CN117561325A - 用于生物技术应用的流体取样系统及其操作方法和用途 - Google Patents

Abstract

一种用于生物技术应用的流体取样系统，包括用于包含细胞(6)的流体培养基(4)的生物反应器室(2)，还包括用于将受控量的培养基从所述生物反应器室转移至目标容器(10)的转移装置(8)。该转移装置包括：灌注探针(12)，其具有围绕内部探针腔体(14)的不透流体的探针壳体，并且具有入口探针孔(16)和出口探针孔(18)；流体过滤元件(20)，其密封地连接至探针壳体并形成入口探针孔的盖子。流体连接管线包括流体接收器(30)，该流体接收器布置在灌注探针的出口探针孔(18)与目标容器(10)之间，并且布置在重量测量站(32)上，该重量测量站被配置成获取与流体接收器的瞬时重量对应的重量信号。

Description

用于生物技术应用的流体取样系统及其操作方法和用途

技术领域

本发明总体上涉及一种适合用于生物技术应用的流体取样系统。此外，本发明涉及一种操作这样的取样系统的方法以及这样的取样系统的用途。

背景技术

在生物技术中广泛使用各种类型的流体取样系统。一种这样的系统通常包括浸入在所关注的流体中的流体取样探针和用于将所述流体的部分转移至适当的流体接收段的装置。为了避免对颗粒物质(例如培养细胞)以及各种类型的碎片进行不希望有的取样，这种取样探针通常包括某种微滤装置。根据具体应用，流体取样系统被配置成在选定方面具有最佳性能，例如流体通过量、被转移的流体部分的精度、或被转移的流体部分中包含的颗粒的尺寸范围。

在许多情况下，希望有一种配有用于确定转移的流体量的连续可用装置的流体取样系统。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种适合用于生物技术应用的改进的流体取样系统。尤其是，这种装置克服了目前已知装置的限制和缺点。

根据本发明的一个方面，一种用于生物技术应用的流体取样系统包括用于包含细胞的流体培养基的生物反应器室，还包括用于将受控量的培养基从所述生物反应器室转移至目标容器的转移装置。所述转移装置包括：灌注探针，其具有围绕内部探针腔体的不透流体的探针壳体，并且具有入口探针孔和出口探针孔；流体过滤元件，其密封地连接至所述探针壳体并形成所述入口探针孔的盖子，所述流体过滤元件被形成为至少一个具有主面和与其相对的副面的单片板，在所述灌注探针被插入到所述生物反应器室中或连接至所述生物反应器室时，所述主面与所述培养基接触，并且所述副面与所述灌注探针的内部腔体接触，所述流体过滤元件包括在所述主面与所述副面之间限定过滤通道的微通道阵列，所述微通道分别具有在0.2至64微米范围内选择的预定开口；以及流体驱动装置，其用于驱动培养基从生物反应器室通过灌注探针以产生过滤的培养基，并用于驱动所述过滤的培养基通过流体连接管线进入所述目标容器。所述流体连接管线包括布置在灌注探针的出口探针孔与目标容器之间的流体接收器。所述流体接收器布置在被配置成获取与流体接收器的瞬时重量对应的重量信号的重量测量站上。

根据另一个方面，提供了一种操作如上文所限定的流体取样系统的方法，该方法包括以下步骤：

a)向生物反应器室装载含有细胞的流体培养基；

b)在预定时间后，将一定量的过滤的培养基转移到流体接收器中，并获取与流体接收器的瞬时重量对应的重量信号，

c)将所述量的过滤的培养基进一步转移到目标容器中。

根据另一个方面，如上文所限定的流体取样系统用于将过滤的培养基导引至以下装置之一：

-葡萄糖测定站；

-多样品收集站；

-收获站。

术语“流体取样”不局限于在取样时通常使用的抽取少量流体，即，用于分析的流体量。它还应包括用于生产目的的较大的流体量。

本发明不限于在灌注探针被插入到生物反应器室中时主面与培养基直接接触的实施例。本发明还包括在通过适当的连接装置(尤其是通过适当的附加流体容器)连接至生物反应器室时主面与培养基接触的实施例。

