CN101443444A - 生物反应器过程控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种生物反应器,包括连接到无模型自适应控制器或优化器的传感器。该传感器可提供一种量的实时测量,该量与最终产物滴定度或其它期望的产物质量特性相关。
Description
优先权声明
本申请要求申请号为No.60/639,816,申请日为2004年12月29日的美国临时申请的优选权,此处完整引入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种控制系统。
背景技术
生物反应器控制架构利用多个单输入单输出(SISO)的控制回路以控制变量(例如温度、搅拌速度、压力、溶解氧、pH等)到特定的设定值。所有这些变量不同程度上相互作用(也就是说,它们的控制回路相连接),并且影响最终的产物滴定度以及其它期望的产物质量特性。这些控制回路之间的连接通常被忽视,并且为达到持续生产给定产物和产量的目的,变量的设定值是固定的。管理上的限制也强化了这种用于生物反应器的传统的SISO控制方法。向FDA递交关于控制架构和与之关联的控制回路的设定值的申请并获得批准后,通常很难再进行改变,因为FDA核准的制造设施内的操作环境是规定的和高度控制的。
典型的高级控制策略需要一种将被控制的该过程的模型。然而,该模型往往难以确定和准确验证。另外,该模型可能会根据操作的阶段而实时变化。
发明内容
利用一种自适应控制器,可控制生物反应器。该自适应控制器也可用于最优化生物反应器条件。该自适应控制器可以是,例如,一种无模型(model-free)自适应控制器(MFA)。无模型自适应控制器不需要被控制的过程的模型。输入变量可彼此去连接并分别被控制。该MFA控制器可确定并促使所要求的输出变量进行改变来满足期望的输入测量。该输入测量可提供一种变量的实时确定,该变量与最终产物的滴定度(例如活细胞密度(VCD)),或者其它期望的产物质量特性或过程指标相关。合适的输入测量的示例包括二氧化碳产生率、生物量浓度、氧摄入速率、底物浓度、以及葡萄糖摄入率。例如,通过传感器在该生物反应器中监控一个特定的质量参数,可提供输入测量。
在一个方面,一种生物反应器包括细胞生长容器和传感器,其中该传感器被配置来测量该容器内的条件,并提供到无模型自适应控制器的输入。
该传感器可测量与产物质量特性相关的条件。该产物质量特性可以是最终产物滴定度。该传感器可被配置为提供实时输入。该传感器可直接或间接测量活细胞密度。该无模型自适应控制器可被配置为将输出与设定值相比较。该无模型自适应控制器可被配置为提供输出到执行器(actuator)。该传感器可被配置为测量活细胞浓度、温度、搅拌速度、压力、溶解氧或者pH。该生物反应器可包括第二传感器,其被配置为测量在该容器中的第二条件并提供第二输入到该无模型自适应控制器。
在另一个方面,一种培养活细胞的方法包括在容器中孵育该细胞,测量该容器内的一个条件,利用无模型自适应控制器或优化器比较测量值与设定值,以及基于比较调整该容器内的条件。
在另一个方面,一种培养活细胞的方法包括在容器中孵育该细胞,测量该容器内的多个条件,利用无模型自适应控制器分别比较多个测量值与设定值,以及基于至少一个比较调整该容器内的条件。
该条件可以是活细胞密度、温度、搅拌速度、溶解氧、pH、浊度、传导率、压力、NO/NOx、TOC/VOC、氯、臭氧、氧化-还原电势、悬浮固态物、或者其它通过其它方法完成的其它过程条件,例如,电化学、红外、光化学、雷达、影像、放射、脉冲色散和质谱分析法、声学、X线断层摄影术、气相色谱法、液相色谱法、分光光度法、不透明度、热传导率、折射分析法、应变、或者粘度。该容器内的多个条件可基于至少一种比较被调整。
