工艺冷却杆

技术领域

本公开涉及用于化学和生物过程的热交换元件。

背景技术

实验室环境中的各种化学和生物过程会产生热量。例如，工艺介质的持续过滤可以迅速提升介质的温度，导致有害结果，特别是对于培养皿中生长的脆弱生物细胞。降低工艺内容物温度的标准技术是将反应器或容器置于冰浴中。然而，这带来了许多挑战，其中最重要的是准确和一致地调节冷却量。工艺有时候也需要添加调节量的热量。

仍然需要一种用于化学和生物过程的快速热交换解决方案，以准确、一致地调节冷却或加热量。

发明内容

本申请公开了一种工艺冷却元件，其描述为杆状，其可以插入到生物反应器或其他反应器容器中以调节温度。工艺冷却元件的使用方法包括将杆浸入到工艺容器的液体内，该杆延伸到容器底部的至少1英尺以便能够与容器中的少量液体进行传热。从容器中伸出的歧管具有流体入口连接器和流体出口连接器。该冷却元件包括外夹套和内流分流器，该分流器从歧管延伸至外夹套的封闭远端。该分流器具有中心通孔，一个或多个外螺旋凹槽，它们接触的夹套内壁且限定一个或多个螺旋流体通道的长度为分流器的长度。该方法包括将冷却液流入到流入口连接器，冷却液向下通过中央通孔随后向上通过螺旋流体通道到达出口连接器。流动方向可以逆转，使得入口变为出口。外夹套和分流器理想地由聚合物形成，有时候是透明的，具有高传热系数；其可能大于0.50W/mK@23C甚至大于0.90W/mK@23C。

此文公开的装置的第一实施例包括用于加热或冷却工艺容器中的流体的流体工艺热交换杆。第一实施例具有沿轴线延伸的细长聚合物外夹套，其限定封闭的远端和开放的近端，内腔，限定在外夹套内。歧管连接到外夹套的近端，并具有两个连接器，提供与内腔的流体互通；第一连接器通过歧管从中心线偏移，第二连接器沿中心线定位并与外夹套轴对齐。细长的聚合物分流器定位在内腔里。该分流器从歧管延伸至与封闭的远端间隔的点，使得在分流器和封闭的远端之间的内腔中形成远端空间。该分流器具有中心内孔，延伸分流器的长度，并与第二连接器保持流体连通，以流动地连接第二连接器和远端空间。分流区还具有由至少一个螺旋凹槽限定的外表面，延伸分流器的长度，且具有外径，其近似等于外夹套的内径以便与其接触。至少一个螺旋凹槽限定至少一个从外夹套内径向内间隔的螺旋槽，该螺旋槽在分流器和外夹套之间形成至少一个螺旋流体通道，流动地连接第一连接器和远端空间。热交换杆配置为使得流入第二连接器的流体向远端通过内孔到达远端空间，并从远端空间通过至少一个螺旋流体通道向近端返回到第一连接器，流入第一连接器的流体向远端通过至少一个螺旋流体通道到达远端空间，并从远端空间通过内孔向近端返回第二连接器。因此，流过热交换杆的流体适用于加热或冷却工艺容器内的流体。此外，在分流器中可以形成两个平行的螺旋凹槽，它们定义了两个平行的螺旋槽。细长的夹套可以是线性的和管状的，闭合的远端是半球形的。

本文公开的装置的第二实施例包括基本上相同的流体工艺热交换杆，用于在上述工艺容器中加热或冷却流体。然而，分流器的外表面不是具有由至少一个螺旋凹槽定义，而是由延伸分流器长度的肋条定义，其外径近似等于外夹套的内径以便与其接触。肋条在分流器和外夹套之间定义了至少一个流体通道，其流动连接第一连接器和远端空间，并且热交换流体流过至少一个流体通道。

在此描述的任何实施方案中，外夹套和分流器可以是具有至少0.50W/mK@23C或至少0.90W/mK@23C传热系数的聚合物的注塑成型。聚合物可以是透明的，并且可以是聚丙烯基树脂。

