CN116948817A - 一次性生物安全型生物反应器以及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物工程技术领域，具体为一次性生物安全型生物反应器以及监测方法，其中，一次性生物安全型生物反应器包括：用于提供生物生长或反应环境的反应袋；用于监测反应袋的监测单元，监测单元包括：用于监测反应袋内部压力、泡沫、溶氧率、CO₂浓度、pH值、液体浊度的监测单元；反应袋上对应设置进气口、出气口；其中，进气口设有无菌过滤装置，防止污染；出气口设有高效过滤或无菌过滤单元，过滤含有致病性微生物或其他可能对环境、生物造成污染或影响的气溶胶，防止气溶胶污染；设有用于监测泄漏情况的漏液传感器，以及用于处理泄漏问题防污染的安全消毒模块。本发明所提供的一次性生物反应器尤其适用于细胞或微生物的小型化培养场景。

Description

一次性生物安全型生物反应器以及监测方法

技术领域

本发明属于生物工程技术领域，具体涉及一次性生物安全型生物反应器以及监测方法。

背景技术

一次性生物反应器是一种新型生物反应器，其通常由一次性塑料或不锈钢制成，这种新型生物反应器通常可以应用于以下领域：如细胞培养、细菌培养、病毒培养、单抗等有效物质培养及提取等等。然而现有生物反应器通常是应用在大规模的细胞或微生物培养中(如商业应用)，难以满足小规模化的实验需求。例如，当研究人员在疫苗培育初期，通常需要先在实验室进行多批量的小规模的病毒培养。但是现有的生物安全反应器对于小规模病毒培养而言，无论是在成本、安全性还是操作便捷性上均存在一定缺陷。

例如，授权公告号为CN102492607B的中国发明专利，其公开了一种一次性生物反应器系统及方法。其中，该一次性生物反应器系统包括：一次性容器，其包括至少一个进样口，至少一个排出口，至少一个收集口，使用连接至所有外部开放口的无菌过滤器保护无菌环境的完整性；支撑一次性容器的结构；传感所述容器中所述生物材料一个或多个参数的一个或多个传感器；加热容器内容物的加热器，所述加热器具有恒温器；以及与所述系统装置在一起的混合系统，使得所述一次性容器中含有的生物材料被混合。该生物反应器系统的整体体积偏大，其既采用了大容量的生物反应器，同时还需要一系列的辅助配套设备，成本较高且对实验操作空间也提出了更高的要求。并且，由于大规模微生物或细胞培养和微小型微生物或细胞培养在实际应用过程中存在较大差异。因此，即使是对现有的设备进行等比体积缩小也难以满足实验室的微小型实验需求。又例如，申请公布号为CN103945928A的中国发明专利申请，其公开了单次使用式混合和生物反应器系统，该生物反应器系统在应用于微小型实验时也将存在类似的问题。

为了进一步地适应于微小型实验需求，现有技术中也提出了一些小型反应器的设计方案，例如，申请公告号为CN102212474A的中国专利申请，其公开了一种小型生物反应器，其包括：细胞培养罐体、温控套件、补液(气)装置、细胞光密度检测套件与培养控制装置五部分，所述细胞培养罐体与补液装置相联结，温控套件、细胞光密度检测套件与培养控制装置配合为细胞培养提供优化的生长条件。然而，针对这一种小型生物反应器，在每次反应过后都需要对整体进行蒸汽灭菌，对于批量化的实验而言，操作较为繁琐且应用成本也更高。并且，该生物反应器在用于培养细菌或病毒等具有致病性的微生物时，难以保证反应器内、外环境不受干扰(例如，反应器内的致病细菌可能外溢污染实验环境，甚至威胁操作人员的安全)。

因此，亟需一种适应于小规模的微生物或细胞培养场景下的生物反应器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一次性生物安全型生物反应器及监测方法，以部分地解决或缓解现有技术中的上述不足，能够有效解决细胞或微生物在小型化培养过程中的难点。

为了解决上述所提到的技术问题，本发明具体采用以下技术方案：一种一次性生物安全型生物反应器，包括：

反应袋，所述反应袋的内部容纳腔室依次包括第一空间和第二空间；其中，当所述生物反应器处于工作状态时，所述第一空间用于容纳气体，所述第二空间用于容纳液体；其中，所述第一空间的顶部区域还形成有冷凝水引导区，用于引导冷凝水在所述冷凝水引导区内发生凝集，并通过所述冷凝水引导区所提供的引导路径回流至所述第二空间中；

用于监测所述生物反应器的工作状态参数的工作状态监测模块，所述工作状态参数包括：所述液体的液压、泡沫生成情况、溶氧率、CO₂浓度、pH值以及浊度；相应地，所述工作状态监测模块包括：用于监测所述液压的第一压力监测单元，用于监测所述泡沫生成情况的泡沫监测单元，用于监测所述溶氧率的溶氧率监测单元，用于监测所述CO₂浓度的浓度监测单元，用于监测所述pH值的pH监测单元，以及用于监测所述浊度的浊度监测单元；其中，各个所述监测单元的监测端被设置在所述第二空间的壁面上；

所述第一空间处还设置有用于通入第一气体的至少一个第一入口，以及用于通入第一液体的至少一个第二入口，且所述第一入口、第二入口均设置在所述冷凝水引导区的外侧；其中，当所述生物反应器处于工作状态时，所述第一入口的开口高于所述第二入口；

所述第二空间的下端区域还设置有用于液体取样的至少一个第一出口。

在一些实施例中，所述冷凝水引导区内部的顶部壁面被配置为斜面，且所述冷凝水引导区的边缘设置有环形导轨，所述环形导轨为所述冷凝水提供凝集、回流的引导路径。

在一些实施例中，还包括：搅拌装置，所述搅拌装置包括搅拌轴以及设置在所述搅拌轴的末端的搅拌桨；所述冷凝水引导区的中心区域开设有用于安装所述搅拌装置的安装孔，且所述搅拌轴通过所述安装孔固定安装在所述反应袋上，而所述搅拌桨则延伸入所述第二空间，所述工作状态监测模块的监测端高于所述搅拌桨的水平高度；其中，所述搅拌轴在位于或靠近所述冷凝水引导区的一侧设置有加热单元，用于避免在所述冷凝水引导区的外侧形成冷凝水。

在一些实施例中，所述斜面的倾斜角度为1°-5°。

在一些实施例中，所述环形导轨中设有用于提供所述引导路径的环形凹槽，且所述环形凹槽上设置有冷凝水出口，所述环形凹槽的底面呈倾斜设置，以使得所述冷凝水出口处为所述环形凹槽的水平最低点，进而引导所述环形凹槽内凝集的所述冷凝水通过所述冷凝水出口流出；其中，所述冷凝水出口沿远离所述第一入口、所述第二入口的方向设置。

在一些实施例中，还包括：

对应于设置在所述反应袋底部，以用于监测所述反应袋是否漏液的第一漏液监测模块；

安全消毒模块，所述安全消毒模块包括：与所述反应袋相连接的回收单元以及消毒单元；所述回收单元包括：回收袋，以及用于连接所述回收袋和所述反应袋的回收管道，所述回收管道内设置有第三控制阀门，所述消毒单元包括：用于存储消毒物质的腔室，以及用于连接所述腔室和所述反应袋的消毒管道，所述消毒管道内设置有第四控制阀门；

其中，所述第三控制阀门、所述第四控制阀门均与所述工作状态监测模块、所述第一漏液监测模块通信连接。

在一些实施例中，所述第一入口设置有过滤装置，所述过滤装置包括：病毒过滤装置，和/或细菌过滤装置。

在一些实施例中，所述第一空间还设置有用于排出气体的第二出口，且所述第二出口中设置有用于过滤气溶胶的干燥装置，和/或用于过滤的无菌过滤装置。

本发明还提供了一种基于一次性生物安全型生物反应器的监测方法，所述生物反应器包括：用于监测反应袋中液压的第一压力监测单元，以及对应设置在所述反应袋底部的第一漏液监测模块，所述方法包括步骤：

