CN117441007A - 对平行培养孔中ph的控制 - Google Patents

Abstract

描述了用于控制pH的工作流程和相关系统，其允许在微孔板的平行培养孔中进行实时pH调节。例如，由pH测量系统、控制器和pH调节系统构成的生物过程控制系统实现了闭合控制回路，其中将通过所述pH测量系统测量的培养孔的pH与所述培养孔的预定pH进行比较，并且如果存在偏差，则pH调节系统调节所述培养孔中的pH以校正所述偏差，同时所述系统继续测量、评价并且如果需要的话调节剩余的微孔板培养孔。因此，通过在接收所测量pH之后实时进行每孔pH评价和调节而不是等到所有培养孔的pH均被测量之后进行，被用作pH调节的基础的所测量pH是当前的、准确的测量值。

Description

对平行培养孔中PH的控制

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年5月7日提交的美国临时专利申请No.63/185,779的权益和优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

在生物学、工艺技术、药学和医学的许多领域中，需要对生物系统进行高通量筛选以用于进行工艺开发、补料分批优化和介质筛选以及其他可通过实验的平行化来实现的实例。包含多个单独的孔的微孔板是用于实现大量平行操作的一个示例性装置。作为一个实例，对于细胞培养，可将单独培养孔中的每个用培养基填充，接种以将细胞引入到培养基中，并使用摇动培养箱在特定温度下进行孵育。在生长过程期间，可对每个单独培养孔的过程参数包括pH值进行连续测量。

对于细胞生长，培养孔中的pH是重要的环境影响。由于细胞的代谢过程而催化反应的酶的活性受到pH值的决定性影响。然而，由于细胞的代谢以及由于培养基组分的消耗，因此培养基的pH值连续地变化。如果缺乏pH控制，则难以实现高细胞密度。因此，期望准确控制pH值。

发明内容

一般而言，本公开内容涉及对平行培养孔中pH的控制。在一个可能的配置中并且通过非限制性实例，一旦测量了培养孔中的pH，就可以在测量下一个培养孔中的pH之前启动对该培养孔的pH控制(例如，而不是在等待培养孔中的每个的pH均被测量之后启动pH控制)。pH控制可包括将实测pH值与培养孔的预定pH值进行比较以确定是否存在偏差，并且如果存在偏差，则pH控制还可包括对培养孔中pH的调节。

在一个方面中，描述了用于控制平行培养孔中pH的示例性系统。示例性系统包含：pH测量系统，其在循环期间依次测量微孔板中包含的多个培养孔中的每个的pH；pH调节系统，其在循环期间调节多个培养孔中的一个或更多个中的pH；以及控制器，其与pH测量系统和pH调节系统通信地耦合。控制器包含处理装置和与处理装置耦合的存储器。存储器存储指令，所述指令当由处理装置执行时，使得控制器从pH测量系统接收多个培养孔中的第一培养孔的实测pH值，以及在从pH测量系统接收多个培养孔中的一个或更多个其他培养孔的一个或更多个另外的实测pH值之前启动对第一培养孔的pH控制。pH控制包括将第一培养孔中的实测pH值与第一培养孔的预定pH值进行比较，基于比较，确定实测pH值是否偏离预定pH值，以及响应于实测pH值偏离预定pH值的确定，产生并向pH调节系统提供信号，以使得pH调节系统调节第一培养孔中的pH以校正偏差。

在另一个方面中，描述了用于控制平行培养孔中pH的示例性方法。所述示例性方法包括测量微孔板中包含的多个培养孔中的培养孔中的pH，以及在测量多个培养孔中的至少一个或更多个其他培养孔中的pH之前启动对所述培养孔的pH控制。pH控制包括将所述培养孔中的实测pH与所述培养孔的预定pH进行比较，基于比较，确定实测pH是否偏离预定pH，以及响应于实测pH偏离预定pH的确定，调节所述培养孔中的pH以校正偏差。

在另一个方面中，描述了示例性计算机可读非暂态存储介质。计算机可读非暂态存储介质存储指令，所述指令当由至少一个处理装置执行时，使得至少一个处理装置从pH测量系统接收微孔板中包含的多个培养孔中的培养孔的实测pH值，以及在从pH测量系统接收多个培养孔中的一个或更多个其他培养孔的一个或更多个另外的实测pH值之前启动对所述培养孔的pH控制。pH控制还使得至少一个处理装置将所述培养孔中的实测pH值与所述培养孔的预定pH值进行比较，基于比较，确定实测pH值是否偏离预定pH值，以及响应于实测pH值偏离预定pH值的确定，产生并向pH调节系统提供信号，以使得pH调节系统调节所述培养孔中的pH以校正偏差。

附图说明

图1示出了能够进行实时pH调节的示例性生物过程控制系统。

图2是图1中描述的生物过程控制系统的示例性组件的框图。

图3是图1和图2中描述的生物过程控制系统的示例性计算装置。

图4是示出了用于控制平行培养孔中pH的方法的流程图。

图5A是示例性微孔板配置和相关的pH测量图案。

图5B是用于图5A中所示微孔板配置的另一个示例性pH测量图案。

图6是另一个示例性微孔板配置和相关的pH测量图案。

图7是示出了微孔板的单独培养孔的pH测量的概念图。

图8是示出了通过生物过程控制系统实现用于pH控制的闭合控制回路的概念图。

图9示出了能够实现对培养孔进行pH调节的pH调节系统的组件的示例性配置。

图10示出了能够实现对培养孔进行pH调节的pH调节系统的组件的另一个示例性配置。

图11示出了与微孔板集成的示例性pH调节系统。

图12是示出了示例性pH调节系统的气动控制阀的概念图。

图13是示出了用于在循环内对多个微孔板孔中的每个进行实时pH控制的示例性序列的概念图。

具体实施方式

将参照附图详细描述多个实施方案，其中遍及若干视图，相同的附图标记表示相同的部件和组件。对多个实施方案的参照并不限制在此所附权利要求的范围。此外，在本说明书中阐述的任何实例不旨在是限制性的，而仅阐述用于所附权利要求的许多可能实施方案中的一些。

当使用仪器(例如生物反应器或微生物反应器)以控制在其中放置的微孔板的培养孔中的生物过程时，可以对微孔板中每个培养孔的过程参数包括pH进行测量。如以上所简要讨论的，对于连续变化的细胞生长，培养孔的pH是重要的环境影响，并且因此期望对培养孔进行准确的pH控制。在许多传统的工作流程中，pH以及一个或更多个其他的过程参数是从循环中的每个单独培养孔测量的(例如，以测量图案从一个孔至下一个孔顺序地)，并且在已对循环中所有培养孔的pH进行过测量之后，可基于pH测量对培养孔进行任何必要的pH调节。作为一个举例说明性实例，当针对微孔板中32个孔中的每个读取三个过程参数时，一个循环可花费约3分钟来运行。然而，由于孔中的pH可在短时间内波动，因此在调节pH之前等待整个循环完成的该类型的工作流程的情况下可导致pH控制的缺乏。例如，由于细胞代谢引起的波动以及由于例如培养基组分的消耗，因此在循环开始时(例如，在3分钟循环的前几秒内)测量的培养孔的pH值可能不再代表在循环结束时该培养孔的pH。因此，使用不再代表培养孔中pH的实测pH值作为用于在循环完成之后进行的pH调节的基础可导致不准确。这些不准确对某些类型的细胞特别有影响，所述细胞需要非常窄的pH范围以用于最佳生长。

为了阻止这样的不准确，本文中描述了用于控制pH的改进的工作流程和相关系统，以允许在平行培养孔(例如，微孔板中同时用于细胞培养的两个或更多个培养孔)中进行实时pH调节。例如，作为闭合控制回路的一部分，可在pH测量系统测量培养孔的pH之后立即由控制器启动pH控制，以将实测pH与培养孔的预定pH进行比较，并使得pH调节系统调节培养孔中的pH以校正基于比较而确定的偏差。例如，可以向培养孔引入pH调节流体以校正偏差。在一些实例中，向培养孔引入pH调节流体可在pH被测量的约10秒内发生。因此，被用作pH调节的基础的实测pH是对培养孔中pH值的当前的、准确的测量，使得向培养孔引入pH调节流体将符合预定pH。另外，当相对于培养孔进行pH控制的一个或更多个方面时，可以同时对测量图案序列中的下一个培养孔进行pH测量(例如，pH测量和pH控制平行运行)。

