CN116004389A - 生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置及方法和应用，该循环系统包括通过输液管路连接的阀岛和液体输送单元；控制器可控制循环系统内液体顺时针流动或逆时针流动，通过交替进行顺时针流动和逆时针流动实现对细胞截留组件的清洁，通过液体输送单元的压力输送单元的动力装置的控制调控液体流速。本发明可精准控制系统内液体的流速，低剪切力，无脉动，可实现液体在系统中双向流动，从而对细胞截留组件膜孔及膜表面的堵塞物进行高效冲刷，实现对细胞截留组件的清洁。该系统易于自动化控制，易于操作与规模放大，可广泛应用于疫苗及抗体等生物制品的上游连续细胞培养过程及下游蛋白纯化过程。

Description

生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置及方法

技术领域

本发明涉及哺乳细胞连续培养以及蛋白纯化技术领域，具体涉及生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置及方法。

背景技术

疫苗、抗体等生物制品生产中需要用到细胞截留系统来实现对细胞等颗粒物的截留，实现规模化哺乳细胞的连续培养以及发酵液中蛋白的初步纯化以及精细纯化，从而有效地提高疫苗、抗体等生物制品的生产效率。

但目前的细胞截留系统存在剪切力高，易对细胞或蛋白产生损伤，导致细胞活率降低的问题，而且随着液体中颗粒物增加、粘度提高，致截留系统的截留效率逐渐降低。为了提高截留效率需要采用更大规格(面积)或使用更多的细胞截留组件，导致成本的增加；另外采用蠕动泵等循环装置时，通常无法精准的控制流速，流速的变化会增大剪切力；还可能引起最终产品质量的波动。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术中的细胞液循环系统存在剪切力高，截留效率低的缺陷，提供一种低剪切力双向流的细胞截留系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种适用于生物制品生产的低剪切无脉动液体循环装置，包括液体输送单元、阀岛、控制器；还可以包括细胞截留组件；该低剪切无脉动液体循环装置与反应器(或反应釜等容器)进行连接，构成回路，从而实现反应器内液体的循环。反应器为传统的搅拌式反应器以及波浪式反应器、激流式反应器等形式的反应器。

液体输送单元用于驱动液体的流动；所述液体输送单元由储液罐和压力输送单元组成，压力输送单元用于引起储液罐内正压和负压的变换，从而使得液体流出或吸入储液罐。液体输送单元可安装于细胞截留组件下方或上方。优先地，液体输送单元安装于细胞截留组件下方。所述细胞截留组件为可对细胞进行截留的过滤膜，细胞截留组件可由中空纤维膜柱组成，也可为卷式膜、膜包等具有过滤功能的结构单元。

进一步地，所述低剪切无脉动液体循环装置至少包括两个压力输送单元，优先的包括两个压力输送单元，两个压力输送单元在控制器控制下进行同步相反运行，即其中一个压力输送单元进行“推”的动作(此时储液罐内为正压)时，另一个压力输送单元进行“拉”的动作(此时储液罐内为负压)，从而使得液体在管路中流动时无脉动，保证流速与流量的稳定，管路中，液体的流量(或速度)由推杆的推动/拉动的速度决定。

优选的，所述压力输送单元可采用活塞泵、柱塞泵、真空泵或类似结构的动力装置。更优先的，压力输送单元采用类似活塞泵结构，即压力输送单元由腔体、推杆、电机等部件构成。由电机运动带动推杆的推拉，从而为储液罐中提供正压或负压，实现液体进入储液罐或推出储液罐。进一步的，所述压力输送单元也可由其他驱动方式实现类似功能：例如，以气压驱动、螺杆推动等。

进一步地，还可在储液罐与压力输送单元之间增设无菌过滤器，对进出储液罐的空气进行过滤，保证储液罐内无菌。

阀岛为设置在输液管路上的闭环管路，闭环管路的上下两端分别接入输液管路，闭环管路的左右两侧管路分别与储液罐通过管路连通，在与储液罐连通的四段闭环管路上均设置有夹管阀，四个夹管阀的开启与关闭均由控制器控制，从而控制液体在输液管路中的流向，实现输液管路中液体流向的改变(双向流)。控制器通过对液体输送单元及阀岛的协调控制，实现液体在输液管路中的流速、流向、双向流切换频率(流向交替频率)的控制，确保液体在输液管路中流量稳定且无脉动。