S102通过所述反应袋上的第一入口或第二入口向所述反应袋中通入预设量的气体或液体以进行微生物或细胞的培养；

S104实时监测所述第一压力监测单元的液压以及所述第一漏液监测模块的漏液值；

S106根据所述液压和所述漏液值判断所述生物反应器的风险状态，所述风险状态包括：安全状态，和/或待定状态，和/或漏液状态；

其中，S106包括：

S61根据所述液压的变化参数判断所述反应袋的降压风险；其中，当所述变化参数属于预设的第一降压阈值时，所述降压风险为一级，当所述变化参数属于预设的第二降压阈值时，所述降压风险为二级，否则所述降压风险为零级；

S62根据所述漏液值判断所述反应袋的漏液风险，其中，当所述漏液值属于预设的第一漏液阈值时，所述漏液风险为一级，当所述漏液值属于预设的第二漏液阈值时，所述漏液风险为二级，否则所述漏液风险为零级；

S63根据S61中的所述降压风险和/或S62中的所述漏液风险判断所述风险状态；其中，当所述降压风险为二级和/或所述漏液风险为二级时，所述风险状态为漏液状态；当所述降压风险和所述漏液风险均为零级时，所述风险状态为安全状态；否则，所述风险状态为待定状态。

在一些实施例中，所述反应袋内第一空间的顶部区域还形成有冷凝水引导区，用于引导冷凝水在所述冷凝水引导区内发生凝集，并通过所述冷凝水引导区所提供的引导路径回流至所述第二空间中；相应地，所述方法还包括步骤：

S108当监测到所述风险状态为待定状态或漏液状态时，分别向用户发出相应的预警信号；

S110响应于所述用户发出的反馈信号对所述生物反应器的降压风险和/或漏液风险进行二次监测，或者对所述预警信号进行接收或修正。

在一些实施例中，S110步骤包括：

当所述降压风险为一级而所述漏液风险为零级时，响应于所述用户发出的第一反馈信号对所述冷凝水引导区进行加热；

当监测到在加热过程中或加热之后所述降压风险降至零级时，则响应于用户发出的第一修正信号将所述风险状态修正为安全状态，否则，响应于用户发出的第二修正信号将所述风险状态修正为漏液状态。

有益技术效果：

本发明提供了一种适用于对高致病性微生物进行小规模化批量培养的生物安全型生物反应器，该生物反应器通过内循环式的冷凝水引导路径设置、以及选取有限的关键参数组合(如内部液压、外部漏液值)进行监测的方案相结合，共同提供了一种适用于高致病性微生物培养的高灵敏度、低成本的生物反应器。

进一步地，本发明针对所选取的关键参数组提供了一种可实现人工、自动化相互协同的监测方法，该监测方法一方面利用了有限的双支数据以对生物反应器的真实工作状态进行同步监测与综合评估，以在一定程度上减少人工的必要性介入。同时该方法还可以对综合评估结果(如风险状态)进行自动修正或审核，以进一步地提高监测方法的灵敏性和准确性(减少错误信号的发出)。其中，通过与内循环式的冷凝水引导功能相配合，还可减小冷凝水对压力变化值的干扰，进而有助于提高压力传感器(如第一压力监测单元)的监测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一示例性实施例中的一次性生物反应器的第一结构示意图；

图2为本发明一示例性实施例中的一次性生物反应器的第二结构示意图；

图3为本发明一示例性实施例中的一次性生物反应器的内部结构示意图；

图4为本发明一示例性实施例中冷凝水引导区域的结构示意图；

图5为本发明另一示例性实施例中顶部壁面的结构示意图；

图6为本发明一示例实施例中的支撑装置的第一结构示意图；

图7为本发明一示例实施例中的支撑装置的第二结构示意图；

图8为本发明一示例性实施例中传感器快接装置的剖面示意图；

图9为本发明一示例性实施例中传感器快接装置的结构示意图；

图10为本发明一示例性实施例中自动化控制方法的流程示意图；

图11为本发明另一示例性实施例中自动化控制方法的流程示意图；

图12为本发明一示例性实施例中自动化控制系统的模块示意图。

附图标记标识汇总：

1为反应袋，11为顶部壁面，12为环形导轨，12-1环形凹槽，13为第一空间，14为第二空间；2为搅拌装置，21为搅拌桨，22为搅拌轴，23为加热单元；3为工作状态监测模块；4为第一入口；5为第一出口(也称为取样口)；6为第二出口，61为干燥装置，62为过滤装置；7为支撑主体，71为漏液监测传感器，72为底座，73为第一侧壁，74为第二侧壁；81为一次性传感器探头，82为探头接线端，83为电源接线端，84为电极；L1为水平面，L2为引导路径。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本文中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

本文中，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前”、“后”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本文中“和/或”包括任何和所有一个或多个列出的相关项的组合。

本文中“多个”意指两个或两个以上，即其包含两个、三个、四个、五个等。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

如在本说明书中使用的，术语“大约”，典型地表示为所述值的+/-5％，更典型的是所述值的+/-4％，更典型的是所述值的+/-3％，更典型的是所述值的+/-2％，甚至更典型的是所述值的+/-1％，甚至更典型的是所述值的+/-0.5％。

在本说明书中，某些实施方式可能以一种处于某个范围的格式公开。应该理解，这种“处于某个范围”的描述仅仅是为了方便和简洁，且不应该被解释为对所公开范围的僵化限制。因此，范围的描述应该被认为是已经具体地公开了所有可能的子范围以及在此范围内的独立数字值。例如，范围1～6的描述应该被看作已经具体地公开了子范围如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及此范围内的单独数字，例如1，2，3，4，5和6。无论该范围的广度如何，均适用以上规则。

本文中，“通信连接”可以是双方或多方直接通信连接，也可以是通过第三方(例如，中心控制模块或其他中控系统)实现的间接通信连接。

实施例一

如图1-图5所示，本发明在第一方面提供了一种适用于在实验室内进行批量小型化微生物或细胞培育的一种一次性生物安全型生物反应器。

该生物反应器包括：反应袋1，所述反应袋1的内部容纳腔室依次包括第一空间13和第二空间14；其中，当所述生物反应器处于工作状态时，所述第一空间13用于容纳气体(例如，空气、氧气、二氧化碳等等)，所述第二空间14用于容纳液体(例如，细胞培养液、水等等)，所述第一空间的顶部区域还形成有冷凝水引导区，用于引导冷凝水在所述冷凝水引导区内发生凝集，并通过所述冷凝水引导区所提供的引导路径回流至所述第二空间中；

用于监测所述生物反应器的工作状态参数的工作状态监测模块3，所述工作状态参数包括：所述液体的液压、泡沫生成情况、溶氧率、CO₂浓度、pH值以及浊度；相应地，所述工作状态监测模块包括监测单元：用于监测所述液压的第一压力监测单元，用于监测所述泡沫生成情况的泡沫监测单元，用于监测所述溶氧率的溶氧率监测单元，用于监测CO₂浓度的二氧化碳监测单元，用于监测所述pH值的pH监测单元，以及用于监测浊度的浊度监测单元；其中，各个所述监测单元的监测端(例如，传感器的监测端)被设置在所述第二空间的壁面上，以保证能够准确地监测到液体的各个工作状态参数；

所述第一空间处设置有用于通入第一气体(例如，压缩空气、二氧化碳、氮气、氧气等)的至少一个第一入口4，以及用于通入第一液体(例如，细胞培养液、待培养的细菌或水等)的至少一个第二入口，且第一、二入口均设置在所述冷凝水引导区的外侧，以避免第一入口或第二入口被反应过程中的冷凝水堵塞、污染；其中，当所述生物反应器处于工作状态时(如图1所示的放置状态)，所述第一入口的开口高于所述第二入口(或者，在另一些实施例中，第二入口的位置也可以不受限制)，以避免通过第二入口排入的水或其他液体物质流经第一入口以对其造成堵塞或污染；

