CN107794221A - 生物反应器系统及在该系统中进行生物反应和按比例缩放生物过程工作体积的方法 - Google Patents

生物反应器系统及在该系统中进行生物反应和按比例缩放生物过程工作体积的方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种生物反应器系统以及在生物反应器系统中进行生物反应和按比例缩放生物过程工作体积的方法。生物反应器系统可包含：(a)两个或多于两个经流体耦合容器，其经配置以共同地进行生物反应；(b)一或多个流体路径，其将所述两个或多于两个容器彼此耦合，其中所述流体路径经配置以在所述两个或多于两个容器之间提供培养基流；(c)一或多个流体输送装置，其沿着所述一或多个流体路径中的至少一些流体路径；和(d)控制系统。所述控制系统可经配置以：(i)读取或接收表征所述容器中的一或多个中的所述培养基的一或多个参数值；和(ii)使用所述值来确定所述流体路径中的至少一个中的经调整流率，以在所述两个或多于两个容器中维持容器与容器间的所述培养基中的所述一或多个参数的大体上均一值。

Description

生物反应器系统及在该系统中进行生物反应和按比例缩放生 物过程工作体积的方法
技术领域
本申请涉及一种生物反应器，且更明确地说，涉及一种生物反应器系统以及在生物反应器系统中进行生物反应和按比例缩放生物过程工作体积的方法。
背景技术
生物反应器的规模扩大或在维持滴定度(最终产物产量)的同时增大生物反应器大小(体积)的系统性尝试是从现代生物反应器投入使用以来一直的研究课题。典型生物过程的发展遵循以下标准路径：实验室规模，其中实施基本筛选和基础层面(例如，培养基)优化；规模扩大的中间试验性工厂规模，其中使用大体上较大的生物反应器且实施进一步优化；和最终工厂或生产规模，其中利用更大的体积来经济地制造最终产物。由于细胞扩增(细胞数目增多)，因此在生产中规模扩大过程通常是必要的，且细胞会陆续被移动到越来越大的生物反应器。图1中展示生物过程制造中的现代(2014)一次性“种子培养链(train)”或过程培养链(一次性生物反应器的优良扩展性(Superior Scalability of Single-UseBioreactors)，达维·德·王尔德(Davy De Wilde)、托马斯·德雷尔(Thomas Dreher)、克里斯蒂安·扎霍诺(Christian Zahnow)、乌特·胡泽曼(Ute Husemann)、格哈德·格瑞勒(Gerhard Greller)、索斯藤·亚当斯(Thorsten Adams)和克里斯特尔·费格(ChristelFenge)，2014年9月23日，生物过程国际杂志(BioProcess International Magazine))。从1mL小瓶到1000L搅拌罐生物反应器(STR)的范围在体积上增大了106倍，且远远超出单个容器中的物理参数的线性或常数范围。
在一次性生物反应器(就其本身性质来说，其体积远小于其不锈钢对应物(<2000L对比<50,000L+))方面，仍然存在对明确且一致的规模扩大路径的期望，如由致力于此课题的所发表论文(例如，对大型生物反应器中CHO细胞培养过程的规模扩大分析(Scale-upAnalysis for a CHO Cell Culture Process in Large-Scale Bioreactors)，邢(Xing)等人，生物技术与生物工程(Biotechnology and Bioengineering)期刊，第103(4)卷，第722页，2009年7月4日)和学生毕业论文(一次性生物反应器规模扩大方法的比较研究(Comparative Studies on Scale-Up Methods of Single-Use Bioreactors)，艾米丽·斯托克(Emily Stoker)，犹他州立大学，2011年博士论文)的持续增加数目所证明；两个参考文献以其全文引用的方式并入本文中。此文献强调以下事实：基本物理规律不允许生物过程参数的缩放简单或直接。因此，研究人员积极主动地对如何有效地扩大生物过程进行严格的审查和关注。事实上，这些问题甚至促使所述领域的研究人员和工作人员通过规模缩小来看待规模扩大(奥斯特修斯(Oosterhuis)，N.M.G.，“生物反应器的规模扩大(Scale-up of Bioreactors)”，博士论文，代尔夫特理工大学，代尔夫特市(1984)，以其全文引用的方式并入本文中)。
发明内容
本发明的一方面涉及一种生物反应器系统，所述生物反应器系统可由以下特征表征：(a)两个或多于两个经流体耦合容器，其经配置以共同地进行生物反应；(b)一或多个流体路径，其将所述两个或多于两个容器彼此耦合，其中所述流体路径经配置以在所述生物反应期间在所述两个或多于两个容器之间提供培养基流；(c)一或多个流体输送装置，其沿着所述一或多个流体路径中的至少一些流体路径；和(d)控制系统。在各种实施例中，所述控制系统经配置以：(i)在所述生物反应期间读取或接收表征所述容器中的一或多个中的所述培养基的一或多个参数值；(ii)使用所述值来确定所述流体路径中的至少一个中的经调整流率，以在所述两个或多于两个容器中维持容器与容器间的所述培养基中的所述一或多个参数的大体上均一值；和(iii)控制所述流体输送装置中的至少一个以调整在(ii)中所确定的所述流率。在某些实施例中，所述流体路径中的每一者经配置以准许所述培养基在所述容器中的两个之间双向流动。在某些实施例中，所述两个或多于两个容器布置成闭合环路。在某些实施例中，所述两个或多于两个容器和所述一或多个流体路径提供呈星状配置的生物反应器系统。
本发明的一相关方面涉及一种生物反应器系统，所述生物反应器系统可由以下特征表征：(a)两个或多于两个经流体耦合容器，其经配置以共同地进行生物反应；(b)一或多个流体路径，其将所述两个或多于两个容器彼此耦合，其中流体路径经配置以在所述生物反应期间在所述两个或多于两个容器之间提供培养基流；(c)一或多个流体输送装置，其沿着所述一或多个流体路径中的至少一些流体路径；和(d)控制系统。在许多实施方案中，所述控制系统经配置以：(i)在所述生物反应期间读取或接收表征所述容器中的一或多个中的所述培养基的一或多个参数值；和(ii)控制所述一或多个流体输送装置以经由所述一或多个流体路径在所述两个或多于两个容器之间输送所述培养基，使得交换所述两个或多于两个容器中的所述培养基所需的时间最多为所述容器中的细胞在所述两个或多于两个容器中的条件下倍增所需的时间的约十分之一。在某些实施例中，所述流体路径中的每一者经配置以准许培养基在所述容器中的两个之间双向流动。在某些实施例中，所述两个或多于两个容器布置成闭合环路。在以上方面的一些实施方案中，所述一或多个参数包含选自由以下各项组成的群组的参数：所述培养基的pH、温度、细胞代谢物浓度和溶解氧浓度。
以上方面的所述生物反应器系统可包含至少再一个经流体耦合容器，使得总共为三个或多于三个经流体耦合容器，其经配置以共同地进行所述生物反应。在一些实施方案中，所述生物反应器系统包含五个或多于五个经流体耦合容器，包含所述两个或多于两个容器在内。
在所揭示实施例中的任一者中，每一容器可具有不大于约500升、或不大于约100升、或者不大于约50升的工作体积。在所揭示实施例中的任一者中，所述两个或多于两个容器的总工作体积与所述两个或多于两个容器中的最大容器的工作体积的比率为至少约3。在一些实施方案中，所述两个或多于两个容器包含聚合物容器壁。
在一些实施方案中，所述两个或多于两个容器中的一者是主容器，且其它容器是附随容器。在此些实施方案中，所述主容器可包含经配置以搅动所述培养基的混合系统。所述混合系统可包含例如叶轮、轨道摇床、波浪形摇杆和柱塞的装置。在一些设计中，所述附随容器中的一或多个不包含混合系统。在一些实施例中，所述主容器包含用于所述培养基中的所述pH、温度、细胞代谢物浓度和溶解氧的一或多个传感器。在一些实施例中，所述主容器具有比所述附随容器中的任一者大的工作体积。
在所述生物反应器系统的一些设计中，所述两个或多于两个容器提供于一或多个秤和/或荷重元上以在所述生物反应期间监测所述两个或多于两个容器的质量。在此类设计中，所述控制系统可进一步经配置以：读取或接收所述一或多个秤和/或荷重元的至少一个输出作为所述一或多个参数值中的至少一个；和基于所述秤和/或荷重元的所述输出，控制所述流体输送装置中的一或多个以在所述两个或多于两个容器之间输送所述培养基，使得所述两个或多于两个容器中的所述培养基的体积受控制。
在某些实施例中，所述流体路径包含附接到所述两个或多于两个容器的管道和无菌连接器。在一些情形中，所述流体路径接近所述两个或多于两个容器的底部而附接。在一些情形中，所述流体输送装置中的至少一个包含泵。
所述控制系统可经配置以将特定参数值维持在某些界限内。所述控制系统还可经配置以使所述参数值在各容器间维持处于一致水平。在一些实施方案中，所述控制系统经配置以调整所述两个或多于两个容器中的条件，以确保所述两个或多于两个容器中的所述培养基的平均pH在容器与容器间的变化不超过约0.1。在一些实施方案中，所述控制系统经配置以调整所述两个或多于两个容器中的条件，以确保在所述生物反应期间所述两个或多于两个容器中的细胞所经历的剪切力在容器间大体上相等。在某些实施例中，所述控制系统经配置以调整所述两个或多于两个容器中的条件，以确保在所述生物反应期间所述两个或多于两个容器中的培养基气体输送速率在容器间大体上相等。
所述生物反应器系统还可经设计使得在所述容器中的任一者中参数值的变化(或标准偏差)最小化或至少保持处于所定义界限内。举例来说，所述两个或多于两个容器和所述控制系统可经配置使得所述容器中的任一者内的所述培养基的所述pH具有最多约0.1pH单位的变化。在某些实施例中，所述控制系统是比例积分微分控制器。
在本发明的某些生物反应器系统种，所述控制系统包含经配置以控制主容器的单个控制环路。在此些情形中，所述两个或多于两个容器中的一者是所述主容器，且其它容器是附随容器。所述主容器可具有经配置以搅动所述培养基的混合系统。
在各种实施例中，生物反应器系统和/或生物反应器系统的容器中的一或多个经配置而以灌注模式操作。根据此些实施例，所述两个或多于两个经流体耦合容器中的至少一个包含流体入口和流体出口，且所述生物反应器系统经配置以通过所述流体入口将所述培养基引入到所述至少一个容器、在将所述生物细胞保留在所述容器中的同时交换所述容器中的所述培养基和使所述培养基流出所述流体出口。在一些此类灌注实施例中，所述流体出口包含过滤器，所述过滤器经配置以防止所述至少一个容器中的所述生物细胞离开所述至少一个容器和所述流体出口。在一些实施例中，所述两个或多于两个容器中的一者是主容器，所述主容器经配置以通过所述流体入口将培养基提供到所述至少一个容器从而提供灌注。在一些灌注实施例中，所述控制系统和主容器一起经配置以在所述主容器中和所述至少一个容器中的所述培养基中大体上维持溶解氧浓度、温度和pH的定义值。关于提供主容器和附随容器的一些其它实施例，所述主容器可包含混合系统，而所述至少一个容器不包含混合系统。在一些实施例中，经配置而以灌注模式操作的容器包含一或多个微载体、中空纤维和/或粘附板。在一些实施例中，两个或多于两个容器经配置而以灌注模式操作。举例来说，所述两个或多于两个经流体耦合容器中的至少两者各自包含流体入口和流体出口，且所述生物反应器系统经配置以通过所述流体入口将所述培养基引入到所述至少两个容器、在将所述生物细胞保留在所述容器中的同时交换所述容器中的所述培养基和使所述培养基流出所述流体出口。
