專利名稱：微型反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總體而言，本發(fā)明涉及到化學(xué)或生化微型反應(yīng)器，更具體地說，本發(fā)明涉及到生產(chǎn)化學(xué)或生化產(chǎn)品的微型反應(yīng)器，其中包括可構(gòu)成并行操作的多個(gè)獨(dú)立微型反應(yīng)器。
同時(shí)，含有化學(xué)和生化反應(yīng)的系統(tǒng)不一定用于產(chǎn)品的生產(chǎn)。例如，眾所周知的連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于檢測包括血液在內(nèi)的各種體液的分析指標(biāo)，如氧含量、葡萄糖含量等。
在許多這樣和那樣的系統(tǒng)中，根據(jù)所要處理或分析的反應(yīng)物量、產(chǎn)品量和分析物量來調(diào)整系統(tǒng)的能力(系統(tǒng)要生產(chǎn)、處理或分析的物料量)。例如，在大型化學(xué)或制藥生產(chǎn)中，反應(yīng)器通常做得盡量大，這樣可以生產(chǎn)出盡可能多的產(chǎn)品。與此相反，在許多臨床診斷領(lǐng)域中，希望從盡可能少的生理樣品(如從一小滴血液)中獲得盡可能多的信息，這些領(lǐng)域中的目標(biāo)是將檢驗(yàn)器的反應(yīng)室體積降至最低限度。下面是幾個(gè)用于臨床診斷的小型反應(yīng)器系統(tǒng)的實(shí)例
美國5,387,329專利(1995年2月7日授權(quán)于Foos等人)講述了將二維臨床檢測儀擴(kuò)展用于血樣氧含量的檢測。
美國5,985,119號(hào)專利(1999年11月16日授權(quán)于Zanzucchi等人)講述了用于液相分布系統(tǒng)中進(jìn)行合成過程的小型反應(yīng)單元。該專利說明了多種化學(xué)反應(yīng)，其中包括分解代謝反應(yīng)、合成代謝反應(yīng)、氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、脫氧核糖核酸合成反應(yīng)等等。
美國5,674,742號(hào)專利(1997年10月7日授權(quán)于Northrup等人)講述了一種集成的微型儀器，它用于微升至微微升樣品的操作、反應(yīng)和檢測。該系統(tǒng)聲稱適于生化反應(yīng)，尤其適于像聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)這樣基于脫氧核糖核酸的反應(yīng)。
美國5,993,750號(hào)專利(1999年11月30日授權(quán)于Ghosh等人)講述了一種集成的微型陶瓷化學(xué)裝置；該裝置具有單一的陶瓷結(jié)構(gòu)，它由多層未燒結(jié)的陶瓷構(gòu)成，這些未燒結(jié)的陶瓷層燒結(jié)在一起，構(gòu)成了混合室、流體輸送通道和流體反應(yīng)通道以及將混合的化合物輸送出該設(shè)備的裝置。
生化過程通常涉及到使用活性微生物(細(xì)胞)來生產(chǎn)所感興趣的物質(zhì)。生化產(chǎn)品和生化過程約占全球藥品、蛋白質(zhì)和原質(zhì)氨基酸生產(chǎn)總量的50％。在制藥領(lǐng)域中，目前約90％的研究和開發(fā)預(yù)算花費(fèi)在生物技術(shù)領(lǐng)域。
目前，生物反應(yīng)器(發(fā)酵器)存在著幾項(xiàng)重大的局限性。最大的限制是將反應(yīng)器的規(guī)模最大化，這個(gè)問題與換氣性質(zhì)、培養(yǎng)基分布和傳熱性質(zhì)有關(guān)。在發(fā)酵過程中，細(xì)胞是加速生長的，提供必要培養(yǎng)基和氧氣所需的手段對(duì)含有細(xì)胞的容器形成了物理的和機(jī)械的限制。要補(bǔ)償混合不充分和傳質(zhì)速率低，需要使用大功率和費(fèi)用高的驅(qū)動(dòng)裝置。此外，隨著細(xì)胞新陳代謝的加快，細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生愈來愈多的熱量，這些熱量需要從培養(yǎng)基中散發(fā)出去。
培養(yǎng)基和容器(包括換熱器)的傳熱性質(zhì)對(duì)反應(yīng)規(guī)模形成了嚴(yán)重制約(見表1)。雖然對(duì)這一反應(yīng)而言，具體的熱負(fù)荷和電力需求是特定的，但對(duì)于E.coli的發(fā)酵而言，在約10m3時(shí)，反應(yīng)規(guī)模通常接近極限程度。所要散發(fā)出去的熱量超出了培養(yǎng)基和容器傳熱系統(tǒng)的極限。因此，容器和培養(yǎng)基系統(tǒng)的溫度將升高。不利的是，生物化合物存活的溫度上限通常較低(許多小于45℃)。此外，分散培養(yǎng)基和氧化以及分散控制溫度所需的冷卻劑所消耗的電力會(huì)使得這一過程不具有經(jīng)濟(jì)可行性(見表1)。
表1E.coli所需要的氧氣和熱量傳遞不同規(guī)模的結(jié)果
a液體體積。
b對(duì)于1m3的容器而言，冷卻劑的流量為35加侖/分鐘，對(duì)于10m3的容器，冷卻劑流量為100加侖/分鐘。
