一次性柔性喷射器

本申请要求于2021年4月16日提交的美国临时专利申请No.63/175,696的权益，该申请的全部内容被通过引用全部结合于此。

技术领域

本文公开的实施例涉及用于生物流体的生物处理的装置。更具体地，所述装置包括在容器或器皿内使用的曝气(aeration)装置，例如生物反应器，例如，容积在50-5000升之间的一次性搅拌槽式生物反应器。

背景技术

传统上，诸如生物材料之类的流体已被在使用不锈钢容器或器皿的系统中进行处理。这些容器在使用后被消毒，以便可以重复使用它们。消毒过程既昂贵又繁琐并且有时是无效的。为了在制造过程中提供更大的灵活性并缩短实现设备的有效再生所需的时间，制造商已经开始使用一次性消毒容器和/或生物反应器(例如可折叠袋)，其被使用一次且随后被丢弃掉。这些可丢弃式或一次性袋子的使用示例是在用于混合两种或多种成分的系统中，其中至少一种成分是液体，另一种成分为液体或固体，并且袋子具有用于使内容物尽可能均匀地混合的混合元件等。一次性容器的示例是生物反应器或发酵罐，其中细胞处于悬浮液中或处于微载体上，并且容器具有用于使液体、气体及在某些情况下的细胞在容器内部循环的混合系统。

尺寸通常为从三(3)升到更小及五十(50)升或更大(即，5000升)的许多传统的混合袋被成形为类似于圆筒，其中，袋子的底部可选择地形成锥形，以模仿一次性袋正在替代的不锈钢罐的形状。圆筒形生物反应器能够以有效的方式混合袋子中的内容物。通常，袋子容纳用于混合或循环内容物的混合器，例如被容纳在袋子内的磁性耦合叶轮和袋子外的磁性马达，该磁性马达远程地使叶轮旋转。容器还可以容纳一个或多个曝气装置(例如，气体喷射器(sparger))，通过该曝气装置将气泡引入到容器内容物中。内容物通常是生物制药或其他生物流体。这种流体通常包括细胞培养基和佐剂。容器容纳有气体，例如空气、氧气、二氧化碳、氮气等。用于与50-5000升生物反应器一起使用的喷射器被通过生物反应器的底部供应空气。由于50-5000升流体的压力，导致喷射器必须具有止回阀或使用高压来产生在曝气过程中防止液体回流到喷射器中所需的背压。

生物反应器内的生物流体的曝气通常用于经由备用装置支持细胞培养物的氧化。然而，使用高气体流量来实现高水平的氧合程度(被测量为kLa)会导致高速和非常小的气泡，这会导致细胞剪切力并诱发细胞死亡；其中kLa是气体输送系数，例如，生物反应器将氧气输送到培养物中的能力的测量值。高速和小气泡会导致不希望的生物过程产品损失或产品质量变化，然而，高kLa是例如在灌注过程中实现高细胞密度所必需的。因此，可以通过使用适用于特定流量要求的喷射来实现气流的分布，以使气体输送最大化，从而实现高kLa。

过去对喷射装置作出的尝试包括由膜或模具形成的钻孔喷射器。这些装置旨在控制气泡尺寸和/或空气的出口气体速度。然而，对于膜式喷射器，膜材料的柔性导致在整个喷射器区域缺乏受控的压力梯度，从而导致较低的氧输送、较宽的气泡尺寸分布和泄漏。模制装置是昂贵且体积庞大的，可能会占用一次性生物反应器内的大量空间，并在运输过程中损坏生物反应器的内部。包括两个膜层的另一种现有技术的柔性喷射器缺乏均匀的空气分布，即，气流从喷射器的最高点流出且并未将空气分配到喷射器的整个区域，例如，仅分配在离散的口袋中。

如上所述，曝气气体的气泡尺寸是重要的。例如，在生物反应器应用中，存在用于管理气泡数量和尺寸的平衡，使得从气液相或反之亦然的传质对于该过程是足够的，同时防止负面的培养效应，例如显著的剪切力或起泡。通常，由于表面积增大，导致较小的气泡尺寸在将气体从气泡输送到液体或生物流体方面是更为有效的。然而，与较大的气泡尺寸相比，气泡越小，对细胞的潜在损害就越大，因为它们的尺寸与细胞相似，并且它们有可能促进泡沫积聚在液体表面上。同样，在生物反应器/生物处理操作中，为容器的内容物(例如培养物中的细胞)创建和维持大致均匀的环境也是重要的。不希望的是，在生物反应器内具有区域和/或梯度，即在混合(pH、营养物质和溶解气体)、剪切力、温度等方面存在差异。一些细胞培养过程可能需要尽可能高的传质能力，而另一些过程可能需要足够大的特定气泡尺寸，使得敏感细胞不受伤害。截止到目前为止，尚不存在适用于平衡气泡尺寸与剪切力和泡沫产生的喷射装置。