本发明的另一方面提供在生物反应器系统中进行生物反应的方法，所述生物反应器系统可由以下各项表征：(i)两个或多于两个经流体耦合容器，其经配置以共同地进行生物反应；(ii)一或多个流体路径将所述两个或多于两个容器彼此耦合，其中所述一或多个流体路径经配置以在所述生物反应期间在所述两个或多于两个容器之间提供培养基流；和(iii)一或多个流体输送装置，其沿着所述一或多个流体路径中的至少一些流体路径，其中所述流体路径中的每一者经配置以准许所述培养基在所述容器中的两个之间双向流动，和/或所述两个或多于两个容器布置成闭合环路。所述方法可由以下操作表征：(a)读取或接收表征在所述生物反应期间所述容器中的一或多个中的所述培养基中的一或多个参数值；(b)使用所述值来确定所述流体路径中的至少一个中的经调整流率，以在所述两个或多于两个容器中维持容器与容器间的所述培养基中的所述一或多个参数的大体上均一值；和(c)控制所述流体输送装置中的至少一个以调整在(b)中所确定的所述流率。
在另一方面中，本发明提供在生物反应器系统中进行生物反应的方法，所述生物反应器系统包含：(i)两个或多于两个经流体耦合容器，其经配置以共同地进行所述生物反应；(ii)一或多个流体路径，其将所述两个或多于两个容器彼此耦合，其中所述一或多个流体路径经配置以在所述生物反应期间在所述两个或多于两个容器之间提供培养基流；和(iii)一或多个流体输送装置，其沿着所述一或多个流体路径中的至少一些流体路径，其中所述流体路径中的每一者经配置以准许所述培养基在所述容器中的两个之间双向流动，和/或所述两个或多于两个容器布置成闭合环路。所述方法可由以下操作表征：(a)读取或接收表征在所述生物反应期间所述容器中的一或多个中的所述培养基中的一或多个参数值；和(b)控制所述一或多个流体输送装置以经由所述一或多个流体路径在所述两个或多于两个容器之间输送所述培养基，使得交换所述两个或多于两个容器中的所述培养基所需的时间最多为所述容器中的细胞在所述两个或多于两个容器中的条件下倍增所需的时间的约十分之一。
在以上方法方面中，所述生物反应器系统可包含至少再一个经流体耦合容器，使得总共为三个或多于三个经流体耦合容器，其经配置以共同地进行所述生物反应。在所述方法实施方案中的一些实施方案中，所述生物反应器系统包含四个或多于四个经流体耦合容器，所述四个或多于四个经流体耦合容器包含所述两个或多于两个容器。在以上方法方面中，所述一或多个参数包含所述培养基的pH、温度、细胞代谢物浓度和/或溶解氧浓度。
在某些实施例中，所述方法进一步包含调整所述两个或多于两个容器中的条件，以确保所述两个或多于两个容器中的所述培养基的平均pH在容器与容器间的变化不超过约0.1。在某些实施例中，所述方法进一步包含调整所述两个或多于两个容器中的条件，以确保在所述生物反应期间所述两个或多于两个容器中的细胞所经历的剪切力在容器间大体上相等。在某些实施例中，所述方法进一步包含调整所述两个或多于两个容器中的条件，以确保在所述生物反应期间所述两个或多于两个容器中的培养基气体输送速率在容器间大体上相等。
在某些方法实施例中，所述生物反应器系统中的每一容器具有不大于约500升或不大于约50升的工作体积。在某些实施例中，所述两个或多于两个容器的总工作体积与所述两个或多于两个容器中的最大容器的所述工作体积的比率为至少约3。
在某些方法实施例中，所述两个或多于两个容器中的一者是主容器，且其它容器是附随容器，其中所述主容器包含经配置以搅动所述培养基的混合系统。在一些实施方案中，所述附随容器中的一或多个不包含混合系统。在一些实施方案中，所述主容器具有比所述附随容器中的任一者大的工作体积。
在本发明的方法方面中的一些方面中，所述方法另外包含：读取或接收一或多个秤和/或荷重元的至少一个输出，所述两个或多于两个容器提供于所述一或多个秤和/或荷重元上；和基于所述秤和/或荷重元的所述输出，控制所述流体输送装置中的一或多个以在所述两个或多于两个容器之间输送所述培养基，使得所述两个或多于两个容器中的所述培养基的体积受控制。在某些实施例中，所述流体路径包含附接到所述两个或多于两个容器的管道和无菌连接器。在一些情形中，所述流体输送装置中的所述至少一个包含泵。
在所揭示方法中的一些方法中，所述两个或多于两个经流体耦合容器中的至少一个包含流体入口和流体出口。在此些情形中，所述方法另外包含通过所述流体入口将所述培养基引入到所述至少一个容器、使所述培养基流过生物细胞同时将所述生物细胞保留在所述至少一个容器中和使所述培养基流出所述流体出口，借此使所述至少一个容器以灌注模式操作。当以灌注模式进行操作时，容器可利用过滤器，所述过滤器经配置以防止所述至少一个容器中的所述生物细胞离开所述至少一个容器和所述流体出口。另一选择为或另外，容器可另外包含用于保留细胞的微载体、中空纤维和/或粘附板。在某些实施例中，所述两个或多于两个容器中的一者是主容器，所述主容器经配置以通过所述流体入口将培养基提供到所述至少一个容器从而提供灌注。在此些情形中，方法可在所述主容器中和所述至少一个容器中的所述培养基中大体上维持溶解氧浓度、温度和pH的定义值。
本发明的另一方面涉及将生物过程工作体积从小型生物反应器的工作体积按比例缩放为大型生物反应器的工作体积的方法。在某些实施例中，此些方法由以下操作表征：(a)确定用于在具有相对小工作体积(例如，不大于约700升)的试验容器中执行所述生物过程的过程条件，其中所述过程条件包含表征在所述生物过程期间所述容器中的培养基的一或多个参数的试验值；(b)设计包含控制系统和两个或多于两个经流体连接生产容器的生物反应器系统，所述生产容器各自具有不大于所述试验容器的所述工作体积的约1.5倍的工作体积，且所述两个或多于两个生产容器的所述工作体积的总和为所述试验容器的所述工作体积的至少约2倍；和(c)按(b)中所指定来构造和/或布置所述两个或多于两个生产容器和所述控制系统以产生所述大型生物反应器。此后，所述生物过程可在所述大型生物反应器中执行。设计所述生物反应器系统可包含将所述控制系统设计为：(i)读取或接收表征在所述生物过程期间所述两个或多于两个容器中的一或多个中的所述培养基的所述一或多个参数的生产值；(ii)使用所述所读取或所接收的生产值来确定所述两个或多于两个生产容器之间的所述培养基的经调整流率，以在所述生物过程期间在所述两个或多于两个生产容器中维持容器与容器间的所述培养基中的所述一或多个参数的大体上均一生产值；和(iii)控制安置在所述两个或多于两个生产容器之间的所述流体输送装置中的一者以调整如在(ii)中所确定的所述流率。在某些实施例中，所述生物反应器系统经配置以准许所述培养基在所述生产容器中的两个之间双向流动，和/或所述两个或多于两个生产容器布置成闭合环路。
在某些实施例中，所述生物反应器系统包含经配置以共同地进行所述生物过程的三个或多于三个生产容器。在某些实施例中，所述生物反应器系统包含经配置以共同地进行所述生物过程的四个或多于四个生产容器。在某些实施例中，所述生物反应器系统包含经配置以共同地进行所述生物过程的五个或多于五个生产容器。在某些实施例中，所述生物反应器系统包含经配置以共同地进行所述生物过程的六个或多于六个生产容器。在某些实施例中，每一生产容器具有不大于约500升的工作体积。在某些实施例中，所述两个或多于两个生产容器的总工作体积与所述两个或多于两个生产容器中的最大容器的所述工作体积的比率为至少约3。
设计所述生物反应器系统可涉及将所述控制系统设计为在所述生物过程期间维持所述一或多个参数的所述生产值大体上等于所述一或多个参数的试验值。在一些实施方案中，所述一或多个参数包含所述培养基的pH、温度、细胞代谢物浓度或溶解氧浓度。在一些实施方案中，所述方法涉及将所述控制系统设计为调整所述两个或多于两个生产容器中的条件，以确保所述两个或多于两个生产容器中的所述培养基的平均pH在容器与容器间的变化不超过约0.1pH单位。
认识到，所述个别容器中的一或多个可具有调节比，所述执行所述生物过程可经展开如下：(d)在(c)中所构造的所述大型生物反应器中以第一总工作体积的培养基进行所述生物过程；和(e)在(d)之后，以大于所述第一总工作体积的第二总工作体积的培养基但仍仅使用所述大型生物反应器的所述两个或多于两个生产容器进行所述生物过程。在一变化形式中，执行所述生物过程可经展开如下：(d)在(c)中所构造的所述大型生物反应器中进行所述生物过程的至少一部分；和(e)在(d)之后，将再一个额外生产容器添加到所述大型生物反应器或激活再一个额外生产容器，且用来自所述大型生物反应器的一或多个其它生产容器的培养基至少部分地填充所述一或多个额外生产容器。在另一变化形式中，执行所述生物过程可经展开如下：(d)在(c)中所构造的所述大型生物反应器中进行所述生物过程；和(e)在(d)之后，移除含有培养基和所述培养基中生长的细胞的所述两个或多于两个生产容器中的一或多个。在一些实施方案中，在所述生物过程期间培养的所述细胞经生长以用于治疗患者。
在一些实施方案中，所述生产容器中的一者是主容器，且其它生产容器是附随容器，且所述主容器包含经配置以搅动所述培养基的混合系统。所述附随容器不需要包含混合系统。所述主容器可包含用于所述培养基中的所述pH、温度、细胞代谢物浓度和溶解氧的一或多个传感器。通常，尽管不一定，但所述主容器具有比所述附随容器中的任一者大的工作体积。
本发明的另一方面涉及经设计或经配置而以灌注模式操作的生物反应器系统。一些此些系统可由以下特征表征：(a)两个或多于两个经流体耦合容器，其经配置以共同地进行生物反应，其中所述容器中的至少一个是灌注容器，所述灌注容器具有流体入口、流体出口和过滤器，或经配置以防止生物细胞在所述生物反应期间离开所述灌注容器的其它细胞保留结构；(b)一或多个流体路径，其将所述两个或多于两个容器彼此耦合，其中所述一或多个流体路径经配置以在所述生物反应期间在所述两个或多于两个容器之间提供培养基流；(c)一或多个流体输送装置(例如，泵)，其沿着所述一或多个流体路径的至少一些流体路径；和(d)控制系统，其经配置以通过所述流体入口将所述培养基引入到所述灌注容器、在将所述生物细胞保留在所述容器中的同时交换所述容器中的所述培养基和使所述培养基流出所述流体出口，借此以灌注模式进行操作。除过滤器外，细胞保留结构的实例还包含微载体、中空纤维和粘附板。这些实例中的任一者可安置在灌注容器内。
所述控制系统可另外经配置以：(i)读取或接收表征在所述生物反应期间所述容器中的一或多个中的所述培养基的一或多个参数值；(ii)使用所述值来确定所述流体路径中的至少一个中的经调整流率，以在所述两个或多于两个容器中维持容器与容器间的所述培养基中的所述一或多个参数的大体上均一值；和(iii)控制所述流体输送装置中的至少一个以调整在(ii)中所确定的所述流率。
在一些灌注实施例中，所述两个或多于两个容器中的一者是主容器，所述主容器经配置以通过所述流体入口将培养基提供到所述灌注容器从而提供灌注。在一些情形中，所述控制系统和主容器一起经配置以在所述主容器中和所述灌注容器中的所述培养基中维持溶解氧浓度、温度和pH的值。所述主容器可包含混合系统，而在一些情形中，所述灌注容器不包含任何混合系统。