c見Charles，M.和Wilson，J.的《發(fā)酵器設(shè)計(jì)》；以及Lydersen，B.K.，D’Elia，N.A.，Nelson，K.L.，的《生物加工工程》，由紐約的Wiley & Sons，Inc.，公司于1994年出版。
除反應(yīng)器的規(guī)模性外，傳統(tǒng)發(fā)酵器的結(jié)構(gòu)還有其他缺陷。由于反應(yīng)過程的間歇性和半間歇性，產(chǎn)品的產(chǎn)量較低。反應(yīng)參數(shù)的復(fù)雜性和交互性以及需要這些參數(shù)在較窄的范圍內(nèi)變化也使得系統(tǒng)的控制比較困難。在系統(tǒng)內(nèi)部，由于混合動(dòng)力產(chǎn)生氣泡，造成培養(yǎng)基和氧氣的分布不均，培養(yǎng)基或氧氣不足會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡。最后，為了使溶液盡可能均勻還要進(jìn)行攪拌(通常使用葉片將細(xì)胞和提供的培養(yǎng)基及氧氣同時(shí)混合)，攪拌所產(chǎn)生的高應(yīng)力會(huì)破壞細(xì)胞膜并引起變性。
雖然有多許可用的反應(yīng)器用于各種化學(xué)和生物反應(yīng)，并有各種規(guī)模，但本領(lǐng)域仍然需要改進(jìn)型的反應(yīng)器。目前，特別是制藥和生化工業(yè)正日益轉(zhuǎn)向生物處理技術(shù)的情況下，尤其需要對(duì)生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重大改進(jìn)。
本發(fā)明的一個(gè)方面提供化學(xué)或生化反應(yīng)器。該反應(yīng)器包括反應(yīng)單元，反應(yīng)單元包括反應(yīng)室，該反應(yīng)室的體積小于1毫升。該反應(yīng)室包括與化學(xué)或生物起始物料源頭相連的入口以及將化學(xué)或生物反應(yīng)產(chǎn)物排出的出口。收集室與反應(yīng)器的出口相連。收集室的體積大于1升。
本發(fā)明的另一方面涉及化學(xué)或生物反應(yīng)器系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括混合室，混合室有多個(gè)入口，入口與多個(gè)化學(xué)或生化反應(yīng)物源頭相連，混合室還有出口。反應(yīng)室與混合室可以相連也可以分離，反應(yīng)室的體積小于1毫升。反應(yīng)室的入口可與混合室的出口相連，也可與混合室的出口相分離，反應(yīng)室的出口將起始物料經(jīng)化學(xué)或生物反應(yīng)器所產(chǎn)生的產(chǎn)品排出。
本發(fā)明的另一方面提供某些方法。其中的一個(gè)方法包括在多個(gè)并行操作的反應(yīng)器中進(jìn)行化學(xué)或生物反應(yīng)，每個(gè)反應(yīng)器的體積小于1毫升。反應(yīng)產(chǎn)物從多個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)排出，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入收集室，收集室的體積大于1升。
結(jié)合本文所附的圖形，通過下面的本發(fā)明詳細(xì)說明，本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、新特點(diǎn)和目標(biāo)便可一目了然；本文所帶的圖形是意示性的，并非按此比例繪制。在這些圖形中，相同部件或近似相同的部件用同一數(shù)字來代表。為了清晰起見，并非每張圖中的每個(gè)部件都有標(biāo)識(shí)，每種實(shí)施方案中的每一部件也不是都在圖中被表示出來，本文的圖示不一定會(huì)使本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員理解本發(fā)明。
圖示簡介

圖1表示的是本發(fā)明的微型生物反應(yīng)器，該反應(yīng)器包括混合單元、加熱/分散單元、反應(yīng)單元和分離單元。圖1是反應(yīng)器的分解圖。
圖2表明的是圖1中的系統(tǒng)經(jīng)過組裝后的形式。
圖3表明的是圖1中系統(tǒng)的混合單元。
圖4是圖1系統(tǒng)中加熱/分散單元的分解圖。
圖5是圖1系統(tǒng)中反應(yīng)室的分解圖。
圖6是圖1系統(tǒng)中分離單元的分解圖。
本發(fā)明的詳細(xì)說明本發(fā)明提供可用于各種小規(guī)模技術(shù)的化學(xué)或生化反應(yīng)器。在某一實(shí)施方案中，本發(fā)明的微型反應(yīng)器含有尺寸在幾毫米至幾厘米之間的方陣，方陣中包含反應(yīng)通道，通道為幾百微米級(jí)的通道。反應(yīng)物流過這些微小通道，混合在一起并發(fā)生反應(yīng)。在該系統(tǒng)中，可對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行收集、分離和處理。雖然一個(gè)微型反應(yīng)器只能容納并使幾毫升物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，但該技術(shù)易于放大并可以進(jìn)行大規(guī)模的并行操作。通過加強(qiáng)氧化和培養(yǎng)基的分布，本發(fā)明的微型反應(yīng)器在細(xì)胞存活性方面的性能會(huì)有所提高。反應(yīng)器的幾何形狀近似于細(xì)胞的自然環(huán)境，氧氣和培養(yǎng)基的擴(kuò)散傳遞是通過表面積很大層厚很薄的界面進(jìn)行的。