为了使得pH测量和pH控制能够平行运行，控制器可以是具有较高计算能力的控制器，其能够运行直接管理硬件和资源的操作系统，例如处理装置、存储器和存储(storage)。这与通常用于实现不允许平行计算的传统工作流程(例如，不能在测量之后控制每个孔的pH同时继续测量剩余孔)的低能力微控制器形成对比。例如，使用低能力微控制器在每次pH测量之后进行pH控制，工作流程将被限制为必须测量第一个孔的pH并整体控制第一个孔的pH之后移动至下一个孔，来以顺序方式测量和控制剩余孔的pH，这将极大地延迟循环(例如，提高测量和控制每个孔中pH所花费的时间的量)。

图1示出了能够实时pH调节的示例性生物过程控制系统100，下文称为系统100。系统100包含仪器102和与仪器102的至少一个或更多个组件，至少包括仪器102的控制器103通信地耦合的计算装置104。在一些实例中，仪器102是生物反应器或微生物反应器，其用于促进对生物过程的控制以用于多种目的，包括用于工艺开发、补料分批优化、介质筛选、pH谱分析或诱导谱分析(induction profiling)以及其他实例。微孔板105可以插入到仪器中并被放置在与移动装置112耦合的支持件上。移动装置112可包含机械振荡器(例如，轨道振荡器)、搅拌器或超声装置以及其他实例，其与控制器103通信地耦合并由控制器103控制。

微孔板105可包含多个培养孔106。在一些实例中，将培养孔106用包含多种营养物的培养基填充以促进微生物发育，接种以将微生物(例如，单细胞或细胞集落)引入到培养基中，并在特定温度下孵育同时通过移动装置112摇动。所引入的示例性微生物可包括细菌、酵母、真菌、植物细胞、昆虫细胞或哺乳动物细胞。另外，可以支持需氧、厌氧或微需氧培养。在一些实例中，并且如相对于图6所更详细描述的，微孔板105还可包含储存孔(reservoir well)，其含有可进给或引入到培养孔106中的多种溶液，包括促进微生物发育的营养溶液和能够实现pH控制的pH调节溶液。在另一些实例中，这些类型的溶液可包含在与微孔板105分离的储存器(reservoir)中。

微孔板105的底表面108和其中包含的至少培养孔106可以由可透过电磁辐射(例如，光)的透明膜构成，以能够实现对多个过程参数的光学测量，所述过程参数包括pH、溶解氧(dissolved oxygen，DO)、生物量、和荧光分子或蛋白质的荧光强度。另外，在一些实例中，膜或盖可密封或覆盖微孔板105的顶表面和其中包含的培养孔106，以能够实现无菌或单菌环境(monoseptic environment)。当使用密封件或盖时，另外的结构(例如孔口(aperture))可以被包含以允许样品通过孔的顶表面被自动提取，以及允许溶液(例如，营养溶液或pH调节溶液)经过孔的顶表面被引入。

仪器102还包含pH测量系统116和pH调节系统118，其与控制器103形成闭合控制回路，以在通过仪器102根据方案运行实验的同时控制pH。例如，当pH测量系统116通过定位装置114而孔至孔移动时，控制器103从pH测量系统116依次接收每个培养孔106的实测pH值，基于那些所接收的pH测量值来确定是否需要pH调节，并且如果需要pH调节，则使得pH调节系统118实时调节相应孔中的pH。

在一些实例中，定位装置114、pH测量系统116和pH调节系统118与控制器103通信地耦合并由控制器103控制。或者，在另一些实例中，定位装置114、pH测量系统116和pH调节系统118可与计算装置104通信地耦合并由计算装置104直接控制(例如，基于在组件处从计算装置104直接接收的信号)和/或由计算装置104通过控制器103控制(例如，基于由控制器103从计算装置104截取并提供至组件的信号)。在一些实例中，这些组件通过有线连接(例如，通过以太网)与计算装置104耦合。在另一些实例中，连接可以是通过网络(例如因特网)的无线的。

如参照图2所更详细描述的，方案可包含测量微孔板105中培养孔106的至少子集的pH的要求。当通过仪器102根据方案运行实验时，定位装置114可由计算装置104控制，以在每个设置的时间间隔将pH测量系统116以预定义的图案或序列从孔至孔依次定位。pH测量系统116可通过与pH测量系统116连接的定位装置114的臂或支持件来定位。在一些实例中，定位装置114是X-Y轴系统。

pH测量系统116可以是利用电磁辐射(例如，光)来测量过程参数(例如pH)的光学测量系统。除pH之外，通过这样的光学测量系统还可以测量其他过程参数，包括DO、生物量和荧光分子或蛋白质的荧光强度。相应地，考虑到可透光膜形成底表面108，定位装置114将pH测量系统116定位成与微孔板105下方的培养孔106对齐。然后pH测量系统116可由计算装置104控制以测量培养孔106中的pH，如参照图7所详细描述的。在一些实例中，在pH测量系统116由定位装置114定位成与预定义的测量图案或序列中的下一个培养孔106对齐之前还可以在所述培养孔106中测量其他过程参数中的一个或更多个。

示例性预定义测量图案或序列在下图5A、5B和6中示出，通过所述预定义测量图案或序列，pH测量系统116被定位装置114从孔至孔移动。在一个实例中，在pH测量系统116被定位装置114从孔至孔移动之间的时间间隔至少足够长以允许pH测量系统116在定位装置114将pH测量系统116移动以与下一个培养孔106对齐之前测量与pH测量系统116对齐的当前培养孔106中的pH。在另一个实例中，时间间隔被进一步延长以允许测量一个或更多个另外的过程参数。

pH测量系统116立即将实测pH值传输至具有数据处理能力的装置，例如控制器103和/或计算装置104，以用于分析。作为分析的一部分以及相对于图8更详细描述的，pH控制被启动。例如，将培养孔106的实测pH值与该孔的预定pH值进行比较，其中预定pH值可以从方案获得。如果实测pH值偏离预定pH值，则pH调节系统118由控制器103控制以导致对孔中pH的调节以校正偏差。在一些实例中，并且如相对于下图2更详细描述的，pH调节系统118可以是流体系统，其能够实现将特定体积的pH调节流体进给或引入到孔中以便调节pH以校正偏差(例如，以符合预定pH值)。一旦获得了实测pH值，该pH调节就可以实时发生。例如，pH调节可以在获得测量值的约10秒内发生。

如上所述，定位装置114在每个设置的时间间隔将pH测量系统116以预定义测量图案或序列从孔至孔依次移动或定位。因此，在一些实例中，当进行pH控制的一个或更多个方面(例如，比较、偏差确定和/或调节)时，定位装置114可以同时将pH测量系统116定位成与预定义测量图案中的下一个培养孔106对齐，并且pH测量系统116可以开始测量下一个培养孔106中的pH。换言之，pH控制是在接收下一个培养孔106的pH测量值之前启动的，然而，在一些实例中，可以在正在进行pH控制的一个或更多个方面时接收下一个培养孔106的pH测量值。在另一些实例中，直至进行了pH控制的每个方面时才接收下一个培养孔106的pH测量值。

除由系统100测量和自动控制的一个或更多个过程参数(例如pH)之外，其他自动控制也可通过仪器102实施。其他控制的一些实例包括自动温度控制、自动湿度控制、自动进给、自动充气(gassing)(例如，氧气和二氧化碳)和自动每分钟转数(revolutions perminute，RPM)(例如，通过移动装置112进行的移动的速度)。

图2是包含仪器102和计算装置104的在图1中描述的系统100的示例性组件的框图200。计算装置104可以执行与仪器102相关联(例如，结合工作)的应用202。例如，用户可以利用在计算装置104上执行的应用202来产生方案204。作为一个举例说明性实例，方案204可以是用于与特定细胞类型的生长相关的实验的细胞培养方案。

作为产生方案204的一部分，用户可以识别待测量的微孔板105中培养孔106的至少子集，以及当实验运行时待针对多个循环内那些培养孔106中的每个进行测量的一个或更多个过程参数，例如pH。在一些实例中，每个培养孔106可具有同一组被测量的过程参数。在另一些实例中，至少一个培养孔106可具有不同的被测量的过程参数。此外，在循环之间针对培养孔106测量的特定过程参数可以不同，从而允许产生复杂的方案。