所述生物反应器系统不限于仅具有单个灌注容器的实施例。举例来说，所述系统可包含第二经流体耦合灌注容器，所述灌注容器包含其自身的流体入口、流体出口和细胞保留结构，所述细胞保留结构经配置以防止生物细胞在所述生物反应期间离开。在一些情形中，所述系统采用第二灌注容器，所述第二灌注容器最初未流体连接到所述两个或多于两个经流体连接容器。然而，所述第二灌注容器包含用于在所述生物反应器系统已以灌注模式进行操作之后连接到所述生物反应器系统的补充流体连接。
在一些实施方案中，所述生物反应器系统经配置以在所述生物反应期间用来自一或多个其它容器的培养基至少部分地填充所述灌注容器。在一些实施方案中，所述灌注容器经配置以在所述生物反应完成之前连同所述灌注容器的培养基和所述培养基中生长的细胞一起被从所述生物反应器系统移除。
下文参考相关联图式将更详细描述本发明的这些和其它特征。
附图说明
图1：2014年公开案中的一次性生物反应器的现有技术规模扩大化培养链。
图2：引入描述混合的微分方程的简单罐。
图3：用于多罐混合的“星状架构”的数学抽象概念。
图4：用于可能混合系统的罐布置的两个额外双向数学模型。
图5：用于可能混合系统的罐布置的两个单向数学模型。
图6：利用泵和无菌连接器连接到主容器的两个从属(或附随)容器。此图展示在规模扩大或扩增过程中使用的多个罐的基本配置。
图7：此图展示分成多个时期的典型动物细胞生长过程。此图还描绘倍增时间。
图8：此图展示n个容器扩增的星状架构的物理表示。
图9：经配备以提供个体化医学应用的模态的多罐扩增系统。
具体实施方式
举例来说，以下文献中描述了此领域的工作人员经历的规模扩大过程和复杂状况的某些细节：生理相似性和生物反应器规模扩大(Physiological Similarity andBioreactor Scale-up)，沃特鲁巴(Votruba)等人，叶线形微生物学(FoliaMicrobiology)，第37(5)卷，第331页，1992年；从摇瓶到发酵罐：我们学到了什么(ShakeFlask,to Fermentor:What Have We Learned)，汉弗莱(Humphrey)，生物技术进步(Biotechnology Progress)，第14卷，第3页，1998年；和与生物反应器中的异质性共存(Living With Heterogeneities in Bioreactors)，劳拉(Lara)等人，分子生物技术(Molecular Biotechnology)，第24卷，第355页，2006年，所述文献各自以其全文引用的方式并入本文中。许多作者已经提出并由朱(Ju)(生物反应器的经改进规模扩大策略(Improved scale-up strategies of bioreactors)，生物过程工程学(BioprocessEngineering)，第8卷，第49页，1992年，所有信息均并入本文中)进行了总结：为有效地扩大生物过程，以下过程特性将维持不变：
1.反应器几何结构；
2.体积传氧系数kLa(m/s m2/m3)；
3.细胞经历的最大剪切力(kg/m2s)；
4.每单位液体体积的功率输入P(kW)/V(m3)；
5.每单位液体体积的体积气体流率Q(m3/s)/V(m3)
6.表观气体速度v(m/s)
7.混合时间(s)
8.叶轮雷诺数Rei＝流体密度×叶轮速度×(密集叶轮外缘速度)2/运动黏度(无量纲量)
9.动量因子(cm3/s)
项1是指生物反应器的实际形状和纵横比(高度比宽度)。此对生物反应器作用如何和生物反应器仅可被部分地填充的程度具有较大影响(例如，生物反应器的填充体积的操作范围或调节比)。与生物反应器形状和大小相关的额外参数是叶轮设计以及叶轮直径与生物反应器的直径的比率。项2是指氧气可通常从鼓泡氧气或空气被输送到培养基的速率。一般来说，在使气泡变小(由于气泡的球形形状，因此在大小被减小的情况下，表面积与体积比增大)与因高密度的破裂气泡的表面张力而发生的起泡之间存在折衷。项3和项4与实际将损坏细胞的剪切力相关。哺乳动物细胞远比细菌细胞更容易受到此类型的损坏。剪切力由许多因素诱发，包含气泡破裂的表面张力或来自叶轮的外缘处形成的涡旋(搅拌式生物反应器中的动物细胞培养：关于规模扩大的观察(Animal Cell Culture in StirredBioreactors:Observations on Scale-up)，Y.克里斯蒂(Y.Christi)，过程生化(ProcessBiochemistry)，第28卷，0.511，1992年)。项5和6(类似项2)与将气体输送进入或输送出培养基的能力相关。项7(混合时间)是指生物反应器在一或多种受监测分析物的浓度或细胞密度方面达到所设定均一程度而花费的时间。所设定程度在所述文献中可不同，但典型定义为：在生物反应器中，浓度在任何时候的差异均小于10％。混合时间还可定义为：参数(或示踪剂)在生物反应器内均质地分布达成功过程所需的水平而花费的时间。(搅拌式生物反应器的混合时间的建模，3.充气液体培养基的混合时间(Modeling of mixing times forstirred bioreactors.3.Mixing time for aerated broths)，D.卡斯卡韦尔(D.Cascaval)等人，化工(Chem.Ind)，第56(12)卷，第506页，2002年)以其全文引用的方式并入本文中。除非本文中另有陈述，否则本文中将使用此最新定义。项8：叶轮雷诺数与生物反应器的混合时间负相关。一般来说，雷诺数越高，湍流越高，混合时间越短。更短混合时间的代价是更大的剪切力；这对于正在研究的确切系统是必须平衡的另一折衷。项9(显然，在所述文献中使用不太频繁)是动量因子且与生物反应器中的剪切力和质量传递两者相关。
以上列表中的过程参数的数目和过程参数的组合(期望它们在缩放期间保持恒定)会基于大量考虑因素而改变。这些考虑因素包含但可能不限于：所选择的细胞系、生产的产物类型、产物所需的产量、所使用的生物反应器的类型、所实施过程的细节和期望的规模扩大程度。从前述文献的简要综述可以看出，规模扩大通常不是一个简单的过程，且花费了生物处理领域的许多技术工人多年的时间和精力。
为使过程维持一致性产量且在临床上和经济上可行，细胞/过程在规模扩大过程期间必须最小化或者在最糟糕的情况下也应维持上述参数(和有时相关参数)的生物反应器异质性。如上文所提及，迄今为止，即使对于所属领域的技术人员，这仍是重大的挑战。相较于实验室中的小型生物反应器，这在种子培养链末端通常产生较低滴定度或细胞密度。理想情况是，可在不改变生物反应器规模的情况下扩大体积的系统将产生最优结果，且允许从研发直接过渡到生产。这与现今的规模扩大与规模缩小形成对照，在现今，大部分优化工作经执行以匹配处于预想生产体积的小玻璃容器(<15L)的滴定度和生产能力(biocompare.com/Editorial-Articles/165203-Scaling-Up-Your-Cell-cultures-to-Bioreactors/)，且由于不同生物反应器体积而在滴定度和产品质量两者方面仍观察到可缩放性不一致[J.李(J.Li)、G.张(G.Zhang)等人，“一次性生物反应器的缩小模型的挑战：对生长和产品质量影响的案例研究(Challenges of scale down model for disposablebioreactors:case studies on growth&product quality impacts)”，一次性技术(Single-Use Technologies)，弗吉尼亚州利斯堡市(Leesburg,VA)，2015年10月18-21日(以全文引用的方式并入本文中)，或infors-ht.com/index.php/en/applications/scale-up]。类似地，新的大型生物反应器的性能总是被与在玻璃容器中进行相同过程进行比较(颇尔(Pall)应用指南(Application Note)：USD2926，“AllegroTM STR 200一次性搅拌罐生物反应器系统中的CHO细胞培养(Cultivation of CHO Cells in AllegroTM STR200Single-Use Stirred Tank Bioreactor System)”，以全文引用的方式并入本文中，或biopharminternational.com/evaluation-single-use-bioreactor-fed-batch-production-monoclonal-antibody)。
本文所描述的实施例解决了这些挑战中的许多挑战。当下现有的常规(例如，搅拌罐)生物反应器设计实际上来说可允许最多5倍的可扩展性/调节比[通用电气医疗集团生命科学部(GE Healthcare Life Sciences)数据文件29-0929-25AA“XcellerexTM XDR细胞培养生物反应器系统(XcellerexTM XDR cell culture bioreactor systems)”(以其全文引用的方式并入本文中)，或emdmillipore.com/US/en/mobius-single-use-manufacturing/mobius-single-use-bioreactors/mobius-bioreactors/fCyb.qB.1TkAAAFEF9sMfopc,nav，或bioprocessintl.com/upstream-processing/fermentation/single-use-processing-for-microbial-fermentations/]。如上文所提及，生物处理业中通常使用的术语是“调节比”或最大工作体积与最小工作体积的比率。举例来说，结果是，适当设计的一次性生物反应器可以5:1的调节比从130L按比例缩放为650L。调节比的设计目标是：在此缩放比例内，上文所提和的9条准则内的许多准则可视为“守恒”的或极类似的，使得细胞密度、细胞存活率和滴定度将相同；具体来说，对于具有5:1调节比的生物反应器，在从工作体积(最大可用体积)的20％到100％的任一体积下，可将生物反应器的性质视为极类似的。然而，如果期望将工作体积扩大到超过最大体积，那么目前为止，将需要新的更大生物反应器以增大细胞总数或滴定度。如早期所论述，更大的生物反应器通常无法被视为具有相同的9个前述量，因而会产生上文所论述的问题。举例来说，在2000L的生物反应器中在全体积操作与半体积操作之间，混合时间受不到保护(赛默飞世尔公司2000L一次性生物反应器规模扩大概述或一次性生物反应器标准验证指南第41/42页(Thermo Fischer 2000L SUB Scale-up Summary or Sub Validation guide page 41/42)，以引用的方式并入本文中)。注意，当微载体或其它悬浮机制被引入到生物反应器中时，规模扩大问题显著更加困难(bioprocessintl.com/manufacturing/antibody-non-antibody/considerations-in-scale-up-of-viral-vaccine-production-320990/)。此外，对于某些类型的剪切敏感性细胞(例如干细胞)，规模扩大对于产生细胞产物是至关重要的。