至于產(chǎn)量，一組多個(gè)微型反應(yīng)器可以并行操作，生產(chǎn)能力超過了目前所用反應(yīng)器的生產(chǎn)能力，反應(yīng)產(chǎn)物質(zhì)量的一致性超過了間歇方法所能獲得的一致性。此外，通過使生產(chǎn)能力保持在通常在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的反應(yīng)規(guī)模可以獲得某種優(yōu)勢。總之，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下確定出的傳熱和傳質(zhì)參數(shù)不可以隨反應(yīng)器的容量進(jìn)行線性放大。對(duì)于常規(guī)反應(yīng)器而言，在體積增加1,000～1,000,000倍時(shí)，這些參數(shù)需要重新確定，這通常需要大量的基本投資。使用小型生產(chǎn)能力的反應(yīng)器，雖然是并行操作，但卻降低了放大方案所需的成本。
此外，反應(yīng)過程可以在簡單的平臺(tái)上完成，比如在蝕刻的硅片上完成。隨著在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中向著降低通道尺寸方面的努力，將有機(jī)會(huì)利用這些生產(chǎn)設(shè)備的過剩能力(用未用的設(shè)備生產(chǎn)尺寸更大的通道)。大規(guī)模生產(chǎn)這些單元成本很低，多個(gè)反應(yīng)器，例如數(shù)各個(gè)微型反應(yīng)器的制造價(jià)格通常比一個(gè)常規(guī)生物反應(yīng)器的成本還低。
現(xiàn)參見圖1，圖1表明的是本發(fā)明某一實(shí)施方案中化學(xué)或生化反應(yīng)器的示意圖。圖1中的反應(yīng)器是一種微型反應(yīng)器，尤其適于細(xì)胞培養(yǎng)。要理解的是，該反應(yīng)器只是以實(shí)例的方式表明的，本發(fā)明并不局限于這一實(shí)施方案。例如，本發(fā)明中的系統(tǒng)可用于制藥生產(chǎn)、危險(xiǎn)性化學(xué)生產(chǎn)或戰(zhàn)爭反應(yīng)物的化學(xué)補(bǔ)救。
微型反應(yīng)器10包括4個(gè)通用單元，既混合單元12、加熱/分散單元14、反應(yīng)單元16和分離單元18。在所示的實(shí)施方案中，混合過程、加熱過程、反應(yīng)過程、提純過程是按順序進(jìn)行的。盡然圖中未表明，但系統(tǒng)中包括壓力、溫度、PH值和氧含量檢測儀，這些儀器置于系統(tǒng)內(nèi)部以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測和控制。由于按照順序的方式進(jìn)行操作，所以幾個(gè)反應(yīng)單元可用于多步驟的化學(xué)合成以及多級(jí)提純或微型分析單元。
圖1表明的是微型反應(yīng)器10的分解圖。如圖所示，每個(gè)單元14和單元16(分別是加熱/分散單元和反應(yīng)單元)至少包括一個(gè)相鄰的溫度控制單元20-26，該溫度控制單元包括通道28，控制溫度的流體流過該通道。如圖所示，溫度控制單元20和24位于單元14和單元22的上方和下方，溫度控制單元26位于單元16的上方和下方。分離單元18在上部和下部分別包括提取溶液流體單元30和32，這二者分別通過膜34和36與單元18隔離開來。
現(xiàn)參見圖2，這是組裝后的反應(yīng)器10。反應(yīng)器10的具體細(xì)節(jié)將在此給予詳細(xì)描述。
現(xiàn)參見圖3，其描述了混合單元12。混合單元12可以有選擇地通過加熱/分散單元向反應(yīng)單元提供混合均勻的起始物料或反應(yīng)物。在微型生物反應(yīng)器的具體實(shí)例中，混合單元12可以在所要求的PH值下向細(xì)胞提供培養(yǎng)基和氧氣充足的、均勻的培養(yǎng)液?；旌线^程不是與細(xì)胞的營養(yǎng)供應(yīng)結(jié)合在一起的，混合過程在起始階段進(jìn)行，然后供應(yīng)給反應(yīng)階段，在反應(yīng)階段細(xì)胞是固定不動(dòng)的。照此方式，細(xì)胞可以不經(jīng)受混合所造成的強(qiáng)烈應(yīng)力，這樣可以保證得到混合均勻的進(jìn)料。