因此，提供一种容器或生物反应器是一种进步，例如用于生物流体的可丢弃式或一次性容器或生物反应器，其中一种或多种喷射装置通过提供小型、柔性且能够平衡气泡尺寸、剪切力、起泡、空气分配和其他生物处理状况的多个竞争方面的喷射装置，有助于优化细胞培养生长性能和生存能力。

发明内容

公开了多层钻孔柔性喷射器的实施例，其包括三个膜层和两个网格层，基本上如附图中的至少一幅中所示和/或结合附图中的至少一幅所述，如权利要求中更为完整地阐述。通过以下描述和附图，将更为充分地理解本公开的新颖和创造性的特征及其示例性实施例的细节。本公开的一些实施例包括一种多层柔性喷射器，其具有：底部膜层、中间膜层和顶部膜层；第一内部网格，其被设置在所述底部膜层与所述中间膜层之间；第二内部网格，其被设置在所述中间膜层与所述顶部膜层之间；以及能够将气体输送到多层柔性喷射器的端口，其被设置在顶部膜层与底部膜层之间，其中，中间膜层包括钻孔并且顶部膜层包括钻孔。本公开的一些实施例包括一种多区多层柔性喷射器，其具有：底部膜层、中间膜层和顶部膜层；第一内部网格，其被设置在所述底部膜层与所述中间膜层之间并被结合到所述底部膜层和所述中间膜层；第二内部网格，其被设置在所述中间膜层与所述顶部膜层之间并被结合到所述中间膜层和所述顶部膜层；以及能够将气体输送到所述多区多层柔性喷射器内的至少两个喷射区的端口，其被设置在所述顶部膜层与所述底部膜层之间，其中所述中间膜层包括钻孔，并且所述顶部膜层包括钻孔。

在一些实施例中，多层柔性钻孔喷射器是一次性喷射器。一些实施例包括中间膜层包含有少量的小钻孔，这些小钻孔阻挡气流并在中间膜层与底部膜层之间产生背压。与顶层相比，中间层具有较少数量(例如，与顶层钻孔的在1％和50％之间的数量一样多)的钻孔和/或较小的钻孔。在一些实施例中，中间层包括与顶层的孔的5-25％一样多的孔。在一些实施例中，中间层包括与顶层的孔的10-20％一样多的孔。此外，例如，直径在5微米和1000微米之间的钻孔促进了中间层上的气体分布和背压。本公开的实施例包括具有一定数量和尺寸的钻孔的中间膜层，这些钻孔阻挡气流并在中间膜层与底部膜层之间产生背压。此外，例如，直径在5微米和1000微米之间的钻孔促进了中间层上的气体分布和背压。顶部膜层包含为特定的出口气体速度和气泡尺寸而设计的钻孔。网格层存在于顶部膜层与中间膜层之间，以提供对膜的支撑和膜层的物理分离，从而使气流分布在整个喷射区域上。

顶部膜层包含为特定的出口气体速度和气泡尺寸而设计的钻孔。网格层存在于顶部膜层与中间膜层之间，以提供对膜的支撑和膜层的物理分离，从而使气流分布在整个喷射区域上。顶部膜层和中间膜层被结合成区段，无论喷射器的方位如何，其都能限制空气流向特定区域。至少三个膜层被结合在喷射器的周边和位于喷射器的中心的区域处。本文公开的喷射器的实施例展示了气体流量在整个喷射器中的大致相等的分布，而与喷射器方位无关。本文公开的喷射器的实施例提供了独立于气体流量的均匀的气泡尺寸。本文公开的喷射器的实施例推进了本领域，因为本文的喷射器设计拓宽了最佳性能窗口，提供了用于增大的细胞密度的高kLa、易于制造以及易于集成在现有生物反应器和容器内的灵活性。一些实施例包括在一个生物反应器内使用多个喷射器。一些实施例包括用于在具有不同孔径和/或kLa特性的喷射器之间进行切换的装置。这种装置包括使用歧管和由微处理器控制的生物反应器和质量流量控制器进行控制的控制方案来优化和改变气体流量范围。在一些实施例中，使用微处理器控制的生物反应器和质量流量控制器来获得期望的kLa特性，并将其进一步与能够产生不同气泡尺寸的多个喷射器相结合。通过下面的说明书、权利要求书和附图，这些进步和在此体现的其他进步将变得清楚。通过以下说明书和附图，将更为充分地理解本公开的各个优点、方面、新颖和创造性的特征及其示例性实施例的细节。因此，可以通过参考附图来详细理解本文所公开的特征的方式，可以对以上简要总结的本公开的实施例进行更为具体的描述。然而，要注意的是，附图仅示出了本公开的典型实施例，并且因此不应被认为是对其范围的限制，因为所描述的实施例可以允许使用其他同样有效的袋、生物容器、膜和/或材料。还应理解的是，一个实施例的元件和特征可被在其他实施例中找到，而无需进一步叙述，并且在可能的情况下，相同的附图标记已被用于指代附图所共有的可比较元件。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数指称，除非上下文另有明确说明。除非另行定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与这些实施例所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。