规避此问题的一种方法是同时运行具有相同大小的多个或N个生物反应器以扩大体积。然而，此通常被认为是不能令人满意的或甚至是不可接受的规模扩大方式，因为每一生物反应器是独立的，且可具有略微不同条件，且必须独立地设置。此意味着，每一生物反应器被单独地控制(例如，每一生物反应器具有其自身设定的PID环路控制器)，且因此来自每一生物反应器的批次被视为独立的，即，在产量、溯源性、质量和一般行为方面是不同的。此外，为最终作为一个批次来利用N个生物反应器的产物，内容物必须先进行“组合”或“汇集”，之后再在下游进行处理(例如：过滤、层析、病毒灭活)。质量小组和/或监管机构通常反对进行汇集，因为这样做会导致任何问题(例如：污染、较低产量或效力等)的来源的溯源性缺失。鉴于这些事实，在进行规模扩大时，通常会避开运行N个独立(较小)生物反应器容器的概念，而是支持一个大得多的生物反应器。
本发明的某些实施例提供一种通过引入N个生物反应器之间的耦合而规避或至少显著减轻前述规模扩大问题的方式；此处，耦合意指生物反应器之间的内容物(细胞和上清液)的物理输送。此在数学运算中可被看作是对一组众所周知的问题的扩展，称作“混合问题”。如果通过在一组N个生物反应器之间交换流体内容物(例如，以允许将全部N个生物反应器的内容物视为均质的(和因此相同的))而将一组N个生物反应器耦合在一起，那么会具有用于所有意图和目的的一个批次。此允许利用多个生物反应器来产生一个批次，此在避开规模扩大问题的同时也不需要进行汇集且不需要质量或监管小组详细审查。
回到耦合生物反应器的问题，将评论在罐之间进行混合的数学机器。作为对在罐中进行混合的概念的介绍，将以简单且常见的问题–单一分析物(例如，盐水或盐)的混合开始。最基本的问题通常具有用溶解在水中的分析物(例如，盐)部分地填充的一个罐。典型的问题需要一个解决方案来算出常微分方程(ODE)，并计算系统达到平衡将需要多长时间。典型的问题还需要计算分析物以规定速率实现给定内向通量的最终平衡浓度和分析物在具有给定初始浓度和体积的水中的浓度。
图2展示具有类似于以上所描述的情况的情况的混合罐。假设：
S(t)是在时间t处盐的量；
V(t)是在时间t处罐中的溶液体积；
FIn是溶液流入罐中的流率；
FOut是混合物从罐流出的流率；
Cin是流入罐中的溶液中的盐的浓度；
Cout是从罐流出的溶液中的盐的浓度；
Rin是盐倒入罐中的速率
方程式1：Rin＝FInRIn x Cin
Rout是盐从罐倒出的速率
方程式2：Rout＝FOutROut x Cout
根据这些假设，可定义：
方程式3：Cout(t)＝S(t)/V(t)
方程式4：dS(t)/dt＝罐中的盐的改变速率，如Rin-Rout
此可重新排列为：
方程式5：dS(t)/dt＝FIn×Cin-FOut×S(t)/V(t)
此是常微分方程(ODE)类型的标准式
方程式7：dS/dt+pS＝q
此ODE的解是：
方程式8：
其中μ(t)＝e∫p(t)dt
因此，根据初始条件和流率可求解在任一时间t处罐中的盐浓度S(t)。以上实例的关键在于简单地了解如何利用标准微分方程来解决此类型的问题。现在将论述详细描述本文所描述的某些实施例的系统和数学运算。
术语“容器”将用作描述液体容器的通用术语，“容器”可意指罐或生物反应器。罐将是被动或混合容器，而生物反应器将是能够主动控制用于生物处理的所关注参数的容器。考虑图3中所展示的布置，取自“关于多个罐的混合问题(Mixing Problems with ManyTanks)”，A.斯拉维克(A.Slavik)，美国数学学会(Mathematical Association ofAmerica)，第806页，2013年(以其全文引用的方式并入本文中)。此图展示称为“星状配置”中的罐布置，所述罐布置具有一中心容器和直接流体连接到中心容器的三个或多于三个其它容器。所述星状配置使一种可能配置，但绝不是允许容器之间的混合的仅有配置。在图3中，罐标示为T1…T8。此经耦合系统是比较真实地描绘罐或生物反应器可如何构建网状关系以实现可扩展性的一种布置。如果严格且明确地求解在经耦合罐之间流动的物质(例如，盐)的混合物流，还可严格地求解在生物反应器之间移动的细胞和/或培养基(一般为上清液)的混合物。此意味着，还可创建依据初始条件来预测将产生稳态和均质溶液的流率的模型。前述论文中已概述所关注情形中的许多情形。所述论文提供描述多个经耦合罐中的混合问题且允许求解的一组通用方程式。这些方程式是上文所引入的单个罐混合问题的一般扩展。虽然斯拉维克的论文中明确使用盐，但可取代盐使用任何均匀混合的物质。依据斯拉维克理论的以下方程式9和10使用与简化实例略有不同的符号：
方程式9：
方程式10：
V是体积
T1是中心罐，标示为罐1
T2…Tn是连接到罐1的(n-1)个罐
xi(t)是在任一给定时间t处罐I(Ti)中的盐的量
方程式9描述中心罐(罐1)中的添加物(盐)的量随时间的改变，而方程式10描述并非中心罐的任一罐Ti中的盐浓度随时间的改变。对于一组给定初始条件，可求解在“时间0”处每一罐中的盐的量，且详细步骤可依据斯拉维克的论文进行。如先前所提及，由于可求解任何混合物的数学解，因此此解决方案还将准确地描述生物反应器的内容物。
进一步考虑图3中的星状配置，可看到，可将N个容器(例如，八个或甚至更多)耦合，其中N仅受实际考虑因素(几何学和空间问题、距离、成本)限制。由于图3是物理问题的数学理想化，因此关于将前述数学机器应用于生物反应器的许多考虑因素并未得到具体解决。
图4展示可用于混合的罐布置的另外两种数学表示。参考编号4-100是线性链，其中流体在各罐间双向移动，而4-101是也采用双向混合的环状配置。注意，对于经设计在其操作参数中具有适当规模扩大/规模缩小一致性的经良好表征容器，这些配置中的任一者还可含有不同大小的容器。
容器之间的双向流动应增大容器达到平衡的速度，但如果可保证实际混合，那么此方向应并非绝对必要的。还已对此配置进行了数学建模，且图5中展示两个此类单向配置。参考编号5-100是图4中所展示的环4-101的单向模拟，而5-101是链4-100的单向模拟。参考编号5-102是入口且5-103是出口，在流体保守系统中，所述入口和出口将需要被绑在一起。
图6展示另一实例。如图6中所展示，中心生物反应器6-100充当“主”或控制生物反应器，而扩增或附随生物反应器6-106和6-108是“从属”生物反应器。如所展示，中心生物反应器6-100配备有用于控制各种分析物或物理水平的传感器，包含但不限于用于以下各项的传感器：溶解氧、pH、温度、CO2、细胞密度、传导性和细胞存活率。主生物反应器还配备有混合系统和叶轮6-102，以及用以控制溶解氧水平或气提出(strip)CO2的鼓泡器6-107。这些特征通常与控制环路(例如，PID环路)一起使用以维持前述量中的任一者的最优水平。在图6中，在主生物反应器中通过测量而进行控制，而从属系统用于监测和反馈到主环路以及泵6-103和6-104两者。在某些实施例中，例如图4中所描绘的实施例，生物反应器的容量可通过将其它生物反应器(例如生物反应器6-106和6-108)附接到中心生物反应器6-100而扩增或按比例缩放。生物反应器(通常全部都已预先灭菌)分别使用一次性无菌连接器和相关联管道套组或其它流体连接器6-109和6-110连接于主生物反应器和从属生物反应器上。虽然主生物反应器和从属生物反应器两者上均展示了连接器，但仅一组是绝对必要的。这些一次性无菌连接器现在在一次性生物处理领域是常见的且由多个公司制造，例如颇尔公司(Pall)、通用电气公司(GE)和科德公司(Colder)(例如，pall.com/main/biopharmaceuticals/product.page？id＝34125、gelifesciences.com/webapp/wcs/stores/servlet/productById/en/GELifeSciences-us/28936612)。还要注意，从属生物反应器可为被动容器或具有用于黏附细胞的结构(例如，板或微载体聚集体)的容器，其中不可能存在搅动机构。
将主生物反应器的内容物输送到从属生物反应器的能力通过泵6-103而实现，出于静水压力考虑因素，所述泵展示为从生物反应器的底部移除液体。泵6-104展示为将属生物反应器的内容物从这些容器的底部引回到主生物反应器。所述泵可为蠕动泵或用于通过封闭式路径将流体从一个位置移动到另一装置的任何其它已知机构。目前预计在所利用的泵为低剪切力离心泵(例如，莱维创利斯公司(Levitronix)生产的泵，levitronix.com)时对细胞的损坏最小，但低剪切力离心泵也并非绝对必要的且将取决于所需的输送速度和在使用中细胞系的稳健性。在一些实施例中，生物反应器安置在秤或荷重元6-111、6-112、6-113上以便在每一容器中维持相等的质量/体积。如果提前知晓总体积，那么通过使用简单算法便可仅将一子组的生物反应器放在秤上，所述简单算法利用质量平衡并入有必要的体积加法或减法。
应注意，通过连接具有已知可扩展性的生物反应器(参数足够均一以实现成功规模扩大)，避免了如之前所论述的规模扩大问题。在各种实施方案中，泵推动在生物反应器之间足够迅速地交换内容物，是的出于所有意图和目的，所述系统可被视为一个生物反应器。足够迅速意指，所有生物反应器在参数群组中的某些参数方面是均一的，且来自生物反应器中的一者的样本无法与同时从另一生物反应器获取的样本区分开。上文所描述的参数中的任一者可提供对均一性度量；参数大体涉及流体动态参数(例如，细胞所经历的剪切力、雷诺数)、组分参数(例如，所溶解组分的浓度和/或pH)以及质量传递参数(例如，传氧系数)。尽管各细胞系和过程均不同，但如果容器之间的交换速率超过此些参数改变的速率(和，例如，细胞生长(倍增)速率)，那么必要的均一性便得以保持。此针对各细胞系和过程可通过实验得以证明，并在此后通过相应地调整泵速度和/或通过监测关键过程传感器来严格控制。传感器可用作泵速的反馈机构以在相关联控制环路的典型误差(或死区)内维持均质性。
就所揭示实施例来说，此处审查细胞生长过程将是有帮助的。具体来说，细胞群体随时间的生长和改变如何？图7中展示典型细胞生长曲线。如图中所展示，紧接在容器的接种之后存在迟滞期，在其中细胞据说从其正浸入新培养基的应力恢复。接下来是对数或指数期，在其中生长速率加速，直到培养基耗尽或发生其它有害效应为止。对数或指数期之后是静止期和衰亡期。细胞生长速率的一个度量是“倍增时间”或细胞群体在生长周期的“对数”期期间群体倍增(–参见ATCC动物细胞指南(ATCC Animal Cell Guide))所花费的时间。细胞系在生长条件下的倍增时间通常被良好表征。举例来说，典型CHO(中国仓鼠卵巢)细胞系具有≥15小时的倍增时间，而人体心脏细胞和小鼠的间充质干细胞分别具有约29小时和22小时的中位倍增时间。微生物细胞倍增时间快得多；大肠杆菌具有大约15-30分钟的倍增时间。倍增时间可提供生长过程的改变速率的合理度量，且充当材料需要在容器之间进行交换的速率的基准以便维持细胞群体的均质性。在迟滞期、静止期和衰亡期中，实现均质性所需的交换速率将从指数生长期开始减小，在指数生长期中，细胞倍增速率最快。在其中细胞极缓慢地倍增的迟滞期期间，交换速率可相应地较慢。如果在对数期期间添加从属容器，那么实现均质性的起始点可使用以细胞倍增时间为基准的体积流/交换速率(进出容器的泵速)作为度量。与倍增时间相比，所需体积交换速率的问题可被简化为需要交换多少次容器的体积的问题。如果容器内容物至少以比倍增时间快的数量级进行交换，那么多个容器内容物将几乎是均质的。在丧失均质性之前容器内容物的交换速率可达到多慢将取决于细胞系和过程的细节？