正如反應(yīng)器的其他組件一樣，混合單元12可以通過簡便的工藝過程制造出來。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，混合單元是通過石板印刷術(shù)這樣共知的工藝技術(shù)對(duì)硅基板進(jìn)行蝕刻而制得的。本發(fā)明系統(tǒng)中的混合單元及其他組件可以由其他材料制成，如由玻璃、熔凝氧化硅、石英、陶瓷或適合的塑料制成。首選的材料是硅?；旌蠁卧ǘ鄠€(gè)入口40-50，這些入口可以接受各種反應(yīng)物和/或運(yùn)載流體。雖然圖中只表明有6個(gè)入口，但入口數(shù)量基本上可以有一個(gè)至幾千個(gè)。通常情況下，對(duì)于某種反應(yīng)而言，所需的入口小于10個(gè)?；旌蠁卧?2包括出口52，在多個(gè)入口和該出口之間設(shè)有混合室54，該混合室將入口來的多股反應(yīng)物合并在一起。圖中所示的實(shí)施方案的特點(diǎn)在于混合室沒有活動(dòng)混合元件?；旌鲜业慕Y(jié)構(gòu)可以使由入口進(jìn)來的流體形成湍流，因此可以在沒有活動(dòng)混合的情況下實(shí)現(xiàn)流體的混合并將混合后的流體經(jīng)出口排出混合室。混合室在流動(dòng)路徑上特別設(shè)有多個(gè)阻擋柱56，這些阻擋柱可以使流經(jīng)這一通道的流體發(fā)生混合，這些阻檔柱可以成任何形狀的幾何排列。如圖所示，這些阻檔柱是一些小的柱體。當(dāng)流體從入口進(jìn)來，穿過混合室流向出口過程中，流體必然會(huì)形成湍流。正如本文所用的，“活動(dòng)混合元件”是指像葉片、攪拌漿或類似的混合元件，這些元件相對(duì)混合室本身而言是可以運(yùn)動(dòng)的，既可以與反應(yīng)室的內(nèi)壁形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，混合室的體積，既在入口和出口之間混合單元12的內(nèi)部容積，是非常小的。混合室的體積通常小于1升，優(yōu)選的情況是小于100毫升，在某些實(shí)施方案中其體積更是小于約10毫升?；旌鲜业捏w積可以小于5毫升，或者甚至小于1毫升。
在圖中所示的微型生物反應(yīng)器中，有6股獨(dú)立的進(jìn)料物流在壓力作用下流入混合室。一股物流提供細(xì)胞所需要的氧氣。另一投物流提供改變PH值所需的二氧化碳和氮?dú)?。余下的三股提供含有溶劑和培養(yǎng)基的培養(yǎng)溶液。后面三投物料中的一種還可用來提供系統(tǒng)所需的其他物質(zhì)，如消泡劑。為了避免產(chǎn)生泡沫和氣泡，有時(shí)必須加入消泡劑，因?yàn)榕菽蜌馀菘梢云茐呐囵B(yǎng)液中的細(xì)胞。進(jìn)入混合室的各個(gè)物流會(huì)產(chǎn)生足夠程度的湍流，以便將不同的物流混合起來。在微型流動(dòng)裝置內(nèi)部的流動(dòng)特點(diǎn)是雷諾數(shù)較小，這表明形成的流動(dòng)是層流。雖然注入的流體所產(chǎn)生的湍流會(huì)在物流發(fā)展為層流之前實(shí)現(xiàn)充分的混合，但為了增強(qiáng)層流的混合效果，在流體離開主混合室的通道上設(shè)置了柱狀的障礙物56。通過將主干流體分成若干支流，然后再合并到一起，這樣在流通通道中造成了湍流，簡單擴(kuò)散之外的機(jī)理被用來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的混合。根據(jù)系統(tǒng)的需要，這一混合區(qū)域的長度可長可短。
現(xiàn)參見圖4，圖4表明的是加熱/分散單元14。單元14可以像上述的本發(fā)明其他元件一樣制得。在實(shí)施方案中，單元14含有入口60，在入口60和單元14的多個(gè)出口之間有流體流過，在實(shí)施方案中希望得到下面所述的分散結(jié)果。在操作中，從混合單元出來的均勻物流(所示實(shí)施方案中特定微型生物反應(yīng)器的培養(yǎng)液進(jìn)料)進(jìn)入分散矩陣，該分散矩陣由多個(gè)障礙體構(gòu)成，這些障礙體將物流分散到不同的流動(dòng)通道中，這些通道通往不同的出口62，分散矩陣夾在溫度控制元20和24之間；如圖所示，分散矩陣包括蝕刻在硅片上的流體流動(dòng)通道28?？刂茊卧?4位于單元14的下方，因此，蝕刻出來的通道28被單元14的底部所密封?？刂茊卧?0位于單元14的頂部，這樣單元20的底部封住并限定了分散單元14的頂部。在單元20的頂部可放置一個(gè)蓋子(未畫出)，以便將通道28密封起來。
除了如前所述(圖3)出于混合的目的外，對(duì)物流的劈分是要使物流進(jìn)入下一個(gè)單元操作的反應(yīng)室。在常規(guī)反應(yīng)器系統(tǒng)中，在含有催化劑的填料周圍流動(dòng)的流體會(huì)發(fā)生所希望的反應(yīng)。然而，如果進(jìn)入反應(yīng)室的流體分散不均，則流體將通過阻力小的反應(yīng)器通道，這樣整個(gè)活性表面區(qū)域沒有得到應(yīng)用。此階段的分散是為了優(yōu)化下一階段中反應(yīng)器的效率。
關(guān)于這一單元的加熱功能，其作用相當(dāng)于小型的常規(guī)換熱器。在中央平臺(tái)上方及下方蝕刻出的硅平臺(tái)用來輸送加熱用流體。細(xì)胞通常需要30℃左右的環(huán)境。在培養(yǎng)液流動(dòng)通道上方及下方流過蝕刻盤管的液體透過薄薄的硅片層對(duì)培養(yǎng)液進(jìn)行加熱。在上方和下方換熱器中的流體溫度可以進(jìn)行調(diào)整，以確保培養(yǎng)液處于合適的溫度。此外，該平臺(tái)還可以進(jìn)行擴(kuò)展，以便適于熱負(fù)荷的增加。
雖然圖中所示的是加熱/分散聯(lián)合單元，但單元14可以是分散單元或加熱單元。例如，分散單元可按圖中所示的方式，不帶有溫度控制單元。另外，系統(tǒng)也可以不提供分散單元，而提供加熱單元(入口60與單一出口62相通，出口62可以大于圖中所的出口)。如果需要冷卻，系統(tǒng)還可以提供冷卻單元。單元20和24可以輸送溫控流體，以便進(jìn)行加熱或冷卻。
