CN219603595U - 一种交变切向流灌流系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种交变切向流灌流系统，用于细胞灌流培养，其包括：至少一个生物反应器；至少一个切向流过滤器；至少一个离心式磁力泵，连接反应器出口和换向阀组；所述换向阀组连接所述过滤器的截留物入口端、截留物出口端；所述换向阀组的其中一个口连接到所述生物反应器；通过换向阀组的一定频率的切换形成交变流动，以及切向流的冲刷作用，从而抑制堵塞机制的作用、调节合适的细胞停留时间，以支持长时间生产，降低膜面积需求。

Description

一种交变切向流灌流系统

技术领域

本发明涉及一种交变切向流灌流系统，用于细胞灌流培养。本发明的系统特别用于制药和生物技术产品的上游制造，其中它适用于上游的连续生产。

背景技术

近年来，由于基因工程和生物技术的革命，细胞培养引起了相当大的兴趣。培养细胞以制造例如用于治疗、研究和诊断的蛋白质、受体、疫苗和抗体。

对于生物工艺应用，连续加工是一个不断增长的趋势，因为与使用以间歇和分批模式运行的较大生物反应器相比，较小的生物反应器可用于生产所需数量的产品。灌流通过实现连续的养分供应和去除废培养基和代谢废物来实现连续加工。连续工艺可提高产品产量、产品质量、工艺集约化、降低资本支出并降低运营支出。在此操作中，细胞保留在生物反应器中，并且产物与有毒代谢副产物一起连续去除。含有营养物质的饲料被不断添加到生物反应器中。灌流培养操作能够实现高细胞密度，更重要的是，细胞可以保持高生产率状态数周。这实现了更高的产量，并减小了必要的生物反应器的尺寸。它也是培养原代或其他缓慢生长细胞的有用技术。

近年来，灌流操作得到了极大的发展。美国专利号6，544，424公开了一种灌流系统，其中往复式隔膜泵在向外冲程期间通过中空纤维过滤器将培养液从生物反应器中抽出，并在向内冲程期间将液体通过过滤器推回生物反应器。在向外冲程期间，会产生渗透液，在向内冲程期间，过滤器被反冲洗以减少细胞堵塞。然而，此系统的过滤效率不是最佳的，由于往复泵的设计使得灌流的停留时间和往复的频率是关联的，不能分别调整，这两个参数对于延缓过滤器的堵塞极其重要，过滤器堵塞限制了灌流的持续时间，也限制了在过程结束时可以实现的细胞密度，所以为了达到生产的持续时间，而使用了过量的膜面积，过量的膜面积进而导致过大的系统流量，从而使得系统偏大。

因此，需要改进灌流系统的设计，以便更好地控制过滤。

发明内容

为了解决背景技术中提出的问题，本说明书实施例提供一种交变切向流灌流系统，用于细胞灌流培养，

其包括：

至少一个生物反应器；至少一个切向流过滤器，包括截留物入口端、截留物出口端和至少一个渗透液出口；至少一个离心式磁力泵，连接反应器出口和换向阀组，该磁力泵尽可能小的产生剪切力；所述换向阀组连接所述过滤器的截留物入口端、截留物出口端；所述换向阀组的其中一个口连接到所述生物反应器。

优选的，所述换向阀组以可设定的频率切换开和关，使流体交替从截留物入口端、截留物出口端两个管口流入所述过滤器。

交替流动是长时间灌流生产的关键，这是因为：由于过滤速率特别低，透过侧在生产操作上需要背压，透过压力往往略低于进口端压力(截留物进口)，与回流端压力(截留物出口)持平或高于回流压力，这就造成进口局部膜的上下游(即截留物侧和渗透夜侧)是正压，沿着膜柱往出口端的方向走上下游的压差变小，直至压差为零或负数，这就造成了微滤膜通常滤过基本上发生在整个膜柱的进口段局部，而在膜的其他局部滤出很小甚至逆流，即从膜的下游反冲洗到膜的上游。

局部的正压是滤出液的推动力，同时正压也导致了膜孔的堵塞。形成机制如下：细胞碎片在正压的作用下松散的堆积在膜孔上，在长时间的正向压力下细胞碎片会发生机械塌缩，颗粒间的范德华力起作用，形成更紧密的凝胶层结构，这层凝胶层结构是造成膜堵塞的直接原因；而交变式流动使得膜柱的进口端如18切换成了膜柱的出口端，由于在出口工况下压差变小甚至负数，所以在膜柱的同样的位置18的局部松散的堆积没有被长时间压缩，从而能够被切向流冲散带走，这样降低了形成凝胶的机制作用。另一方面，由于两个端口轮流处于进出口工况下，使得膜面积得到充分的利用，所以要比单向流动至少能有2倍的使用时间。

