CN103339248B - 与单用途生物反应器/混合器结合的pH值传感器 - Google Patents

与单用途生物反应器/混合器结合的pH值传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种pH值检测生物反应系统。该系统包括具有塑料壁(50)的生物反应容器(51)和附接到所述塑料壁(50)的pH值传感器(40，60，80，100，120)。所述pH值传感器(40，60，80，100，120)包括具有密封地附接到所述塑料壁(50)的凸缘(76)的传感器主体(82)。该传感器主体(82)中具有基准电解液(142)和设置在所述基准电解液(142)中的第一检测元件(152)。所述第一检测元件(152)被构造为与所述生物反应容器内的所述基准电解液(142)和样本溶液(52)都接触。第二检测元件(62，92，148)能够定位到所述生物反应容器(51)的内部。所述pH值传感器(40，60，80，100，120)具有多种配置，包括所述至少一个检测元件与生物反应容器(51)的内部隔离的防护配置，和所述至少一个检测元件流体地连接到所述生物反应容器(51)的内部的工作配置。

Description

与单用途生物反应器/混合器结合的pH值传感器
背景技术
pH值测定是当今最常见的过程化学测量之一。pH值表示是水溶液中的氢离子和氢氧根离子的相对量的尺度。在发酵和细胞培养中，最严峻的程序挑战之一就是保持理想的pH值水平。发酵过程使用活的生物体，例如酵母、细菌、或真菌菌株，以产生活性成分。发酵过程通常具有相对较短的持续时间(2-7天)。细胞培养是哺乳动物细胞成长以产生活性成分的过程。细胞培养过程通常需要更长的时间(2-8周)。
在发酵和细胞培养领域中对于pH值测定而言，一个重要挑战是涉及发酵槽或生物反应器的清洗工艺。特别地，发酵槽或生物反应器在开始相应的程序之前必须被消毒以确保避免不同批次之间的交互污染或任何不期望的生长(growth)。此外，pH值传感器通常需要使用缓冲溶液接受两点校准。剩余的缓冲化学药品必须在发酵或细胞培养之前被清除。这种清理可能包括对发酵槽或生物反应器以及pH值传感器进行蒸汽消毒。暴露于高温之下，蒸汽和快速的热冲击可能严重地影响传感器的使用寿命。
发明内容
本发明提供了一种pH值检测生物反应系统。该系统包括具有塑料壁的生物反应容器和附接到所述塑料壁的pH值传感器。所述pH值传感器包括具有密封地附接到所述塑料壁的凸缘的传感器主体。该传感器主体中具有基准电解液和设置在所述基准电解液中的第一检测元件。所述第一检测元件被构造为与所述生物反应容器内的所述基准电解液和样本溶液都接触。第二检测元件能够定位到所述生物反应容器的内部。所述pH值传感器具有多种配置，包括所述至少一个检测元件与生物反应容器的内部隔离的防护配置，和所述至少一个检测元件流体地连接到所述生物反应容器的内部的工作配置。
附图说明
图1是本发明的实施例特别用于的pH值检测生物反应器系统的示意图。
图2是根据本发明实施例的处于防护(booted)位置的pH值传感器的横截面示意图。
图3是根据本发明实施例的处于工作位置的pH值传感器的横截面示意图。
图4是根据本发明实施例的处于工作位置的pH值传感器的透视示意图。
图5是根据本发明的另一实施例的pH值传感器的横截面示意图。
图6是根据本发明一个实施例的被布置在工作位置的pH值传感器的示意图。
图7是根据本发明的另一实施例的处于防护位置的pH值传感器的横截面示意图。
图8是根据本发明的另一实施例的处于工作位置的pH值传感器的横截面示意图。
图9是根据本发明实施例的、与单用途生物反应器/混合器集成在一起的、处于防护位置的pH值传感器的示意图。
图10根据本发明实施例的、与单用途生物反应器/混合器集成在一起的、处于校准位置的pH值传感器的示意图。
图11是根据本发明实施例的、与单用途生物反应器/混合器集成在一起的、处于工作位置的pH值传感器的示意图。
图12是根据本发明一个实施例的、集成到单用途生物反应器的壁中的、处于防护配置(configuration)的pH值传感器和护罩的示意图。
图13是根据本发明实施例的、集成到单用途生物反应器的壁中的、处于工作配置的pH值传感器和护罩的示意图。
图14A和14B是根据本发明实施例的连接到另一过程分析传感器的pH值传感器的示意图，其中每个传感器包括通过焊接或其他方式结合或固定到单用途生物反应器/混合器的壁上的凸缘。
具体实施方式
人们相信存在着对于可与塑料袋类型、随时可用的、一次性的生物反应器兼容的一次性pH值传感器的需求。许多基于玻璃电极的pH值传感器要求保护传感器的反应表面或膜，使之免受物理的或环境的损害。这一功能通常是由覆盖在传感器的检测端上的一次性“护罩”或盖提供的。
本发明的实施例整体上包括被安装到单用途生物反应器/混合器的壁上的pH值传感器，其中所述生物反应器/混合器具有在所述单用途生物反应器/混合器的灭菌(伽马射线照射)、存储和运输过程中允许防护溶液存储在所述pH值检测和基准元件周围的机械结构。该机械结构还允许保持所述防护溶液的存储腔被打开，以便在进行操作之前露出所述检测和基准元件。
图1是本发明的实施例特别用于的pH值检测生物反应器系统的示意图。pH值传感器40电连接到pH值分析器54，pH值分析器54可以是任一适当的pH值分析器或其他电子设备。pH值传感器40被物理地附接到单用途生物反应器/发酵槽51的壁50上。样本52被放置在单用途生物反应器50内并由pH值传感器40监测或者测量。
本发明的实施例整体上包括多种配置，pH值传感器在这些配置下能够有效地与单用途生物反应器一起使用。
图2是根据本发明一个实施例的pH值传感器60的横截面示意图。pH值传感器60处于“防护”位置，在该位置上，检测元件，例如电极62，与样本52分离并且不接触。本文中，检测元件为可能暴露于样本流体并对其进行电响应的任一电极或电极的任一部分。因此，检测元件意图包括玻璃球电极和基准结(reference junction)。pH值传感器60包括连接到电极62的柱塞64，从而柱塞64在由附图标记66所示的方向上的轴向运动将使电极62产生相应的运动。电极62被设置在穿入矛(access spear)68内。穿入矛68之所以这样命名，是因为其物理性状类似于矛，从而柱塞64的适当的驱动将使穿入矛68穿透橡胶膜70。当穿入矛68穿透橡胶膜70时，端口72，74允许样本与电极62接触。当穿入矛68穿刺橡胶膜70时，pH值传感器将处于工作位置。这一配置被描绘在图3中。