作为实例，如果CHO细胞生长过程在用培养基完全填充的具有4:1调节比的100L的工作体积生物反应器中开始，且细胞和过程处于迟滞期，那么执行过程的小区可要求附接第二相同生物反应器和可能地第三相同生物反应器作为从属容器以便满足其产物和/或滴定度目标。在此情景中，为设置系统，将打开主生物反应器的外流泵，使得第二和第三生物反应器的体积被填充≥25L，其中体积通过荷重元上的所测量值的改变而确定。只要以使得细胞群体的改变极小(例如，细胞群体仍可被视为稳定地处于迟滞期)的时间周期输送细胞和上清液，主生物反应器和从属生物反应器仍可被视为均质的或均一的。回流泵(从从属容器到主容器)将保持关闭，直到从属容器中达到所要体积，且接着将开始容器之间的主动双向交换。基于过程所需的总体积和/或产量，可再次将额外培养基缓慢地添加到主容器或添加到多个容器；主容器和从属容器可全部最终被填充到工作体积。培养基被引入系统中的速率可必须对应于细胞密度的改变速率，使得细胞基本上不受干扰。在迟滞期期间，如前文所提及，细胞并不迅速生长，且因此交换速率体积流要求较低。在对数期中，如果倍增时间为15个小时，基于以上论述的起始点是每1.5个小时交换一次容器体积。此意指体积输送速率为100L/90分钟或约1.1SLPM。基于对包含但不限于生物反应器pH、代谢物浓度、细胞密度、细胞存活率等相关细胞生长参数的测量，可减小体积交换速率。在某些实施例中，不同过程使用不同算法来控制体积交换速率和因此维持均质性。在某些实施例中，在整个生长过程中仅维持极高体积交换速率(与最快倍增时间相比)将简化系统和关于均质性的不确定性。
如所提及，在某些实施例中，主容器将大体控制重要的量，例如溶解氧、pH和温度。但在某些实施例中，从属容器中也可存在致动器，如图6中所展示，参考编号为6-106和6-108。一些控制架构取决于系统的物理实施例。举例来说，如果容器之间的交换速率与任何一个容器的热时标相比是快速的，那么在一些实施方案中，在每一个别容器中不仅不需要控制温度，也不需要设定为标称值的致动器(例如，加热毯)。具有单个主控制环路会避免控制环路之间的“牵引(pulling)”或通信，且简化控制方案。在从属生物反应器中具有致动器和传感器同样允许通过主生物反应器执行控制且允许泵的速度与主生物反应器和从属生物反应器相称；与主生物反应器中的传感器相比，从属生物反应器中的传感器允许用于控制泵的反馈路径，如果需要的话。举例来说，在受控制的从属生物反应器中具有叶轮、传感器和鼓泡器但使从属容器中的鼓泡和混合受主容器控制即为适合的控制方案。按照设计进行被动控制也是可能的，其中泵的速度允许从属容器基本上为被动元件或罐。
图8通过多个经连接容器扩展此规模扩大概念，且可充分利用方程式9和10中所描述的数学运算。在图8中，参考编号8-100展示主生物反应器的简化版本，虽然主生物反应器中未展示鼓泡器、传感器、叶轮等，但鼓泡器、传感器、叶轮等可被视为包含在主生物反应器中。泵(双向)展示为单元8-109，且为清楚起见，在图8中，生物反应器8-101到8-107以简化形式展示且未展示无菌连接器，而生物反应器8-108框图解说明任何数目个容器的扩展。此限制是通过物理因素、成本和实际考虑因素而设定–并非通过理论扩展或数学运算而设定。如果按比例缩放系统(泵、连接器等)受成本过高限制，通过离散地添加罐而进行的此按比例缩放可连同常规规模扩大过程一起使用以所需的罐数。举例来说，如果使用具有5:1调节比的生物反应器，那么可开始所述过程，即将30L的生物反应器下调为6L，且接着填充将生物反应器为30L。此后，可添加第二或第三生物反应器，此使总工作体积达到100L。接着，生产可转移到650L的容器，所述容器可被下调为约115L，又可利用两个额外容器扩增到1950L。现今在商业性生产中的最大一次性生物反应器为2000L，且大量生物反应器体积需要按比例缩放为此体积，这意味着更多的部件、更多的缩放、更多的努力和更多的成本。刚评论的实例就生物反应器的最大工作体积来说允许仅利用一个规模扩大步骤从6L按比例缩放为几乎2000L。
此类型的可缩放系统的另一应用是个体化医疗领域。此领域的应用包含不限于干细胞疗法、嵌合抗原受体T细胞(CAR-T)疗法和基于肿瘤浸润淋巴细胞(TIL)的治疗，其中需要小的但潜在地可扩增的体积。当前，对于CAR-T类型疗法，典型批次大小为约1L，且美国食品药品管理局(FDA)要求此质量的约一半和安全性试验。在此些免疫肿瘤学应用中，从患者样本收集和选择的细胞的开始体积与所需批次大小(3L)相比极小(30mL)且在单个患者剂量情景中呈现高细胞密度的100倍放大。如果治疗成本负担得起且质量保证被分摊到几千份剂量，那么放大挑战对于其中目标为300L的批次大小(10,000被放大)的异源治疗甚至更大。所揭示实施例提供应对此些挑战的有用模式。
在个体化医学应用中，如果批次丢失，那么患者在其疾病的晚期可能会失去挽救生命的治疗机会。批次通常因过程污染而失败。因此，在效用上相同的生物反应器的线性推进中扩增30mL样本的能力是极具吸引力的，因为所述过程可以在一个300mL容器中开始，且在细胞生长的同时被按比例缩放为两个和最终三个或多于三个容器。一旦所述过程被按比例缩放到三个或多于三个容器中，一个容器的内容物便可被取出用于存储以防整个批次均被污染，进行质量分析和/或作为治疗剂量存储于冷藏库中。接着，两个容器可被按比例缩减为空容器，且此时移除第二容器体积。(举例来说)在不损害细胞培养的存活率的情况下，此过程可视需要随每周收集的批次重复进行，因为容器可被排净并重新填充有培养基，或者被拆离并无菌地附接新容器(或者一开始可附接培养链中的所有容器，其中一些容器是空的，且使用无菌阀来决定这些容器何时和是否添加到过程链)。此接着可被视为支持离散体积改变的连续补料分批过程。当批次可展示为是相同材料是，批次还可被汇集到单个剂量中。
在极具剪切力敏感性的细胞的情形中，可应用本发明中的附随容器概念，其中一组主容器具有叶轮，且利用全传感器分析法来控制培养基的氧气、pH和代谢物浓度，且附随容器是被动的、具有为微载体、中空纤维或粘附板的填料床。在用泵(例如，图9中)将被动容器连接到主容器的情况下，通过在容器之间的线路上添加适当过滤器8-119(对于病毒，通常<0.22μm)，可将任何病毒或细菌隔离到单个容器。原始细胞样本的体积将被分到附随容器中，借此减低整个样本均扩增失败的风险。
图9展示具有三个网状连接的容器的系统，但所述系统也可扩增到N个容器。主要生物反应器9-100利用以下各项网状连接到附随/从属容器9-108和9-109：无菌连接器9-118、双向泵9-107、线内病毒过滤器9-119以及无菌连接化管道套组9-115，其等虽然仅被具体地标示在一个容器9-109上，但全部三个容器上均有展示。主要生物反应器或主生物反应器9-100展示为具有叶轮9-102和鼓泡器9-104。这些特征并未明确地展示于从属容器9-108和9-109上，因为这些特征可能不是必要的。在此实施例中，如果细胞对剪切力敏感，和/或为降低成本，容器可使混合、氧合作用和pH调整全部发生于主罐中。根据此可能性，主罐在此处展示为大小和体积比从属罐中的任一者都大，使得主罐还可充当经氧合作用的、pH经调整的培养基的稳定器和贮槽。传感器9-103展示于全部三个容器中，使得存在用于监测和控制目的的反馈。具体来说，泵速改变或主生物反应器中的分析物值的改变。
另外，在图9中，从属生物反应器展示为取决于应用以灌注模式或以细胞分离模式被利用。允许生物反应器的内容物被引到细胞保留/分离装置(声波分离器、过滤器等(例如，applikon-bio.com/en/news2/itemlist/category/52-biosep,spectrumlabs.com/filtration/KR2System.html)9-114的管道9-113展示为具有返回环路9-115，所述返回环路9-115利用泵9-116或用以使流体在所需路径中移动的其它装置回到生物反应器。因此，所述容器可用于实施灌注过程，其中实际生长过程在从属容器中发生，且氧合作用和控制存在于主容器中，或在进行类似任务划分的情况下以细胞扩增模式实施。细胞扩增模式是令人感兴趣的，因为T-细胞、干细胞扩增或黏附细胞生长可发生于从属容器中，而不需要叶轮且不具有伴随的剪切力。容器再次展示为处于秤或荷重元9-111、9-112、9-113上以在各容器之间实现质量/体积平衡。最后，整个系统可被封闭在培养箱或培养箱摇床9-101中以用于温度控制以及混合，如果容器中没有一者配备有叶轮(例如，经专门设计以在不具有叶轮的情况下工作的摇瓶或生物反应器，kuhner.com/en/product/shakers/single-use/sb200-x.html)的话。此可进一步降低容器的每次使用成本。
如所指示，多容器生物反应器系统包含经配置以共同地进行生物反应的两个、三个、或多于三个经流体耦合容器。所述容器通过在生物反应期间在各容器之间维持标称地均一或一致条件而共同地进行生物反应。因此，容器在生物反应期间在各容器之间共用反应物和产物。此可通过包含在生物反应期间将容器彼此耦合的流体路径(有时在本文中实施为流体连接器，例如，管道)和在一或多个流体路径或连接器中的至少一些流体路径或连接器中的流体输送装置(泵)而完成。
通常，生物反应器系统还包含经配置以控制容器中的反应条件以进行生物反应的控制系统。控制系统可被委派有在生物反应期间在各容器之间维持均一过程条件的任务，以及其它责任。为此，控制系统可经配置以：(i)读取或接收表征在生物反应期间容器中的一或多个中的培养基或其它反应流体的至少一个参数值；(ii)使用所述值来确定流体连接器中的至少一个中的经调整流率，以在若干容器中维持容器与容器间的反应流体中的参数的大体上均一值；和(iii)控制流体输送装置中的至少一个以调整在(ii)中所确定的流率。通过以此方式控制反应流体流，可使温度、pH、所选分析物浓度(例如，溶解氧浓度、葡萄糖浓度)、流体动力学条件等跨越容器维持大体上一致或均一。大体上一致或均一是相对于生物反应从多个角度确定的，因此举例来说，细胞存活率、细胞生产力、滴定度等在容器间是一致的。针对生物反应的性能视需要以各种方式确定过程条件仍一致的量值差。举例来说，以下各项可为适宜的：在容器间，所选择分析物或产物的质量浓度相差不超过约5％；或在容器间，pH的量值变化不超过约0.2pH单位；在容器间，温度变化不超过约0.5℃。再次，要点在于：可变性介于在容器间产生一致生物反应结果的界限内。这些结果可为产物滴定度和/或浓度、细胞存活率等。
