CN114207106A - 用于生物反应器中的灌注控制的系统和方法 - Google Patents

用于生物反应器中的灌注控制的系统和方法 Download PDF

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Abstract

提供了用于生物反应器(120)中的灌注控制的系统(100)和方法。系统（100）包括连接至生物反应器（120）的介质容器（110）和测量生物反应器（120）和介质容器（110）的重量的称重秤（113,123）。多个控制器（225,245）连接至称重秤，并配置成使用马达泵（112）以用户限定的速率将介质从介质容器（110）连续地供给生物反应器（120）。提供过滤器（130）以通过再流通管线（121）接收来自生物反应器（120）的供给，并且渗滤液流管线（141）连接至过滤器（130）以从过滤器（130）流出渗滤液。当生物反应器（120）的重量超过允许的重量上限（U）或重量下限（L）时，连接至生物反应器（120）的称重秤的控制器（225）发送信号以操作渗滤液马达泵（142），以或者使渗滤液从过滤器（130）流出，或者停止马达泵（142）。

Description

用于生物反应器中的灌注控制的系统和方法
技术领域
本说明书的实施例总体上涉及生物反应器中的灌注控制，且更具体地涉及用于生物反应器中的自动稳态灌注控制的系统和方法。
背景技术
生物反应器广泛地用于生物技术制品的生物制造。当前市场中有可获得的若干种生物反应器，其基于生物技术制品的期望品质处理有机物、化学物、营养物等。生物反应器内反应物的工艺参数直接影响制品的品质。生物反应器内基质的一些典型的工艺参数是pH，细胞培养的温度、葡萄糖、氧水平、传导性、颜色变化等。这些反应物可以一起供应给生物反应器，并且以周知为“成批处理”的方式处理。备选地，这些反应物以“连续处理”的方式连续地供给给生物反应器。灌注是一种过程，通过该过程，通过从生物反应器连续去除用过的介质或制品并添加新鲜的介质，改善了细胞培养的产量。作为连续制造的一部分，灌注正获得生物制药制造商的关注。在灌注过程中，制品被连续地从生物反应器收获，同时新的反应介质被供给到生物反应器中。尽管成批处理持续数小时或数天，但灌注过程可进行数周或数月。
当细胞/有机物、营养物和化学物被供给到生物反应器内并且维持期望的工艺参数时，细胞生长在生物反应器内开始。细胞生长可包括通过细胞的分裂的细胞数量上的增加，或者单个细胞的物理参数上的增长。介质的连续供给，细胞数量上的增加以及单个细胞重量上的增加一起增大了生物反应器的重量。如果生物反应器的重量增加到超出生物反应器的最大指定阈值容量，就会负面地影响在细胞品质、细胞产出的一致性、反应物的工艺参数等方面的生物反应器性能。因此，在传统的生物反应器中，提供了过滤器和渗滤液管线来对应于输入介质的重量从生物反应器排出细胞-介质混合物。
传统的系统以“体积进、体积出”的原理操作，意味着供给给生物反应器的介质的体积(ml)等于由马达泵从生物反应器排出的成分的体积(ml)。介质的连续供给和生物反应器的细胞培养产出的比例量的灌注有若干缺点。渗滤液的连续灌注和收集导致细胞在过滤器中的沉积。过滤器堵塞导致从过滤器减少的产出。在过滤器堵塞的情况下，要维持从过滤器流出的渗滤液的均匀的速率，需要增加马达泵的速度。这导致马达泵上过量的负载，以及增加的功率消耗。堵塞的过滤器要求及时的清理以维持过滤器性能。这增加了过滤器和生物反应器的停工期。
另外，马达泵的连续运行增加了功率消耗并且降低了马达寿命。传统马达泵以一定的速度运行以从生物反应器排出一定量的反应流体，而不考虑生物元素在反应器内的发展阶段。这对生物元素的发展具有不期望的影响。已经开发了细胞滞留系统来在生物反应器内滞留细胞并且仅让介质离开生物反应器。但是，存在与这些系统相关的附加成本。因此，现有的进行灌注的方法受到诸多缺点影响。生物技术行业中的设备供应商需要用带有不同传感器和监测技术的更耐久、更有效的生物反应器来回应，这些不同的传感器和监测技术可以与已有的生物反应器集成，而不显著地变更系统中的硬件连接。
发明内容