在其中用户选择pH作为每个循环测量的过程参数之一的一些实例中，用户限定了包含至少一个预期pH值的pH谱。pH谱可以是针对每个被测量的培养孔106特定的。另外，pH谱可以是基于时间的，使得pH谱包含对应于不同时间段或不同循环的多个预定pH值。作为一个举例说明性实例，对于实验运行的第一小时，预定pH值可以是7，对于第二小时，预定pH值可以是6，以及对于第三小时，预定pH值可以是5，依此类推。用户还能够实现对在每孔的过程参数测量之间的时间间隔的限定。然而，时间间隔的下限(例如，在测量之间的时间的最小量)是基于仪器102的硬件约束而固定的。

一旦方案204已产生，应用202就将方案204本地保存至计算装置104，或者将方案204上传至外部存储系统以用于远程存储(例如，通过网络(例如因特网)上传至基于云的存储系统)，并将方案204的拷贝传输至仪器102的控制器103。控制器103包含存储器206和处理装置208。控制器103可将方案204的拷贝存储在存储器206中。然后，当仪器102通电时，仪器102的控制器103可检索在存储器206中存储的可用方案的列表，包含方案204，并且将列表提供为通过仪器102的显示器210呈现。用户可以从用于仪器102的列表中选择方案204，并且控制器103(例如，基于由处理装置208执行的与方案204相关联的指令)使得仪器102开始对应于方案204的实验(以及稍后暂停或停止实验)。当实验运行时，显示器210可以呈现所选择的方案204和被测量的过程参数的表示。利用显示器210，用户还可以改变以下中的一者或更多者：移动装置112的速度、温度以及气体浓度和气体流量(例如，如果气体供应是方案204的一部分的话)。

另外，当通过仪器102根据方案204运行实验时，用户可以利用应用202来对用于一个或更多个未来循环的一个或更多个培养孔106的方案204进行即时(on the fly)修改。示例性修改可以包括对pH谱、在测量之间的时间和所选择的过程参数以及其他实例的修改。然后，经修改的方案204的拷贝可以被传输至仪器102以用于在存储器206中存储以及在显示器210内呈现。

对于在其中测量pH(例如单独或与其他过程参数一起)的每个循环，定位装置114由控制器103控制，以在每个设置的时间间隔(例如，如由方案204限定的)将pH测量系统116以预定义测量图案或序列从孔至孔依次移动或定位，以能够实现测量每个培养孔106中的至少pH。

如先前在图1中所讨论的，pH测量系统116可以是光学测量系统，其包含光学传感器装置212。光学传感器装置212可包含光源216，其发射电磁辐射(例如，光)以照射培养孔106。光源216的示例性类型可包括光纤或者一个或更多个发光二极管(light emittingdiode，LED)，其中LED可以布置成阵列。在一些实例中，光学传感器装置212可包含相同或不同类型的两个或更多个光源216。另外，光学传感器装置212可包含传感器218，其对响应于来自光源216的所发射电磁辐射的散射光进行检测并将所检测的光转换为电信号。示例性传感器218(也称为检测器)包含光电二极管。另外，一个或更多个滤波器模块可用于控制由光源216发射和/或由传感器218检测的光的特定波长范围。

此外，为了促进pH测量，培养孔106每个均包含至少一种化学传感器物质，例如荧光指示剂溶液(例如，荧光染料)，其针对培养孔106中的环境条件特异性地反应。例如，荧光指示剂溶液具有响应于pH值的变化而变化的荧光特征。该化学传感器物质可固定在聚合物基质中，例如在培养孔106的内底表面上，使得化学传感器物质充当pH光极(optode)220。从光源216发射的光可直接朝向pH光极220发射，使得由传感器218检测并转换为电信号的散射光包含指示培养孔106中pH的荧光特征。例如，pH光极220的读出可通过在特定波长下的时间分辨测量来进行，并且依赖于存在的水合氢离子的相应相移(phase shift)可用于计算pH值。在一些实例中，培养孔106可包含除pH光极220之外的更多，这取决于待测量的过程参数的数目和类型。作为一个举例说明性实例，培养孔106还可包含DO光极以促进使用该光学测量系统进行DO测量。

在一些实例中，化学传感器物质的类型是基于物质敏感地(例如，准确地)响应的pH范围来选择的，所述范围还对应于pH谱内的pH值范围。pH谱内的pH值范围可基于所培养的特定细胞类型。例如，与细菌细胞相比，用于哺乳动物细胞的pH值范围通常更窄。范围还可被基于细菌细胞是厌氧还是需氧以及其他类似实例所影响。用于pH测量的示例性范围包括约pH 4至pH 7.5的范围。在另一些实例中，范围可从约pH 3.8延伸至pH 8。

对于在其中测量pH(例如单独或与其他过程参数一起)的每个循环，pH测量系统116可由控制器103控制以在pH测量系统116被定位装置114孔至孔定位时依次测量并记录每个培养孔106的pH。

如先前在图1中讨论的，定位装置114可以是X-Y轴系统。X-Y轴系统可以由使用电机和滑轮机构沿轨道移动的两个垂直轴构成。在两个轴的交叉点处，光学传感器装置212的光源216被固定至两个轴。因此，移动轴将光源216拉到微孔板105的培养孔106下方，以照射培养孔106并将散射或发射的光传输至光学传感器装置212的传感器218。

光学传感器装置212可以基于从控制器103接收的信号来控制来自光源216的电磁辐射的发射。另外，光学传感器装置212可以将由传感器218产生的指示实测pH值的电信号以及其他测量的过程参数(如果是方案204的一部分的话)提供至控制器103以用于分析。在一些实例中，在对每个培养孔106进行pH测量时，电信号被实时提供至控制器103。例如，当测量培养孔106的pH(例如，获得实测pH值)时，立即将信号提供至控制器103。在一些实例中，控制器103可以将实测pH值提供至计算装置104，其中pH值可以通过由在计算装置104上的应用202提供的用户界面来显示，以允许在线监测。

当控制器103接收培养孔106的实测pH值时，pH控制由控制器103启动。例如，将实测pH值与培养孔106中的预定pH值进行比较，其中预定pH值从方案204中包含的针对相应孔的pH谱获得。如果实测pH值偏离预定pH值，则调节孔中的pH以校正偏差。在一些实例中，pH控制在下一个培养孔106的pH值由pH调节系统118测量并由应用接收之前启动。例如，在pH控制的同时，定位装置114可将pH测量系统116的光学传感器装置212定位成与沿测量图案的下一个培养孔106对齐，使得光学传感器装置212随后可以开始测量下一个培养孔106中的pH。然而，比较、偏差确定和pH调节中的一者或更多者在在下一个培养孔106中进行pH测量之前进行。

对于pH调节，控制器103将信号传输至pH调节系统118以导致对培养孔106中pH的调节，以校正偏差。在一些实例中，pH调节系统118是流体系统，其包含含有pH调节流体的流体源222(例如，储存器)、以及用于将pH调节流体从流体源222输送至每个培养孔106的流控装置223。在一个实例中，流控装置223由从流体源222至每个培养孔106的多个通道224以及打开和闭合以控制pH调节流体通过通道224从流体源222至培养孔106的移动或流动的多个阀226构成。

在一些实例中，pH调节系统118至少部分地与微孔板105集成，以使得pH调节流体能够通过通道224被引入或进给到培养孔106中。例如，通道224可与微孔板105(例如，在微孔板105的盖或覆盖件中)集成，使得它们通过培养孔106的顶表面中的开口进入培养孔106，如在下图9中示出的。在另一个实例中，通道224可与微孔板105集成，使得它们通过培养孔106的底表面中的开口进入培养孔106，如在下图10中示出的。在另一个实例中，通道224可与微孔板105集成，使得它们通过培养孔106的侧壁表面中的开口进入培养孔106。

在另一个实例(本文中未示出)中，流控装置223可以是自动分配系统，例如移液系统或移液机器人，其将pH调节流体分配到培养孔106中(例如，通过培养孔106的顶表面)。

被流体源222包含的流体可以是液体或气体形式。流体可以是pH调节流体，其具有使得培养孔106中的pH变得更碱性或更酸性的特性。作为一些举例说明性的非限制性实例，流体可包含液体调节物(liquid actuator)或气体，例如氢氧化钠(NaOH)、氯化氢(HCl)、碳酸氢盐(HCO₃)或二氧化碳(CO₂)。在一些实例中，当流体是液体时，微孔板105的储存孔可充当流体源222，其中储存孔相对于容纳通道224和阀226的微流控芯片定位，所述微流控芯片与微孔板105集成，如在下图11中示出的。在另一些实例中，当流体是气体时，pH调节系统118可包含气体供应源作为流体源222，并且与微孔板105集成的盖可包含能够实现将气体供应至每个培养孔的结构。

