CN101426897B - 从生物反应器中无菌样品提取机械敏感材料的工艺分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于从生物反应器中无菌提取含有机械敏感材料的样品的取样阀和工艺分析系统，后者具有分析站，特别是色谱系统、生物传感器、细胞测定设备，其能够从生物反应器中自动、无菌提取样品和将含有机械敏感材料(特别是细胞)的样品小心地运送到分析站。
Description
技术领域
本发明涉及取样阀，其可以从反应器中采集含有机械敏感材料的样品，和涉及工艺分析系统，其具有分析站，特别是色谱系统、生物传感器和细胞测定设备，其能够从反应器中自动、无菌采集样品和将含有机械敏感材料(特别是细胞)的样品小心运送到分析站。
背景技术
无菌样品提取是发酵工艺中的标准程序。该过程中的首要操作步骤是取样分析，以确定或者检测生物过程的状态和质量，并且特别是由后者得到的产品的状态和质量。关于这一点，迄今为止，在多种情形中都需要实验室技术人员人工采集样品。将样品递送至中心分析站之后，进行样品制备，即生物资源分离和等份取样(Aliquotierung)，和最后在数种不同的分析设备上进行分析。将分析结果打印输出以记录产品质量，并且将其人工输入到数据库中和进行存储。此外，需要在低温下对适宜鉴定的存储样品进行储存以进行随后的检测方法。为了释放在生物过程中获得的样品或者由于质量缺陷将其废除，需要在质量保证系统中对分析结果进行检查。所有这些步骤都是非常劳动者密集的，据此导致了高成本。在人工输入获得的分析结果之后，通常需要对反应器中的工艺进行控制和调节。因此，工艺控制和调节的完全自动化是不可能的。
为了降低人员的需要，现在已经可以在市场上获得多种自动的独立部件，例如无菌取样设备、移液系统和自动分析器。然而，取样和样品分析的完全自动化是不可能的，这是因为迄今为止，样品只能由职工从生产位置运送到进行质量控制的分离实验室中的生产地点，和因为该结果打断自动化链节。此外，实验室分析并不能提供可以允许控制工艺的实时信息。
EP1439472A1描述了化学和高分子领域中的自动化工艺分析、-控制和-调节，特别是通过工艺色谱法进行，其中对无菌性并没有明确要求。其中描述的方案并不能满足处理机械敏感材料，特别是生物材料，并且特别是活细胞的要求。所述工艺分析系统并不适用于大多数生物应用。
用于生物应用的工艺色谱法描述在US2004259241A1(GrotonBiosystems公司)中。所述取样设备仅限于实验室规模的生物反应器，因为它不能通过生产中通常使用的灭菌方法通过蒸汽进行灭菌。此外，Dionex Corporation公司提供了可以操作用于生物应用工艺控制的DX-800工艺色谱仪(产品手册“DX-800Process Analyser，Process AnalyticalLiquid Chromatography”)。该系统提供自动色谱分析，但是不能提供符合对生物反应器进行灭菌工艺的最高灭菌要求的取样。另外，该系统限于无细胞培养基的分析。这两种系统都设计用于测定数个参数。然而，它们不能对取样，特别是剪切敏感材料(例如细胞)的取样提供完整的解决方案，并且不能通过获得的数据控制和调节生物过程，这是因为它们缺乏连接至过程控制系统的重要自动化部件。
除了不能进行蒸汽灭菌之外，如上所述的两种系统用于生物技术应用中的进一步一般缺点是它们仅仅适于用于具体生物色谱工艺的样品制备这样的限制。所述系统不能灵活地用于其它分析方法，而是只能用于具体所述的生物色谱过程。
用于采集生物材料和特别是细胞的生物过程的取样设备，并且特别是取样阀在现有技术中是已知的，并且其中一些甚至可以商业获得。例如，公司Keofitt a/s的WO1990012972A1描述了由两部分，即阀体和阀头组成的取样阀。在阀体内，两个连接件经围绕橡胶元件(Gummimembran)的环形通道连接。该结构使得阀门在应用之前和之后可以被灭菌。Sartorius BBI Systems GmbH的WO2004044119A1描述了具有圆柱形流通道和阻断气流道的冲头的可冷却取样阀，其中为了能够快速冷却阀门，例如，在蒸汽灭菌之后快速冷却阀门，取样阀的壁由通常为金属(特别是不锈钢)的低强度材料构成。WO1990012972A1和WO2004044119A1未描述被采集样品的运送。上述WO1990012972A1和WO2004044119A1中的两种取样阀的缺点在于，在取样阀和生物反应器的头之间都具有金属-金属接触界面，和在对取样阀进行蒸汽灭菌的情形中，这导致生物反应器中介质的局部升温，从而使得更多的细胞聚集体可能存在于采样点(所谓的生物淤积)。当所述取样阀开放时，在生物反应器正常操作期间也可能存在的所述聚集体会被涡旋带起和进入阀门中。为了避免阻塞，因此运送被采集的细胞悬浮液需要具有相对较大直径的运送导管。此外，样品的体积仅仅可以通过调节取样阀的开放时间确定。所述方案不允许精确采集预定的(vordefinierten)体积，并且特别是较小的体积。此外，迄今为止，已知在较长的距离没有含有细胞的小体积的样品运送，在运送期间不会使得该样品被掺杂，例如在运送期间通过沉积被掺杂或者通过剪切破坏细胞被掺杂。