液体在输液管路中正向流动与反向流动交替进行，这种交替的双向流可对细胞截留组件两端的膜表面进行有效冲刷，清洁膜表面滤饼，提高膜通量。

当含细胞液体在循环管路中反向流动(即液体从阀岛上方管路进入液体输送单元并从阀岛下方管路流出时，液体输送单元从阀岛上方抽取液体，当细胞截留组件设置在阀岛上方时，可在细胞截留组件内形成一定负压，导致部分滤出液反向进入细胞截留组件的膜组件内部，从而将膜孔表面及膜孔内部的堵塞物冲出，实现膜的清洁，进一步提高细胞截留组件的膜通量。

进一步地，液体输送单元在运行过程中，其压力输送单元控制储液罐中液体流动，液体在流动过程中无活动的机械结构直接作用于细胞等颗粒物，系统内的剪切力低且不会对细胞造成损伤，提高细胞活率，降低培养基中颗粒物(细胞碎片等)含量，从而降低培养基粘度，从而就可以提高细胞截留组件的截留效率，进而提高细胞截留组件的累计使用时间。

本发明的低剪切无脉动液体循环装置可与搅拌式反应器以及波浪式反应器、激流式反应器等多形式的反应器联用，进行疫苗、抗体等生物制品生产过程中细胞的连续培养以及蛋白纯化等上游过程与下游过程。

工作时，通过控制器控制液体输送单元的压力输送单元交替进行正压和负压的输送，从而实现储液罐中正负压力交替变换，从而使得液体流出或吸入储液罐，并通过阀岛在输送管路中循环，控制器通过控制阀岛的4个夹管阀的开启与关闭，进而实现液体在输液管路中的双向流动。

本发明所达到的有益效果是：采用本发明的低剪切无脉动液体循环装置，可以使得系统内液体流动流速精准可控，流速所带来的剪切力也恒定可控，从而避免流速变化引起剪切力；系统内整体的剪切力较低，有效降低对细胞的损伤，提高细胞活率，降低液体中颗粒物的含量及粘度，提高细胞截留组件膜通量，减少细胞截留组件的消耗；可确保液体在输液管路中流速恒定，无脉动；采用双向流技术，通过控制器控制低剪切液体输送单元及阀岛，实现液体在细胞截留组件中的双向流动(正向流动与反向流动的交替)，从而对细胞截留组件膜孔及膜表面的堵塞物进行高效冲刷，实现对细胞截留组件的清洁，进一步提高细胞截留组件膜通量。该系统易于自动化控制，易于操作与规模放大，可广泛应用于疫苗及抗体等生物制品的上游发酵过程(连续培养)及下游蛋白纯化过程。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的低剪切力无脉动液体循环装置的示意图；

图2是本发明的液体输送单元及阀岛示意图；

图3是本发明的低剪切力无脉动液体循环装置运行示意图(液体方向自上向下，顺时针流动)；

图4是本发明的低剪切力无脉动液体循环装置运行示意图(左侧的第一储液罐充满；右侧的第二储液罐排空，液体方向自上向下)；

图5是本发明的低剪切力无脉动液体循环装置运行示意图(左侧第一储液罐排空；右侧的第二储液罐充满，液体方向自上向下)；

图6是本发明的低剪切力无脉动液体循环装置运行示意图(液体方向自下向上，逆时针流动)；

图7是本发明的低剪切力无脉动液体循环装置运行示意图(左侧的第一储液罐充满；右侧的第二储液罐排空，液体方向自下向上)；

图8是本发明的低剪切力无脉动液体循环装置运行示意图(左侧的第一储液罐排空；右侧的第二储液罐充满，液体方向自下向上)；

图9是低剪切力无脉动液体循环装置运行流速监测示意图；

图10是采用四个以上的压力输送单元时的布局方式示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1所示，生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置，包括液体输送单元1、阀岛2、细胞截留组件3和控制器4。