pH值传感器60包括通过熔接、粘接或其他方式结合到生物反应器51的壁50的凸缘76。在图2所描绘的实施例中，凸缘76被结合到壁50的外侧表面上。然而，本发明的实施例还包括被结合到壁50的内侧表面上的凸缘76。凸缘76可以通过热熔接或其他任意适当的方式永久性地附接到生物反应器51的侧壁50上。
图4是根据本发明一个实施例的pH值传感器60处于工作位置时的透视示意图。
图5是根据本发明另一实施例的pH值传感器80的横截面示意图。pH值传感器80与pH值传感器60有一些类似，并且类似的构件具有类似的数字标记。pH值传感器80包括传感器主体82，柱塞64可穿过该主体82轴向地平移电极62。柱塞64被连接到固定有所述电极62的筒管(spool)84。筒管84包括多个孔94和端盖88。端盖88由0形环密封件90流体地密封在主体82的内侧壁上。如图5所示，在防护位置，电极62的检测元件，例如末端检测部分92，被设置在由筒管84的表面94、盖88，和壳体82的一部分所限定的腔内。必要时，内部容纳电极62的末端检测部分92的所述腔可填充防护溶液。当pH值传感器已做好使用准备时，柱塞64被推进，从而推动端盖88使之超出凸缘76。
图6是处于工作位置的pH值传感器80的示意图。在该位置上，柱塞64已经被推进以使端盖88超出凸缘76。如图6所示，孔86现在允许在末端检测位置92与生物反应器中的样本52之间流体连通。
图7是根据本发明的另一实施例的pH值传感器的横截面示意图。pH值传感器100包括安装有凸缘76的传感器主体102。与之前的实施例类似，凸缘76通常通过使用适当的方法，例如热熔接，被永久性地附接到生物反应器的壁上。柱塞104可旋转地设置在传感器主体102内并在其内部保持着电极62。柱塞104大致限定了位于电极62的末端检测端92附近的腔。柱塞104包括一个或多个流体进入口106，这些进出口106在传感器处于防护位置时通常被阻隔或以其它方式堵塞，使之不能与样本连通，如图7所示。为了从防护位置切换至工作位置，使旋钮108沿箭头100所示的方向旋转，着相应地旋转柱塞104。通过适当的旋转，传感器100进入工作位置，如图8所示。在该位置上，一个或多个进出孔106至少部分地与传感器主体102中的进入口对准，从而允许在检测端92与样本52之间流体连通。
图9是根据本发明一个实施例的与单用途生物反应器/混合器集成在一起的pH值传感器102的示意图。传感器120包括凸缘/支撑部122，其包括连接到单用途生物反应器/混合器的壁50上的凸缘124。凸缘124还被连接到支承套126，该支承套示意性地包括位于其内表面上的三个O形环槽128，130，和132。O形环134被设置在每个槽128，130，132中。
凸缘124优选地通过热熔接，或通过其他适当的方法永久性地附接到单用途生物反应器的壁50上。此外，壁50包括具有比端盖138的外径大的内径的孔136。pH值传感器120还包括含有适当的基准电解液142和基准电极144的传感器主体140。此外，检测元件(玻璃电极)146至少部分地设置在传感器主体140内并延伸，从而当所述传感器处于图9所示的防护位置时，末端检测部分148被放置到存储腔150内。此外，检测元件，例如基准结152，与存储腔150物理地隔离。
这种传感器结构提供了可用于与单用途生物反应器组合的多个位置。在第一位置(如图9所示)，传感器处于防护位置，从而检测部分被保护不受损害并且可被储存在存储腔150内的防护溶液中。在第二位置(将结合图10详细描述)，所述基准结被设置于防护溶液中，用于传感器校准目的。在第三位置(将结合图11描述)，存储腔150被打开通向样本52，以使检测元件148和基准结152暴露于样本52。
图10是处于第二(校准)位置的pH值传感器120的示意图。在图10所示的配置中，传感器主体140已经在箭头154的方向上移动到基准结152已超出O形环槽130的程度。由此，基准结152与检测电极146的检测部分148流体连通。此外，存储腔150仍通过设置在O形环槽134中的O形环与样本52流体地隔离。考虑到可在存储腔150中放置具有精确的已知pH值的防护溶液，因此，传感器120可以被校准以确保其输出与所述已知pH值的防护溶液相对应。
图11是处于工作位置的pH值传感器120的示意图。传感器主体140已经在箭头154的方向上被轴向地移动到使存储腔150朝向样本52打开的程度。此外，基准结152也被置于样本52中。在这一配置下，检测电极146将与基准电极156一起发出指示，用于指示样本52的pH值。
图12是根据本发明一个实施例的被集成到单用途生物反应器的壁中的pH值传感器和护罩的示意图。pH值传感器240包括优选地通过热熔接连接到单用途生物反应器246的侧壁244上的凸缘242。传感器240包括连接到适当的分析器，例如分析器54的电缆248。侧壁244还被(优选地通过热熔接)连接到传感器护罩250。侧壁244包括弯折部分252，其允许护罩250接合并保护传感器240的检测端。如图13所示，用户可通过生物反应器246的柔性侧壁144而轻易地抓握护罩250并从传感器240上卸下护罩250。这一拆卸将pH膜和pH值传感器240的基准结暴露于单用途生物反应器/混合器246的内部。
所述盖或护罩实际上可与第二过程分析传感器，例如溶解氧传感器，集成在一起。通过这种方式，当pH值传感器和溶解氧传感器彼此分离时，两个传感器就都做好了使用准备。图14A是连接到溶解氧传感器202的pH值传感器200的示意图，每个传感器都包括通过焊接或者其他方式结合到袋形膜204上的凸缘，以形成不透流体的密封。袋形膜204被弯折，从而pH值传感器200能够与溶解氧传感器202的一部分连接。当需要进行传感器操作时，所述两个传感器可以被轻易地抓取并彼此拉开分离，以形成图14B中所示的配置。
尽管是参照优选实施例描述本发明的，但本领域技术人员将意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以在形式和细节方面做出变化。