因此，需要制造集成连接到自动化系统的控制和调节生物过程的自动灵活的过程分析系统，该过程分析系统允许取样、小心(schonenden)样品运送和小样品体积的样品制备，其含有机械敏感材料(比如生物材料，特别是活细胞)，和在过程分析系统中可以将经典的生物色谱分析系统和/或其它分析器集成。该过程分析系统应当能够在无菌条件下操作，和阀门和运送导管应当尽可能能够利用蒸汽进行灭菌，不会导致反应器介质被加热。
发明内容
本发明的第一主题是以降低的机械负载，特别是由于剪切力产生的机械负载，采集限定体积的样品的取样阀，特别是生物材料，并且特别是活细胞材料。
取样阀的具体实施方案包括由前方密封件和后方密封件确定的限定体积的优选圆柱形的样品室。前方密封件通常通过连接轴驱动。优选同时前方密封件在朝向生物反应器内部的方向上开放，和后方密封件相对于样品室被关闭。在该开放的阀门状态下，封闭在样品室中的气泡被释放入反应器中，其中限定体积的样品从生物反应器流入样品室中。后方密封件限制取样体积和允许采集限定的体积。闭合力可以通过经连接竿从压板向后方密封件预拉伸弹簧(优选盘簧)被传送，所述后方密封件通过将密封装置，优选O-环平压(
)在阀杆上。通常将预拉伸设置为在样品室和反应器之间的压力差为至少+1.5bar。因此，在所述的弹簧预拉伸下，生物反应器中的低压或者真空不会导致阀门同样小的至不期望的开放，也不会相对于外压增加反应器中的内压(例如，在高压处理期间)，所述增加内压在相同应力方向上会另外增强闭合力。优选所述取样阀通过驱动提升压缸被打开。在通过控制断开提升压缸之后，这可以气动(通过压缩气体控制)或者电动(通过脉冲)进行，优选气动进行，阀门在闭合命令发出之后一秒内闭合，该短暂延迟确保样品的精确体积。安装在连接轴上的导杆可以用于确保密封面的位置。当取样阀被开放时，直接反作用于弹簧的回复力的压力可以被传送到导杆上。通常将膜安装在该导杆上，和该膜可以被保持挤压在两个止退板之间。导杆上的压力导致膜弯曲，这密封了样品室和后方阀门内部，使其与环境分离。为了降低膜的负载，优选后方阀门内部具有比样品室更大的直径。
在本发明的具体实施方案中，探头(向反应器的开口)上的取样阀被自净过滤器保护，从而使得大聚集体不能进入样品室和运送导管。该过滤器的孔宽度通常为0.02μm～2mm，但是优选0.45μm～1mm。在取样阀的具体实施方案中，所述过滤器具有中空室，其在闭合状态中由围绕前方密封件的盖从内部填充，即该孔通过盖与内部隔离。在开放状态中，盖在朝向反应器的方向上被移出，导致开放区域的形成。
优选所述膜由耐水蒸气的材料构成，优选EPDM、硅酮、HNBR或者PFR塑料。优选所述探头由具有比不锈钢更低的导热性和细胞在其上的粘附特别差的、允许用于药物应用的塑料构成，优选PVDF、PEEK或者POM。由此，与连接的反应器不存在金属-金属接触面，从而可能避免净化过程(例如，通过蒸汽灭菌进行净化)期间生物反应器的局部升温和密封装置上的结垢层，优选密封装置为O-环。
对于频繁取样而言，迫切需要小的取样体积。借助于根据本发明的取样阀，可以采集精确限定的取样体积2ml～200ml，优选为5ml～20ml。
根据本发明的取样阀，通常类似于标准探针，例如借助于螺旋接头装配入标准发酵罐喷嘴中，优选直径DN25，通常借助于密封装置，优选借助于所述的O-环。为了改良意欲用于随后阶段的样品和洗涤液的流失行为，有利地在生物反应器壁上向下倾析安装取样阀。有利的安装角度是与水平成0°～90°，优选1°～15°。
在阀门的另一优选实施方案中，圆柱形的样品室可以自身相对于喷管轴线倾斜，优选与水平成1°～15°。
如果需要，可以对根据本发明的取样阀进行温度控制，为了实现该目的，优选取样阀被包覆和用Pettier元件进行温度控制。
在阀门闭合之后，通向连接的运送导管的通道被空出来。然后，样品作为基本上连续的塞被运送到目标位置，例如样品制备-和/或-分析站。为了运送样品，通常通过进口和通道将气体或液体引入，和将样品缓慢地从样品室移动到后方阀门内部中和排放喷嘴。进口可以用阀门保护，优选止回阀。