对于微滤膜来说，膜孔很大，以至于在出口端从透过侧反冲洗到截留侧的流量是如此的小，而不能对冲散凝胶层起到有意义的作用。这是因为反冲洗要起到有效作用需要的瞬间流量也即是透过膜孔的速度要足够大。因此，现实中反冲洗的作用微乎其微，甚至我们需要尽可能的降低反冲洗发生的工况，因为反冲洗的量越大，意味着进口端正向透过的量也需要更大，以此来维持正常生产需要的滤速，而在进口端局部更大的透过量也就意味着更大的局部过膜压力，从而严重导致膜更快的堵塞。尽量降低反冲洗的发生，会改善最恶劣的工况，从而可以降低膜面积的使用。

此外，相比于使用隔膜泵，采用换向阀组来切换流向，膜柱端口如18在进口端和出口端变化的工况中压力的变化只有一个压差dp＝p进口-p出口，相比于现有技术，采用隔膜泵抽料会抽成负压，在这过程中为保持滤速，透过的泵还在抽直到抽成负压，使得上下游还是保持恒定的压差，在这过程中膜柱端口的压力变化是两个压差2dp,所以压力的波动范围比本发明更大；压力变化的范围以及变化的频率是引起堆积颗粒发生塌缩的直接原因之一，所以生产上有必要调整进出口切换的频率。

从上述机制可以看出，重要的生产参数是切向流速和切换频率。有必要使得这两个参数能独立调节，而不是互相关联顾此失彼。

优选的，所述换向阀组块式组合，使得相邻阀门之间保持较小的流路体积，这可以有效的降低细胞在反应器外部不受控环境内的数量。

优选的，灌流系统还包括设置用于测量所述截留物入口压力的入口压力传感器、截留物出口压力的出口压力传感器、渗透液出口压力的渗透液压力传感器，通过三个压力可以计算出实时的过膜压力，用于判断最优工况。

优选的，灌流系统还包括设置用于测量所述截留物入口流量的入口流量计，通过该流量计反馈控制磁力泵的流量。

优选的，灌流系统还包括渗透液出料泵和渗透液流量计，通过该流量计反馈控制出料泵的流量。

优选的，灌流系统还包括一个控制单元，所述控制单元控制所述换向阀组的开关切换、设置并控制所述磁力泵的泵速、设置并控制所述渗透液出料泵的泵速，从而系统的停留时间和交变切换的频率可以分别调节。

优选的，流路组件为一次性产品组合模块，可通过高压锅灭菌来保持无菌，此方式可以使得重复使用流路组件成为可能。

优选地，换向阀组切换时，截留物入口压力、截留物出口压力的变化范围比较小，较小的压力波动可减小堵膜机制的作用，延缓膜孔的堵塞。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：

通过分别调整切向流速和交变切换频率，可以找到最优的操作条件组合，抑制堵塞机制的作用，从而最大程度的延缓膜孔堵塞，减少膜面积的使用；通过可高压锅灭菌一次性流路模块，提高了便利性，降低了耗材使用成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了根据本发明的交变切向流灌流的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

目前，在制药和生物技术行业上游连续灌流生产设备上，主要存在着以下的问题：

由于往复泵的设计使得灌流的停留时间和往复的频率是关联的，不能分别调整，这两个参数对于延缓过滤器的堵塞极其重要，过滤器堵塞限制了灌流的持续时间，也限制了在过程结束时可以实现的细胞密度，所以为了达到生产的持续时间，而使用了过量的膜面积，过量的膜面积进而导致过大的系统流量，从而使得系统偏大。

发明人经过了广泛和深入的试验，提供了一种交变切向流灌流系统，用于细胞灌流培养，通过分别调整切向流速和交变切换频率，可以找到最优的操作条件组合，抑制堵塞机制的作用，从而最大程度的延缓膜孔堵塞，减少膜面积的使用。

本发明解决的技术问题，通过磁力泵和换向阀组的配置可以达到分别调整切向流速和交变切换频率，使得灌流培养处于最佳工况下，从而可以减少膜面积的使用。

更具体的，本发明采用的解决方案包括：通过磁力泵和流量计的组合可以设定需要的流量并使泵按设定值泵送流体，从而使得切向流即停留时间通过上述方式可控；通过换向阀组使得流体入口在过滤膜的进出口按设定的时间频率互换，从而使得交变频率可独立控制，通过相互独立的控制，使得上述两个变量处于最优工况，从而抑制膜堵塞机制，延长膜的使用时间，减低膜面积需求。

