JP2022521721A - 生物学的材料の均質で再現性のある凍結・解凍のためのポータブルエアブラストシステム - Google Patents
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Abstract
本開示は、凍結・解凍過程中に生物学的材料を充填した容器における熱伝導率の均一性を向上させるシステムおよび方法に関し、特に他の従来の凍結・解凍方法および装置に容易に移して追加することのできるシステムに関する。システムは、生物学的材料の均質で再現性のある凍結および解凍のために、生物学的材料の充填された容器を収容し、冷却または加熱チャンバに設置するように構成されたポータブルエアブラストシステムを含む。本開示はまた、請求項１～１２のいずれかに記載のポータブルエアブラストシステムを使用して、容器内で生物学的溶液を凍結および解凍する方法に関し、該方法は、生物学的溶液の充填された容器を得るステップ;容器をベントエンクロージャ内およびエアブラストシステムのスタンド上に設置するステップ;エアブラストシステムを容器と共に加熱または冷却チャンバ内に設置するステップ;およびエアブラストシステム内のファンを起動することによってエアブラストシステムを起動するステップを含む。
Description
本開示は、一般に、生物学的材料、特に化学過程および製薬過程で使用される生物学的材料の水溶液を均質かつ再現性よく凍結・解凍するためのシステムおよび方法に関する。本開示は、凍結・解凍過程中に生物学的材料を充填した容器の熱伝導率の均一性を向上させるシステムおよび方法に関し、特に他の従来の凍結・解凍方法および装置に容易に移して追加されるシステムに関する。
生物学的材料は長期間保存される大量のバッチで工業的に生産され、その比較的長い保存期間中の劣化を最小限に抑えるため、一般的には凍結される。生物学的溶液の凍結・解凍過程は、凍結・解凍操作パラメータ、物質の保管、凍結状態での輸送、物流など、考慮すべきいくつかの課題がある。保存容器の選択は、製剤の安定性と下流工程に影響を及ぼす可能性があるため、凍結・解凍過程において最も重要な検討事項の一つである。凍結された生物学的材料の一般的に使用される容器には、バッグやボトル／カーボイがある。使い捨てバッグはボトル／カーボイよりも利点があるが、汚染のリスクや製品の損失を引き起こすバッグまたは管の損傷の潜在的なリスクは、ボトル／カーボイよりも大きな懸念事項である。ボトル／カーボイシステムはバッグよりもシンプルで堅牢であり、生物学的製剤が広範囲の凍結・解凍条件下において堅牢で安定しているのであれば、多くの会社にとって好適な実施態様である。
現在、凍結過程には、生物学的溶液を含むボトルおよび／またはカーボイを従来の直立または大型フリーザーに設置して製品を凍結させることが含まれる。しかしながら、設定点温度が－２０℃～－８０℃である従来のフリーザーを使って生物学的溶液の凍結を行うと、製品ロスがしばしば見受けられる。これは、このようなフリーザーが所定の負荷構成に必要な冷却速度を提供するには不十分であるからである。従来のフリーザーでは、容器がフリーザー内に並べて、場合によっては積み重ねて設置されるため、フリーザー全体のスペースで均一な冷却が行われず、容器毎に温度勾配が異なってくる。従って、これらの条件では、凍結速度および製品の品質は、フリーザーの容量、フリーザーの負荷、容器間のスペース、容器の大きさ、容器の形状およびフリーザー内の気流特性に依存する。凍結過程の別のオプションには、冷気とブラストフリーザーを使用して、生物学的材料をそのガラス移転温度以下に急速凍結させることがある。典型的なエアブラストフリーザーでは、断熱され、密閉された部屋またはチャンバに閉じ込められた容器上に、冷気がファンで循環される。達成される冷却の程度は、ファンの位置、チャンバの容量、負荷構成、温度および気流速度などのいくつかの要因によって異なる。この急速凍結法を使用しても、容器毎に凍結の不均質性が生じる可能性があり、その結果、製品バッチの品質に不均質性が生じる可能性がある。
異なる凍結速度による別の結果は、生物学的材料の凍結溶液においてマクロスケールで発生する、溶質分布の不均質性（マクロ低温濃縮または凍結濃縮）である。低温濃縮は不均質なアイスマトリックスに関係しており、これは生物学的材料の劣化や品質低下を招く可能性がある。また、ゆっくりとした凍結および解凍は生物学的物質の安定性を損なわせる。さらに、対流と輻射の両方による、容器の上部における熱伝導により、気液界面で液体の上部に、氷層からなる氷殻が形成される。氷殻によって容器内の内圧が高まり、容器の損傷や破壊につながる。２０１８年１１月１２日に出願された特許文献１には、容器のヘッドスペース領域において、気液界面で、液体の上部に氷殻が形成されないようにする断熱装置が開示されている。この装置によって氷殻の形成や容器内の圧力上昇が回避され、容器の損傷や破裂を防ぐことで、凍結過程を向上させることができる。