取样阀通常与运送-和供给管偶联，特别是净化导管。优选所述偶联利用可高压-和可蒸汽灭菌的快速闭合偶联物实现，其在切断状态下具有防止两个偶联部件的无菌内表面受到污染的闭合机构。
根据本发明的具体实施方案，旋塞，优选三通旋塞被集成在取样阀和运送导管之间，使得样品可以被人工采集，优选其具有控制单元和可以被分散操作。
本发明的另一主题是过程分析系统，其包括至少一个用于从反应器中采集样品的装置、样品运送装置和至少一个样品分析站，使得一定体积的样品材料可以从反应器中被采集和被运送到分析站，其中所述样品材料是机械敏感材料的悬浮液，特别是剪切敏感材料的悬浮液，所述样品材料受到降低的机械负荷，特别是降低的剪切力。优选所述体积被精确限定和/或无聚集物。
在本发明含义范围内的机械敏感材料，特别是剪切敏感材料特别是生物材料，例如细胞、细菌、单细胞真菌(比如酵母)、病毒、蛋白质沉淀聚集物、蛋白质晶体、天然蛋白质、抗体、微脂粒和特别是活的动物和/或植物细胞。
过程分析系统通常包含至少一个连接在至少一个样品制备-和/或样品分析站上的取样和样品运送装置。
在过程分析系统的一个具体实施方案中，自动取样的设备是根据本发明的取样阀。
根据本发明的过程分析系统通常控制至少一个样品分析站和与自动化系统存在连接，优选用于引导、控制和/或调节反应器和特别是生物反应器中过程的过程控制系统或者可编程控制器。
优选取样-和样品运送装置、样品制备配置和过程分析站为模块化设计。
样品制备站通常包括通过运送导管互相连接和使得样品在一个或者多个步骤中被处理的取样阀、容器(Reservoiren)、量液管、阀门、阀门岛、定量阀门等等。通过利用控制单元相应操作各个模块，自动样品制备得到进行和控制。优选过程分析系统包含至少一个样品制备站。在那里可以进行用于分析样品所需的步骤，例如，稀释，加入内标，加入稳定剂(例如甘油)、标记物或者净化剂，温度控制(优选冷却至4～37℃)，pH校正，汽提，再缓冲，过滤或者衍生化作用。这些步骤以完全自动的方式进行，并且由数个传感器进行监控或控制。可以提及的传感器为，例如pH电极，电导探示器，测量吸光度、蔽光性、压力、温度、流量的传感器。
根据本发明的优选实施方案，过程分析系统，并且特别是样品制备站包括可控试验样品的传感器，以研究样品的性能(例如细胞密度)是否与限定的操作循环和特别是与所需分析器的使用说明相适应。例如，如果细胞密度过高，分析器可能被阻断。此外，细胞密度可能在分析器的测定范围之外。在这种情形中，在传感器控制下对样品进行稀释，直至可能对样品进行可靠的定量分析为止。如果与此相反，细胞密度太低不能进行定量分析，将启动在传感器控制下的增加样品浓度的程序。
为了调节和/或控制样品制备站中的样品的处理，优选样品制备站具有集成有监控样品的传感器的中心收集槽。如果样品被高度稀释，启动增加浓度的程序，和如果浓度过高，则启动稀释步骤。这阻止了样品或者等份试样的测量在分析站的测定范围、规范和/或有效区域外进行。
优选这种类型的样品制备可以用于以使得精确分析可以在分析器的最敏感测定范围内进行的方式制备样品。这使得参数可以在更大的样品浓度范围内得到更灵敏的测定，和从而使得生物过程得到改良控制。
优选取样设备和样品分析站经运送导管连接在样品制备站上。这样形成了样品采集、样品运送、样品制备和样品分析的模块化和集成系统。该模块化配置特别是具有可以以不用高花费向不同的分析器装配自动样品制备的优点。
在过程分析系统的具体实施方案中，样品在等份取试样配置(Aliquotierungsstation)中被分成几个等份试样。这些等份试样或者连续通过一个样品制备站或者被平行运送到几个样品制备站中，在此它们被以不同的方式处理。在过程分析系统的另一实施方案中，在样品制备(例如过滤、倾析、浓缩或者稀释)之后进行试样等分。
优选所述过程分析系统具有连续通过等份试样的中心样品制备站。
在样品制备之后，样品或者等份试样经运送导管被运送入不同的样品分析站中。
优选过程分析系统具有自监控设备，其在至少一个不同的模块中检测和监控样品的性能，优选温度、压力、pH值、流量、光密度、电导率、蔽光性。
在过程分析系统的具体实施方案中，为了避免导管被堵塞，在运送导管中对样品的运送，特别是流量、光密度或者蔽光性进行监控和控制。
优选过程分析系统构造使得在电源中断或者故障的情形中，它以安全状态运行，防止连接的生物反应器中的物质受到污染。
样品分析站可以包括多种用于检测样品或者等份试样的样品分析器(分析仪)，例如细胞计数器、生物传感器、光谱系统、色谱系统，比如HPLC、离子、亲合性和/或凝胶渗透色谱系统。分析结果经可编程控制器(SPS)进行传输，例如，经域通路被传输到自动化部件(例如过程控制系统)。据此，后者可以随后相应控制和/或调节所述过程。根据质量保证需要进行文件管理(Dokumentation)。