所述第二空间的下端区域还设置有用于液体取样的至少一个第一出口5。

在另一些实施例中，结合到微生物的具体生长特性，也可以将部分或全部第一入口或第二入口设置在第二空间14的壁面处，以使得部分气体或液体样品可以直接通入第二空间内的培养液中。

在一些实施例中，该反应袋为一次性生物反应袋，且该一次性生物反应袋从内到外依次包括：用于与微生物或细胞培养物等直接接触的接触层、用于隔绝气体的屏障层以及用于提供机械稳定性的结构层。

具体地，在一些实施例中，该反应袋的体积优选地被设置为1.5L、2L、2.5L或5L。

具体地，在一些实施例中，生物反应袋为由三层塑料材料组成的一次性袋，一层由聚对苯二甲酸乙二醇酯或LDPE制成，以提供机械稳定性。中间层由PVA或PVC制成，用作气体屏障。最后，与细胞培养物接触的接触层由PVA或PP制成。

为了能够在小容量生物反应袋中稳定地进行微生物或细胞培养，例如，保证与反应袋相关联的其他结构(如第一入口、第二入口等)能够稳定工作。第二空间的体积(或容量)通常小于第一空间的体积。优选地，第二空间大约占反应袋内部容纳腔室体积的20％-50％。

例如，在一些实施例中，当生物反应袋为5L时，所述第二空间大约为2L。

在实验过程中，需要保证加入的液体总量不超过所述第二空间的体积。

例如，在一些实施例中，在第一空间、第二空间设置有分界线，用于判断液体添加是否过量。

可以理解的是，本发明中采用“第一空间”与“第二空间”的表述仅仅是从空间功能的角度对所述反应袋内部容纳腔室进行区分。因此，第一空间和第二空间实际上可以是无障碍连通的空间，如图1和图3所示。

在一些实施例中，如图4所示，所述冷凝水引导区内部的顶部壁面11被配置为斜面，且所述冷凝水引导区的边缘设置有环形导轨12，所述环形导轨12为所述冷凝水提供凝集、回流的引导路径L2。

例如，在一些实施例中，第一空间的顶部(或者，仅冷凝水引导区)被设置为具有一定倾角的斜面。具体地，第一空间的顶部可以呈倒圆锥型设置。

例如，在一些实施例中，冷凝水引导区的边缘设置有一圈呈圆环形的导轨，当第一空间的空气湿度较高时可优先在斜面(也即顶部壁面11)上进行凝集形成水滴，水滴沿斜面向下流动并在所述导轨内侧汇集，当所汇集的水滴逐渐增大时则在重力作用下向下回流至第二空间中。

在一些实施例中，所述冷凝水引导区内部的所述反应袋的壁面被配置为斜面，且所述斜面的倾斜角度α(或者说坡度)优选地设置为1°-5°。其中，倾斜角度指的是当生物反应器竖直放置时，冷凝水引导区壁面与水平面L1之间的夹角。

优选地，斜面的倾斜角度为2-3°。

进一步地，在一些实施例中，如图5所示，环形导轨呈从其第一端至第二端(即冷凝水出口端)曲率逐渐减小的设计。具体地，环形导轨12的引导路径的各点曲率沿其第一端至第二端的方向逐渐减小，以使得引导路径的第二端低于第一端，也即冷凝水出口端处于最低位。

在一些实施例中，如图3所示，生物反应器还包括：搅拌装置2，所述搅拌装置2包括搅拌轴22以及设置在所述搅拌轴的末端的搅拌桨21；所述冷凝水引导区的中心区域开设有用于安装所述搅拌装置2的安装孔，且所述搅拌轴22通过所述安装孔固定安装在所述反应袋上，而所述搅拌桨21延伸入所述第二空间；

其中，所述搅拌轴22在位于或靠近所述冷凝水引导区的一侧设置有加热单元23(例如，可以设置恒温加热片)，避免在所述冷凝水引导区的外侧形成冷凝水；所述工作状态监测模块的监测端高于所述搅拌桨的水平高度，以减少搅拌桨对于工作状态监测模块工作稳定性的干扰。

本发明实施例中，为了避免第一空间内由于温度过低、湿度过高而生成过量的冷凝水，以至于冷凝水可能会在冷凝水引导区以外凝集或者是冷凝水引导区内部的冷凝水外溢，在搅拌轴22靠近冷凝水引导区且远离液面的位置设置有电加热片，例如，该电加热片可以在湿度过大或温度过低时启动加热功能。

可以理解的是，由于搅拌装置通常为金属制成，因此当搅拌装置未开启加热功能时，搅拌轴的顶部通常会凝集形成一定量冷凝水，这些冷凝水一部分将沿搅拌轴回流至第二空间，另一部分则可以在冷凝水引导区的作用下沿引导路径的引导回流至第二空间。

在一些实施例中，搅拌装置可以为磁力搅拌装置。

本发明实施例中，为了控制小型化生物反应器的体积和应用成本，提供了一种内循环式的冷凝水回流方案(无需外接排水管道)，其既能够避免反应过程中冷凝水对各个入口或出口的堵塞甚至污染，同时内循环式的冷凝水回流方案可以进一步地保证生物反应器的内部稳定性(减少液体流失)。

在一些实施例中，如图4所示，环形导轨12中设有用于提供所述引导路径L2的环形凹槽12-1，且所述环形凹槽12-1上设置有冷凝水出口，所述环形凹槽的底面呈倾斜设置，以使得所述冷凝水出口处为所述环形凹槽的水平最低点，进而引导所述环形凹槽内凝集的所述冷凝水通过所述冷凝水出口流出；其中，所述冷凝水出口沿远离所述第一入口、所述第二入口的方向设置。

本发明实施例中，通过倾斜凹槽的低出口设计，可以进一步地引导、促进冷凝水在限定区域内(即冷凝水引导区)形成，并避免冷凝水因凝集过多而外溢。尤其是在培养高致病性病毒或细菌时，冷凝水的集中形成与回流可以保证实验的稳定进行，同时可以减少高致病性病毒或细菌通过管道溢出并污染外部环境的可能。

在一些实施例中，用于通入气体的所述第一入口(也即气体入口)设置有第一控制阀门(也即进气阀)、用于通入液体的所述第二入口(即液体入口)内设置有第二控制阀门(也即进液阀)，所述第一空间处设置有用于监测所述第一空间内部气压的第二压力监测单元(也即气压监测单元)，且所述第一压力监测单元(也即液压监测单元)与所述第二控制阀门通信连接，所述第二压力监测单元分别与所述第一控制阀门和所述第二控制阀门通信连接。

下面对气压监测单元、液压监测单元、进气阀以及进液阀的部分工作流程进行说明：

当所述液压监测单元监测到所述液压超过预设的第一压力阈值时，向所述进液阀发送表示停止进液的第一关闭信号，所述进液阀响应于所述第一关闭信号保持所述液体入口关闭；

当所述气压监测单元监测到所述气压超过预设的第二压力阈值时，向进气阀、进液阀发送表示停止进样的第二关闭信号，进气阀、进液阀则基于所述第二关闭信号保持气体、液体入口关闭。

在一些实施例中，当监测到液压或气压超过预设压力阈值时，还可以直接向用户发送预警信号，由用户介入以判断是否需要关闭或开启各个入口。

为了保证小型化实验(例如，反应袋的容量仅为0.5L、1L或2L时)的安全性与可靠性，本发明实施例中通过对气压、液压进行同步监控，以避免加液或加气过量导致实验失败甚至反应袋破裂。

进一步，在一些实施例中，还包括：

对应于设置在所述反应袋底部，以用于监测所述反应袋是否漏液的第一漏液监测模块(例如，第一漏液监测模块可以为漏液传感器)。

进一步地，在一些实施例中，还包括：

安全消毒模块，所述安全消毒模块包括：与所述反应袋相连接的回收单元以及消毒单元；所述回收单元包括：回收袋，以及用于连接所述回收袋和所述反应袋的回收管道，所述回收管道内设置有第三控制阀门(也即回收阀)；所述消毒单元包括：用于存储消毒物质的腔室，以及用于连接所述腔室和所述反应袋的消毒管道，所述消毒管道内设置有第四控制阀门(也即消毒阀)；