ボトルやカーボイは多くの医薬品会社で広く使用されているが、凍結・解凍過程の開発研究や最適化のために、大規模システムを模倣したスケールダウンモデルの存在が望まれている。最近、特許文献２はボトル用に設計されたスケールダウンシステムを開示している。
氷殻断熱装置やスケールダウンシステムなど、ボトルやカーボイを使った凍結・解凍過程の向上を助けるシステムや方法はすでに存在するが、これらのシステムでは、１つのバッチの複数の容器における凍結の不均質性の問題を未だに解決することができていない。具体的には、現在利用できるフリーザー、従来型またはブラストフリーザー、および異なる場所に設置されたフリーザーを使用する場合の凍結の不均質性の問題を未だ解決することができていない。大抵の場合、凍結装置はすでに設置されており、同じバイオ医薬品会社のサイト毎に異なるので、異なる場所にある既存の装置と共に使用することのできる、生物学的材料の均質で再現性のある凍結および解凍のための、シンプルで持ち運び可能なシステムを設計することが望ましい。さらに、システムおよび方法がすでに開示されている氷殻断熱装置およびスケールダウンシステムを組み入れることが可能で、それによって上述の問題を防ぐことができると好都合であるだろう。これによって、異なるフリーザーのタイプを使用しても、容器間で凍結過程の均質化を図ることができる。
本開示は、生物学的材料の均質で再現性のある凍結および解凍のためのシステムおよび方法、特に、容易に移動させることができ、他の従来の凍結・解凍方法および装置と共に使用することのできるシステムを提供する。
本開示は、凍結・解凍過程中、生物学的材料の充填された容器における熱伝導率の均一性を向上させるシステムおよび方法を提供する。
開示するシステムは、生物学的材料の充填された容器を収容し、冷却または加熱チャンバ内に設置させるように構成されたポータブルエアブラストシステムを含む。システムは、生物学的材料の均質で再現性のある凍結および解凍を可能にする。このポータブルエアブラストシステムは容器の壁における熱伝導率の均質性を向上させるので、異なる冷却または加熱チャンバを使用しても、凍結／解凍速度を同じにすることができる。
本明細書で開示するポータブルエアブラストシステムは、容器を収容し、容器の位置をベントエンクロージャの中央に維持するスタンドを備える。ポータブルエアブラストシステムはまた、均一な垂直の空気の流れを確保するように設計されたベントエンクロージャを備え、凍結・解凍過程中、容器の壁における熱伝導率の均一性が向上するように、チャンバ内の空気をベントに通過させるファンをさらに備える。
本開示の別の態様は、本明細書に開示するシステムを使用して、凍結・解凍過程中に生物学的材料の充填された容器における熱伝導率の均一性を向上させる方法に関し、該方法は、（１）冷却または加熱チャンバを提供するステップ；（２）少なくとも１つのポータブルエアブラストシステムを提供するステップ；（３）容器をポータブルエアブラストシステムの中央に設置するステップ；（４）ポータブルエアブラストシステムを冷却または加熱チャンバ内に設置するステップ；および（５）生物学的材料が完全に凍結または解凍されるまでファンを回すステップを含む。
本開示の別の態様は、１つのチャンバに組み合わせられた複数のポータブルエアブラストシステムおよびトロリーを使って、チャンバを１つまたは複数のポータブルエアブラストシステムに迅速に装填することに関する。
本開示の別の態様は、ポータブルエアブラストシステムを収容するように構成され、回転、揺れ、震え、振動または他の形態の機械的な動きを提供して容器内で液体の対流を誘発することができるプラットフォームに関する。プラットフォームは解凍過程中に使用される。
本開示の一態様は、生物学的材料の水溶液を凍結・解凍するシステム、特に、生物学的材料の充填された容器における熱伝導率の均一性を向上させるシステムに関し、該システムは、容器を収容するように構成されたポータブルエアブラストシステム；生物学的材料の水溶液の充填された容器；および凍結または解凍のために、ポータブルエアブラストシステムを収容する冷却または加熱チャンバを含む。
一実施形態において、ポータブルエアブラストシステムは容器を収容するように構成され、プラスチック、ポリマーまたは剛性の高い他の材料などの硬質材料で作られる。
一実施形態において、ポータブルエアブラストシステムは容器を収容するように構成され、スタンド、ベントエンクロージャおよびファンエンクロージャを備える。
一実施形態において、ポータブルエアブラストシステムは、容器を収容し、その位置をベントエンクロージャの中央に維持するスタンドを備える。
一実施形態において、スタンドは容器を収容するように設計された支持部を有してもよい。
一実施形態において、スタンドは、スタンドをベントエンクロージャに接続させるピンを有してもよい。
