CN108018204A - 一种平行生物反应器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种平行生物反应器系统,包括:产生振荡运动的振荡器;安装在振荡器上的多个培养容器,每个培养容器具有内腔,所述内腔包括:上部的圆筒部分和下部的倒置截头圆锥形底部,圆筒部分的横截面与倒置截头圆锥形底部的顶部横截面一致,并且圆筒部分的底部与倒置截头圆锥形底部的顶部连接;设置在培养容器的内腔中用于容纳培养液的一次性培养袋,所述一次性培养袋具有多功能盖板,所述多功能盖板连接到所述培养袋顶部以密封所述培养袋,并且设置有多个通向一次性培养袋内部的接孔;和控制系统,所述控制系统控制所述振荡器的振荡运动和所述一次性培养袋内的培养液的参数。
Description
技术领域
本发明提供一种平行生物反应器系统及使用平行生物反应器系统的培养方法。
背景技术
以抗体为代表的新一代蛋白类药物以其靶向性好、疗效高、副作用小等优点,越来越受到重视,已经成为国际生物技术药物发展的主流。加之近年来,禽流感、口蹄疫、猪流感等疾病的肆掠,需要在短期内快速开发并生产出大量急需疫苗以及相关生物蛋白药物产品。而要实现上述相关蛋白药物、抗体、疫苗产品的快速生产,均有赖于能真正实现动物细胞大规模培养的设备——生物反应器。
生物反应器是衔接疫苗、蛋白质药物实验室技术研究和工厂规模化生产的桥梁。
过去,培养目标以大肠杆菌和酵母系统为主,其优点是对剪切力不敏感、耗氧量大、对纯氧耐受,但是膜蛋白或分泌型蛋白不能在原核细胞中表达,不具有与天然抗体相似的功能活性,所以其不是发展的主要方向。
现阶段,动物细胞表达的产品销售额占生物药物的70%,哺乳动物细胞已成为现代生物制药最重要的表达/生产系统,而实现动物细胞规模培养的唯一途径是生物反应器。
传统反应器有三个技术要素,传氧、混合、控制。目前传氧的主要方式是鼓泡、气升及搅拌桨剪切。这种方式存在的主要问题是鼓泡的气泡破裂产生的张力及搅拌桨剪切力损伤动物细胞。
高通量筛选是生命科学、药物创新领域的重要技术手段之一,其核心是通过一次实验获得大量的信息,并从中找到有价值的信息。同时,稳定高表达的细胞克隆/细胞株及其优化的培养策略、培养条件、培养工艺也是生物药物高效低成本生产的关键。
相比于传统的不锈钢材质的生物反应器,一次性生物反应器有操作简单、生产过程稳定、批间准备时间短、生产效率高,无需复杂管道等附属设施、无需清洗和消毒灭菌、生产成本低、易于通过验证等诸多优点,在现代生物技术药物的开发和生产中,得到越来越广泛的发展和推广应用,并成为了生物反应器发展的主要趋势。现有公开发表或市售的一次性使用的生物反应器,主要采用传统的搅拌、鼓泡或气升的方式实现各种液体和气体等培养介质的传递和混合,其缺点是剪切力高、对敏感的细胞或微生物损伤大,不利于实现高密度培养和生产。
相关现有技术包括标题为“一次性使用的生物反应器和顶板以其相关制造方法”的PCT国际申请(WO 2013/186294),该方案主要涉及一种可用于细胞或微生物平行培养的一次性生物反应器及其顶板和相应的制造方法。其中所述的生物反应器主要通过搅拌外加底部通气的方式实现培养介质的传递和混合,多个单独的生物反应器通过并联的方式实现整个工作过程的平行控制。该方案的缺点是不能优化溶氧水平支持细胞的高密度生产,同时还会导致组间的培养参数产生差异,不利于实现细胞克隆的高通量筛选和培养工艺的精准优化。
因此,需要一种多通道生物学培养平台,在减小对敏感的细胞或微生物损伤的同时,实现高通量筛选和/或多样品的平行培养。
发明内容
