JP2021510526A - バイオリアクタ用マルチセンサ、バイオリアクタ、マルチセンサの製造方法、およびパラメータの測定方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、細胞培養および／または微生物学で使用されるバイオリアクタ用のマルチセンサ、細胞培養および／または微生物学で使用されるバイオリアクタ、細胞培養および／または微生物学で使用されるバイオリアクタでのパラメータの測定プロセスに関する。マルチセンサは、少なくとも３つのパラメータを測定するよう構成された少なくとも３つの測定配置を含む。３つの測定配置のうち、第１測定配置は、インピーダンス測定および／または容量測定を実行するよう構成される。第１測定配置は、導電性プラスチックを含む、またはそれからなる少なくとも２つの電極を有する。

Description

本発明は、細胞培養および／または微生物学において使用されるバイオリアクタ用マルチセンサ、細胞培養および／または微生物学において使用されるバイオリアクタ、マルチセンサの製造プロセス、および細胞培養および／または微生物学において使用されるバイオリアクタでのパラメータの測定プロセス、に関する。

パラメータ測定のためのバイオリアクタ、センサ、およびプロセスは、例えば、ＥＰ ２７２５０９５ Ｂ１、ＷＯ ２０１６０９２２８１ Ａ１、ＣＮ １０５０４４０３８ Ａ、から知られている。しかし、特に細胞培養および／または微生物学で使用するために、さらなる改善が望ましい。

したがって、本発明の目的は、細胞培養および／または微生物学において使用される改善されたバイオリアクタのマルチセンサ、細胞培養および／または微生物学において使用される改善されたバイオリアクタ、改善されたマルチセンサの製造プロセス、および細胞培養および／または微生物学において使用されるバイオリアクタでの改善されたパラメータの測定プロセス、を提供することである。

特に、本発明の目的は、細胞培養および／または微生物学において使用される低コストのバイオリアクタ、低コストのマルチセンサの製造プロセス、細胞培養および／または微生物学において使用される低コストのバイオリアクタでのパラメータ測定プロセス、を提供することである。特に、本発明の目的はまた、小さな運転容量にも適する、細胞培養および／または微生物学において使用されるバイオリアクタ、マルチセンサの製造プロセス、および細胞培養および／または微生物学において使用されるバイオリアクタでのパラメータ測定プロセス、を提供することにもある。

この目的は、細胞培養および／または微生物学において使用されるバイオセンサのためのマルチセンサを介して本発明により達成される。マルチセンサは、少なくとも３つのパラメータを測定する少なくとも３つの測定配置（ｍｅｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ）を含む。３つの測定配置のうち第１測定配置は、インピーダンス測定および／または容量測定を実行するよう構成される。第１測定配置は、導電性プラスチックを含む、またはそれからなる少なくとも２つの電極を有する。

したがって、本明細書に記載されるマルチセンサは、少なくとも３つの測定配置を使用して少なくとも３つのパラメータを測定するよう構成される。好ましくは、少なくとも３つの異なる測定配置が使用される、および／または、少なくとも３つの異なるパラメータを測定することができる。３つの測定配置のうち第１測定配置は、インピーダンス測定および／または容量測定を実行するのに適する。この目的を達成するために、第１測定配置は、導電性プラスチックを含む、またはそれからなる２つ以上の電極を有する。

本発明は、とりわけ、特に細胞培養および／または微生物学における使用に対して、バイオリアクタ上および／またはバイオリアクタ内でセンサの配置のためにほんの少しの空間しか使用できないことが多いという発見に基づく。同時に、コストの最小化に関する厳しい要求があることが多い。本明細書に記載されるマルチセンサにより、少なくとも３つのパラメータを測定することができる。したがって、個別のセンサと比較する場合、マルチセンサにより、２つのセンサに対して必要な空間を節約することができる。ここでのマルチセンサの第１測定配置は、特にインピーダンス分光法および／または誘電分光法を使用してインピーダンス測定用に、および／または容量測定用に構成される。これらは、多くの応用分野において重要な、特に好ましい測定方法である。第１測定配置の少なくとも２つの電極が導電性プラスチックを含む、またはそれからなるため、特に低コストのマルチセンサの構成を実現することができる。

しばしば発酵槽とも呼ばれるバイオリアクタは、通常、その中で生物学のまたはバイオテクノロジーの手順を実験室規模で実行することができる反応空間を含む。これらの手順の中には、例として、定義された、好ましくは、最適化された、制御された、および再現可能な条件の下での、細胞、微生物、または小型植物の培養が含まれる。この目的を達成するために、バイオリアクタは、主に、一次物質および二次物質、および様々な器具、例えばセンサ、を反応空間に導入することができる複数の接続、または、例えば流体ライン、特にガスライン、例えば、ガス供給ラインまたはガス排出ラインに接続可能な複数の接続、を有する。さらに、バイオリアクタは、通常、攪拌シャフトが駆動部によって回転可能な攪拌システムを有する。したがって、同様に、攪拌シャフトに回転可能に固定する方法で接続された攪拌要素をほとんど回転させることができる。また、反応空間に存在する物質の混合をもたらすことができる。また、ほとんどが軸方向に分離されて、２つ以上の攪拌要素を攪拌シャフトに配置し、攪拌シャフトに接続することもできる。攪拌要素はまた、一体の要素として攪拌シャフトとともに構成されてもよい。バイオリアクタは様々な形状であってもよい。寸法的に安定したバイオリアクタは、例として、好ましくは操作中に水平である平面における断面である、本質的に、円形、楕円形、三角形、長方形、正方形、台形、または多角形である、または、自由に選択できる形状である断面を有していてもよい。可撓性のあるリアクタは、例として、袋状に構成されてもよく、任意に、寸法的に安定した接続装置を有していてもよい。