用于控制流体移动通过通道224的阀226可以通过仪器102的气动组件228进行气动控制。例如，每个气动组件228均可与阀226相关联，并且可接收来自压缩空气源的压缩空气。如参照下图12所更详细公开的，当压缩空气源被激活时，由压缩空气源施加的压力可导致阀226封闭或阻塞通道224，以阻止流体通过通道224从流体源222流动至培养孔106。因此，由控制器103传输至pH调节系统118以导致在培养孔106中调节pH的信号可以是这样的信号，其导致一个或更多个气动组件228的致动以使得一个或更多个阀226打开以允许pH调节流体通过相应的通道224从流体源222流动至培养孔106。在下图12中提供了一个举例说明性实例。在一些实例中，气动组件228可与用于微孔板105的支持件110集成，特别是当通道224和阀226被定位以使得流体通过培养孔106的底表面中的开口进入培养孔106时(例如，如果通道224和阀226被包含在与微孔板105的底表面集成(例如，定位在下方)的微流控芯片内)。

在一些实施方案中，当pH调节流体通过通道224添加至培养孔106时，移动装置112继续摇动微孔板105。由于由移动装置112提供的运动，因此改善了氧气到流体中的进给，并且实现了流体与培养孔106中的培养基的彻底混合。

作为一个举例说明性实例，pH调节流体的添加可在通过pH测量系统116的光学传感器装置212来测量pH值的10秒内发生。因此，添加至培养孔106以校正实测pH值相对于培养孔106的预定pH值的偏差的pH调节流体的体积是高度准确的(例如，在pH值波动之前)，以导致在培养孔106内的期望的pH调节。

另外，在一些实例中，在对pH进行测量并对培养孔106进行任何pH调节时，控制器103可通过由计算装置104上的应用202提供的用户界面将相关的测量和调节信息提供至应用202以允许在线监测。

如参照图2描述的，仪器102的控制器103可与pH测量系统116和pH调节系统118形成闭合控制回路以从pH测量系统116接收实测pH值，确定是否需要pH调节以校正相对于预定值的偏差，并且如果确是如此，则使得pH调节系统118调节pH以校正偏差。另外，控制器103可提供信号或指令来控制仪器102的多个组件，包括移动装置112、定位装置114、pH测量系统116、pH调节系统118和气动组件228。在另一些实例中，在计算装置104上执行的应用202可与pH测量系统116和pH调节系统118形成闭合控制回路，和/或提供信号或指令来控制仪器102的多个组件。在这样的一些实例中，信号或指令可从应用202直接提供至那些组件，或者它们可通过控制器103间接提供。

图3是可用于实施本公开内容的一些方面的示例性计算装置300。例如，计算装置300可为控制器103和计算装置104提供操作环境。计算装置300可用于执行本文中所述的操作系统、应用程序和软件模块(包括软件引擎)。

在一些实施方案中，计算装置300包含至少一个处理装置302，例如中央处理单元(central processing unit，CPU)。多种处理装置可获自多个制造商，例如Intel或Advanced Micro Devices。在该实例中，计算装置300还包含系统存储器304和将多个系统组件包括系统存储器304与处理装置302耦合的系统总线306。系统总线306是任意数目类型的总线结构中的一种，包括存储器总线或存储器控制器；外围总线；以及使用多种总线架构中的任一种的局部总线。

系统存储器304包含只读存储器(read only memory，ROM)308和随机存取存储器(random access memory，RAM)310。包含用于例如在启动期间在计算装置300内传送信息的基本例程的基本输入/输出系统(basic input/output system，BIOS)312通常存储在ROM308中。

在一些实施方案中，计算装置300还包含用于存储数字数据的辅助存储装置314，例如硬盘驱动器。辅助存储装置314通过辅助存储接口316与系统总线306连接。辅助存储装置314及其相关联的计算机可读介质为计算装置300提供计算机可读指令(包括应用程序和程序模块)、数据结构和其他数据的非易失性和非暂态存储。

尽管本文中所述的示例性环境使用硬盘驱动器作为辅助存储装置，但在另一些实施方案中使用其他类型的计算机可读存储介质。这些其他类型的计算机可读存储介质的一些实例包括闪存卡、数字视频盘、光盘只读存储器、数字通用盘只读存储器、随机存取存储器或只读存储器。一些实施方案包括非暂态介质。另外，这样的计算机可读存储介质可包含本地存储或基于云的存储。

可在辅助存储装置314或系统存储器304中存储许多程序模块，包括操作系统318、一个或更多个应用程序320、其他程序模块322(例如本文中所述的软件引擎)和程序数据324。一个示例性应用程序包括由仪器102的控制器103执行以尤其提供自动pH控制的应用。另一个示例性应用程序包括在计算装置104上执行并与仪器102相关联(例如，联合工作)的应用202，以尤其产生和/或修改用于由仪器102运行的实验的方案，并且能够实现在线监测多个由方案限定的过程参数，例如pH。在一些实施方案中，应用202还可向控制器103发送指令以提供或促进自动pH控制。计算装置300可利用任何合适的操作系统，例如MicrosoftWindows^TM、Google Chrome^TMOS、Apple OS、Unix或Linux和变体以及适合于计算装置的任何其他操作系统。另一些实例可包括Microsoft、Google或Apple操作系统，或者任何其他合适的操作系统。

在一些实施方案中，用户通过一个或更多个输入装置326向计算装置300提供输入。输入装置326的一些实例包括键盘328、鼠标330、麦克风332和触摸传感器334(例如触摸板或触敏显示器)。另一些实施方案包括其他输入装置326。输入装置通常通过与系统总线306耦合的输入/输出接口336来与处理装置302连接。这些输入装置326可通过任意数目的输入/输出接口例如平行端口、串行端口、游戏端口或通用串行总线连接。在输入装置与输入/输出接口336之间的无线通信也是可能的，并且在一些可能的实施方案中包括红外、无线技术、IEEE 802.11a/b/g/n、蜂窝、超宽带(ultra-wideband，UWB)、ZigBee、LoRa或其他射频通信系统。

在该示例性实施方案中，显示装置338，例如监视器、液晶显示装置、投影仪或触敏显示装置也通过接口(例如视频适配器340)与系统总线306连接。除显示装置338之外，计算装置300还可包含多个其他外围装置(未示出)，例如扬声器或打印机。

当在局域网环境或广域网环境(例如因特网)中使用时，计算装置300通常通过网络接口342(例如以太网接口)与网络连接。另一些可能的实施方案使用其他通信装置。例如，计算装置300的一些实施方案包括用于跨网络通信的调制解调器。

计算装置300通常包含至少某种形式的计算机可读介质。计算机可读介质包括可由计算装置300访问的任何可用介质。举例来说，计算机可读介质包括计算机可读存储介质和计算机可读通信介质。

计算机可读存储介质包括在被配置成存储例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的信息的任何装置中实现的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机可读存储介质包括但不限于随机存取存储器、只读存储器、电可擦除可编程只读存储器、闪存或其他存储器技术、光盘只读存储器、数字通用盘或其他光学存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望信息并且可由计算装置104访问的任何其他介质。

计算机可读通信介质通常以调制数据信号例如载波或其他传输机制来体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据，并且包括任何信息传递介质。术语“调制数据信号”是指以将信息编码在信号中的这样的方式来设置或改变其特征中的一个或更多个特征的信号。举例来说，计算机可读通信介质包括：有线介质，例如有线网络或直接有线连接；以及无线介质，例如声学、射频、红外和其他无线介质。以上中任意者的组合也被包括在计算机可读介质的范围内。

图3中示出的计算装置300也是可编程电子器件的一个实例，其可包含一个或更多个这样的计算装置，并且当包含多个计算装置时，这样的计算装置可与合适的数据通信网络耦合在一起，以便共同进行本文中公开的多个功能、方法或操作。

图4是示出用于控制pH的方法400的流程图。方法400可通过生物过程控制系统，例如参照图1和图2描述的系统100进行，以在根据方案(例如方案204)获得培养孔106的实测pH值时实时调节微孔板105中单独培养孔106的pH。方法400可作为由仪器102的控制器103驱动的闭合控制回路的一部分被实现。

方法400开始于操作402，其中对培养孔106中的pH进行测量。可以使用pH测量系统116来测量pH。例如，由控制器103控制的定位装置114将光学传感器装置212定位成与培养孔106并且特别是与培养孔106中的pH光极220对齐。然后，由控制器103控制的光学传感器装置212使得光学传感器装置212的光源216将电磁辐射(例如，光)发射到培养孔106中。光学传感器装置212的传感器218对响应于所发射电磁辐射的散射光进行检测并将所检测的光转换为一个或更多个电信号，其中所检测的光可包含指示培养孔106中pH的pH光极220的荧光特征。光学传感器装置212将电信号提供至控制器103以用于处理。