根据本发明的优选实施例,可以解决常规反应器不能实现样品或细胞克隆高通量筛选和培养工艺优化的问题。根据本发明的优选实施例,可以解决常规高通量摇床不能实现培养容器内部微环境控制的问题。根据本发明的优选实施例,在细胞培养中剪切力极其微小,溶氧水平高,可以有效提高对剪切力敏感细胞或微生物的生长密度,给工艺优化,培养基优化提供了极大的发挥空间。根据本发明的优选实施例,可以在同一外部环境和条件下,一次进行多个样品的平行培养,每个培养容器中的微环境可控,是样品高通量筛选尤其是细胞克隆高通量筛选的优选平台。根据本发明的优选实施例,可以在同一外部环境和条件下,一次进行多个候选细胞克隆的平行培养,每个培养容器中的微环境可控,是稳定高表达细胞克隆高通量筛选和培养工艺优化的优选平台。根据本发明的优先实施例,可以在同一外部环境和条件下,实现同一个样品或细胞株的平行培养,每个培养容器中的微环境可控,是样品/细胞培养条件摸索和建立、培养工艺优化、培养基优化和小量样品积累的优选平台。
根据本发明的第一方面,提供了一种平行生物反应器系统,包括:产生振荡运动的振荡器;安装在振荡器上的多个培养容器,每个培养容器具有内腔,所述内腔包括:上部的圆筒部分和下部的倒置截头圆锥形底部,圆筒部分的横截面与倒置截头圆锥形底部的顶部横截面一致,并且圆筒部分的底部与倒置截头圆锥形底部的顶部连接;设置在培养容器的内腔中用于容纳培养液的一次性培养袋,所述一次性培养袋具有多功能盖板,所述多功能盖板连接到所述培养袋顶部以密封所述培养袋,并且设置有多个通向一次性培养袋内部的接孔;和控制系统,所述控制系统控制所述振荡器的振荡运动和所述一次性培养袋内的培养液的参数。
优选地,所述一次性培养袋是柔性培养袋。
优选地,所述柔性培养袋在展开时具有与所述培养容器的内腔对应的形状。
优选地,所述培养容器的外形与内腔的形状对应,包括上部的圆筒部分和下部的倒置截头圆锥形底部。
优选地,其中所述振荡器包括支座和摇盘,摇盘相对于支座产生振荡运动,所述培养容器安装在所述摇盘上。
优选地,所述摇盘包括多个培养容器孔,所述培养容器孔具有与所述培养容器的外形匹配的形状,以至少部分地容纳所述培养容器。
优选地,所述培养容器孔具有倒置截头圆锥形底部。
优选地,所述培养孔结构呈矩形阵列或环形阵列分布。
优选地,所述培养容器为16个,以4排乘4列的矩阵形式均匀安装在所述摇盘上。
优选地,所述振荡器设置有电动机、主传动偏心轴和支撑偏心轴,主传动偏心轴和支撑偏心轴通过轴承连接在支座和摇盘之间,电动机驱动主传动偏心轴并由此驱动摇盘绕垂直轴线产生水平振荡运动。
优选地,所述振荡器包括四个支撑偏心轴,均匀分布于振荡器底部,所述支撑偏心轴上安装有配重块,配重块和偏心方向成180°以平衡振荡器振荡过程中负载产生的离心力。
优选地,所述倒置截头圆锥形底部的径高比大于1:1,和所述倒置截头圆锥形底部的锥角在30-70度范围内。
优选地,所述多功能盖板的每个接孔为统一标准的螺纹接口。
优选地,所述多功能盖板的接孔适于连接探测电极或者导管。
优选地,所述接孔为6-12个。
优选地,还包括灌注系统,所述灌注系统包括具有两根导柱的支架和固定在两根导柱之间的灌注式培养袋容器,导柱下端设置有升降调节钮。
优选地,所述灌注式培养袋容器通过管路及所述多功能盖板的接孔与所述培养容器连接,以形成外循环式灌注培养模式。
优选地,所述控制系统包括手动控制模式和自动控制模式。
优选地,所述控制系统对所述培养容器中的一次性培养袋内的以下参数中的一个或者多个进行监测和控制:液位、温度、PH值和溶氧水平。
优选地,所述控制系统能对每个培养容器进行独立的监测和控制。
优选地,其中所述控制系统包括总控制台和多个反应控制器;总控制台控制振荡器,并且连接到所述多个反应控制器以从其接收数据并向其发送控制指令;每个反应控制器连接到相应的培养容器以接收来自该培养容器的参数并对该培养容器进行相关操作。
优选地,所述多个培养容器分为至少两个组,在每个组的培养容器中培养相同或不同的细胞或微生物。
优选地,所述控制系统使得组之间具有不同的培养参数。
根据本发明的另一方面,提供了一种利用第一方面所述的平行生物反应器系统培养细胞和/或微生物的培养方法,所述方法包括:通过所述控制系统对每个培养容器进行独立的监测和控制。
优选的,所述的培养方法包括:将所述多个培养容器分为至少两个组,在每个组的培养容器中培养不同的细胞或微生物。
优选的,所述的培养方法包括:组之间具有不同的培养参数。