細胞培養応用分野および微生物学応用分野の両方において、特に並列のバイオリアクタシステムにおけるバイオリアクタの使用が好ましい。並列バイオリアクタシステムは、例として、ＤＥ １０ ２０１１ ０５４ ３６３．５またはＤＥ １０ ２０１１ ０５４ ３６５．１に記載されている。そのようなバイオリアクタシステムでは、複数のバイオリアクタの並列運転および高精度制御が可能である。個別のバイオリアクタでの運転量が小さい場合、再現性および拡張性の高いハイスループット実験を実行することができる。ここでの小さな運転量という表現は、特に、２０００ｍｌまでの大きさを有するバイオリアクタ、例えば、約３５０ｍｌの総反応空間容量を有するバイオリアクタ、約６０から２５０ｍｌの運転容量を有するバイオリアクタに適用される。

細胞培養応用分野において、そのような並列バイオリアクタシステムは、例えば、チャイニーズハムスター卵巣（ＣＨＯ）、ハイブリドーマ、ＮＳＯ細胞株などの様々な細胞株を培養する目的で、例として、プロセス最適化、プロセス開発、さらに研究開発のための統計的計画法（実験計画法、ＤｏＥ）に基づく一連の実験に対して使用される。本文中では、「細胞培養」という表現は、特に、有機体の外部の培養液内の動物または植物の細胞の培養を意味する。この表現はまた、（ヒト）幹細胞の培養もカバーし、これらの細胞は、同様に、バイオリアクタ内で培養（振とうまたは攪拌）することができる。

微生物学応用分野において、並列バイオリアクタシステムは、同様に、例えば、特に、細菌（ｂａｃｔｅｒｉａ）または真菌（ｆｕｎｇｉ）、例えばイーストなどの様々な微生物を培養する目的で、プロセス最適化、プロセス開発、さらに研究開発のための統計的計画法（実験計画法、ＤｏＥ）に基づく一連の実験に対して使用される。

たいていの場合実験室のスペースには限りがあるため、バイオリアクタシステムおよび実際のバイオリアクタの両方に対して、省スペース、特に省配置スペースを達成することが望ましい。

実験室で使用されるバイオリアクタは、使用するごとにバイオリアクタを滅菌しなければならないため、ガラスおよび／または金属から、特に、ステンレス鋼から構成されることが多く、これは、好ましくは、オートクレーブ内で加熱し蒸気により滅菌されることにより達成される。再利用可能なバイオリアクタの滅菌および洗浄は複雑である。滅菌および洗浄手順が検証の対象となり得る。その実施は個々のバイオリアクタごとに詳細に文書化されなければならない。完全に滅菌されていないバイオリアクタ内の残留物は、後続の手順の結果を歪めたり、またはそれらを無駄なものにすることがあり、後続の手順の実行を妨害することがある。滅菌手順は、さらに、バイオリアクタの個々の構成要素または材料へのストレスおよび時には損傷を引き起こすことがある。

再利用可能なバイオリアクタに代わり、その後排気することにより、生物学的またはバイオテクノロジー的手順を１回だけ実行するよう使用される使い捨てバイオリアクタが提供される。それぞれの手順に対して、好ましくは製造プロセス中に滅菌される新しい使い捨てのバイオリアクタを提供することにより、（交差）汚染のリスクを低減することができる。また同時に、以前に使用されたバイオリアクタの正しい洗浄および滅菌を実行し文書化するいかなるコストも発生しない。使い捨てのバイオリアクタは、フレキシブルコンテナとして、例えば袋として、または少なくとも一部のセクションでは可撓性壁を有するコンテナとして構成されることが多い。または、寸法的に安定した使い捨てリアクタとして構成される。

寸法的に安定した使い捨てバイオリアクタは、まだ比較的高価であることが多く、製剤プロセス開発、および薬剤生産プロセスのために設計される。それらは、特に細胞培養手順で使用され、したがって、特にそのような細胞培養手順のためにも設計され、適切である。しかし、市場で達成可能な価格の点だけでなく、混合時間、エネルギー供給、およびガス交換などが例示される手順に関連する技術パラメータの点で桁違いにより厳しい要件に準拠するために使用される可能性のある、適切な設計および材料の点においても、微生物学での使用要件は異なっていることが多い。

したがって、本発明はまた、とりわけ、本明細書に記載されるマルチセンサの利点が、細胞培養および／または微生物学において使用される使い捨てバイオリアクタの使用において、特に有益であるという発見に基づく。これは、１つのマルチセンサに少なくとも３つの測定配置の統合することで、第１に、様々なパラメータの測定に必要なスペースの大幅な削減を許し、同時に、導電性プラスチックを使用することで非常に低コストの設計を達成することができるためである。マルチセンサの使用はまた、例えば、ケーブルおよび／または他のコネクタ材料が３つ以上の個別のセンサではなく１つのマルチセンサにだけ必要であるため、コネクタ材料の複雑性を低減することもできる。

マルチセンサは、さらに、特に、反応空間から流体を採取し、反応空間の外部で分析しなくてはならないサンプリングを必要とせず、好ましくは手順中にパラメータの測定をすることができる。