其中，所述第三控制阀门、所述第四控制阀门均与所述压力监测传感器、所述第一漏液监测模块通信连接。

本发明实施例中，为了控制消毒物质用量，并减小消毒过程对反应袋周围环境(例如，用于支撑反应袋的支撑装置、或者反应袋所处的生物安全柜)带来的不利影响，采用先回收、再消毒的模式。

下面对安全消毒模块的优选消毒流程进行说明：

步骤21：安全消毒模块(例如，回收阀、消毒阀)接收到开启信号(例如，监测到反应袋发生漏液时，如监测到风险状态为漏液状态，或者用户自行输入的消毒指令时)；

步骤22：所述回收阀开启并将所述第二空间中的液体抽取至所述回收袋；

待液体被完全回收之后，或者经过一定预设回收时长(例如，10s)后，执行步骤23：关闭所述回收阀并开启所述消毒阀，所述消毒阀将所述腔室内的消毒物质通入所述反应袋内部。

在一些实施例中，回收袋内预存有用于对所述液体流体进行消毒的消毒物质。

在一些实施例中，消毒物质为用于消毒的第二液体或第二气体，如过氧化氢气体。

在一些实施例中，回收袋可以采用与一次性生物反应袋相同或相似的多层设计。

在一些实施例中，当整个生物反应器结束之后，安全消毒模块可以通过与步骤21-步骤23相同或相似的方式对生物反应器进行消毒。

本发明实施例中，为避免在充入消毒物质的过程，反应袋内的液体(含有高危害性微生物)在其冲击下进一步外漏，甚至加重反应袋的破损程度。在充入消毒物质之前先对液体进行回收，然后再通入消毒气体或液体对反应袋进行集中式消杀。

在一些实施例中，也可以通过第一出口向反应袋内通入消毒物质。

在一些实施例中，还包括：安全取样装置，所述安全取样装置包括：与所述第一出口5连接的取样管，取样管内设置有第五控制阀门，所述取样管上沿轴向设置有多个取样口，且所述取样口的取样端密封连接有一次性取样袋，所述一次性取样袋的开口端由热塑性塑料制成。

当取样袋完成取样之后，可以通过夹持式加热器对取样袋的开口端进行热处理，使得取样袋在热处理作用下自动封口，并可脱离取样口的取样端再由用户取出。

在一些实施例中，反应袋上连接有4路气体入口。当然，气体入口的安装数量/位置也可根据实际需求进行调整。

在一些实施例中，气体入口中的控制阀门为止逆阀。

在一些实施例中，第一空间的壁面上还设置有第二出口6(也即出气口)，出气口连接有出气管道，且出气管道内部还连接有过滤装置(例如H14 HEPA过滤器)，以用于过滤反应袋内部的气溶胶，避免对外部环境造成污染。当该反应袋在生物反应柜中使用时，出气管道还可以与生物反应柜的排气管道相连通。

在一些实施例中，出气口设置有干燥装置61。例如，在出气口的管道内部设置有干燥剂以用于过滤气体中的污染物。

或者，在另一些实施例中，当过滤装置62内部采用无水消毒剂时，可以省去干燥剂。

进一步地，在一些实施例中，通过监测反应袋内部液体的关键参数，如压力(可以用于反应液体含量)、pH、溶氧率、C02浓度、浊度等等，判断是否需要向反应器内部补充细胞培养液、水、酸液或者碱液等等，以完成培养过程的自动补液。

进一步地，在一些实施例中，任意一个控制阀门都可以采用单向阀。

进一步地，在一些实施例中，在用于控制液体的控制阀门可以通过蠕动泵控制液体的加入量或加入速度。

进一步地，在一些实施例中，在反应袋中用于通气(如氧气等)的入口处设置有除菌单元，例如，0.22微米的除菌过滤设备。

可以理解的是，本发明实施例中的一次性生物反应器还可以用于实现微生物或细胞的连续性培养。例如，以病毒培养为例，当一次性生物反应器中的病毒达到一定数量时，可以先取出反应器内部的部分病毒样品，随后向反应器内部加入新的培养细胞液使得剩余病毒可以继续在反应器内部进行生长，由此以实现病毒的连续性培养。

在一些实施例中，如图8-9所示，传感器采用生物安全型传感器快拆装置以实现密封性，其中，传感器快接装置包括：一次性传感器探头81、探头接线端82、电源接线端83、电极84。探头接线端82内设有正负电极接线端，其可通过电极84与电源接线端83相连接，从而传递电流信号(具体为传感信号，如液压值、溶氧率等数值)至中控系统(如中心控制模块)，实时监测传感器参数。使用时，探头接线端82与电源接线端83相连接，传递电信号。

在一些实施例中，支撑装置设有用于安装电源接线端83的接口，支撑装置的接口为抗腐蚀密封材料，电源接线端83可通过快插或者螺纹连接的方式插入接口，保障电源接线端83和支撑装置接壤处的密封，无气溶胶泄漏。

在一些实施例中，针对小于或等于20L的一次性生物反应器放置于生物安全柜/隔离器里，通过控制取样单向阀，直接在生物安全柜/隔离器里进行取样检测。

在一些实施例中，大于20L的反应器，取样管道直接接入生物安全柜/隔离器，通过控制取样单向阀取样检测。

或者，在一些实施例中，所述生物反应器还包括：中心控制模块，所述中心控制模块分别与一个或多个控制阀门、一个或多个监测单元或监测模块通信连接；为了能够对反应安全进行实时、准确地监测与维护，所述中心控制模块包括风险监测单元。

具体地，所述风险监测单元被配置为执行以下流程：

步骤11、实时获取所述第一漏液监测模块的监测数值(如漏液传感器的电信号)；

步骤12、所述风险监测单元根据所述漏液值判断所述漏液风险；

其中，为了对漏液状况进行精准化监测，减小误判风险，根据漏液数值的大小将所述漏液风险分为0级、1级、2级；

接下来，分别根据具体的漏液风险程度对生物反应器进行安全预警或安全消杀等处理；

步骤13：当所述漏液风险为1时，所述风险监测单元将判断所述液压是否出现异常；

若是，则向回收阀、消毒阀发生相应的消杀信号；

若否，则继续监测所述漏液风险和所述液压，若监测到液压监测数值出现增长，或者所述液压出现异常，则向回收阀、消毒阀发生相应的消杀信号；

步骤14：当所述漏液风险为2时，直接向所述回收阀、消毒阀发生相应的启动信号。

在一些实施例中，当监测到存在漏液风险时，还可以向工作人员发生预警信号，并可以通过工作人员人工判断是否选择继续实验。

本发明实施例中通过选取外部漏液、内部液压两个有限参数进行监测，提供了一种灵敏度高而成本相对较低的监测方法(也即提供了一种双机制风险评估方法)。

事实上，当前对于传染性、致病性超强的细菌或病毒培养，往往需要在高级别的生物安全防护实验室(例如，P3实验室)内进行。而本发明实施例通过在单个小型生物反应器中对各项关键状态监测、双机制风险评估以及安全防护功能进行集成，以使得该小型生物反应器中在进行高危害性微生物培养时，既能够通过对关键参数的监测、内循环式冷凝水回流设计保证反应器内部环境稳定性，同时还可以根据低成本的双机制监测完成自主式的风险监测与消杀。

因此，这种小型生物反应器可以直接应用于在生物安全柜(BSC)中进行细胞或微生物的培养，由此也可以在一定程度上降低高危害性微生物的人力、物力培养成本。

实施例二

针对本发明中任意一个实施例中的生物反应器，本发明还提供了一种可以应用生物生物反应器以实现微生物培养的监测方法。

优选地，在一些实施例中，如图10所示，所述方法包括步骤：

S102通过所述反应袋上的第一入口或第二入口向所述反应袋中通入预设量的气体或液体以进行微生物或细胞的培养；

S104实时监测所述第一压力监测单元的液压以及所述第一漏液监测模块的漏液值；

S106根据所述液压和所述漏液值判断所述生物反应器的风险状态，所述风险状态包括：安全状态，和/或待定状态，和/或漏液状态；其中，S106包括：

S61根据所述液压的变化参数(例如，压力的下降值，或者压力的下降速度)判断所述反应袋的降压风险；其中，当所述变化参数属于预设的第一降压阈值时，所述降压风险为一级，当所述变化参数属于预设的第二降压阈值时，所述降压风险为二级，否则所述降压风险为零级；