現(xiàn)參見圖5，圖5表明的是反應(yīng)室16，反應(yīng)室16包括溫度控制單元22和26。單元22和26可以與圖4所示的單元20和24相同，單元22位于反應(yīng)室16的頂部，反應(yīng)單元16包括入口70和出口72，反應(yīng)室位于入口和出口之間，入口和出口之間有流體流過。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，反應(yīng)室為微型反應(yīng)器，或者是本文上面所述的其他小容量反應(yīng)器，其體積小于1毫升，反應(yīng)器與混合單元12相連。入口70與化學(xué)或生物反應(yīng)的起始物料源頭相連，這些物料可由混合單元12提供，也可由加熱/分散單元14提供，起始物料經(jīng)化學(xué)或生物反應(yīng)后生成的產(chǎn)物經(jīng)出口72排出反應(yīng)室。單元16可由上面所述的材料制成。
反應(yīng)單元是系統(tǒng)的核心，雖然該單元可以進(jìn)行生物或制藥反應(yīng)，但圖中所示的是用于細(xì)胞培養(yǎng)的情況。與本文前面所述的單元一樣，在中央反應(yīng)室之間可夾有像換熱器平臺(tái)這樣的溫度控制單元。與細(xì)胞培養(yǎng)液的情況相同，換熱器使反應(yīng)單元的溫度保持一致。
該反應(yīng)單元的特點(diǎn)是在維持反應(yīng)的母體中進(jìn)行非均質(zhì)反應(yīng)，細(xì)胞材料在適當(dāng)?shù)腜H值、氧濃度和適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)。細(xì)胞由表面作用及后來的反應(yīng)固定在硅框架的位置74上，或者被主反應(yīng)膜所捕獲。細(xì)胞依靠供給物流所提供的養(yǎng)份進(jìn)行新陳代謝，并產(chǎn)生出蛋白質(zhì)。最初的反應(yīng)平臺(tái)可以是在反應(yīng)室頂部和底部的二維細(xì)胞母體，這種形式可以避免反應(yīng)單元的壓差過大，壓差過大不利于流動(dòng)。
在反應(yīng)單元中，氧氣和培養(yǎng)基從流動(dòng)物流擴(kuò)散到固定的細(xì)胞上去。反過來，細(xì)胞靠這些物流進(jìn)行代謝，并產(chǎn)生出蛋白質(zhì)，產(chǎn)生出的蛋白質(zhì)隨物流一起流走。流動(dòng)物流然后進(jìn)入第4室，在這里蛋白質(zhì)被從溶液中分離出來。
現(xiàn)在再參見圖1，可以看出分散單元14是如何使流體(反應(yīng)物流體，如細(xì)胞培養(yǎng)情況中的氧和培養(yǎng)基)平均分成數(shù)股物流，流過位置74到達(dá)反應(yīng)室16。
現(xiàn)在參見圖6，圖6詳細(xì)表明了分離單元18，圖6是單分18的分解視圖，分離單元18包括中央單元，中央單元包括入口80和出口82，流動(dòng)通道84將入口和出口連接起來，入口和出口之間有流體流過。分離單元18可用制造本發(fā)明其他部件的材料制成，但優(yōu)選的材料是蝕刻的硅。所希望的是流動(dòng)通道84完全穿越單元18，這樣分離單元的上方和下方都有流動(dòng)通道。為了保持結(jié)構(gòu)的整體性，可將通道84蝕刻到某種程度，但可以不像圖中所示的那樣完全穿過單元18，在流動(dòng)通道的底部可以開一些孔或?qū)Я魍ǖ?，這樣使流動(dòng)通道的底部與分離單元下方的區(qū)域相通。入口80可以與反應(yīng)室16的出口相連，出口82與運(yùn)載流體的回收室相連。
在圖中所示的實(shí)施方案中，膜34和36分別覆蓋住流動(dòng)通道84在圖中暴露出來的向上和向下的部分。膜34或36可以是任何適于分離用途的膜，比如使用膜對(duì)流出物或從出口82出來的運(yùn)載流體進(jìn)行產(chǎn)物分離。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，有許多種類的膜適用于分離過程，其中包括尺寸選擇性膜、離子膜等等。上部和下部提取溶液流體單元30和32可由本文上面所述的材料制成，其中包括蝕刻硅；單元30和32均包括流動(dòng)通道86，通道86將入口88和出口90連接起來。優(yōu)選的情況是，在組裝分離單元時(shí)，通道86與分離單元18的流動(dòng)通道84相對(duì)齊。這樣，流過單元30和32中通道86的兩股溶液物流與單元18中的物流流動(dòng)方向相反，物流只被膜34和36所分離。這樣便建立起了對(duì)流正切流動(dòng)過濾膜系統(tǒng)，由于濃度梯度，反應(yīng)產(chǎn)物有選擇性地從通道84進(jìn)入到在單元30和32的通道86內(nèi)流動(dòng)的流體中，產(chǎn)物經(jīng)單元30和32的出口90被回收，回收容器(未畫出)的體積可以大于1升。出口90包括運(yùn)載流體出口，流動(dòng)通道將單元18的入口與單元30和32的運(yùn)載流體出口90連接起來，中間只有膜34和36相隔。運(yùn)載流體出口82可以與回收容器相連，以便使反應(yīng)運(yùn)載流體進(jìn)行循環(huán)。在實(shí)際的微型生物反應(yīng)器中，殘余的氧和培養(yǎng)基經(jīng)出口82加以回收，并循環(huán)回到反應(yīng)的進(jìn)料中。