方法400可行进至操作403以启动pH控制，其中pH控制可包含操作404、406和408。例如，在操作404中，将培养孔106中的实测pH与培养孔106中的预定pH进行比较。例如，控制器103从pH测量系统116接收包含实测pH值的信号。另外，控制器103可从作为方案204的一部分而产生的对培养孔106特定的pH谱中检索预定pH值。然后将该预期pH值与实测pH值进行比较。

在pH控制的操作406中，基于比较来确定实测pH偏离预定pH。实测pH与预定pH之间的偏差或差异还可称为误差。偏差可包含方向(例如，比预定pH更酸性或比预定pH更碱性)和大小(例如，pH值差异)二者。

响应于在操作406中确定偏差，可在pH控制的操作408中调节培养孔106中的pH以校正偏差。例如，对使得培养孔106中的pH变得等于预定pH或在预定pH的至少预定义范围内的pH调节流体的特定体积进行确定。在一些实例中，仅当偏差满足阈值时才调节pH。

然后，由控制器103控制的pH调节系统118可用特定体积的pH调节流体对培养孔106进给或引入。作为一个实例，应用202可以控制一个或更多个当前封闭或阻塞在流体源222与培养孔106之间的一个或更多个通道224的阀226的打开，以允许pH调节流体通过通道224从流体源222流动至孔。在一些实例中，这样的控制包括停用相应阀226的气动组件228，使得不再接收压缩空气以及施加的相关压力。

对培养孔106的pH调节可在pH测量之后实时发生。作为一个举例说明性实例，在培养孔106中的pH调节可在培养孔106中的pH测量的约10秒内发生。因此，添加至培养孔106以校正实测pH相对于培养孔106的预定pH的偏差的pH调节流体的体积是高度准确的(例如，在pH波动之前发生)。

在一些实例中，方法400可在测量下一个培养孔之前从操作402行进至操作403。例如，至少部分进行操作404可在接收下一个培养孔106的pH测量值之前发生。在另一些实例中，操作404、406和408中的一个或更多个可在测量下一个培养孔106的pH之前已经进行或至少部分进行。作为一个举例说明性实例，在对培养孔106进行pH测量之后，由控制器103控制的定位装置114将光学传感器装置212定位成与预定义测量图案中的下一个培养孔106对齐，并且通过测量下一个培养孔106中的pH来在操作402中开始对下一个培养孔106进行方法400。然而，在该实例中，可以直至至少操作404已经部分进行时才对下一个培养孔106进行pH测量。在一些实例中，pH测量系统的光学传感器装置212孔至孔移动的时间间隔在方案204中限定，并且可以基于除pH之外(如果有的话)实测的过程参数的数目和类型。

每个循环，方法400可以针对在方案204内被识别用于pH测量的每个培养孔106进行。另外，如上所述，一旦在培养孔106中已经测量了pH，就可以将光学传感器装置212相对于下一个培养孔106定位以测量下一个培养孔106中的pH。因此，在一些实例中，针对一个或更多个培养孔106，方法400的至少一些操作可以重叠，如在下图13中概念性示出的。例如，一旦对一个培养孔106启动pH控制(例如，至少操作404已经部分进行)，就可以对另一个的pH进行测量。

如参照图4描述的，仪器102的控制器103可驱动闭合控制回路并控制仪器102的多个组件，包括定位装置114、pH测量系统116和pH调节系统118以及其他组件，以能够实现由方法400提供的自动pH控制。或者，在另一些实施方案中，在计算装置104上执行的应用202可直接或通过控制器103驱动闭合控制回路和/或控制仪器102的多个组件。

图5A是示例性微孔板配置和相关pH测量图案。图5B是图5A中所示微孔板配置的另一个示例性pH测量图案。同时参照图5A和5B，微孔板500是可与仪器102一起使用的微孔板105的一个示例性类型。微孔板500包含被布置成行502和列504的多个培养孔106。如在该实例中所举例说明的，微孔板500包含被布置成6行和8列的48个培养孔。培养孔106包含已经用微生物接种并孵育的培养基，其中在培养孔106内发生的生物过程及其作用由系统100监测和控制，包括pH波动。另外，培养孔中的每个或多个培养孔106中的至少每个可包含至少一个光极，例如参照图2描述的pH光极220，以促进在培养孔106中的pH测量。

如果已经通过方案(例如如参照图2描述的方案204)选择了所有培养孔106进行测量，则系统100的pH测量系统116可以以预定义测量图案测量每个培养孔106。如在图5A中所示，一个示例性的预定义测量图案506可以是蛇形图案，其从培养孔106左上方的第一培养孔106开始，沿培养孔106的第一行在第一方向上水平行进，沿第一行依次测量每个培养孔106。在对第一行中的培养孔106进行测量之后，pH测量系统116向下移动至培养孔106的第二行。然后，预定义测量图案506沿培养孔106的第二行在第二方向(例如，与第一方向相反)上水平行进，并向下至培养孔106的第三行，依此类推，直至图案以培养孔106左下方处的第N培养孔106结束。在另一些实施方案中，并且如在图5B中所示，栅格扫描图案508可用于测量微孔板500的培养孔106，其中pH测量系统116在测量每行的最后一列之后移动至下一行的第一列。尽管本文中呈现了两个特定的图案作为实例，但任何合适的图案均可使用。

返回参照在图5A和5B中描述的微孔板500，在一些实例中，当实施微孔板500时，pH调节系统118的至少流体源222与微孔板500分离(例如，不与其集成)。例如，来自流体源222的流体可以如图9中所示通过包含通道224的微孔板500的盖或覆盖件从顶部，或者如图10中所示通过包含通道224的微孔板500的下方的平面从底部自动进给至培养孔。在一些实例中，可以使用自动分配系统(例如，作为自动采样系统的一部分)将流体从顶部移液到培养孔中。

图6是另一个示例性微孔板配置和相关pH测量图案。微孔板600是可与仪器102一起使用的微孔板105的一个示例性类型。微孔板600包含被布置成行604和列606的两种不同类型的多个孔602。多个孔602的第一类型包含储存孔608，并且多个孔602的第二类型包含培养孔106。储存孔608可包含液体试剂，其被自动进给到培养孔106中。例如，储存孔608包含pH调节系统118的流体源222。如在该实例中举例说明的，微孔板600包含被布置成6行和8列的48个孔，其中上两行是储存孔608并且下四行是培养孔106以产生16个储存孔608和32个培养孔106。

如下面参照图11所更详细描述的，每个储存孔608可将试剂进给至培养孔106的子集，所述培养孔106被布置成与储存孔608在微孔板600的同一列606中。在一些实例中并且如图6中所示，储存孔608的第一子集612(例如，第一行)和储存孔608的第二子集614(例如，第二行)包含不同的试剂。在一个实例中，例如，储存孔608的第一子集612可包含促进微生物生长的营养溶液，并且储存孔608的第二子集614可包含由pH调节系统118使用以调节pH的pH调节溶液。在另一个实例中，储存孔608的第一子集612和第二子集614包含不同类型的pH调节溶液。例如，第一子集612中的pH调节溶液可以是酸性的并且第二子集614中的pH调节溶液可以是碱性的，反之亦然。

与参照图5A和5B所讨论的培养孔类似，图6中所示实例中的培养孔106包含已经用微生物接种并孵育的培养基，其中在培养孔106内发生的生物过程及其作用由系统100来监测和控制，包括pH波动。另外，每个培养孔106可包含至少一个光极，例如参照图2描述的pH光极220，以促进在培养孔106中的pH测量。

如果已经通过方案(例如如参照图2描述的方案204)选择了所有培养孔106进行测量，则系统100的pH测量系统116可以以预定义测量图案616测量每个培养孔106。如在图6中所示，示例性的预定义测量图案616从培养孔106左上方的第一培养孔106开始，沿培养孔106的第一行在第一方向上水平行进，并向下至培养孔106是第二行。然后，预定义测量图案616沿培养孔106的第二行在第二方向(例如，与第一方向相反)上水平行进，并向下至培养孔106的第三行，依此类推，直至图案以培养孔106左下方的第N培养孔106结束。如以上相对于图5A和5B描述的，任何合适的图案均可使用。