在具体实施方案中，样品分析器对反应产品或者二级组分进行生化分析。反应产品通常是意欲生产的蛋白质，二级组分的实例为细胞状态参数，比如波形蛋白、乳酸脱氢酶或者DNA。
在过程分析系统的具体实施方案中，生物传感器被包含了用于控制养分和代谢产品(比如葡糖和乳酸盐)。
对于生化分析，优选结合到生物功能表面上的生物、化学或者生物化学识别元件，例如DNA、RNA、核酸适体、受体，所述生物官能表面为例如，微孔板的表面、玻璃表面、生物传感器表面、珠粒-或者磁珠表面，所述元件通过识别反应检测对特异性结合进行分析。在此广泛应用的方法是ELISA方法。然而，通过生物化学识别元件进行的生化分析还可以在溶液中以均相形式进行，例如在均相时间分辨荧光(HTRF)的背景中。在此，生物化学识别元件与信号产生分子(例如荧光染料或者纳米微粒)耦合。
识别反应的实例是配体与配合物的结合，离子的配合，配体与(生物学)受体、膜受体或者离子通道的结合，抗原或者半抗原与抗体的结合(免疫测定)，基质与酶的结合，DNA或者RNA与具体蛋白质的结合，核酸适体或者Spiegelmeren与它们的靶体的结合，DNA/RNA/PNA或者其它核酸类似物的杂化(DNA测定)，或者通过酶对基质进行的加工。在DNA测定的背景中，可以有利地应用聚合酶链反应(PCR)方法，特别优选动力学PCR的方法。由于免疫测定的信号放大作用，因此可以有利地应用免疫-PCR方法。
意欲进行检测的分析物的实例为DNA、RNA、PNA、核酸类似物、酶底物、肽、蛋白质、潜在活性物质、药物、细胞、病毒。
意欲进行检测的分析物连接的识别元件的实例为DNA、RNA、PNA、核酸类似物、核酸适体、Spiegelmere、肽、蛋白质、金属/金属离子的配位剂、环糊精、冠醚、抗体或者它们的片段、Anticaline、酶、受体、膜受体、离子通道、细胞粘着蛋白质、神经节糖苷、单糖或者寡糖。
如果多种识别元件以空间上彼此分离的方式连接在生物化学检测系统的生物功能表面上，那么使用一种待检测的样品可以同时进行多个识别反应。这些所谓的阵列技术对于核酸表征以及具有抗体阵列的蛋白质的测定都是已知的，并且可以用于实现根据本发明的目的。
生物化学检测系统的识别反应可以通过使用光学、电学、机械或者磁信号变换方法进行检测。特别优选光学方法，比如化学发光、电化学发光、酶促诱变的颜色变化的吸收检测、酶促诱发的荧光基质转化的荧光检测、α屏蔽或者均质时间分辨荧光。α屏蔽是一种均质检测方法，其中光诱发的单线态氧在第一珠粒上形成，和扩散至经生物化学结合反应偶联在第一珠粒上的第二珠粒上之后，激发它化学发光。
在另一具体实施方案中，构建自动取样器的集成，其收集和冷却样品。
根据本发明的一个优选实施方案，该模块化结构还反映在过程分析系统的控制程序中。优选对于各个模块，驱动软件储存在系统的控制单元中，同时在分散控制-和电源装置中原位运行。为了根据用户预定的运行程序进行无菌取样、自动样品制备、分析和净化的步骤，自动化部件的控制程序读取该驱动软件。通过控制-和供应部件，压缩空气、蒸汽、净化液体和运送液体通过供应-和运送导管向取样阀门中的递送可以得到保证和调节。
在过程分析系统的一个具体实施方案中，控制数个反应器，特别是生物反应器，它们彼此独立地运行。各个取样设备可以经其自身的控制单元以分散的方式运行，由此独立地控制。此外，利用不同细胞系工作和形成不同产品的几个反应器可以利用一个过程分析系统进行操作，由此是特别廉价的，因为巧妙的净化管理系统可以防止各个反应器的相互污染。所述过程分析系统具有在各个取样设备上原位运行的分散自动化单元，所述各个取样设备经所有的标准总线系统连接到中心SPS上。按照这种方式，各个单元可以不产生任何问题的接通和断开。
根据本发明的另一优选实施方案，控制程序的步骤由可以由用户定义的参数确定。例如，用户可以经常规的个人电脑的图形用户界面选择可用的模块，通过所述模块进行实施。这样，取样、样品制备和样品分析的步骤顺序可以借助于表格形式借助于模块进行限定。
然后，描述该过程的参数可以由PC输出和传送到调节系统的控制单元。在那里，这些参数确定控制程序的程序步骤。由此，这些参数确定控制程序中调动各个驱动程序以及控制程序向驱动器软件设定控制参数的顺序，从而使得具体模块实现具体的作用。
这种情形中的具体优点在于电脑专家不需要确定控制程序的程序过程，因为程序过程可以通过选择模块和意欲进行的作用经图形用户界面以直观的种类和方式进行。特别是，实验员或者技师可以由此使用图形用户界面描述和跟踪他先前手工进行的步骤。然后，该描述被用作控制程序的参数化方法，从而使得后者以所需顺序访问分别需要的驱动器软件。