S62根据所述漏液值(例如，在一些实施例中，漏液值为漏液传感器的电信号值)判断所述反应袋的漏液风险，其中，当所述漏液值属于预设的第一漏液阈值时，所述漏液风险为一级，当所述漏液值属于预设的第二漏液阈值时，所述漏液风险为二级，否则所述漏液风险为零级；

S63根据S61中的所述降压风险和/或S62中的所述漏液风险判断所述风险状态；其中，

当所述降压风险为二级和/或所述漏液风险为二级时，所述风险状态为漏液状态；当所述降压风险和所述漏液风险均为零级时，所述风险状态为安全状态；否则，所述风险状态为待定状态。

在一些实施例中，所述第一空间的顶部区域还形成有冷凝水引导区，用于引导冷凝水在所述冷凝水引导区内发生凝集，并通过所述冷凝水引导区所提供的引导路径回流至所述第二空间中，所述方法还包括步骤：

S108当监测到所述风险状态为待定状态或漏液状态时，分别向用户发出相应的预警信号；

S110响应于所述用户发出的反馈信号对所述生物反应器的降压风险和/或漏液风险进行二次监测，或者对所述预警信号进行接收或修正。

在一些实施例中，S110步骤包括：

当所述降压风险为一级而所述漏液风险为零级时，响应于所述用户发出的第一反馈信号对所述冷凝水引导区进行加热；

当监测到在加热过程中或加热之后所述降压风险降至零级时，则响应于用户发出的第一修正信号将所述风险状态修正为安全状态，否则，响应于用户发出的第二修正信号将所述风险状态修正为漏液状态。

具体地，在一些实施例中，当监测到风险状态为待定状态时，需要向用户发送预警信号，以提醒用户及时地对生物反应器的工作状态进行检查(例如，是否存在漏液倾向或者轻微漏液现象，或者是否存在冷凝水凝集过量的问题等等)。

例如，在一些实施例中，当监测到风险状态为待定状态时，用户将接收到相应的预警信号，此时用户可以选择对冷凝水引导区进行加热(优选地可以通过设置在搅拌轴上的加热单元进行加热)，以限制或减少冷凝水的形成，从而判断当前的生物反应器是否存在冷凝水过量凝集的问题，若是，则可以在降压风险回归正常状态(如零级)时，由用户将风险状态修正为安全状态。

可以理解的是，尤其是针对体积仅为数升(如1L)的生物反应器而言，反应器内部的液体总量相对有限，因此液压也相对容易受到多重因素(如搅拌速度、搅拌力度、漏液、冷凝水凝集等等)的影响。此时，若将传感器的监测差值(相当于第二降压阈值)设置过高将难以第一时间发现问题，但是若将传感器监测差值设置过低则又可能频繁出现误报警干扰试验的正常运行。本发明实施例中通过利用内循环式冷凝水引导区对冷凝水的形成或回流进行控制或影响，以使得传感器即使处于监测差值较低(即高灵敏度)的情况下，也不会因为过量误报警干扰试验的正常运行。换句话说，本发明可以在一定程度上将漏液监测的精度调高。

例如，在一些实施例中，监测差值可以设置5％左右甚至更低，具体地，当液压的差值变化达到或超过5％时，则认为生物反应器当前存在较高漏液风险。

具体地，在一些实施例中，当监测到在预设的第二时间内，液压的数值恢复至预期水平(预期水平可以根据实际的液体加入量确定)时，且漏液风险未变化时，则可将风险状态转化为安全状态。

或者，在一些实施例中，当监测到在预设的第三时间内，液压的变化参数没有显著变化(如仍然属于第一降压阈值的范围内)，则向用户发出相应的预警信号，以提示用户当前存在冷凝水过量的风险。

可以理解的是，本发明实施例中的各个阈值均可以由用户结合实际情况(如反应器的体积、加入的液体量等)进行适应性地设定。

本发明实施例中通过对有限参数进行实时监测，以对生物反应器的工作状态(具体为风险状态)提供了一种低成本、高精度的监测模式，一方面可以在一定程度上减轻工作人员的人工监测压力，另一方面也可以避免过渡监控带来的干扰(因误差信号中止试验，导致人力物力资源的浪费)。

在一些实施例中，在S102之前，还包括步骤：S100对所述生物反应器进行预测试；其中，所述S100包括：

通过所述第一入口向所述反应袋内部通入气体，同时保持所述反应袋的其余入口和出口均关闭；

结束通气并保持对应的所述第一入口关闭；

通过所述第一压力监测单元采集所述反应袋在第一时间内的第一气压变化值，并根据所述第一气压变化值判断所述生物反应器是否通过预测试(即密闭性能是否良好)；其中，当所述第一气压变化值属于预设的安全阈值时(具体地，气压变化较小或者变化值为0时)，则所述生物反应器通过预测试。

实施例三

如图6、7所示，为了进一步地提高培养高致病性微生物过程中的操作安全性，本发明还提供了一种用于支撑上述生物反应器的支撑装置。如图6所示，其包括：

用于支撑生物反应器的可控温的支撑主体7；所述生物反应器包括：反应袋，所述支撑主体7包括：由第一侧壁73和第二侧壁74共同形成的侧壁结构，形成于所述侧壁结构下方的底座72，以及用于对所述侧壁结构上方进行密封的顶盖，其中，所述侧壁结构和所述底座72对所述反应袋起到支撑作用；所述顶盖上设置有至少一个第三入口，用于引出从所述反应袋中的第一入口、第二入口所接出的至少一个管道，第一、第二入口分别用于向反应袋加入气体、液体；

以及用于对所述反应袋进行加热的加热模块，所述加热模块包括：设置在所述第一侧壁和/或第二侧壁上的加热腔体，所述加热腔体用于容纳导热介质，且所述加热腔体上还设置有用于供所述导热介质进、出的介质入口和介质出口；用于监测所述导热介质温度的温度监测单元(例如，温度传感器)，以及与所述温度监测单元通信连接并用于对所述导热介质进行加热的加热单元；

以及设置在所述底部的中心区域的第一漏液监测模块(如漏液监测传感器71)，所述第一漏液监测模块用于监测所述反应袋和/或所述加热腔体是否出现漏液。

在一些实施例中，针对小型的生物反应袋，以水为导热介质对小型反应袋的环向壁面进行均匀加热。

在一些实施例中，当通过温度传感器监测到反应器内部温度低于预设的培养温度时，可以向加热腔体内部通入适当的高温导热介质，以对反应器进行加热。或者，可以通过加热单元(例如，可以设置为插入水中的电加热管等等)直接对导热介质进行加热处理。

在一些实施例中，所述生物反应器包括：用于监测所述生物反应器的工作状态参数的工作状态监测模块，所述工作状态参数包括：液体的液压、泡沫生成情况、溶氧率、C02浓度、pH值以及浊度；相应地，所述支撑装置还包括：中心控制模块，所述中心控制模块用于与所述工作状态监测模块、第一漏液监测模块、加热模块通信连接，并根据所述工作状态监测模块、第一漏液监测模块、加热模块通信的监测结果控制所述生物反应器和所述支撑装置的运行状态。

在一些实施例中，所述生物反应器还包括：与所述中心控制模块通信连接的安全消毒模块；

所述安全消毒模块包括：与所述反应袋相连接的回收单元以及消毒单元，所述回收单元包括：回收袋，以及用于连接所述回收袋和所述反应袋的回收管道，所述回收管道内设置有第三控制阀门，所述消毒单元包括：用于存储消毒物质(例如，过氧化氢消毒液)的腔室，用于将所述消毒物质通入所述反应袋内部的第一消毒管道，以及用于将所述消毒物质通入所述支撑主体与所述反应袋之间的第二消毒管道，第一、二消毒管道内均设置有第四控制阀门，其中，所述腔室可以设置在所述第二侧壁上。

