KR20180077161A - Ｐｈ-측정 디바이스들의 교정 편차들의 식별 - Google Patents
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Abstract
발명은 제 1 탱크 (104; 106) 의 제 1 pH 측정 디바이스가 pH-측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하도록 구성된 비교 유닛 (130) 에 관한 것으로, 비교 유닛은: - 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신하는 것으로서, 제 1 CO2 농도는 제 1 탱크에서의 배지 위의 제 1 기체 체적의 CO2 농도이고, 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값은, 제 1 탱크에서의 배지가 제 1 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때, 그리고 상기 평형 상태가 제 1 탱크에서의 세포 배양의 대사에 의해 수정되기 전의 제 1 시간에서 측정되고, 제 1 pH 값은 제 1 탱크 (102) 에 동작적으로 결합된 제 1 pH 측정 디바이스에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신하고; - 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값을 수신하는 것으로서, 제 2 CO2 농도는 제 2 탱크에서의 배지 위의 제 2 기체 체적의 CO2 농도이고, 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값은, 제 2 탱크에서의 배지가 제 2 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때, 그리고 상기 평형 상태가 세포 배양의 대사에 의해 수정되기 전의 제 2 시간에서 측정되고, 제 2 pH 값은 제 2 pH 측정 디바이스에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값을 수신하고; - 제 1 pH 측정 디바이스가 pH-측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위하여, 비교 유닛에 의해, 제 1 및 제 2 pH 값들을 비교하고 제 1 및 제 2 CO2 농도들을 비교하는지를 (206) 를 결정하기 위하여, 제 1 및 제 2 pH 값들 및 CO2 농도들을 비교하도록 구성된다.
Description
본 발명은 pH 측정 디바이스들을 이용하고 교정하는 분야에 관한 것으로, 더 상세하게는, 샘플링 프로세스로부터 기인하는 교정 에러들 및/또는 pH 오프셋 효과들의 식별에 관한 것이다.
정확하게 교정된 pH 측정 디바이스들을 이용하는 것은 바이오리액터 (bioreactor) 들을 동작시키기 위하여, 하베스트 리액터 (harvest reactor) 들을 모니터링하는 등을 위하여, 화학적 또는 생물학적 실험실 작업을 포함하는 매우 많은 상황들에서 유용하거나 결정적이다.
바이오리액터들은 예컨대, 화학적 화합물, 예컨대, 특정한 펩티드, 단백질, 또는 다른 종류의 화학적 물질을 획득하기 위하여, 제어된 방식으로, 화학적 프로세스들, 특히, 생물들에 의해 수행된 프로세스들을 수행하기 위하여 보편적으로 이용된다. 보편적인 목적은 미생물 (microorganism) 들 또는 세포 (cell) 들이 불순물들의 제한된 생산으로, 및/또는 시간- 및 비용-효율적인 방식으로 그 희망하는 기능을 수행할 수 있는 방법으로 바이오리액터를 동작시키기 위한 것이다. 다른 파라미터들 중에서도, 온도, 영양제 농도들, pH, 및 용해된 기체들과 같은 바이오리액터 내부의 환경적 조건들은 전형적으로, 유기체의 성장 및 수율이 최적화되도록 선택된다.
바이오리액터의 상태 및/또는 바이오리액터에서의 세포 배양의 상태가 희망하는 상태, 예컨대, 세포 배양 프로젝트를 수행할 때의 시간에 있어서의 주어진 순간에 기준 바이오리액터의 상태에 대응하는 상태에 있는지를 결정하기 위하여, pH 값은 반복적으로 측정된다. pH 값이 희망하는 pH-값 범위의 외부에 있을 경우, (피드 레이트 (feed rate), 에어레이션 레이트 (aeration rate), 온도, 교반 레이트 등과 같은) 바이오리액터들의 다양한 파라미터들은 배지 (medium) 에서의 측정된 pH 값이 희망하는 pH 값 범위 내에 놓여 있는 방법으로 바이오리액터의 상태를 변화시키도록 구비될 수도 있다.
바이오리액터의 다양한 제어 파라미터들은 바이오리액터의 배지에서의 현재 측정된 pH 값에 종속하여 설정될 수도 있다. 상기 파라미터들의 올바른 설정은 특정한 세포 배양이 매우 유사한/대략 동일한 조건들 하에서 또 다른 바이오리액터에서의 기준 배양으로서 배양될 것인지를 결정한다. 그러므로, 바이오리액터의 상태를 또 다른 (기준) 바이오리액터의 상태와 동기화하기 위해서는, 2 개의 비교된 바이오리액터들의 pH 측정 디바이스들이 동일한 pH 값을 가지는 배지들에 대한 동일한 pH 값을 출력하는 것이 결정적으로 중요하다.
많은 다른 이용 경우의 시나리오들이 존재하고, 여기서, 올바른 pH 값의 결정은 결정적으로 중요하다. 예를 들어, 세포 배양 프로젝트의 종료 시에, 세포 배양 및/또는 그 생성물들은 그것들이 희망하는 세포 배양 생성물들을 추출하기 위하여 추가로 프로세싱되기 전에 하베스트 탱크 (harvest tank) 에서 보관될 수 있다. 하베스트 탱크들은 그 내용물들의 열화로 귀착될 수 있는 하베스트 탱크 내의 임의의 감염 또는 조건들의 다른 수정을 방지하거나 적어도 즉시 식별하기 위하여 면밀하게 모니터링될 필요가 있다. 그러므로, 하베스트 탱크들에서의 pH 값은 샘플들을 취하고 샘플들의 pH 값을 측정함으로써 반복적으로 측정된다.