根据本发明的一方面，公开了一种用于生物反应器的灌注控制系统。该系统包括适于存储反应介质的介质容器，和配置成测量介质容器的重量的称重秤。生物反应器通过介质供给管线连接至介质容器，并且提供马达泵来从介质容器向生物反应器连续地供给介质。提供称重秤来测量生物反应器的重量。此外，过滤器通过再流通管线和滞留管线连接至生物反应器。在再流通管线上提供再流通泵来将反应流体从生物反应器传送至过滤器，并且在上提供了滞留管线以将滞留物从过滤器传送至生物反应器。渗滤液管线连接至过滤器的渗滤液侧并且包含使渗滤液从过滤器流出的渗滤液泵。此外，提供一个或多个控制器来从称重秤接收指示介质容器和生物反应器的重量的信号，并且将控制信号发送给介质供给泵来以用户限定的流率向生物反应器连续地供给介质。另外，对应于生物反应器的重量的控制信号被发送给渗滤液管线上的接收控制器，以操作渗滤液泵。
根据本发明的另一方面，提供了一种生物反应器中的灌注控制的方法。该方法包括连续地称量介质容器和生物反应器，以产生指示介质容器和生物反应器的重量的信号。另外，该方法包括将指示介质容器的重量的信号发送给介质马达泵，从而以用户确定的速率向生物反应器提供连续的介质供给。此外，该方法包括向配置成操作渗滤液泵的控制器发送指示生物反应器的重量的信号，以及操作渗滤液泵来将生物反应器重量维持在用户限定的极限内。
在单独或者结合附图考虑时，本说明书的上述优点以及其他优点和特征从以下具体实施方式将显而易见。应该理解的是提供以上概述来以简化的形式介绍了在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。其并不意味着确认所要求保护的主题的关键或必要特征，所要求保护的主题的范围唯一受具体实施方式后的权利要求书限定。另外，所要求保护的主题不限于解决以上或者此说明书的任何部分中所指出的任何缺点的实施方式。
附图说明
当参考附图阅读具体实施方式中的以下非限制性实施例时，本说明书的实施例的这些以及其他特征将被更好地理解，其中有以下：
图1图示了根据本说明书的多个方面的灌注控制系统。
图2是根据本说明书的多个方面的图1的灌注控制系统的细节视图。
图3(a)-3(b)是根据本说明书的多个方面的介质泵的流控制过程的细节视图。
图4(a)-4(b)图示了与根据本说明书的多个方面的生物反应器集成的独立可移动的支架。
图4(C)图示了具有用户界面的独立可移动的支架。
图5图示了控制生物反应器中的灌注的一个方法。
图6图示了控制生物反应器中的灌注的另一个方法。
具体实施方式
示例性实施例的以下详细描述参考了附图。不同附图中相同的参考标号识别相同或相似的元件。另外，附图不一定按比例绘制。同样，以下详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求书限制。
贯穿本说明书对于“一个实施例”或“另一个实施例”或“一些实施例”的提及，指的是与实施例相关而描述的特定特征、结构或特性被包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在不同地方出现短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”并不一定指相同的实施例。另外，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式在一个或更多实施例中组合。
生物反应器是用在生物技术行业中的特别制造的系统或容器，其用来执行各种工艺，这些工艺使用各种各样的化学物、有机物、营养物和源自它们的物质，它们一起构成“工艺流体”。生物反应器典型地用来在通常圆柱形的生物反应器容器中使用有氧或无氧工艺来种植细胞培养。
使用生物反应器制造生物技术制品包括在上游加工中制备原材料。原材料根源上可以是生物的或非生物的。此原材料和其他反应物一起被供入生物反应器以执行反应物的受控加工。调整并控制若干工艺参数来给制品赋予期望的品质。灌注是一种过程，其中从生物反应器连续地收获制品或工艺流体，同时供给新的介质。采用马达泵来从生物反应器收获制品。这些马达泵可构造成基于介质的输入重量来输出制品或反应流体。使用一个或更多马达泵、过滤器、阀门、压力滞留物和压力渗滤液来执行工艺流体的再流通。死细胞、过多流体和其他废弃材料从制品分离并被排出。需要进一步加工的工艺流体的一部分通过生物反应器再流通。提供介质供给管线来将新鲜的介质从介质容器供入生物反应器。
参考图1，是根据本申请的一个实施例的生物反应器(120)和灌注系统(100)的示意性呈现。反应介质包含在容器(110)内，并且容器(110)使用介质供给管线(111)被连接至生物反应器(120)。在介质供给管线(111)上提供了马达泵(112)来将介质从容器(110)传送至生物反应器(120)。马达泵(112)可为蠕动泵，但是，可以采用任何其他种类的合适的马达泵来将介质从容器(110)传送至生物反应器(120)。