进一步地，在一些实施例中，该安全消毒模块还可以对反应袋或支撑装置中的各个管路进行消毒。

尤其是在进行高致病性的病毒、细菌等微生物培养时，本发明实施例中的支撑装置可以对一次性生物反应器的工作状态进行实时检测，并在监测到漏液或漏气信号时，及时启动安全消毒模块完成安全消毒。

在一些实施例中，所述第二侧壁上还开设有可视窗口，以用于观察反应袋内部的反应状况。

在一些实施例中，所述第二侧壁上设置有第二漏液监测模块，且当所述反应袋安装在所述支撑主体内部时，所述第二漏液监测模块的监测端与所述反应袋的壁面相接触。

因此，当反应袋出现轻微破损(如搅拌装置的安装孔处有冷凝水溢出，或者反应袋上方区域存在微量漏液时)，设置在第二侧壁上的漏液监测传感器可以对反应袋的稳定性进行补充监测，进一步地降低实验风险。

在一些实施例中，所述漏液监测模块包括以下一种或多种传感器：点式漏水传感器、支架探针式漏水传感器、非定位式漏水检测器、定位式漏水检测器。

在一些实施例中，所述顶盖和所述侧壁结构通过螺纹配合。

在一些实施例中，所述顶盖和所述侧壁结构通过快插结构配合连接，且所述顶盖和所述侧壁结构相接触的区域被设置为抗腐蚀材料。

在一些实施例中，支撑装置的侧壁上设置有两个防泄漏消毒接口(与消毒单元连接)，如发生泄漏，通过两个防泄漏接口，对腔体进行循环消毒。其中，接口可以灵活地设置在支撑装置的侧壁或底座上。

例如，在一些实施例中，两个防泄漏接口一个为入口，另一个为出口。具体地，在消杀过程中，可以通过入口向支撑装置内部输出一定量的消毒物质(如可以通过接口通入或喷洒液体消毒液/消毒气体)并消毒一段时间，随后通过出口排出。

或者，在另一些实施例中，对于输入的消毒物质可以循环利用。具体地，在入口处通入消毒液，在出口处采用蠕动泵对消毒液进行回收，并将回收后的消毒液再次通入支撑装置中(如通过入口重新加入支撑装置内部)。

在一些实施例中，当消毒完成之后，还可以通过入口、接口对支撑装置内部进行清洗(如通过水洗清洁内部)，以延长支撑装置的使用寿命。

可以理解的是，工作人员可以根据不同的应用需求(如对新产品的消毒，或者反应结束后的消毒)选用不同的消毒方式。

实施例四

本发明还提供了一种可以用于一次性生物安全型生物反应器支撑装置的监测方法，包括步骤：

S200提供本发明所提供的任意一种支撑装置，以及反应袋；其中，所述反应袋包括：用于测量液压的第一压力监测单元，所述反应袋安装在所述支撑装置的支撑主体内部，所述反应袋的壁面与所述支撑装置的至少一处侧壁相抵靠或邻近，以提高加热模块对所述反应袋进行加热的加热效率，所述反应袋的底部与第一漏液监测模块相接触，以促进所述第一漏液监测模块对所述反应袋的底部进行漏液监测；

S202通过所述反应袋上的第一入口或第二入口向所述反应袋中通入预设量的气体或液体以进行微生物或细胞的培养；

S204通过所述支撑装置的中心控制模块对所述第一压力监测单元的液压、所述第一漏液监测模块的漏液数值进行实时监测；

S206根据所述液压和所述漏液数值判断所述支撑装置和所述生物反应器的风险状态。

在一些实施例中，所述风险状态包括：安全状态，和/或漏液状态，和/或待定状态；其中，S206包括：

根据所述液压的变化参数判断所述反应袋的降压风险；其中，当所述变化参数属于预设的第一降压阈值时，所述降压风险为一级，当所述变化参数属于预设的第二降压阈值时，所述降压风险为二级，否则所述降压风险为零级；

根据所述漏液值判断所述反应袋的漏液风险，其中，当所述漏液值属于预设的第一漏液阈值时，所述漏液风险为一级，当所述漏液值属于预设的第二漏液阈值时，所述漏液风险为二级，否则所述漏液风险为零级；

根据所述降压风险和/或所述漏液风险判断所述风险状态；其中，

当所述降压风险为二级和/或所述漏液风险为二级时，所述风险状态为漏液状态；当所述降压风险和所述漏液风险均为零级时，所述风险状态为安全状态；当所述降压风险为一级所述漏液风险为零级时，或者，所述降压风险为零级或且所述漏液风险为一级时，所述风险状态为待定状态。

可以理解的是，本实施例中的监测方法可以包括与实施例一或二中相同的步骤。例如，所述方法还包括：根据风险状态的结果选择对用户发出预警，或者对支撑装置以及反应器进行消毒等等，此处不再赘述。

在一些实施例中，所述支撑装置的第二侧壁上还设置有用于监测所述支撑主体内部气压的气压监测模块，相应地，在S202之前，还包括步骤：S208对所述生物反应器和支撑装置进行预测试；

其中，所述S208包括步骤：

通过所述第一入口向所述反应袋内部通入气体，并通过所述气压监测模块监测所述支撑主体内部的第二气压变化值；同时保持所述反应袋、所述支撑装置的其余入口和出口均关闭；

结束通气并保持对应的所述第一入口关闭；

通过所述第一压力监测单元采集所述反应袋在预设的第一时间内的第一气压变化值，并通过所述气压监测模块监测所述支撑主体在所述第一时间内的第三气压变化值；

根据所述第一气压变化值判断所述生物反应器是否通过预测试，并根据第二、第三气压变化值判断所述支撑装置是否通过预测试；

其中，当所述第一气压变化值属于预设的相应安全阈值时(即气压变化为0或者非常微小)，则所述生物反应器通过预测试；当第二气压变化值与通入气体量相符(可以理解的是，通入气体量越多，气压变化值越大)且第三气压变化值属于预设的相应安全阈值时，则所述支撑装置通过预测试。

例如，在一些实施例中，当反应袋在通气之后气压未明显变化，则认为反应袋密闭性能良好符合要求。

例如，在一些实施例中，当通气过程中，支撑主体内气压显著增加，且在进行测试的第一时间内气压保持平稳状态，则认为支撑装置密闭封良好符合要求。

进一步地，在一些实施例中，该支撑装置还可以实现高温原位灭菌。

进一步地，在一些实施例中，底座上还设置有滑轮，以便于支撑装置的运输。

进一步地，在一些实施例中，支撑装置的顶部还设置有安装孔，以用于安装搅拌装置2。

在一些实施例中，可以根据不同的培养对象选择不同结构的搅拌装置。例如，当培养对象为细胞时，搅拌装置的搅拌桨可以为叶片状。又例如，当培养对象为细菌时，搅拌器的搅拌桨可以为棍状。

在一些实施例中，反应袋中所配备的各种监测单元均可选择一次性电极检测传感器，传感器与反应袋均密闭连接，以防止发生漏液。整个生物反应器只需简易安装、一次性使用。

本发明所提供的一次性生物反应器可以用于各类微生物、细胞的培养，例如，该一次性生物反应器可以应用于疫苗生产。

需要说明的是，本发明优选地为小型化、高致病性的微生物培养提供了一种小型集成的生物反应器以及配套的支撑装置。并且，这种小型集成的生物反应器也可以根据用户实际需求(例如，由小试发展至中试时)进行放大，例如，放大到腔室容量约为100L-200L的生物反应器。

本发明可以广泛应用于各类微生物或细胞。例如，既可以应用于高致病性的细菌、病毒培养，也可以应用于其他可能对环境或人类产生不同程度的污染或致病作用的微生物或细胞，当然也可以应用于各类动物、植物细胞的培养。