종종, 탱크-외부 pH 측정 디바이스들은 탱크, 예컨대, 바이오리액터 또는 하베스트 탱크 내에 포함된 배지의 샘플의 pH 값을 측정하기 위하여 이용된다. 그러나, 배지 샘플들을 인출하는 프로세스는 탱크의 감염의 위험을 지닌다. 또한, 샘플에서 측정된 pH 값은 소위 "오프셋 효과들" 로 인해 탱크 내의 배지의 실제적인 pH 값으로부터 이탈할 수도 있다. 샘플의 온도, 환경적 압력, 또는 환경적 공기 조성은 탱크 내의 개개의 파라미터들과는 상이할 수도 있으므로, 오프셋 효과들은 예들 들어, 샘플을 인출하고 그것을 pH 측정 디바이스로 수송하는 프로세스 동안에 야기될 수도 있다. 이것은 오프셋 효과들로 인해, 탱크에서의 배지의 실제적인 pH 값과는 상당히 상이한 샘플에서의 측정된 pH 값으로 귀착될 수도 있다. 결과적으로, 샘플에서 측정된 pH 값은 탱크에서의 현재의 상태를 정확하게 반영하지 않는다.
잘못 교정된 pH 측정 디바이스들은 에러의 추가의 잠재적인 소스 (source) 이고: 전형적으로, pH 측정 디바이스들은 정의된 pH 값을 가지는 상업적으로 입수가능한 기준 용액들로 교정된다. 이 접근법은 전형적으로 탱크로부터의 pH 측정 디바이스의 인출 및 재도입을 요구한다. pH 측정 디바이스의 재도입 후에, 탱크 및 그 안에 포함된 pH 측정 디바이스는 고압멸균 (autoclave) 될 필요가 있다. 이 프로세스는 이미 교정된 pH 측정 디바이스에 대해 효과를 가질 수도 있어서, 그것이 고압멸균 전에 행한 것과는 기준 용액에 대한 상이한 pH 값을 표시할 수도 있는 탱크에서의 pH 측정 디바이스로 귀착될 수도 있다. pH 측정 디바이스가 고압멸균 프로세스에 의해 영향받지 않았던 경우에도, pH 측정 디바이스가 고압멸균에 의해 영향받지 않았다는 보장이 없다. 그 결과, 측정된 pH 값들은 신뢰할 수 있는 것으로서 고려되지 않을 수도 있고, 탱크-내부 pH 계측기의 재교정은 탱크의 배지의 샘플에서 pH 를 측정하는 탱크-외부 기준 pH 계측기를 이용함으로써 탱크-내부 pH 계측기를 교정하기 위하여 수행될 수도 있다. 그러나, 샘플링 프로세스 동안의 오프셋 효과들로 인해, 이것은 또한, 탱크-내부 pH 계측기가 올바르게 교정되는 것을 보장하지 않을 것이다.
오프라인 pH 측정들을 수행하기 위한 샘플들을 규칙적으로 취하는 것은 번거롭고, 희망하지 않는 세균 (germ) 들로 바이오리액터를 감염시킬 위험을 증가시킨다.
본 발명의 목적은 독립항들에서 특정된 바와 같이, pH 측정 디바이스가 pH-측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하고 pH 계측기를 재교정하기 위한 개선된 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 발명의 실시형태들은 종속항들에서 주어진다. 본 발명의 실시형태들은 그것들이 상호 배타적이지 않을 경우에 서로 자유롭게 조합될 수 있다. 발명의 실시형태들은 탱크에서의 공기 체적에서의 CO2 농도가 pH 측정 문제들 및 교정 문제들의 식별을 개선시키고 용이하게 하기 위하여 측정될 수 있는 용이함을 활용할 수도 있다. 하나의 유익한 양태에 따르면, 2 개 이상의 상이한 탱크들에서 측정된 CO2 농도들은 상이한 탱크들에 동작적으로 결합되는 pH 측정 디바이스들의 pH-측정 편차들을 식별하기 위하여 이용될 수도 있다.
하나의 양태에서, 발명은 제 1 탱크에 동작적으로 결합된 제 1 pH 측정 디바이스가 pH-측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. pH 측정 문제는 제 1 pH 측정 디바이스가 제 2 탱크에 동작적으로 결합된 제 2 pH 측정 디바이스와는 상이하게 교정된다는 것이다. 예를 들어, 이 상황은 제 2 탱크가 기준 바이오리액터이고 제 1 탱크가 그 상태가 기준 바이오리액터의 상태와 비교되고 동기화될 또 다른 바이오리액터인 경우에 문제일 수 있다. 방법은:
- 비교 유닛에 의해, 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신하는 단계로서, 제 1 CO2 농도는 제 1 탱크에서의 배지 (M1) 위의 제 1 기체 체적의 CO2 농도이고, 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값은 제 1 시간에서 측정되고, 제 1 시간은 제 1 탱크에서의 배지가 미리 정의된 온도 및 압력에서 제 1 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때의 시간이고, 상기 평형 상태는 임의의 세포 배양의 대사 (metabolism) 에 의해 영향받지 않고, 제 1 pH 값은 제 1 pH 측정 디바이스 (108; 146) 에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신하는 단계;
- 비교 유닛에 의해, 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값을 수신하는 단계로서, 제 2 CO2 농도는 제 2 탱크에 포함된 동일한 타입의 배지 (M1) 위의 제 2 기체 체적의 CO2 농도이고, 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값은 제 2 시간에서 측정되고, 제 2 시간은 제 2 탱크에서의 배지가 미리 정의된 온도 및 압력에서 제 2 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때의 시간이고, 상기 평형 상태는 임의의 세포 배양의 대사에 의해 영향받지 않고, 제 2 pH 값은 제 2 pH 측정 디바이스에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값을 수신하는 단계;
- 제 1 pH 측정 디바이스가 pH-측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위하여, 비교 유닛에 의해, 제 1 및 제 2 pH 값들을 비교하고 제 1 및 제 2 CO2 농도들을 비교하는 단계를 포함한다.