如图2所示，低剪切力无脉动液体循环装置由两个对称的液体输送单元组成，其中第一液体输送单元由第一储液罐11a、第一压力输送单元、第一无菌过滤器15a组成。

第二液体输送单元由第二储液罐11b、第二压力输送单元、第二无菌过滤器15b组成。

第一压力输送单元包括第一泵腔12a，第一动力装置13a，第一推杆14a，

第二压力输送单元包括第二泵腔12b，第二动力装置13b，第二推杆14b，

动力装置的输出端与推杆连接，推杆的末端设置在泵腔内，泵腔通过管道与储液罐连通，泵腔与储液罐之间的管道上分别设置有第一无菌过滤器15a和第二无菌过滤器15b，第一无菌过滤器15a上设置有第一加热垫16a，第二无菌过滤器15b上设置有第二加热垫16b；加热垫用于对无菌过滤器进行加热，防止无菌过滤器被冷凝水堵塞，加热垫的开启也可以由控制器进行控制。

动力装置如电机等带动推杆在泵腔内运动，对从使得储液罐内形成正压或负压，实现输液管路中液体流入储液罐或储液罐中的液体流入输液管路中，实现储液罐与输液管路中的液体流动。

第一动力装置13a和第二动力装置13b由控制器4控制同时启动，分别对对第一推杆14a和第二推杆14b进行相反操作。

当第一动力装置13a带动第一推杆14a进行“推”的动作时，第二动力装置13b带动第二推杆14b进行“拉”的动作；反之，即当第一动力装置13a带动第一推杆14a进行“拉”的动作时，第二动力装置13b带动第二推杆14b进行“推”的动作，从而保证液体在管路中流量的恒定且无脉动。液体的流量(速度)由推杆运行的速度决定。在控制器4中设置合适的液体流量(或速度)，控制器4通过动力装置控制推杆的运行速度，进而控制液体流量(或速度)。

阀岛上包括第一夹管阀21，第二夹管阀22，第三夹管阀23，第四夹管阀24，各夹管阀的开启与关闭由控制器4控制，从而控制液体在管路中的流向，实现对液体流向的改变(双向流)。

一、输液管路内的液体正向流动时(视图上可以理解为在整个系统中顺时针流动)：

如图3所示，控制器控制第一夹管阀21与第四夹管阀24开启，第二夹管阀22，第三夹管阀23关闭时，第一推杆14a进行“拉”的动作，第一储液罐11a内形成负压，输液管路中液体从上端的细胞截留组件3进入到第一储液罐11a内；同时第二推杆14b推杆进行“推”的动作，第二储液罐11b内形成正压，将第二储液罐11b中的液体推出并从第四夹管阀24端推入输液管路中；

如图4与图3中步骤3所示，当第一推杆14a拉到距离泵腔底部最远位置(或特定位置)，第二推杆14b推到泵腔底部(或特定位置)后，控制器关闭第一夹管阀21与第四夹管阀24，打开第二夹管阀22，第三夹管阀23(图3中步骤4)；第一推杆14a进行“推”的动作，第一储液罐11a内形成正压，将第一储液罐11a中的液体推出并从第三夹管阀23端推入输液管路中；同时第二推杆14b进行“拉”的动作，第二储液罐11a内形成负压，输液管路中液体从上端的细胞截留组件3经过第二夹管阀22进入到第一储液罐11b内；

当第一推杆14a推到泵腔底部(或特定位置)，第二推杆14b拉到距离泵腔底部最远位置(图5与图3中步骤6)时，第一夹管阀21与第四夹管阀24开启，第二夹管阀22和第三夹管阀23关闭，并重复步骤1的动作。步骤1-6为一个完整的运行周期，通过步骤1-6的循环，实现低剪切液体输送单元驱动液体在管路中进行流动(液体在整个系统中的流动方向根据视图上的表达为顺时针流动)；

