CN104017727B - 一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统 - Google Patents

一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统，包括搅拌单元、支架管路、温度控制单元、气路控制单元和控制前面所述四个单元的控制器单元，所述支架管路分别与搅拌单元、温度控制单元、气路控制单元相连接，用以提供所述系统所需的气体、液体的通道，所述搅拌单元设置有与中空气体分布器一体化设计的搅拌桨叶，所述中空气体分布器与气路控制单元相连接，所述中空气体分布器包括设置在搅拌桨叶下部的微型气泡分布器和设置在搅拌桨叶内部的通气管。所述系统降低了劳动强度，生产所需人员和GMP生产车间面积将大大低于传统的生产设备，有利于实现更快速的改装以便用于新流程的运行。

Description

一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统
技术领域
本发明涉及一种细胞培养系统，尤其是涉及一种一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统。
背景技术
大规模培养技术(large-scaleculturetechnology)是指在人工条件下(设定ph、温度、溶氧等)，在细胞生物反应器(bioreactor)中高密度大量培养细胞用于生产生物制品的技术。
目前大规模培养细胞主要采用转瓶培养系统和不锈钢罐培养系统。
转瓶培养存在以下问题：其表面积有限，细胞生长密度低；培养时监测和控制环境条件(pH、溶氧等)不稳定，影响产品质量；劳动强度大，占用空间大，污染率高。
不锈钢罐培养存在以下问题：需要复杂的在位清洗(CIP)或在位灭菌(SIP)管路，工艺流程运行之间交叉污染的可能性；每生产批次准备时间长，生产人员劳动强度大；搅拌系统剪切力大，细胞损伤严重。
发明内容
本发明提供了一种一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统，能够很好地满足细胞高度增殖的需要，同时配合科学合理的在线监控系统及时反映细胞的生长状况，使细胞高密度培养更加科学合理，保证目标产品高效表达。其技术方案如下所述：
一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统，包括搅拌单元、支架管路、温度控制单元、气路控制单元和控制前面所述四个单元的控制器单元，所述支架管路分别与搅拌单元、温度控制单元、气路控制单元相连接，用以提供所述系统所需的气体、液体的通道，所述搅拌单元设置有与中空气体分布器一体化设计的搅拌桨叶，所述中空气体分布器与气路控制单元相连接，所述中空气体分布器包括设置在搅拌桨叶下部的微型气泡分布器和设置在搅拌桨叶内部的通气管。
所述控制器单元设置有进行人机交互的触摸屏，以及控制服务器，并通过PLC对其他四个单元进行自动化控制。
所述搅拌单元的顶端设置有驱动搅拌桨叶的马达，所述马达采用变频器控制。
所述支架管路设置有对气体、液体管路的开启和关闭的阀门，所述支架管路分为气体管路系统和工艺管路系统，所述气体管路系统包括压缩空气、氧气、氮气、二氧化碳进气管口、流量计及控制阀门；所述工艺管路系统包括碱泵、物料泵、温控用水。
所述细胞培养袋放置在夹套容器中，所述夹套容器与温度控制单元通过高压水管、快速接头相连接，所述温度控制单元包括对夹套中的水进行循环的循环泵、对水温进行控制的制冷器和加热器。
所述气路控制单元设置有pH传感器和溶氧传感器，用于测定细胞培养液的PH值和溶氧值。
所述夹套容器中设置有与控制器单元相连接的温度传感器，所述控制器单元与循环泵、制冷器和加热器相连接。
所述pH传感器和溶氧传感器与控制器单元相连接，所述控制器单元控制支架管路中的压缩空气、O2、N2和CO2的通气电磁阀的开启与关闭。
所述细胞培养袋内设置有与控制器单元相连接的压力传感器和温度传感器。
所述气体管路系统的管路中设置有与控制器单元相连接的流量计。