マルチセンサは、長手方向の軸に沿った一次直線寸法方向（ｐｒｉｍａｒｙ ｌｉｎｅａｒ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）を有することができる。長手方向の軸に沿った、および／または一次直線寸法方向における、マルチセンサの長さ寸法（ｌｉｎｅａｒ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）が、好ましくは、長手方向の軸および／または一次直線寸法方向に対して直角な長さ寸法よりも数倍大きい。マルチセンサは、例として、棒および／または円柱の形状に構成するこができる。マルチセンサの長手方向の軸または一次直線寸法方向に直角な断面は、さらに、円形、楕円形、または多角形であるように構成することができる。

第１測定配置の少なくとも２つの電極は、好ましくは、マルチセンサの表面に配置される、および／または、バイオリアクタでの正しい使用中に、バイオリアクタの反応空間に配置された流体と接触することができるように配置される。

好ましい実施の形態において、マルチセンサは、評価ユニット、および／または、例えば外部の、評価ユニットへのインタフェースを含む。評価ユニット、特にマルチセンサの評価ユニット、および／または外部評価ユニットは、インピーダンス測定に基づいて、バイオリアクタ内にあるバイオマスに関するデータ、特に細胞数および／または細胞サイズおよび／または細胞生存率に関するデータを導出するよう構成される。

バイオリアクタ内にあるバイオマスに関するデータは、細胞培養および／または微生物学における手順にとって特に重要である。したがって、この目的に適するマルチセンサへのインピーダンス測定の統合は、ここでは特に有利であり得る。

細胞内液と細胞外液との間のインピーダンス測定は、例として、細胞サイズ、特に平均細胞サイズの決定に役立つことがある。細胞膜と流体との間のインピーダンス測定は、例として、生細胞の数および／または細胞生存率の決定に役立つことがある。様々な周波数を用いた細胞内液と細胞外液との間のインピーダンス測定は、例として、細胞生存率の決定に役立つことがある。インピーダンス測定は、例として、例えば体脂肪計における、人間のおよび他の有機体の身体組成の決定のための生体電気インピーダンス法としても使用される。

容量測定および／または充填レベル測定および／または泡沫測定もまた、細胞培養および／または微生物学における手順にとって特に重要である。したがって、マルチセンサへのそれらの統合は特に好ましい可能性がある。容量測定および／または充填レベル測定および／または泡沫測定は、例として、サイプレス社のＣＹ８ＣＫＩＴ−０２２ ＣａｐＳｅｎｓｅ（登録商標）液面センシングシールド（http://www.cypress.com/documentation/development-kitsboards/cy8ckit-022-capsense-liquid-level-sensing-shield）でも使用されている。

さらに好ましくは、３つの測定配置のうちの第２測定配置は、インピーダンス測定および／または容量測定および／または充填レベル測定および／または泡沫測定を実行するよう構成される。

別の好ましい実施の形態によると、第２測定配置は、導電性プラスチック、またはそれからなる少なくとも２つの電極を有する。

第１測定配置の少なくとも２つの電極および／または第２測定配置の少なくとも２つの電極は、例として、マルチセンサの表面の下に配置される、および／またはバイオリアクタの正しい使用中にバイオリアクタの反応空間に配置された流体と直接接触しないように配置されてもよい。

好ましいさらなる発展の特徴は、３つの測定配置のうち第３測定配置は、温度測定を実行するよう構成されることである。さらに好ましくは、第３測定配置は、温度測定用の少なくとも１つの測定要素を有する。温度測定用の測定要素は、例として、抵抗温度計として構成されてもよい。

第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置は、好ましくは、完全にまたはある程度導電性のプラスチックからなる、または導電性プラスチックを含む、２つ以上の電極を有してもよい。導電性プラスチックは、例として、導電性のある添加物を有するプラスチック、または本質的に導電性のあるプラスチックであってもよい。導電性のあるプラスチックは、特に、導電性添加物（例えば、導電性カーボンブラック、炭素繊維、カーボンナノチューブ、金属粉、金属繊維、または低融点合金）を有するポリプロピレンなどのポリマー、または本質的に導電性のポリマー（例えば、ポリアニリン、ポリチオフェン、またはポリピロール）であってもよい。

好ましい実施の形態によると、第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置は、完全にまたはある程度非導電性および／または絶縁性プラスチックからなる、または非導電性および／または絶縁性プラスチックを含む１つまたは２つ以上の絶縁部を有する。絶縁部は、電極の間におよび／または電極に沿って配置されてもよい。絶縁部はまた、例えば、電極がマルチセンサを取り囲む流体と直接接触するのを防ぎ、保護用の外表面を形成する目的で、電極の上および／または電極の下に配置されてもよい。

使用される非導電性および／または絶縁性プラスチックは、特にポリオレフィン、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、またはこれら２つの混合物であってもよい。

電極および絶縁部は同じプラスチックを含むことが好ましく、これによりコヒーレントボンディング（ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｂｏｎｄｉｎｇ）を補助する。導電性ポリプロピレンが電極に使用され、非導電性および／または絶縁性ポリプロピレンが絶縁部に使用されることが特に好ましい。

米国薬局方（ＵＳＰ）クラス６の要件を満たす材料および／または材料の組み合わせを選択することが好ましい。特に、導電性プラスチック、および／または、非導電性および／または絶縁性プラスチックが米国薬局方（ＵＳＰ）クラス６の要件を満たすことが好ましい。