一実施形態において、ピンはスタンドとベントエンクロージャとの距離を、１ｃｍ～１０ｃｍ、より好適には２ｃｍ～５ｃｍに維持する。
一実施形態において、ポータブルエアブラストシステムは容器の全ての側壁において均一な垂直の気流を得るために、ベントエンクロージャを備える。
一実施形態において、ベントエンクロージャの壁と容器の側壁との距離はおよそ一定であり、１ｃｍ～１０ｃｍ、好適には１ｃｍ～３ｃｍである。
一実施形態において、ベント内の空気の速度は、好適には、外気の下向きの速度の２倍よりも高い。
一実施形態において、ベント内の空気の速度は約０．５ｍ／ｓ～約２０ｍ／ｓ、好適には約１ｍ／ｓ～約１０ｍ／ｓ、より好適には約２ｍ／ｓ～約８ｍ／ｓである。
一実施形態において、ポータブルエアブラストシステムは、空気をチャンバまたは部屋からベントに通過させるためのファンを有するファンエンクロージャを備える。
一実施形態において、ファンはベントエンクロージャに接続される支持部、好適には絶縁支持部を備えてもよい。
一実施形態において、ファンはベントエンクロージャの上部、好適には容器の上に配置される。
一実施形態において、ファンまたはブロワー、好適にはファン、より好適には軸流ファン使用することができる。
一実施形態において、ファンは電池を使用する。
一実施形態において、ファンは、好適には速度を制御するための制御システムを有することができる。
一実施形態において、ファンは極低温環境での使用に適していなければならない。
一実施形態において、複数のファンを使用することができ、好適には、これらのファンは水平または垂直に並置される。
一実施形態において、ポータブルエアブラストシステムは相互に取り付けられるモジュラーセグメントで構成することができる。
一実施形態において、容器は固定形状の容器である。
一実施形態において、容器は、ガラス、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリプロピレン、エチレン-ビニルアルコール共重合体、フッ化ポリビニリデン、ポリビニルクロリドなどの硬質で生体適合性のある材料、およびこれらを含む共重合体、混合物または積層物で構成される。
一実施形態において、容器は、約１ｍＬ～約２０Ｌ、好適には約１００ｍＬ～約１０Ｌの容積を有する。
一実施形態において、容器は変形可能な容器である。
一実施形態において、変形可能な容器は、エチレン-酢酸ビニル共重合体、エチレン-ビニルアルコール共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリウレタン、ポリビニルクロライドなどの生体適合性高分子材料、およびこれらの共重合体、混合物、積層体で構成される。
一実施形態において、変形可能な容器は、約１０ｍＬ～約２０Ｌ、好適には約１０ｍＬ～約１Ｌの容積を有する。
一実施形態において、変形可能な容器は、好適には金属（例えば、ステンレススチール、アルミニウムまたは銅）などの耐熱性の低い材料で作られた、硬質シェル内に設置される。
一実施形態において、容器は氷殻減衰装置を備えてもよい。
一実施形態において、容器はスケールダウン装置を備えてもよい。
一実施形態において、冷却または加熱チャンバは、スタティックもしくはエアブラストチャンバ、または制御された温度のチャンバであってもよい。
一実施形態において、複数のポータブルエアブラストシステムを１つのチャンバにまとめてもよい。
一実施形態において、ベントの外側の空気の速度が確実に約０．０５ｍ／ｓ～約１ｍ／ｓ、好適には約０．１ｍ／ｓ～約０．５ｍ／ｓになるように、ポータブルエアブラストシステム間には典型的な距離がある。
一実施形態において、トロリーは、１つまたは複数のポータブルエアブラストシステムにチャンバに装填するために使用される。
一実施形態において、ポータブルエアブラストシステムを収容するように構成されたプラットフォームは、回転、揺れ、震え、振動、または容器内の液体に機械的に対流を誘発する他の形態を提供することができる。
本開示の一態様は、生物学的材料の充填された容器における熱伝導率の均一性を向上させる方法に関し、該方法は、冷却または加熱チャンバの提供、少なくとも１つのポータブルエアブラストシステムの提供、容器のポータブルエアブラストシステムの中央への設置、ポータブルエアブラストシステムの冷却または加熱チャンバへの設置、生物学的材料が完全に凍結または解凍するまでファンを回す、の特徴を持つ。
一実施形態において、生物学的材料には、タンパク質、アミノ酸・ペプチド製剤、核酸（ＤＮＡ、ＲＮＡ）溶液、細胞懸濁液、組織懸濁液、細胞凝集体懸濁液、細胞増殖培地、血清、生物学的製剤、血液製剤、保存液、発酵ブロス、および細胞を含むまたは含まない細胞培養液、上記の混合物ならびにそれらの断片が含まれる。