附图说明
附图通过示例性但非限制性的方式对本发明的实施例进行图示。
图1示出了根据本发明的一个实施例的平行生物反应器系统。
图2示出了根据本发明的一个实施例的一次性培养袋。
图3示出了根据本发明的一个实施例的多功能盖板。
图4示出了根据本发明的一个实施例的组装的培养容器、一次性培养袋和多功能盖板的透视图。
图5示出了根据本发明的一个实施例安装在摇盘上的多个培养容器。
图6示出了根据本发明的一个实施例的震荡器的示意性原理图。
图7示出根据本发明的控制系统的示例性布置。
图8示出了根据本发明的灌注系统的示例性工作原理。
图9示出了根据本发明的一个示例性实施例的培养容器与反应控制器等之间的连接示意图。
具体实施方式
以下将参考附图,对本发明的实施例进行说明。以下说明仅仅是示例性的,无意限制本发明的保护范围。
根据本发明实施例的平行生物反应器系统基于非鼓泡传氧机理,将若干个具有倒置截头圆锥形(倒圆台形)内腔的培养容器置于同一平台(摇盘)上,平台通过振荡器带动实现偏心振荡运转。在某些实施例中,每个培养容器的参数控制可由独立的CPU及执行机构控制,记录、报表等数据都相对独立,可对酸碱度、溶氧和养分等细胞培养微环境进行精准调控。培养容器内内置配套形状和结构的一次性培养袋,即拆即用,可避免交叉污染、缩短批间处理周期,无需清洗、消毒、验证,极大地提高了工作效率。由于培养容器的内腔形状和振荡运动,整个细胞培养过程剪切力极其微小,溶氧效率高,可以有效提高对剪切力敏感细胞或微生物的生长密度,给工艺优化和培养基优化提供了极大的发挥空间。同时,高水平的溶氧效率可以避免在细胞或微生物高密度生长时通纯氧对细胞产生的氧毒性,有效的解决常规反应器不能实现的高通量筛选的问题,解决常规高通量摇床不能实现培养容器内部微环境控制的问题。根据本发明的平行生物反应器系统可实现单个品种的平行培养,也可在一个平台上同时进行多个不同品种的培养,可广泛用于高表达细胞克隆筛选、培养条件摸索、培养工艺和培养基优化等生物制药新产品开发过程。
根据本发明的平行生物反应器系统主要包括振荡器、多个培养容器和控制系统。图1示出了根据本发明的一个实施例的平行生物反应器系统,包括多个培养容器101、振荡器102和控制系统,控制系统例如可包括总控制台104和多个反应器控制器103。
总控制台104例如可以是计算机(上位机),其运行控制程序,并具有输入接口以接受操作者输入。优选的,反应器控制器103的个数可以与培养容器101的个数相同,每个反应器控制器103单独连接和/或控制与相应一个培养容器101相关联的传感器和操作器。因此,根据本发明的平行生物反应器系统可以独立控制每个培养容器的相关操作,这在系统同时进行多个不同品种细胞和/或微生物的培养的情况下特别有利。而对于各个培养容器相同的参数(例如振荡器转速等),可以由总控制台104统一控制。例如,可以将多个培养容器分为至少两个组,在每个组的培养容器中培养不同的细胞或微生物。例如,多个培养容器分为第一组和第二组,在第一组中培养第一细胞或微生物,而在第二组中培养第二细胞或微生物。
由于多个培养容器设置在同一摇盘上,并且每个容器内的参数可以独立控制,因此根据本发明的系统可以在同一外部环境和条件下,一次进行多个候选细胞克隆的平行培养,每个培养容器中的微环境可控,是稳定高表达细胞克隆高通量筛选和培养工艺优化的优选平台。同样地,由于多个培养容器设置在同一摇盘上,并且每个容器内的参数可以独立控制,因此根据本发明的系统可以在同一外部环境和条件下,实现同一个样品或细胞株的平行培养,每个培养容器中的微环境可控,是样品/细胞培养条件摸索和建立、培养工艺优化、培养基优化和小量样品积累的优选平台。
图9示出了根据本发明的一个示例性实施例,在贴壁培养模式中培养容器与对应的反应控制器等之间的连接示意图。可以根据培养的需要适当地设置培养容器与其反应控制器之间的连接,以及培养容器和反应控制器与其他部分之间的连接。