以下结合附图，说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1给出了交变切向流灌流的工艺流程示意图，包括生物反应器1；磁力离心泵2用于提供过滤膜的切向流动，一次性夹管式流量计3，通过流量计的反馈来控制离心泵的泵速；过滤器进口段一次性压力传感器4；换向阀组9，包括了一次性夹管阀5、6、7、8，夹管阀采用气动控制，两两切换，即5和7为一组，6和8为一组，一组阀门打开，另一组阀门关闭，阀门之间的管路体积尽可能的小，这样使得在任一阀门状态下处于不流动状体的液体尽可能小，从而减少液体因为缺少营养物质而导致的细胞凋亡；回流端压力传感器13；膜上游一次性管路12；过滤膜10，具有进口端18、回流端19、透过端20；透过端压力传感器14；透过端流量计17，透过端出料泵15通常为蠕动泵，通过透过端流量计反馈来控制蠕动泵；透过端一次性管路16；控制系统11，控制两个泵速，采集压力计算过膜压力，控制阀门的切换。

一次性流路模块可以有可以由任何合适的材料制成，这些材料可以承受与分离/纯化方法相关的操作压力。对于制药和生物技术应用，最好由适合GMP的材料组成，例如符合联邦法规177(CFR 177)和美国药典VI(USP VI)的聚合物。合适的聚合物，也是可燃的，包括聚丙烯。使用可燃材料的优点是可以通过焚烧轻松处理。

一次性流路模块优选由可以通过伽马辐照和/或其他手段(例如化学灭菌或高压灭菌)灭菌的材料组成，因为在处理生物流体和/或制药/生物技术产品时，最大限度地减少微生物污染很重要。

本发明的系统在制药和生物技术产品的开发和制造中特别有用，其中它可以与分离，纯化和化学合成系统结合使用，以生产含有感兴趣的化学和生物化合物的液体。这种液体的典型例子包括生物工艺溶液和/或悬浮液、血液、血浆、发酵和细胞培养产品。可能存在于此类液体中的感兴趣的化学和生物化合物的实例包括蛋白质、肽、抗体、疫苗、糖蛋白、凝集素、药物、碳水化合物、脂质和化学中间体。

说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的方法实施例而言，由于其与系统是对应的，描述比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种交变切向流灌流系统，用于细胞灌流培养，其特征在于，包括：

至少一个生物反应器；至少一个切向流过滤器，包括截留物入口端、截留物出口端和至少一个渗透液出口；至少一个离心式磁力泵，连接反应器出口和换向阀组；所述换向阀组连接所述过滤器的截留物入口端、截留物出口端；所述换向阀组的其中一个口连接到所述生物反应器。

2.根据权利要求1所述的交变切向流灌流系统，其特征在于，所述换向阀组以可设定的频率切换开和关，使流体交替从截留物入口端、截留物出口端两个管口流入所述过滤器。

3.根据权利要求1所述的交变切向流灌流系统，其特征在于，所述换向阀组块式组合，使得相邻阀门之间保持较小的流路体积。

4.根据权利要求1所述的交变切向流灌流系统，其特征在于，还包括设置用于测量所述截留物入口端的压力的入口压力传感器、截留物出口端的压力的出口压力传感器、渗透液出口压力的渗透液压力传感器。

5.根据权利要求1所述的交变切向流灌流系统，其特征在于，还包括设置用于测量所述截留物入口端的流量的入口流量计。

6.根据权利要求1所述的交变切向流灌流系统，其特征在于，还包括渗透液出料泵和渗透液流量计。

7.根据权利要求6所述的交变切向流灌流系统，其特征在于，还包括一个控制单元，所述控制单元控制所述换向阀组的开关切换、设置并控制所述磁力泵的泵速、设置并控制所述渗透液出料泵的泵速。

8.根据权利要求1所述的交变切向流灌流系统，其特征在于，流路组件为一次性产品组合模块，可通过高压锅灭菌来保持无菌。

9.根据权利要求1所述的交变切向流灌流系统，其特征在于，换向阀组切换时，做延时关闭设置，使得阀门在切换期间存在同时开的状态，以使截留物入口压力、截留物出口压力的变化范围比较小。