在某些实施例中，控制系统经配置以：(i)读取或接收表征在生物反应期间容器中的一或多个中的培养基或其它反应流体的参数值；和(ii)控制一或多个流体输送装置以在两个或多于两个容器之间输送培养基，使得交换容器中的培养基的所需时间处于容器中的细胞在容器中的条件下倍增所需的时间的一个数量级内。举例来说，交换容器中的培养基所需的时间可最多为容器中的细胞在容器中的条件下倍增所需的时间的约一半。在更严格操作条件下，控制系统将指示更快地输送培养基，使得交换容器中的培养基所需的时间最多为容器中的细胞在容器中的条件下倍增所需的时间的约三分之一、或五分之一、或十分之一(或甚至二十分之一)。实际速率将部分地取决于生物反应器系统中的当前条件和所需的均一程度(例如，在容器间，pH的变化应不超过约0.1pH单位)。注意，交换一或多个容器中的培养基所需的时间是基于容器中的当前培养基量，所述培养基量不一定是容器的工作体积。(实际上，当然，系统在交换期间将不从容器移除所有培养基；系统中将流入新培养基，且同时会排出对应量的旧培养基)。此外，细胞倍增时间取决于若干因素而变化，所述因素包含细胞的当前生长期以及大部分细胞当前处于所述时期中哪个阶段。举例来说，细胞在迟滞期中与细胞在对数/指数期中的倍增时间显著不同。参见图7的论述。
在某些实施例中，控制系统将培养基的流率驱动到容器中的每一者中，使得交换容器中的任一者中的培养基所需的时间比相应容器的培养基的混合时间短。在某些实施例中，交换时间处于混合时间的数量级内。举例来说，交换时间可不大于混合时间的约一半，或不大于混合时间的约三分之一、或五分之一、或十分之一。在某些实施例中，交换时间不大于混合时间的约十分之一。考虑此的一种方式是，在容器中使用操作流率完全交换存在于容器中的培养基所需的时间比使用容器的固有混合驱动器(例如，对流、扩散等)来混合容器的组分所需的时间短。如所阐释，可以各种方式定义混合时间。出于此实施例的目的，假设混合速率通过最近引入的示踪剂均质地分布在生物反应器中达到成功生物过程所需的水平所花费的时间而定义。此假设培养基在混合期间不进入或离开容器；即，假设其中发生混合的容器是封闭系统。在某些实施例中，均质分布的定义是示踪剂的浓度在容器中的任何两点间的变化不超过约10％。
容器
如应明了，使用相对小的容器具有许多益处。此些益处的实例包含避免某些规模扩大挑战(例如，较少实验过程和不确定性)、减少容器内的过程条件变化等。因此，多容器生物反应器系统中的个别容器的大小使相对小的。作为实例，每一容器具有不大于约700升、或不大于约500升、或不大于约100升、或不大于约50升的工作体积。应理解，术语“总体积”和“工作体积”有时用于工业中，且与所述使用一致，术语“总体积”是指容器的总容量、与对流体体积的限制无关，而术语“工作体积”是指容器中可填充的用于进行生物反应的流体的最大体积。
如所指示，生物反应器系统可包含两个、三个或更多容器。容器的数目影响但不完全决定生物反应器系统的总工作体积(例如，构成生物反应器系统的两个或多于两个容器的工作体积的总和)与两个或多于两个容器中的最大容器的工作体积的比率。在某些实施例中，比率为至少约2或为至少约3。介于约2-4的范围的比率通常适于相对较大总体积的生物反应器系统；例如，具有约1000升或大于1000升、或约1500升或大于1500升、或约2000升或大于2000升的总体积的系统。对于一些应用，例如较小规模的应用(例如，约500升的总工作体积或更小的总工作体积)或个体化医学应用，生物反应器系统的总工作体积与容器中的最大容器的工作体积的比率可较大，例如，至少约6。生物反应器在生物反应期间的任何给定时间所采用的容器的总数目可为至少约5个、至少约6个、至少约10个或至少约12个。所述数目是基于若干因素而选择，所述因素包含生物反应器产物或应用、生物反应器系统的总工作体积、在生物反应的过程中替换、移除或添加容器的需要等。
作为此方法的能力的实例，当经耦合具有典型容器调节比时，考虑500升容器中的4:1或5:1调节比，经耦合多容器系统的工作体积可在不改变容器大小的情况下从100L-125L一直按比例缩放为1500L到2000L。此意味着，生物反应器容器的制造商可仅提供集中式产品，其中仅需要几个容器大小来提供极其广泛的有效生物反应器体积。举例来说，图1中的四个或多于四个生物反应器大小的培养链可用两个或三个总生物反应器替换以用于整个规模扩大过程。
在一些实施方案中，生物反应器系统的个别容器在工作体积、几何结构、构造材料和/或搅动/混合系统方面彼此类似。举例来说，容器可具有类似调节比；例如，没有两个容器具有彼此相差约20％左右的的调节比。在一些实施例中，所有容器均由相同材料制成；例如，所哟容器均具有聚合物容器壁，或者容器均具有不锈钢壁。
在某些实施例中，如所阐释，多个容器中的一者是主容器，且其它容器使附随或从属容器。通常，尽管不一定，但主容器具有比附随容器中的任一者大的工作体积。通常，主容器用于提供控制附随容器中的条件的某一度量。举例来说，控制系统可首先监测并调整主容器中的条件且接着使用容器间流体输送让附随容器中的条件遵循主容器中的条件。在某些实施例中，主容器包含用于培养基中的pH、温度、细胞代谢物浓度和溶解氧的一或多个传感器。在某些实施例中，控制系统从主容器和/或附随容器上的传感器接收此些参数的值，且使用这些值来首先调整主容器中的条件。在某些实施例中，控制系统包含经配置以控制主容器的单个控制环路，且在一些情形中，包含经配置以搅动主容器中的培养基的至少一混合系统。在某些实施例中，附随容器含有经设置处于大体上恒定速率的鼓泡器。在此些情形中，使空气或氧气鼓泡可发生于附随容器中，而主要控制点采用主容器上的传感器。
在一些情形中，主容器可包含经配置以搅动主容器中的培养基的混合系统。在这些情形中的一些情形中，附随容器中没有一者包含混合系统。适合混合系统的实例(无论是实施于主容器中还是附随容器中)包含叶轮、轨道摇床、波浪形摇杆和柱塞。
如所阐释，容器的布置(如由生物反应器系统中的个别容器之间的直接连接所指示)可具有许多配置。实例包含星状配置、线性配置、闭合环路配置和这些配置中的任何两者或多于两者的组合。举例来说，布置可为轮辐-轮状(a spoke a wheel)配置，或具有闭合环路的套索配置(具有从环路容器中的一者延伸出的尾部)，或者稠环状配置。布置可为双向流体连接或仅为闭合环路流体连接。如所图解说明，闭合环路配置形成流体流的闭合环路。
在某些实施例中，生物反应器系统包含最初未连接到两个或多于两个经流体连接容器的额外容器，但所述额外容器包含用于在生物反应器系统已进行操作之后连接到生物反应器系统的补充流体连接。此允许系统在生物反应的过程期间扩大，此在培养将用于对患者进行的后续治疗中的患者自身的细胞(或其改性后的变体)时可为适宜的。在一些情形中，控制系统经配置以在生物反应期间用来自一或多个其它容器的培养基至少部分地填充额外容器。另一选择为或另外，系统的容器中的一或多个经配置以在生物反应完成之前连同其培养基和培养基中生长的细胞一起被移除。
控制系统
如所提及，控制系统的任务可是在生物反应期间在容器之间维持均一过程条件。此可要求(举例来说)细胞生长速率和/或产物滴定度在各容器间的差异不超过百分之几(例如，不超过约10％)。
在各种实施例中，控制系统经配置以在各容器间维持pH的大体上均一值。举例来说，控制系统可经配置以调整两个或多于两个容器中的条件，以确保两个或多于两个容器中的培养基的平均pH在容器与容器间的变化不超过约0.2pH单位(或不超过约0.1pH单位或不超过约0.05pH单位)。此在个别容器足够小和/或经充分良好地混合使得条件的内部变化最小时是特别有用的。举例来说，两个或多于两个容器和控制系统可经设计或经配置使得容器中的任一者内的培养基的pH具有最多约0.1pH单位的变化。
在某些实施例中，控制系统进一步经配置以调整两个或多于两个容器中的条件，以确保在各容器间平均培养基温度之差保持在约0.5℃以内(或在约0.1℃以内)。
在某些实施例中，控制系统进一步经配置以调整两个或多于两个容器中的条件，以确保在生物反应期间两个或多于两个容器中的细胞所经历的剪切力在各容器间大体上相等。举例来说，在任何两个容器之间因剪切力而死亡的细胞数目之差可在5％以内。理想地，在生物反应的过程期间，在任一容器中，少量细胞会因剪切力而死亡，或者至少，不超过约10％的细胞会因剪切力而死亡。
在某些实施例中，控制系统进一步经配置以调整两个或多于两个容器中的条件，以确保在生物反应期间两个或多于两个容器中的培养基气体输送速率在容器间大体上相等(例如，以上所列输送参数的中的任何一或多个的平均值在各容器与容器间的变化不超过约5％)。当然，溶解氧水平不应低于细胞因缺氧而开始死亡的水平。
在某些实施例中，生物反应器系统中的容器中的一或多个提供于秤和/或荷重元上以在生物反应期间监测容器的质量。控制系统可经配置以监测来自秤和/或荷重元的输出且调整容器之间的流率，以确保个别容器中的体积/质量保持在规范内。
广义地说，控制器可为具有接收指令、发出指令、控制操作、能够进行清理操作、能够进行测量等的各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件的电子器件。控制器硬件可含有一或多个处理器、存储器装置和用于与传感器、泵、鼓泡器、混合器等进行通信的接口。处理器可包含呈存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片和/或一或多个微处理器，或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可为以各种个别设定(或程序文件)的形式传递到控制器、定义用于在生物反应器上实施特定过程的操作参数的指令。
控制器可集成有用于在执行生物过程之前、在执行生物过程期间和在执行生物过程之后控制操作的电子器件。取决于处理要求和/或系统类型，控制器可经编程以控制本文中所揭示的过程中的任一者，包含在容器之间泵送培养基、调整温度、控制培养基条件(例如pH、营养物浓度等)和移除生物反应的产物。
在一些实施方案中，控制器可为计算机的一部分或耦合到计算机，所述计算机集成有所述系统、耦合到所述系统、以其它方式联网到所述系统，或其组合。举例来说，控制器可处于“云”中，或设施主机计算机系统的全部或一部分，其可允许对生物处理进行远程存取。计算机可实现对系统的远程存取，以监测生物过程操作的当前进展、检查过去生物处理操作的历史、检查多个生物处理操作的趋势或性能度量，以改变当前处理的参数，以将处理步骤设定为跟在当前处理之后，或以开始新的过程。
在一些实例中，远程计算机(例如，服务器)可经由网络将过程操作指令提供到系统，所述网络可包含本地网络或因特网。远程计算机可包含能够输入参数和/或设定或者能够对参数和/或设定进行编程的用户接口，所述参数和/或设定接着被从远程计算机传递到所述系统。在一些实例中，控制器接收呈数据形式的指令，所述指令指定用于在一或多个操作期间将执行的处理步骤中的每一者的参数。因此，如上文所描述，控制器可为分布式的，例如通过包括联网在一起且致力于共同目的(例如本文中所描述的过程和控制)的一或多个离散控制器。用于此些目的的分布式控制器的实例将是反应器上的组合以控制反应器上的过程的一或多个集成电路，所述反应器与远程定位(例如，在远程计算机的平台级别或作为远程计算机的一部分)的一或多个集成电路通信。
