[发明专利]磁性混合器

说明书

本发明的系统和方法涉及轴向磁通定子，其实施成替代驱动端磁体和驱动电机。轴向磁通定子包括控制电路，以单独地或组合地控制提供至定子的电压和电流，以测量转矩和转速，以及以测量由轴向磁通定子和叶轮磁体产生的磁通量和磁通量密度。轴向磁通定子包括多个载流元件，用于产生沿轴向方向的磁通量并驱动叶轮。

技术领域

实施例大体上涉及生物反应器的领域，并且更具体地涉及用于生物反应器的磁性混合器驱动器。

背景技术

混合器和泵具有广泛范围的应用，包括生物反应器。旋转混合器100(图1A)中的主要元件为驱动器14(其包含驱动机构)和叶轮端11处的叶轮12(其包含混合叶片)。两个元件对准且由不同拓扑联接在一起。一方面，磁性耦合是叶轮12保持联接到驱动器端13的一组磁体10的位置。这通过由单独的电机旋转的驱动端中的一组磁体来建立。现有技术包含由某些磁性间隙16分开的各端上的一组圆柱形磁体14(见图1B)，磁性间隙16主要由空气、固定元件和混合袋壁构成，它们都为非磁性元件。现有技术存在许多障碍，包括但不限于：(1)需要使用较昂贵且较大的磁体(例如，钕磁体)的磁体之间的弱耦合，(2)容积利用率低，(3)作为单次使用的元件的叶轮中使用稀土磁体，增加了叶轮的成本且带来了环境挑战，以及(4)驱动器大小大，因为其由单独的电动机驱动的一组大耦合磁体构成。

混合系统通常包括机械地连接到驱动轴的搅拌器或叶轮，驱动轴通过容器的顶部中的开口降入流体中。驱动轴连接到布置在容器外的电动机。在封闭容器中，流体密封件设在驱动轴与容器的壁之间，以防止流体从容器泄漏。其它混合系统包括容器外的旋转磁性驱动头和作为容器内的搅拌元件的旋转磁性叶轮。磁性驱动头的移动允许转矩传递，且因此允许磁性叶轮的旋转，从而允许叶轮混合和搅拌容器内的流体。由于封闭容器中不需要使驱动轴穿透容器壁来机械地旋转叶轮，故机械式联接的系统可消除对具有驱动轴与容器之间的流体密封件的需要。容器内的叶轮与容器外的驱动系统或电机的磁性耦合可消除污染问题，允许了完全包封的系统，且防止泄漏。

在生物制药行业中，越来越多地使用单次使用或一次性器皿或容器作为封闭型系统，典型地在1到2000升的范围中。容器可为例如具有基本上圆柱形形状的罐型支承件，且由刚性材料诸如不锈钢制成，以向例如单次使用的生物反应器中使用的类型的柔性袋或器皿提供足够支承。灭菌的一次性袋的使用消除耗时的容器清洁步骤，且减少了污染机会。柔性器皿或袋以准确方式置于容器内，使得例如不同的管线或管、混合器和传感器可适当地且准确地连接到袋。

将单次使用或一次性袋与磁性搅拌器系统组合建立了生物制药制造中使用的无菌环境。用于混合和操纵液体和/或用于执行生物化学和/或生物过程的多种容器、装置、构件和单元操作是可用的。例如，可使用包括一次性处理袋的生物反应器来处理包括哺乳动物、植物或昆虫细胞和微生物培养物的生物材料。复杂生物产品诸如蛋白质、单克隆抗体等的制造在许多情况中需要多个处理步骤，其范围涉及从发酵或细胞培养(细菌、酵母、昆虫、真菌等)到初级回收和纯化。

可期望通过使用更环境友好的较廉价的元件来解决如上文陈述的需要。本发明的方面将运用小得多的叶轮，且具有减小的磁力，这将允许袋与驱动器更容易分开。此外，将解决驱动器(用户)端上的移动部分来提供更安全的机构。

磁性驱动头的移动允许了转矩传递，且因此允许磁性叶轮的旋转，从而允许容器内的叶轮混合和搅拌容器内的流体，而不提供密封轴。在使用完全封闭的容器时，或在按需要使用容器来保持内部容积和待混合的流体的无菌性时，磁性混合原理是特别有利的。

在如生物制药生产中使用的单次使用的处理技术中，使用了塑料器皿和袋，它们典型地被预先灭菌(例如，通过伽马辐照)，且用作完全封闭的系统，使用无菌连接件来使所述系统连接到相邻的流体处理设备和线上。在单次使用的容器和生物反应器的这些应用中，磁性混合技术的使用出于过程安全性、简单性和低成本的原因而是优选的，低成本来自于省略了旋转轴周围的复杂密封布置。