实施例五

本发明还提供了一种适用于上述生物反应器和支撑装置的半自动控制方法，以在一定程度上减少高致病性病毒培养过程中用户的介入操作(如通气或消毒操作等等)。

图11示出了本发明中的一种示例性的半自动化控制方法，包括：

S301提供用于微生物生长的生物反应系统，所述生物反应系统包括：生物反应器，以及用于支撑所述生物反应器的支撑装置，其中，所述生物反应器包括：反应袋，所述反应袋内部包括分别用于容纳气体、液体的第一空间和第二空间，所述反应袋中还设置有分别用于通入气体、液体的第一入口和第二入口，所述反应袋上还设置有用于监测所述生物反应器的工作状态参数的工作状态监测模块；

S302响应于用户或所述工作状态监测模块发出的相应控制信号通过所述第一入口和/或第二入口向所述反应袋中通入气体和/或液体以进行生物培养(微生物培养或细胞培养)；

S303对所述第二空间内部的液体进行压力监测以采集到液压，对所述反应袋的底部进行漏液监测以采集漏液值；

S304通过所述液压和所述漏液值判断所述生物反应系统的风险状态，所述风险状态包括：安全状态，和/或待定状态，和/或漏液状态；其中，S304包括：

根据所述液压的变化参数确定所述反应袋的降压风险；其中，所述降压风险根据所述变化参数的数值大小分别分为：零级、一级以及二级；

根据所述漏液值确定所述反应袋的漏液风险；其中，所述漏液风险根据所述漏液值大小分别分为：零级、一级以及二级；

根据所述降压风险和漏液风险判断所述风险状态；其中，当所述降压风险为二级和/或所述漏液风险为二级时，所述风险状态为漏液状态；当所述降压风险和所述漏液风险均为零级时，所述风险状态为安全状态；当所述降压风险为一级且所述漏液风险为零级时，或者，所述降压风险为零级且所述漏液风险为一级时，所述风险状态为待定状态。

在一些实施例中，方法还包括：

S305当监测到所述风险状态为待定状态或漏液状态时，分别向用户发出相应的预警信号；

S306响应于所述用户发出的反馈信号对所述生物反应系统的降压风险和/或漏液风险进行二次监测，以对所述预警信号进行接收或修正。

优选地，在一些实施例中，反馈信号可以由工作人员手动发出。

或者，在另一些实施例中，当在设定时间内(如5S，或者15S内)未监测或接收到工作人员发出的反馈信号时，也可以由计算机(其可与生物反应器或支撑装置通信连接)根据当前的风险状态对应地发出由工作人员预先设定的反馈信号。

在一些实施例中，所述第一空间的顶部区域还形成有冷凝水引导区，所述冷凝水引导区用于引导冷凝水于引导区内发生凝集，并通过所述冷凝水引导区所提供的引导路径回流至所述第二空间中，相应地，所述反馈信号包括：用于对所述冷凝水引导区进行加热的第一反馈信号，用于对所述预警信号进行接收的第二反馈信号，S306包括步骤：

当所述降压风险为一级而所述漏液风险为零级时，设置于冷凝水引导区的加热单元响应于所述第一反馈信号对所述冷凝水引导区进行加热；

当监测到在加热过程中或加热之后所述降压风险降至零级时，则响应于用户发出的第一修正信号将所述风险状态修正为安全状态，否则，响应于用户发出的第二修正信号将所述风险状态修正为漏液状态。

优选地，本发明实施例中对于风险状态的修正需要通过工作人员手动操作，以避免生物反应器出现误判。

当然，在另一些实施例中，也可以通过自动化方式对风险状态进行修正与评估。

在一些实施例中，S306还包括步骤：

当监测到所述降压风险为零级或且所述漏液风险为一级时，继续对所述漏液值进行监测，且当监测到漏液值在预设的第四时间内保持恒定时，则响应于所述第一修正信号将所述风险状态修正为安全状态，否则响应于所述第二修正信号将所述风险状态修正为漏液状态。

例如，在一些实施例中，当漏液值在一段时间(如5s或10s)内都没有发生明显变化时，则可以由用户排除生物反应器发生漏液的情况。

在一些实施例中，所述生物反应系统还包括：搅拌装置，所述搅拌装置包括搅拌轴以及设置在所述搅拌轴的末端的搅拌桨；所述冷凝水引导区的中心区域开设有用于安装所述搅拌装置的安装孔，且所述搅拌轴通过所述安装孔固定安装在所述反应袋上，所述搅拌轴在位于或靠近所述冷凝水引导区的一侧设置有加热单元，用于避免或限制冷凝水的形成。

在一些实施例中，所述生物反应系统还包括：用于对所述生物反应器和所述支撑装置进行消毒的安全消毒模块，所述安全消毒模块包括：通过回收管道与所述反应袋相连接的回收单元，以及用于存储消毒物质的腔室，所述腔室通过消毒管道分别与所述反应袋和所述支撑装置；所述方法还包括步骤：

S307当监测到所述风险状态为漏液状态时，向所述安全消毒模块发送相应的消毒信号；

S308所述安全消毒模块响应于所述消毒信号将所述反应袋内部的液体回收至所述回收单元，待回收结束后关闭所述回收管道；

S309待所述回收管道关闭后，所述安全消毒模块响应于所述消毒信号向所述反应袋内部以及所述支撑装置内部通入所述消毒物质。

在一些实施例中，在301之前还包括步骤：

S300对所述生物反应系统的稳定性进行预测试；其中，所述S300包括：

通过所述第一入口向所述反应袋内部通入气体，并同步采集所述支撑装置内部的第二气压变化值；同时保持所述反应袋、所述支撑装置的其余入口和出口均关闭；

结束通气并保持对应的所述第一入口关闭；

采集所述反应袋在预设的第一时间内的第一气压变化值，以及所述支撑装置在所述第一时间内的第三气压变化值；

根据第一、第二、第三气压变化值判断所述生物反应系统的稳定性是否合格；

其中，当所述第一气压变化值属于相应的预设安全阈值时，且第二气压变化值和第三气压变化值与通入气体量相符时，则所述生物反应系统通过预测试。

针对高致病性微生物(如流感病毒等等)的小规模培养，本发明选取了有限监测因素(即内部液压、外部漏液值)培养过程中生物反应器的工作状态进行核心监控，提供一种可减少人工介入的低成本半自动化控制方法。

并且该方法还可以与冷凝水引导区相配合以进一步地减少其他因素对风险监测的干扰以减少误判情况，从而在一定程度上减少研发成本(具体地，可以避免因误判而终止试验，过度地消耗人力物力)。

实施例六

基于上述半自动化控制方法，如图12所示，本发明还对应地提供了一种半自动化系统，包括：

生物反应系统10，所述生物反应系统包括：生物反应器，以及用于支撑所述生物反应器的支撑装置，其中，所述生物反应器包括：反应袋，所述反应袋内部包括分别用于容纳气体、液体的第一空间和第二空间，所述反应袋中还设置有分别用于通入气体、液体的第一入口和第二入口，用于监测所述生物反应器的工作状态参数的工作状态监测模块；

加样模块20，被配置为用于响应于用户或所述工作状态监测模块发出的相应控制信号通过所述第一入口和/或第二入口向所述反应袋中通入气体和/或液体以进行生物培养；

漏液监测模块30，被配置为用于对所述第二空间内部的液体进行压力监测以采集到液压，对所述反应袋的底部进行漏液监测以采集漏液值；

风险分析模块40，被配置为用于通过所述液压和所述漏液值判断所述生物反应系统的风险状态，所述风险状态包括：安全状态，和/或待定状态，和/或漏液状态；其中，风险分析模块包括：