第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置が、完全にまたはある程度モールド成形により製造されることが好ましい。好ましい実施の形態によると、第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは２つ以上の電極は、モールド成形により製造される。さらに好ましくは、第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは２つ以上の絶縁部は、モールド成形により製造される。さらに好ましくは、第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは２つ以上の電極、および、第１測定配置および／または第２測定配置の１つまたは２つ以上の絶縁部は、モールド成形により製造される。

特に好ましくは、第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置は、完全にまたはある程度射出成形により製造される、および／または、第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置は、完全にまたはある程度多成分射出成形により製造される。好ましい実施の形態によると、第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは２つ以上の電極は、射出成形により製造される。さらに好ましくは、第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは２つ以上の絶縁部は、射出成形により製造される。さらに好ましくは、第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは２つ以上の電極、および、第１測定配置および／または第２測定配置の１つまたは２つ以上の絶縁部は、多成分射出成形により製造される。

特に好ましくは、第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置は、完全にまたはある程度アディティブ・マニュファクチャリング（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ）により製造される。好ましい実施の形態によると、第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは２つ以上の電極は、アディティブ・マニュファクチャリングにより製造される。さらに好ましくは、第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは２つ以上の絶縁部は、アディティブ・マニュファクチャリングにより製造される。さらに好ましくは、第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは２つ以上の電極、および、第１測定配置および／または第２測定配置の１つまたは２つ以上の絶縁部は、アディティブ・マニュファクチャリングにより製造される。

ここで「モールド成形（ｍｏｌｄｉｎｇ）」という単語は、特に、形状のない物質を使用して幾何学的に定義された形状を有する固形物を製造する製造プロセスを意味する。

モールド成形プロセスの例は、射出成形および／または多成分射出成形である。射出成形および／または多成分射出成形は、例として、オーバーモールド成形（ｏｖｅｒｍｏｌｄｉｎｇ）および／または連続オーバーモールド成形（ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｏｖｅｒｍｏｌｄｉｎｇ）および／またはインサート射出成形（ｉｎｓｅｒｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ）および／またはアウトサート射出成形（ｏｕｔｓｅｒｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ）および／またはハイブリッド射出成形（ｈｙｂｒｉｄ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ）であってもよい。

ここで「多成分射出成形」という語句の意味には、特に、二成分射出成形が含まれる。多成分射出成形は、特に、２つ以上の異なるプラスチックまたは材料により形成される射出成形の製造であり、複合射出成形（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ）および／または組立射出成形（ａｓｓｅｍｂｌｙ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ）および／またはサンドイッチ射出成形（ｓａｎｄｗｉｃｈ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ）において使用することができる。多成分射出成形プロセスは、射出成形だけを使用してもよく、または２つ以上の射出成形を使用してもよい。

多成分射出成形プロセスは、様々な方法で実施することができる。コアバックプロセスにおいて、第１プラスチックコンポーネントの射出および凝固の後、金型キャビティの１つまたは複数の要素を後方に移動させて、金型を閉じたままで、第２プラスチックコンポーネントが射出されるさらなる空きスペースを解放する。搬送プロセスにおいて、第１プラスチックコンポーネントの射出および凝固の後、金型を開いたままで、第２プラスチックコンポーネントに対応するに対応する切欠きを有する新しいキャビティにこれを挿入する。これは、ハンドリングシステムを使用することにより達成することができる。この場合、第２キャビティは、同じ金型内に、または実際には別の金型内に、そして第２マシンに存在してもよい。中間解は、割出板金型、回転テーブル金型、または回転スタック金型内での移動により提供される。この場合、プリフォームは、コア上か半分に分けた金型のうちの一方の金型キャビティかのいずれかに残り、金型が開いたまま、金型の領域を回転させることにより第２キャビティに移動させる。針に残るプリフォームのコヒーレンスは、この解のための重要な要素である。

モールド成形プロセスの別の例は、アディティブ・マニュファクチャリングであり、それは、ジェネレーティブ・マニュファクチャリング（ｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｉｎｇ）または３Ｄプリンティングとも呼ばれる。プラスチックを使用したアディティブ・マニュファクチャリングの例は、ＦＦＦ（溶融フィラメント製造）プロセス、またはＦＤＭ（熱溶解積層法）プロセスにより提供される。

マルチセンサはまた、１つまたは複数のさらなる測定配置を含んでもよい。このさらなる１つまたは複数の測定配置は、第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置と、完全にまたはある程度同様に、または、完全にまたはある程度異なって構成されてもよい。

射出成形プロセスおよび／または多成分射出成形プロセスによる製造はまた、低コスト製造という利点に加えて、要素を１つにまたは一体的に製造することができるという利点も有する。したがって、接合部および／または隙間および／または接続点の回避または低減を可能にする。したがって、例として、接着剤の使用を低減または回避することができ、それにより、バイオリアクタの反応空間の汚染のリスクをさらに低減することができる。

マルチセンサは、好ましくは、使い捨てマルチセンサとして構成される。使い捨てマルチセンサの特徴は、１回の使用を目的としていることである。この目的で、マルチセンサの構成は一回の使用の後、さらなる使用にはもはや適さないようなものであってもよい。これは、例えば、安定化の間に発生する温度が材料のすべて、または一部の破壊または変形をもたらすため、例として、マルチセンサが、完全にまたはある程度再利用のために必要とされる滅菌手順の後、損傷を受けない材料で構成されていることにより達成することができる。マルチセンサは、例として、複数回の使用を除外する警告および／または使用情報を含むこともできる。機械的なおよび／または電気的な接続はまた、１回の使用だけを許可するように設計されてもよい。