该条件可与产物质量特性相关。该产物质量特性可以是最终产物滴定度。条件测量可以包括实时测量。条件测量可包括测量该活细胞密度。该方法可包括调整该设定值。该设定值可根据预定的轨线被调整。该轨线可为一定的产品质量特性或多个品质最优化。
在另一个方面,一种生物反应器包括细胞生长容器,传感器,其配置为测量该容器中条件,其中该条件与最终产物滴定度相关,以及无模型自适应控制器,其配置为从该传感器接收测量并提供输出到执行器。
该传感器可被配置为测量活细胞密度。该传感器可被配置为实时测量条件。
在另一个方面,一种选择用于生物反应器过程的条件的方法包括在容器内孵育多个细胞,测量容器内的多个条件,以及利用无模型自适应控制器确定被选择条件的优选水平。
一个或多个实施方式将结合附图和以下说明详细描述。其它的特征、目的以及优势通过说明书、附图以及权利要求书可明显看出。
附图说明
图1是生物反应器的示意图;
图2是单输入单输出控制回路的示意图;
图3A-3D是描绘期望的轨线和生物反应器过程测量结果的曲线图。
具体实施方式
大体上,生物反应器是一种用于培养活细胞的设备。该细胞可产生期望的产物,例如,蛋白质,或者代谢物。该蛋白质可以是,例如一种药用蛋白,例如一种可识别期望标靶的蛋白。该蛋白质可以是一种抗体。该代谢物可以是一种由细胞的代谢作用产生的物质,例如,一种小分子。小分子可具有小于5000Da的分子量,或者小于1000Da的分子量。该代谢物可以是,例如,单糖或多糖、类脂、核酸或核苷酸、肽(例如,小蛋白质)、毒素、或者抗生素。
该生物反应器可以是,例如,搅拌罐式生物反应器。该反应器可包括一个容置液态培养基的罐,活细胞悬浮于该液态培养基中。该罐可包括用于添加或移除培养基,用于添加气体或液体到该罐的端口(例如,添加空气至该罐、或利用酸性或碱性溶液调整该培养基的pH),并且包括允许传感器在该罐内的空间取样的端口。该传感器可测量该生物反应器内的条件,例如,温度、pH、或溶解氧浓度。该端口可被配置为在该罐内保持无菌条件。其它的生物反应器设计在本领域中是熟知的。该生物反应器可用于培养真核细胞,例如酵母、昆虫、植物或动物细胞;或者用于培养原核细胞,例如细菌。动物细胞可包括哺乳动物细胞,其中一个例子为中国仓鼠卵巢(CHO)细胞。在一些场合,该生物反应器可带有一个用于细胞附着的支持件,例如当附着在支持件时,该培养的细胞可更好地生长时。该罐可具有宽泛的体积容量范围—从1L或更少到10,000L或更多。
参考图1,生物反应器系统100包括容置液态细胞培养物120的容器110,液态细胞培养物120可由搅拌器130进行搅拌。该容器内的条件由多个传感器监测,如图所示的传感器150、160、170以及180。每个传感器分别独立地为控制器300提供测量,作为输入250、260、270和280。控制器300将每个输入与设定值相比较,并分别提供输出350、360、370和380。每个输出350、360、370和380分别影响执行器450、460、470和480的操作。接下来,每个执行器450、460、470和480的操作分别影响由传感器150、160、170和180监测的条件。利用这种方法,传感器、输入、控制器、输出和执行器组成的控制系统可用以在容器内保持被监测的条件于设定值。出于简便的原因,此处描述的生物反应器系统100具有四组传感器、执行器以及与之相关联的输入、输出,但可以使用任何数量。传感器可与液态培养基或者与顶部空间气体相接触。执行器可传递物质到该容器(例如,酸或碱溶液,以改变液态培养基的pH),或者可改变该生物反应器系统的其它功能(例如加热或搅拌速度)。
