CN114829576A - 具有中空纤维系统的交替切向流生物反应器和使用方法 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例总体上涉及用于灌注细胞培养物的系统和方法，其包括第一柔性器皿和第二柔性器皿之间的交替流体流。例如，中空纤维过滤器模块可以附接到第一培养器皿和第二培养器皿上，这些培养器皿各自包括内部器皿和外部器皿。压力源可以在外部器皿之间引起压差，该压差可以使内部器皿之间的响应性流体流穿过中空纤维过滤单元。

Description

具有中空纤维系统的交替切向流生物反应器和使用方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求2019年12月13日提交的美国临时专利申请No.62/947，989的优先权权益，其为了所有目的通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及过程过滤系统，并且更具体地，涉及利用交替切向流生物反应器的系统。

背景技术

过滤通常用于分离、澄清、改性和/或浓缩流体溶液、混合物或悬浮液。在生物技术和制药工业，过滤对于新药、诊断和其他生物产品的成功生产、加工和测试至关重要。例如，在使用动物或微生物细胞培养物制造生物制剂的过程中，进行过滤是为了澄清、选择性移除和浓缩培养基中的某些成分，或者在进一步加工之前对培养基进行改性。过滤也可以用于通过将灌注培养物维持在高细胞浓度下来增强生产率。

生物制剂制造工艺通过实质性的工艺强化而不断进步。用于生产重组蛋白、类病毒颗粒(VLP)、基因治疗颗粒和疫苗的真核细胞和微生物细胞培养物现在都包括可以达到100e6细胞/ml或更高的细胞生长技术。这是通过使用细胞保留装置来实现的，该细胞保留装置可以移除代谢废物并且利用额外的营养物更新培养物。最常见的细胞保留手段之一是使用利用交替切向流(ATF)的中空纤维过滤对生物反应器培养物进行灌注。商业和开发规模工艺都使用一种控制隔膜泵以通过中空纤维过滤器执行ATF的装置(例如，参见美国专利No.6，544，424)，其中泵和过滤器封装在不锈钢中，并且在使用前进行高压蒸汽处理，以便保持无菌。出于经济性和灵活性的考虑，许多生产设施都在力图使用一次性产品，然而，将不锈钢ATF转换为一次性预先灭菌的装置具有相当大的挑战。

本公开描述了一种一次性ATF系统和使用方法，其可以克服这些障碍中的一个或更多个以构建和使用适用于强化细胞培养物生产的一次性ATF装置。

发明内容

在本公开的一个方面，生物反应器过滤系统可以包括中空纤维过滤器模块。中空纤维过滤器模块可以包括过滤器壳体内的过滤器，过滤器壳体包括第一端、第二端和至少一个渗透端口，中空纤维过滤器模块限定进料/滞留物通道以及通过过滤器与进料/滞留物通道分离的渗透物通道。该系统可以包括分别附接到中空纤维过滤器模块的第一端和第二端中的每端的第一培养器皿和第二培养器皿。每个培养器皿可以包括外部部分、设置在外部部分内的内部柔性器皿、与外部部分流体连接的外部端口以及与内部柔性器皿流体连接并且与外部部分流体隔离的内部端口，所述内部柔性器皿被配置为响应于外部部分中的压力变化而改变体积，其中，进料/滞留物通道可以与每个内部端口流体连通。该系统可以包括与培养器皿的每个外部部分流体连通的压力源。第一阀和第二阀可以介于压力源与第一外部部分和第二外部部分之间。

在各种实施例中，第一培养器皿和第二培养器皿可以分别设置在第一天平和第二天平上。该系统可以进行伽玛灭菌。该系统可以是单次使用或多次使用的。中空纤维过滤器模块可以是单次使用的。一个或两个内部柔性器皿可以是单次使用的。中空纤维过滤器模块可以是可更换的。该系统可以进一步包括机柜。中空纤维过滤器模块、第一培养器皿和第二培养器皿和/或压力源中的一个或更多个可以安装在机柜中。该系统可以进一步包括控制器。控制器可以联接到压力源。控制器可以联接到用户界面。

在本公开的一个方面，过滤系统可以包括中空纤维过滤器模块。中空纤维过滤器模块可以包括第一端、第二端和至少一个渗透端口。中空纤维过滤器模块可以限定进料/滞留物通道和渗透物通道。渗透物通道可以通过过滤器与进料/滞留物通道分离。过滤系统可以包括分别附接到中空纤维过滤器模块的第一端和第二端中的每端的第一流体器皿和第二流体器皿。每个流体器皿可以包括外部部分。每个流体器皿可以包括设置在外部部分内并且与外部部分流体隔离的内部柔性器皿。每个内部柔性器皿可以被配置为将外部部分中的压力变化转移到包含在其中的滞留物。内部端口可以流体连接到每个相应的内部柔性器皿。每个内部端口可以被配置为响应于压力变化而从其中提供流。每个进料/滞留物通道可以与每个内部端口流体连通。压力源可以与流体器皿的每个外部部分流体连通。压力源可以被配置为影响压力变化。

在各个方面，过滤系统可以进一步包括联接到第一流体器皿的第一流体源。过滤系统可以进一步包括联接到第二流体器皿的第二流体源。第一流体源、第二流体源或其两者都可以包括生物反应器。

在一个方面，过滤生物反应器流体的方法可以包括使用压力源使流体流在第一培养器皿和第二培养器皿之间交替穿过中空纤维过滤器模块的进料/滞留物通道。每个培养器皿可以包括外部部分、设置在外部部分内的内部柔性器皿、流体连接到外部部分的外部端口以及流体连接到内部柔性器皿并且与外部部分流体隔离的内部端口，所述内部柔性器皿被配置为响应于外部部分中的压力变化而改变体积，其中，进料/滞留物通道与每个内部端口流体连通。当压力被引入到包围第一内部柔性器皿的第一外部部分中时，流体可以从第一内部柔性器皿经过中空纤维过滤器模块流至第二内部柔性器皿。当压力被引入到包围第二内部柔性器皿的第二外部部分中时，该系统可以交替。

