CN104169440A - 非侵入式生物反应器监测 - Google Patents

Abstract

将一对能够容纳发射体探针和探测器探针的容器安装在生物反应器的内部，以在不接触营养培养基的情况下监测所述营养培养基的性质。

Description

非侵入式生物反应器监测

背景技术

用于生长细胞和有机体的生物反应器需要频繁监测营养培养基来调整其特性，从而获得最佳生长。所述监测最常通过经由生物反应器中的端口对营养培养基取样来完成，这具有污染生物反应器的风险；另外使用的方法是将营养培养基输送通过流动池，但这仍然含有污染风险。最近，已经通过使用一次性传感器完成监测，所述传感器被安装在生物反应器的内部且从袋子外部来读取其反应；虽然这种方法提供了一种实用的选择，但其仍然不太理想，因为使用这种方法具有高反应可变性和高成本。

仍需要建立一种直接监测生物反应器中营养培养基的特性而不从生物反应器中移出营养培养基，从而记录参数例如pH、光学密度、细胞数量、溶解氧、溶解二氧化碳、葡萄糖浓度和探测器可以获得的其它特定参数的方法。

本发明允许将电磁波或者声波发射体探针放置在生物反应器内部而不接触营养培养基，且另外将电磁波或者声波探测器放置在生物反应器内部而不接触营养培养基。容纳发射体探针和探测器探针的一次性容器是所使用的选定辐射或波类型完全可透过的。发射体探针和探测器探针之间的距离是通过将它们置于不同的高度(在使用V型容器时)或通过将它们以相隔预定距离安装在生物反应器内来调整。发射体和探测器之间的营养培养基被用作测试样品。

探针的角度决定了被测辐射是透射还是衍射；当相对时，测量的是透射辐射，且当以某一角度放置以使得探针的视线路径相交时，被测辐射是衍射辐射。

本发明的方法涉及将一个容器安装在一次性生物反应器中，以使得用于发射体探针和探测器的容器可从外部进入；所述容器也可以用在非一次性生物反应器中。

本发明提供一种用于监测生物反应器的经济有效的解决方法，因为昂贵的发射体探针和探测器被再利用，且只有容纳它们的容器在使用一次后被处理掉。

附图说明

图1展示V型容器的多个视图。图1(a)为展示探针位置的V型容器侧视图；图1(b)为展示探针和用来测量衍射的辐射路径的V型容器侧视图；图1(c)为展示探针和用来测量透射辐射的直线辐射路径的V型容器侧视图；图1(d)为展示置于生物反应器内部的V型容器的生物反应器侧视图，其展示从生物反应器的外部直接进入所述容器的内腔。

图2展示以彼此相隔固定距离安装的两个容器的多个视图；图2(a)为两个容器和位于所述容器内的探针的侧视图；图2(b)为两个容器和位于两个容器内的探针和辐射路径的角度图。

具体实施方式

生物反应器中某一过程的最佳操作需要监测参数例如pH、溶解氧、溶解二氧化碳、光学密度、细胞数量、葡萄糖浓度和所述过程的各种其它特定参数。监测这些参数的原因是允许调整营养培养基的条件或化学组成，以使生物反应器中的细胞和有机体的生长状况最佳。

分光光度技术已取得巨大进步，其中可以使用光的可见、紫外和红外波长来监测营养培养基性质的若干个参数；连同激光一起使用超声波和微波已进一步改进分光光度计探测营养培养基性质的能力；此外，将来电子设计、用途更多的微型化发射体探针和探测器的改进将使得更有效和高效地监测生物反应器中的营养培养基的特性变得更方便和实用，条件是可以在生物反应器内部非侵入式使用这些探针。

监测营养培养基性质的最有效方法是使其样品接受光或声辐射，且从发射辐射和探测辐射之间的差异可以评估营养培养基的特定性质。未被满足的需求是允许分光光度计和声级计在不从生物反应器中移出营养培养基且不接触营养培养基的情况下操作。

所述需求在本发明中是通过安装由所用辐射可透过的材料制成的V形容器来实现；可以从外部进入所述V形容器的两个臂，以插入发射体探针和探测器。探针的位置决定了它们之间的距离，将探针深推到所述容器中会减小它们之间的距离。由于所监测的营养培养基位于所述容器的两个臂之间，因此监测更高浓度的营养培养基将需要通过将探针向上推往所述V形容器的两个臂的接合处来减小光通道的长度。

在本发明的更一般的用途中，将探针插入附接到生物反应器底部的独立容器中。

可以将发射体和发射体探针旋转成一定角度，以使得所发射的辐射从所述辐射的分散或衍射被探测器探测到。这将类似于测量混浊度而非透射率，透射率是在两个探针相对时测量的。

第一优选实施例展示在图1中，其中V形容器5具有能够容纳探针1和2的内腔以及用于插入探针的开口3和4。与探测器探针路径8成一定角度的所发射辐射的路径7展示如何探测到衍射辐射。当所述探针相对时，它们之间形成允许测量透射辐射的直线路径6。将容器5安装在生物反应器9的内部，优选附接到所述生物反应器的底表面，以使得开口3和4允许容器5的内腔与所述生物反应器的外部流体连通，所述生物反应器可以另外含有入口11和出口10以及完全浸没容器5的营养培养基。