所述流体过滤元件被形成为至少一个具有外表面和与外表面相对的内表面的单片板，内表面与灌注室的内部腔体接触。所述流体过滤元件包括在外表面与内表面之间限定过滤流体通道的微通道阵列。所述微通道具有在0.2至64微米范围内选择的预定开口。非常优选的是，所有微通道具有在制造公差范围内完全相同的开口，这意味着10％或甚至更小的变化。

微通道的最佳尺寸将取决于具体应用。一般来说，它会在0.2至10微米范围内选择。下限主要由可用的成形技术决定，但也取决于具有足够的流通量的需要。上限由应该防止进入微通道的颗粒尺寸决定。对于某些需要防止细菌通过微滤装置的应用，微通道的开口不应超过大约0.45微米。对于其它应用，微通道优选具有0.9至2.2微米范围内的开口，尤其是大约1.6微米。在0.2至32微米范围内、尤其是在4至32微米范围内的开口通常用于细胞过滤，即，从生物反应器室中提取流体。

在具有圆形截面的微通道的情况下，术语“开口”应理解为直径；对于非圆形微通道，术语“开口”应理解为横截面的最小横向尺寸。目前可用于形成具有上述直径范围的开口的技术通常需要最大为5的高径比(“纵横比”)。换句话说，微通道周围区域中的前板的厚度需要足够小，即，根据微通道直径，在1至50微米范围内。为了给前板提供足够的刚度，在某些实施例中，在偏离微通道的位置处设有具有相当大的厚度的加强区域。

本发明的装置通常用于生物技术应用，这意味着与水性介质的相容性，并且本发明的装置也适合用于消毒和清洁操作。因此，所述装置最好由适当的材料制成，例如适当等级的不锈钢。此外，术语“流体安全的方式”和“密封连接”意味着在生物技术装置(例如生物反应器)中普遍存在的温度和压力条件下能够防止不希望有的流体转移的技术方案。这通常可以通过不锈钢、硅和可能的玻璃制成的部件以及使用适当弹性材料的O型圈密封来实现。金属密封件也是可用的。

本发明的一个重要组成部分是包括重量测量站，该重量测量站允许连续监测系统中被转移的流体量。

在从属权利要求中限定了有利的实施例，并在下面进行说明。

原则上说，可以使用各种类型的重量测量站。根据特别有利的实施例(权利要求2)，所述重量测量站包括弯曲梁测重传感器。在市场上能够买到各种构造和各种重量范围的此类器件。

有利的是(权利要求3)，所述重量测量站包括刚性梁，该刚性梁具有第一梁端和第二梁端，并且在位于所述第一端与所述第二端之间的枢转点处可枢转地附接至重量测量站的保持座，其中所述流体接收器搁置在所述第一梁端上，从而施加向下的力Fd，并且其中所述第二梁端向测重传感器传递相应的向上的力Fu。通过这种方式，可以使用高度紧凑且方便可用的弯曲梁测重传感器，同时仍然提供适当的重量测量精度。

根据一个实施例(权利要求4)，所述流体接收器包括：不透流体的接收器室，其设有位于接收器室的上部区域中的流体入口连接器、位于接收器室的底部区域中的流体出口连接器、以及位于接收器室的上部区域中的气压补偿端口。如果底部区域具有内径沿着向下方向逐渐减小的锥形横截面，那么是特别有利的。在某些实施例中，所述流体连接器是所谓的鲁尔型的。

为了支持必要的基本流体处理操作，所述流体驱动装置最好包括(权利要求5)：布置在出口探针孔与流体入口连接器之间的双向流体泵、以及布置在流体出口连接器与目标容器之间的单向流体泵。根据一个有利的实施例(权利要求6)，所述流体驱动装置还包括：布置在出口探针孔与所述双向流体泵之间的用于有选择性地将清洗流体贮存器连接至所述双向泵的第一流体开关；以及布置在所述单向流体泵与目标容器之间的用于有选择性地将单向流体泵连接至废物容器的第二流体开关。