別の可能な変形例において、（操作中に）バイオリアクタに配置されたセンサ要素は、使い捨てユニット（カプセル化電子システム）として設計されてもよい。しかし、測定電子システムは、再利用可能なユニットとして設計される。好ましくは、実験中に測定電子システムがカプセル化センサユニットに導入されて所定の位置に保持される。実験後、別のカプセル化センサを有する新しい使い捨て容器に移されるか、保管されることが好ましい。

マルチセンサは、例として、容器および／またはバイオリアクタに導入されるおよび／またはそれに接続される分離した要素として構成されてもよい。好ましくは、マルチセンサは、次にそこから分離されるおよび／またはそこから除去されてもよい。

マルチセンサは、一体型マルチセンサとして構成されてもよく、互いに解放可能に、または非解放可能に接続された１つまたは複数のモジュールを含んでもよい。マルチセンサの一体型構成は、好ましくは、モールド成形により得ることができる。

マルチセンサはまた、２つ以上のモジュールを含んでもよく、例として、モジュールは測定配置を含んでもよい。モジュールはまた、２つ以上の測定配置を含んでもよい。モジュールはまた、１つまたは２つ以上の測定配置の部品を含んでもよい。２つ以上のモジュールは、例えば、プラグ接続により、互いに接続されていてもよい。接続は、解放可能または非解放可能に構成されてもよく、特に、破壊することなく解放できないように構成されてもよい。異なるモジュール間の接続は、異なる構成であってもよい。様々なモジュールは、それぞれモールド成形により得ることができる。

２つ以上のモジュールはまた、メインモジュールと１つ以上の拡張モジュールとして構成されてもよい。好ましくは、メインモジュールはコネクタヘッド（以下でより詳細に説明される）および／または評価ユニットおよび／または評価ユニットへのインタフェースを含んでもよく、および／または１つ以上のさらなるマルチセンサの要素を含んでもよい。拡張モジュールは、好ましくは、１つまたは２つ以上の測定配置またはその部品を含む。

マルチセンサのモジュール構造は、とりわけ、低コストで、例えば異なる測定配置で様々なマルチセンサを製造することができ、したがって、顧客の要求に柔軟に対応することができるという利点を有する。

好ましいさらなる発展の特徴は、マルチセンサがバイオリアクタの接続装置に固定可能なコネクタヘッドを有する点である。コネクタヘッドは、例として、対応するバイオリアクタの接続装置との相互作用のために意図されたねじ山、特に内部ねじ山および／または外部ねじ山を有してもよい。好ましくは、コネクタヘッドは、マルチセンサの第１端部に配置される。インタフェースは、好ましくは、電気的および／または通信接続のために構成されてもよい。

好ましくは、マルチセンサは、例えば、ｐＨおよび／または溶存酸素量および／または二酸化炭素含有量および／または原材料／製品、または、例えばグルコース、グルタミン酸、グルタミン、アンモニウムなどの代謝産物の濃度など、とりわけさらなるパラメータ測定用の１つまたは複数のさらなる測定配置を含む。１つまたは複数のさらなる測定配置は、好ましくは、マルチセンサの第２端部に配置されてもよい。１つまたは複数のさらなる測定配置は、好ましくは、１つまたは複数の電極を有してもよい、および／または導電性プラスチックおよび／または非導電性および／または絶縁性プラスチックを含んでもよい、または１つまたは複数のそのような材料から構成されてもよい。マルチセンサに３つ以上の測定配置を統合することは、要求される空間をさらに削減できるという利点がある。マルチセンサの低コスト設計により、さらなる個別センサの追加に対するコストを削減することができる。

本発明の装置の他の有利な変形例の実施の形態は、ここに記載された好ましい特徴の組み合わせにより得られる。

本発明の別の態様において、序論で述べた目的は、上述のマルチセンサを含む、細胞培養および／または微生物学で使用されるバイオリアクタを介して達成される。

バイオリアクタは、好ましくは、使い捨てバイオリアクタとして構成される。使い捨てバイオリアクタの特徴は、１回の使用を目的としていることである。この目的で、バイオリアクタの構成は、一回の使用の後、さらなる使用にはもはや適さないようなものであってもよい。これは、例えば、安定化の間に発生する温度が材料のすべて、または一部の破壊または変形をもたらすため、例として、バイオリアクタが、完全にまたはある程度再利用のために必要とされる滅菌手順の後、損傷を受けない材料で構成されていることにより達成することができる。バイオリアクタは、例として、複数回の使用を除外する警告および／または使用情報を含むこともできる。

本発明の別の態様において、序論で述べた目的は、上述のマルチセンサの製造プロセスを介して達成される。プロセスは、マルチセンサへの少なくとも３つの測定配置の統合を含む。３つの測定配置のうち第１測定配置は、インピーダンス測定および／または容量測定を実行するよう構成される。第１測定配置は、導電性プラスチックを含むまたはそれからなる少なくとも２つの電極を有する。