실시형태들에 따르면, 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제를 가진다는 결정은:
- 제 1 및 제 2 CO2 농도들이 동일하고 제 1 및 제 2 pH 값들이 문턱 값 (threshold value) 을 초과하는 것만큼 서로 상이하거나; 또는
- 제 1 및 제 2 pH 값들이 동일하고 제 1 및 제 2 CO2 농도들이 추가의 문턱 값을 초과하는 것만큼 서로 상이하거나; 또는
- 제 1 데이터 값이 추가의 문턱을 초과하는 것만큼 제 2 데이터 값과 상이하고, 제 1 데이터 값은 제 1 pH 값 및 제 1 CO2 농도로부터 유도되고, 제 2 데이터 값은 제 2 pH 값 및 제 2 CO2 농도로부터 유도되는 경우에 행해진다.
제 1 탱크는 예를 들어, 바이오리액터 또는 하베스트 탱크일 수 있다. 제 2 탱크는 예를 들어, 바이오리액터, 특히, 기준 바이오리액터, 또는 하베스트 탱크, 특히, 기준 하베스트 탱크일 수 있다.
발명의 실시형태들은 그것들이 2 개 이상의 탱크들, 예컨대, 기준 탱크 및 하나 이상의 모니터링된 또는 제어된 탱크들에서의 배지들의 pH 값들을 더 정확하게 비교하는 것을 허용하므로 유리할 수도 있다. 기준 탱크의 기준 pH 프로파일은 모니터링되어야 할 탱크 (들) 에서 측정 값들을 획득하기 이전에 수 일 (day) 들, 주 (week) 들, 년 (year) 들에서 획득될 수도 있다. 대안적으로, 제 1 및 제 2 탱크들은 기본적으로 동시 방식으로 동작될 수도 있다. 추가의 유익한 양태에서는, pH 의 오프라인 측정들이 생략될 수 있음으로써, 샘플링 효과들이 측정된 pH 값의 상당한 가변성을 생성할 수도 있을 때, 탱크들의 오염을 회피할 수 있고 pH 값들의 부정확한 비교를 회피할 수 있다.
추가의 유익한 양태에 따르면, 특정한 탱크에서 측정된 CO2 농도들은 절대적인 예상된 pH 값을 연산하기 위하여 이용될 수도 있고, 예상된 pH 값으로부터의 실제적으로 측정된 pH 값의 임의의 편차들을 식별하는 것을 허용할 수도 있다. 상기 편차는 pH 측정 문제, 예컨대, 교정 문제에 대한 표시자일 수도 있다.
추가의 양태에서, 발명은 제 1 탱크에 동작적으로 결합된 제 1 pH 측정 디바이스가 pH-측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 문제는 제 1 pH 측정 디바이스가 잘못 교정된다는 것 (그리고 이에 따라, 기준 pH 측정 디바이스에 의해 제공된 pH 값에 비해 잘못된 pH 값을 생성할뿐만 아니라, 절대적인 측면에서 잘못된 pH 값도 생성함) 이다. 방법은:
- 비교 유닛에 의해, 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신하는 단계로서, 제 1 CO2 농도는 제 1 탱크에서의 배지 (M1) 위의 제 1 기체 체적의 CO2 농도이고, 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값은 제 1 시간에서 측정되고, 제 1 시간은 제 1 탱크에서의 배지가 미리 정의된 온도 및 압력에서 제 1 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때의 시간이고, 상기 평형 상태는 임의의 세포 배양의 대사에 의해 영향받지 않고, 제 1 pH 값은 제 1 pH 측정 디바이스에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신하는 단계;
- 비교 유닛에 의해, 제 2 pH 값을 제 1 CO2 농도의 함수로서 연산하는 단계로서, 제 2 pH 값은 상기 배지가 미리 정의된 온도 및 압력에서 상기 배지 (M1) 위의 제 2 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때에 상기 타입의 배지 (M1) 에 대하여 예측된 pH 값이고, 상기 평형인 제 2 기체 체적은 제 1 CO2 농도와 동일한 제 2 CO2 농도를 가지고, 상기 평형 상태는 임의의 세포 배양의 대사에 의해 영향받지 않는, 상기 연산하는 단계;
- 제 1 pH 측정 디바이스가 pH-측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위하여, 비교 유닛에 의해, 제 1 및 제 2 pH 값들을 비교하는 단계를 포함한다.
이것은 이 방법이, 배지의 일부 속성들이 알려진다면, 오프기체 (offgas) 에서 입력으로서 측정될 수도 있는 탱크의 공기 체적에서의 CO2 농도를 이용하여 배지의 올바른 절대적인 pH 값을 결정하는 것을 허용하므로 유리할 수도 있다. CO2 농도로부터 유도된 연산된 정확한 pH 값을 실제적으로 측정된 pH 값과 비교함으로써, 교정 에러들을 검출하는 것이 가능하다.
실시형태들에 따르면, 비교 유닛은 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제에 의해 영향받는 것으로 결정되었을 경우에 경고 신호를 출력한다. 이것은 조작자가 적절한 액션을 취하는 것, 예컨대, pH 측정 디바이스를 재교정하고, pH 측정 디바이스를 교체하는 것 등을 허용할 수도 있다.
오프기체 CO2 농도를 이용한 예상된 pH 값의 연산
"최소한의 (minimalistic)" 배지들, 예컨대, 완충재 (buffer) 로서 작동하는 물질들이 기본적으로 없는 염 용액 (salt solution) 들의 이용에 관련된 일부 예들에 따르면, 탄산염 완충된 계들에서의 기체 상에서의 이산화탄소에 기초한 pH 값의 계산은 다음과 같이 수행될 수 있다:
액체에서 용해되는 이산화탄소의 농도는 기체 상에서의 이산화탄소 분압 (partial pressure) (pCO2) 에 비례하고, 개개의 비례적인 인자들을 이용하여 계산될 수 있다. 비례적인 인자들은 액체 및 온도뿐만 아니라, 압력에도 종속된다.