附图说明

图1描绘了根据本公开的一些实施例的多层柔性喷射器的侧向分解透视图；

图2描绘了根据本公开的一些实施例的具有凸缘的多层柔性喷射器的俯视透视图；

图3描绘了根据本公开的一些实施例的图2的多层柔性喷射器的侧视图；

图4描绘了根据本公开的一些实施例的图2的多层柔性喷射器的俯视图；

图5描绘了根据本公开的一些实施例的被放置在生物反应器内的多层柔性喷射器的侧视图；

图6描绘了根据本公开的一些实施例的被沿着图5中的线6-6截取的生物反应器的底部内表面的特写俯视图，其示出了叶轮和两个多层柔性喷射器；

图7描绘了根据本公开的一些实施例的具有可选择的定位调整片的多层喷射器的俯视图；

图8A描绘了图7的多层喷射器的俯视透视图；

图8B描绘了图7的多层喷射器的顶部膜层中的钻孔的特写视图；

图9描绘了图7的多层喷射器的分解图；

图10描绘了根据本公开的一些实施例的具有可选择的定位调整片的多区多层喷射器的俯视图；和

图11描绘了图10的多区多层喷射器的分解图。

具体实施方式

本公开意义上的术语“膜”是指能够与另一柔性膜融合的任何柔性材料，其包括但不限于聚合物片材、复合材料、层压材料、单层和/或多层聚合物材料。这些膜可以进一步包括基材，这些基材可以包括塑料网格、织造物、非织造物、针织品和/或金属箔以及其他柔性结构和材料。膜可以包括例如聚烯烃材料，例如，低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超高密度聚乙烯、聚丙烯和其他聚烯烃。在一些实施例中，柔性膜包括层压膜结构，该层压膜结构在外部高熔点聚合物内具有低熔点材料。此外，在一些实施例中，柔性膜包括层压膜结构，其中，低熔点材料环绕高熔点的编织、针织或非织造材料。在一些实施例中，底膜、中间膜或顶膜中的任一者或全部包括在世界知识产权组织国际局的公开文献WO2020101848A1中所述的膜中的任一种，该文献被通过引用全部结合于此。在一些实施例中，这些膜中的一种或多种基本上类似于由EMD密理博公司(EMD MilliporeCorporation)(美国马萨诸塞州伯灵顿市)销售的

术语“生物容器”被广泛地定义为能够将流体保持在内部容积或区域内的任何柔性容器或器皿，可以呈二维、三维和/或多面袋或生物反应器的形式。在一些实施例中，生物容器或生物反应器中结合有挡板，其中，挡板能够破坏液体内的在混合器(例如叶轮)混合该液体时形成的涡流。

图1描绘了根据本公开的一些实施例的多层柔性喷射器100的侧面分解透视图。如图1所描绘的那样，多层柔性喷射器包括不具有喷射孔的底部膜层102，该底部膜层102用作支撑基部，并且第一内部网格104被邻近于底部膜层102设置。第一内部网格104支撑底部膜层102，并且是用于将气流遍及喷射区域分布的装置(下面将更为详细地讨论)。在一些实施例中，第一内部网格104将气流遍及整个喷射区域分布。多层柔性喷射器还包括第二膜106，该第二膜被设置在底部膜层102与顶部膜层110之间，该顶部膜层110具有多个钻孔112。换句话说，第二膜层106是中间膜层。该中间膜层106还包括多个钻孔112，在一些实施例中，钻孔112的数量通常小于顶部膜层110中的钻孔112的数量。在一些实施例中，在中间膜层106和顶部膜层110两者中存在约10至50000个钻孔。在一些示例性实施例中，中间膜层106包括20至200个钻孔。在一些示例性实施例中，顶部膜层110包括1000至36000个钻孔。将会理解的是，钻孔可被通过任何适用的工艺(例如使用成孔剂或多种激光器)形成。因为中间膜层106包括更少的钻孔112，所以中间层106能够产生气流的背压。该背压促进气体或空气流均匀地分布在喷射区域上。在一些实施例中，柔性喷射器100包括第二内部网格114，其被设置在中间膜层106与顶部膜层110之间。第一内部网格104和第二内部网格114的厚度也可以改变以影响喷射性能。在不受理论限制的情况下，人们认为较厚的网格可以使底部膜层102和中间膜层106保持进一步分离，从而产生更好的喷射性能。例如，人们认为较厚的网格可以促进均匀的气流分布。同样，人们认为较厚的网格可以使中间膜层106和顶部膜层110进一步分离，从而产生更好的喷射性能。在一些实施例中，顶部膜层110包括钻孔112，所述钻孔112被针对特定的出口气体速度和气泡尺寸设计。人们还认为，膜层中的钻孔112比喷射器内的非织造结构或膜结构提供了增强的一致性，从而提供了恒定且可预测的气泡尺寸。在一些实施例中，中间膜层106和顶部膜层110被分段结合，以限制气体流到特定区域。所有的三个膜层(即，底部膜层102、中间膜层106和顶部膜层110)在柔性喷射器的周边和中心处被结合。多层柔性喷射器100进一步允许竖向气体流进入到生物反应器中，而不管多层柔性喷射器100在生物反应器(未示出)内的方位如何。换言之，不管方位如何，气体或空气流在柔性喷射器上均保持均匀。在又一些其它实施例中，柔性喷射器100不具有中间膜层106。换言之，多层柔性喷射器100包括底部膜层102、具有钻孔112的顶部膜层110以及布置在它们之间的网格114。在一些实施例中，中间膜层106中的钻孔112的尺寸为直径在10微米至800微米的范围内。在一些实施例中，顶部膜层110中的钻孔112的直径在10微米到800微米的范围内。在一些实施例中，顶部膜层110中的钻孔112的直径小于100微米。这里的柔性喷射器的所有实施例包括用于将空气或另一种气体供应到柔性喷射器中的端口。该端口可被设置在柔性喷射器的顶部上(例如在顶部膜层的中心中)、在柔性喷射器的底部上(例如在底部膜层的中心中)或在柔性喷射器的侧面上。柔性喷射器可以包括大致呈圆形的形状，或者例如，具有与圆形区域相邻的凸缘的大致呈圆形的形状(例如，整蛊座垫)。在一些实施例中，该端口经由凸缘将空气或气体供应到柔性喷射器。

