面在 这种情形下由以与转动方向(3)横切的方式垂直设置在转轴(2)上的 膜管(1)构成。