根据本发明的一个优选实施方案，自动化元件被用作控制单元，例如Siemens AG公司的Simatic S7。所述自动化元件被设计用于在工业环境中无问题连续应用，因此将不会象常规的PC一样“崩溃”。该情形中的具体优点在于PC和控制单元可以在系统运行期间彼此断开，其中用户通过PC输入过程。也就是说，在确定程序过程的参数已经由PC传送到控制单元之后，PC可以与控制单元断开连接。因此，独立于PC的控制单元运行成为可能。
根据本发明的过程分析系统的另一元件是传送装置，其目的是确保确定体积的敏感样品从取样设备被平缓、无阻断和无损失地传送到制备或者分析站。
传送装置通常包括运送导管，和至少一个促进样品或者等份试样平缓通过运送导管的系统。
因此，本发明的另一主题是用于运送含有机械敏感材料并且特别是活细胞的悬浮液的运送装置，其包括运送导管和至少一个促进样品或者等份试样通过至少两个量液管的运送导管的系统，其中所述量液管根据以下步骤运行：
a)填充(aufgezogen)第一量液管，
b)在第一量液管即将达到限度之前，填充第二量液管和接替运送，其中样品不经受任何附加加速也不进行短暂中间停顿，
c)将第一量液管从运送导管上分离，并再次排空，从而使得它可以再次使用，
d)重复步骤a)～c)。
优选量液管利用至少一个阀门岛与运送导管连接，其中所述量液管和阀门岛由自动化系统控制，从而使得运送速度的精确调节可以得到确保。
惊人地发现，利用通常直径0.5～3mm，或者优选1～2mm的运送导管，精确调节和优选恒定保持1～10m/min，或者优选2.5～3.5m/min的运送速度可以使得生物材料并且特别是活细胞材料的样品得到小心运送。运送速度的可允许变化为30％，优选至多2％。
利用根据本发明的方法，生物材料并且特别是活细胞材料可以从多个反应器中通过导管被运送更长的距离，在运送速度变化更小的情况下，不会产生中断和由此特别小心(Schonend)和无损失。对于杂交瘤细胞和SF9昆虫细胞，这得到了证实。对于机械敏感材料并且特别是活细胞的悬浮液，优选保持限定的运送速度，因为，如果运送速度过大，材料会被破坏，例如因为剪切力被破坏，和如果运送速度太慢，材料会在水平布线的导管内沉淀成沉积物。所述运送优选气动或者利用液体实现。
在具体实施方案中，量液管还确保样品的等分(Aliquotierung)。
如果需要分析无细胞样品，通过直接调节在取样阀探头上的过滤器的孔隙宽度，细胞可以通过过滤得到分离。另外地，样品可以在制备站中进行过滤或者可以被收集在容器中以在其中形成沉积。沉积之后，将贫细胞的样品从上清液中除去、过滤和递送到分析器。未使用过滤器和由此几乎不需要保持的另一种情形是以<1m/min的速度运送样品。在长于5m的导管中，所有的细胞在运送期间都沉淀在导管中，从而使得不再需要过滤以进一步处理的无细胞样品可以被收集在取样容器中。
优选运送导管，优选用Peltier元件进行控制，可以被温度控制在0℃～100℃之间的温度，优选4℃～37℃之间的温度。另外地，温度控制经加热的双壳导管实现。
优选样品运送装置具有两个各自通过阀门岛连接至运送导管的量液管，其随后连接在一个或多个取样阀、制备-或分析站以及空气或运送-和/或清洗液源上。
优选运送导管具有至少一个控制单元，其特别是监控和控制运送导管中的流量、压力、光密度或者蔽光性，以避免导管堵塞。
对于可靠的、长期发酵过程而言，灭菌是极端重要的。根据本发明的过程分析系统的优点在于取样阀可以与反应器，特别是生物反应器一起进行热压处理，和它的供应导管通过无菌连接件被隔离。此外，优选用于取样和样品运送的装置用水蒸汽、无菌水或者灭菌溶液进行净化。在分析之后，取样阀和运送导管通常进行充溢，优选用蒸汽进行充溢，和被加热至通常100～135℃的温度，以除去任何细胞残余物和对系统进行灭菌和净化。另外地，净化还可以使用无菌水或者灭菌冲洗溶液实现。然后，为了冷却和干燥样品运送系统，通常将无菌的、干燥空气运送通过取样阀和导管。在后方阀门内部，优选取样阀还具有用于更好的原位净化取样阀的辅助喷嘴。辅助喷嘴可以用于确保后方阀门内部没有形成不利于净化的气泡和在其上部没有形成盲区。
在样品已经运送和然后进行分析和记录之后，用于取样和样品运送的装置，并且特别是取样阀和运送导管通常用就地净化介质进行充分净化和用无菌空气进行干燥。
为了预防在随后的干燥过程中，在接触产品的表面上形成包衣，在最后就地净化或者就地灭菌净化工艺期间，确保用软化水进行充分充溢是重要的。