本開示の一態様は容器内で生物学的溶液を凍結・解凍するためのポータブルエアブラストシステムに関し、該システムは、壁を有するベントエンクロージャ；側壁を有する容器を収容するように構成されたスタンド；および少なくとも１つのファンを備え、容器の壁内における熱伝導率を均一にするためにファンは空気をベントエンクロージャに通過させ、ベントエンクロージャの壁と容器の側壁との間の距離は、容器の全ての側壁の周りで同様の垂直気流速度を確保するためにほぼ一定している。
一実施形態において、ポータブルエアブラストシステムは垂直気流速度を制御するコントローラをさらに備える、
一実施形態において、ポータブルエアブラストシステムはファンエンクロージャをさらに備える。
一実施形態において、ポータブルエアブラストシステムは、壁を有するベントエンクロージャ；側壁を有する容器を収容するように構成されたスタンド；および少なくとも１つのファンを備え、スタンドとベントエンクロージャとの距離は１ｃｍ～１０ｃｍであり、ファンは、容器の壁内における熱伝導率を均一にするために、空気をベントエンクロージャに通過させ、ベントエンクロージャの壁と容器の側壁との間の距離は１ｃｍ～１０ｃｍで、容器の全ての側壁の周りで同様の垂直気流速度を確保するためにほぼ一定である。
一実施形態において、ポータブルエアブラストシステムのスタンドは、スタンドをベントエンクロージャに接続するためのソリッドベースおよびピンをさらに備える。
一実施形態において、ポータブルエアブラストシステムのスタンドは、容器の位置がベントエンクロージャの中央に維持されるように構成される。
一実施形態において、スタンドとベントエンクロージャの距離は２ｃｍ～５ｃｍである。
一実施形態において、ベントエンクロージャの壁と容器の側壁の距離は１ｃｍ～３ｃｍであり、容器の全ての側壁の周りで同様の垂直気流速度を確保するためにほぼ一定である。
一実施形態において、垂直気流速度は約０．５ｍ／ｓ～約２０ｍ／ｓ、好適には約１ｍ／ｓ～約１０ｍ／ｓ、より好適には約２ｍ／ｓ～約８ｍ／ｓである。
一実施形態において、ポータブルエアブラストシステムは硬質材料、好適にはプラスチック、より好適にはポリマーで作られる。
一実施形態において、ファンはファンエンクロージャ内に位置する。
一実施形態において、ファンは軸流ファンである。
本開示の一態様は、開示したポータブルエアブラストシステムを使って容器内で生物学的溶液を凍結および解凍する方法に関し、該方法は、生物学的溶液の充填された容器を得るステップ;容器をベントエンクロージャ内およびエアブラストシステムのスタンド上に設置するステップ；エアブラストシステムを容器と共に加熱または冷却チャンバ内に設置するステップ；およびエアブラストシステム内のファンを起動することによってエアブラストシステムを起動するステップを含む。
一実施形態において、容器内で生物学的溶液を凍結および解凍する方法は、複数のエアブラストシステムをチャンバ内に設置するステップをさらに含む。
一実施形態における容器内で生物学的溶液を凍結および解凍する方法において、容器の位置はベントエンクロージャの中央に維持される。
一実施形態における容器内で生物学的溶液を凍結および解凍する方法において、各エアブラストシステムは、エアブラストシステムベントの外側の空気の速度が確実に０．０５ｍ／ｓ～１ｍ／ｓ、好適には０．１ｍ／ｓ～０．５ｍ／ｓであるように、少し離して設置される。
本開示のこれらのおよび他の目的、特徴および利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を読むことで明らかとなるだろう。
本開示の理解を容易にするために添付の図面を参照する。これらの図面は本開示の好適な実施形態を示しているが、本願の目的を制限するものではない。
上述のように、生物学的材料の凍結・解凍プロセスにはいくつかの課題がある。主な問題の１つに、凍結・解凍現象に伴う均質性の欠如がある。多くの変数（variable）が凍結のムラの原因であり、主な問題は、製品の単一バッチ内の複数の容器によって凍結速度が異なることに関係する。現在、凍結過程では、生物学的材料を含むボトル及び／またはカーボイを従来の直立または箱型の大型フリーザーまたはブラストフリーザーに設置して、製品を凍結させる。凍結速度および製品の品質は、フリーザーの容量、フリーザーの負荷構成、容器間のスペース、容器の大きさ、容器の形状およびフリーザー内の気流特性に依存する。ブラストフリーザーを使用する場合、スタティックフリーザーを使用する場合よりも凍結時間は短いが(図１)、凍結の不均質性が発生し、これは主に気流の性質（方向および速度）によるものである。フリーザーの負荷と構成によって、この不均質性は高まる可能性がある。容器間の凍結速度の不均質性に加え、大変重要な観点は容器５０内の氷の成長５０１の不均質性である(図２ａ)。この凍結速度の不均質性は、低温濃縮、および氷の成長を制御できないことと内圧の増加のため、容器５０の変形５０２または破壊の問題を導く可能性がある（図２ｂ）。従って、生物学的材料を均質かつ再現性のある方法で凍結および解凍し、氷の制御された成長を確保し、内圧の上昇を回避するシステムおよび方法を提供することは重要である。