使用溫度控制單元(未畫出)，可以使通道86中的流動(dòng)的提取液處于任何溫度。在微型生物反應(yīng)器的情況下，這些流體的溫度定在4℃左右。這樣的低溫是為了保持蛋白質(zhì)生產(chǎn)的功效以及防止蛋白質(zhì)變性。此外，在工業(yè)化應(yīng)用中，還經(jīng)常再進(jìn)行幾個(gè)提純和分類步驟。使用串行的幾個(gè)單元可以進(jìn)行進(jìn)一步的提純。
在生產(chǎn)過程中可以加入控制系統(tǒng)和探測器，這樣可以調(diào)節(jié)溫度、PH值、培養(yǎng)基濃度以及氧濃度。在使用微型生物反應(yīng)器時(shí)，細(xì)胞的存活性取決于對(duì)上述參數(shù)的嚴(yán)格控制。根據(jù)所選的細(xì)胞系，使用熱電偶、PH檢測器、氧溶解度檢測器和葡萄糖檢測器(在各單元間)可以使參數(shù)的設(shè)定值保持在較窄的范圍內(nèi)。這些控制手段將決定所需的換熱量以及所輸入的氧、二氧化碳、氮和培養(yǎng)基的量。
可以使用隔膜泵和壓縮泵來提供流體在各單元中流體所需的必要?jiǎng)恿?。這些泵也可用于維持換熱器中的流體流動(dòng)。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于，許多如圖所示的微型反應(yīng)器可以并行操作。特別要指出的是，并行操作可以由至少十臺(tái)反應(yīng)器組成，在其他并行操作情況下，至少可以由約100、500、1000甚至10,000臺(tái)反應(yīng)器并行操作。反應(yīng)器可按需要進(jìn)行組裝和拆卸。
本發(fā)明的另一特點(diǎn)是，獨(dú)立的單元12、14、16和18的結(jié)構(gòu)及排列適于彼此間的連接或拆分。對(duì)于所要求的反應(yīng)而言，可以進(jìn)行任何獨(dú)立單元之間的組合，例如，關(guān)于圖1，加熱/分散單元14就可以不需要。這樣，混合單元12的出口52即可以與加熱/分散單元14的入口60相連，但當(dāng)不使用加熱/分散單元時(shí)，也可以與反應(yīng)單元16的入口70相連。此外，反應(yīng)系統(tǒng)各部件之間的連接和拆卸十分方便，所以可以制成含有某些特定單元的反應(yīng)系統(tǒng)，通過組裝和拆卸可以得到多個(gè)反應(yīng)器并行或串行操作的反應(yīng)系統(tǒng)，任意數(shù)量的并行或串行反應(yīng)系統(tǒng)可以一起操作。正如有一些系統(tǒng)將各種反應(yīng)器連接成并行或串行反應(yīng)系統(tǒng)一樣，將反應(yīng)器各獨(dú)立單元連接或分開的設(shè)備可以從本領(lǐng)域所知的那樣設(shè)備中選擇。所選擇的系統(tǒng)應(yīng)使實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員或生產(chǎn)裝置技術(shù)人員方便地連接或拆卸各獨(dú)立單元，而不會(huì)對(duì)反應(yīng)器部件造成如焊接、切割這樣不可恢復(fù)的損壞。反應(yīng)器部件之間或使反應(yīng)器并行或串行操作的可恢復(fù)連接系統(tǒng)包括凸/凹連接件、夾緊器、殼筒、螺紋連接器等等；其中殼筒部件包括插在殼體內(nèi)的插件。
本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將很容易地理解，本文所列出的參數(shù)只是示范性的，實(shí)際過程的參數(shù)將取決于本發(fā)明的方法和設(shè)備所應(yīng)用具體的環(huán)境。因此，應(yīng)理解的是，前面所述的實(shí)施方案只是實(shí)例性的，在本文所附的權(quán)利要求范圍內(nèi)或等同的范圍內(nèi)，可以有不同于實(shí)施例的各種情況。在權(quán)利要求中，“含有”“具有”“帶有”等詞匯意味著“包括”，但這些詞匯的含意并不局限于此。
權(quán)利要求
1.一種化學(xué)和生物反應(yīng)器，其包括如下組成反應(yīng)單元，反應(yīng)單元包括反應(yīng)室，該反應(yīng)室的體積小于1毫升；與化學(xué)或生物起始物料源頭相連的入口以及將化學(xué)或生物反應(yīng)產(chǎn)物排出的出口；與反應(yīng)室出口相連的收集室，收集室的體積大于1升。
2.如權(quán)利要求1中的反應(yīng)器，其中反應(yīng)室的體積小于約100毫升。
3.如權(quán)利要求1中的反應(yīng)器，其中反應(yīng)室的體積小于約10毫升。
4.如權(quán)利要求1中的反應(yīng)器，其中反應(yīng)室的體積小于約5毫升。
5.如權(quán)利要求1中的反應(yīng)器，其中反應(yīng)室的體積小于約1毫升。
6.如前面權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中反應(yīng)單元包括由蝕刻而形成的部件組成。
7.如權(quán)利要求6中的反應(yīng)器，其中反應(yīng)單元包括蝕刻的硅組成。
8.如前面權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中收集室包括蝕刻的硅組成。
9.如前面權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，進(jìn)一步包括混合單元，混合單元與反應(yīng)室入口相連，二者之間有流體流過。