在各种实施例中，可以从系统中移除所产生的渗透物。压力系统可以包括正压或真空。可以通过监测第一培养器皿和第二培养器皿中的至少一个器皿的重量随着时间的变化来确定流速。可以使用分批处理或连续处理将流体引入到系统中。可以通过监测第一培养器皿和第二培养器皿的组合重量随着时间的变化来确定渗透物体积。

在本公开的一个方面，过滤生物反应器流体的方法可以包括在第一器皿和第二器皿之间产生压差。压差可以在第三器皿和第四器皿之间引起响应性流动。第三器皿可以设置在第一器皿内。第三器皿可以与第一器皿流体隔离。第四器皿可以设置在第二器皿内。第四器皿可以与第二器皿流体隔离。中空纤维过滤模块可以流体连接在第三器皿和第四器皿之间。

在各个方面，过滤生物反应器流体的方法可以进一步包括交替第一器皿和第二器皿之间的压差。该方法可以进一步包括移除从中空纤维过滤模块收集的渗透物。

附图说明

图1是根据本公开的一个或更多个实施例的过滤器系统的示意图；

图2示出了图1的系统100的通信架构的示例；

图3示出了可以在图1的系统100中实施的存储介质的示例；

图4示出了本文所述实施例的计算平台。

具体实施方式

概述

本公开的实施例总体上涉及用于灌注细胞培养物的系统和方法，其包括第一柔性器皿和第二柔性器皿之间的交替流体流。当流体比如悬浮细胞培养物在第一器皿和第二器皿之间移动时，它们穿过切向流过滤设备。当流体流过过滤器时，它们被分成(I)包括已经穿过切向流过滤设备的膜片的材料的渗透物流，和(II)没有穿过切向流过滤设备的膜片的进料/滞留物流。

本公开描述了适用于支持高密度细胞培养工艺的一次性ATF系统。本公开还提供了利用一次性ATF装置在无菌环境中获得高过滤性能的方法。本公开至少部分基于以下发现，即使用真空压力可以降低细胞培养流体的剪切应力，即使在流量增加的情况下。此外，在流动路径上可能不需要压力传感器来监测过程，因为这可以通过对真空源进行精确调控来实现。本公开中描述的装置可以通过将该装置的器皿放置在天平上来监测流速。此外，该装置可以是单次使用或多次使用的，它可以与分批处理或连续处理的细胞培养物一起使用，并且它可以进行伽玛灭菌。

各种实施例可以包括预组装和/或部分组装的部件组合，可以将其理解为允许选择性地更换一次性部件，同时维护更持久的部件，从而提高过滤器系统的无菌性和/或可持续性。部件可以例如容纳在机柜或其他结构中。

本文所述系统的自动化控制和/或基于用户的控制可以通过压力系统的通信控制，例如经由电子指令来实现。在许多实施例中，过滤器系统可以联接到能够精确和/或简单地调控流量的控制器和/或用户界面，从而提高可靠性、易于维护性和/或过滤器系统的使用的其他方面。

通过在柔性器皿之间产生压差，物料在柔性器皿之间推进。这种压差可以通过任何合适的方式产生，包括但不限于通过重力、通过施加正压和/或施加负压。在某些实施例中，器皿具有足够的柔性以适应流体流，而不需要死区，即，柔性器皿在排空时可以塌缩，并且柔性器皿可以膨胀以保持系统中的全部流体体积。在一些情况下，柔性器皿包括柔性聚合物，比如硅胶、乳胶或适用于通过辐射、气体暴露或本领域中使用的其他灭菌手段进行灭菌的类似材料。

在某些实施例中，通过对一个或两个器皿进行直接机械压缩来施加正压。这种压缩可以通过手动方式(例如，通过挤压器皿)和/或机械方式(通过压缩，例如，使用柔性波纹管组件或活塞驱动压缩系统)实现。在一些实施例中，可以通过将柔性器皿放置在较大器皿内并且增加或降低较大器皿中的压力来施加正压力和/或负压力，其中压力在内部器皿中将趋于均衡。

在某些实施例中，物料通过中空纤维过滤器模块在柔性器皿之间推进。中空纤维过滤器模块限定进料/滞留物通道和渗透物通道，该渗透物通道通过过滤器膜片比如切向流过滤器元件与进料/滞留物通道分离。当物料穿过中空纤维过滤器模块时，物料被分成两股流：渗透物流过过滤器膜片，而滞留物流入器皿中。渗透物可以包含任意数量的物质，包括但不限于生物制品例如单克隆抗体、重组蛋白、微粒、纳米颗粒、疫苗和/或病毒载体。替代地或附加地，渗透物可以包含废物、污染物或其他不需要的物质。因此，可以以不同的方式收集渗透物以供进一步处理或丢弃。完整的活细胞可以保留在滞留物中。

在一些实施例中，细胞培养物是产物。在一些实施例中，产物是由细胞表达的蛋白质，其被收集在渗透物上。

在一些实施例中，器皿由内部器皿和外部器皿组成。内部器皿由任意柔性材料制成比如多层聚乙烯(PE)薄膜等类似物。外部器皿由任意柔性或非柔性材料制成比如多层PE薄膜、硅胶等类似物。内部器皿封闭在外部器皿内。将压力施加到外部器皿，从而在内部器皿中施加均衡压力。该系统包括一系列端口或其他类似的连接器。所述端口将内部器皿连接到中空纤维过滤器模块。端口用于填充和/或排空内部器皿。其他端口用于将外部器皿连接到压力源。端口可以与系统的其他项目分离。这种端口可以进行灭菌。

在各种实施例中，在使流体流交替通过中空纤维过滤器模块之前，将物料放置到柔性器皿中。在一些实施例中，柔性器皿接收连续的物料流。

在一些实施例中，压力源经由端口连接到外部器皿。压力源可以供应正压和/或负压。如果使用单个压力源，则外部器皿可以包括单向阀，以便释放多余的压力。在各种实施例中，可以将多于一个的压力源连接到系统。如果使用多于一个的压力源，则每个压力源连接到外部器皿。