图2是另一优选实施例，其中与如图1中所示的一个V形容器不同，存在两个独立的容器，一个容器2用来容纳发射体探针，且一个容器13用来容纳接受器；透射路径14穿过这两个容器，且当辐射路径成角度15时，其被用于确定衍射。当安装在容器9中时，所述装置被附接到容器9的底部，所述容器9可以具有入口端口11和排气口10。

因此，本发明提供一种在使用传统方法记录营养培养基性质的同时非侵入式监测营养培养基的实用解决方法。

本发明将一直有益，因为新型探针的开发增强了本发明用于监测生物反应器中的营养培养基而不影响其无菌性或破坏生物反应器的完整性且不从生物反应器中移出样品的效用。

本发明中所使用的发射体探针和探测器是非一次性的，且因此在提供最高灵敏度和监测操作可重复性的同时，操作成本大幅降低。

监测可变深度的营养培养基的能力对监测营养培养基的一系列浓度的被监测实体十分有利；这类似于稀释样品以研究其性质。探针之间的距离代表了被监测液体的深度，且这通过将探针上移或下移到V形容器的顶端来改变。

本发明还提供通过将一次性容器安装在生物反应器内部来监测营养培养基的解决方法，所述容器可以从生物反应器的外部进入，以将发射体探针和探测器插入生物反应器的内部而不接触营养培养基。所述容器的构成材料与它在分光光度计中所使用的材料相同，其中所述容器的壁是特定电磁波或声波可透过的；这些容器元件的造价便宜且无需使用一次性发射体探针或探测器。

本发明还提供结合使用安装在生物反应器内部的一次性片块或探针的新颖解决方法，其中这些探针在与营养培养基的内容物发生反应时发射荧光。所述荧光随后被容器中容纳的探测器探测到，从而允许获得高测量精确度。使用本发明，可以通过使探测器元件更接近生物反应器内的这些片块来更紧密和更精确地监测这些探针。在此情况下，可以将所述片块附接到暴露于营养培养基的容器部分，且探测器还可以包含光源以激发荧光探针。

本发明可以用于非侵入式测量生物反应器内的各种参数；这些参数包含(但不限于)温度、pH、光学密度、溶解氧、溶解二氧化碳、葡萄糖浓度和其它化学实体。

虽然光学密度是细菌培养物生长的良好指示物，但哺乳动物细胞培养物需要对特定体积中的细胞进行计数。由于容纳发射体探针和发射体探针的容器之间存在少量液体培养基，因此安装指向两个容器之间的液体的光学元件(例如显微镜透镜或摄像机)来对细胞进行计数。值得注意的是，用于构成容器的材料可以透光而不产生任何畸变，且因此允许更可靠地进行显微镜检查。或者，摄像机可以记录细胞图像，且然后读取照片来计算细胞密度。

在分析方法中使用声波(声波和超声波两者)是一种快速发展的科学技术；声波和超声波可透过的材料可以广泛获得，且在本发明中，容器也可以由这些材料制成，从而允许使用声波和超声波进行探测。

Claims (13)

1.一种监测生物反应器中的营养培养基的方法，所述方法包括：

a.将至少一对适合容纳发射体探针或探测器探针的容器安置于生物反应器中，所述容器具有一个与所述生物反应器的外部流体连通的开口端和一个密封端；

b.将发射体探针安置于第一容器中；

c.将探测器探针安置于第二容器中；

d.将所述发射体和所述探测器探针的方向调整为相互面对以读取透射辐射，或调整为呈一定角度以读取衍射辐射；以及

e.激活所述发射体和探测器探针，以记录所施加辐射的透射或衍射。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其中使容器的所述密封端相连。

3.根据权利要求1所述的监测方法，其中将多个第一和第二容器安置于所述生物反应器内。

4.根据权利要求1所述的监测方法，其中所述容器是由金属、塑料、玻璃或熔融石英制成。

5.根据权利要求1所述的监测方法，其中所述容器为圆形、椭圆形、长方形或正方形管。

6.根据权利要求1所述的监测方法，其中所述容器是由聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚四氟乙烯材料制成。

7.根据权利要求1所述的监测方法，其中构成所述容器的材料是所用的辐射类型可透过的。

8.根据权利要求1所述的监测方法，其中声辐射包括声波、超声波或次声波。

9.根据权利要求1所述的监测方法，其中电磁辐射包括无线电波、微波、红外辐射、可见光、紫外辐射、x射线和伽马射线。

10.根据权利要求1所述的监测方法，其中监测所述营养培养基的pH、溶解氧、溶解二氧化碳、光学密度或所述营养培养基中的化学实体的特性或浓度。

11.根据权利要求1所述的监测方法，其中所述探测器探针为能够对所述营养培养基中的细胞数量进行计数的光学元件或摄像机。

12.根据权利要求1所述的监测方法，其中所述发射体探针为安置于所述生物反应器内且暴露于所述营养培养基的一次性荧光元件。

13.根据权利要求1所述的监测方法，其中将多个发射体和探测器探针安装在所述容器中，且同时记录所述营养培养基的几种性质。