예를 들어, 다양한 액체들에서의 CO2 에 대한 용해도 계수 (solubility coefficient) 가 알려져 있고, 문헌으로부터 유도될 수 있거나 실험적으로 결정될 수 있다. 37 degC 에서의 혈액에서의 용해도 계수는 약 0.0304 mmol x L-1 x mmHg-1 이다 [
, G., Petrides, P.E., Physiologische Chemie, Springer-Verlag, 2013]. Sazonov 및 Shaw 에 따르면, 분젠 계수 (Bunsen coefficient) 는 측정의 온도 및 1 bar 의 분압에서 순수한 용매의 단위 체적에 의해 흡수되는, 포화 기체 감소된 273.15 및 1 bar 의 체적로서 정의된다. 치수는 그러므로 체적/체적 또는 무차원 (dimensionless) 이다. 이 계수는 평형 시에, 기체의 분압이 상관된 용액에서 용해되는 이 기체의 농도에 직접적으로 비례적인 것을 요구하는 헨리의 법칙 (Henry's Law) 에 기초한다. 용해도 계수들은 개개의 용액에 종속된다 [Gros, J.B., Dussap, C.G., 
M., Estimation of O2 and CO2 solubility in microbial culture media (미생물 배양 배지들에서의 O2 및 CO2 용해도의 추정). Biotechnology Progress 1999, 15, 923-927].
배지의 용해도 계수가 알려질 경우, 용해된 이산화탄소의 농도는 기체 상에서의 이산화탄소 농도들에 의해 계산될 수 있다. 예컨대, 바이오리액터들에서의 기체 상에서의 농도들은 오프 기체 분석기를 이용하여 직접적으로 측정될 수 있다.
이산화탄소 및 탄소 산-염기 평형들:
식 1
용해된 CO2(aq) 는 물 (H2O) 에서 탄산 (H2CO3) 으로 수화된다.
식 2
중성 pH 및 37 degC 수화된 종에서의 수용액들에서는, 탄산이 거의 존재하지 않고; 그러므로, 양자의 종들은 H2CO3* (CO2(aq) + H2CO3 = H2CO3) 으로 합성될 수 있다. 7.00 주위의 전형적인 발표 (fermentation) pH 에서, H2CO3 * 는 중탄산염 (bicarbonate) (HCO3-) 및 양성자 (proton) (H+) 로 해리된다. 탄산염 (CO32-), 탈양성자화된 종 (deprotonated species) 은 중성 pH 값들에서 거의 존재하지 않는다.
수성 CO 2 (aq) 는 석회석을 용해시킬 수 있고,
탄산을 형성하기 위하여 물과 반응할 수 있다.
오직 작은 분율 (fraction) 이 산으로서 존재하고, 따라서, 해리 상수 K 는 하기 식과 같다.
이산화탄소 및 탄소 산-염기 평형들:
H2CO3 의 형태인 용해된 CO2 는 산 평형들을 통해 2 개에 이르는 양성자들을 느슨하게 할 수도 있다.
식 3
식 4
해리 상수들 K S1 및 K S2 는 표준 조건들 (298,15 K, 이온 강도 Ic = 0 M) 에 대하여 여기서 주어진다 [Goudar, C.T.C., Matanguihan, R., Long, E., Cruz, C., et al., Decreased pCO2 accumulation by eliminating bicarbonate addition to high cell-density cultures (높은 세포-밀도 배양들에 대한 중탄산염 추가를 제거하는 것에 의한 감소된 pCO2 누적). Biotechnology and Bioengineering 2007, 96, 1107-1117].
세포 배양 조건들에 대하여, 37 degC 의 온도들뿐만 아니라, 0.1 M 의 이온 강도들이 이용될 수 있다. 이것은 개개의 해리 상수들을 10-6.07 및 10-10.04 로 각각 변화시킬 것이다.
모든 종의 이산화탄소 (H2CO3 *), 중탄산염 HCO3 -, 및 탄산염 CO3 2- 의 비율은 헨더슨-하셀바흐-식 (Henderson-Hasselbalch-Equation) 을 이용하여 계산될 수 있다.
평형 식들:
식 5
식 6
산 평형 식들은 개개의 탄산염들의 분율 
를 양성자의 농도의 함수, 이 때문에, pH 로서 제공하기 위하여 구해질 수 있다:
식 7
식 8
식 9
상대적인 H2CO3 농도는 사실상, 물과 평형인 CO2 (aq) 이다.
pH 의 연산
다음에서는, 섭씨 37 도에서의 물에서의 이산화탄소 농도에 기초한 예상된 pH 의 예시적인 연산이 설명될 것이다:
기체 상에서의 이산화탄소 농도가 알려질 경우, 용해된 이산화탄소 농도는 37 degC 에서의 대기 압력에서 유효한 분젠 계수의 이용에 의해 계산될 수 있다 [
, G., Petrides, P.E., Physiologische Chemie, Springer-Verlag, 2013].
CO2aq = 0.0304 [mmol/L*mmHg] * 압력 * 이산화탄소 농도 기체 상/ 100.
이 경우의 압력은 750.06 mmHg 의 대기 압력이다.
탱크의 기체 상에서 10 % 이산화탄소가 있을 수도 있다. 이산화탄소는 [%] 로 주어진다. mmol/L (
[mmol/L]) 인 CO2 의 분압은 이 경우에, 750.06 mmHg * 10 % / 100 = 75,006 mmHg 에 따라 연산된다. 그 다음으로, 우리는 mmol/L 
를 가진다.