在此描述的任何实施方式中，该装置还可以包括适于容纳流体的工艺容器，该工艺容器具有上壁，其中热交换杆安装在工艺容器的上壁上，使得外夹套的封闭远端向下延伸至工艺容器主要部分的底端，以便浸没在工艺容器内的流体中。工艺容器可以是烧瓶，其具有较大的主要部分和形成上壁的向上倾斜的肩部区域，热交换杆通过上壁上形成的孔安装，使得外夹套的封闭远端向下延伸到工艺容器的主要部分的底端。

附图说明

图1是示范性工艺冷却杆的透视图；

图2示出了工艺冷却杆的纵向截面图；

图3是工艺冷却杆的分解图；

图4示出了具有示范性工艺冷却杆的工艺容器，该冷却杆通过其上壁安装，带有密封套；

图5是工艺容器上壁的放大图，示出了工艺冷却杆的可替换安装布置，图6是通过其的垂直剖面图；

图7是工艺容器上壁的放大图，示出了用于工艺冷却杆的三夹安装组件，图8是通过其的分解垂直剖面图；

图9是工艺容器上壁的放大图，示出了用于工艺冷却杆的螺纹安装布置，以及图10是通过其的垂直剖视图；和

图11是具有内部混合器的示例性烧瓶的剖面图，其叶片被记录以围绕其较低的底部旋转并示出在其中放置的示例性工艺冷却杆。

具体实施方式

描述了一种杆状的工艺冷却元件，可以插入生物反应器或其他反应器容器中以调节温度。冷却杆的主要应用是降低介质的温度，但应该理解，冷却杆的有益属性也适用于提高工艺介质的温度，因此，更广泛地说，公开了热交换元件或杆。此外，冷却元件优选形状为细长的线性杆，但可以适应为其他形状，例如弯曲的杆或反映其所用容器形状的不规则形状。此外，工艺冷却杆的尺寸可以根据所需的冷却能力而变化，尽管示例应用中显示了单个冷却杆，但可以使用多个冷却杆。最后，描述了冷却杆的优选材料，但除非明确要求，否则不应被视为限制。

对于工艺热交换元件特别有用的应用是在填充步骤中加热并因此稀释液体，例如制造的药物。也就是说，热交换元件可以放置在靠近下降到含有液体药物的工艺容器中的填充针附近。紧邻填充针的液体的有效加热使液体变薄，从而便于从容器中抽出。另一个应用是在各种介质的超滤过程中。生物反应器中使用的某些过滤器倾向于积聚截留物，并通过流过其中的流体阻力增加而升温。加热可能会损坏有价值的介质，并将热交换元件放置在流体中。

图1是示例性工艺冷却杆20的透视图，图2示出了纵向截面中的示例性工艺冷却杆。在示例性实施例中，冷却杆20包括具有封闭端24的空心外壳或夹套22和固定在与封闭端相对的外壳开口端的轮毂或歧管26。歧管26为第一连接器28和第二连接器30提供安装和内部通道。外夹套22可以是管状的和线性的，限定纵轴，其具有封闭端24，封闭端由半球形罩形成。歧管26具有一般的圆柱形结构并且密封地附着在夹套22的开口端的外侧周围，如图2的一段所示。粘合剂或热粘合可用于连接零件。第一连接器28从歧管26径向伸出，而第二连接器30沿纵轴轴向伸出并居中。两个连接器28、30可以形成为常规的倒钩软管。

参考图3的分解图，细长的分流器32紧密地贴合在管状夹套22的内壁34内，并且基本上在其整个长度上延伸。分流器32限定了螺旋肋条或凹槽36，其具有与内壁34直径大致相同的平坦外侧尺寸。螺旋凹槽36的尺寸和螺距设置为使得有两个平行的凹槽在分流器32的长度上延伸。凹陷的螺旋槽38在凹槽36之间形成，其在内壁34内限定螺旋流体通道40。

轴向第二连接器30定义了以纵轴为中心的中心通孔42，该纵轴通过分流器32与中心孔44保持流体连通。孔44在分流器32的长度上，在歧管26和增压室46之间延伸，增压室限定在分流器的远端和半球形罩24的内壁之间。如箭头所示，流入连接器30的通孔42的加压流体向下穿过孔44，直到其到达增压室46。