中空纤维过滤器模块可以包括中空纤维过滤器。中空纤维过滤器可以由改性聚醚砜、聚砜、聚醚砜、混合纤维素酯等类似物组成。在2019年3月8日提交并且于2019年9月12日公布的美国出版物2019/0276790中描述了适合的过滤器的示例，其以整体通过引用并入本文。

在一些实施例中，预先组装过滤器和器皿。在一些实施例中，流动路径比如Proconnex用于连接过滤器和器皿。

在一些实施例中，过滤器和器皿组装成一个系统。在一些实施例中，过滤器和器皿是分开的并且可以组装起来以供使用。

现在参考附图，其中相同的附图标记用于表示相同的元件。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对其的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施新颖的实施例。在其他情况下，以框图形式示出了众所周知的结构和装置，以便于对其进行描述。意图是涵盖与所要求保护的主题一致的所有修改、等同物和替代物。

在附图和随附说明中，标记“a”、“b”和“c”(以及类似的标记)旨在表示任何正整数的变量。因此，例如，如果一个实施方式设定a＝5的值，则被示出为部件122-1至122-a的部件122的完整集合可以包括部件122-1、122-2、122-3、122-4和122-5。实施例不限于这种情况。

图1描绘了根据本公开的各种实施例的系统100。系统100可以被配置为过滤流体(例如，进料、细胞培养流体等)。系统100(例如，过滤系统)包括中空纤维过滤器模块102，该中空纤维过滤器模块联接到设置在相应外部器皿104a、104b内的内部器皿106a、106b。通过调节一个或两个外部器皿104a、104b内的压力，可以在内部器皿106a、106b之间产生压差。压差可能导致从较高压力的内部器皿106a或内部器皿106b到另一个内部器皿的流动，特别是流过中空纤维过滤器模块102。中空纤维过滤器模块102可以将渗透物从进料/滞留物系统134分离到渗透物收集系统136中。在各种实施例中，进料/滞留物系统134和/或渗透物收集系统136可以安装在壳体140中和/或经由通信联接到用户界面142的控制器148进行调控。本文所述的方法和元件可以实现对流动的高度控制，尤其是导致对流动内容物施加的剪切应力比利用传统ATF系统的更低。在不希望受任何理论束缚的情况下，据信，目前公开的通过影响一个或两个外部器皿104a、104b中的压力变化来调节内部器皿106a、106b之间的流动的实施例可以使流体受到较低水平的剪切应力，例如，通过允许压力围绕至少一个内部器皿106a、106b均匀分散，使得流体上的压力矢量得以分布，从而导致比传统系统中更低的流体剪切应力以及更温和的流动。

中空纤维过滤器模块102(例如，中空滤筒、中空纤维过滤模块、中空纤维模块等类似物)可以包括至少一个中空纤维过滤器。这种过滤器被制成包括多个中空纤维(HF)的筒，这些中空纤维沿着筒的长度平行延伸并且嵌入筒的每端(优选利用灌封剂)；HF端部处的管腔保持打开，从而形成从筒的一端到另一端，即，从筒入口端到筒出口端穿过管腔中的每一个的连续通路。中空纤维由筒的外壁(即，筒壁)及其端部处的灌封层封闭。因此，存在一个由筒壁和HF的外壁限定的腔室。该腔室可以用作滤液腔室。在目前公开的系统中，HF的管腔内(例如内部、间隙)空间被共同认为构成滞留物腔室的一部分。

中空纤维过滤器的管腔的壁是可渗透的，以方便地提供完全可渗透或选择性可渗透的屏障。选择性可渗透的中空纤维壁可以将选择性的范围设置为膜片孔径的整个范围，通常归类为渗透膜片，并且范围从超滤微滤到宏观过滤以及微载体过滤，其中，例如，孔径范围约为10-500kDa和0.2-100微米。约0.2微米的孔径通常用于保留细胞并且允许代谢物和其他分子或分子复合物穿过整个孔隙。另一方面，范围为10kDa至500kDa的超滤孔径优选不仅用于保留细胞，而且用于保留例如由细胞产生的大于孔径的分子和分子复合物。宏观过滤膜片的范围为7至100um并且用于保留微载体或较大的细胞。

滤筒的外壁，例如，用于在新型一次性ATF泵单元中使用的滤筒的外壁通常不可渗透，并且通常具有可以排出和/或更换滤液的端口。然而，出于封闭式过滤系统的一些实施例的目的，滤筒可以包括构成屏障的外壁，该屏障可以是非选择性的(完全可渗透的)，但是优选为半渗透的，(从而不允许大于屏障中孔径的溶解物质(例如，分子和分子复合物)穿过屏障，并且不允许大于孔径的颗粒物质穿过屏障)。孔径优选在10kDa至500kDa的范围，以用于仅保留大于孔径的分子和分子复合物。然而，孔径可以做得足够小或足够大，使得屏障分别是高度限制性的，从而仅允许较小的盐及其组分穿过膜片或允许大于500kDa的分子或颗粒穿过膜片。这种膜片选择性不仅受限于孔径，还受限于其他膜片性质，包括：电荷、疏水性、膜片构造、膜片表面、孔极性等。

中空纤维过滤器模块102可以经由一个或更多个端口流体联接到系统100的其他元件。具体而言，端口128a、128b可以将中空纤维过滤器模块102流体联接到进料/滞留物系统134，端口132a、132b可以将中空纤维过滤器模块102流体联接到渗透物收集系统136。通过一个或更多个端口128a、128b和/或端口130a、130b的流量可以经由相应的阀116a、116b、118a和118b进行调控，每个阀可以独立地手动控制、自动控制或手动和自动控制。

内部器皿106a、106b可以经由与相应端口128a、128b的流体连接连接到中空纤维过滤器模块102。具体而言，内部器皿106a、106b可以被配置为允许滞留物流在彼此之间流动，从而流过中空纤维过滤器模块102。在许多实施例中，内部器皿106a、106b可以由可灭菌的、柔性的和/或弹性的材料形成，该材料可以将外部施加的压力转移到包含在其中的流体体积。内部器皿106a、106b可以由对细胞培养流体无毒的材料制成，并且内部器皿106a、106b可以不渗透流体流。在各种实施例中，内部器皿106a、106b可以是细胞培养器皿或类似物。