提供了传统称重秤或者电子称重秤(113)来连续地测量容器(110)的重量。类似地，提供称重秤(123)来测量生物反应器容器(120)的重量。在把介质从容器(110)传送至生物反应器(120)时，对于容器(110)在重量上有减少，并且在生物反应器(120)的重量上有等于传送的反应介质的重量的增加。因此，监视生物反应器(120)的重量上的增加来控制生物反应器(120)内反应流体的工艺参数。
到生物反应器(120)的此供给固定于用户设定的流率。取决于生物反应器(120)内的活细胞密度，确定细胞特定灌注率(CSPR)。备选地，确定供给给生物反应器(120)的每日容器容积(vessel volume per day, VVD)的量并且马达泵(112)被配置成将VVD量输入到生物反应器(120)中。
根据本说明书的一个实施例，生物反应器(120)的重量(W)在生物反应器(120)的重量上限(U)和重量下限(L)内变化。此重量上限(U)和重量下限(L)可为有效控制生物反应器(120)的重量(W)而预先确定。例如，如果对于生物反应器(120)确定了重量范围的百分之一(1%)，则重量上限(U)将是(W+W的0.5%)，而重量下限(L)将是(W-W的0.5%)。随着介质被供入生物反应器(120)，生物反应器(120)的重量(W)开始向重量上限(U)增加。称重秤(123)测量生物反应器容器(120)的重量。
过滤器(130)使用再流通管线(121)连接至生物反应器(120)，并且马达泵(122)被提供在再流通管线(121)上，用于生物反应器(120)内的反应流体到过滤器(130)的交换。控制器（图2中示出）连接至称重秤(123)，用于接收代表生物反应器(120)的重量(W)的信号并将该信号发送给马达泵(122)。控制器还配置成从马达泵(112)接收指示给生物反应器(120)的介质供给的信号。
过滤器(130)使用滞留管线(131)连接至生物反应器。过滤器(130)还通过渗滤液管线(141)连接至渗滤液罐(140)。在渗滤液管线(141)上提供马达泵(142)来从过滤器(130)将渗滤液传送至渗滤液罐(140)。尽管图1中示出了仅一个示例性的过滤器(130)，但是可基于工艺流体的数量使用更大数量的过滤器(130)。
马达泵(142)连接至控制器，该控制器从连接至称重秤(123)的控制器接收信号。连接至马达泵(142)的控制器配置成操作马达泵(142)来维持稳定的生物反应器(120)的重量(W)。
当生物反应器(120)的重量(W)超过对生物反应器(120)确定的上限(U)时，称重秤(123)产生对应于生物反应器(120)的当前重量(Wcurrent)的信号。此信号被传送至连接至马达泵(142)的控制器。控制器操作马达泵(142)来将渗滤液从过滤器(130)流出，并且从而减少生物反应器(120)中存在的流体的总量。此过程继续，直至生物反应器(120)的重量(W)下落到预定的范围，例如（U=W+W的0.5%）。一旦生物反应器(120)的重量(W)低于对于生物反应器(120)限定的最大上限(U)，对应的信号就被发送至连接至马达泵(142)的控制器，以停止渗滤液的灌注。这帮助将生物反应器的重量(W)维持在预定范围内。如果生物反应器的重量(W)下落到超出生物反应器(120)的重量下限(L)，则立即停止渗滤液流，以再次将重量(W)维持在预定范围内。在一个示例中，当生物反应器的重量(Wcurrent)超过重量上限(U)时，渗滤液泵(142)在流率上将被以灌注供给的两倍速度(2X)操作，并且当生物反应器的重量(Wcurrent)小于重量下限(L)时，渗滤液泵(142)将以低于使用中的过滤器/膜的临界流量的流量继续运行。
随着渗滤液流向渗滤液罐(140)，滞留物使用马达泵(122)从过滤器(130)传送至生物反应器(120)。如果生物反应器(120)的重量(Wcurrent)小于重量上限(U)，滞留物可从过滤器(130)添加至生物反应器(120)。备选地，可基于生物反应器(120)的重量(Wcurrent)和生物反应器(120)中的细胞密度从容器(110)将新鲜介质添加至生物反应器(120)。可采用不同的传感器来测量生物反应器(120)内的细胞密度，以确定要添加至生物反应器(120)的介质的量或滞留物的量。