控制器的每一算法或其它计算元件可实施为计算机数据和指令的有组织集合。在某些实施例中，用于控制容器之间的流量的模块、用于调整一或多个容器的温度的模块、用于调整材料到一或多个容器中的引入和/或材料从一或多个容器的移除的模块可各自被视为与用户且与系统软件介接的应用软件的形式。系统软件通常与计算机硬件介接，通常实施为一或多个处理器(例如，如所描述的CPU或ASIC)和相关联存储器。在某些实施例中，系统软件包含操作系统软件和/或固件，以及系统中安装的任何中间件和驱动器。系统软件提供计算机的基本非任务特定功能。相比之下，模块和其它应用软件用于完成特定功能。用于模块的每一原生指令存储于存储器装置中且由数值标示。
在一个层面上，计算元件实施为由编程器/开发人员编写的一组命令。然而，可由计算机硬件执行的模块软件是提交到存储器的可执行代码，所述可执行代码使用从特定机器语言指令集或设计到硬件处理器中的“原生指令”选择的“机器代码”。机器语言指令集或原生指令集是硬件处理器已知的且基本上构建到硬件处理器中。此是系统和应用软件与硬件处理器进行通信的“语言”。每一原生指令是一离散代码，所述离散代码由处理架构辨识，且可指定：用于算术、寻址或控制功能的特定寄存器；特定存储器位置或偏移；和用于解译操作数的特定寻址模式。更复杂操作通过组合这些简单原生指令而建立，所述简单原生指令依序执行或按控制流指令的另外指示执行。
可执行软件指令与硬件处理器之间的相互关系是结构上的。换句话说，指令本身是一系列符号或数值。指令本质上并不传达任何信息。是按设计经预先配置以解译符号/数值的处理器赋予了指令意义。
流体输送装置的流体连接
如所提及，一或多个流体连接器或更一般来说流体路径连接容器。一般来说，连接器经配置以在生物反应期间在两个或多于两个容器之间提供培养基流。连接器可为管、管道、堰等。连接器必要时具有流体行进长度、横截面直径、表面粗糙度条件、硬度/柔度等以支持用于输送培养基或其它反应流体的流率和流动条件(例如，层流、湍流、过渡)，以在各容器间维持所需均一性水平。在某些实施例中，流体路径由为USP Class VI/ISO10993、无衍生的动物组分、无乳胶、无邻苯二甲酸酯和对/γ/β辐射稳定的材料制成。
在一些实施方案中，流体连接器中的每一者经配置以准许培养基在容器中的两个之间双向流动。在此些情形中，容器之间可设有两个或多于两个流动路径，流体连接器中可设有双向泵。
可采用各种物理结构的流体连接器。一个实例包含附接到两个或多于两个容器的管道和无菌连接器。在一些实施方案中，流体连接器的至少一个流体路径附接到两个或多于两个容器的底部处或接近底部处。此允许流体流利用静水压力头，特别是在大容器中。当然，其它容器设计可建议的入口和出口流体路径的位置。举例来说，在双向流体连接器和具有向下引导流体的叶轮的容器的情形中，流体连接器的出口可附接在叶轮的底部层级以下，且流体连接器的入口可附接在叶轮的顶部层级处或顶部层级以上。
可采用各种类型的流体输送装置。举例来说，流体输送装置中的至少一个可为泵。泵广义地定义为包含用于通过机械作用来移动液体的所有类泵型。实例包含回转动力式泵(例如，离心泵或轴向泵)和容积式泵(例如，例如注射器型、齿轮型、隔膜型、活塞型、柱塞型、螺杆型或叶片型)。
灌注
如所阐释，生物反应器系统的一或多个容器可经配置而以灌注模式进行操作，借此使培养基分布在约束于容器的细胞上(流过细胞)。通常，在灌注模式中，条件经维持使得在引入新鲜培养基时细胞被保留在容器中。培养基被引入的速率取决于的细胞系和生长期。目标是维持大体上最优生长环境(就营养物浓度、产物滴定度、温度、流体动力学条件等来说)，且因此，与分批生长模式或补料分批生长模式相比，在较长时间周内，容器中的细胞在生产率、存活率等方面维持相对一致生物状态。在某些实施例中，经配置而以灌注模式进行操作的生物反应器系统包含经配置以共同地进行生物反应的两个或多于两个经流体耦合容器，其中容器中的至少一个是灌注容器，所述灌注容器具有流体入口、流体出口和过滤器，或经配置以防止生物细胞在生物反应期间离开灌注容器的其它机构。另外，如同本文中所描述的一些其它系统，灌注模式生物反应器系统可包含在生物反应期间将两个或多于两个容器彼此耦合的一或多个流体连接器(或更一般来说，流体路径)。所述系统通常包含在一或多个流体连接器中的至少一个中的一或多个流体输送装置(例如，泵)。共同地，流体连接器和流体输送装置经配置以在两个或多于两个容器之间提供培养基流。
仍进一步，灌注模式生物反应器系统可含有控制系统，所述控制系统经配置以：(i)读取或接收表征在生物反应期间容器中的一或多个中的培养基的两个或多于两个参数值；(ii)使用所述值来确定过程条件，以在两个或多于两个容器中维持容器与容器间的培养基中的两个或多于两个参数的大体上均一值；和(iii)通过流体入口将培养基引入到灌注容器、在将生物细胞保留在灌注容器中的同时使培养基流过生物细胞和使培养基流出流体出口，借此以灌注模式进行操作。
换种方式说，经流体耦合容器中的至少一个包含流体入口和流体出口，且生物反应器系统经配置以通过流体入口将新鲜培养基引入到至少一个容器、在将生物细胞保留在所述容器中的同时允许新鲜培养基流入含有生物细胞的生物反应器中和使废弃的培养基流出流体出口，借此使至少一个容器以灌注模式操作。可采用各种机构来确保细胞保持处于容器中。举例来说，流体出口可包含经配置以防止容器中的生物细胞离开至少一个容器或至少一个容器的流体出口的过滤器或陷阱。在一些实施方案中，经配置而以灌注模式进行操作的容器包含微载体、中空纤维过滤器、细胞沉降器和/或声波分离器，可采用以上各项中的任一者来将细胞保留在灌注模式容器内。
多容器生物反应器系统中的容器中的任何个别一或多个可经配置而以灌注模式进行操作。在一些实施方案中，经流体耦合容器中的至少两者各自包含流体入口和流体出口，且生物反应器系统经配置以通过流体入口将新鲜培养基引入到至少两个容器、在将细胞保留在至少两个容器中的同时使新鲜培养基流入容器中和使废弃的培养基流出流体出口，借此使至少两个容器以灌注模式操作。在一些例子中，一个容器仅将营养物和含有氧气的培养基供应到灌注系统，借此充当用于新培养基的贮槽，并使从进行灌注生长过程的容器返回的流体发生氧合作用且稳定。
在一些实施方案中，容器中的一者是主容器，所述主容器经配置以通过流体入口将培养基提供到至少一个其它容器从而提供灌注。此外，控制系统和主容器可一起经配置以在主容器中和至少一个容器中的培养基中维持溶解氧浓度、温度、pH的值。在某些经灌注配置的生物反应器系统中，主容器包含混合系统，而至少一个容器不包含任何混合系统。
按比例缩放生物过程的方法
如所阐释，所揭示概念促进将生物过程工作体积从小型生物反应器的工作体积按比例缩放为大型生物反应器的工作体积。在某些实施例中，按比例缩放过程最初涉及确定用于在具有相对小工作体积(例如，不大于约700升)的试验容器中执行生物过程的适当过程条件。可经设计用于试验容器的过程条件的实例包含表征在生物过程期间容器中的培养基的两个或多于两个参数值。可采用上文所论述的包含温度、pH、溶解氧浓度等的相关参数。在确定用于试验容器的过程条件之后，按比例缩放过程涉及将生物反应器系统设计为具有控制系统和两个或多于两个经流体连接生产容器。生产容器中的每一者具有类似于试验容器的工作体积(例如，在试验容器的调节比范围内)的工作体积。在一些实施例中，每一生产容器具有介于试验容器的工作体积的约0.7倍与1.5倍之间的工作体积。在某些实施例中，两个或多于两个生产容器的工作体积的总和为试验容器的工作体积的至少约2倍。
在某些实施例中，设计过程涉及将控制系统设计为在预期的生物反应期间在不同生产容器间维持一或多个参数的大体上均一值。如上文所论述，适合控制系统可：(i)读取或接收表征在生物过程期间两个或多于两个容器中的一或多个中的培养基的两个或多于两个参数的生产值；(ii)使用所读取或所接收的生产值来确定两个或多于两个生产容器之间的培养基的经调整流率，以在生物过程期间在两个或多于两个生产容器当中各容器间的培养基中维持两个或多于两个参数的大体上均一生产值；和(iii)控制安置在两个或多于两个生产容器之间的流体输送装置中的一者以调整如在(ii)中所确定的流率。应注意，此控制环路使条件在生物反应器系统中的各容器间保持大体上相同，此与可实施于主容器中的使参数值保持在所需范围(绝对范围)内的不同控制环路截然相反。
设计大型生物反应器系统的控制系统的过程通常涉及将控制系统设计为在生物过程期间使两个或多于两个参数的生产值维持大体上等于两个或多于两个参数的试验值。
在设计生产容器和控制系统之后，所述过程实际上涉及按照指定来构造和/或布置两个或多于两个生产容器和控制系统以产生大型生物反应器。最后，可在大型生物反应器中执行生物过程。在一些实施方案中，大型生物反应器系统经配置以准许培养基在生产容器中的两个之间双向流动，和/或两个或多于两个生产容器布置成闭合环路。
在生物过程期间，生物反应器系统中的培养基的总量可增大。举例来说，生物过程可在生物反应器中以第一总工作体积的培养基进行，且接着，生物过程可以大于第一总工作体积的第二总工作体积的培养基但仍仅使用大型生物反应器的两个或多于两个生产容器进行。此可通过在生物过程完成之前将培养基添加到生物反应器系统而完成。在另一方法中，生物过程的至少一部分可在所述生物反应器中进行，且接着，在生物反应器系统中添加或激活再一个额外生产容器。此后，生物反应器系统可经操作以用来自生物反应器系统的一或多个其它生产容器的培养基至少部分地填充一或多个额外生产容器。另一操作模式涉及：(i)在生物反应器系统中进行生物过程，且接着(ii)移除含有培养基和培养基中生长的细胞的两个或多于两个生产容器中的一或多个。此方法在容器中的细胞经培养以用于治疗患者时可是适宜的。
在某些实施例中，大型生物反应器系统包含经配置以共同地实施生物过程的超过两个生产容器—例如，如上文所阐释，三个、四个、五个、六个或更多生产容器。在某些实施例中，每一生产容器具有不大于约500升的工作体积。在一些实施方案中，两个或多于两个生产容器的总工作体积与所述两个或多于两个生产容器中的最大容器的工作体积的比率为至少约3。在某些实施例中，两个或多于两个生产容器经连接呈星状配置或呈闭合环路配置。
一般来说，大型生物反应器系统可具有本文中其它地方关于此类系统所描述的特征中的任何一或多个。举例来说，两个或多于两个生产容器中的每一者和试验容器可具有调节比，且两个或多于两个生产容器中的任一者和试验容器的调节比的变化可限制为不超过约20％。另外，控制系统可经配置以调整两个或多于两个生产容器中的条件，以确保两个或多于两个生产容器中的培养基的平均pH在容器与容器间的变化不超过约0.1pH单位。
在许多实施例中，两个或多于两个生产容器中的一者是主容器，且其它生产容器是附随容器，其中主容器包含经配置以搅动培养基的混合系统。附随容器中的任一者可或可不包含混合系统。在一些此类实施例中，主容器具有比附随容器中的任一者大的工作体积。在一些实施方案中，主容器包含用于培养基中的pH、温度、细胞代谢物浓度和溶解氧的一或多个传感器。

Claims (36)

1.一种生物反应器系统，其包括：
(a)两个或多于两个经流体耦合容器，其经配置以共同地进行生物反应；