螺旋槽38向分流器32的底端开放，因此增压室46内的加压流体沿槽向上行进。最终，流体到达分流器32的顶部并进入限定在外夹套22和歧管26内的环形空间47。在第一径向连接器28内形成的出口流体通道48通过歧管26中的短轴向通道50与环形空间47相通。当然，应当理解，加压流体可以通过第一连接器28进入并向下穿过螺旋槽38并向上穿过中心孔44来逆转流动。无论哪种方式，恒定流动的冷却(或加热)流体都可以通过工艺冷却杆20循环。尽管未示出，热交换介质可以通过热交换杆20外部的冷却器或加热器循环并放置在工艺容器附近。

如图3所示，第一连接器28可以是与歧管26分开模制的物品。第二连接器30也可以是分开的，但如图2的一段所示，理想地模制为一体式歧管。

图4示出了工艺容器60，其具有通过其上壁62安装的示例性工艺冷却杆20。在所示实施例中，工艺容器60是一个大烧瓶，其具有一通常为圆柱形的主要部分61，以及向上倾斜的肩部区域，其形成上壁62。容器60继续向上进入颈部区域64，导致上口由盖子66封闭。在某些应用中，盖子66可以用搅拌组件代替。

为了无菌，套筒或其他类型的密封套68可以固定在冷却杆20和穿过上壁62的孔69之间。密封套68可以是可拆卸的，或者冷却杆20可以使用密封套68与工艺容器60组装(粘合或焊接)，并作为一个单元出售，从而提供用于冷却或加热容器内工艺流体的内置选项。密封套68可以是弹性体或更刚性的聚合物，粘合或焊接到冷却杆20和穿过上壁62的孔上。

冷却杆20向下延伸到工艺容器60中，直到闭合端盖24靠近容器的底部70。在一个实施例中，冷却杆20的长度设置为当通过密封套68安装时，封闭端盖24延伸到容器60的底部70的1英寸以内。这样，冷却杆20甚至达到容器底端的低水平流体，如图所示，开始与其进行热交换。

尽管未示出，流入口和流出口管状流体管道然后连接到第一和第二连接器28，30，从歧管26突出30以启动通过冷却杆20的冷却(或加热)流。如本领域技术人员理解的，流体通过冷却杆20的温度和流速可以改变，以便准确地调节容器60内流体的温度。

图5是工艺容器60的上壁62的放大图，显示了工艺冷却杆20的替代安装布置。图6是替代安装布置的垂直截面图，显示了冷却杆20的管状夹套22向下穿过上壁62里的孔。一圆形法兰80，形成在歧管26的下端，该歧管通过粘合剂或粘合/焊接固定在上壁62上。这种安装布置可实现可由制造商组装的更永久的连接，以便工艺容器60与安装冷却杆20共同运输和销售。

图7是工艺容器60的上壁62的放大图，显示了用于工艺冷却杆20的三卡箍安装组件90。图8显示了组件90的分解图，其包括上法兰92和下法兰94，它们一起夹住弹性垫片94。上法兰92被示为形成为冷却杆20的歧管26的组成部分，尽管当然也可以单独形成并密封到其上。下法兰94连接到向下定向的管状套管98。管状套筒98向下穿过上壁62中的孔，并且可以密封或以其他方式粘合或紧固到其上。如图所示，上法兰92的下表面和下法兰94的上表面具有圆形凹槽，其与弹性垫片94顶部和底端的圆形肋条配合。

虽然未示出，但按照惯例，使用外部机械夹将三个三卡箍安装组件临时固定在一起，以实现卫生气密密封。例如，威斯康星州马斯基戈的卫生配件有限责任公司在

三卡箍安装组件90能够方便地安装和拆卸工艺冷却杆20，或诸如取样仪器的替代装置。相反，盖子可以连接到下法兰94以关闭开口。

图9是工艺容器60的上壁62的放大图，示出了用于工艺冷却杆20的螺纹安装布置，以及图10是贯穿其中的垂直剖视图。在该组件中，在冷却杆歧管26的下端形成的公螺纹100与安装套筒102内的内螺纹配合。套筒102又向下延伸穿过上壁62中的孔，并且可以密封或以其他方式粘合或紧固到其上。配合螺纹可以是PG螺纹，例如螺纹角为80°的PG13.5，通常用于pH电极，溶解氧(DO)探头或温度和电导率探头等探头，也可以是标准NPT螺纹，锥形或直型。这种简单的安装结构再次使得能够容易地连接和拆卸工艺冷却杆20，或者替代装置如取样仪器，或者插头可以连接到安装套筒102以关闭开口。