如果生物反应器(120)的重量(Wcurrent)小于重量上限(U)，滞留物可从过滤器(130)添加至生物反应器(120)。备选地，可基于生物反应器(120)的重量(Wcurrent)和生物反应器(120)中的细胞密度从容器(110)将新鲜介质添加至生物反应器(120)。可采用不同的传感器来测量生物反应器(120)内的细胞密度，以确定要添加至生物反应器(120)的介质的量或滞留物的量。
以上说明的流控制机制由生物反应器(120)的重量(W)触发。这种控制使得能够将生物反应器(120)的重量(W)维持在用户确定的范围内。此外，渗滤液泵(142)仅在生物反应器的重量超过可允许的重量上限(U)时操作，且渗滤液泵(142)的此间歇性的操作节省更多功率，并且延长马达泵(142)的工作寿命。马达泵(142)的间歇性操作使得能够间歇清洁过滤器(130)，并且节省用于过滤器清洁的系统停机时间。因此，在过滤器(130)寿命和品质上有实质的改善。在传统的基于体积流的系统中，没有考虑细胞密度，并且在渗滤液流期间，优质细胞随死细胞一起丧失。然而，根据本申请的一个实施例，使用基于生物反应器(120)的重量(W)范围(U-L)操作的渗滤液泵(142)更好地实现了细胞密度控制。因此，实现了灌注控制的目的，即，通过介质供给泵(112)维持到生物反应器(120)的恒定供给率(基于VVD或CSPR的用户限定的速率)，并且同时通过控制渗滤液泵(142)将生物反应器重量(W)维持在稳态。
在灌注过程中使用了细胞放出来维持稳态灌注控制并改善整体细胞培养活力。在本申请的另一个实施例中，如果启用了细胞放出控制来维持介质供给率恒定，则变化将在渗滤液控制上，以将生物反应器(120)的重量(W)维持在稳态。在灌注过程中，仅去除用过的介质，而细胞被膜滞留，以最终增加细胞质量。为了克服在高细胞密度下营养物限制的影响（其会影响制品品质和细胞生产率），这种高细胞密度可能要求更高的新鲜介质输入。细胞放出是用来维持细胞活力以控制过程的稳态的必需步骤。
图2图示了图1的灌注控制系统的细节。可采用多于一个介质供给罐(210)来确保到生物反应器(220)的介质的供应处于预定的流率。采用称重秤（W1和W2）来连续地监测介质罐(210)的重量。尽管图2中示出了仅两个介质罐，但使用多于两个介质罐(210)也在本申请的范围内。流体集成电路(FIC)连接至可编程逻辑控制器，并且配置成接收指示介质供给罐(210)的重量的称重秤信号。基于流体集成电路(FIC)的输出，操作马达泵(212)来将介质从介质供给罐(210)传送至生物反应器(220)。过滤器(230)通过再流通管线连接至生物反应器(220)。尽管图2中示出了仅两个过滤器，但使用多于两个过滤器来处理反应流体也在本申请的范围内。
结合了多个渗滤液罐(240)来收集流出过滤器(230)的渗滤液。称重秤测量生物反应器的重量(W)，而可编程逻辑控制器(PLC)(225)用生物反应器的重量(Wcurrent)连续地更新。另一个可编程逻辑控制器(PLC)(225)定位成更靠近渗滤液马达泵并且接收生物反应器的重量(Wcurrent)。可编程逻辑控制器(225, 245)被编程为操作渗滤液马达(242)来仅让来自过滤器(230)的用过的反应流体通过。被用于再流通的过滤器(230)滞留的细胞被供回给生物反应器(220)。
另外，可与控制单元一起采用细胞放出罐(250)来监测细胞放出。细胞放出控制包括使用称重秤来测量放出罐的重量，以及及时地以受控的方式供给细胞放出罐(250)。控制器(251)连接至细胞放出称重秤并接收指示细胞放出罐(250)的重量的信号。细胞放出罐(250)的控制器(251)也连接至渗滤液马达泵(242)的可编程逻辑控制器(245)。当也启用了放出控制来维持介质的供给率恒定时，变化将在渗滤液控制(245)上，以维持生物反应器(220)的重量处于稳态。对于使用称重秤的介质供给泵以规律的间隔计算流量因数，因此进入生物反应器(220)的净介质供给是精确的。以规律的间隔计算流量因数有许多优点。当计算了流量因数时不需要泵校准。同样，泵管道随着时间的磨损和撕裂将不影响灌注过程并且可以维持供给加法器精度。这基于使用活细胞密度（VCD）传感器或通过手动移除生物反应器的工作体积的某些百分比来连续监测细胞质量。在任一情况下，基于来自位于生物反应器（220）内的细胞密度传感器的反馈或借助手动地通过用户界面输入值，从生物反应器（220）连续地收获细胞以维持稳态。提供控制软件，其包含操作各种马达泵的代码。在灌注过程期间，活细胞密度（VCD）上限值最初被输入软件。借助VCD传感器连续地监测生物反应器（220）中的活细胞密度（VCD）值，并且如果细胞密度大于设定值，则传感器将向软件发送反馈，软件反过来启动放出泵（252），使得放出泵将连续地收获，直到恒定的活细胞密度回到初始设定值。一旦细胞密度在限定的设定值内，马达泵（242）将停止。