別の問題は、同じバイオ製薬会社のいくつかのサイトで使用される異なる凍結・解凍装置の存在に関するものである。そのため、生物学的材料の均質で再現性のある凍結および解凍を達成し、既存の装置と共に使用することができるように、異なる場所で簡単に使用することができるポータブルシステムを有することが望ましい。さらに、ポータブルシステムを持っていると、エアブラストシステムを任意の製品と一緒に出荷することができるため、技術的能力の低い可能性のある別の場所において正確な解凍が可能になる。このため、異なる機器を使用した場合であっても、サプライチェーン全体において製品の品質と過程の再現性を保証することができる。
本開示は、容器の損傷または破壊を防ぎながら、凍結・解凍過程中に生物学的材料の充填された容器の外面における熱伝導率の均一性を向上させることを可能にするシステムおよび方法について説明する。開示するポータブルシステムでは、任意のチャンバを凍結または解凍に使用できるようにし、容器内で生物学的材料を凍結または解凍するのに必要な時間を大幅に削減することができる。
一実施形態において、システムは、凍結および解凍のために生物学的材料の充填された容器を収容するように構成される。システムは、生物学的材料の充填された容器５０を収容するように構成されたポータブルエアブラストシステム１０を含む。このポータブルエアブラストシステム１０は、生物学的材料の均質で再現性のある凍結および解凍のため、冷却または加熱チャンバに設置されるように構成される。このポータブルエアブラストシステムの主な目的は、容器の壁における熱伝導率の均一性を向上させ、異なる冷却または加熱チャンバを使用しても同様の凍結／解凍速度が達成できるようにすることである（例えば、図３～図８を参照のこと）。
一実施形態において、ポータブルエアブラストシステム１０は、スタンド２０、ベントエンクロージャ３０およびファンエンクロージャ４０を備える（図３～図８参照）。ポータブルエアブラストシステムは、プラスチック、ポリマーなどの硬質材料、または他の硬度の高い材料で作られる。
一実施形態において、スタンド２０は、容器の側壁全体において空気を均一に分配するために、容器５０を収容してその容器の位置をベントエンクロージャ３０の中央に維持するように設計される。スタンド２０は、一緒に使用する容器に従って設計された、容器５０を収容するための支持部２０２を複数備えることができる。このスタンド２０は、スタンド２０をベントエンクロージャ３０に接続し、スタンド２０とベントエンクロージャ３０の距離を維持するソリッドベース２０１およびピン２０３を備えてもよい。スタンド２０とベントエンクロージャ３０の距離は１ｃｍ～１０ｃｍ、好適には２ｃｍ～５ｃｍであり、これは空気がベント３０２に確実に分散されるためである。ポータブルエアブラストシステム１０が横方向の通気を備えるエアブラストチャンバ内に設置される場合、スタンド２０は下に開口を備え、空気がベント３０２に確実に均一に分散されるようにする。 別の実施形態において、容器５０は、ベントエンクロージャ３０に接続された支持爪によってベントエンクロージャ３０の中央に維持することができる（図５参照）。
一実施形態において、ポータブルエアブラストシステム１０は、容器の全ての側壁５０３の周りでほぼ同一の垂直速度場を得るために、ベント３０２を生成するように設計されたベントエンクロージャ３０を備える。容器の全ての側壁５０３の周りで同様の垂直速度場を確保するために、ベントエンクロージャ３０１の壁と容器の側壁５０３の間の距離はほぼ一定しており、１ｃｍ～１０ｃｍ、好適には１ｃｍ～３ｃｍである。ベントエンクロージャ３０は、外部を通過する下向きの流れから、ベント３０２の内側を通る垂直の気流を分離することができる。ベント３０２内部の空気の速度は、好適には、外気の下向き速度の２倍以上である。好適な実施形態において、ベント３０２内の空気の速度は約０．５ｍ／ｓ～約２０ｍ／ｓ、好適には約１ｍ／ｓ～約１０ｍ／ｓ、より好適には, 約２ｍ／ｓ～約８ｍ／ｓである（図７参照）。
一実施形態において、ポータブルエアブラストシステム１０は、ファン４０２を有するファンエンクロージャ４０を備え、チャンバまたは部屋内の空気をベント３０２に通過させ、凍結および解凍過程中、容器の壁における熱伝導率の均一性を向上させる。好適な実施形態において、ファン４０２は、絶縁支持部４０１を用いて、容器上のベントエンクロージャ３０の上部に配置される。一実施形態において、ファンまたはブロワー、好適にはファン４０２、より好適には軸流ファンが使用される。別の実施形態において、電池を使ってファンに電源を投入することができ、電池は絶縁支持部４０１内に入れることができる。別の実施形態において、高感度生物学的材料またはスケールダウンのために、ファン４０２の速度を制御して過程の異なる段階に合わせて熱伝導を好都合に増減させることもできる。一実施形態において、ファン４０２は極低温環境での使用に適している。別の実施形態において、複数のファン４０２を使って空気をベント３０２に通過させることができ、例えば、２台または４台のファンを水平または垂直に並置する、または１台をベントエンクロージャの上部、そしてもう１台を底部に設置することができる（図５～図７を参照のこと）。