图2描绘了根据本公开的一些实施例的具有凸缘202的柔性喷射器200的俯视透视图。柔性喷射器200大致呈圆形，而凸缘202可以具有任何适用的形状。如所绘，凸缘202是矩形的。凸缘202包括从凸缘202的上部伸出的端口204。在一些实施例中，端口204可从凸缘202的下部伸出。当端口204被连接到诸如空气或氧气之类的气体供应时，端口204将空气输送到柔性喷射器200中。在一些实施例中，端口204包括连接器，例如用于与管(未示出)、连接器或无菌连接器连接的倒钩206。在一些实施例中，端口204被连接到中间膜层106和/或顶部膜层110。

在一些实施例中，第一和/或第二内部网格包括作为中间层的编织或挤压网格、压花和/或有孔膜或具有小开口区域(通向气流的区域)的膜，以产生背压，使得空气被通过中间层上的所有开口进行分配。在一些实施例中，通过将膜的多个层密封在一起来产生通流袋(flow pocket)，其中空气或气流被引导到柔性喷射器的特定区域，从而实现气流在柔性喷射器内的大致均匀的分布，这导致无论喷射器的方位角、气体流量或压头(headpressure)如何，均在柔性喷射器的表面上导致一致的气泡尺寸和气泡速度。例如，柔性喷射器200还包括通流袋208。如所示，存在八个通流袋208。通流袋208被通过结合形成，例如可被通过超声波焊接、热焊接、粘合剂等以及本领域已知的用于结合塑料膜的其他方法制成。在一些实施例中，使用高频/射频(RF)结合形成结合部(bond)。在一些实施例中，RF结合工艺是两步式RF结合工艺。在一些实施例中，RF结合工艺是三步式RF结合工艺。RF焊接是将塑料材料放置在两个相对的金属板之间。将压力施加于这些板，并且因此施加在塑料上，同时将RF波发送通过这些板，从而产生将塑料融合在一起的热量。结合部210被恰好在柔性喷射器200的周边的内侧制成。在中心形成中心结合部212，其中所有的层均被结合在一起。并且八个径向腿部214从中心结合部212和周边结合部210伸出。周边结合部210被贯穿包括底部膜层102、中间膜层106和顶部膜层110的部分形成。通过密封顶部膜层110和中间膜层106来形成通流袋208。可选择地，通过将中间层106与第二内部网格114结合以在每个通流袋208中制成点结合部216。

图3描绘了根据本公开的一些实施例的图2的多层柔性喷射器200的横截面的分解侧视图。如所示，在多层柔性喷射器200中存在底部膜层102、中间膜层106和顶部膜层110。端口204被描绘为被结合到凸缘中。端口204是倒钩206式端口，并且包括用于附接到中间膜层106和顶部膜层110的肩部218。因为端口204在中间膜层106与底部膜层102之间伸出，所以在它们之间也供应空气或另一种气体。还示出了第一内部网格104和第二内部网格114。在一些实施例中，如所示，第一内部网格104和第二内部网格114小于柔性喷射器200的直径，使得底部膜层102、中间膜层106和顶部膜层110可在周边结合部210处被结合。在一些实施例中，第一内部网格104和第二内部网格114基本上具有相同的直径，并且因此成为周边结合部210(图3中未示出)的一部分。