图11是构成工艺反应器和混合系统一部分的示例性烧瓶或容器120的剖面透视图，其工艺冷却杆20可与该构成工艺反应器和混合系统集成。容器120包括具有垂直侧壁122的大的主要部分，其可以用肋条或其它加固特征加固，并且可以在作为手柄的相对侧包含凹痕(未示出)。向上倾斜的肩部区域或上壁126通向上开口128，其上可以固定盖子(未示出)以密封容器的内容物。在某些工艺中，盖子可以包括向下延伸的端口和管子，用于从容器120内部引入或除去流体，例如在Shor等人的美国专利10,260,036中描述的，其内容在此明确地并入作为参考。容器120可以以500毫升至50升的体积提供，并且由PET或聚碳酸酯制成。

图11示出了内部混合器130，带有叶片132，以绕容器较低底部129上方的垂直轴旋转。混合器130期望地通过外部磁力驱动器(未示出并且有时称为搅拌板)在容器120的下方和外部旋转。例如，混合器130可以包含面向底部129的两个截然相反的稀土或陶瓷磁铁，并且磁驱动器还具有旋转电磁铁或旋转稀土磁铁(未示出)。由于靠近混合器130，磁力驱动器能够旋转混合器。

如上所述，冷却杆20向下延伸到工艺容器120中，直到闭合端盖24靠近容器120的底部129。在一个实施例中，冷却杆20的长度设置为当通过顶壁126安装时，封闭端盖24延伸到容器120的底部129的1英寸以内。这样，冷却杆20甚至可以达到容器底端非常低水平的流体以启动与之进行热交换。此外，冷却杆20到达混合器130周围的流体，用于有效地同时传热和流体搅拌。

分流器32的螺旋结构使外螺旋冷却通道的表面积最大化。有利地，整个冷却杆20由塑料制成。例如，所有组件都可以由透明聚碳酸酯制成，这将允许在流动时拍摄流动的视频或静止图像。优选地，该材料是a)非反应性，b)具有尽可能高的传热系数，c)易于制造和d)可回收的塑料。不锈钢和其他非反应性金属可以工作，尽管它们不被认为是一次性的。

与冷却杆20组件一起使用的一种示例性材料是一种高导热塑料，称为Therma-Tech，可从俄亥俄州埃文湖的普立万公司获得。Therma-Tech聚合物配方是一种聚丙烯基树脂。普立万产品名称为X TT-10279-002-04EI Natural(EM1003511360)的特定配方具有以下物理性质：

有利的是，Therma-Tech聚丙烯的传热速率比聚碳酸酯高40％。聚碳酸酯的传热速率通常在0.19-0.22W/mK@23C之间。因此，优选地，所使用的聚合物具有至少0.50W/mK@23C的传热速率，更优选至少0.90W/mK@23C。

本文使用诸如顶部，底部，左侧和右侧之类的术语，尽管流体歧管可用于诸如颠倒的各种位置。因此，一些描述性术语用于相对术语而不是绝对术语。

在整个描述中，所示的实施例和示例应被视为范例，而不是对所公开或要求保护的设备和程序的限制。尽管这里提出的许多实例涉及方法行为或系统元素的特定组合，但应当理解，这些行为和这些元素可以以其它方式组合以实现相同的目标。仅与一个实施例相关的行为、元件和特征不打算被排除在其它实施例中的类似作用之外。

如本文所用，“多个”是指两个或两个以上。如本文所用，一“组”项目可以包括一个或多个这样的项目。在修改权利要求要素的权利要求中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等序数术语本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一个权利要求要素的任何优先权、级别或顺序，也不意味着执行方法行为的时间顺序，而只是用作标签，以区分具有特定名称的一个权利要求要素和具有相同名称的另一个要素(但用于序数术语的使用)以区分权利要求要素。