一実施形態において、温度プローブがポータブルエアブラストシステム内の複数のポイントおよび容器内に配置される。温度プローブはポータブルエアブラストシステム内の特定の場所における気流の温度を示し、容器内における生物学的材料の凍結／解凍の時間温度プロファイルを示す。温度プローブにはサーモカップル、サーミスタまたは極低温環境での使用に適した他の従来の温度感知装置が含まれ得る。
別の実施形態において、特定の位置におけるポータブルエアブラストシステム内の気流速度に関する情報を提供するために、気流速度プローブがポータブルエアブラストシステムの複数のポイントに配置される。空気速度プローブには、風速計、ピトー管、または極低温環境での使用に適したその他の従来の感知装置がある。
一実施形態において、生物学的材料で充填されるように構成された容器５０は、ボトルまたはカーボイなどのいくつかの形状および構造特徴を有することができる。好適には、容器５０は、空の際にはその形状を維持し、製品が充填された際には著しい変形があってはならない。容器５０は、生物学的材料との適合性を高めるように、剛性があり、生体適合性のある材料で作ることができる。材料としては、例えば、ガラス、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリプロピレン、エチレン-ビニルアルコール共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニルクロライド、およびこれらからなる共重合体、混合物や積層物などが挙げられる。容器５０の大きさや容量は異なり得る。好適な実施形態において、容器５０の容量は約１ｍＬ～約２０Ｌ、好適には１００ｍＬ～約１０Ｌである。生物学的材料が充填されるように構成された容器５０は、ヘッドスペース領域と、無菌充填および通気目的のためにチューブを備えた少なくとも１つのポートを有する１つのキャップとを含み得る。
一実施形態において、容器５０は、容器のヘッドスペースに取り付けるように構成された氷殻減衰装置６０も備える。氷殻減衰装置６０の主な目的は、容器内の圧力を高め、結果的に、損傷につながる氷殻の形成を防止することである。
別の実施形態において、容器はまた、開発研究や凍結解凍過程の最適化のために、大規模な容器を模したスケールダウン装置を含み得る。スケールダウン装置を使用した本実施形態において、ベント内の空気の速度は、平均熱伝導率を制御して、例えば大規模な容器の速度と一致するように好都合に調整することができる。
別の実施形態において、変形可能な容器７０もポータブルエアブラストシステム１０で凍結または解凍してもよい、この場合、変形可能な容器７０を剛性シェル７０１内に設置される。剛性シェルは、好適には、金属（例えば、ステンレススチール、アルミニウムまたは銅）などの熱抵抗の低い材料で作られる。バッグなどの変形可能な容器７０は、製品が充填されると変形する可能性があり、生物学的材料との適合性を促進するために、生体的剛性ポリマー材で作ることができる。生体適合性高分子材料としては、例えば、エチレン-酢酸ビニル共重合体、エチレン-ビニルアルコール共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリウレタン、ポリビニルクロライド、およびこれらを組み合わせた共重合体、混合物、積層物などが挙げられる。変形可能な容器７０は大きさや容量が変わり得る。好適な実施形態において、変形可能な容器７０の容量は約１０ｍＬ～約２０Ｌ、好適には約１０ｍＬ～約１Ｌである（図８を参照のこと）。
本実施形態において、生物学的材料には、タンパク質、アミノ酸・ペプチド製剤、核酸（ＤＮＡ、ＲＮＡ）溶液、細胞懸濁液、組織懸濁液、細胞凝集体懸濁液、細胞増殖培地、血清、生物学的製剤、血液製剤、保存液、発酵ブロス、および細胞を含むまたは含まない細胞培養液、上記の混合物ならびにそれらの断片が含まれる。
図３～図７に示すポータブルエアブラストシステム１０は、チャンバのキャビティに直接設置される場合、一般的な凍結または解凍過程と特別な適用性がある。上述のチャンバは対流を有しても有さなくてもよく、凍結または解凍のために冷却または加熱することができる。ポータブルエアブラストシステムのファンの使用により、冷却または加熱されたチャンバからの空気は、他の隣接する容器からの干渉なく、容器の壁と平行に向けられ、各容器の凍結・解凍過程が他の影響を確実に受けないようにする。本明細書で開示するシステムは、チャンバ内の既存の冷却／加熱空気を利用して、任意のチャンバが凍結または解凍に使用できるようにする。さらに、本明細書に開示するシステムは、持ち運び可能に設計されており、軽量かつコンパクトで、好適には２０ｋｇ以下、または充填された容器の重さやサイズが１００％以上に増加しないように設計されている。この搬送はサイト間で簡単に行うことができ、どのようなチャンバまたは部屋でも使用することができるため、生物学的材料の、均質で再現性があり、より早い凍結および解凍が確実に行われる。