图4描绘了根据本公开的一些实施例的图2的多层柔性喷射器200的俯视图。该俯视图描绘了多层柔性喷射器200，其在八个通流袋208中的每一个中且围绕外部边界的周边结合部210和中心结合部212区域具有径向腿部214。示出了点结合部216，一个通流袋208有一个点结合部。端口204被示为处于凸缘202中。还示出了结合部222，该结合部222处于顶部膜层110与中间膜层106之间并且使通流袋208中的两个完整。在一些实施例中，在结合部222的两个相对侧之间布置有可选择的结合部，其进一步支撑多层柔性喷射器100、200。

图5描绘了根据本公开的一些实施例的被布置在生物反应器300内的柔性喷射器(例如图2的多层柔性喷射器200)的侧视图。本公开的一些实施例包括如上所述的具有生物反应器和多层柔性喷射器100、200的生物反应器系统。多层柔性喷射器100、200可被设置在生物反应器300的底部内表面上。此外，多层柔性喷射器100、200可被设置在生物反应器300的底部内表面308上，处于生物反应器的几何中心或偏离中心(如所示)。在一些实施例中，多层柔性喷射器100、200被附接到生物反应器300的底部内表面308，或者在生物反应器300内自由漂浮。在一些实施例中，在生物反应器300内布置有多个多层喷射器100、200。例如，两个(如图6所示)至八个多层喷射器。本文所述的生物反应器中的任一种(例如生物反应器300)可以具有50升至3000升的工作容积310。在一些实施例中，生物反应器300的工作容积310为200升至2000升。如所示，生物反应器300还包括用于输送气体或液体的或从工作容积310去除气体或液体的端口304。示出了挡板302。还示出了用于混合工作容积310内的液体的叶轮306。

图6描绘了根据本公开的一些实施例的沿图5中的线6-6截取的生物反应器300的底部内表面308的特写俯视图，其示出了两个多层柔性喷射器100、200和叶轮306。多层柔性喷射器100、200示出了钻孔112和端口204。端口204可由端口304或位于生物反应器300的外部的其他端口供应。

图7描绘了根据本公开的一些实施例的具有可选择的定位调整片的多层喷射器400的俯视图。多层喷射器400包括与八个通流袋448中的每一个相邻并且围绕外部边界的周边结合部442和中心结合部413a、413b区域的径向腿部414。径向腿部414是结合区域。在多层喷射器400的两个或多个层内形成结合部。在一些实施例中，径向腿部414是将多层喷射器400的所有层结合起来的结合部。多层喷射器400至少在顶层中包括钻孔450(下面讨论)。钻孔450也可以处于中间层中(下面讨论)。在一些实施例中，钻孔450具有介于5微米到1000微米之间的尺寸或介于其间的任何尺寸。为了简单起见，钻孔450被描绘成处于八个通流袋448中的一个中。应当理解，钻孔450可以存在于所有的通流袋448中。还应理解的是，钻孔450可以在同一通流袋448内具有不同的尺寸。在一些实施例中，中间膜层中的作为钻孔450的数量和钻孔450的尺寸的函数的总孔面积小于顶部膜层中的总孔面积，从而产生背压。

如所示，多层喷射器400具有弓形周边。在一些实施例中，中心结合部413a、413b形成中心孔444。可选择的中心孔444可用于将多层喷射器400定位、连结、可释放地附接等到例如生物反应器(未示出)内的柱上。端口404被示出为处于凸缘401中。凸缘401由形成多层喷射器400的一个或多个层形成。还示出了处于所有五个层之间的结合部427。如下所示，结合部427不一定包括所有五层中的材料。例如，如下所述，在一些实施例中，窗口417存在于一些层中。此外，在一些实施例中，调整片421被可选择地设置在多层喷射器400内。

图8A描绘了图7的多层喷射器400的俯视透视图。在一些实施例中，第一内部网格408和第二内部网格416具有比柔性喷射器400的直径小的直径，使得底部膜层402、中间膜层406和顶部膜层410可被沿着周边结合起来。在一些实施例中，如所示，第一内部网格408和第二内部网格416具有与底部膜层402、中间膜层406和顶部膜层410相同的直径。如所示，第一内部网格408、第二内部网格416、底部膜层402、中间膜层406和顶部膜层410包括中心孔444a、444b和444c，以形成多层喷射器400的中心孔444。多层喷射器400可选择地在多层喷射器的周边上包括多种调整片。例如，底部膜层402、中间膜层406和顶部膜层410分别包括可选择的调整片403、407、409、411，其可用于在制造(例如，连结、焊接等)期间定位各层。同样，第一内部网格408和第二内部网格416也可包括调整片。图8B描绘了图7的多层喷射器的顶部膜层中的钻孔的特写视图。为了简单起见，在顶部膜层410的一个区段中示出了钻孔450。应当理解，所有八个区段或多个区段的任一组合都可以具有钻孔450。此外，如上所述，中间膜层406可以在所有区段或其任一组合中包括钻孔450(在该视图中未示出)。