图2示出了根据本发明的一个实施例的一次性培养袋。图3示出了根据本发明的一个实施例的多功能盖板。图4示出了根据本发明的一个实施例的组装的培养容器、一次性培养袋和多功能盖板的透视图。
根据本发明的培养容器101的内表面限定出内腔或者培养腔室。如图2所示,所述内腔包括:上部的圆筒部分和下部的倒置截头圆锥形底部(或者倒锥台形底部),圆筒部分的横截面与倒置截头圆锥形底部的顶部横截面一致,并且圆筒部分的底部与倒置截头圆锥形底部的顶部连接。圆筒部分与倒置截头圆锥形底部连接成一体,并具有共同的旋转轴线,如图所示。
培养容器101的外表面形状(或者外形)并不受限。优选的,如图所示,所述培养容器的外形与其内腔的形状对应,包括上部的圆筒部分和下部的倒置截头圆锥形底部。在其他实施例中,培养容器101的外表面形状可以是圆筒形、圆锥形等,只要便于制造、存储、运输和安装。在某些实施例中,培养容器101的外部可以设置有用于将培养容器101固定到振荡器上的部分,例如用于穿过螺栓的凸缘等。
优选的,培养容器101至少部分插入到摇盘上设置的培养容器孔(或安装孔)中,培养容器孔的形状与培养容器101的外形匹配,以使培养容器101能够稳固地安装到摇盘上。培养容器101可以完全插入到培养容器孔中。替代的,培养容器部分地插入到培养容器孔中。例如,培养容器孔包括上部的圆筒部分和下部的倒置截头圆锥形底部,但其圆筒部分的高度可以低于培养容器的圆筒部分的高度。或者培养容器孔可以仅仅包括倒置截头圆锥形底部。
根据本发明所述的培养容器中设置一次性培养袋。优选的,一次性培养袋是柔性培养袋。在其他实施例中,一次性培养袋也可以是硬质材料制成。一次性培养袋具有与培养容器的内腔一致的形状(即,其外形和内部形状均与培养容器的内腔的形状一致)。例如,当一次性培养袋是柔性培养袋时,其具有较薄的壁厚,并且其展开后的外部形状和内部形状均与培养容器的内腔一致。
也就是说,展开的一次性培养袋也包括上部的圆筒部分和下部的倒置截头圆锥形底部(或者倒锥台形底部),圆筒部分的横截面与倒置截头圆锥形底部的顶部横截面一致,并且圆筒部分的底部与倒置截头圆锥形底部的顶部连接。圆筒部分与倒置截头圆锥形底部连接成一体,并具有共同的旋转轴线。
本发明所述培养容器的倒置截头圆锥形底部径高比大于1:1,使得培养容器中的培养基表面积与培养基体积比高于0.14cm2/cm3。
本发明所述的培养容器具有倒置的平锥底(倒置截头圆锥形底部),有助于向培养容器中引入培养基并具有明显较大的培养基表面积,有利于培养基与容器内的含氧气体接触以及培养基中气体的逸出。在振荡器摇盘的带动下,培养基可以通过循环清扫容器内表面,形成一个较大范围的薄培养基层,进一步扩大培养基的表面积,增大通气量和改善混和,不产生或产生极低的剪切力,产生极少的机械张力。
根据本发明的培养容器,空气可以进入罐体。
根据本发明的培养容器,优选的是倒置截头圆锥形的锥体的锥角在30-70度间。采用这样的角度,可以进一步减少容器中种子细胞或微生物的接种体积,使得培养过程在获得较大培养基面积的同时,实现较好的混和效果。进一步的还可以减少费用消耗并获得较高的应用友好度。
优选的,根据本发明的培养容器的体积为0.3L~5L/个,每个培养容器的参数控制均可以由独立的控制通道控制,记录、报表等数据都相对独立。
图5示出了根据本发明的一个实施例安装在摇盘上的多个培养容器。根据本发明的平行生物反应器系统可以包括高达50个的培养容器。在图5中,培养容器为16个,成矩形阵列安装在摇盘上。根据其他实施例,培养容器也可以成环形阵列安装在摇盘上。本发明的多个培养容器,均具有相同的结构和特征,置于水平的同一个振荡器摇盘上方,由此可以获得同样的外部工作参数。
优选的,根据本发明的培养容器,可以由玻璃、金属等材料组成。
在细胞(或微生物)培养过程中必须对细胞生长环境的各种参数进行实时监测,并根据参数的变化对培养环境或条件作出相应的调节和改变。传统监测细胞培养环境参数的方法一般是直接取出细胞培养液进行离线监测,或者将各探测电极固定的置于细胞培养容器某一固定位置。同时各种培养袋接口各不相同,不能通用于不同细胞的培养,导致制造和使用成本较高。