以下示例显示了灌注过程中使用的部件的规格及其操作参数：
马达泵：Watson Marlow蠕动313高速泵（350 rpm）
称重秤：来自METTLER TOLEDO的300kg称重秤，带有IND570称重终端
对于不同管道尺寸的流率：
Figure 275282DEST_PATH_IMAGE001
。
图3(a)-3(b)显示了灌注过程控制的介质流控制部分（300）的流程图。一旦灌注开始（310），计算介质的供给流率，以确定需要向生物反应器（320）供给的介质的量。例如，如果生物反应器的重量为50千克，且向生物反应器供给的用户限定的每日容器容积（VVD）为1，则通过以下计算来计算介质的流率：
Figure 702852DEST_PATH_IMAGE002
另外,基于所使用的管道,通过以下公式确定(330)泵速(rpm)：
Figure 967611DEST_PATH_IMAGE003
。
基于以上计算，控制(340)介质供给泵。实施(350)PID流量控制器来控制介质供给泵。基于介质罐的重量启动（360）第一加法器，且基于从开始介质供给逝去的时间和介质的流率启动第二加法器，在特定时间（t分钟）后连续地计算流量因数（ff）。重复流量因数(ff)的此计算以确定加法器中存在的任何误差。例如，计算基于重量的加法器（Tw）值和基于计算的加法器值（Tc）的加法器值上的差异(∆T），以确定任何误差的存在，并将其输入到介质泵的PID流量控制中。使用图3(a)-3(b)中所示的方法（300）实现介质供给上的连续性。
上述过程确保了以恒定速率的精确灌注供给，从而提供了灌注过程的稳健控制，这导致了更好的制品品质和改善的制品滴度。此外，各种控制使得能够实现更长持续时间的稳态灌注过程。如图1的实施例中所述的渗滤液马达泵的周期性开和关，或如图2的实施例中所述的渗滤液流量的周期性变化，在寿命和使用方面改善了过滤器性能。利用上述系统和方法，无需精确的称重秤、且使用周期性的误差自动校正、以及使用低精度的流量传感器，精确的稳态灌注控制是可能的。
连续制造在生物制药制造中的应用在过去十年中取得了进展。将批量过程转化为连续制造是生物制药行业的未来，且包括采用连续流、端到端的制造子过程集成，具有显著的控制策略水平。连续的生物制药制造更具时间效率，减少能源需求，有助于提高生产率，并减少总体浪费的量。人为错误的风险也降低了，因为连续处理意味着从头到尾参与生产过程的人更少。
图4(a)-4(b)图示了灌注系统与生物反应器的集成(400)。在本申请的一个实施例中，图1-2的灌注系统提供为单独的独立可移动的支架(410)，其可容易地与现有生物反应器(420)集成。独立可移动的支架（410）包括具有处理器、存储器和显示屏的计算机系统。处理器配置为获取灌注数据并在用户控制台的显示屏（411）上显示。计算机系统中提供了一种控制算法，其允许系统的用户通过在用户控制台的显示屏（411）上输入命令来控制灌注参数。过滤器(413)通过滞留管线(412)连接至生物反应器(420)。将独立可移动的支架与生物反应器集成有若干优点，包括减少滞留时间的最小流路长度、通过优化的管道尺寸实现的最小背压、用于泵入口的优化的管道直径以使进入泵的气泡最少、用于自然启动(natural priming)和性能的最佳泵位置和朝向、通过避免流路中的急弯和与生物反应器袋的最小连接次数而减少的对细胞的剪切。
本申请的独立可移动的支架（410）可与生物反应器（420）以“即插即用”形式集成。即插即用型流路使得能够实现使用无菌连接器在独立可移动的支架（410）和生物反应器（420）之间的快速集成。可提供用于生物反应器（420）和独立可移动的支架（410）的单独的用户界面和数据记录，以有效地操作系统。从生物反应器到独立可移动的支架（410）的具有更大管道直径的底部入口使得液体能够轻易流动并避免气泡进入。滞留流路节段中放出回路的集成确保可以控制细胞的浓度。流路可以容纳各种具有不同路径长度的过滤器，且因此使得可以通过独立可移动的支架进行单端口恢复。提供无菌空气入口，以使得可以在流路的组装状态下进行完整性检查，并自动切换灌注介质箱和渗率液箱，以确保连续运行。