生物反应器过程控制的一个重要目标是最大化在该过程最后获得的产物数量(例如,最终产物滴定度)。生物反应器通常通过为每个过程参数固定设定值而被控制。该设定值可在该过程的一个或多个阶段期间,或者在该过程的持续期间保持不变。该设定值可以预先被确定,例如在该过程的小规模开发测试时被确定。在小规模测试时,生物反应器条件可每次一个被变化,并为每个条件确定最优水平。这些最优水平可成为大规模过程操作中的设定值。但是,选取的设定值可能不代表用于最大化最终产物滴定度的最好可能的设定,例如,当过程变为大规模加工环境或配置不同的过程容器时。另外,产物产量可由批次不同而改变,甚至每个批次的生物反应器控制条件彼此相同时也是如此。批次间差异可能是因为到该系统的外部输入,例如原材料。原材料的成分对受关注的最终产物品质可能具有有害的影响。SISO控制架构不提供实时的受关注的质量特性测量,并且不具有影响多个输出的能力,因此没有办法进行必要的纠正行为以解决原材料差异。
图2表示了一种SISO控制回路,利用pH控制作为示例。图2中,pH是由pH控制算法控制的变量对象。期望的pH(即设定值)与测量的pH之间的差异被计算以提供误差。该误差为到控制器功能的一个输入,该控制器功能提供一个输出到执行器。对于pH控制而言,该执行器可以是添加酸或碱(依需要)到该容器的泵。该过程(例如,容器内的条件)中执行器的行为改变该pH,其由一个传感器测量(例如pH电极)。将该测量与设定值相比较,进而再次产生误差信号,从而完成该控制回路。
控制器300可以是一种自适应控制器或优化器,它可通过改变一个或多个过程参数的设定值响应在过程状态内的变化。使用自适应控制器控制生物反应器过程的各方面,可提高产物产量以及产物产量的批次间重复性。
该自适应控制器可接收实时输入。该实时输入可以是过程参数的一个测量。该自适应控制器可通过改变过程参数的设定值,响应实时输入的变化。该实时输入可以是与最终产物滴定度相关的测量。
自适应控制器频繁地需要该过程的模型来工作。该模型可包括有关控制环连接的信息:一个过程参数的变化是如何影响其它过程参数的。例如,温度的变化可能会导致pH的变化。在该自适应控制器中使用的模型必须准确地反映所有控制回路之间的连接关系,以成功地控制该过程。准确的模型是难以或者不可能确定的。甚至当一个模型被成功使用时,也仅仅是当该过程参数与各自的设定值(围绕该设定值,观察和建立该模型)接近时,它才是有效的。
该自适应控制器可以是一种无模型自适应(MFA)控制器。该自适应控制器可以用作优化器,即为该过程确定优选的条件。无模型自适应控制器是一种可以改变过程条件设定值的控制器,但不使用该过程的数学模型。该MFA控制器利用动态反馈系统以调节输出和设定值。该动态反馈系统可以是人工神经网络。该MFA控制器可以是单输入单输出(SISO)控制器或者多输入多输出(MIMO)控制器。例如,MFA控制器在如下美国专利中被描述:美国专利No.6,055,524、6,360,131、6,556,980、6,684,112、以及6,684,115;每件专利均完整并入作为参考。
与其它自适应控制器不同,MFA控制器不需要将要被控制的过程的模型。因为MFA控制器不使用模型,它可用于无法确定模型的过程,或者在模型不能准确描述该过程的情况下可成功操作。该MFA控制器适合于带有连接的控制回路的过程,这些控制回路之间的连接关系尚未被完全理解。频繁地,生物反应器过程具有连接的控制回路,并且不能被准确地建模。
产物滴定度的测量通常离线进行,并且在一段时间之前是不可得的。从开始产物滴定度测量(例如,通过由该生物反应器选取样品)到完成测量的时间相当长,以至于该信息不能被用作实时生物反应器控制的目的。实时传感器提供有关该产物滴定度的信息或其它受关注的产物质量特性,它可被用作到该控制器的输入。该控制器可调整一个或多个过程变量的输出或设定值,以将该产物滴定量保持为设定值。
可以为变量定义一个设定值轨线。该变量可以是产物滴定度或其它受关注的产物质量特性。该设定值轨线可被优化,以最大化该受关注的产物质量特性,或者该设定值轨线可被优化以为该产物质量特性保持期望的规格。该设定值可以作为在该过程中的时间的函数而变化。对于生物反应器过程,可以选择活细胞密度轨线,例如该细胞的理想或理论上的生长曲线。利用这种办法,该控制器可沿不变的、重复的路径驱动该过程,甚至对不同的批次也是如此。