本发明提供的一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统，是针对一次性细胞袋培养方案而设计的完整控制系统，尤其是搅拌桨与气体分布器一体化设计，通气能力和氧的气体传导速率高，同时具有极低的机械剪切力，所述系统因采用一次性组件，避免了工艺流程运行之间交叉污染的可能性；减少了每生产批次准备时间。
附图说明
图1是本发明所述的一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统框架示意图；
图2是所述一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统的结构示意图；
图3是所述一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统的外置结构示意图；
图4是图3的侧视图；
图5是图4中A-A剖面图；
图6是搅拌棒位置的示意图；
图7是所述搅拌桨叶的示意图；
图8是所述中空气体分布器的示意图；
图9是所述中空气体分布器的侧视图；
1-电气柜框架，2-基座，3-搅拌头，4-电气柜，5-万向轮，6-定向轮，7-链接套，8-搅拌棒上支撑，9-搅拌棒下支撑，10-搅拌棒(25L用)，11-搅拌棒(50L用)，12-泡沫袋用支架，13-搅拌头罩，14-防护门，15-容器导轨，16-搅拌桨叶，17-中空气体分布器，18-通气管，19-微型气泡分布器，20-套筒。
具体实施方式
本发明提供的一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统如图1所示，具体结构示意图如图2所示，主要由搅拌单元、支架管路、温度控制单元、气路控制单元和控制器等部分组成。通过支架管路将搅拌单元、温度控制单元、气路控制单元连接起来；控制器单元通过PLC对以上四个单元进行自动化控制，并通过触摸屏进行人机交互，可实现培养袋搅拌转速、温度、pH、溶氧等自动控制功能，并具有数据记录和查询功能。
如图3和图4所示，一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统外设置有电气柜框架1，所述电气柜框架1安置在基座2上，所述底座2设置有容器导轨15、万向轮5、定向轮6和链接套7，所述定向轮6在图6中可以看到。
所述电气柜框架1上设置有搅拌头罩13、防护门14和泡沫袋用支架12，用以固定细胞培养袋。
如图5所示，所述搅拌头3设置在所述电气柜框架1上，属于搅拌单元。包括马达、减速机、传动套筒，搅拌棒上端插入传动套筒中后，搅拌棒下端插入搅拌桨叶16中，马达转动，即可驱动桨叶进行搅拌。
图6中，所述电气柜框架1中设置的搅拌棒上支撑8、搅拌棒下支撑9分别连接有25L用搅拌棒10和50L用搅拌棒11。
根据细胞袋容积(25L或50L)及支撑容器的不同，系统配有2根不同的搅拌棒。搅拌棒通过搅拌棒上支撑8、搅拌棒下支撑9固定在电器柜框架1上。
如图7、图8、图9所示，所述中空气体分布器17包括设置在搅拌桨叶16下部的微型气泡分布器19和设置在搅拌桨叶内部的通气管18，所述通气管18分别与微型气泡分布器19和气路控制单元相连接，传输气路控制单元的气体到微型气泡分布器19，所述微型气泡分布器19由一个个的微型出气口组成，能够有效的透过气体，而防止液体进入通气管。
搅拌桨叶16、通气管18和微型气泡分布器19均固定在套筒20上，所述套筒20是搅拌棒和搅拌桨叶16连接用的，当搅拌棒带动搅拌桨叶16运行时，通气管18和微型气泡分布器19也随之运行，使气体均匀的扩散至培养液中。
下面结合图2具体说明各单元的作用。
所述搅拌单元的顶端安装有马达，驱动搅拌桨叶进行搅拌，带动料液的流动，实现混合和传质效果。马达采用变频器控制，无级变速，运行平稳，搅拌转速在(20～120)rpm范围内可调。
所述变频器通过快插接头接受来自控制器单元的模拟量设定信号、数字量启停信号，并将变频器当前输出转速、运行信号、故障信号反馈给控制器单元。搅拌单元同时与细胞培养袋内的压力、温度进行互锁报警，当袋内压力或温度超出报警设定值，搅拌将紧急停车。
相对于不锈钢罐采用的叶轮式搅拌，搅拌桨在实现剪切力极低的同时，能在罐体内提供一个均匀的化学(营养和废弃物)、物理(pH、O2和CO2)以及热力环境，并维持细胞悬液的均匀分布。