图4(c)示出了具有用户界面(411)的单独的独立可移动的支架（410）。用户界面（411）用于插入生物反应器（420）的工艺参数，并以预定流率处理反应流体。独立可移动的支架（410）是轮式支架（414），相对于生物反应器独立地可移动，生物反应器（420）和独立可移动的支架（410）之间有柔性密封的流体管道互连。
独立可移动的支架使用户能够在生物反应器中的细胞培养上最大化他们的产量。灌注独立可移动的支架实质上是带中空纤维过滤器的切向流过滤系统。系统流路可连接至生物反应器袋。当用户面临过滤器的堵塞时，难以在流路中放置新的过滤器。灌注独立可移动的支架的集成使得能够自动切换至不同的过滤器。运行灌注独立可移动的支架需要与生物反应器控制的正确集成。通过监测站屏幕提供XDR生物反应器和灌注独立可移动的支架上的操作的综合控制，并且无需时间来定制现有系统。所有的运行数据都将存储在与生物反应器共用的数据库中。
相同仪器可用于不同的生物反应器尺寸和容积。可以为不同的工作容积和流率配置流路部件和过滤器。因此，用户可以基于他们的应用选择确切的管道布置。此外，无需进行再流通泵启动。泵的位置以这样的方式提供，即，使得再流通泵通过重力或一个或更多其他泵的操作来启动。所有连接均用无菌连接形成，且因此减少了细胞培养介质污染的可能性。
因此，灌注独立可移动的支架与生物反应器的集成提供了灌注介质和渗滤液的自动切换。实现了生物反应器和灌注独立可移动的支架的综合控制，对于更换过滤器需要最少或无需人工干预。
系统中的稳态灌注控制要求（稳态灌注过程）建立在恒定（稳定）的XDR重量之上。在此要求中，灌注介质添加被严格控制并且是精确的，而渗滤液收获则被控制以维持稳定的XDR重量。
系统将具有对于如下项目的基于重量的控制：
1.灌注介质添加
2.细胞放出
3.稳态生物反应器重量。
如图5中所示，在一种方法中，用户可以基于细胞的代谢需求或基于每天的体积交换来设置对于灌注介质的流率。如果该过程需要细胞放出，用户还可以设置对于细胞放出的流率。控制对于渗滤液流出的流率，以确保生物反应器重量维持稳定。例如，生物反应器（XDR）的稳定重量设定为47千克。灌注介质添加设定为10毫升/分钟。生物反应器（XDR）重量允许在±200克之间变化。当生物反应器（XDR）重量超过47.2千克时，渗滤液流率设置为灌注介质添加流率的1.1倍，并且当生物反应器（XDR）重量达到47或46.8千克时，渗率液流率再次设置为零升/分钟。此方法确保生物反应器（XDR）稳定重量维持在47±0.2千克。此方法是渗滤液收获的开/关控制，以维持稳定的生物反应器（XDR）重量。
Figure 455225DEST_PATH_IMAGE004
如图6中所示，在不同于先前方法的另一种方法中，当检测到生物反应器（XDR）重量上的增加时，不同之处在于渗滤液泵的操作方式不同。在这种方法中，用户有设置对于渗滤液泵速率的上限和下限的选项。然后，渗滤液泵将以设定的下限（例如，介质流率的0-80%）运行，直到检测到生物反应器重量的变化，然后其以设定的上限运行，直到生物反应器重量达到对于稳定的生物反应器重量的设定点。如果用户更喜欢间歇开/关渗滤液流量，则用户有将渗滤液泵速率的下限设置为零的选项，与HFF膜的恒定渗滤液流出相比，这可以增强HFF膜的性能。另外，用户可以将上限设置为介质流率的一个因数（例如，1.1-1.5）。
在第二张图表中显示的趋势中，生物反应器（XR）重量设定为47千克，而灌注介质添加速率设定为33毫升/分钟，这是恒定且精确的。渗滤液收获流率设定为24毫升/分钟。当生物反应器（XXR）重量超过±200克（即47.2千克）时，渗滤液流率增加至灌注介质添加的两倍（2x）。这也是为了维持稳定的XDR重量，但是允许渗滤液收获在两个流率之间切换，这也是用户可配置的。通过允许渗滤液流率变化，提供渗滤液背压（例如，当使用低流率时），该背压作用于过滤器，并帮助清除其中捕获的碎屑（例如，过滤器孔堵塞），从而改善过滤器性能/寿命。
Figure 133331DEST_PATH_IMAGE005