图7是示出对单独培养孔106的pH测量的概念图700。如所示出的，培养孔106可以由可透过电磁辐射(例如，光)的圆形和/或圆柱形底表面702和包含侧壁704的圆柱形壳来界定。在一些实例中，培养孔106可进一步由顶表面708，例如盖、覆盖件或其他类似密封件来界定。在另一些实例中，培养孔106可具有平行于底表面702的与侧壁704相交的截面，截面具有从圆形、圆柱形、正方形或矩形形状发散(diverging)的形状。

培养孔106可包含已经用微生物接种并孵育的培养基710。在一些实例中，通过移动装置112使培养孔106连续移动(例如，摇动或绕轴旋转)，导致在培养基710中形成流体峰(fluid crest)712。另外，培养孔106可包含pH光极220。pH光极220是化学传感器物质，例如荧光指示剂溶液或荧光染料，其具有响应于培养孔106中的pH变化而变化的荧光特征。pH光极220可固定在培养孔106的底表面702上。

在一些实例中，pH测量系统116的光学传感器装置212被以这样的方式对齐在培养孔106下方：电磁辐射以约200纳米(nm)至25微米(μm)的波长发射，以光束714的形式直接且单独地进入培养孔106中，以记录培养孔106中pH的测量值。例如，从光学传感器装置212发射的光束714可直接朝向培养孔106中的pH光极220发射，使得由响应于所发射光束714的光学传感器装置212检测的散射光716包含指示培养孔106中pH的荧光特征。在一些实例中，可以利用光学传感器装置212测量一个或更多个另外的过程参数，例如DO、生物量、和荧光分子或蛋白质的荧光强度。

如先前所讨论的，在一些实例中，在测量过程参数时，通过移动装置112使培养孔106继续移动(例如，轨道地摇动、线性地摇动、绕通过培养孔106上的点延伸的轴旋转、以往复方式摇晃)。在其中移动装置112是轨道振荡器的一些实例中，轨道地摇动培养孔106的相关轨道的直径可选择为小于或等于培养孔106的底表面702的直径，使得从光学传感器装置212发射的光束714保持仅指向一个孔(例如，在光学传感器装置212被定位之处下方的特定孔)。

用于测量过程参数的另一些实例描述于在2012年9月18日授权并且标题为METHODAND DEVICE FOR RECORDING PROCESS PRAMETERS OF REACTION FLUIDS IN SEVERALAGITATED MICROREACTORS的美国专利No.8,268,632中，出于所有目的并且特别是为了描述测量单独培养孔的过程参数例如pH，其公开内容在此通过引用整体并入。

图8是示出通过系统100实现用于pH控制的闭合控制回路800的概念图。闭合控制回路800测量、评价并控制过程的一个或更多个变量，例如在微孔板的单独培养孔106中发生的生物过程(例如，每孔生物过程802)。在该实例中，目的每孔生物过程802的变量是pH。

在一些实施方案中，并且如参照图8所讨论的，仪器102的控制器103驱动闭合控制回路800。在一些替代实施方案中，在计算装置104上执行的应用202可驱动闭合控制回路800。在一个实例中，作为闭合控制回路800的一部分，当pH测量系统116通过定位装置114孔至孔移动以测量每个培养孔106的pH时，控制器103从pH测量系统116依次接收每个培养孔106的实测pH值804。控制器103从方案204中包含的用于相应培养孔106的pH谱中检索预定pH值806。

在第一操作808中，控制器103确定预定pH值806与实测pH值804之间的差异(e(t))810。如果确定了差异(例如，存在偏差或误差)，则闭合控制回路800(例如，由控制器103执行)的控制器812进行计算814来确定校正变量(y(t))816以校正偏差。基于校正变量(y(t))816，确定待添加至相应培养孔106的pH调节流体的体积，并且pH调节系统118充当闭合控制回路800的控制元件，以向培养孔106引入该体积的pH调节流体来改变或影响该培养孔106的生物过程802，以校正相对于预定pH值806的偏差或误差。在一些实例中，仅当所确定的差异超过预定阈值时才调节pH。例如，控制器812可以仅当超过这样的阈值时进行计算814并确定校正变量(y(t))816。或者，可以确定校正变量(y(t))816，但pH调节系统118可以不行动。

在一个实例中，控制器812是比例-积分(proportional-integral，PI)控制器(或比例-积分-微分控制器)，其基于比例(proportional，P)分量(component)和积分(integral，I)分量来确定偏差的校正。在这样的一些实例中，为确定校正变量(y(t))而进行的计算814如下：

其中y(t)816是校正变量，e(t)810是预定pH值806与实测pH值804之间的差，K_p是P分量的比例系数，并且K_I是I分量的比例系数。

P分量描述了实测pH值804与校正变量y(t)816之间的线性依赖性。因此，偏差或误差的值越大(例如，e(t)810的值越大)，校正变量y(t)816就越大。一般而言，降低P分量或提高pH调节系统118的相应阀226将打开以允许较大剂量的pH调节流体通过相应通道224进入培养孔106中的时间段可以导致更快和更强的响应以校正偏差。

图9示出了能够实现对单独培养孔106进行pH调节的pH调节系统118的组件的示例性配置900。与参照图7描述的单独培养孔106类似，图9的培养孔106可以由可透光的圆形和/或圆柱形底表面702、包含侧壁704的圆柱形壳、和顶表面(例如配置900中的覆盖件902)来界定。在另一些实例中，培养孔106可具有平行于底表面702的与侧壁704相交的截面，截面具有从圆形、圆柱形、正方形或矩形形状发散的形状。带有具有发散形状的截面的这些类型的培养孔的一些实例描述于在2014年9月9日授权并且标题为MICROREACTOR的美国专利No.8,828,337中，出于所有目的并且特别是为了描述带有具有发散形状的截面的培养孔，其公开内容在此通过引用整体并入。

培养孔106可包含已经用微生物接种并孵育的培养基710，其中由移动装置112对培养孔106进行的连续移动导致在培养基710中形成流体峰712。另外，培养孔106可包含固定在培养孔106的底表面702上的pH光极220以促进pH测量。

如在配置900中所示，覆盖件902包含pH调节系统118的通道224，其允许来自流体源222的pH调节流体通过覆盖件902中的开口904进给或引入到每个单独的培养孔106中。为了确保通过通道224呈递的经过覆盖件902中的开口904的流体液滴还可以被培养基710以少量吸收，通过由移动装置112提供的移动(例如，摇动)产生的流体峰712延伸以接触开口904。在一些实例中，如果方案204需要，覆盖件902还可包含具有膜插入件或其他类似结构的通气入口906，以确保无菌气体供应到培养孔106中。

在另一些实例(本文中未示出)中，可以这样通过顶表面(例如覆盖件902)将pH调节流体进给或引入到培养孔106中：使用自动分配系统(例如，作为自动进样器系统的一部分)经过覆盖件902中的一个或更多个孔口通过移液器进行。

图10示出了能够实现对单独培养孔106进行pH调节的pH调节系统118的组件的另一个示例性配置1000。与参照图7描述的单独培养孔106类似，图10的培养孔106可以由可透光的圆形和/或圆柱形底表面702、包含侧壁704的圆柱形壳、和顶表面708来界定。在一些实例中，顶表面708是可透气的膜，以确保无菌气体进给至培养孔106。在另一些实例中，培养孔106可具有平行于底表面702的与侧壁704相交的截面，截面具有从圆形、圆柱形、正方形或矩形形状发散的形状。

培养孔106可包含已经用微生物接种并孵育的培养基710，其中由移动装置112对培养孔106进行的连续移动导致在培养基710中形成流体峰712。另外，培养孔106可包含固定在培养孔106的底表面702上的pH光极220以促进pH测量。

在该配置1000中，培养孔106的底表面702下方的平面1002包含通道224，通过所述通道，流体经过培养孔106的底表面702中的开口1004从流体源222输送至单独培养孔106。在一个实例中，平面1002可以是与包含培养孔106的微孔板105的底表面集成的微流控芯片，如参照下图11详细描述的。与培养孔106的底表面702类似，平面1002可透过电磁辐射，以阻止在pH测量期间对从光学传感器装置212到达pH光极220的光的任何干扰。开口1004还可定位在培养孔106的底表面702上，以避免对pH光极220(或任何其他光极(如果存在的话))的任何干扰。在一些实例中，通过通道224呈递的经过培养孔106的底表面702中的开口1004的流体液滴被通过由移动装置112提供的移动(例如，摇动)产生的流体峰712吸收到培养基710中。