图3A-3D显示了用于生物反应器过程的示例性轨线的曲线图。在图3A-3D的每幅图中,水平轴线代表时间。实线代表轨线,圆圈代表过程变量的实时测量。显示出的变量为具体的生长率(图3A)、生物量(图3B)、底物浓度(图3C)以及蛋白活性(图3D)。
最终产物滴定度可被生物反应器中存在的活细胞数量影响。活细胞的数量可遵守生长轨线,或者换言之,活细胞的数量可根据预定的路径,在该过程中作为时间的函数而增长。该路径可包括,例如,迟缓期、指数生长期和稳定期。更具体地,该生物反应器中存在的活单位生物量可影响最终产物滴定度。
传感器150、160、170和180可以是实时传感器,或者延时传感器。实时传感器提供被监测条件当其发生时的测量。而与之相反,延时传感器在该条件被测量时刻和报告该测量时刻之间引入延迟时间。例如,延时传感器可以是一种离线传感器,其中该液态培养基样品必须从该容器移至另外的场所以进行测量。
实时传感器可与最终产物滴定度相关。例如,VCD可由基于电容的传感器测量。其它参数可由基于NIR、拉曼或荧光的传感器测量。因为这些测量实时进行,因此它们可用作过程控制。其它的实时传感器测量技术包括:例如,pH、温度、浊度、传导率、压力、电化学、红外、光化学、雷达、影像、放射、脉冲色散和质谱分析法、声学、X线断层摄影术、气相或液相色谱法、多组分和多传感分析器、不透明度、氧气、NO/NOx分析器、热传导率、TOC/VOC分析器、氯、浓度、溶解氧、臭氧、ORP传感器、折射计、悬浮固体、应变测量、细胞核、粘度、X-射线、氢气。
传感器及其在控制系统中的应用在例如下列文献中被描述:Bentley,J.P Principles of Measurement Systems;Liptak,B.G,Instrument Engineers Handbook,第三版,和Instrument EngineersHandbook,Volume I,第四版;Spitzer,D.W.,Flow Measurement:Practical Guides for Measurement & Control;以及Perry R.H.和Green,D.W.,Perry′s Chemical Engineer′s Handbook。每种文献均在此完整引入作为参考。在线和实时传感器可以从,例如,EmersonProcess Management、ABB、Foxboro、Yokogawa、和Broadley-James获得。
例如,活细胞密度(VCD)可通过获取培养基样品并计算存在的细胞数量而被测量。活细胞密度可利用射频阻抗测量方法测量。带有完整细胞质膜的细胞可在电场的影响下作为微小的电容。该细胞质膜的不导电特性允许电荷的积累。所导致的电容可被测量;它取决于细胞类型,并与存在的活细胞浓度成正比。具有四个电极的探针应用低电流的RF场到该生物量,它穿入该电极的20至25mm内。该探针对带有渗漏膜、气泡、细胞碎片以及其它培养基成分的细胞是不敏感的,因此它仅探测活细胞。与光学探针不同,它不形成污垢,并且可对宽泛范围的活细胞浓度提供线性响应。用于在生物反应器过程中实时测量VCD的系统是商业可购得的,例如从位于英国Aberystwyth市的Aber Instruments购得。参见,例如,Carvell,J.P,Bioprocess International,January 2003,2-7;以及Ducommun,P.et al.,Biotech.and Bioeng.(2002)77,316-323,每种文献均在此通过引用被整体合并。