根据一个特别有利的实施例(权利要求7)，每个流体过滤元件包括具有第一厚度D1的框架区域，并且所述微通道阵列布置在被该框架区域包围的至少一个核心区域中，所述核心区域具有显著小于第一厚度的第二厚度D2。例如，所述框架区域可以具有大约0.3至0.8毫米、尤其是大约0.5毫米的第一厚度D1，而所述核心区域可以具有仅仅0.005至0.010毫米、尤其是大约0.008毫米的第二厚度D2。

此外，有利的是(权利要求8)，所述微通道阵列包括多个阵列段，相邻的段被具有第三厚度D3的分隔肋分隔开，该第三厚度D3基本上等于第一厚度D1。

有利的是，所述流体过滤元件由适合用于光刻处理的材料制成，例如硅(Si)或氮化硅(Si₃N₄)，这是一种用于形成具有明确形状的窄结构的非常方便的技术。在一个实施例中(权利要求9)，每个流体过滤元件是由硅制成的，并且通过胶粘或焊接密封地连接至探针壳体。在一些实施例中，所述流体输送元件被功能化，即，具有适当的涂层。这种涂层的类型和厚度会取决于具体应用。

根据一个特别有利的实施例(权利要求10)，所述探针壳体基本上是方管形的，并且包括一对相互平行的第一侧面和一对相互平行的第二侧面，每对侧面垂直于另一对侧面，其中所述第一侧面被配置成形成所述入口探针孔，并且其中所述第二侧面被配置成形成所述出口探针孔。根据另一个实施例(权利要求11)，所述探针壳体包括沿着管轴线L布置的多个(至少两个)独立的探针隔室，其中每个隔室包括相应的一对第一侧面和第二侧面。根据另一个实施例(权利要求12)，所述第二侧面设有纵向凹槽，每个凹槽连接至相应的探针隔室和相应的流体出口，每个第二侧面被侧向遮盖垫遮盖。

根据一个有利的实施例(权利要求14)，所述操作流体取样系统的特定实施例的方法还包括以下步骤：有选择性地将清洗流体贮存器连接至所述双向泵；以及有选择性地将所述单向流体泵连接至废物容器，随后驱动清洗流体通过流体接收器；上述步骤至少在步骤a)至c)的序列之前执行。

有可能通过单条流体连接管线来管理流体抽取和流体供应，例如以便周期性地反冲流体过滤元件。应理解，这种连接管线由适当的流体处理系统管理。这种系统通常被配置成至少能够执行以下步骤：