根据本发明,可以在一次性培养袋的顶部设置一个多功能盖板。优选的,一次性培养袋与多功能盖板是一体的。例如通过物理焊接的方式,将培养袋直接焊接到盖板上组成一个整体。由于一次性培养袋充气或填充培养液后(展开后)的外形与培养器的外形一致,因此充气后或者通过管路注入培养液后,在重力的作用下即可使得一次性培养袋保持紧贴在培养容器中。必要的时候,也可以通过设置其他约束或固定装置来保持一次性培养袋。
优选的,在盖板上集中设置有6-12个接孔,各接孔通入一次性培养袋内部,并且均可通过气密性好的螺纹进行密封。根据细胞培养的需要,通过任意接孔接入各探测电极,对细胞培养过程的温度、溶氧、pH等环境参数进行在线监测。或者通过接孔,接入导管,进行细胞培养接种以及培养液添加、取样、回收、丰收、换气等各种操作,以便进一步的优化培养条件,提高细胞培养密度。同时,可应用于各种一次性培养袋的多功能盖板的各接孔均使用统一标准的螺纹接口,气密性好,可根据细胞培养的需要进行灵活的取舍操作。特定培养过程中不需要的接孔可以容易地密封。
如图3所示,根据本发明优选实施例的多功能盖板上设置11个接孔(接口),均可通过气密性好的螺纹进行密封。11个接孔分别是备用孔1-3、取样口、温度电极口、补液口、收液口、DO(溶氧)电极口、PH电极口、进气口、出气口,其可以根据细胞培养需要灵活取舍,应用于各种一次性培养袋。
图4示出了根据本发明的一个实施例的组装的培养容器、一次性培养袋和多功能盖板的透视图。在此实施例中,培养容器的外形与内腔的形状对应,包括上部的圆筒部分和下部的倒置截头圆锥形底部。展开的一次性培养袋的外形和内部容积的形状均与培养容器的内腔的形状一致。一次性培养袋的顶部设置有多功能盖板,多功能盖板设置有多个接孔。
图6示出了根据本发明的一个实施例的震荡器的示意性原理图。
根据本发明的振荡器,主要包括支座和摇盘,摇盘能够相对于支座产生振荡运动。在一个实施例中,振荡器还包括电动机、主传动偏心轴及支撑偏心轴。主传动偏心轴和支撑偏心轴都通过轴承固定在支座和摇盘之间,电动机通过皮带连接主传动偏心轴。振荡器的四个支撑偏心轴均匀分布于振荡器底部,支撑偏心轴上安装有配重块,起支撑作用。配重块和偏心方向成180°,能平衡振荡器振荡过程中负载产生的离心力。摇盘能围绕垂直轴心,按水平方向,做偏心式转动,因其有四个支撑偏心轴支撑,故摇盘能承受极大的载荷。同时,在振荡器振荡过程中,各个支撑偏心轴均有配重块平衡负载,使得振荡器主体不会发生位移。在电动机的带动下,振荡器摇盘按照设定的振幅做回旋往复式的水平振荡运动,也即水平偏心式转动。
如图6所示,根据本发明的一个实施例,振荡器包括支座1、轴承2、电动机3、摇盘7、主传动偏心轴6、支撑偏心轴5、配重块4,支撑偏心轴5和主传动偏心轴都通过轴承2固定在支座1上并且通过轴承连接到摇盘,电动机3通过皮带8连接主传动偏心轴6以驱动其转动。由于主传动偏心轴6固定到支座1,其偏心部分如图所示连接到摇盘7,所以当主传动偏心轴6转动时带动摇盘7绕垂直方向做水平旋转振荡。
图7示出根据本发明的控制系统的示例性布置。
控制系统可以包括主控制器(例如计算机)、控制线路及自动控制程序。控制线路例如可以包括各种控制器、传感器、驱动器及连接管路和线路。通常,控制线路可以包括PLC(可编程逻辑控制器)、触摸屏、电控板、蠕动泵、风机、电磁阀、液位泵、空气泵、电子尺、转速传感器、DO(溶氧)变送器、PH变送器、T电极、变频器、SF驱动器(伺服驱动器)、继电器、加热膜等。电控板分别与蠕动泵、风机、电磁阀、液位泵、空气泵连接,PLC分别与触摸屏、电控板、电子尺、转速传感器、DO变送器、PH变送器、T电极、变频器、SF驱动器、继电器连接,变频器控制振荡器,SF驱动器控制灌注升降架,继电器控制加热膜。