内部器皿106a、106b可以包含在相应的外部器皿104a、104b内，该外部器皿可以用于影响施加到内部器皿106a、106b的外部压力。外部器皿104a、104b可以由刚性材料比如金属和/或能够承受内部施加的压力的非柔性聚合物制成。外部器皿104a、104b可以包含流体，在许多情况下，该流体可以与内部器皿106a、106b的内容物完全分离，并且不暴露于内部器皿的内容物。除了与压力源110的连接之外，外部器皿104a、104b可以是流体密封的。因此，对外部器皿104a、104b内的流体体积的控制可以产生施加到内部器皿106a、106b上的真空和/或压力。由于内部器皿106a、106b是柔性的，所以外部器皿104a、104b之间产生的压差可以在内部器皿106a、106b之间产生相应的压差，从而在内部器皿106a、106b之间引发趋于压力均衡的响应性流体流。

外部器皿104a、104b可以连接到压力源110(例如泵)。一个或更多个外部器皿104a、104b可以连接到一个或更多个压力源110(为了简化起见，附图中未示出与多个压力源110的连接)，每个压力源可以包括一个或更多个泵(例如，V1、V2可以是两个泵组，以彼此协调工作，从而减少各自的负荷)。压力源110可以使用自然力和/或人工力来向流体施加压力(例如，重力、隔膜泵、气流泵等)。压力源110可以包括一个或更多个阀124a、124b，这些阀调控流向压力源110的部件和/或来自压力源的部件的流量。压力源110可以产生和/或包括正压、真空或两者(例如交变压力)。外部器皿104a、104b可以经由相应的连接阀112a、112b连接到压力源110。阀124a、124b、阀112a、112b或其任意组合可以用于调控流向压力源110和/或来自压力源的流量并且在各种实施例中可以包括或可以是建立穿过其中的流体路径的端口。

将认识到，经由压力源110在外部器皿104a、104b上交替施加压力可以在内部器皿106a、106b之间产生响应性流体流，特别是流过中空纤维过滤器模块102。在不希望受任何理论束缚的情况下，据信，间接施加压力以引起流体流可以使系统100能够向流体/进料/滞留物提供更温和和/或更低的剪切压力。

内部器皿106、106b可以使用相应的填充/排放端口120a、120b进行填充。在各种实施例中，端口120a、120b可以流体联接到至少一个生物反应器(未示出)。

替代地，或附加地，目前预期内部器皿106a、106b可以经由流过端口120a、120b的流填充细胞培养流体和/或接种细胞。例如，在通过中空纤维过滤器模块102进行过滤之前和/或期间，可以在内部器皿106a、106b内培养细胞。因此，内部器皿106a、106b中的一个或两个可以用作生物反应器。

在将压力源100应用于一个或两个外部器皿104a、104b中的流体时，内部器皿106a、106b内的流体(进料/滞留物)可以流过相应的连接阀116a、116b而通过中空纤维过滤器模块102，其中流体可以经过进料/滞留物和/或渗透物通道。

具体而言，来自中空纤维过滤器模块102的渗透物可以收集在器皿126中。一旦流体已经经过渗透物通道(例如，进入中空纤维过滤器模块102中)，则可以将流体从系统100中移除(例如，经由排放端口120c)。

进料/滞留物系统134和/或渗透物收集系统136中的一个或两个可以安装在壳体140(例如，机柜或其他单元)中。壳体140可以进行消毒。进料/滞留物系统134和/或渗透物收集系统136的一个或更多个元件可以从壳体140移除和/或以其他方式更换。例如，内部器皿106a、106b、外部器皿104a、104b、器皿126、中空纤维过滤器模块102或其任意组合可以独立更换或与其他部件一起更换。例如，内部器皿106a、106b、外部器皿104a、104b、器皿126、中空纤维过滤器模块102或其任意组合可以是独立的，或与其他部件结合、可重复使用的(多次使用)、制造以供有限使用或单次使用。替换件可能与原始部件的大小相同或不同。例如，壳体140可以支持各种大小的中空纤维过滤器模块102的安装，使得随着细胞培养物体积的增加，可以使用更长的中空纤维过滤器模块102(例如，如果系统100用于种子系细胞培养系统中的灌注，则相同的系统100或类似的系统100可以连接到逐渐增大的生物反应器，其中联接到较大生物反应器的系统100包括的中空纤维过滤器模块102具有比联接到较小生物反应器(未示出)的系统包括的中空纤维过滤器模块更大的长度。

应当理解，壳体140可以包括任意数量的抽屉、闩锁、夹具和/或用于固定进料/滞留物系统134和/或渗透物收集系统136的元件的其他特征(为了简化起见，附图中未示出)。壳体140可以使系统100的一个或更多个元件能够有效封装和/或管理到用户和/或由用户管理，从而相对于许多传统的过滤器系统提高了使用的简单性。在许多实施例中，系统100的各种元件可以预先灭菌并且封装在壳体140中，使得系统100的制备方法仅包括利用待过滤的流体填充一个或两个内部器皿106a、106b。在各种实施例中，系统100的制备方法可以仅包括将系统100联接到电源(未示出)并且利用待过滤的流体填充一个或两个内部器皿106a、106b。

根据本文所述的各种实施例，一个或更多个天平122a-c可以用于监测过滤过程。具体而言，外部器皿104a可以位于天平122a上和/或以其他方式联接到天平122a，外部器皿104b可以位于天平122b上和/或以其他方式来联接到天平122c，并且/或着器皿126可以位于天平122c上和/或以其他方式联接到天平122c。