搅拌桨16与中空气体分布器17一体化设计，这种设计经由通过中空气体分布器产生的气泡及顶部空间形成相对高的表面体积比，改善了培养液和氧的气体传导速率；在培养液中通入气体时搅拌可以产生动态分布的效果，也可以促进氧传导和CO2的释放。
所述支架管路提供气体，液体的通道，通过各种阀门进行管路的开启和关闭控制。通过加热器、制冷器、蠕动泵、气体过滤器、气体流量计、气体比例调节阀等装置的监控，维持反应器运行过程中参数的稳定。
其依据功能分为气体管路系统和工艺管路系统，气体管路系统包括压缩空气、氧气、氮气、二氧化碳进气管口、流量计及控制阀门等；工艺管路系统分别包括碱泵、物料泵、温控用水等。管路之间通过无菌快速接头连接。
在所述温度控制单元中，细胞袋放置在夹套容器中，夹套与温度控制单元通过高压水管、快速接头连接。循环泵对夹套中的水进行循环，制冷器和加热器对水温进行控制。夹套与细胞袋进行热交换实现最终细胞袋中培养液的温度控制。
工作原理如下所述：通过采用2个温度电极测量细胞袋温度和夹套温度，通过快速接头将信号传输至控制单元，控制单元根据设定值和过程值按双温度PID控制方式，控制制冷器和加热器启/停实现温度控制。当细胞袋设定温度低于测试温度温差时，系统自动启动加热；当设定温度高于测试温度时，系统自动启动制冷。合理的控制策略和参数设置保证了细胞袋温度控制的灵敏性和稳定性。
因此，反应器温度控制单元采用基于细胞袋温度、夹套温度的双温度PID控制方式，温度控制精度±0.2℃。
所述气路控制单元需要提供细胞需要的各种气体，氧气是细胞代谢所必需的。虽然细胞培养的需氧远低于细菌培养，氧合仍是细胞培养规模放大的一大挑战。通气量需要随生物反应容器(此处是细胞袋)体积和细胞浓度的增加而提高。氧含量降低将影响细胞生长和产量，而较高的氧含量也会对细胞产生毒性。
空气、O2、CO2以及偶尔使用的N2通过中空气体分布器注入细胞培养液中。微型气体分布器能提供更大的气液接触表面，因此能在较低的气体流速下提供较高的氧传递系数(kLa)。
其中，pH控制方法是采用pH电极测量，控制单元按照PID算法控制二氧化碳通气阀和碱液蠕动泵实现。当pH低于设定值时，控制单元启动碱液蠕动泵，补充碱液提高pH至设定值；当pH高于设定值时，控制单元启动二氧化碳气体电磁阀，降低pH至设定值。碱液蠕动泵流量可通过蠕动泵电机驱动器进行调节，保证了pH控制的灵敏度。
溶氧控制方法是采用溶氧电极测量，控制单元按照高级PID算法控制空气、O2、N2电磁阀的开启时间实现溶氧的自动控制。当溶氧低于设定值时，控制器启动控制阀，向反应器中通氧气/压缩空气提高溶氧至设定值。当溶氧高于设定值时，控制器启动控制阀，向反应器中通适量氮气维持溶氧至设定值。
本培养系统装配了DO(即溶氧)和pH两个独立的、应用灵活的气流控制策略，以便自动维持DO和pH设定参数。在这两个策略中，多达四种气体(空气、O2、N2和CO2)能通过DO和pH传感器的反馈自动调节正确的混合比例。然后，混合气体通过一个热质量气体流量计(TMFC)输入到气体分布器中。控制单元中的PLC控制空气、O2、N2和CO2通气电磁阀的开启/关闭；通过快速接头传输模拟量设定信号给TMFC，并接受TMFC的反馈信号；通过PLC的输出高速脉冲控制碱液蠕动泵的启/停。
所述控制器单元以PLC及其模块为核心，在PLC中按照工艺要求编写程序，搭配触摸屏、溶氧变送器、pH变送器、蠕动泵、电磁阀等来实现整个系统的控制功能，采集细胞培养时的各种状态参数，并进行自动或手动控制。
控制器单元采用触摸屏控制和计算机终端远程控制两种模式。
通过触摸屏显示DO、pH、温度、搅拌转速等关键数据，以及阀门、泵、电机等当前的运行状态。并且在触摸屏上可进行阀门、泵、电器等元件的开启，以及功能操作和参数设定(包括温度设定、DO/pH控制点的设定、PID设定)。具有数据显示、工艺状态显示，工艺参数控制、校正，数据记录存储、历史数据查询等功能，符合GMP管理对制品的记录和可追溯性要求。
计算机终端远程控制时，操作人员通过终端计算机即可实现对培养系统的操作和监控。
所述细胞培养系统采用一次性无菌细胞培养袋，到货时是独立无菌包装，经由伽马射线福射消毒，即用即取，减少了批间的准备时间，降低了劳动强度，生产所需人员和GMP生产车间面积将大大低于传统的生产设备。