根据本发明的控制线路的布置和连接可以根据需要进行调整。例如,可以通过多功能盖板的接孔连接培养容器内的传感器,以获得相应数据。培养液输入管路等可以通过多功能盖板的接孔连接到培养容器,并在适当位置设置电磁阀以控制该管路的开关。图3示出了在多功能盖板处的接孔的一种示例性布置,可以看出相应的控制线路布置。由于根据本发明的控制系统可以对多个培养容器中的每个单独进行控制,因此每个盖板处的相关布置可以彼此不同。
控制系统分为手动控制和自动控制两种操作模式。
在手动控制模式下,可以通过上位机操作控制系统的相应操作,调节系统培养容器里的各参数,使培养容器的环境适合细胞或微生物培养的需要。
在自动控制模式下,根据细胞或微生物培养需要,预先设定培养所需各参数,系统通过自动调节的方式,自动调节培养容器里的环境,以满足培养物自由培养和生长所需的环境。
根据本发明的实施例,对某些参数的自动控制如下所述。
一般地,温度、pH值、溶氧信号首次采集前均需要进行校准操作。同时,对于丰收泵和补液泵也均需要进行校准,以使培养容器里的液体量大致保持平衡。
1、对温度的控制
采用PT100经变送器转为4-20mA电流信号进入控制系统的模拟量输入通道。控制系统自动将其转换为相应的温度值。控制系统把采集的温度值与系统设定值比较。如果采集值远小于设定值,则温度加热阀常开。如果采样值小于设定值在一定范围内,则控制系统进行PWM方式控制,周期性控制输出加热阀的通断。如果采样值大于设定值,则加热阀断开。
2、对PH值的控制
PH传感器将采集到的信号经变送器转为4-20mA电流信号进入控制系统的模拟量输入通道。控制系统自动将其转换为相应的PH值。
1)对于PH上限的操作
如果采集值远大于设定值上限,则充CO2阀常开。如果采样值大于设定值上限在一定范围内,则控制系统进行PWM方式控制,周期性控制输出CO2阀的通断。如果采样值小于设定值上限,则充CO2阀断开。
2)对于PH下限的操作
如果采集值远小于设定值,则加碱泵阀常开。如果采样值小于设定值在一定范围内,则控制系统进行PWM方式控制,周期性控制输出加碱泵阀的通断。如果采样值大于设定值,则加碱泵阀断开。
3)对于采样值在PH上下限之间
CO2阀和加碱泵阀都不打开。
3、对溶氧的控制
氧气含量传感器将采集到的信号经变送器转为4-20mA电流信号进入控制系统的模拟量输入通道。控制系统自动将其转换为相应的溶氧值。
1)对于溶氧上限的操作
如果采集值远大于设定值上限,则充N2(氮气)阀常开。如果采样值大于设定值上限在一定范围内,则控制系统进行PWM方式控制,周期性控制输出N2阀的通断。如果采样值小于设定值上限,则充N2阀断开。
2)对于溶氧下限的操作
如果采集值远小于设定值,则加O2(氧气)阀常开。如果采样值小于设定值在一定范围内,则控制系统进行PWM方式控制,周期性控制输出O2阀的通断。如果采样值大于设定值,则O2阀断开。
3)对于采样值在溶氧上下限之间
N2阀和O2阀都不打开。
4、对于系统的丰收,补液的控制
细胞培养的过程中在一直消耗培养容器里的培养液,系统需要定期向培养容器补进一定量的培养液以保证细胞的生长。为使培养容器里所含液体量基本不变,丰收量和补液量需基本达到一个平衡,此目标可通过系统丰收泵在补液的同时丰收培养液而实现。
系统通过设置相应的一次补液总量或丰收总量以及对应的时间总量,自动计算出每一分钟系统需要进行补液或丰收的时间。因此,采用上述这种PWM方式即可控制对应的补液泵或丰收泵的工作。
5、摇床转速的设定与控制
系统将给定的摇床转速信号经过转换后通过模拟量输出通道,使电机按给定转速运转。在运转过程中通过光电检测开关的输入,检测系统实际转速。如果实际转速和给定转速有偏差,系统将自动调整,使实际转速值与设定转速值相匹配。
6、系统的报警输出
在系统的温度、pH、溶氧和摇床转速等报警上下限设定后,如果系统的实际参数值大于报警的上限或小于报警的下限时,系统报警信号即被触发,蜂鸣器警报响起。同时在上位机显示是什么原因触发了报警信号,以便操作人员进行查找。
7、在采用灌注系统的情况下(将参照图8进行描述),灌注伺服系统的自动控制程序
a)灌注系统液位的控制