天平122a-c的任意组合可以用于测量外部器皿104a、104b(以及相应的内部器皿106a、106b)、器皿126或其任意组合内和/或之间的重量变化。例如，可以将第一重量测量为天平122a、122b检测到的重量的总和。在同一示例中，压力源110可以导致外部器皿104a内的流体增加(并且因此压力增加)，这可能导致相应的流体从内部器皿106a流过中空纤维过滤器模块102。流动的滞留物可以继续进入内部器皿106b中。相应体积的流体可以流出外部器皿104b。然而，来自中空纤维过滤器模块102的渗透物可以从端口130a、130b中的一个或两个离开并进入器皿126。因此，在同一示例中，天平122c可以检测到与天平122a、122b检测到的总重量的减少相对应的增加的重量。例如，不需要可能昂贵的压力传感器，基于已知标准和/或进料/滞留物和渗透物的密度和/或重量的计算，可以估计流过系统100的元件的体积。

可以基于使用天平122a-c的测量值对流量的计算/估计调节压力源100的操作。在一些实施例中，可以基于天平122a-c的测量值来调控通过一个或更多个端口120a-c的流量。例如，基于天平122c的测量值计算的渗透物体积的增加量可以达到阈值，此时可以通过端口120a、120b中的一个或两个补充进料/滞留物，可以经由端口122b从系统100中排出渗透物，或其任意组合。

在各种实施例中，可以使用控制器148来管理和/或监测一个或更多个进料/滞留物系统134或渗透物收集系统136。控制器148可以通信联接到进料/滞留物系统134和/或渗透物收集系统136中的一个或两个。控制器148可以经由如参考图2所描述的环境200通信联接到系统100的元件。控制器148可以永久地和/或可移除地安装在壳体140中并且在许多情况下可以包括可灭菌的覆盖物(未示出)。

控制器148可以联接到用户界面142，该用户界面可以用于管理进料/滞留物系统134或渗透物收集系统136中的一个或两个。在许多实施例中，用户界面142可以显示在壳体140上和/或壳体中安装的屏幕或监视器上。

用户界面142可以包括一个或更多个控制装置144a-c，该控制装置用于输入指令以管理进料/滞留物系统134和/或渗透物收集系统136的操作。例如，如图所示，经由控制装置144a可以改变压力源110的泵速，从而影响通过中空纤维过滤器模块102的流体流。控制装置144b可以指示系统100的一个或更多个方面的操作持续时间。控制装置144c可以协调通过端口120a-c的流量，以便管理细胞培养流体的更换速率(例如，维持系统100的所需总体积)。

附加地，或替代地，各种数据面板146a-d可以显示从系统100测得的当前和/或周期性数据(例如，天平122a-c的测量值、外部器皿104a、140b、内部器皿106a、160b和/或器皿126中的至少一个器皿内的体积估计值)。

应当理解，用户界面142可以包括各种指令输入方法，包括但不限于滑动条、文本输入、按钮、拨号盘等类似物。附加地，或替代地，用户界面142可以显示除了上述信息之外的其他信息，这对于管理和/或监测系统100的元件可能是有用的。例如，可以显示时间戳和/或其他实验数据。

本领域技术人员将容易理解，本文所述的各种实施例可以在提高控制、自动化、可扩展性、生产或经济性的方面存在相对传统系统的一个或更多个改进。本文所述的实施例可以在减少占地面积、剪切应力、成本、时间要求或与(多种)传统系统相关联的其他限制方面相对传统系统具有一个或更多个改进。可以在分批处理和/或连续处理应用中使用各种实施例。例如，通过使用如本文所述的一个或更多个系统100，实施例可以在分批补料细胞培养物灌注应用中使用。

在细胞培养物的种子系(seed train)优化的示例中，系统100可以用于灌注的目的。虽然种子系细胞培养物体积足够小(例如，等于或小于内部器皿106a、106b的组合体积)，但是细胞培养物可以直接接种在内部器皿106a、106b中的一个或两个中，使得系统100起到生物反应器的作用。可以经由端口120a、120b添加营养物和/或细胞培养基。随着细胞培养物体积增加，例如超过阈值，压力源100可以用于通过中空纤维过滤器模块102移除渗透物。

在各种示例中，当达到细胞密度和/或生存力阈值时，内部器皿106a、106b、中空纤维过滤器模块102或这两者可以分别用更大体积的器皿106a、106b或更高容量的中空纤维过滤器模块102进行更换。或者，可以将细胞培养物移动到包括具有更大体积的内部器皿106a、106b的第二系统100中。

当种子系达到超过内部器皿106a、106b的容量的阶段以用作独立的生物反应器时，细胞培养物可以转移到更大的生物反应器系统，并且内部器皿106a、106b可以经由端口120a、120b直接并流体联接到该系统。系统100可以用于细胞培养物的灌注，其中，细胞培养物通过内部器皿106a、106b、中空纤维过滤器模块102和器皿126进行处理，以与生物反应器(未示出)中细胞培养物的生长相协调。在许多实施例中，可以经由控制器148来管理协调。若干个系统100可以与不同体积容量的生物反应器串联使用。

用于流动系统的过滤器的灌注

本文所讨论的选择性可渗透的中空纤维必须利用与待过滤的流体物质相容的液体进行润湿。例如，在细胞培养物中，膜片必须利用与细胞培养物生长相容的水基溶液进行润湿。许多膜片需要含酒精的溶液以初始润湿孔隙，并且在操作过程中达到进行过滤过程所需的通量率。图1示出了可以用于向ATF装置添加流体的端口和流体袋(例如，端口120a-c、器皿106a、106b和/或器皿126)。然后，可以使用ATF装置的交替泵送动作在无菌环境中利用无血清培养基进行冲洗(例如，在用细胞培养物材料填充器皿106a、106b之前)。然后，冲洗流体可以从端口排出，并且该装置准备好在细胞培养过程中运行，同时维持无菌环境。在各种实施例中，中空纤维过滤器模块102可以在安装到图1的系统100中之前进行预先润湿。