a)从内部腔室抽取过滤的流体；

b)使反冲介质流动通过缓冲腔体。

事实上，已经证明，依靠具有10个时间步的抽取和随后的1个时间步的反冲的逐步操作的方案允许高效地防止因在流体过滤元件的表面上形成碎屑团块而造成的堵塞。

作为防止堵塞的一种附加措施，可以施加一些连续的搅拌，以使基本平行的介质流过流体输送元件的表面。

附图说明

通过结合附图参考本发明的各种实施例的以下说明，本发明的上述和其它特征和目的以及实现它们的方式将变得更加明显，并且能更好地理解本发明本身，在附图中：

图1以示意图示出了用于生物技术应用的流体取样系统的一个实施例；

图2以示意性竖向截面图示出了包括流体接收器的流体取样系统的重量测量站；

图3以透视图示出了处于部分分解状态的流体接收器；

图4以竖向截面图示出了处于组装好的状态的图3的流体接收器；

图5以透视图示出了处于部分分解状态的流体取样系统的重量测量站；

图6以透视图示出了处于组装好的状态的图5的重量测量站；

图7以透视图示出了包括重量测量站和流体接收器的安装单元；

图8以透视图示出了灌注探针；

图9以俯视图示出了图8的灌注探针的流体输送元件；

图10以根据图9的截面A-A的截面图示出了图9的流体输送元件；和

图11示出了图10的放大部分B；

图12以透视图示出了处于分解状态的图8的灌注探针；

图13以俯视图示出了图8的灌注探针的尖端部分；

图14以根据图13的截面A-A的截面图示出了图13的尖端部分；

图15以第一侧视图示出了图13的尖端部分，其中移除了侧向遮盖垫；

图16以根据图13的截面B-B的截面图示出了图13的尖端部分；

图17以第二侧视图示出了图13的尖端部分，其中移除了侧向遮盖垫；

图18以根据图13的截面C-C的截面图示出了图13的尖端部分；和

图19以示意图示出了用于生物技术应用的流体取样系统的另一个实施例。

具体实施方式

为了更好地解释本发明的总体原理，图1示出了流体取样系统的总体示意图。此外，图2示出了包括流体接收器的流体取样系统的重量测量站的示意图。在图3至图18和图19中示出了本发明的另一些细节。

如图1和图2所示，一种用于生物技术应用的流体取样系统包括用于包含细胞(6)的流体培养基(4)的生物反应器室(2)，还包括用于将受控量的培养基从生物反应器室转移至目标容器(10)的转移装置(8)。所述转移装置包括：

-灌注探针(12)，其具有围绕内部探针腔体(14)的不透流体的探针壳体，并且具有入口探针孔(16)和出口探针孔(18)；

-流体过滤元件(20)，其密封地连接至所述探针壳体并形成所述入口探针孔的盖子，所述流体过滤元件被形成为至少一个具有主面(22)和与其相对的副面(24)的单片板，在所述灌注探针被插入到所述生物反应器室中或连接至所述生物反应器室时，所述主面与所述培养基接触，并且所述副面与所述灌注探针的内部腔体接触，所述流体过滤元件包括在所述主面与所述副面之间限定过滤通道的微通道阵列(26)，所述微通道分别具有在0.2至64微米范围内选择的预定开口；

-流体驱动装置(28a、28b)，其用于驱动培养基从生物反应器室通过灌注探针以产生过滤的培养基，并用于驱动所述过滤的培养基通过流体连接管线进入所述目标容器。

所述流体连接管线包括布置在灌注探针的出口探针孔(18)与目标容器(10)之间的流体接收器(30)，所述流体接收器(30)布置在被配置成获取与流体接收器的瞬时重量对应的重量信号的重量测量站(32)上。

在图2、图5和图6所示的实施例中，所述重量测量站包括弯曲梁测重传感器(34)。所述重量测量站(32)还包括刚性梁(36)，该刚性梁(36)具有第一梁端(38)和第二梁端(40)，并且在位于所述第一端与所述第二端之间的枢转点(44)处可枢转地附接至重量测量站的保持座(42)，其中所述流体接收器搁置在所述第一梁端上，从而施加向下的力(Fd)，并且其中所述第二梁端向测重传感器(34)传递相应的向上的力(Fu)。

如图3和图4所示，流体接收器(30)包括不透流体的接收器室(46)，该接收器室设有位于接收器室的上部区域中的流体入口连接器(48)、位于接收器室的底部区域中的流体出口连接器(50)、以及位于接收器室的上部区域中的气压补偿端口(52)。

请再次回到图1，所述流体驱动器装置还包括布置在出口探针孔(18)与双向流体泵(28a)之间的用于有选择性地将清洗流体贮存器(56)连接至双向泵(28a)的第一流体开关(54)、以及布置在所述单向流体泵(28b)与目标容器(10)之间的用于有选择性地将单向流体泵(28b)连接至废物容器(60)的第二流体开关(58)。

为了进一步说明本发明，图7示出了包括重量测量站和流体接收器的安装单元。

在图8至18中示出了灌注探针的另一些细节。

每个流体过滤元件(16)包括具有第一厚度(D1)的框架区域，并且其中所述微通道阵列布置在被所述框架区域包围的至少一个核心区域(62)中，所述核心区域具有第二厚度(D2)，该第二厚度显著小于所述第一厚度。所述微通道阵列包括多个阵列段，相邻的段被具有第三厚度(D3)的分隔肋分隔开，该第三厚度(D3)基本上等于第一厚度(D1)。