그 다음으로, 제 1 식 H2CO3 => H+ + HCO3- 의 양성자 농도는 식 5 및 식 6 을 통해 연산된다:
H+ 농도 식 5 = 1,01468E-06 mmol/L.
H+ 농도 식 6 = 1,06941E-10 mmol/L.
그러므로, 전체적인 H+ 농도는 1,01468E-06 mmol/L + 1,06941E-10 mmol/L = 1,01479E-06 mmol/L 이다.
전체적인 H+ 농도에 대한 식 5 의 기여분은 식 6 의 그것보다 더 크다.
그 다음으로, pH 는 pH= -log(1,01479E-06) = 5,99 에 따라 연산된다.
기체 상에서의 CO2 농도는 하기 식에 따라 중탄산염 농도 및 pH 에 기초하여 연산될 수도 있다:
여기서, b 는 750.06 mmHg 의 정상적인 대기 압력에서의 0.0304 mmol/L*mmHg 의 분젠 계수이고, pH 는 용액의 pH 값이고, C 는 [mmol/L] 인 중탄산염의 농도이다.
먼저, 압력의 정상적인 대기 하에서 물 (aq) 에서 용해된 CO2 의 양은 헨리의 법칙을 이용하여 연산된다.
식 10: [ 
, 여기서, K CO2 는 기체 상/오프기체에서 측정된 CO2 농도이고, H 는 헨리 용해도이다.
식 11
:
은
pH 를 하기 식으로서 연산하기 위하여 분해될 수 있다.
배지 특정 관련성을 이용한 예상된 pH 값의 연산
실시형태들에 따르면, 제 2 pH 값의 연산을 위한 비교 유닛은 데이터 저장 매체로부터 배지-특정 관련성을 판독한다. 배지-특정 관련성은 제 1 탱크의 배지 (M1) 에 대해 특정적이고, 상기 배지가 상기 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있고 세포 배양을 결여할 때에 배지 (M1) 의 pH 값과 기체 체적에서의 CO2 기체의 개개의 분율과의 사이의 관련성을 표시한다. 비교 유닛은 미리 정의된 온도 및 압력에서, 그리고 세포 배양의 부재 하에서 pH-CO2 평형인 배지에 대하여 예상된 절대적인 pH 값을 계산하기 위하여, 제 1 CO2 농도를 배지 특정 관련성으로 입력한다. 절대적인 pH 값은 연산된 제 2 pH 값으로서 이용된다.
이것은 배지에서의 pH 값을 CO2-pH 평형 상태인 오프기체에서의 CO2 농도와 상관시키는 배지 특정 관련성이 pH-CO2 평형에 대해 영향을 가지는 복수의 물질들을 포함하는 배지들을 포함하는 임의의 종류의 배지에 대하여 경험적으로 획득될 수 있으므로 유리할 수도 있다.
실시형태들에 따르면, 배지-특정 관련성은 배지 (M1) 의 pH 값 및 기체 체적에서의 CO2 기체의 각각 측정된 분율의 다수의 경험적으로 결정된 쌍들을 수학적으로 맞춤으로써 획득된 식 PPHM1(CO2) = REL-M1(CO2) 이다. PPHM1(CO2) 는 상기 배지가 세포 배양을 결여하고 상기 배지 위의 기체 체적과의 pH-CO2 평형일 때에 배지 (M1) 에서의 예측된 pH 값이고, 상기 기체 체적은 입력 파라미터로서 이용된 CO2 농도를 포함한다. CO2 는 입력 파라미터 값이고, 세포 배양의 부재 하에서 pH-CO2 평형 상태인 배지 (M1) 위의 기체 체적에서의 CO2 농도를 표현한다. REL-M1 은 조작자들에 의해 연결된 하나 이상의 파라미터들 (a1, a2, b1, b2, b3) 의 세트이다. 파라미터들은 하기를 포함하는 방법에 의해 경험적으로 획득되었다:
예를 들어, 배지 특정 관련성은 CO2 오프기체 센서 및 온라인 pH 측정 디바이스를 포함하는 특수한 용기 또는 바이오리액터에서 결정될 수 있다. 배지 특정 관련성을 결정하기 위하여 이용된 조건들, 예컨대, 온도 및 압력은 제 1 pH 값을 측정할 때에 효과 있는 온도 및 압력과 우선적으로 동일하거나 매우 유사하다.
실시형태들에 따르면, 그 pH 값이 측정되는 탱크에서의 배지 (M1) 는 배지-특정 관련성을 경험적으로 생성하기 위하여 이용된 배지와 동일한 조성을 가지는 것으로 알려져 있는 정의된 조성의 배지이다. 예를 들어, 탱크에서의 배지 및 배지 특정 관련성을 생성하기 위하여 이용된 배지는 탱크의 조작자에 의해 준비될 수도 있거나, 배지의 모든 컴포넌트들 및 개개의 농도들을 개시하는 제공자로부터 취출 (retrieve) 될 수도 있다. 이에 따라, 본원에서 이용된 바와 같은 표현들 "동일한 타입의 배지" 또는 "동일한 배지" 는 양자 모두 pH-CO2 평형에 대해 영향을 가지는 모든 컴포넌트들에 적어도 관하여 동일한 조성을 가지는 배지들을 지칭한다.
예를 들어, 배지는 pH-CO2 평형에 대해 영향을 가지는 (중탄산염을 제외한) 임의의 다른 물질들이 없는 중탄산염 완충재 (bicarbonate buffer) 일 수도 있다. 상업적으로 입수가능한 배지들의 일부 제공자들은 성분들의 완전한 리스트를 개시하지 않는다. 컴포넌트들의 정의된 제한된 세트를 가지는 완충재를 준비함으로써, 탱크의 조작자는 탱크에서의 배지가 배지 특정 관련성을 생성하기 위하여 이용된 배지와 정확하게 동일한 조성을 가진다는 것을 보장할 수도 있다. 이것은 pH 측정 문제의 에러 있는 검출을 방지할 수도 있거나, 실제의 pH 측정 문제의 누락일 수 있다.