用于控制流动系统的系统和结构

图2示出了系统100的通信环境200的示例，如参考图1所描述的。具体而言，除了滞留物源204a、204b、渗透物出口208或其任意组合之外，控制器148可以与参考图1所描述的用户界面142、天平122a-c和/或压力源110中的一个或更多个通信联接。在许多实施例中，如图1所描述的，滞留物源204a、204b可以包括或以其他方式联接到端口120a、120b，并且/或着渗透物出口208可以包括或以其他方式联接到端口120c。参考图2所述的通信可以是有线的、经由无线网络的或其任意组合。

控制器148可以单独或协调地与所示的一个或更多个元件通信，以便调控通过本文所述的ATF的流量。例如，天平122a-c可以周期性地或实时地将滞留物和/或渗透物体积的重量传递给控制器148。在许多实施例中，如参考图1所描述的，随着渗透物体积重量的增加，控制器148可以导控滞留物源204a、204b将滞留物供应补充到器皿106a、106b中的一个或两个中，特别是通过相应的端口120a、120b。

在各种实施例中，控制器148可以基于从天平122a-c接收到的渗透物重量增加和/或滞留物重量减少的报告导控渗透物出口208打开和/或从系统100中释放渗透物。控制器148可以导控渗透物出口208和一个或更多个滞留物源204a、204b彼此协调，以便维持系统100的基本恒定的总流体体积。

控制器148可以导控压力源110的操作，例如，在外部器皿104a、104b之间交替升压和降压，如参考图1所描述的。例如，控制器148可以被配置为向压力源110发送指令以确定两个外部器皿104a、104b之一中的压力变化的速率和/或幅度。在许多实施例中，控制器148可以基于一个或更多个内部器皿106a、106b中的相对体积的确定(例如，基于来自天平122a-c的重量报告)向压力源110发送指令。附加地，或替代地，控制器148可以基于渗透物体积的确定(例如，基于来自天平122a-c的重量报告)向压力源110发送指令。

附加地，或替代地，控制器148可以单独或共同联接到阀112a、112b、114a、114b、116a、116b、118a、118b、124a、124b和/或132a、132b的任意组合。在各种实施例中，控制器148可以导控阀112a、112b、114a、114b、116a、116b、118a、118b、124a、124b和/或132a、132b的操作，以增加和/或减少通过对应流动路径的流量。因此，可以经由控制器148来调控通过系统100任何部分的流量。在一些实施例中，阀112a、112b、114a、114b、116a、116b、118a、118b、124a、124b和/或132a、132b中的任何一个或全部可以被手动控制(例如，不使用控制器148)。

在各种实施例中，如上所述的控制器148的操作可以自动化。在一些实施例中，控制器148的一个或更多个上述操作可以基于经由用户界面142接收的指令。例如，控制器148可以基于经由对应的控制器144a、144b接收的指令来导控压力源110以特定的速率和/或特定的持续时间调节器皿104a、104b的压力，如参考图1所描述的。在同一示例或另一示例中，控制器148可以基于通过控制器144c接收的补充滞留物的指令来的导控压力源110，以允许流量通过一个或更多个滞留物源204a、204b和/或渗透物出口208。

图3示出了存储介质400的示例，该存储介质用于存储处理器数据结构，特别是用于控制参考图1所述的系统100的各个方面。在许多实施例中，参考图1和图2所述的控制器148可以包括存储介质400。存储介质400可以包括制造的物品。在一些示例中，存储介质400可以包括任何非暂时性计算机可读介质或机器可读介质比如光学存储器、磁性存储器或半导体存储器。存储介质400可以存储不同类型的计算机可执行指令比如实施本文所述的逻辑流程和/或技术的指令。计算机可读存储介质或机器可读存储介质的示例可以包括能够存储电子数据的任何有形介质，包括易失性存储器或非易失性存储器、可移除或不可移除存储器、可擦除或不可擦除存储器、可写或可重写存储器等。计算机可执行指令的示例可以包括任何合适类型的代码，比如源代码、编译代码、解释代码、可执行代码、静态代码、动态代码、面向对象的代码、可视代码等类似物。

图4示出了示例性计算架构500的实施例，其可以适用于实施前述各种实施例比如参考图1和/或图2所述的控制器148。在各种实施例中，计算架构500可以包括或被实现为电子装置的一部分。在一些实施例中，计算架构500可以代表例如本文所述的一个或更多个组分。在一些实施例中，计算架构500可以代表例如实施或利用本文所述的一个或更多个用户界面142和/或一种或更多种技术的计算装置。实施例不限于这种情况。

与计算机相关的“系统”、“组分”和“模块”可以用于指代与计算机相关的实体，如硬件、硬件和软件的组合、软件或执行中的软件，其示例由示例性计算架构500提供。例如，组分可以是但不限于在处理器上运行的进程、处理器、硬盘驱动器、多个存储驱动器(光学和/或磁性存储介质的)、对象、可执行文件、执行线程、程序和/或计算机。举例来说，在服务器上运行的应用程序和服务器都可以是组分。一个或更多个组分可以位于进程和/或执行线程中，并且组分可以位于一台计算机上和/或分布在两台或更多台计算机之间。此外，组分可以通过各种类型的通信介质彼此通信联接，以协调操作。协调可以包括单向或双向的信息交换。例如，组分可以传递以信号的形式在通信介质上传递的信息。该信息可以被实施为分配给各种信号线的信号。在这种分配中，每个消息都是一个信号。然而，另外的实施例可以替代地使用数据消息。这种数据消息可以通过各种连接发送。示例性连接包括并行接口、串行接口和总线接口。

计算架构500包括各种常见计算元件比如一个或更多个处理器、多核处理器、协处理器、存储器单元、芯片组、控制器、外围设备、接口、振荡器、计时装置、视频卡、声卡、多媒体输入/输出(I/O)部件、电源等。然而，实施例不限于由计算架构500实施。

如图5所示，计算架构500包括处理单元504、系统存储器506以及芯片组和总线508。处理单元504可以是各种商用处理器中的任何一种。双微处理器、多核处理器和其他多处理器架构也可以用作处理单元504。