在生物反应器中生长的细胞可被工程化,以产生可被容易测量的物质。该可被容易测量的物质优选地以已知的或者预测的速率被生产和/或移除,从而对该介质中物质数量(或浓度)的测量提供关于该细胞的信息。例如,该物质的浓度或数量可以与细胞数量、生物量或活细胞密度相关。该可被容易测量的物质可以是,例如,发光物质。该发光物质可优选地利用实时传感器进行测量。
例如,该细胞可被工程化以表达荧光蛋白,例如绿荧光蛋白。被表达的荧光蛋白的量,以及从而该细胞培养物的荧光密度可与该活细胞密度相关。测量荧光蛋白荧光密度的传感器可以结合入生物反应器。参见,例如,Randers-Eichhorn,L.et al.,Biotech.and Bioeng.(1997)55,921-926,在此通过引用被整体合并。
传感器可监控该生长培养基中一种或多种化合物的存在,例如通过使用IR或拉曼光谱。例如,可使用IR光谱测量气体的浓度,例如NO、SO2、CH4、CO2和CO。拉曼光谱可测量来自分子的散射光的波长以及密度。但是,一小部分在其它方向散射。利用拉曼光谱,该拉曼探针可探测环绕该探针的培养基中的有机或无机化合物。该探针通过蓝宝石窗口使用激光束。当光线射到样品时,它使分子以不同的方式振荡,并产生指纹(fingerprint)。该指纹被抓取,并通过光纤光缆输送至分析器,在该分析器中它与已知的信号相比较。
传感器可使用于生物反应器,该生物反应器由无模型自适应控制器或优化器控制。该无模型自适应控制器可接收来自于实时传感器的输入,该输入与最终产物滴定度相关。该传感器可以是,例如,电容传感器、NIR传感器、拉曼传感器或荧光传感器。该传感器可测量活细胞密度、生物量、绿荧光蛋白、或其它期望的产物质量特性,例如该培养基中的物质。该物质可以是,例如,但不局限于,脂肪酸、气体、氨基酸、或糖。MFA控制器可作为调整多个过程变量的多输入多输出(MIMO)控制器。MFA控制器可控制任何被控制的过程变量,例如,温度、压力、pH、溶解氧或搅拌速度。该MFA控制器可配置为最大化最终产物滴定度。
该控制器可提供控制执行器的输出,然后该执行器调整过程变量的水平。每个过程变量可具有一个设定值。输入可与对应的设定值相比较。每个输出可以是一个标记和量值,以调整过程变量趋向其对应的设定值,从而降低输入和设定值之间的差异。每个输入的设定值可由该控制器调整。
例如,如果在过程中,容器内的温度降到设定值以下,控制器可通过输送输出到影响温度的执行器(例如,加热器)而响应。该输出可以是积极输出,即它提高加热器的活性,从而增加该温度到设定值。该输出的量值可取决于设定值与测量的变量之间的误差。
设定值调整可设计为最大化一个特定的输入。该最大化输入可以是与最终产物滴定度相关的输入。该设定值可根据预定的轨线被调整,作为时间、细胞密度、或其它过程变量、或其它产物质量特性的函数而改变。该轨线可被选择以最大化最终产物滴定度。
已经描述了数个实施方式。但是,容易理解可以做出多种修改。因此,其它实施方式亦在后附权利要求的保护范围内。
Claims (34)
1.一种生物反应器,其包括细胞生长容器和传感器;其中该传感器被配置为测量该容器内的条件并提供输入到无模型自适应控制器。
2.根据权利要求1所述的生物反应器,其中该传感器测量与产物质量特性相关的条件。
3.根据权利要求2所述的生物反应器,其中该产物质量特性为最终产物滴定度。
4.根据权利要求2所述的生物反应器,其中该传感器被配置为提供实时输入。
5.根据权利要求4所述的生物反应器,其中该传感器直接或间接测量活细胞密度。
6.根据权利要求1所述的生物反应器,其中该无模型自适应控制器被配置为将该输入与设定值相比较。
7.根据权利要求1所述的生物反应器,其中该无模型自适应控制器被配置为提供输出到执行器。
8.根据权利要求1所述的生物反应器,其中该传感器被配置为测量活细胞密度、温度、搅拌速度、溶解氧、pH、浊度、传导率、压力、NO/NOx、TOC/VOC、氯、臭氧、氧化-还原电势、粘度或悬浮固态物。