图9描绘了图7的多层喷射器的分解图。底部膜层402包括凸缘401和调整片403。如可见，中间膜层406中的孔444b的直径小于第一网格层408中的孔444c的直径。孔444c的较大直径有助于在底层402与中间层406之间产生更强的结合。可选择地包括两个孔的调整片419既可用于在制造期间定位顶部膜层410，也可用于附接到生物反应器袋的柱或其它特征。第一网格层408还包括中心结合部413c区域、中心孔444c和调整片405。中间层406还附接有端口404。应当理解，在连结期间，端口404可在与其他层(例如，顶层410)连结之前被连结到中间层406，或者，可替代地，端口404可同时被连结(例如，RF焊接)到所有层。可选择地，第一网格层408还包括窗口417。窗口417是第一网格层408的切口，从而允许将底部膜层402更为容易地结合到中间层406。中间膜层406包括调整片407、中心结合部413b区域和孔444b。还示出了位于中间膜层406的一个部分中的钻孔450，尽管应当理解，中间膜层406的所有部分都可包括钻孔450。如所示，钻孔450被示出为处于顶部膜层410的一个区段中。应当理解，所有八个区段或多个区段的任一组合都可以具有钻孔450。此外，如上所述，中间膜层406可以在所有区段或其任一组合中都包括钻孔450。

端口孔415b允许端口404在组装过程中穿过其中。第二网格层416包括调整片409和径向腿部414。如所示，径向腿部414是第二网格层416的切口。第二网格层可选择地包括周边切口438，其可以促进与相邻层(例如，中间膜层406和顶部膜层410)的结合。顶部膜层包括钻孔450，其在生物处理过程中将气体输送到生物流体。顶部膜层410还包括环绕柱孔444a的中心结合部413a区域和端口孔415a。顶部膜层410还包括调整片419，其具有用于定位或锚固到生物反应器的两个孔。顶部膜层410还包括调整片411和可选择的调整片421。此外，调整片421可以包括可选择的缝隙446，其可用于管道管理，即，与端口404连接的气体供应管。经由端口404被输送到多层喷射器400中的气体在底部膜层402与中间膜层406之间围绕第一网格层408行进。从那里，气体可以行进穿过中间膜层406中的钻孔450进入到八个通流袋448中，并穿过顶部膜层410中的钻孔450进入到生物反应器袋内的流体中。

图10描绘了根据本公开的一些实施例的具有可选择的定位调整片的多区多层喷射器500的俯视图。多区多层喷射器500类似于如上所述的多层喷射器400。多区多层喷射器500是具有单体层的多层喷射器400中的四个。换言之，多区多层喷射器500具有与多层喷射器400相似的材料、层和特征。多区多层喷射器500包括被中心区域513所环绕的中心端口504，端口504将气体馈送到三十二个袋448，四个喷射区中的每一个内有八个袋448。如所示，中心端口504位于第一网格层408上。然而，这是为了方便起见。在实践中，中心端口504在组装期间被设置在第一网格层408上。中心端口504可被通过热熔或以其它方式结合而附接到中间膜层406。可替代地，五个层可被堆叠，其中设置有中心端口504，并且整个组件被例如通过RF焊接而结合。如可见，中心区域513还包括四个结合部517，其中结合部被形成在窗口(类似于上面讨论的窗口417)的上方。多区多层喷射器500还可选择地包括用于管道管理的一个或多个调整片421。四个喷射区中的每一个还可选择地包括用于与生物反应器袋连结的中心孔444。应当理解，在喷射器内可使用任何合理数量的喷射区。例如，两个、三个、四个、五个、六个、七个或八个喷射区。

图11描绘了图10的多区多层喷射器500的分解图。在一些实施例中，如上所述，第一内部网格408和第二内部网格416的直径小于多区多层喷射器500的直径，使得底部膜层402、中间膜层406和顶部膜层410可被沿着周边结合，这三层被与任何其他层(例如，第一内部网格408和第三内部网格416)结合在一起。在一些实施例中，如所示，第一内部网格408和第二内部网格416具有与底部膜层402、中间膜层406和顶部膜层410相同的直径。如所示，第一内部网格408、第二内部网格416、底部膜层402、中间膜层406和顶部膜层410包括中心孔513，其可用于容纳端口504。孔413可以一个或全部用于将喷射器500可释放地连结到生物反应器。如上所述，多区多层柔性喷射器500可以在中间膜层406中包括直径为10微米至800微米的钻孔450。多区多层柔性喷射器500可以在顶部膜层410中包括直径为10微米至800微米的钻孔450。多区多层柔性喷射器500可以在中间膜层406中包括比顶部膜层410中的钻孔450大的钻孔450。多层柔性喷射器500可以在中间膜层406中包括50微米至800微米的钻孔450并在顶部膜层410中包括20微米的钻孔450。多区多层柔性喷射器500可以包括中间膜层406和顶部膜层410，中间膜层406包括80-800个钻孔，顶部膜层410包括4000-144000个钻孔。在多区多层柔性喷射器500的一些实施例中，中间膜层406中的作为钻孔450的数量和钻孔450的尺寸的函数的总孔面积小于顶部膜层410中的总孔面积，从而产生背压。多区多层柔性喷射器500还包括围绕多层柔性喷射器500的周边的结合部。