通过直接连接至调节和控制过程的过程控制系统和/或SPS通过集成所得的分析值(Analysenwerte)，本发明允许完全自动化样品分析，包括在无菌条件下进行无菌取样、-运送、-制备和-分析。这特别是确保了较低限定样品体积的采集和小心运送，特别是含细胞样品，任选，细胞分离和液体样品制备和-分析。本发明允许灵活配制运行程序和自动将样品制备和试样等分修正至运行程序以及在系统中可利用的分析器的有效需求范围之内。
在此描述的用于生物过程的过程分析系统的显著优势还在于可以控制数个生物反应器，其可以彼此独立地运行。各个阀门可以分散(dezentral)控制，因此可以独立地控制。此外，可以设想，利用不同细胞系工作和形成不同产品的几个反应器可以利用一个过程分析系统进行操作，由此是特别廉价的，因为巧妙的净化管理系统可以避免各个生物反应器的相互污染。
这是当今可以市场获得的系统的一种具有明显成本效益、更灵活和更可靠的替代品，因为来自于数个生物反应器的不同样品在中心“智力”中进行收集、处理和测定，和它并不需要对各个生物反应器提供昂贵的分析系统。此外，集成的自动化单元允许对生物过程进行调节和控制。
附图说明
附图：
下图用于说明本发明而非进行限制。
图1a：生物反应器上的处于开放状态的取样阀
图1b：生物反应器上的处于闭合状态的取样阀
图2：开放状态的取样阀的侧视图
图3a：取样阀的向下倾斜安装
图3b：取样阀的水平安装，同时样品室相对于喷管轴(Stutzenachse)倾斜
图3c：取样阀的90°向下倾斜安装
图4：数个生物反应器与中心分析站的连接
图5：样品运送、-制备和-分析，和生物过程的控制和调节
图6：流程图
附图标记(Bezugzeichen)：
1. 生物反应器
2. 取样阀
3. 样品室
4. 运送导管
5. 中等气压
6. 连续的塞子
7. 目标位置(Zielort)
8. 量液管
9. 保留的样品(Rückstellproben)
10. 样品分析
11. 数据输出和数据库存储
12. 计算机系统
13. 自动化系统
14. 标准化的发酵罐喷嘴
15. 弹簧
16. 前方密封件
17. 后方密封件
18. 连接轴
19. 膜
20. 止退板
21. 压板
22. 提升压缸
23. 密封装置
24. 进口
25. 流出喷嘴
26. 辅助喷嘴
27. 螺旋接头(Verschraubung)
28. 密封装置
29. 密封装置
30. 密封装置
31. 入口通道
32. 探头
33. 控制
34. 安装在连接轴上的导管
35. 阀门
36. 后方阀门内部
37. 快速闭合偶联物
38. 耦合元件
39. 过滤器
40. 密封装置
41. 盖
42. 阀杆
43. 孔
44. 三通旋塞
45. 取样阀
46. 分散控制-和供应单元
47. 手工取样的分散局部控制(Vor-Ort-Steuerung)
48. 中心的自动化单元
49. 控制单元
50. 手工取样
51. 量液管1
52. 量液管2
53. 中心收集槽
54. 探针
55. 搅拌器
56. 细胞计数器
57. 分析器1
58. 分析器2
59. 色谱系统
60. 生物传感器
61. 废物容器
62. 过滤器
63. 压缩空气
64. 水
65. 净化介质
66. 运送介质
67. 蒸汽发生器
68. 阀门
69. 阀门
70. 试样等分
图1a显示了安装在生物反应器(1)中的开放的取样阀(2)，其具有限定体积的样品室(3)，当阀门开放时样品初始流入其中。后方密封件(17)限定取样体积和允许采集小的、限定的体积。前方密封件(16)避免能够流出生物反应器的液体进一步浸入取样阀。在阀门闭合之后(图1b)，通向连接的运送导管(4)的通道被空出来。然后，样品作为基本上连续的塞子(6)被运送到目标位置(7)，中心的样品制备-和/或分析站。通过适宜的相互作用，优选使用两个量液管(8)以允许连续的运送速度，和因此特别小心地和毫无损失地运送通过导管。细胞悬浮液被收集在样品收集槽中。然后，在那里进行多种样品分析(10)的测量，例如试样等分、细胞分离、多种分析方法的使用，或者闭合、识别和冷冻保留的样品(9)。最后，在对测量结果进行审查之后，以适于质量保证的方式将数据输出和数据库存储到计算机系统(12)中。然后，将分析结果转入自动化系统(13)中。