上述のマルチセンサの製造プロセスは、さらに好ましくは、
−第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の全体またはある程度のモールド成形ステップ、および／または、
−第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは２つ以上の電極の全体またはある程度の、導電性プラスチック、特に導電性ポリプロピレンからのモールド成形ステップ、および／または
−第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは２つ以上の絶縁部の全体またはある程度の、非導電性および／または絶縁性プラスチックからのモールド成形ステップ、および／または、
−第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは２つ以上の電極の、および第１測定配置の１つまたは２つ以上の絶縁部のモールド成形ステップ、
を含む。

上述のマルチセンサの製造プロセスは、特に、
−第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の全体またはある程度の射出成形ステップ、および／または第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の多成分射出成形ステップ、および／または、
−第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは２つ以上の電極の全体またはある程度の、導電性プラスチック、特に導電性ポリプロピレンからの射出成形ステップ、および／または、
−第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは２つ以上の絶縁部の全体またある程度の、非導電性および／または絶縁性プラスチックからの射出成形ステップ、および／または、
−第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは２つ以上の電極の、および第１測定配置の１つまたは２つ以上の絶縁部の多成分射出成形ステップ、および／または、
−第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の全体またはある程度のアディティブ・マニュファクチャリングステップ、および／または、
−第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは複数の電極の全体またはある程度の、導電性プラスチック、特に導電性ポリプロピレンからのアディティブ・マニュファクチャリングステップ、および／または、
−第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは２つ以上の絶縁部の全体またはある程度の、非導電性および／または絶縁性プラスチックからのアディティブ・マニュファクチャリングステップ、および／または、
−第１測定配置および／または第２測定配置および／または第３測定配置の１つまたは２つ以上の電極の、および第１測定配置の１つまたは２つ以上の絶縁部のアディティブ・マニュファクチャリングステップ、
を含む。

本発明の別の態様において、序論で述べた目的は、細胞培養および／または微生物学で使用されるバイオリアクタでの少なくとも３つのパラメータ測定用の、上述のマルチセンサの使用を介して達成される。

本発明の別の態様において、序論で述べた目的は、細胞培養および／または微生物学で使用されるバイオリアクタでの少なくとも３つのパラメータの測定用のプロセスを介して達成される。プロセスは、
−上述のマルチセンサを準備するステップ、
−３つ測定配置のうち第１測定配置を使用してインピーダンス測定および／または容量測定を実行するステップ、
−３つの測定配置のうち第２測定配置および第３測定配置を使用して２つのさらなる測定を実行するステップ、
を含む。

本発明のさらなる態様の利点、変形例の実施の形態、および設計の詳細、ならびにそれらの高度な形態に関して、マルチセンサの対応する特徴に関する前述の説明を参照されたい。

上述のマルチセンサの製造、および細胞培養および／または微生物学で使用されるバイオリアクタでの少なくとも３つのパラメータの測定、ならびにそのそれぞれの高度な形態のための、本明細書に記載されたプロセスは、特に、本明細書に記載されたマルチセンサおよびその高度な形態で使用されるのに適する特徴およびそれぞれのプロセスステップを含む。

本発明の好ましい実施の形態は、例として、添付の図面を参照して説明される。

マルチセンサの三次元描写を示す図 第１測定配置を有するマルチセンサの一部の三次元描写を示す図 第２測定配置の一部を有するマルチセンサの一部の三次元描写を示す図 マルチセンサを有する使い捨てバイオリアクタの三次元描写を示す図

同様のまたは本質的に同一の機能を有する要素は、同一の符号により図に示される。

図１は、マルチセンサ１の１つの変形例の三次元描写を示す図である。ここで示されるマルチセンサ１は、縦軸Ｘに沿った一次直線寸法方向を有し、縦軸Ｘに沿ったマルチセンサ１の長さ寸法は、縦軸Ｘに直行する長さ寸法よりも数倍大きい。ここに示す例のマルチセンサ１は、棒状に形成され、本質的に円筒の形状を有する。縦軸および一次直線寸法方向に直交するマルチセンサの断面は円形である。

マルチセンサ１の第１端部には、好ましくは電気的および／または通信接続に適するインタフェース６１０とともに配置されたコネクタヘッド６００がある。

マルチセンサ１は、インピーダンス測定用に構成された第１測定配置１００を含む。マルチセンサ１はさらに、容量測定および／または充填レベル測定および／または泡沫測定を実行するよう構成された、第２測定配置２００を含む。マルチセンサ１はさらに、温度測定を実行するよう構成された第３測定配置３００を含む。

マルチセンサ１はさらに、例えば、ｐＨおよび／または溶存酸素量および／または二酸化炭素含有量および／または原材料／製品、または、例えばグルコース、グルタミン酸、グルタミン、アンモニウムなどの代謝産物の濃度など、さらなるパラメータの測定用のさらなる測定配置を含んでもよい。これらは、例として、マルチセンサ１の第１端部と反対の第２端部５００に配置されてもよい。

第３測定配置３００は、マイクロコントローラおよびアナログフロントエンドを有する統合エレクトロニクスシステムを含むコンポーネント４００に配置される。コンポーネント４００の統合エレクトロニクスシステムは、評価ユニットとして機能することができ、任意に、コネクタヘッド６００に配置されたインタフェースを介して接続された外部評価ユニットとともに機能することもできる。