一次性无菌细胞培养袋及其组件不用于后续的操作，消除了传统罐体所常见的工艺流程运行之间交叉污染的可能性。因为减少或摈弃了对不锈钢设备的需求，也可以避免了设备组装的长周期。系统的复杂度降低，因而所涉及的工程需求也同样减少。无需在位清洗(CIP)或在位灭菌(SIP)操作，以及相关的管道、阀门、控制器或容器的压力等级。此外，一次性组件的使用还降低了验证的复杂度。因为几乎没有可反复使用的组件，也就没有什么项目需要跟踪，也就节省了大量的灭菌、清洁验证研究。最后，通过消除了坚固的管道系统和固定不锈钢罐的限制，一次性组件还有利于实现更快速的改装以便用于新流程的运行。
特殊设计的搅拌桨系统具有极低的机械剪切力，可以大大减低细胞损伤或者死亡率。搅拌桨与中空气体分布器一体化设计，在培养液中通入气体时产生动态分布的效果，提高通气能力和氧的气体传导速率。
针对一次性细胞培养袋，建立了合理的控制模型，设计了全新、稳定可靠的控制策略，进行pH和溶氧(DO)的最佳控制。培养系统可通过控制器有序地定量地控制加入细胞培养袋内的空气、氧气、氮气和二氧化碳四种气体的流量，使其保持最佳的比例来控制细胞培养液中的pH值和溶氧水平，使系统始终处于最佳状态，以满足动物细胞的生长对pH值和溶解氧的需要。

Claims (7)

1.一种一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统，其特征在于：包括搅拌单元、支架管路、温度控制单元、气路控制单元和控制前面所述四个单元的控制器单元，所述支架管路分别与搅拌单元、温度控制单元、气路控制单元相连接，用以提供所述系统所需的气体、液体的通道，所述搅拌单元设置有与中空气体分布器一体化设计的搅拌桨叶，所述中空气体分布器与气路控制单元相连接，所述中空气体分布器包括设置在搅拌桨叶下部的微型气泡分布器和设置在搅拌桨叶内部的通气管，所述微型气泡分布器由微型出气口组成，所述搅拌单元的顶端设置有驱动搅拌桨叶的马达，所述马达采用变频器控制，所述变频器与控制器单元相连接，所述气体管路系统的管路中设置有与控制器单元相连接的流量计，所述支架管路设置有对气体、液体管路的开启和关闭的阀门，所述支架管路分为气体管路系统和工艺管路系统，所述气体管路系统包括压缩空气、氧气、氮气、二氧化碳进气管口、流量计及控制阀门；所述工艺管路系统包括碱泵、物料泵、温控用水。
2.根据权利要求1所述的一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统，其特征在于：所述控制器单元设置有进行人机交互的触摸屏，以及控制服务器，并通过PLC对其他四个单元进行自动化控制。
3.根据权利要求1所述的一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统，其特征在于：所述细胞培养袋放置在夹套容器中，所述夹套容器与温度控制单元通过高压水管、快速接头相连接，所述温度控制单元包括对夹套中的水进行循环的循环泵、对水温进行控制的制冷器和加热器。
4.根据权利要求1所述的一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统，其特征在于：所述气路控制单元设置有pH传感器和溶氧传感器，用于测定细胞培养液的PH值和溶氧值。
5.根据权利要求3所述的一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统，其特征在于：所述夹套容器中设置有与控制器单元相连接的温度传感器，所述控制器单元与循环泵、制冷器和加热器相连接。
6.根据权利要求4所述的一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统，其特征在于：所述pH传感器和溶氧传感器与控制器单元相连接，所述控制器单元控制支架管路中的压缩空气、O2、N2和CO2的通气电磁阀的开启与关闭。
7.根据权利要求1所述的一次性无菌细胞培养袋配套细胞培养系统，其特征在于：所述细胞培养袋内设置有与控制器单元相连接的压力传感器和温度传感器。
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