此外，根据生物反应器的倾斜、压力需求和/或钻孔配置，柔性喷射器的一些实施例可被设计成具有不同数量的截面和截面形状。在一些实施例中，放置在激光或针穿孔膜、编织或挤出的网格或膜的两个结合片之间的编织或挤出网格、压花和/或有孔膜或膜状物使得气流的均匀分布能够最大化气体传输，以实现高kLa。可使用网格和/或膜层之间的更多或更少的开口区域(通向气流的区域)来控制由柔性喷射器产生的气泡尺寸。此外，气泡尺寸可以通过采用不同的形状来控制，例如，十字、槽孔和/或弯折的形状或轮廓中的开口区域。可以调整开口区域的图案和间距(密度)，以优化用于生物处理的气体需求的kLa。气体速度已被确定为kLa的一个重要因素。网格或穿孔膜的开口区域的图案和间距由针对一系列流量进行的气体速度计算来确定。基于开口区域的图案和间距以及最大流量计算的气体速度允许在保持生物反应器系统的恒定速度和最大流速的基础上从50-2000L的生物反应器尺寸中获得可扩展的解决方案。

可改变柔性喷射器的总喷射面积，以适应特定的流量要求(其例如是细胞密度驱动的)，从而遍及一系列的空气或气体流量产生一致的气泡速度。在一些实施例中，多个喷射器(或包括多个区段的单个柔性喷射器)可以由单组膜片制造而成。在一些实施例中，柔性喷射器的一个或多个区段并不被在低气体流量下使用。部分密封在低流量下保持喷射区段之间的分离，并在较高的气体流量下破裂，从而通过增大总喷射面积，允许在气体流量范围内保持一致的气泡速度。

本文描述的本公开的一些实施例包括在具有不同孔径和kLa性能的喷射器之间进行切换的装置，其取决于气体流量范围/要求，该装置通过利用新的质量流量控制器、新的歧管和新的控制方案来使用计算机化的生物反应器控制平台。使多个喷射器具有不同的气泡尺寸产生不同的kLa性能。具有用于kLa性能的多种选项可以精确控制特定的细胞系。柔性喷射器设计允许优化生物反应器袋的底部的形状和放置，以提高kLa。柔性喷射器的一些实施例允许流体样品的适当曝气，同时形成均质的环境，而不会经由剪切力或显著的起泡对器皿的流体内容物产生负面影响。

气体速度被确定为kLa的一个重要因素。网格或穿孔膜的开口区域的图案和间距由针对一系列流量进行的气体速度计算确定。在某些细胞系中，高气泡速度可能是剪切力的原因，并且建议将气体速度保持在30m/s的操作范围以下。为了使细胞对大多数细胞系保持安全并具有尽可能高的性能，柔性喷射器的一些实施例被在生物反应器系统的最大流量下围绕恒定的气体速度进行设计。对于性能更高的柔性喷射器，可以使用较低的流量而非系统的最大流量来确定剪切力极限。

式中m表示米，s表示秒。

在上述气体速度方程内，喷射器的开口面积由每个钻孔的面积乘以由喷射区域中的钻孔的间距和图案所定义的孔的数量来定义。根据系统最大流量下恒定的30m/s计算气体速度并定义钻孔图案具有若干益处，例如确定可预测的kLa性能和可扩展性策略。例如，使用速度计算来执行可扩展性，而非通过改变孔尺寸和气泡尺寸来予以扩大，因此可以根据性能极限和恒定速度为每个标度(scale)选择孔的数量和孔的尺寸。事实证明，这在改变钻孔喷射器的尺寸方面是成功的。

曲线图1示出了根据本公开的实施例的四个200升柔性喷射器的比较数据。

曲线图2示出了根据本公开的实施例的用于200升和2000升生物反应器的柔性喷射器的比较数据。如本文所定义的那样，系统的最大流量被相对于kLa予以绘制。对于200L生物反应器系统，示出了0-50SLPM的范围，例如，50SLPM是最大流量的100％。如可见，对于200L和2000L两个标度，高功率下性能较高的喷射器(即，最佳情况)和低功率下性能较低的喷射器(即，最差情况)的性能曲线基本相似。结果在不同尺寸之间产生可预测、可扩展的kLa。对于其他生物反应器尺寸，也可以通过孔的数量和改变喷射面积而非通过各自具有恒定面积的喷射器的数量来进行缩放。对于较大的生物反应器，可以增加流量，例如，>1000L，或者，作为替代，可以增加与指定流量相一致的柔性喷射器的数量。