図２は、第１測定配置１００を有するマルチセンサの可能な変形例の一部を拡大した図である。第１測定配置１００は、好ましくは、４つの電極１０１、１０２、１０３、１０４を含み、それぞれの電極は、導電性プラスチックから構成される、または導電性プラスチックを含む。電極１０１、１０２、１０３、１０４は非導電性および／または絶縁性プラスチックからなる、またはそれを含む絶縁部１１１、１１２、１１３、１１４により分離されるおよび／または囲まれる。第１測定配置１００はインピーダンス測定を実行するよう構成される。電極１０１、１０２、１０３、１０４は、マルチセンサ１の一次直線寸法方向に等間隔で互いに離間している。電極１０１および電極１０４は、２つの電極１０２および電極１０３よりも、マルチセンサ１の一次直線寸法方向に大きな長さ寸法を有する。電極１０１、１０２、１０３、１０４は、マルチセンサ１の表面に配置され、バイオリアクタの正しい使用中に、バイオリアクタの反応空間に配置された流体に接触するように配置される。

マルチセンサ１の評価ユニットおよび／または評価ユニットへのマルチセンサ１のインタフェースの提供をすることが好ましい。評価ユニットは、インピーダンス測定に基づいて、バイオリアクタ内にあるバイオマスに関するデータ、特に細胞数および／または細胞サイズおよび／または細胞生存率に関するデータを導出するよう構成される。

図３は、第２測定配置の一部を有するマルチセンサの一部を拡大した図である。第２測定配置２００は、容量測定および／または充填レベル測定および／または泡沫測定を実行するよう構成される。第２測定配置２００はさらに、複数の電極２０１を有する。複数の電極２０１は、ここで示される例では、マルチセンサ１の一次直線寸法方向に等間隔で互いに離間していて、導電性プラスチックを含む、またはそれらからなる。再び、これらの電極２０１は、絶縁部２０２により分離され、および／または絶縁部２０２により囲まれている。絶縁部２０２は非導電性および／または絶縁性プラスチックからなる、またはそれらを含む。充填レベル測定および／または泡沫測定の分解能は、第２測定配置の電極の配置方法、特に縦軸Ｘに沿った分離、に影響されることがある。電極２０１は、マルチセンサの表面下に配置され、バイオリアクタの正しい使用中に、バイオリアクタ内の反応空間に配置された流体に直接接触しないよう配置される。この目的で、好ましくは、電極２０１上に構成された絶縁部があり、電極２０１とマルチセンサ１を囲む流体との直接接触を防止し、保護外表面を形成することを目的とする。

図４では、マルチセンサ１が使い捨てバイオリアクタ９００に配置されているのがわかる。使い捨てバイオリアクタ９００は、カバープレート９２０、寸法的に安定した容器９１０、および攪拌ユニット９３０を含む。カバープレート９２０と容器９１０とは、反応空間を囲む。カバープレート９２０は、反応空間に面し、反応空間に突出する、複数の浸水管９４０、９５０が配置された内側面を有する。カバープレート９２０の外側面には、反応空間とは反対側に、可撓製チューブおよび接続材料９７０および滅菌フィルタ９６０が配置された複数の接続が設けられている。

使い捨てバイオリアクタ９００に取り付けられると、マルチセンサ１は、本質的に垂直方向に配置される。したがって、マルチセンサ１のコネクタヘッド６００は使い捨てバイオリアクタ９００のカバープレート９２０に配置される。マルチセンサ１は、使い捨てバイオリアクタ９００の反応空間に、一次直線寸法方向に沿って突出する。

攪拌ユニット９３０は、回転軸と、例えばピッチブレードインペラーの形式で４５°傾斜したブレードを有するように構成された２つの攪拌要素と、を有する攪拌シャフト３１０を含む。代替的に、例として、攪拌要素としてＲｕｓｈｔｏｎインペラを使用することもできる。攪拌要素は、攪拌シャフトに回転剛性的に固定され、そのため、攪拌シャフトが回転すると攪拌要素がそれに伴って回転する。

カバープレート９２０と容器９１０とは、例として、ポリアミドから構成されてもよく、またはポリアミドを含んでもよく、そして、超音波溶接により互いに非解放可能に接合されてもよい。攪拌ユニット９３０、特に攪拌シャフトおよび／または攪拌要素は、例として、ポリスチレンから構成されてもよい、またはポリスチレンを含んでもよい。

使い捨てバイオリアクタ９００とともに使用され、反応媒体と接触可能な可撓製チューブおよび接続材料９７０は、好ましくは、米国薬局方（ＵＳＰ）クラス６により認定された材料、例えば、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアミド、またはシリコーンから構成される。使用される可撓製チューブは、好ましくは、熱可塑性エラストマーからなる可撓製チューブである。

使い捨てバイオリアクタ９００内のマルチセンサ１の使用は、３つ（またはそれ以上）のパラメータの測定用にカバープレート９２０上の１つの接続の使用を可能にする。図３の例からわかるように、カバープレート上の空間は限られているが、同時に、ここでの接続を必要とする要素の数は多くなる。マルチセンサへの２つのセンサの統合は、したがって、特に第１測定配置がインピーダンス測定用におよび／または容量測定用に適する場合に、特に有利である。

電極に導電性プラスチックを使用することは、マルチセンサの低コスト設計を達成することを可能にし、特に、使い捨てマルチセンサとして構成するも可能になる。これにより、さらなる応用分野へのアクセスが可能になる。

Claims (18)