開示するポータブルエアブラストシステムを容器内の水溶液の凍結に使用する、さらなる例を以下に詳しく説明する。
一実施形態において、例えば、ポータブルエアブラストシステム１０を使用して、２４０（ｈ）ｘ１２０（ｗ）ｘ１２０（ｄ）ｍｍの寸法のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）ボトルに入った５％（ｍ／Ｖ）スクロース水溶液１．８Ｌを凍結させた。テストは上述の氷殻減衰装置６０を使って行った。一実施形態において、ボトルを温度設定値－８０℃の超低温凍結チャンバ内に直接設置し、凍結させた。別の実験では、ボトルをポータブルエアブラストシステム内で凍結させ、温度設定値－８０℃の超低温凍結チャンバ内に設置した。図９は、ポータブルエアブラストシステム１０がある場合とない場合の、両方の実験におけるボトル内の時間・温度プロファイルを示す。ポータブルエアブラストシステム１０を使用すると、凍結過程が早くなることがわかった（図９，実線）。ポータブルエアブラストシステムを使用すると、ボトル内で温度－３０℃の温度を達成するのに約２００分かかるが、ポータブルエアブラストシステムを使用しない場合、同じ温度に到達するのに約４３５分かかった（図９，破線）。さらに図１０に示すように、液体上の氷殻の形成および「ピラミッド型」の形状５０１は、ポータブルエアブラストシステムおよび氷殻減衰装置を使用すると回避され、平らな氷の表面５０４となる。従って、これらの結果より、開示するシステムは凍結過程を向上させ、凍結過程中の容器の壁における熱伝導率を向上させることによって凍結時間を減少させ、一方で氷殻の形成を回避し（図１０ａ）、結果として容器の損傷が防止される。
別の実施形態において、複数のポータブルエアブラストシステム１０を１つのチャンバ８０に組み合わせることができた（図１１参照）。好適な実施形態において、各容器は容器上に１つのファンを備えたポータブルエアブラストシステムを有する。好適な実施形態において、いくつかのポータブルエアブラストシステムの間には距離を設け、ベントの外側の空気の速度が確実に約0．０５ｍ／ｓ～約１ｍ／ｓ、好適には約０．１ｍ／ｓ～約０．５ｍ／ｓの速度であるようにする。
別の実施形態において、ポータブルエアブラストシステム１０は相互に取り付け可能なモジュラーセグメントよりなる。ポータブルエアブラストシステム１０は異なる機能のための交換可能なモジュールを備え、異なる容器や装置を収容することができる。ポータブルエアブラストシステム１０のモジュラーアセンブリにより、システムを異なるシナリオに変換、適合させる可能性が広がる。種々のモジュールを追加または変更することにより、システムの寸法を大きくし、種々の容器に好都合に適合させたり、気流プロファイルを変更したり、プローブ、電池、電子機器などの種々の装置を収容することができるようになる。モジュラーアセンブリによって、搬送、製造、部品交換および所定の位置でのアセンブリが可能になる（図１２参照）。
別の実施形態において、システムはトロリーも含み、１台のポータブルエアブラストシステムまたは複数のポータブルエアブラストシステムにチャンバを迅速に装填できるようにする。
別の実施形態において、解凍中に容器を攪拌して生物学的溶液を混合する。これは、ポータブルエアブラストシステムを収納するように構成され、回転、揺れ、震え、振動または他の形態の機械的な動きを提供して容器内に液体の対流を誘発することのできるプラットフォームを使って達成することができる。
本開示の別の態様は、先に説明したシステムを使って、凍結・解凍過程中、生物学的材料の充填された容器の熱伝導率の均一性を向上させる方法に関し、該方法は、（１）冷却または加熱チャンバを提供するステップ;（２）少なくとも１つのポータブルエアブラストシステムを提供するステップ;（３）容器をポータブルエアブラストシステムの中央に設置するステップ;（４）ポータブルエアブラストシステムを冷却または加熱チャンバ内に設置するステップ;および（５）生物学的材料が完全に凍結または解凍するまでファンを回すステップを含む。
本文書で使用される「備える（comprising）」という用語は、記載した特徴、整数、ステップ、構成要素の存在を示すことを意図するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、構成要素またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。