실시형태들에 따르면, 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제를 가진다는 결정은 제 1 및 제 2 pH 값들이 문턱 값을 초과하는 것만큼 서로 상이할 경우에 행해진다. 마찬가지로, 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제를 가진다는 결정은 제 1 데이터 값이 추가의 문턱을 초과하는 것만큼 제 2 데이터 값과 상이할 경우에 행해지고, 제 1 데이터 값은 제 1 pH 값으로부터 유도되고, 제 2 데이터 값은 제 2 pH 값으로부터 유도된다. 예를 들어, 문턱은 제 1 pH 측정 디바이스가 결합되는 탱크의 조작자에 의해 설정될 수도 있고, 탱크 및 배지가 이용되는 조작자 또는 프로젝트의 정확도 요건들에 종속될 수도 있다.
실시형태들에 따르면, 제 1 탱크는 바이오리액터 또는 하베스트 탱크 또는 교정 박스이다.
추가의 유익한 양태에 따르면, 특정한 탱크에서 측정된 CO2 농도들은 에러있게 교정된 pH 측정 디바이스를 교정하거나 재교정하기 위하여 이용될 수도 있다.
추가의 양태에서, 발명은 제 1 pH 측정 디바이스를 교정하거나 재교정하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은 제 1 pH 측정 디바이스가 pH-측정 문제에 의해 영향받는 것으로 결정하기 위하여, 발명의 실시형태들에 대하여 위에서 설명된 바와 같이 제 1 및 제 2 탱크에서 측정된 pH 값들 및 CO2 농도들을 비교하는 단계; 및 제 1 및 제 2 CO2 농도들이 동일할 경우에 제 2 pH 측정 디바이스와 동일한 pH 값을 출력하도록, 제 1 pH 측정 디바이스를 교정하는 단계를 포함한다. 대안적으로, 방법은 제 1 탱크에서의 제 1 pH 측정 디바이스가 pH-측정 문제에 의해 영향받는 것으로 결정하기 위하여, 발명의 실시형태들에 대하여 위에서 설명된 바와 같이 제 1 탱크의 오프기체에서 측정된 제 1 CO2 농도로부터 예상된 제 2 pH 값을 연산하는 단계; 및 제 1 CO2 농도의 함수로서 연산된 pH 값과 동일한 pH 값을 출력하도록, 제 1 pH 측정 디바이스를 교정하는 단계를 포함한다.
추가의 유익한 양태에 따르면, 특정한 탱크에서 측정된 CO2 농도들은 탱크로부터 pH 측정 디바이스를 제거하고 pH 측정 디바이스를 탱크로 재삽입하지 않으면서, 에러있게 교정된 pH 측정 디바이스를 교정하거나 재교정하기 위하여 이용될 수도 있다.
추가의 양태에서, 발명은 제 1 pH 측정 디바이스를 포함하는 탱크를 동작시키는 방법에 관한 것이다. 제 1 pH 측정 디바이스는 온라인 측정 디바이스이고, 방법은:
- 탱크에서 세포 배양을 성장시키는 단계로서, 탱크는 성장 배지를 포함함으로써, 제 1 pH 측정 디바이스에 의해 성장 배지에서의 pH 를 반복적으로 측정하는, 상기 성장시키는 단계;
- 탱크에서 그 안에 포함된 성장 배지 및 세포 배양을, 평형인 pH 와 CO2 사이의 관련성이 알려져 있는 배지 (M1) 로 교체하는 단계; 예를 들어, 상기 배지 (M1) 는 그 대응하는 배지-특정 관련성이 pH 측정 문제가 존재하는지의 결정을 수행하는 비교 유닛에 액세스가능한 데이터 저장 매체 내에 저장되는 배지일 수도 있거나, 배지 (M1) 는 pH-CO2 평형인 CO2 오프기체 농도로부터의 절대적인 pH 값의 연산을 허용하는 전적으로 중탄산염-완충된 배지일 수도 있는, 상기 교체하는 단계;
- 성장 배지를 교체한 후에, 제 1 pH 측정 디바이스가 pH-측정 문제에 의해 영향받는 것으로 결정하기 위하여, 발명의 실시형태들에 대하여 위에서 설명된 바와 같이 측정된 CO2 오프 기체 농도로부터 예상된 제 2 pH 값을 연산하는 단계;
- pH 측정 문제가 검출되었을 경우, 배지 (M1) 에 대한 제 1 CO2 농도의 함수로서 연산된 pH 값과 동일한 pH 값을 출력하도록, 제 1 pH 측정 디바이스를 교정하는 단계;
- 제 1 pH 측정 디바이스를 교정한 후에, 탱크에서의 배지를 성장 배지로 교체하는 단계를 포함한다.
상기 특징들은 탱크로부터 pH 측정 디바이스를 인출하고, 일부 교정 테스트들을 실행하고, 그것을 임의적으로 재교정하고, pH 계측기를 고압멸균하고, 고압멸균된 pH 계측기를 탱크 내로 재도입하는 것이 더 이상 필요하지 않으므로 유리할 수도 있다. 오히려, 탱크 내에 위치된 온라인 pH 측정 디바이스일 수도 있는 pH 측정 디바이스는 탱크에서 검사될 수 있고 재교정될 수 있다. 이것은 오염 위험을 감소시킬 수도 있고, 시간을 절감할 수도 있다.
추가의 유익한 양태에 따르면, 특정한 탱크에서 측정된 CO2 농도들은 탱크에서의 배지의 샘플을 취함으로써 야기된 pH 오프셋 효과들을 식별하기 위하여 이용될 수도 있다.