芯片组和总线508为系统部件提供接口，包括但不限于系统存储器506和处理单元504。芯片组和总线508可以包括若干种类型的总线结构中的任何一种，这些总线结构可以使用各种商用总线架构中的任何一种与存储器总线(具有或不具有存储器控制器)、外围总线和本地总线互连。接口适配器可以经由插槽架构连接到芯片组和总线508。示例性插槽架构可以包括但不限于加速图形端口(AGP)、卡总线、(扩展)工业标准架构((E)ISA)、微通道架构(MCA)、NuBus、外围部件互连(扩展)(PCI(X))、PCI Express、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)等类似物。

系统存储器506可以包括各种类型的计算机可读存储介质比如一个或更多个高速存储器单元形式的非暂时性计算机可读存储介质，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、动态RAM(DRAM)、双数据速率DRAM(DDRAM)、同步DRAM(SDRAM)、静态RAM(SRAM)、可编程ROM(PROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存(例如一个或更多个闪存阵列)、聚合物存储器比如铁电聚合物存储器、双向存储器、相变或铁电存储器、氧化硅-氮化物-氧化硅(SONOS)存储器、磁卡或光卡、装置阵列比如独立磁盘冗余阵列(RAID)驱动器、固态存储器装置(例如，USB存储器)、固态驱动器(SSD)以及适用于存储信息的任何其它类型的存储介质。在图5所示的示出实施例中，系统存储器506可以包括非易失性存储器510和/或易失性存储器512。在一些实施例中，系统存储器506可以包括主存储器。基本输入/输出系统(BIOS)可以存储在非易失性存储器510中。

在各种实施例中，计算机502可以是如上所述的控制器148。计算机502可以包括一个或更多个低速存储器单元形式的各种类型的计算机可读存储介质，包括内部(或外部)硬盘驱动器(HDD)514、从可移除磁盘518读取或向其写入的磁软盘驱动器(FDD)516、以及从可移除光盘522(例如，CD-ROM或DVD)读取或向其写入的光盘驱动器520。HDD 514、FDD 516和光盘驱动器520可以分别通过HDD接口524、FDD接口526和光盘驱动接口528连接到芯片组和总线508。用于外部驱动实施方案的HDD接口524可以包括通用串行总线(USB)和电气与电子工程师协会(IEEE)694接口技术中的至少一种或两种。在各种实施例中，这些类型的存储器可以不包括在主存储器或系统存储器中。

驱动器和相关联的计算机可读介质提供数据、数据结构、计算机可执行指令等的易失性和/或非易失性存储。例如，多个程序模块可以存储在驱动器和存储器单元510、512中，其包括操作系统530、一个或更多个应用程序532、其他程序模块534和程序数据536。在一个实施例中，一个或更多个应用程序532、其他程序模块534和程序数据536可以包括或实施例如本文所述的各种技术、应用和/或部件。

用户可以通过一个或更多个有线/无线输入装置例如键盘538和定点装置比如鼠标540向计算机502输入命令和信息。其他输入装置可以包括麦克风、红外(IR)遥控器、射频(RF)遥控器、游戏垫、手写笔、读卡器、加密狗、指纹读取器、手套、图形输入板、操纵杆、键盘、视网膜读取器、触摸屏(例如，电容式、电阻式等)、轨迹球、轨迹垫、传感器、指示笔等类似物。这些和其它输入装置通常通过联接到芯片组和总线508的输入装置接口542连接到处理单元504，但是也可以通过其它接口比如并行端口、IEEE 994串行端口、游戏端口、USB端口、IR接口等进行连接。

监视器544或其他类型的显示装置也经由接口比如视频适配器546或其他显示驱动器连接到芯片组和总线508。监视器544可以位于计算机502的内部或外部。在许多实施例中，如参考图1所描述的，监视器544可以显示用户界面142。除了监视器544之外，计算机通常包括其他外围输出装置，比如扬声器、打印机等。

计算机502可以使用经由与一个或更多个远程计算机比如远程计算机548有线和/或无线通信的逻辑连接在网络环境中运行。在各种实施例中，一个或更多个迁移可以经由网络环境发生。远程计算机548可以是工作站、服务器计算机、路由器、个人计算机、便携式计算机、基于微处理器的娱乐设备、对等装置或其他常见的网络节点，并且远程计算机通常包括相对于计算机502描述的许多或所有元件，尽管如此，为了简洁起见，仅示出了存储器/存储装置550。所描绘的逻辑连接包括与局域网(LAN)552和/或更大的网络例如广域网(WAN)554的有线/无线连接。这种LAN和WAN网络环境在办公室和公司中很常见，并且有利于企业范围的计算机网络比如内部网，所有这些都可以连接到全球通信网络例如因特网。

当在LAN网络环境中使用时，计算机502通过有线和/或无线通信网络接口或适配器556连接到局域网552。适配器556可以促进与LAN 552的有线和/或无线通信，LAN 552还可以包括设置在其上用于与适配器556的无线功能进行通信的无线接入点。

当在WAN网络环境中使用时，计算机502可以包括调制解调器558，或者与WAN 554上的通信服务器连接，或者具有用于在WAN 554上建立通信的其他手段，比如通过互联网。调制解调器558经由输入装置接口542连接到芯片组和总线508，该调制解调器可以是内置或外置的有线和/或无线装置。在网络环境中，相对于计算机502描绘的程序模块或其部分可以存储在远程存储器/存储装置550中。应当理解，所示的网络连接是示例性的，并且可以使用在计算机之间建立通信链路的其他手段。

计算机502可以是可操作的，以与使用IEEE 802系列标准的有线和无线装置或实体进行通信，比如在无线通信中可操作地设置的无线装置(例如，IEEE 802.16空中调制技术)。这至少包括Wi-Fi(或无线保真)、WiMax和Bluetooth^TM无线技术等。因此，通信可以是与传统网络一样的预定义结构，或者仅仅是至少两个装置之间的临时通信。Wi-Fi网络使用被称为IEEE 802.11x(a、b、g、n等)的无线电技术，以提供安全、可靠、快速的无线连接。Wi-Fi网络可以用于将计算机彼此连接、将计算机连接到互联网以及将计算机连接到有线网络(其使用IEEE 802.3相关的介质和功能)。