Claims (16)

1.一种pH值检测生物反应系统，包括：
具有塑料壁的生物反应容器；
pH值传感器，包括：
传感器主体，具有密封地附接到所述塑料壁的凸缘，该传感器主体中具有基准电解液和设置在所述基准电解液中的第一检测元件；
所述第一检测元件被构造为当所述pH值传感器处于工作配置时该第一检测元件与所述基准电解液和所述生物反应容器内部的样本溶液都接触；
第二检测元件，能够定位到所述生物反应容器的内部，以在所述pH值传感器处于工作配置时被暴露至所述生物反应容器内部的样本溶液；
其中，所述pH值传感器具有多种配置，所述多种配置包括防护配置和所述工作配置，在所述防护配置中第一检测元件与生物反应容器的内部隔离并且与第二检测元件物理地隔离，在所述工作配置中第一检测元件流体地连接到所述生物反应容器内部；并且
其中，通过相对于所述凸缘轴向地平移所述传感器主体，所述pH值传感器由防护配置转变为工作配置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述pH值传感器适于改变配置，而无需用户访问生物反应容器的内部。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述pH值传感器还包括可拆除的端盖，该端盖能够定位成覆盖所述至少一个检测元件。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述端盖被附接到所述生物反应容器的塑料壁上。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述端盖包含防护溶液。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述防护溶液具有用于校准所述pH值传感器的已知的pH值。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述端盖包括第二过程分析传感器的一部分。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第二过程分析传感器是溶解氧传感器。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第二过程分析传感器是电导传感器。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述凸缘被热熔接到所述生物反应容器的塑料壁上。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多种配置包括校准配置，在该配置下，所述第一检测元件和第二检测元件与生物反应容器的内部隔离但与具有已知pH值的流体接触。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，通过相对于所述凸缘轴向地平移所述传感器主体，所述pH值传感器由防护配置转变为校准配置。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，通过相对于所述凸缘轴向地平移所述传感器主体，所述pH值传感器由校准配置转变为工作配置。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，至少一个检测元件包括玻璃球电极。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述至少一个检测元件还包括基准结。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，至少一个检测元件包括基准结。
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