图11示出了与微孔板105集成的示例性pH调节系统118(例如，集成系统1100)。集成系统1100可包含微流控芯片1102，其定位在包含储存孔和培养孔的组合的微孔板，例如参照图6描述的微孔板600的底表面下方。在图11中示出了与微流控芯片1102集成的微孔板600的一部分的放大图1104，所述部分包含微孔板600的列606中的两个储存孔608和一个培养孔106。如先前所讨论的，在一些实例中，列606中的每个储存孔608包含用于不同目的的试剂，例如在一个中为促进微生物生长的营养溶液(例如，进给溶液)并且在另一个中为pH调节流体(例如，pH溶液)。在另一些实例中，列中的两个储存孔608均可包含pH调节溶液，其中一个可包含酸性pH调节溶液并且另一个可包含碱性pH调节溶液。

微流控芯片1102可以是容纳通道224和阀226的pH调节系统118的一部分，其中阀226可以定位在微流控芯片1102的边缘上。在一些实例中，微流控芯片1102与微孔板600的底表面集成(例如，定位在下方)，使得包含微流控芯片1102的阀226的边缘直接定位在微孔板600的储存孔608下方，其用作pH调节系统118的流体源222。例如，阀226的子集对应于每个储存孔608。另外，将阀226放置在微流控芯片1102的边缘上保留了微孔板600下方的光学区域(例如，可透过电磁辐射的区域)和其中的孔602的底表面，以能够实现对过程参数的光学测量，所述过程参数例如pH、溶解氧、生物量、和荧光分子或蛋白质的荧光强度。

转到放大图1104，用于储存孔608(例如储存孔1106)的阀226的示例性子集包括入口阀1108、泵阀1110和多个出口阀1112A、1112B、1112C、1112D(统称为出口阀1112)。使用泵阀1110，通过入口阀1108吸收来自储存孔1106的流体。泵阀1110可以限定被吸收流体的体积。在一些实例中，入口阀可以附接至暂时容纳流体的室(在此未示出)，其中一旦入口阀闭合，流体就在室中建立压力并且直至出口阀1112打开。在一些实例中，入口阀1008、泵阀1110和出口阀1112中的一个或更多个是气动控制的(例如，通过参照图2描述的响应于从控制器103接收的信号的气动组件228)。下图12中包含了气动控制机构的一个实例。

出口阀1112通向通道224，其将流体引导至列606中相应培养孔106的出口。作为一个实例，出口阀1112D通向通道1114中，其将流体引导至列606中培养孔106的培养孔1118的出口1116。如在此所示出的，用于储存孔1106的阀226的子集包含四个出口阀1112，允许储存孔1106将流体供应至四个培养孔106(例如，与微孔板600中的储存孔1106在同一列606中的四个培养孔106，包括培养孔1118)。如所示出的，培养孔1118可包含用于测量pH的pH光极220以及用于测量DO的至少一个另外的光极(例如，DO光极1120)以及测量生物量或者荧光分子或蛋白质的荧光强度的能力(例如，由元件1122表示)。如先前所讨论的，将阀226放置在微流控芯片1102的边缘上保留了微孔板600下方的光学区域和培养孔1118的底表面，以能够实现对这些过程参数的光学测量。

类似地与微孔板集成的微流控芯片的另一些实例描述于在2019年9月24日授权并且标题为MICROREACTOR SYSTEM的美国专利No.10,421,071中，出于所有目的并且特别是为了描述微流控芯片及其可以与微孔板集成的方式，其公开内容在此通过引用整体并入。

图12是示出示例性pH调节系统118的气动控制阀的概念图1200。配置1202、1204和1206示出了示例性阀1208，其控制流体1210通过通道1218从储存孔1212至包含培养基1216的培养孔1214的移动。培养孔1214可以是微孔板500的培养孔106或微孔板600的培养孔106，以及其他实例。

薄膜1220定位在气动致动控制平面中的通道1218下方。作为一个实例，包含通道1218的气动致动控制平面和流体平面，例如参照图10描述的平面1002或参照图11描述的微流控芯片1102，与包含培养孔1214的微孔板的底表面集成(例如，形成其一部分)。

如在第一配置1202中所示，可以通过气动管道1224用压缩空气1222对膜1220加压，使得薄膜1220被推入通道1218并基本上封闭通道1218(例如，形成闭合的阀配置)。因此，流体1210不能从储存孔1212流动至培养孔1214。气动管道1224是参照图2描述的一个示例性气动组件228。

当不再通过气动管道1124提供压缩空气1222并且与流体通道1218中的压力相比，膜1220上的气动压力足够小时，阀1208将打开，如在第二配置1204中所示。可以通过将压缩空气1222提供至与储存孔1212相关联的泵阀1226(例如，类似于参照图11所讨论的泵阀1110)来促进实现该压力差。将压缩空气1222提供至泵阀1226的气动管道(在此未示出)是参照图2描述的另一个示例性气动组件228。当阀1208打开时，流体1210从储存孔120通过通道1218流动至培养孔1214，以用于与培养基1216混合。在一些实例中，流体1210是pH调节流体，其与培养基1216混合以响应于实测pH值偏离预定pH值的确定而调节培养基1216的pH。

当通过气动管道1224用压缩空气1222对膜1220加压时，阀1208再次闭合，如在第三配置1206中所示。

用于压缩空气1222的供应可以与参照图2描述的气动组件228外部连接。在一些实例中，在参照图1和2描述的移动装置112的支持件110中提供气动组件228。

气动控制阀的另一些实例描述于在2015年1月13日授权并且标题为MICROREACTORARRAY,DEVICE COMPRISING AMICROREACTOR ARRAY,AND METHOD FORUSINGAMCROREACTORARRAY的美国专利No.8,932,544中，出于所有目的并且特别是为了描述气动控制阀，其公开内容在此通过引用整体并入。

图13是示出对多个微孔板孔进行每孔pH测量和相关pH控制的概念图1300。作为方案的一部分，测量了一个或更多个过程参数，包括至少pH。在一个循环中，可以对微孔板的孔的至少子集(例如，由方案识别的子集)的每个孔的过程参数进行测量。例如，如图1300中所示，在微孔板中存在N个孔，并且在循环中对N个孔中的每个进行测量。

在循环开始时，pH测量系统116的光学传感器装置212被定位装置114定位成与第一孔1302对齐，并用于在操作1304中测量第一孔1302中的pH。基于测量，在操作1306中对关于是否调节第一孔1302中的pH进行确定。可以基于是否识别出了由方案识别的预定pH与实测pH的偏差或差来进行确定。如果确定调节第一孔1302中的pH，则在操作1308中使用pH调节系统118调节pH以校正偏差。

一旦已经在操作1304中在第一孔1302中测量了pH以及待测量的一个或更多个其他过程参数(如果有的话)，pH测量系统116的光学传感器装置212就可以被定位装置114定位成与第二孔1310对齐，并用于在操作1312中测量第二孔1310中的pH。第二孔1310可以是在预定义测量图案中紧接在第一孔1302之后的下一个孔。在一些实例中，操作1312发生在已经对第一孔1302部分地进行了至少操作1306之后。基于测量，在操作1314中对关于是否调节第二孔1310中的pH进行确定。与对第一孔1302的操作1306类似，在操作1314中进行的确定可以基于是否识别出由方案识别的预定pH与实测pH的偏差或差。如果确定调节第二孔410中的pH，则在操作1316中使用pH调节系统118调节pH以校正偏差。

测量pH、确定是否要调节pH、以及如果如此确定则进行调节的这样的操作按照针对每个孔的预定义测量图案在逐孔的基础上进行重复，直至到达最后一个孔(例如，第N孔1318)。例如，pH测量系统116的光学传感器装置212被定位装置114定位成与第N孔1318对齐，并用于在操作1320中测量第N孔1318中的pH。在一些实例中，操作1320发生在至少已经针对紧接在前的孔部分地进行了是否调节pH的确定之后。基于测量，在操作1322中对关于是否调节第N孔1318中的pH进行确定。与对第一孔1302的操作1306和对第二孔1310的操作1314类似，在操作1322中进行的确定可以基于是否识别出了从方案识别的预定pH与实测pH的偏差或差。如果确定调节第N孔1318中的pH，则在操作1324中使用pH调节系统118调节pH以校正偏差。然后循环结束。在一些实例中，循环可以在每个设置的时间间隔下迭代地重复。

上述多个实例和教导仅以举例说明的方式提供，并且不应被解释为限制本公开内容的范围。本领域技术人员将容易地认识到，可以在不遵循本文中举例说明和描述的实例和应用的情况下并且在不脱离本公开内容的真实精神和范围的情况下进行多种修改和改变。