结论

前述公开内容介绍了根据本公开的过滤系统的示例性实施例。这些实施例不旨在是限制性的，并且本领域的技术人员将容易理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对上述系统和方法进行各种添加或修改。

附加地，或替代地，本领域的技术人员将容易理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对上述系统和方法进行各种简化。例如，各种实施例可以包括进料/滞留物系统134、渗透物收集系统136和压力源110，但不包括控制器148、用户界面142、壳体140或其任意组合，如参考图1所描述的。

此外，虽然前述公开内容主要集中于中空纤维过滤系统及其应用，但本领域的技术人员应当理解，本公开的原理适用于其他系统，包括常规TFF、TFDF和ATF系统。

Claims (21)

1.一种生物反应器过滤系统，包括：

中空纤维过滤器模块，该中空纤维过滤器模块包括过滤器壳体内的过滤器，所述过滤器壳体包括第一端、第二端和至少一个渗透端口，所述中空纤维过滤器模块限定了进料/滞留物通道以及渗透物通道，该渗透物通道通过所述过滤器与所述进料/滞留物通道分离；

第一培养器皿和第二培养器皿，所述第一培养器皿和第二培养器皿分别附接到所述中空纤维过滤器模块的第一端和第二端中的每端，其中，每个培养器皿包括外部部分、设置在所述外部部分内的内部柔性器皿、流体连接到所述外部部分的外部端口以及流体连接到所述内部柔性器皿并且与所述外部部分流体隔离的内部端口，所述内部柔性器皿被配置为响应于所述外部部分中的压力变化而改变体积，其中，所述进料/滞留物通道与每个内部端口流体连通；

压力源，该压力源与所述培养器皿的外部部分中的每一个流体连通；以及

第一阀和第二阀，所述第一阀和第二阀分别介于所述压力源与所述第一外部部分之间以及介于所述压力源与所述第二外部部分之间。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一培养器皿和所述第二培养器皿分别设置在第一天平和第二天平上。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的系统，其中，所述系统是能够进行伽玛灭菌的。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中，所述中空纤维过滤器模块是单次使用的。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其中，所述内部柔性器皿中的一个或两个是单次使用的。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其中，所述系统是多次使用的。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的系统，其中，所述中空纤维过滤器模块是可更换的。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的系统，其中，所述系统进一步包括机柜，所述中空纤维过滤器模块、所述第一培养器皿和所述第二培养器皿以及所述压力源安装在所述机柜中。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的系统，其中，所述系统进一步包括联接到所述压力源的控制器。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器联接到用户界面。

11.一种过滤系统，包括：

中空纤维过滤器模块，该中空纤维过滤器模块包括过滤器壳体内的过滤器，所述过滤器壳体包括第一端、第二端和至少一个渗透端口，所述中空纤维过滤器模块限定了进料/滞留物通道以及渗透物通道，该渗透物通道通过所述过滤器与所述进料/滞留物通道分离；

第一流体器皿和第二流体器皿，所述第一流体器皿和第二流体器皿分别附接到所述中空纤维过滤器模块的第一端和第二端中的每端，其中，每个流体器皿包括：外部部分；设置在所述外部部分内并且与所述外部部分流体隔离的内部柔性器皿，所述内部柔性器皿被配置为将所述外部部分中的压力变化转移到包含在所述内部柔性器皿中的滞留物；内部端口，该内部端口流体连接到所述内部柔性器皿并且被配置为响应于压力变化而从所述内部柔性器皿提供流，其中，所述进料/滞留物通道与每个内部端口流体连通；以及

压力源，该压力源与所述培养器皿的外部部分中的每一个流体连通，所述压力源被配置为影响压力变化。

12.根据权利要求11所述的系统，进一步包括联接到所述第一流体器皿的第一流体源、联接到所述第二流体器皿的第二流体源或包括所述第一流体源和所述第二流体源两者。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述第一流体源、所述第二流体源或者所述第一流体源和所述第二流体源两者包括生物反应器。

14.一种过滤生物反应器流体的方法，包括：

使用压力源使流体流在第一培养器皿和第二培养器皿之间交替穿过中空纤维过滤器模块的进料/滞留物通道，

其中，每个培养器皿包括外部部分、设置在所述外部部分内的内部柔性器皿、流体连接到所述外部部分的外部端口以及流体连接到所述内部柔性器皿并且与所述外部部分流体隔离的内部端口，所述内部柔性器皿被配置为响应于所述外部部分中的压力变化而改变体积，其中，所述进料/滞留物通道与每个内部端口流体连通，

其中，当压力被引入到围绕第一内部柔性器皿的第一外部部分中时，流体从所述第一内部柔性器皿经过所述中空纤维过滤器模块流至第二内部柔性器皿，以及

其中，当压力被引入到围绕所述第二内部柔性器皿的第二外部部分中时，所述系统进行交替。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，从所述系统移除所产生的渗透物。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述压力系统包括正压或真空。

17.根据权利要求14-16中任一项所述的方法，其中，通过监测所述第一培养器皿和所述第二培养器皿中至少一个培养器皿的重量随着时间的变化来确定流速。

18.根据权利要求14-17中任一项所述的方法，其中，使用分批处理或连续处理将所述流体引入到所述系统中。

19.根据权利要求14-18中任一项所述的方法，其中，通过监测所述第一培养器皿和所述第二培养器皿的组合重量随着时间的变化来确定渗透物体积。

20.一种过滤生物反应器流体的方法，包括：

在第一器皿和第二器皿之间产生压差，其中，所述压差在第三器皿和第四器皿之间引起响应性流动，

其中，所述第三器皿设置在所述第一器皿内并且与所述第一器皿流体隔离，

其中，所述第四器皿设置在所述第二器皿内并且与所述第二器皿流体隔离，以及

其中，中空纤维过滤模块流体连接在所述第三器皿和所述第四器皿之间。

21.根据权利要求21所述的方法，进一步包括交替所述第一器皿和所述第二器皿之间的压差。

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