추가의 양태에서, 발명은 제 1 탱크로부터 배지 샘플을 취함으로써 야기된 pH 오프셋 효과들을 결정하는 방법에 관한 것이다. 방법은 탱크-외부 오프라인 pH 측정 디바이스를 제공하는 단계, 및 제 1 탱크를 제공하는 단계를 포함한다. 제 1 탱크는 제 1 pH 측정 디바이스를 포함한다. 제 1 pH 측정 디바이스는 제 1 탱크 내에 위치된 온라인 pH 측정 디바이스이고, 제 1 탱크에서의 배지 (M1) 에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 방법은:
- 제 1 (탱크-내부) pH 측정 디바이스가 pH-측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위하여, 제 1 탱크의 측정된 CO2 오프기체 농도로부터 예측된 절대적인 pH 값을 연산함으로써 제 1 (탱크-내부) pH 측정 디바이스를 교정하는 단계; 및 제 1 CO2 농도의 함수로서 연산된 pH 값과 동일한 pH 값을 출력하도록, (pH 측정 문제가 검출되었을 경우에) 제 1 (탱크-내부) pH 측정 디바이스를 교정하는 단계;
- 탱크-외부 오프라인 pH 측정 디바이스를, 제 1 탱크와 동일한 타입의 배지 (M1) 를 포함하는 교정 박스 내로 전달하는 단계; 및 탱크-외부 오프라인 pH 측정 디바이스가 pH-측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위하여 교정 박스의 측정된 CO2 오프기체 농도로부터 예측된 절대적인 pH 값을 연산함으로써 (pH 측정 문제가 검출되었을 경우에) 탱크-외부 오프라인 pH 측정 디바이스를 교정하는 단계; 및 교정 박스의 오프 기체에서 측정된 CO2 농도의 함수로서 연산된 pH 값과 동일한 pH 값을 출력하도록, (pH 측정 문제가 검출되었을 경우에) 탱크-외부 오프라인 pH 측정 디바이스를 교정하는 단계를 더 포함하고; 이에 따라, 교정 박스는 교정되어야 할 pH 측정 디바이스를 포함하는 탱크로서 이용되고, 탱크-외부 오프라인 pH 측정 디바이스를 교정하기 위하여 이용되어야 할 제 2 pH 값을 연산하기 위한 입력으로서 이용된 CO2 농도를 측정하기 위하여 그 CO2 오프기체 센서가 이용되는 용기로서 이용된다.
제 1 pH 측정 디바이스 및 탱크-외부 pH 측정 디바이스를 교정한 후에, 방법은:
- 제 1 pH 측정 디바이스에 의해, 제 1 탱크에서의 배지의 제 1 현재의 pH 값을 측정하는 단계로서, 제 1 현재의 pH 값은 온라인-측정 값인, 상기 제 1 현재의 pH 값을 측정하는 단계;
- 제 1 탱크의 배지의 샘플을 취하고 샘플을 휴대용 용기 내로 채우는 단계;
- 샘플 용기에서의 배지로 적어도 부분적으로 둘러싸이도록, 탱크-외부 pH 측정 디바이스를 위치시키는 단계;
- 탱크-외부 pH 측정 디바이스에 의해, 샘플 용기에서의 배지의 제 2 현재의 pH 값을 측정하는 단계로서, 제 2 현재의 pH 값은 오프라인-측정 값인, 상기 제 2 현재의 pH 값을 측정하는 단계;
- 제 1 및 제 2 현재의 pH 값들이 문턱을 초과하는 것만큼 상이할 경우, 샘플링 프로세스가 pH 오프셋 효과를 야기한 것으로 결정하는 단계를 포함한다.
실시형태들에 따르면, 방법은:
- 제 3 CO2 농도 및 제 3 pH 값을 수신하는 단계로서, 제 3 CO2 농도는 제 1 탱크에서의 배지 위의 제 3 기체 체적의 CO2 농도이고, 제 3 CO2 농도 및 제 3 pH 값은 제 3 시간에서 측정되고, 제 3 시간은 제 1 탱크에서의 배지가 제 3 기체 체적과 미리 정의된 온도 및 압력에서 pH-CO2 평형 상태에 있을 때, 그리고 상기 평형 상태가 제 1 탱크에서의 세포 배양의 대사에 의해 수정된 후의 시간이고, 제 3 pH 값은 제 1 pH 측정 디바이스에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 3 CO2 농도 및 제 3 pH 값을 수신하는 단계;
- 제 4 CO2 농도 및 제 4 pH 값을 수신하는 단계로서, 제 4 CO2 농도는 제 2 탱크에서의 배지 위의 제 4 기체 체적의 CO2 농도이고, 제 4 CO2 농도 및 제 4 pH 값은 제 4 시간에서 측정되고, 제 4 시간은 제 2 탱크에서의 배지가 제 2 기체 체적과 미리 정의된 온도 및 압력에서 pH-CO2 평형 상태에 있을 때, 그리고 상기 평형 상태가 제 2 탱크에서의 세포 배양의 대사에 의해 수정된 후의 시간이고, 제 4 pH 값은 제 2 pH 측정 디바이스에 의해 제공된 측정된 값이고, 제 3 시간과 제 1 탱크의 접종 (inoculation) 사이의 경과된 시간은 제 4 시간과 제 2 탱크의 접종 사이의 경과된 시간과 동일한, 상기 제 4 CO2 농도 및 제 4 pH 값을 수신하는 단계;
- 제 3 시간에서 제 1 탱크에서의 세포 배양의 측정된 제 1 산소 섭취 레이트 (uptake rate) 를 수신하는 단계;
- 제 4 시간에서 제 2 탱크에서의 세포 배양의 측정된 제 2 산소 섭취 레이트를 수신하는 단계;
- 제 1 및 제 2 산소 섭취 레이트들이 동일할 경우, 제 1 및 제 2 pH 측정 디바이스들이 상이하게 교정되는지를 결정하기 위하여 제 3 및 제 4 pH 값들 및 CO2 농도들을 비교하는 단계를 더 포함한다.