如图2中的例证性实施方案所示，类似于标准探针，将取样阀(2)借助螺旋接头(27)装配入直径DN25的标准化发酵罐喷嘴(14)中。取样阀(2)通过密封装置(29)，优选所谓的O-环，被密封在喷嘴内。在无能量状态中，取样阀(2)通过密封的后方密封件(16)关闭反应器空间。闭合作用力通过预拉伸弹簧(15)，优选盘簧，经连接竿(18)从压板(21)传动到后方密封件(17)。通过密封装置(30)，优选O-环，后方密封件(17)经表面加压(Flachenpressung)被压在阀杆(42)上。当通过驱动可热压处理的提升压缸(22)开放阀门时，直接反作用于弹簧(15)的回复力被传送到导杆(18)。挤压在两个止退板(20)之间的膜(19)固定在该导杆(18)上。导杆上的压力导致膜(19)弯曲，其密封封闭样品室(3)和在后方阀门内部(36)，使其与环境分离。同时，前方密封件(16)在朝向生物反应器内部的方向上开放，和后方密封件(17)封闭在圆柱形的样品室(3)上和通过密封装置(40)进行封堵。在该开放的阀门状态下，封闭在样品室(3)中的气泡被释放入生物反应器(1)中，其中限定体积的样品从生物反应器流入样品室(3)中。在探头(32)上，取样阀被自净过滤器(39)保护，从而使得较大聚集体不能进入样品室(3)和运送导管(4)。该过滤器(39)围绕部分探头和防止聚集体进入阀门。在此过滤器的孔(43)的宽度为0.5mm～2mm，优选1mm。为了采集无细胞样品，可以使用孔隙宽度0.02-2μm，优选0.45μm的过滤器表面。在开放状态中，盖(41)在朝向发酵罐的方向上被打开，由此形成开放区域。一些孔(43)被描绘成白色箱体，样品可以通过它从所有方向进入阀门。在经控制(33)气动地释放提升压缸(22)之后，阀门闭合。盖(41)在朝向阀门的方向上移动和从内部填充过滤器(39)的中空室，即通过盖(41)将孔(43)与内部闭合分离。安装在连接轴上的导杆(34)可以用于确保密封面的位置。为了运送样品，通过进口(24)和入口通道(31)将气体或者液体引入，和慢慢地将样品室(3)中的样品移位到后方阀门内部(36)中和流出喷嘴(25)。进口可以经阀门(35)保护，优选止回阀。另外布置在后方阀门内部(36)上的辅助喷嘴(26)允许更好的原位净化。为了降低膜上的负荷，后方阀门内部(36)具有比样品室(3)更大的直径。辅助喷嘴(26)确保，不形成对净化不利的气泡，和由此防止后方阀门内部(36)的上部存在盲区。对于样品运送，样品在气体压力下或者通过液体经流出喷嘴(25)传送入运送导管(4)中。
图3a显示了优选的实施方案，其中取样阀(2)向下倾斜安装在生物反应器壁上。
图3b显示了阀门的另一优选实施方案，其中圆柱形的样品室(3)自身相对于喷管轴线倾斜。
图3c显示了阀门的另一优选实施方案，其中取样阀以90°向下倾斜安装在生物反应器壁上。
图4显示了通过可热压和可蒸汽灭菌的快速闭合偶联件(37)将取样阀连接在由供应导管、净化导管和运送导管组成的导管系统上的可能方式，所述快速闭合偶联件(37)在松开状态中具有防止两个偶联件(38)的无菌内表面受到污染的闭合机构。样品被运送入中心样品制备和/或样品分析站(7)中。此外，可以控制数个彼此独立地运行的生物反应器。各个阀门可以分散驱动，和由此是独立控制的。
图5显示了中心样品制备-和/或样品分析站，为了清楚起见仅仅具有一个取样系统(45)。供应导管以连续线显示，组分控制由虚线表示。在所有情形中，这些线上的箭头表示流通方向。过程分析系统具有在各个取样系统上分散原位运行(47)的分散控制-和供应单元(46)。其经中心自动化单元(48)进行流通。分散控制-和供应单元(46)调节压缩空气、蒸汽、洗涤液和运送液体的传递。控制单元(49)被集成入取样系统(2)和三通旋塞(44)之间的运送导管中。三通旋塞(44)允许手工取样(50)。为了确保样品的运送和试样等分(70)，两个量液管(51，52)通过自动化系统控制。样品被运送入中心收集槽(53)中。在那里，探针(54)表征样品，和另外集成搅拌器(55)。为了确定用于进一步处理的样品是否可以进行稀释、浓缩或者保持未处理，信号被传送到自动化系统。在收集槽中样品被分配给多种分析器：未过滤的样品在细胞计数器(56)或者在分析器1(57)中进行检测。另一部分样品通过过滤器(62)和被分配给分析器2(58)、色谱(59)和/或生物传感器(60)。所有的分析器(56-60)都与废料容器(61)连接，然而为了清楚起见，连接未示出。所述分析器可以以其数目和排列任意组合。如果对于不同的分析器需要不同的制备步骤，中心收集槽(53)中的样品可以对于各个单独的分析器相应地预备。为了调节和/或控制生物过程，所有测量值都被传输到自动化系统中。所有样品都收集在废料容器(61)中。