二、输液管路内的液体反向流动时(视图上可以理解为在整个系统中逆时针流动)：

当需要改变液体流动方向时，液体输送单元运行示意图如图6所示(液体方向自下向上，逆时针流动)，第二夹管阀22，第三夹管阀23开启，第一夹管阀21和第四夹管阀24关闭，第一推杆14a进行“拉”的动作，液体从下端输液管路中通过第三夹管阀23进入到第一储液罐；第二推杆14b推杆进行“推”的动作，第二储液罐11b中的液体从输液管路经过第二夹管阀22进入到上端的细胞截留组件中；当第一推杆14a拉到最远位置(或特定位置)，第二推杆14b推到底部(或特定位置)后(如图7与图6中步骤3)，立即控制第二夹管阀22，第三夹管阀23关闭，第一夹管阀21和第四夹管阀24开启(图6中步骤4)，第一推杆14a进行“推”的动作，第一储液罐内形成正压，将第一储液罐中的液体推出并经过第一夹管阀21进入上端连接细胞截留组件中，同时，输液管路中的液体通过第四夹管阀24进入第二储液罐11b中；当第一推杆14a推到泵腔底部(或特定位置)，第二推杆14b拉到距离泵腔底部最远位置(或特定位置)(图8与图6中步骤6)时，再次打开第二夹管阀22，第三夹管阀23，关闭第一夹管阀21和第四夹管阀24，并重复步骤1的动作。步骤1-6为一个完整的运行周期，通过步骤1-6的循环，实现低剪切液体输送单元驱动液体在管路中进行流动(液体流动方向在视图上为自上向下，逆时针流动)。

双向流(顺时针流动与逆时针流动)的交替频率及间隔时间由控制器4进行控制。

图10为采用四个以上的压力输送单元时的布局方式，则左右各布局2个，按照图10方式进行并联。

实验室内应用上述液体循环系统进行验证，所选配置为：压力输送单元的泵腔容积20mL，储液罐容积为45mL。在控制器中设置双向流参数：顺时针流速100mL/min，逆时针流速100mL/min，顺时针运行1min，逆时针运行1min，顺时针与逆时针切换间隔周期为3s。通过控制器检测管路(细胞截留组件中)液体的流速及流向如图9所示，顺时针流动时流速定义为正值，逆时针流动时利斯定义为负值。系统运行后，第0-60s，管路中液体流向为顺时针，流速为100±1mL/min，第60-63s为间隔周期，管路中液体流速为0mL/min，第63-123s，管路中流体流向为逆时针，流速为-100±1mL/min(负值仅代表方向)，第123-126s为间隔周期，管路中液体流速为0mL/min，第126-186s，管路中液体流向为顺时针，流速为100±1mL/min，第186-189s为间隔周期，管路中液体流速为0mL/min，依次循环运行。由图9可以看出，低剪切无脉动液体循环装置可以实现双向流(流向的切换)，且流速稳定无脉动。

使用本发明进行细胞培养液输送与细胞截留时，剪切力可以控制在1000s^-1以下，细胞活率达到95％以上；相对于单向流或其他细胞截留系统，使用本发明连接细胞截留组件进行细胞截留时，使用双向流可将膜通量提高30％以上(500L/m²以上)，即使用时长提高1.3倍。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置，其特征在于，包括通过输液管路连接的阀岛和液体输送单元；

所述液体输送单元用于驱动液体在输液管路中流动，由储液罐和压力输送单元组成；所述压力输送单元用于实现储液罐中正负压力交替变换，从而使得液体流出或吸入储液罐；

所述阀岛为设置在输液管路上的闭环管路，闭环管路的上下两端分别接入输液管路，闭环管路的左右两侧管路分别与储液罐通过管路连通，在与储液罐连通的四段闭环管路上均设置有夹管阀；

还包括有控制器，控制器控制液体输送单元的压力输送单元交替进行正压和负压的输送，从而实现储液罐中正负压力交替变换，使得液体流出或吸入储液罐，并进一步流经阀岛后在输送管路中循环，通过控制阀岛的夹管阀的开启与关闭，进而实现液体在输液管路中流速及流动方向。