在所示的实施例中，每个流体过滤元件是由硅(Si)制成的，并且通过胶粘或焊接密封地连接至探针壳体(64)。

所述探针壳体(64)基本上是方管形的，并且包括一对相互平行的第一侧面(66a、66b)和一对相互平行的第二侧面(66c、66d)，每对侧面垂直于另一对侧面，其中所述第一侧面(66a、66b)被配置成形成所述入口探针孔(16)，并且其中所述第二侧面(66c、66d)被配置成形成所述出口探针孔(18)。

在图12所示的实施例中，探针壳体(64)包括沿着管轴线L布置的多个(至少两个)独立的探针隔室(64-1、64-2、64-3)，其中每个隔室包括相应的一对第一侧面和第二侧面。尤其是，第二侧面(66c、66d)设有纵向凹槽(70-1、70-2、70-3、70-4)，每个凹槽连接至相应的探针隔室(64-1、64-2、64-3)和相应的流体出口端口(72)，每个第二侧面被侧向遮盖垫(68)遮盖。

在操作上述系统时，执行以下步骤：

a)向生物反应器室(2)装载含有细胞(6)的流体培养基(4)；

b)在预定时间后，将一定量的过滤的培养基转移到流体接收器(30)中，并获取与流体接收器的瞬时重量对应的重量信号，

c)将所述量的过滤的培养基进一步转移到目标容器(10)中。

在一个实施例中，所述操作方式还包括以下步骤：

-有选择性地将清洗流体贮存器(56)连接至所述双向泵(28a)；以及有选择性地将所述单向流体泵(28b)连接至废物容器(60)，随后驱动清洗流体通过流体接收器(30)；

注意，上述步骤应至少在步骤a)至c)的序列之前执行。

图19示出了用于生物技术应用的流体取样系统的另一个实施例。与图1所示的系统相比，灌注探针(12)不是直接浸入到生物反应器(2)中的。相反，灌注探针被浸入到培养基容器(100)中，该培养基容器通过连接管(尤其是柔性管)与生物反应器(2)流体连通。此外，在图19的实例中，灌注探针(12)包括两个流体过滤元件(20)。与图1的实施例相比，这个实施例允许显著增加的流体通过量，因为流体过滤元件(20)的有效面积可以成比例地增大。

Claims (15)

1.一种用于生物技术应用的流体取样系统，包括用于包含细胞(6)的流体培养基(4)的生物反应器室(2)，还包括用于将受控量的培养基从所述生物反应器室转移至目标容器(10)的转移装置(8)，其中所述转移装置包括：

-灌注探针(12)，其具有围绕内部探针腔体(14)的不透流体的探针壳体，并且具有入口探针孔(16)和出口探针孔(18)；

-流体过滤元件(20)，其密封地连接至所述探针壳体并形成所述入口探针孔的盖子，所述流体过滤元件被形成为至少一个具有主面(22)和与其相对的副面(24)的单片板，在所述灌注探针被插入到所述生物反应器室中或连接至所述生物反应器室时，所述主面与所述培养基接触，

并且所述副面与所述灌注探针的内部腔体接触，所述流体过滤元件包括在所述主面与所述副面之间限定过滤通道的微通道阵列(26)，所述微通道分别具有在0.2至64微米范围内选择的预定开口；

-流体驱动装置(28a、28b)，其用于驱动培养基从生物反应器室通过灌注探针以产生过滤的培养基，并用于驱动所述过滤的培养基通过流体连接管线进入所述目标容器；

其中所述流体连接管线包括布置在灌注探针的出口探针孔(18)与目标容器(10)之间的流体接收器(30)，

其特征在于：

所述流体接收器(30)布置在被配置成获取与流体接收器的瞬时重量对应的重量信号的重量测量站(32)上。

2.如权利要求1所述的流体取样系统，其中所述重量测量站包括弯曲梁测重传感器(34)。

3.如权利要求2所述的流体取样系统，其中所述重量测量站(32)包括刚性梁(36)，该刚性梁(36)具有第一梁端(38)和第二梁端(40)，并且在位于所述第一端与所述第二端之间的枢转点(44)处可枢转地附接至重量测量站的保持座(42)，其中所述流体接收器搁置在所述第一梁端上，从而施加向下的力(Fd)，并且其中所述第二梁端向测重传感器(34)传递相应的向上的力(Fu)。