10.如權(quán)利要求9中的反應(yīng)器，其中混合單元包括與反應(yīng)室入口相連的出口，混合單元含有多個(gè)入口，混合單元的入口和出口之間有流體流過；混合室位于多個(gè)入口和出口之間。
11.如權(quán)利要求10中的反應(yīng)器，其中混合單元室中沒有活動(dòng)的混合元件。
12.如權(quán)利要求11中的反應(yīng)器，其中混合室可以將由入口進(jìn)來的多股反應(yīng)流體合并起來并形成湍流，由此實(shí)現(xiàn)流體的混合并將混合后的流體經(jīng)出口排出混合室。
13.如權(quán)利要求12中的反應(yīng)器，其中混合單元在多個(gè)入口和出口之間有流體流通通道，并在流通通道上設(shè)有多個(gè)障礙物，障礙物的作用是使流過流通通道的流體發(fā)生混合。
14.如權(quán)利要求9-13中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中混合單元可以與反應(yīng)單元相連或分離。
15.如權(quán)利要求9-14中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中混合室位于多個(gè)入口和出口之間，混合室的體積小于1升。
16.如權(quán)利要求9-14中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中混合室位于多個(gè)入口和出口之間，混合室的體積小于10毫升。
17.如權(quán)利要求1-8中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，進(jìn)一步包括加熱單元，加熱單元帶有入口以及與反應(yīng)室入口相連的出口，加熱單元可以與反應(yīng)室相連或分離。
18.如權(quán)利要求1-8中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，進(jìn)一步包括加熱單元，加熱單元帶有入口以及與反應(yīng)室入口間有流體流動(dòng)的出口，加熱單元可以與反應(yīng)室相連或分離。
19.權(quán)利要求18中的反應(yīng)器，其中的加熱單元包括入口以及多個(gè)出口，入口與多個(gè)出口相連并可有流體流過。
20.權(quán)利要求1-8中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，進(jìn)一步包括加熱及分散單元，加熱及分散單元包括入口及與反應(yīng)室入口相連的出口，加熱及分散單元可以與反應(yīng)室相連或分離。
21.如權(quán)利要求20中的反應(yīng)器，其中加熱及分散單元包括入口及與入口相連的多個(gè)出口。
22.如權(quán)利要求20中的反應(yīng)器，進(jìn)一步包括混合單元，混合單元含有多個(gè)與混合室相連的入口，混合室與出口相連，其中加熱及分散單元的出口可與反應(yīng)器的入口相連或分離，加熱及分散單元的出口可與混合單元的出口相連或分離。
23.如權(quán)利要求18-22中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中分散單元可以將經(jīng)多個(gè)出口排出的流體維持在約30℃左右。
24.如前面權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)和排列適于細(xì)胞培植。
25.如權(quán)利要求24中的反應(yīng)器，其中反應(yīng)室的表面適于細(xì)胞的固定。
26.如前面權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，進(jìn)一步包括分離單元，分離單元包括入口和出口，分離單元的出口與反應(yīng)室的入口相連。
27.如權(quán)利要求26中的反應(yīng)器，其中分離單元可與反應(yīng)室相連或分離。
28.如權(quán)利要求26或27中的反應(yīng)器，其中分離單元包括與反應(yīng)室出口相連的入口及運(yùn)載流體出口，流體通道將入口與運(yùn)載流體出口連接起來，分離單元還包括選擇尺寸的分離膜，分離膜與從入口流向出口的流體相接觸。
29.如權(quán)利要求28中的反應(yīng)器，其中分離膜的第一側(cè)面與從入口流向出口的流體相接觸，與第一側(cè)面相對(duì)的第二側(cè)面構(gòu)成了反應(yīng)產(chǎn)物提取溶液流動(dòng)通道的一部分。
30.如權(quán)利要求28或29中的反應(yīng)器，其中運(yùn)載流體出口與回收容器相連，回收容器將反應(yīng)運(yùn)載流體進(jìn)行循環(huán)。
31.如前面權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，還包括溫度傳感器、PH傳感器、氧濃度傳感器和壓力傳感器中的至少一個(gè)。
32.如權(quán)利要求31中的反應(yīng)器，其包括溫度、PH、氧濃度傳感器。
33.如前面權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其包括多個(gè)反應(yīng)室，這些反應(yīng)室之間可以彼此相連也可以彼此分離，反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)及排列可并行操作。