当業者であれば、本明細書において別段の指摘がない限り、記載した特定の一連のテップは例示にすぎず、本開示から逸脱することなく変更することができることを理解するだろう。従って、別段の記載がない限り、記載したステップは順序付けられていない、すなわち、可能であれば、 ステップは任意の便利な、または望ましい順序で実行することができる。
本開示は記載した実施形態に何ら限定されるものではなく、当業者であれば、その変更に多くの可能性を見出すであろう。
上述の実施形態は組み合わせ可能である。以下の請求項は、本開示の特定の実施形態をさらに明確にするものである。
Claims (16)
- 容器内の生物学的溶液を凍結および解凍するポータブルエアブラストシステムであって、
壁を有するベントエンクロージャ；
側壁を有する容器を収容するように構成されたスタンド；および
少なくとも１つのファンを備え、
前記ファンが、前記容器の前記壁における熱伝導率を均一にするために、空気を前記ベントエンクロージャに通過させ；
前記ベントエンクロージャの前記壁と前記容器の前記側壁の距離は、前記容器の全ての前記側壁の周りで同様の垂直気流速度を確保するためにほぼ一定している、ポータブルエアブラストシステム。 - 前記垂直気流速度を制御するコントローラをさらに備える、請求項１に記載のポータブルエアブラストシステム。
- ファンエンクロージャをさらに備える、請求項２に記載のポータブルエアブラストシステム。
- 壁を有するベントエンクロージャ;
側壁を有する容器を収容するように構成されたスタンド；および
少なくとも１つのファンを備え、
前記スタンドと前記ベントエンクロージャの距離が１ｃｍ～１０ｃｍであり；
前記容器の前記壁における熱伝導率を均一にするために、前記ファンが空気を前記ベントエンクロージャに通過させ；
前記ベントエンクロージャの前記壁と前記容器の前記側壁の距離は１ｃｍ～１０ｃｍであり、前記容器の全ての前記側壁の周りで同様の垂直気流速度を確保するためにほぼ一定している、請求項１～３のいずれか一項に記載のポータブルエアブラストシステム。 - 前記スタンドは、該スタンドを前記ベントエンクロージャに接続するためのソリッドベースおよびピンをさらに備える、請求項１～４のいずれか一項に記載のポータブルエアブラストシステム。
- 前記スタンドは、前記容器の位置が前記ベントエンクロージャの中央に維持できるように構成される、請求項１～５のいずれか一項に記載のポータブルエアブラストシステム。
- 前記スタンドと前記ベントエンクロージャの距離が２ｃｍ～５ｃｍである、請求項１～６のいずれか一項に記載のポータブルエアブラストシステム。
- 前記ベントエンクロージャの前記壁と前記容器の前記側壁の距離が、１ｃｍ～３ｃｍで、前記容器の全ての前記側壁の周りで同様の垂直気流速度を確保するためにほぼ一定している、請求項１～７のいずれか一項に記載のポータブルエアブラストシステム。
- 前記垂直気流速度は約０．５ｍ／ｓ～約２０ｍ／ｓ、好適には約１ｍ／ｓ～約１０ｍ／ｓ、より好適には約２ｍ／ｓ～約８ｍ／ｓである、請求項１～８のいずれか一項に記載のポータブルエアブラストシステム。
- 前記システムは硬質素材、好適にはプラスチック、より好適にはポリマーで作られる、請求項１～９のいずれか一項に記載のポータブルエアブラストシステム。
- 前記ファンは前記ファンエンクロージャ内に配置される、請求項１～１０のいずれか一項に記載のポータブルエアブラストシステム。
- 前記ファンは軸流ファンである、請求項１～１１のいずれか一項に記載のポータブルエアブラストシステム。
- 請求項１～１２のいずれか一項に記載のポータブルエアブラストシステムを使用して容器内の生物学的溶液を凍結および解凍する方法であって、
生物学的溶液の充填された容器を得るステップ;
前記容器を前記ベントエンクロージャ内および前記エアブラストシステムの前記スタンド上に設置するステップ；
前記エアブラストシステムを前記容器と共に加熱または冷却チャンバ内に設置するステップ；および
前記エアブラストシステム内の前記ファンを起動させて前記エアブラストシステムを起動させるステップを含む方法。 - 複数のエアブラストシステムをチャンバ内に設置するステップをさらに含む、請求項１３に記載の容器内の生物学的溶液を凍結および解凍する方法。
- 前記容器の位置は前記ベントエンクロージャの中央に維持される、請求項１３に記載の容器内の生物学的溶液を凍結および解凍する方法。
- 各エアブラストシステムは、該エアブラストシステムの前記ベントの外側の空気の速度が０．０５ｍ／ｓ～１ｍ／ｓ、好適には０．１ｍ／ｓ～０．５ｍ／ｓになるように、互いに距離を置いて設置される、請求項１４に記載の容器内の生物学的溶液を凍結および解凍する方法。
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