图6显示了流程图。在从生物反应器中取样之后，将整个样品小心地运送入中心收集槽中。在初步检测中，用传感器表征样品。如果浓度过高，启动传感器控制的样品稀释程序。重复上述过程，直至样品在期望的浓度范围内为止。此后，启动样品制备程序和在各种分析器中对样品进行测量。将分析结果转入到过程控制系统中。在所有测量完成之后，开始对阀门和导管进行蒸汽灭菌和净化。过程控制系统利用分析结果来调整工艺。
具体实施方式
实施例：
以下实施例确定根据本发明的样品分析系统的可用性，并不将该系统限于该应用。
实施例1
借助于根据本发明的取样阀，将12ml SF9昆虫细胞样品从生物反应器中除去和以3m/min的速度通过软管(内径1.5mm，长度10m)运送入根据图5的样品分析系统中。一个样品从生物反应器中人工采集和测量，和一个样品用取样阀采集，通过样品运送装置进行运送并且进行测量。借助于CEDEX分析器(Innovatis公司)，在此确定活细胞与死细胞的比例在运送前后相同。此外，在细胞测定站(56)上，利用CEDEX分析器已经证实，细胞的回收率>90％。这证实了根据本发明的样品分析系统适用于采集和运送活细胞。
实施例2
利用根据本发明的取样阀，将10ml对抗肿瘤形成抗体的杂交瘤细胞样品从生物反应器中除去，和以3m/min的速度通过软管(内径1.5mm，长度5m)运送入根据图5的样品分析系统中。一个样品从生物反应器中人工采集和测量，另一个样品用取样阀采集，通过样品运送装置运送入过程分析系统中并且进行测量。借助于CEDEX分析器(InnovatisAG公司)，在此确定活细胞与死细胞的比例在运送前后相同。此外，在细胞测定站(56)上，利用CEDEX分析器已经证实，细胞的回收率>95％。这证实了根据本发明的样品分析系统适用于采集和运送活细胞。
Claims (20)
1.一种以降低的样品机械载荷从生物反应器中采集限定体积的样品的取样阀，其包括限定体积的样品室、前方密封件和后方密封件，其中所述前方密封件经朝向生物反应器内部的方向上的连接轴开放，和同时，后方密封件相对于样品室闭合。
2.如权利要求1要求的取样阀，其中取样阀通过驱动提升压缸被开放。
3.如权利要求2要求的取样阀，其中提升压缸气动或者电动控制。
4.如权利要求1～3之一要求的取样阀，其中闭合作用力通过弹簧经连接轴从压板传动到后方密封件。
5.如权利要求1～3之一要求的取样阀，其中闭合作用力通过盘簧经连接轴从压板传动到后方密封件。
6.如权利要求1～3之一要求的取样阀，其中导杆安装在连接轴上以确保密封件的位置。
7.如权利要求6要求的取样阀，其中膜被安装在导杆上。
8.如权利要求1～3之一要求的取样阀，其中取样阀在朝向反应器内部开放时由自净过滤器保护，防止渗入较大的聚集体。
9.如权利要求1～3之一要求的取样阀，其中限定体积为2～200ml。
10.一种过程分析系统，其包括从反应器中采集样品的装置，样品运送装置，任选的试样等分-和/或样品制备站，和至少一个样品分析器，其特征在于，用于采集样品的装置是如权利要求1～9之一要求的取样阀。
11.权利要求10要求的过程分析系统，其特征在于，所述样品分析器是细胞计数器、色谱系统或生物传感器。
12.如权利要求10要求的过程分析系统，其特征在于，它连接在自动化系统上或者可编程控制器上以引导、控制和/或调节反应器中的工艺。
13.如权利要求12要求的过程分析系统，其特征在于，所述自动化系统是过程控制系统。
14.如权利要求10的过程分析系统，其特征在于，所述过程分析系统具有自监控设备。
15.如权利要求14要求的过程分析系统，其特征在于，所述自监控设备比较样品性能与分析站的要求，和控制样品的制备。
16.如权利要求10要求的过程分析系统，其特征在于，用于运送含有机械敏感材料的悬浮液的样品运送装置包括运送导管和至少一个促进样品或者等份试样通过来自至少两个量液管的运送导管的系统，其中所述量液管利用以下步骤操作：
a)填充第一量液管，
b)在第一量液管即将达到限度之前，填充第二量液管和接替运送，其中样品不经受任何附加加速也不进行短暂中间停顿，
c)将第一量液管从运送导管上分离并再次排空，从而使得它可以再次使用，
d)重复步骤a)～c)，其中利用直径0.5～3mm的运送导管，样品或者等份试样以1～10m/min的预定运送速度传送。
17.如权利要求16要求的过程分析系统，其特征在于，含有机械敏感材料的悬浮液是活细胞的悬浮液。
18.如权利要求10～17之一要求的过程分析系统用于控制一个或者多个彼此独立运行的反应器的用途。
19.如权利要求18要求的用途，其中所述反应器是具有不同细胞系的生物反应器。
20.如权利要求10要求的过程分析系统，其特征在于，样品分析器进行反应产品或二级组分的生化分析。
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