虽然本文描述的主题的公开实施例已经在附图中示出并且在上文联系若干示例性实施例通过特性和细节而完整地进行了描述，但对于本领域技术人员将显而易见的是，不实质性背离此处所述的新颖的教导、原理和概念以及所附权利要求书中所述的主题的优点的许多变型、变化以及省略都是可能的。因此，所公开的创新的正确范围应仅由所附权利要求书的最宽解释所确定，以便包括所有此类变型、变化和省略。另外，任何工艺或方法步骤的顺序或次序都可以根据备选实施例变化或者重新排序。

Claims (25)

1.一种用于生物反应器(120)的灌注控制系统(100)，所述系统(100)包括：
至少一个控制器(225, 245)；
介质容器(110)，其适于存储反应介质；
生物反应器(120)，其经由介质供给管线(111)流体地连接至所述介质容器(110)；
至少一个称重装置(113, 123)，其配置成测量所述介质容器的重量和所述生物反应器(120)的重量；
过滤器(130)，其经由再流通管线(121)并经由滞留管线(131)流体地连接至所述生物反应器(120)；
渗滤液管线(141)，其流体地连接至所述过滤器(130)，并配置成从所述过滤器(130)接收所述渗滤液的流；以及
至少一个泵(112, 122, 142)，其设置在所述介质供给管线(112)、再流通管线(121)、以及渗滤液管线(142)的每一个中，配置成沿着所述供给、再流通和渗滤液管线(111, 121,131, 141)的任意其中一个或多个提供反应流体的流；
其中所述至少一个控制器(225, 245)适于共同地：
- 从所述称重装置(113, 123)接收指示所述介质容器(110)和所述生物反应器(120)的重量的信号，
- 向介质供给泵(112)发送控制信号，从而以限定的流率向所述生物反应器(120)供给介质，以及
- 向所述渗滤液管线上的接收控制器(245)发送对应于所述生物反应器(120)的重量的控制信号，从而操作所述渗滤液泵(142, 242)。
2.如权利要求1中所述的用于生物反应器(120)的灌注控制系统(100)，其中，所述生物反应器(120)的重量被控制在重量上限(U)和重量下限(L)内。
3.如权利要求2中所述的用于生物反应器(120)的灌注控制系统(100)，其中，如果所述生物反应器(120)的重量超过所述重量上限(U)，则控制信号被发送至所述渗滤液马达泵(142, 242)，以从所述过滤器(130)流出渗滤液。
4.如权利要求2中所述的用于生物反应器(120)的灌注控制系统(100)，其中，如果所述生物反应器(120)的重量低于所述重量下限(L)，则控制信号被发送至所述渗滤液马达泵(142, 242)，以将来自所述过滤器(130)的所述渗滤液的流量减少至由用户设定的下限。
5.如权利要求1中所述的用于生物反应器(120)的灌注控制系统(100)，还包括位于所述生物反应器(120)内的活细胞密度传感器，以监测所述生物反应器(120)内的细胞质量。
6.如权利要求1中所述的用于生物反应器(120)的灌注控制系统(100)，还包括细胞放出罐(250)系统，其位于所述再流通管线(121)内，并且定位在所述再流通马达泵(122)后。
7.如权利要求6中所述的用于生物反应器(120)的灌注控制系统(100)，其中，将细胞活力密度上限值输入所述细胞放出罐(250)系统控制器(251)，并且从所述活细胞密度(VCD)传感器获得细胞质量值，其中如果所述细胞密度高于所述活细胞密度，则所述VCD传感器将向所述细胞放出系统控制器(251)发送信号，以启动放出泵(252)来连续地收获所述细胞，直至所述活细胞密度回到初始设定值。
8.如权利要求6中所述的用于生物反应器(120)的灌注控制系统(100)，其中，所述至少一个控制器包括控制器(251)，其电气地连接至所述或另一个称重装置，以测量所述细胞放出罐(250)的重量，并包括电气地至少连接至所述渗滤液泵(242)的可编程逻辑控制器(PLC)(245)，并且其中所述细胞放出控制包括在供给所述细胞放出罐(250)的同时称量所述细胞放出罐(250)，以及在细胞放出罐(250)重量超过预定极限时操作所述PLC(245)来控制所述渗滤液马达泵(242)。
9.如权利要求1中所述的用于生物反应器(120)的灌注控制系统(100)，其中，所述再流通马达泵(122)配置成基于所述生物反应器(120)的重量将滞留物再流通到所述生物反应器(120)中。
10.如权利要求1中所述的用于生物反应器(120)的灌注控制系统(100)，其中，所述灌注系统设置在支架单元(410)上，所述支架单元(410)相对于所述生物反应器(420)独立地可移动，并且借助于所述介质供给、再流通和滞留管线(111,121,131)与所述生物反应器流体地可互连，所述单元是自动可配置的。