1. 細胞培養および／または微生物学で使用されるバイオリアクタ用のマルチセンサであって、
   少なくとも３つのパラメータを測定するよう構成された少なくとも３つの測定配置、を備え、
   前記３つの測定配置のうちの第１測定配置がインピーダンス測定および／または容量測定を実行するよう構成され、
   前記第１測定配置は、導電性プラスチックを含む、または導電性プラスチックからなる少なくとも２つの電極を有する、
   マルチセンサ。
2. 評価ユニットおよび／または評価ユニットへのインタフェース、を備え、
   前記評価ユニットは、インピーダンス測定に基づいて、バイオリアクタ内にあるバイオマスに関するデータ、特に細胞数および／または細胞サイズおよび／または細胞生存率に関するデータを導出するよう構成される、
   請求項１に記載のマルチセンサ。
3. 前記３つの測定配置のうち第２測定配置は、インピーダンス測定および／または容量測定および／または充填レベル測定および／または泡沫測定を実行するよう構成される、
   請求項１または２に記載のマルチセンサ。
4. 前記第２測定配置は、導電性プラスチックを含む、または導電性プラスチックからなる少なくとも２つの電極を有する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のマルチセンサ。
5. 前記３つの測定配置のうち第３測定配置は、温度測定を実行するよう構成される、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のマルチセンサ。
6. 前記第１測定配置および／または前記第２測定配置および／または前記第３測定配置は、完全にまたはある程度非導電性および／または絶縁性プラスチックからなる、または非導電性および／または絶縁性プラスチックを含む１つまたは２つ以上の絶縁部を有する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載のマルチセンサ。
7. 前記第１測定配置および／または前記第２測定配置および／または前記第３測定配置は、完全にまたはある程度モールド成形により製造される、および／または、
   前記第１測定配置および／または前記第２測定配置および／または前記第３測定配置の１つまたは２つ以上の電極は、モールド成形により製造される、および／または、
   前記第１測定配置および／または前記第２測定配置および／または前記第３測定配置の１つまたは２つ以上の絶縁部は、モールド成形により製造される、および／または、
   前記第１測定配置および／または前記第２測定配置および／または前記第３測定配置の１つまたは２つ以上の電極、および前記第１測定配置および／または前記第２測定配置の１つまたは２つ以上の絶縁部は、モールド成形により形成される、
   請求項１から６のいずれか１項に記載のマルチセンサ。
8. 前記マルチセンサは、使い捨てマルチセンサとして構成される、
   請求項１から７のいずれか１項に記載のマルチセンサ。
9. 前記マルチセンサは、一体型のマルチセンサとして構成される、または、互いに解放可能にまたは非解放可能に接続された２つ以上のモジュールを含む、
   請求項１から８のいずれか１項に記載のマルチセンサ。
10. バイオリアクタに配置されたセンサ要素は、使い捨てユニットとして構成され、
    測定電子システムは再利用可能なユニットとして構成される、
    請求項１から９のいずれか１項に記載のマルチセンサ。
11. バイオリアクタの接続装置に固定可能なコネクタヘッドを含む、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載のマルチセンサ。
12. 例えば、ｐＨおよび／または溶存酸素量および／または二酸化炭素含有量および／または原材料／製品、または、例えばグルコース、グルタミン酸、グルタミン、アンモニウムなどの代謝産物の濃度など、とりわけさらなるパラメータ測定用の１つまたは複数のさらなる測定配置を含む、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載のマルチセンサ。
13. 細胞培養および／または微生物学で使用されるバイオリアクタであって、
    請求項１から１２のいずれか１項に記載のマルチセンサ、を備える、
    バイオリアクタ。
14. 前記バイオリアクタは、使い捨てバイオリアクタとして構成される、
    請求項１３に記載のバイオリアクタ。
15. 請求項１から１２のいずれか１項に記載のマルチセンサの製造プロセスであって、
    少なくとも３つの測定配置をマルチセンサに統合するステップ、を含み、
    前記３つの測定配置のうち第１測定配置は、インピーダンス測定および／または容量測定を実行するよう構成され、前記第１測定配置は、導電性プラスチックを含む、または導電性プラスチックからなる少なくとも２つの電極を有する、
    プロセス。
16. 前記第１測定配置および／または前記第２測定配置および／または前記第３測定配置の全体またはある程度のモールド成形ステップ、および／または、
    前記第１測定配置および／または前記第２測定配置および／または前記第３測定配置の１つまたは２つ以上の電極の全体またはある程度の、導電性プラスチック、特に導電性ポリプロピレンからのモールド成形ステップ、および／または、
    前記第１測定配置および／または前記第２測定配置および／または前記第３測定配置の１つまたは２つ以上の絶縁部の全体またはある程度の、非導電性および／または絶縁性プラスチックからの成形ステップ、および／または、
    前記第１測定配置および／または前記第２測定配置および／または前記第３測定配置の１つまたは２以上の電極の、および前記第１測定配置の１つまたは２つ以上の絶縁部のモールド成形ステップ、
    を含む、
    請求項１５に記載のプロセス。
17. 細胞培養および／または微生物学で使用されるバイオリアクタでの少なくとも３つのパラメータの測定用の、請求項１から１２のいずれか１項に記載のマルチセンサの使用。
18. 細胞培養および／または微生物学で使用されるバイオリアクタでの少なくとも３つのパラメータの測定用のプロセスであって、
    請求項１から１２のいずれか１項に記載のマルチセンサを準備するステップと、
    前記３つの測定配置のうち第１測定配置を使用してインピーダンス測定および／または容量測定を実行するステップと、
    前記３つの測定配置のうち第２測定配置および第３測定配置を使用して２つのさらなる測定を実行するステップと、
    を含む
    プロセス。

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