灌注系统液位采用高低位光电检测开关进行控制,当系统液位在高位与低位之间时,灌注系统电机不工作。当检测到低位信号时灌注电机加液,使液体进入高低位之间并继续运行一定时间;当检测到高位信号时,灌注电机消夜,使液体进入高低位之间并继续运行一定时间;从而使系统液位始终处于一个相对稳定的液位区域。灌注加液和灌注减液的启动是互锁的。
b)灌注系统伺服电机控制
灌注系统中需要先进行零点校准,设置好升降速度以及目标位置后,按执行按钮,灌注系统即朝目标位置运动。
根据本发明的的平行生物反应器,若干个培养容器置于同一振荡器摇盘上,可进行单个品种细胞或微生物的平行培养,也可在一个平台上同时进行多个不同品种细胞或微生物的培养。由于振荡器摇盘统一带动具有倒圆台底部的培养容器的摇动,因此能提供充足的溶氧和统一的培养速率,支持高密度细胞的生长。因此,能够在高密度细胞培养条件下,实现高表达细胞克隆的高通量筛选和培养工艺优化。而且整个培养过程效率高、易于操作、而且成本低,可广泛用于高表达细胞克隆筛选、培养条件摸索、培养工艺和培养基优化、种子链扩增等生物制药新产品开发过程。
根据本发明的上述实施例,由于设置有多个培养容器并且每个培养容器可以独立控制,可以解决常规反应器不能实现样品或细胞克隆高通量筛选和培养工艺优化的问题。根据本发明的上述实施例,由于每个培养容器可以独立控制,可以解决常规高通量摇床不能实现培养容器内部微环境控制的问题。根据本发明的优选实施例,由于培养容器的内腔和一次性培养袋的形状为倒置截头圆锥形,在细胞培养中剪切力极其微小,溶氧水平高,可以有效提高对剪切力敏感细胞或微生物的生长密度,给工艺优化,培养基优化提供了极大的发挥空间。根据本发明的上述实施例,由于多个培养容器设置在同一摇盘上并且每个培养容器内的参数可以独立控制,因此可以在同一外部环境和条件下,一次进行多个样品的平行培养,每个培养容器中的微环境可控,是样品高通量筛选尤其是细胞克隆高通量筛选的优选平台。根据本发明的上述实施例,可以在同一外部环境和条件下,一次进行多个候选细胞克隆的平行培养,每个培养容器中的微环境可控,是稳定高表达细胞克隆高通量筛选和培养工艺优化的优选平台。根据本发明的上述实施例,可以在同一外部环境和条件下,实现同一个样品或细胞株的平行培养,每个培养容器中的微环境可控,是样品/细胞培养条件摸索和建立、培养工艺优化、培养基优化和小量样品积累的优选平台。
图8示出了根据本发明的灌注系统的示例性工作原理。
作为更进一步的方案,可根据培养细胞或微生物的需要,在根据本发明的平行生物反应器系统上安装一个应用于特定细胞或微生物培养的灌注系统。该灌注系统主要包括支架、支架升降调节钮、蠕动泵、导柱、手动调节轮、灌注式培养袋容器。灌注式培养袋容器通过固定架固定在支架上的两根导柱之间,导柱下端设置支架升降调节钮,蠕动泵固定于柜子内,手动调节轮调节固定在导柱上的活动板。
在使用灌注系统培养特定的细胞或微生物时,由培养容器提供溶氧和培养液,在线调节和控制pH、温度等适合细胞生长的条件。培养液以可控的流量注入灌注培养袋,在重力作用下,以可控的流量回流至培养容器,从而形成外循环式灌注培养模式。培养载体固定于灌注培养袋内,贴壁细胞或微生物吸附于培养载体生长。培养液流过载体,供给培养物所需养分,带走代谢产物,从而在培养物周围形成稳定的流体环境,提供生长、交流和细胞团形成的三维结构,达到高密度细胞培养的目的。
本发明不限于上述具体描述,本领域技术人员能够在上述描述基础上想到的任何改变,都在本发明的范围内。
Claims (26)
1.一种平行生物反应器系统,包括:
产生振荡运动的振荡器;
安装在振荡器上的多个培养容器,每个培养容器具有内腔,所述内腔包括:上部的圆筒部分和下部的倒置截头圆锥形底部,圆筒部分的横截面与倒置截头圆锥形底部的顶部横截面一致,并且圆筒部分的底部与倒置截头圆锥形底部的顶部连接;
设置在培养容器的内腔中用于容纳培养液的一次性培养袋,所述一次性培养袋具有多功能盖板,所述多功能盖板连接到所述培养袋顶部以密封所述培养袋,并且设置有多个通向一次性培养袋内部的接孔;和