2.如权利要求1所述的生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置，其特征在于，储液罐与压力输送单元之间设置有无菌过滤器。

3.如权利要求2所述的生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置，其特征在于，无菌过滤器外设置有加热垫。

4.如权利要求1所述的生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置，其特征在于，所述压力输送单元包括腔体、推杆和动力装置组成，动力装置的输出端与推杆连接，推杆的末端设置在泵腔内，泵腔通过管道与储液罐连通。

5.如权利要求1所述的生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置，其特征在于，输液管路上设置有细胞截留组件，所述的细胞截留组件为中空纤维膜柱、卷式膜或膜包中的任意一种。

6.如权利要求1所述的生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置，其特征在于，液体输送单元的个数为至少两个。

7.如权利要求1所述的生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置，其特征在于，液体输送单元的个数为两个，对称分布在阀岛两侧。

8.如权利要求7所述的生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置，其特征在于，第一液体输送单元由第一储液罐和第一压力输送单元组成，第一压力输送单元包括第一泵腔，第一动力装置和第一推杆；

第二液体输送单元由第二储液罐和第二压力输送单元组成，第二压力输送单元包括第二泵腔，第二动力装置和第二推杆；第一动力装置和第二动力装置由控制器控制同时启动，分别对第一推杆和第二推杆进行相反操作。

9.如权利要求8所述的生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置，其特征在于，阀岛的四段闭环管路上的夹管阀分别为第一夹管阀，第二夹管阀，第三夹管阀和第四夹管阀，在控制器的控制下循环系统有如下四种工况：

第一工况：控制器控制第一夹管阀与第四夹管阀开启时，关闭第二夹管阀和第三夹管阀，第一动力装置进行“拉”的动作，阀岛上端的输液管路中的液体经过第一夹管阀进入到第一储液罐内；同时第二动力装置进行“推”的动作，将第二储液罐中的液体推出并从第四夹管阀推入阀岛下端的输液管路中；

第二工况：控制器关闭第一夹管阀与第四夹管阀，打开第二夹管阀和第三夹管阀；第一动力装置进行“推”的动作，将第一储液罐中的液体推出并从第三夹管阀端推入阀岛下端的输液管路中；同时第二动力装置进行“拉”的动作，阀岛上端的输液管路中液体经第二夹管阀进入到第二储液罐内；

第三工况：第二夹管阀和第三夹管阀开启，第一夹管阀和第四夹管阀关闭，第一动力装置进行“拉”的动作，液体从阀岛下端的输液管路中经过第三夹管阀进入到第一储液罐，同时第二动力装置进行“推”的动作，将第二储液罐中的液体推出并经过第二夹管阀流入阀岛上端的输液管路中；

第四工况：第一夹管阀和第四夹管阀开启，第二夹管阀和第三夹管阀关闭，第一动力装置进行“推”的动作，将第一储液罐中的液体推出并经过第一夹管阀流入阀岛上端的输液管路；同时第二动力装置进行“拉”的动作，液体从阀岛下端的输液管路中通过第四夹管阀进入到第二储液罐。

10.如权利要求9所述的生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置，其特征在于，控制器控制系统在第一工况和第二工况之间切换时，循环系统内液体顺时针流动；控制器控制系统在第三工况和第四工况之间切换时，循环系统内液体逆时针流动。

11.如权利要求10所述的生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置，其特征在于，循环系统内液体顺时针与逆时针流动的交替频率及间隔时间由控制器控制。

12.权利要求1-11任一项的生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置在生物制品的生产及纯化中的应用。

13.如权利要求1-11任一项所述的生物医药生产用低剪切力无脉动液体循环装置的液体循环方法，其特征在于，将权1中的低剪切力无脉动液体循环装置通过输液管路与反应器连接，控制器控制循环系统在第一工况和第二工况之间切换时，循环系统内液体顺时针流动；控制器控制系统在第三工况和第四工况之间切换时，循环系统内液体逆时针流动，通过交替进行顺时针流动和逆时针流动实现对系统中细胞截留组件的清洁，通过压力输送单元的动力装置的控制调控液体流速。

Images