曲线图3示出了根据本文公开的实施例的新型多层柔性喷射器对模制喷射器的对比数据，其中流量(标准升/分钟(SLPM))被相对于200L生物反应器中的kLa予以绘制。柔性喷射器可能因缺乏空气分配和无法适当缩减喷射材料而危及性能。然而，所要注意的是，根据本文所述的实施例，新型多层柔性喷射器的实施例的性能与模制喷射器相当或优于模制喷射器，其中柔性喷射器是更容易制造和封装的。此外，一些实施例包括具有在5微米至1000微米之间的尺寸或其间的任何尺寸的钻孔。在一些实施例中，钻孔的直径为20微米至800微米。在一些实施例中，钻孔具有介于20微米和150微米之间以及其间的任何直径。在一些实施例中，钻孔具有介于70微米和150微米之间以及其间的任何直径。在一些实施例中，钻孔具有介于150微米和500微米之间以及其间的任何直径。在任何柔性喷射器中，可以通过保持恒定的空气速度来选择钻孔的数量。此外，钻孔的尺寸取决于生物过程中的任何细胞所承受的剪切力。具体来说，5微米的钻孔产生更大的剪切力。因此，对剪切力敏感的细胞可以使用具有例如20微米钻孔的柔性喷射器更好地进行处理。两条20微米的曲线在20SLPM处示出了45kLa，而两条150微米的曲线则在20SLPM处示出了约30kLa。

曲线图4示出了更新的柔性原型气泡尺寸分析。发现无论流量(如由vvm所测量到的那样)如何，气泡尺寸(以微米为单位)在标准偏差内均保持不变。例如，每分钟1个器皿容积(vvm)(L/L/m)意味着在1分钟内有1升空气通过1升介质。因此，已知并保持恒定的且可预测的气泡尺寸。

还应理解的是，与其他喷射器相比，另一个进步是通过确定可以采用保持开口面积恒定来确定使用多少个孔，而不考虑使用更大的还是更小的钻孔，并因此确定可扩展性。此外，对于较大的袋或生物反应器，例如，2000L，可以使用更多个喷射器，例如，四个、五个或六个喷射器，这与使用具有较大孔的单个喷射器形成对照。

曲线图5是一个过程，该过程可用于根据用于各种孔尺寸的30m/s的气流速度极限来选择柔性喷射器设计的多个孔(从0到8000个孔)，对于柔性喷射器的不同实施例，孔尺寸在10微米至800微米之间变化。从左到右，所示曲线为直径分别为800微米、150微米和20微米。

曲线图6是一个过程，该过程用于指定在指定空气流速下可用于200L生物反应器和2000L生物反应器的喷射器数量。一个喷射器可用于空气流速为30m/s的200L生物反应器。为了保持速度恒定在30m/s，在2000L标度下使用的四个喷射器或者增大喷射面积以使孔的数量增加四倍。在一些实施例中，采用多个喷射器，例如，2-8个喷射器。

在生物处理过程中，可能存在若干种操作模式。例如，喷射到生物反应器(例如，一次性生物反应器)中可以包括连续气体流动模式、配方模式或通过软件和微处理器的反馈控制回路、流量的手动操作和/或通过使用阀组指定特定的喷射器。要进一步理解的是，一些生物处理可以包括这些喷射模式中的两种或多种。

本文所述的所有范围包括其间的范围并且可以包括或不包括端点。可选择的包含范围是介于其间的整数值(或包括一个原始端点)、处于所述数量级或下一个较小的数量级。例如，如果下限值是0.2，则可选择的包括端点可以是0.3、0.4、…1.1、1.2等以及1、2、3等；如果上限值是8，则可选择的包括端点可以是7、6等以及7.9、7.8等。单侧边界(例如3个或更多个)同样包括从所述数量级或更低一个数量级的整数值开始的一致边界(或范围)。例如，3或更多包括4或3.1或更多。

在本专利说明书中，对“一个实施例”、“某些实施例”、“一个或多个实施例”，“一些实施例”或“一种实施例”的引用表示结合该实施例描述的特征、结构、材料或特性被包括在本公开的至少一个实施例中。因此，在整个专利说明书中，诸如“在一个或多个实施例中”、“在某些实施例中”、“在一个实施例中”、“在一些实施例中”或“在一种实施例中”之类的短语的出现不一定是指同一实施例。尽管如此，应当理解，本文所描述的任何特征都可被结合在本文所公开的任何实施例中。本专利说明书中引用的专利申请和专利及其他非专利参考文献的出版物均被通过引用的方式全部结合到本文中所引用的整个部分中，就好像每个单独的公开文献或参考文献被具体地和单独地表明被通过引用结合到本文中而被充分阐述一样。本申请要求优先权的任何专利申请也被以上述针对公开文献和参考文献描述的方式通过引用结合到本文中。