34.如權(quán)利要求33中的反應(yīng)器，其包括至少十個(gè)并行操作的反應(yīng)器。
35.如權(quán)利要求33中的反應(yīng)器，其包括至少一百個(gè)并行操作的反應(yīng)器。
36.如權(quán)利要求33中的反應(yīng)器，其包括至少五百個(gè)并行操作的反應(yīng)器。
37.如權(quán)利要求33中的反應(yīng)器，其包括至少一千個(gè)并行操作的反應(yīng)器。
38.如權(quán)利要求33中的反應(yīng)器，其包括至少一萬個(gè)并行操作的反應(yīng)器。
39.一種方法，其包括如下步驟在多個(gè)并行操作的反應(yīng)器中進(jìn)行化學(xué)或生物反應(yīng)，每個(gè)反應(yīng)室的體積小于1毫升；將反應(yīng)產(chǎn)物從多個(gè)反應(yīng)室同時(shí)排入到收集室中，收集室的體積大于1升。
40.如權(quán)利要求39中的方法，其中反應(yīng)是細(xì)胞培植、催化反應(yīng)、制藥生產(chǎn)、危險(xiǎn)性化學(xué)生產(chǎn)或戰(zhàn)爭反應(yīng)物的化學(xué)補(bǔ)救中的一種。
41.如權(quán)利要求40中的方法，其中反應(yīng)涉及到細(xì)胞培植。
42.如權(quán)利要求41中的方法，其包括使供給物流流過被固定化的細(xì)胞，并在收集室中回收蛋白質(zhì)產(chǎn)物。
43.如權(quán)利要求39-42中的任何一項(xiàng)所述的方法，包括在至少十臺(tái)并行操作的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行化學(xué)或生物反應(yīng)，并將每臺(tái)反應(yīng)器的產(chǎn)物排入到收集室中。
44.如權(quán)利要求39-42中的任何一項(xiàng)所述的方法，包括在至少一百臺(tái)并行操作的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行化學(xué)或生物反應(yīng)，并將每臺(tái)反應(yīng)器的產(chǎn)物排入到收集室中。
45.如權(quán)利要求39-42中的任何一項(xiàng)所述的方法，包括在至少五百臺(tái)并行操作的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行化學(xué)或生物反應(yīng)，并將每臺(tái)反應(yīng)器的產(chǎn)物排入到收集室中。
46.如權(quán)利要求39-42中的任何一項(xiàng)所述的方法，包括在至少一千臺(tái)并行操作的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行化學(xué)或生物反應(yīng)，并將每臺(tái)反應(yīng)器的產(chǎn)物排入到收集室中。
47.一種化學(xué)或生化反應(yīng)器系統(tǒng)，其包括如下組成至少十臺(tái)化學(xué)或生化反應(yīng)器，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)及排列適于并行操作，在非并行操作狀態(tài)時(shí)，這些反應(yīng)器可彼此相互分離，當(dāng)進(jìn)行并行操作時(shí)，這些反應(yīng)器可重新彼此相連，每臺(tái)反應(yīng)器的體積均小于1毫升。
48.一種化學(xué)或生化反應(yīng)器系統(tǒng)，其包括如下組成混合室，混合室包括多個(gè)入口，這些入口與多個(gè)化學(xué)或生化反應(yīng)物源頭相連，混合室還包括出口；反應(yīng)室，反應(yīng)室可與混合室相連或分離，反應(yīng)室的體積小于1毫升；反應(yīng)室的入口可與混合室的出口相連或分離，反應(yīng)室的出口將起始物料經(jīng)化學(xué)或生物反應(yīng)所產(chǎn)生的產(chǎn)物排出。
全文摘要
本發(fā)明提供化學(xué)和生物反應(yīng)器，其中包括微型反應(yīng)器。實(shí)例中的反應(yīng)器包括多個(gè)可并行操作的反應(yīng)器，盡管每個(gè)反應(yīng)器容量很小，但合在一起這些反應(yīng)器能生產(chǎn)出大量的產(chǎn)品。反應(yīng)系統(tǒng)可以包括混合室(12)、加熱/分散單元(14)、反應(yīng)室(16)和分離單元(18)。反應(yīng)器的部件可以容易地各種材料制成。例如，這些部件可以由蝕刻硅體制得。反應(yīng)器的部件可以彼此相連也可以彼此分離，這樣可組成各種形式的反應(yīng)器，反應(yīng)器之間也可以彼此相連或彼此分離，這樣可具有較大的靈活性，既可進(jìn)行并行操作也可進(jìn)行串行操作。
文檔編號(hào)B81B1/00GK1441703SQ01806205
公開日2003年9月10日 申請日期2001年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月10日
發(fā)明者安德里·贊魯爾·朱利, 馬克·D·安吉利諾 申請人:生物加工有限公司