4.如权利要求1至3中任一项所述的流体取样系统，其中所述流体接收器(30)包括

-不透流体的接收器室(46)，其设有位于接收器室的上部区域中的流体入口连接器(48)，

-位于接收器室的底部区域中的流体出口连接器(50)，以及

-位于接收器室的上部区域中的气体压力补偿端口(52)。

5.如权利要求4所述的流体取样系统，其中所述流体驱动装置包括：

-布置在出口探针孔(18)与流体入口连接器(48)之间的双向流体泵(28a)，以及

-布置在流体出口连接器(50)与目标容器(10)之间的单向流体泵(28b)。

6.如权利要求4或5所述的流体取样系统，其中所述流体驱动装置还包括：

-布置在出口探针孔(18)与所述双向流体泵(28a)之间的用于有选择性地将清洗流体贮存器(56)连接至所述双向泵(28a)的第一流体开关(54)；以及

-布置在所述单向流体泵(28b)与目标容器(10)之间的用于有选择性地将单向流体泵(28b)连接至废物容器(60)的第二流体开关(58)。

7.如权利要求1至6中任一项所述的流体取样系统，其中每个流体过滤元件(16)包括具有第一厚度(D1)的框架区域，并且其中所述微通道阵列布置在被所述框架区域包围的至少一个核心区域(62)中，所述核心区域具有第二厚度(D2)，该第二厚度显著小于所述第一厚度。

8.如权利要求7所述的流体取样系统，其中所述微通道阵列包括多个阵列段，相邻的段被具有第三厚度(D3)的分隔肋分隔开，该第三厚度(D3)基本上等于第一厚度(D1)。

9.如权利要求7或8所述的流体取样系统，其中每个流体过滤元件是由硅(Si)制成的，并且通过胶粘或焊接密封地连接至探针壳体(64)。

10.如权利要求7至9中任一项所述的流体取样系统，其中所述探针壳体(64)基本上是方管形的，并且包括一对相互平行的第一侧面(66a、66b)和一对相互平行的第二侧面(66c、66d)，每对侧面垂直于另一对侧面，其中所述第一侧面(66a、66b)被配置成形成所述入口探针孔(16)，并且其中所述第二侧面(66c、66d)被配置成形成所述出口探针孔(18)。

11.如权利要求10所述的流体取样系统，其中所述探针壳体(64)包括沿着管轴线L布置的多个、至少两个独立的探针隔室(64-1、64-2、64-3)，其中每个隔室包括相应的一对第一侧面和第二侧面。

12.如权利要求10或11所述的流体取样系统，其中所述第二侧面(66c、66d)设有纵向凹槽(70-1、70-2、70-3、70-4)，每个凹槽连接至相应的探针隔室(64-1、64-2、64-3)和相应的流体出口端口(72)，每个第二侧面被侧向遮盖垫(68)遮盖。

13.一种操作如权利要求1至12中任一项所述的流体取样系统的方法，包括以下步骤：

a)向生物反应器室(2)装载含有细胞(6)的流体培养基(4)；

b)在预定时间后，将一定量的过滤的培养基转移到流体接收器(30)中，并获取与流体接收器的瞬时重量对应的重量信号，

c)将所述量的过滤的培养基进一步转移到目标容器(10)中。

14.如权利要求13所述的操作如权利要求6所述的流体取样系统的方法，还包括以下步骤：

-有选择性地将清洗流体贮存器(56)连接至所述双向泵(28a)；以及有选择性地将所述单向流体泵(28b)连接至废物容器(60)，随后驱动清洗流体通过流体接收器(30)；

上述步骤至少在步骤a)至c)的序列之前执行。

15.如权利要求1至12中任一项所述的流体取样系统的用于将过滤的培养基导引至以下装置之一的用途：

-葡萄糖测定站；

-多样品收集站；

-收获站。