9.根据权利要求1所述的生物反应器,其中该传感器被配置为利用从由以下方法组成的群中选取的方法测量该条件:电化学、红外、光化学、雷达、影像、放射、脉冲色散和质谱分析法、声学、X线断层摄影术、气相色谱法、液相色谱法、分光光度法、不透明度、热传导率、折射分析法、以及应变。
10.根据权利要求1所述的生物反应器,其进一步包括第二传感器,其被配置为在该容器内测量第二条件并提供第二输入到该无模型自适应控制器。
11.一种培养活细胞的方法,包括:
在容器中孵育细胞;
测量该容器中的条件;
利用无模型自适应控制器将该测量值与设定值相比较;
以及
基于该比较调整该容器中的条件。
12.根据权利要求11所述的方法,其中该条件为活细胞密度、温度、搅拌速度、溶解氧、pH、浊度、传导率、压力、NO/NOx、TOC/VOC、氯、臭氧、氧化-还原电势、粘度或悬浮固态物。
13.根据权利要求11所述的方法,其中测量条件包括利用从由以下方法组成的群中选取的方法:电化学、红外、光化学、雷达、影像、放射、脉冲色散和质谱分析法、声学、X线断层摄影术、气相色谱法、液相色谱法、分光光度法、不透明度、热传导率、折射分析法、以及应变。
14.根据权利要求11所述的方法,其中该条件是与产物质量特性相关的条件。
15.根据权利要求14所述的方法,其中该产物质量特性为最终产物滴定度。
16.根据权利要求14所述的方法,其中测量条件包括实时测量。
17.根据权利要求15所述的方法,其中测量条件包括测量该活细胞密度。
18.根据权利要求11所述的方法,其进一步包括调整该设定值。
19.根据权利要求18所述的方法,其中该设定值根据预定的轨线被调整。
20.一种培养活细胞的方法,其包括:
在容器中孵育该细胞;
测量该容器内的多个条件;
利用无模型自适应控制器分别将该多个测量值与多个设定值相比较;以及
基于至少一个比较,调整该容器内的第一条件。
21.根据权利要求20所述的方法,其中至少一个被测量的条件为活细胞密度、温度、搅拌速度、溶解氧、pH、浊度、传导率、压力、NO/NOx、TOC/VOC、氯、臭氧、氧化-还原电势、粘度或悬浮固态物。
22.根据权利要求20所述的方法,其中测量多个条件包括利用从由以下方法组成的群中选取的方法:电化学、红外、光化学、雷达、影像、放射、脉冲色散和质谱分析法、声学、X线断层摄影术、气相色谱法、液相色谱法、分光光度法、不透明度、热传导率、折射分析法、以及应变。
23.根据权利要求20所述的方法,其进一步包括基于至少一个比较,调整该容器内的多个条件。
24.根据权利要求20所述的方法,其中至少一个被测量的条件为与产物质量特性相关的条件。
25.根据权利要求24所述的方法,其中该产物质量特性为最终产物滴定度。
26.根据权利要求24所述的方法,其中至少一个被测量条件实时被测量。
27.根据权利要求26所述的方法,其中活细胞密度实时被测量。
28.根据权利要求20所述的方法,其进一步包括调整至少一个设定值。
29.根据权利要求28所述的方法,其中该设定值根据预定的轨线被调整。
30.一种生物反应器,其包括:
细胞生长容器;
被配置为测量该容器内的条件的传感器,其中该条件与最终产物滴定度相关;以及
无模型自适应控制器,其被配置为接收来自于该传感器的测量并提供输出至执行器。
31.根据权利要求30所述的生物反应器,其中该传感器被配置为测量活细胞密度。
32.根据权利要求30所述的生物反应器,其中该传感器被配置为实时测量该条件。
33.一种为生物反应器过程选取条件的方法,包括:
在容器中孵育多个细胞;
测量该容器内的多个条件;以及
利用无模型自适应控制器确定被选择条件的优选水平。
34.根据权利要求33所述的方法,其中确定被选择条件的优选水平包括确定该条件的最优化水平。
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