Claims (33)

1.用于控制平行培养孔中pH的系统，所述系统包含：

pH测量系统，其在循环期间依次测量微孔板中包含的多个培养孔中的每个的pH；

pH调节系统，其在所述循环期间调节所述多个培养孔中的一个或更多个中的pH；以及

控制器，其与所述pH测量系统和所述pH调节系统通信地耦合，所述控制器包含处理装置和与所述处理装置耦合并存储指令的存储器，所述指令当由所述处理装置执行时使得所述控制器进行以下：

从所述pH测量系统接收所述多个培养孔中的第一培养孔的实测pH值；以及

在从所述pH测量系统接收所述多个培养孔中的一个或更多个其他培养孔的一个或更多个另外的实测pH值之前启动对所述第一培养孔的pH控制，其中所述pH控制包括：

将所述第一培养孔中的实测pH值与所述第一培养孔的预定pH值进行比较；

基于所述比较，确定所述实测pH值是否偏离所述预定pH值；以及

响应于所述实测pH值偏离所述预定pH值的确定，产生并向所述pH调节系统提供信号以使得所述pH调节系统调节所述第一培养孔中的pH以校正偏差。

2.权利要求1所述的系统，其中所述微孔板可插入到生物反应器或微生物反应器中的一者中。

3.权利要求1所述的系统，其中所述微孔板包含32至48个培养孔。

4.权利要求1所述的系统，其中所述pH测量系统包含：

光学传感器装置，其含有光源和传感器；以及

pH光极，其固定在所述多个培养孔中的一个或更多个培养孔中。

5.权利要求1所述的系统，其中可通过所述pH测量系统测量的pH范围为3.6至8。

6.权利要求1所述的系统，其中所述pH调节系统包含：

流体源，其包含pH调节流体；和

流控装置，其用于将所述pH调节流体从所述流体源输送至所述多个培养孔中的每个。

7.权利要求6所述的系统，其中所述流控装置与所述微孔板集成并且包含：

多个通道，其将所述流体源与所述多个培养孔中的每个连接以将所述pH调节流体从所述流体源输送至所述多个培养孔中的每个；和

多个阀，其控制所述pH调节流体在所述流体源与所述多个培养孔之间通过所述多个通道的流动。

8.权利要求7所述的系统，其中所述多个通道被平面地设置在所述微孔板的底表面下方，以允许所述pH调节流体通过所述多个培养孔中的每个的底表面中的开口从所述流体源输送至所述多个培养孔中的每个。

9.权利要求7所述的系统，其中所述微孔板包含覆盖件并且所述多个通道被包含在所述覆盖件中，以允许所述pH调节流体通过所述多个培养孔中的每个的顶表面中的开口从所述流体源输送至所述多个培养孔中的每个。

10.权利要求7所述的系统，其中所述流控装置是包含所述多个通道和所述多个阀的微流控芯片，并且其中所述微孔板还包含多个储存孔作为含有所述pH调节流体的所述流体源，所述多个储存孔被定位在所述多个阀上方。

11.权利要求6所述的系统，其中所述多个培养孔中的每个的顶表面包含一个或更多个孔口并且所述流控装置是自动移液系统，以通过所述一个或更多个孔口将所述pH调节流体从所述流体源输送至所述多个培养孔中的每个。

12.权利要求6所述的系统，其中为了调节所述第一培养孔中的pH以校正所述偏差，使所述pH调节系统通过所述流控装置从所述流体源向所述第一培养孔引入特定体积的所述pH调节流体，所述特定体积是基于所述控制器算出的校正变量。

13.权利要求6所述的系统，其中所述pH调节流体是液体调节物或二氧化碳气体中的一者。

14.权利要求1所述的系统，其中还使所述控制器进行以下：

从在计算装置上执行的与所述系统相关联的应用接收基于用户输入产生的方案；以及

将所述方案存储在所述存储器中。

15.权利要求14所述的系统，其中所述第一培养孔的所述预定pH值从所述方案获得，所述方案包含与所述多个培养孔对应的pH谱，其中所述pH谱包含所述多个培养孔的预期pH值。

16.权利要求15所述的系统，其中与所述多个培养孔对应的所述pH谱中的至少两个彼此不同。

17.权利要求15所述的系统，其中所述多个培养孔中的至少一个的pH谱包含多个预期pH值，所述多个预期pH值中的每个与时间段对应。

18.权利要求15所述的系统，其中还使得所述控制器进行以下：

接收与用户输入对应的指令，其用于在根据所述方案正在运行实验时修改所述方案的一部分；以及

响应于所接收的指令，使得在所述实验正在运行时所述方案的一部分基于所述接收的指令而被修改，被修改的所述方案的一部分包含所述多个培养孔中的一个的至少一个pH谱。

19.权利要求14所述的系统，其中所述多个培养孔的pH是由所述方案限定的用于测量的一个过程参数，并且所述方案还限定了用于测量的一个或更多个另外的过程参数，所述一个或更多个另外的过程参数包含溶解氧、生物量和荧光强度中的至少一者。

20.权利要求14所述的系统，其中所述方案限定了所述pH测量系统对所述多个培养孔的pH进行依次测量之间的时间间隔。

21.权利要求1所述的系统，其还包含：

定位装置，其与所述控制器通信地耦合，其在所述循环期间将所述pH测量系统从培养孔定位至培养孔，以使得所述pH测量系统能够依次测量所述多个培养孔中的每个的pH。

22.权利要求21所述的系统，其中还使得所述控制器进行以下：

在从所述pH测量系统接收所述第一培养孔的所述实测pH值之后，产生并向所述定位装置提供信号，以使得所述定位装置将所述pH测量系统重新定位至所述多个培养孔中pH待测量的下一个培养孔。

23.权利要求1所述的系统，其中所述pH测量系统以预定义图案依次测量所述多个培养孔中的每个的pH。

24.权利要求23所述的系统，其中所述预定义图案是蛇形图案。

25.权利要求23所述的系统，其中所述预定义图案是栅格图案。

26.用于控制平行培养孔中pH的方法，所述方法包括：

测量微孔板中包含的多个培养孔中的培养孔中的pH；以及

在测量所述多个培养孔中的至少一个或更多个其他培养孔中的pH之前，启动对所述培养孔的pH控制，其中所述pH控制包括：

将所述培养孔中的实测pH与所述培养孔的预定pH进行比较；

基于所述比较，确定所述实测pH是否偏离所述预定pH；以及

响应于所述实测pH偏离所述预定pH的确定，调节所述培养孔中的pH以校正偏差。

27.权利要求26所述的方法，其中调节所述培养孔中的pH以校正所述偏差包括在测量所述培养孔中的pH的约10秒内调节所述培养孔中的pH。

28.权利要求26所述的方法，其中调节所述培养孔中的pH以校正所述偏差包括向所述培养孔中引入pH调节流体。

29.权利要求28所述的方法，其还包括：

基于算出的校正变量来确定向所述培养孔引入的pH调节流体的体积。

30.权利要求29所述的方法，其还包括：

基于所述预定pH与所测得pH之间的差异、比例分量的比例系数和积分分量的比例系数来计算所述校正变量。

31.权利要求26所述的方法，其中所述pH是在所述培养孔中测量的一个过程参数，并且所述方法还包括：

在测量所述多个培养孔中的至少一个或更多个其他培养孔中的pH之前，测量所述培养孔中的一个或更多个另外的过程参数，所述一个或更多个另外的过程参数包含溶解氧、生物量和荧光强度中的至少一者。

32.权利要求26所述的方法，其还包括：

确定所测得pH相对于所述预定pH的偏差是否满足阈值，其中仅在满足所述阈值的情况下才调节所述培养孔中的pH。

33.一个或更多个计算机可读非暂态存储介质，其存储指令，所述指令当由至少一个处理装置执行时使得所述至少一个处理装置进行以下：

从pH测量系统接收微孔板中包含的多个培养孔中的培养孔的实测pH值；以及

在从所述pH测量系统接收所述多个培养孔中的一个或更多个其他培养孔的一个或更多个另外的实测pH值之前启动对所述培养孔的pH控制，其中所述pH控制还使得所述至少一个处理装置进行以下：

将所述培养孔中的所述实测pH值与所述培养孔的预定pH值进行比较；

基于所述比较，确定所述实测pH值是否偏离所述预定pH值；以及

响应于所述实测pH值偏离所述预定pH值的确定，产生并向pH调节系统提供信号，以使得所述pH调节系统调节所述培养孔中的pH以校正偏差。