液压分析单元40-1，被配置为用于根据所述液压的变化参数确定所述反应袋的降压风险；其中，所述降压风险根据所述变化参数的数值大小分别分为：零级、一级以及二级；

漏液分析单元40-2，被配置为用于根据所述漏液值确定所述反应袋的漏液风险；其中，所述漏液风险根据所述漏液值大小分别分为：零级、一级以及二级；

风险分析单元40-3，被配置为用于根据所述降压风险和漏液风险判断所述风险状态；其中，当所述降压风险为二级和/或所述漏液风险为二级时，所述风险状态为漏液状态；当所述降压风险和所述漏液风险均为零级时，所述风险状态为安全状态；当所述降压风险为一级且所述漏液风险为零级时，或者，所述降压风险为零级且所述漏液风险为一级时，所述风险状态为待定状态。

在一些实施例中，加样模块可以由用户根据培养状态，比如浊度等自定义添加培养节点，以判断需要何时停止培养、何时需要自动需要加液，自动调节pH、通不同气体或氧气等。

在一些实施例中，还包括：

预警发送模块50，被配置为用于当监测到所述风险状态为待定状态或漏液状态时，分别向用户发出对应的预警信号；

预警修正模块60，被配置为用于响应于所述用户发出的反馈信号对所述生物反应系统的降压风险和/或漏液风险进行二次监测，以对所述预警信号进行接收或修正。

在一些实施例中，所述第一空间的顶部区域还形成有冷凝水引导区，所述冷凝水引导区用于引导冷凝水于引导区内发生凝集，并通过所述冷凝水引导区所提供的引导路径回流至所述第二空间中，相应地，所述反馈信号包括：用于对所述冷凝水引导区进行加热的第一反馈信号，用于对所述预警信号进行接收的第二反馈信号，所述预警修正模块60包括：

二次监测单元60-1，被配置为用于当所述降压风险为一级而所述漏液风险为零级时，响应于所述第一反馈信号对所述冷凝水引导区进行加热；

修正单元60-2，当监测到在加热过程中或加热之后所述降压风险降至零级时，则响应于用户发出的第一修正信号将所述风险状态修正为安全状态，否则，响应于用户发出的第二修正信号将所述风险状态修正为漏液状态。

需要说明的是，本发明中的用户可以为与半自动化控制系统相连接的计算机，也可以为试验操作人员。

需要说明的是，本发明除了可应用于高致病性微生物(如细菌、病毒)的培养外，也可以应用于其他可能对环境造成不同程度污染或影响的微生物，或者其他可能对人类或动植物造成不同程度致病作用或影响的微生物。当然，本发明还可以应用于各类生物细胞，如动物、植物细胞或单细胞生物的培养。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台计算机终端(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种一次性生物安全型生物反应器，其特征在于，包括：反应袋(1)，所述反应袋(1)的内部容纳腔室依次包括第一空间(13)和第二空间(14)；其中，当所述生物反应器处于工作状态时，所述第一空间用于容纳气体，所述第二空间用于容纳液体；其中，所述第一空间的顶部区域还形成有冷凝水引导区，用于引导冷凝水在所述冷凝水引导区内发生凝集，并通过所述冷凝水引导区所提供的引导路径回流至所述第二空间中；

用于监测所述生物反应器的工作状态参数的工作状态监测模块(3)，所述工作状态参数包括以下至少一个：所述液体的液压、泡沫生成情况、溶氧率、CO₂浓度、pH值以及浊度；相应地，所述工作状态监测模块包括以下至少一个监测单元：用于监测所述液压的第一压力监测单元，用于监测所述泡沫生成情况的泡沫监测单元，用于监测所述溶氧率的溶氧率监测单元，用于监测所述CO₂浓度的浓度监测单元，用于监测所述pH值的pH监测单元，以及用于监测所述浊度的浊度监测单元；其中，各个所述监测单元的监测端被设置在所述第二空间的壁面上；

所述生物反应器还包括：对应于设置在所述反应袋底部，以用于监测所述反应袋是否漏液的第一漏液监测模块；

安全消毒模块，所述安全消毒模块包括：与所述反应袋相连接的回收单元以及消毒单元；所述回收单元包括：回收袋，以及用于连接所述回收袋和所述反应袋的回收管道，所述回收管道内设置有第三控制阀门，所述消毒单元包括：用于存储消毒物质的腔室，以及用于连接所述腔室和所述反应袋的消毒管道，所述消毒管道内设置有第四控制阀门；第三、第四控制阀门均与工作状态监测模块、第一漏液监测模块通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种一次性生物安全型生物反应器，其特征在于，包括：所述冷凝水引导区内部的顶部壁面(11)被配置为斜面，且所述冷凝水引导区的边缘设置有环形导轨(12)，所述环形导轨为所述冷凝水提供凝集、回流的引导路径。

3.根据权利要求1所述的一种一次性生物安全型生物反应器，其特征在于，包括：搅拌装置(2)，所述搅拌装置包括搅拌轴(22)以及设置在所述搅拌轴的末端的搅拌桨(21)；所述冷凝水引导区的中心区域开设有用于安装所述搅拌装置的安装孔，且所述搅拌轴通过所述安装孔固定安装在所述反应袋上，而所述搅拌桨则延伸入所述第二空间，所述工作状态监测模块的监测端高于所述搅拌桨的水平高度；其中，所述搅拌轴在位于或靠近所述冷凝水引导区的一侧设置有加热单元(23)，用于避免在所述冷凝水引导区的外侧形成冷凝水。

4.根据权利要求2所述的一种一次性生物安全型生物反应器，其特征在于，所述斜面的倾斜角度为1°-5°。

5.根据权利要求1所述的一种一次性生物安全型生物反应器，其特征在于，所述第一入口设置有过滤装置，所述过滤装置包括：病毒过滤装置，和/或细菌过滤装置。

6.根据权利要求1所述的一种一次性生物安全型生物反应器，其特征在于，所述第一空间还设置有用于排出气体的第二出口，且所述第二出口中设置有用于过滤气溶胶的干燥装置，和/或用于过滤的无菌过滤装置。

7.根据权利要求1所述的一种一次性生物安全型生物反应器，其特征在于，所述反应器还包括：中心控制模块，所述中心控制模块分别与一个或多个控制阀门、一个或多个监测单元或监测模块通信连接，并根据相应的监测结果控制所述生物反应器的运行状态。

8.一种基于如权利要求1-7中任一所述的一次性生物安全型生物反应器的监测方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

S102通过所述反应袋上的第一入口或第二入口向所述反应袋中通入预设量的气体或液体以进行微生物或细胞的培养；

S104实时监测所述反应袋中的第一压力监测单元的液压以及所述反应袋中的第一漏液监测模块的漏液值；

S106根据所述液压和所述漏液值判断所述生物反应器的风险状态，所述风险状态包括：安全状态，和/或待定状态，和/或漏液状态；

其中，S106包括：

S61根据所述液压的变化参数判断所述反应袋的降压风险；

S62根据所述漏液值判断所述反应袋的漏液风险；

S63根据S61中的所述降压风险和/或S62中的所述漏液风险判断所述风险状态。

9.根据权利要求8所述的监测方法，其特征在于，所述反应袋内第一空间的顶部区域还形成有冷凝水引导区，用于引导冷凝水在所述冷凝水引导区内发生凝集，并通过所述冷凝水引导区所提供的引导路径回流至第二空间中；相应地，所述方法还包括步骤：

S108当监测到所述风险状态为待定状态或漏液状态时，分别向用户发出相应的预警信号；

S110响应于所述用户发出的反馈信号对所述生物反应器的降压风险和/或漏液风险进行二次监测，或者对所述预警信号进行接收或修正。

10.根据权利要求9所述的监测方法，其特征在于，S110步骤包括：

当所述降压风险为一级而所述漏液风险为零级时，响应于所述用户发出的第一反馈信号对所述冷凝水引导区进行加热；其中，当所述变化参数属于预设的第一降压阈值时，所述降压风险为一级，当所述漏液值不属于预设的第一漏液阈值时或第二漏液阈值时，所述漏液风险为零级；

当监测到在加热过程中或加热之后所述降压风险降至零级时，则响应于用户发出的第一修正信号将所述风险状态修正为安全状态，否则，响应于用户发出的第二修正信号将所述风险状态修正为漏液状态。