控制系统,所述控制系统控制所述振荡器的振荡运动和所述一次性培养袋内的培养液的参数。
2.根据权利要求1所述的平行生物反应器系统,所述一次性培养袋是柔性培养袋。
3.根据权利要求2所述的平行生物反应器系统,所述柔性培养袋在展开时具有与所述培养容器的内腔对应的形状。
4.根据权利要求1所述的平行生物反应器系统,所述培养容器的外形与内腔的形状对应,包括上部的圆筒部分和下部的倒置截头圆锥形底部。
5.根据权利要求1所述的平行生物反应器系统,其中所述振荡器包括支座和摇盘,摇盘相对于支座产生振荡运动,所述培养容器安装在所述摇盘上。
6.根据权利要求5所述的平行生物反应器系统,所述摇盘包括多个培养容器孔,所述培养容器孔具有与所述培养容器的外形匹配的形状,以至少部分地容纳所述培养容器。
7.根据权利要求6所述的平行生物反应器系统,所述培养容器孔具有倒置截头圆锥形底部。
8.根据权利要求6所述的平行生物反应器系统,所述培养孔结构呈矩形阵列或环形阵列分布。
9.根据权利要求5所述的平行生物反应器系统,所述培养容器为16个,以4排乘4列的矩阵形式均匀安装在所述摇盘上。
10.根据权利要求5所述的平行生物反应器系统,所述振荡器设置有电动机、主传动偏心轴和支撑偏心轴,主传动偏心轴和支撑偏心轴通过轴承连接在支座和摇盘之间,电动机驱动主传动偏心轴并由此驱动摇盘按照设定的振幅做回旋往复式的水平振荡运动。
11.根据权利要求10所述的平行生物反应器系统,所述振荡器包括四个支撑偏心轴,均匀分布于振荡器底部,所述支撑偏心轴上安装有配重块,配重块和偏心方向成180°以平衡振荡器振荡过程中负载产生的离心力。
12.根据权利要求1所述的平行生物反应器系统,所述倒置截头圆锥形底部的径高比大于1:1,和所述倒置截头圆锥形底部的锥角在30-70度范围内。
13.根据权利要求1所述的平行生物反应器系统,所述多功能盖板的每个接孔为统一标准的螺纹接口。
14.根据权利要求13所述的平行生物反应器系统,所述多功能盖板的接孔适于连接探测电极或者导管。
15.根据权利要求13所述的平行生物反应器系统,所述接孔为6-12个。
16.根据权利要求1所述的平行生物反应器系统,还包括灌注系统,所述灌注系统包括具有两根导柱的支架和固定在两根导柱之间的灌注式培养袋容器,导柱下端设置有升降调节钮。
17.根据权利要求16所述的平行生物反应器系统,所述灌注式培养袋容器通过管路及所述多功能盖板的接孔与所述培养容器连接,以形成外循环式灌注培养模式。
18.根据权利要求1所述的平行生物反应器系统,所述控制系统包括手动控制模式和自动控制模式。
19.根据权利要求1所述的平行生物反应器系统,所述控制系统对所述培养容器中的一次性培养袋内的以下参数中的一个或者多个进行监测和控制:液位、温度、pH值和溶氧水平。
20.根据权利要求1所述的平行生物反应器系统,所述控制系统能对每个培养容器进行独立的监测和控制。
21.根据权利要求20所述的平行生物反应器系统,其中所述控制系统包括总控制台和多个反应控制器;总控制台控制振荡器,并且连接到所述多个反应控制器以从其接收数据并向其发送控制指令;每个反应控制器连接到相应的培养容器以接收来自该培养容器的参数并对该培养容器进行相关操作。
22.根据权利要求20所述的平行生物反应器系统,所述多个培养容器分为至少两个组,在每个组的培养容器中培养相同或不同的细胞或微生物。
23.根据权利要求22所述的平行生物反应器系统,所述控制系统使得组之间具有不同的培养参数。
24.一种利用根据权利要求1所述的平行生物反应器系统培养细胞和/或微生物的培养方法,所述方法包括:
通过所述控制系统对每个培养容器进行独立的监测和控制。
25.根据权利要求24所述的培养方法,包括:
将所述多个培养容器分为至少两个组,在每个组的培养容器中培养相同或不同的细胞或微生物。
26.根据权利要求25所述的培养方法,包括:
组之间具有不同的培养参数。
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