11.如权利要求1中所述的用于生物反应器(120)的灌注控制系统(100)，其中，所述管线与所述生物反应器(420)的互连使用无菌连接器实施。
12.如权利要求1中所述的用于生物反应器(120)的灌注控制系统(100)，其中，所述支架单元(410)包括具有显示屏和用户输入装置的用户控制台(411)，包括以下的任意其中一个或多个：用于介质流率的控制值，以及用于所述生物反应器(420)的上限和下限(U和L)。
13.如权利要求1中所述的用于生物反应器(120)的灌注控制系统(100)，其中，支架单元(410)配置成对于所述介质供给泵(112)以间隔计算流量因数，所述介质供给泵(112)使用所述称重装置(113)来确定进入所述生物反应器(420)中的净介质供给。
14.如权利要求1中所述的用于生物反应器(120)的灌注控制系统(100)，其中，到所述生物反应器(120)的灌注供给基于细胞特定灌注率和每日容器容积交换。
15.如权利要求1中所述的用于生物反应器(120)的灌注控制系统(100)，其中，提供基于所述介质罐(110)的重量操作的第一加法器，并提供基于从开始所述介质供给逝去的时间和所述介质的流率操作的第二加法器，并且连续地计算流量因数(ff)且计算基于重量的加法器(Tw)值和基于计算的加法器值(Tc)的加法器值上的差异(∆T)，以确定误差的存在，其中如果检测到误差，则所述误差被输入至所述介质马达泵(112)的PID流量控制。
16.一种生物反应器(120)中的灌注控制的方法，所述方法包括：
连续地称重介质容器(110)和生物反应器(120)，以产生指示所述介质容器(110)和所述生物反应器(120)的重量的信号；
将指示所述介质容器(110)的重量的信号发送至介质泵(112)，从而以用户确定的速率向所述生物反应器(120)提供连续的介质供给；以及
将指示所述生物反应器(120)的重量的信号发送给配置成操作渗滤液泵(142)的控制器(242)和渗滤液马达泵(142)，以将所述生物反应器(120)重量维持在限定的极限内。
17.如权利要求16中所述的生物反应器(120)中的灌注控制的方法，其中，操作所述渗滤液泵(142)包括从过滤器(130)取出渗滤液。
18.如权利要求16中所述的生物反应器(120)中的灌注控制的方法，其中，操作所述渗滤液泵(142)包括当所述生物反应器(120)的重量超过重量上限(U)值时打开马达泵。
19.如权利要求16中所述的生物反应器中的灌注控制的方法，其中，操作所述渗滤液泵(142)包括当生物反应器的重量低于重量下限(L)值时关闭马达泵。
20.如权利要求16中所述的生物反应器(120)中的灌注控制的方法，还包括基于由活细胞密度传感器提供的信号操作细胞放出罐(250)。
21.如权利要求16中所述的生物反应器(120)中的灌注控制的方法，还包括计算并使用控制台(411)自动或手动地将所述生物反应器(120)的重量上限(U)和重量下限(L)值、到所述生物反应器(120)的介质供给速率、以及活细胞密度送入所述控制器(225, 245)。
22.如权利要求16中所述的生物反应器(120)中的灌注控制的方法，还包括开启基于所述介质罐(110)的重量的第一加法器，以及开启基于从开始所述介质供给开始逝去的时间和所述介质的流率的第二加法器，以及连续地计算基于第一和第二加法器值的流量因数(ff)。
23.如权利要求16中所述的生物反应器中的灌注控制的方法，还包括计算基于重量的加法器(Tw)值和基于计算的加法器值(Tc)的加法器值上的差异(∆T)，以确定误差的存在，并将该差异输入介质马达泵(112)的PID流量控制器。
24.如权利要求16中所述的生物反应器(120)中的灌注控制的方法，其中，操作再流通马达泵(122)包括将反应流体从所述生物反应器(120)移向至少一个过滤器(130)，并且操作所述再流通泵(122)包括将滞留物从所述至少一个过滤器(130)移向所述生物反应器(120)。
25.如权利要求16中所述的生物反应器(120)中的灌注控制的方法，还包括连续地称重细胞放出罐(250)，并且当所述细胞放出罐(250)超过预定极限时，发送控制信号来操作渗滤液马达泵(242)。
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