(b)一或多个流体路径，其将所述两个或多于两个容器彼此耦合，其中所述一或多个流体路径经配置以在所述生物反应期间在所述两个或多于两个容器之间提供培养基流；
(c)一或多个流体输送装置，其沿着所述一或多个流体路径中的至少一些流体路径；和
(d)控制系统，其经配置以：(i)读取或接收表征在所述生物反应期间所述容器中的一或多个中的所述培养基的一或多个参数值；(ii)使用所述值来确定所述流体路径中的至少一个中的经调整流率，以在所述两个或多于两个容器中维持容器与容器间的所述培养基中的所述一或多个参数的大体上均一值；和(iii)控制所述流体输送装置中的至少一个以调整在(ii)中所确定的所述流率，其中
所述流体路径中的每一个经配置以准许所述培养基在所述容器中的两个之间双向流动，和/或
所述两个或多于两个容器布置成闭合环路。
2.根据权利要求1所述的生物反应器系统，其进一步包括至少再一个经流体耦合容器，使得总共为三个或多于三个经流体耦合容器，其经配置以共同地进行所述生物反应。
3.根据权利要求1或2所述的生物反应器系统，其中所述一或多个参数包括选自由以下各项组成的群组的参数：所述培养基的pH、温度、细胞代谢物浓度和溶解氧浓度。
4.根据权利要求1或2所述的生物反应器系统，其中每一容器具有不大于约100升的工作体积。
5.根据权利要求1所述的生物反应器系统，其中所述两个或多于两个容器的总工作体积与所述两个或多于两个容器中的最大容器的工作体积的比率为至少约3。
6.根据权利要求1所述的生物反应器系统，其中所述两个或多于两个容器包括聚合物容器壁。
7.根据权利要求1所述的生物反应器系统，其包括五个或多于五个经流体耦合容器，包含所述两个或多于两个容器在内。
8.根据权利要求1、2和5到7中任一权利要求所述的生物反应器系统，其中所述两个或多于两个容器中的一个是主容器，且所述两个或多于两个容器中的其它容器是附随容器，其中所述主容器包括经配置以搅动所述培养基的混合系统。
9.根据权利要求8所述的生物反应器系统，其中所述主容器包括用于所述培养基中的所述pH、温度、细胞代谢物浓度和溶解氧的一或多个传感器。
10.根据权利要求8所述的生物反应器系统，其中所述主容器具有比所述附随容器中的任一个大的工作体积。
11.根据权利要求1、2和5到7中任一权利要求所述的生物反应器系统，其中所述两个或多于两个容器和所述一或多个流体路径提供呈星状配置的所述生物反应器系统。
12.根据权利要求1、2和5到7中任一权利要求所述的生物反应器系统，其中所述两个或多于两个容器和所述一或多个流体路径提供呈闭合环路配置的所述生物反应器系统。
13.根据权利要求1、2和5到7中任一权利要求所述的生物反应器系统，其中所述两个或多于两个容器提供于一或多个秤和/或荷重元上以在所述生物反应期间监测所述两个或多于两个容器的质量。
14.根据权利要求13所述的生物反应器系统，其中所述控制系统进一步经配置以：
读取或接收所述一或多个秤和/或荷重元的至少一个输出作为所述一或多个参数值中的至少一个；和
基于所述秤和/或荷重元的所述输出，控制所述流体输送装置中的一或多个以在所述两个或多于两个容器之间输送所述培养基，使得所述两个或多于两个容器中的所述培养基的体积受到控制。
15.根据权利要求1、2和5到7中任一权利要求所述的生物反应器系统，其中所述流体路径接近所述两个或多于两个容器的底部而附接。
16.根据权利要求1、2和5到7中任一权利要求所述的生物反应器系统，其中所述控制系统进一步经配置以调整所述两个或多于两个容器中的条件，以确保所述两个或多于两个容器中的所述培养基的平均pH在容器与容器间的变化不超过约0.1。
17.根据权利要求16所述的生物反应器系统，其中所述两个或多于两个容器和所述控制系统经配置以使得所述容器中的任一个内的所述培养基的所述pH具有最多约0.1pH单位的变化。
18.根据权利要求1、2和5到7中任一权利要求所述的生物反应器系统，其中所述控制系统进一步经配置以调整所述两个或多于两个容器中的条件，以确保在所述生物反应期间所述两个或多于两个容器中的细胞所经历的剪切力在容器间大体上相等。
19.根据权利要求1、2和5到7中任一权利要求所述的生物反应器系统，其中所述控制系统进一步经配置以调整所述两个或多于两个容器中的条件，以确保在所述生物反应期间所述两个或多于两个容器中的培养基气体输送速率在容器间大体上相等。
20.根据权利要求1、2和5到7中任一权利要求所述的生物反应器系统，其中所述控制系统包括经配置以控制主容器的单个控制环路，其中所述两个或多于两个容器中的一个是所述主容器，且所述两个或多于两个容器中的其它容器是附随容器，其中所述主容器包括经配置以搅动所述培养基的混合系统。
21.根据权利要求1、2和5到7中任一权利要求所述的生物反应器系统，其中所述两个或多于两个经流体耦合容器中的至少一个包括流体入口和流体出口，且其中所述生物反应器系统经配置以通过所述流体入口将所述培养基引入到所述至少一个容器、在将生物细胞保留在所述容器中的同时交换所述容器中的所述培养基和使所述培养基流出所述流体出口，借此使所述至少一个容器以灌注模式操作。
22.根据权利要求21所述的生物反应器系统，其中所述流体出口包括过滤器，所述过滤器经配置以防止所述至少一个容器中的所述生物细胞离开所述至少一个容器和所述流体出口。
23.根据权利要求21所述的生物反应器系统，其中所述两个或多于两个容器中的一个是主容器，所述主容器经配置以通过所述流体入口将培养基提供到所述至少一个容器，从而提供灌注。
24.根据权利要求23所述的生物反应器系统，其中所述控制系统和所述主容器一起经配置以在所述主容器中和所述至少一个容器中的所述培养基中大体上维持溶解氧浓度、温度和pH的定义值。
25.根据权利要求23所述的生物反应器系统，其中所述主容器包括混合系统，而所述至少一个容器不包含任何混合系统。
26.根据权利要求21所述的生物反应器系统，其中所述至少一个容器进一步包括一或多个微载体、中空纤维和/或粘附板。
27.根据权利要求1、2和5到7中任一权利要求所述的生物反应器系统，其中所述控制系统进一步经配置以控制所述一或多个流体输送装置以经由所述一或多个流体路径在所述两个或多于两个容器之间输送所述培养基，使得交换所述两个或多于两个容器中的所述培养基所需的时间最多为所述容器中的细胞在所述两个或多于两个容器中的条件下倍增所需的时间的约十分之一。
28.一种在生物反应器系统中进行生物反应的方法，所述生物反应器系统包括：(i)两个或多于两个经流体耦合容器，其经配置以共同地进行生物反应；(ii)一或多个流体路径，其将所述两个或多于两个容器彼此耦合，其中所述一或多个流体路径经配置以在所述生物反应期间在所述两个或多于两个容器之间提供培养基流；和(iii)一或多个流体输送装置，其沿着所述一或多个流体路径中的至少一些流体路径，其中所述流体路径中的每一个经配置以准许所述培养基在所述容器中的两个之间双向流动，和/或所述两个或多于两个容器布置成闭合环路，所述方法包括：
(a)读取或接收表征在所述生物反应期间所述容器中的一或多个中的所述培养基中的一或多个参数值；
(b)使用所述值来确定所述流体路径中的至少一个中的经调整流率，以在所述两个或多于两个容器中维持容器与容器间的所述培养基中的所述一或多个参数的大体上均一值；和
(c)控制所述流体输送装置中的至少一个以调整在(b)中所确定的所述流率。
29.一种将生物过程工作体积从小型生物反应器的工作体积按比例缩放为大型生物反应器的工作体积的方法，所述方法包括：
(a)确定用于在具有不大于约700升的工作体积的试验容器中执行所述生物过程的过程条件，其中所述过程条件包括表征在所述生物过程期间所述容器中的培养基的一或多个参数的试验值；
(b)设计包括控制系统和两个或多于两个经流体连接生产容器的生物反应器系统，所述生产容器各自具有不大于所述试验容器的所述工作体积的约1.5倍的工作体积，且所述两个或多于两个生产容器的所述工作体积的总和为所述试验容器的所述工作体积的至少约2倍，其中
设计所述生物反应器系统包括将所述控制系统设计为：(i)读取或接收表征在所述生物过程期间所述两个或多于两个容器中的一或多个中的所述培养基的所述一或多个参数的生产值；(ii)使用所述所读取或所接收的生产值来确定所述两个或多于两个生产容器之间的所述培养基的经调整流率，以在所述生物过程期间在所述两个或多于两个生产容器中维持容器与容器间的所述培养基中的所述一或多个参数的大体上均一生产值；和(iii)控制安置在所述两个或多于两个生产容器之间的所述流体输送装置中的一个以调整如在(ii)中所确定的所述流率，且其中
所述生物反应器系统经配置以准许所述培养基在所述生产容器中的两个之间双向流动，和/或所述两个或多于两个生产容器布置成闭合环路；和
(c)构造和/或布置如在(b)中所指定的所述两个或多于两个生产容器和所述控制系统以产生所述大型生物反应器。
30.一种生物反应器系统，其包括：
(a)两个或多于两个经流体耦合容器，其经配置以共同地进行生物反应，其中所述容器中的至少一个是灌注容器，所述灌注容器具有流体入口、流体出口和过滤器，或经配置以防止生物细胞在所述生物反应期间离开所述灌注容器的其它细胞保留结构；
(b)一或多个流体路径，其将所述两个或多于两个容器彼此耦合，其中所述一或多个流体路径经配置以在所述生物反应期间在所述两个或多于两个容器之间提供培养基流；
(c)一或多个流体输送装置，其沿着所述一或多个流体路径中的至少一些流体路径；和
(d)控制系统，其经配置以：(i)读取或接收表征在所述生物反应期间所述容器中的一或多个中的所述培养基的一或多个参数值；(ii)使用所述值来确定所述流体路径中的至少一个中的经调整流率，以在所述两个或多于两个容器中维持容器与容器间的所述培养基中的所述一或多个参数的大体上均一值；(iii)控制所述流体输送装置中的至少一个以调整在(ii)中所确定的所述流率；和(iv)通过所述流体入口将所述培养基引入到所述灌注容器、在将所述生物细胞保留在所述容器中的同时交换所述容器中的所述培养基和使所述培养基流出所述流体出口，借此以灌注模式进行操作。
31.根据权利要求30所述的生物反应器系统，其中所述两个或多于两个容器中的一个是主容器，所述主容器经配置以通过所述流体入口将培养基提供到所述灌注容器，从而提供灌注。
32.根据权利要求31所述的生物反应器系统，其中所述控制系统和所述主容器一起经配置以在所述主容器中和所述灌注容器中的所述培养基中维持溶解氧浓度、温度和pH的值。
33.根据权利要求31所述的生物反应器系统，其中所述主容器包括混合系统，而所述灌注容器不包含任何混合系统。
34.根据权利要求30到33中任一权利要求所述的生物反应器系统，其中所述生物反应器系统经配置以在所述生物反应期间用来自一或多个其它容器的培养基至少部分地填充所述灌注容器。
35.根据权利要求30到33中任一权利要求所述的生物反应器系统，其中所述灌注容器经配置以在所述生物反应完成之前连同所述灌注容器的培养基和所述培养基中生长的细胞一起从所述生物反应器系统移除。
36.根据权利要求30到33中任一权利要求所述的生物反应器系统，其中所述细胞保留结构包括一或多个微载体、中空纤维和/或粘附板。
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