예를 들어, 상기 단계들은 비교 유닛, 예컨대, 하나 이상의 pH 측정 디바이스들의 pH 측정들 및 교정 상태들을 모니터링 및/또는 제어하는 프로그램 로직의 피스 (piece) 에 의해 수행될 수도 있다. 게다가, 비교 유닛, 또는 비교 유닛에 결합된 제어 유닛은 하나 이상의 탱크들의 상태를 모니터링 및/또는 제어할 수도 있다.
샘플링 프로세스의 오프셋 효과들을 정확하게 측정하고 최소화하는 것은, 샘플에서 측정된 pH 값이 바이오리액터들의 중요한 제어 파라미터로서 종종 이용될 수도 있으므로 매우 유리할 수도 있다. 바이오리액터의 배지의 샘플에서 측정된 pH 값은 종종, 정정 액션들을 취하기 위한 기초일 수도 있고, 예컨대, 염기 물질을 추가하기 위하여, 온도 또는 피드 레이트를 증가시키거나 감소시키는 것이 수행될 수도 있다. 측정된 CO2 농도에 기초하여 탱크-내부 pH 측정 디바이스뿐만 아니라, 탱크-외부 pH 측정 디바이스를 교정함으로써, 양자의 pH 측정 디바이스들은 정확히 CO2 농도로부터 유도될 수 있는 매우 정확한 절대적인 pH 값에 대하여 교정될 수 있다. 이에 따라, 교정 차이들이 최소화될 수 있다. 결과적으로, 탱크를 동작시키고 배지들 샘플들을 규칙적으로 취할 때, 탱크-내부 pH 측정 디바이스 및 탱크-외부 pH 측정 디바이스의 pH 값에서의 임의의 차이는 교정 차이들이 아니라, 샘플링 효과들에 명확하게 기인할 수 있다. 이에 따라, 샘플링 프로세스의 효과는 더 정확하게 결정될 수 있고, 탱크-외부 pH 측정 디바이스에 의해 측정된 pH 값으로부터 (예컨대, 샘플링 프로세스에 의해 야기된 pH 차이를 연산적으로 가산하거나 감산함으로써) 여과될 수 있다.
실시형태들에 따르면, 제 1 pH 측정 디바이스는 제 1 탱크 내의 배지에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 제 1 탱크는 제 2 탱크에서의 배지의 샘플을 수동으로 또는 자동으로 취하기 위한 수단을 결여한다. 대안적으로, 제 1 탱크는 제 1 탱크에서의 배지의 샘플을 수동으로 또는 자동으로 취하기 위한 수단을 포함하지만, 샘플링 수단의 모든 개구부들은 제 1 탱크에서 배지를 채운 후와, 세포 배양을 제 1 탱크에서의 배지에 추가하기 전의 시간 간격 동안에 폐쇄된 채로 유지된다. 이것은 미생물 (microbe) 들로 탱크를 오염시킬 위험을 감소시킬 수도 있다.
실시형태들에 따르면, 제 2 pH 측정 디바이스는 제 2 탱크 내의 배지에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 제 2 탱크는 제 2 탱크에서의 배지의 샘플을 수동으로 또는 자동으로 취하기 위한 수단을 결여한다. 대안적으로, 제 2 탱크는 제 2 탱크에서의 배지의 샘플을 수동으로 또는 자동으로 취하기 위한 수단을 포함하지만, 샘플링 수단의 모든 개구부들은 제 2 탱크에서 배지를 채운 후와, 세포 배양을 제 2 탱크에서의 배지에 추가하기 전의 시간 간격 동안에 폐쇄된 채로 유지된다.
실시형태들에 따르면, 제 2 pH 측정 디바이스가 제 1 pH 측정 디바이스와는 상이하게 교정되는지를 결정하기 위하여 이용된 발명의 실시형태들에 대하여 본원에서 설명된 pH 측정 문제들을 결정하기 위한 방법으로서, 제 1 및 제 2 pH 측정 디바이스가 상이하게 교정되는지의 결정은, 제 2 pH 측정 디바이스가 제 2 탱크에서의 배지로 적어도 부분적으로 둘러싸이는 동안에, 그리고 상기 결정을 수행하기 위하여 제 2 탱크의 배지의 샘플을 취하지 않으면서 수행된다.
실시형태들에 따르면, 2 개 이상의 상이한 pH 측정 디바이스들에 의해 측정된 pH 값들을 비교하는 것으로서, 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제에 의해 영향받는지의 결정은 제 1 및 제 2 CO2 농도들 및 제 1 및 제 2 pH 값들을 상기 결정을 위한 유일한 데이터 입력으로서 이용함으로써 수행된다.
실시형태들에 따르면, 특정한 pH 측정 디바이스에 의해 측정된 pH 값을 측정된 CO2 농도로부터 연산된 예상된 pH 값과 비교하는 것으로서, 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제에 의해 영향받는지의 결정은 상기 pH 측정 디바이스를 포함하는 탱크의 측정된 pH 값 및 측정된 CO2 농도를 상기 결정을 위한 유일한 데이터 입력으로서 이용함으로써 수행된다.
상기 특징들은 오프라인-측정들이 pH 측정 문제들을 결정하기 위하여 더 이상 요구되지 않을 수도 있으므로 유리할 수도 있다.
실시형태들에 따르면, 제 1 pH 값의 측정은 온라인-측정으로서 수행되고, 제 1 pH 측정 디바이스는 제 1 탱크에서의 배지로 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 이 경우, 제 1 탱크에 동작적으로 결합되는 제 1 pH 측정 디바이스는 제 1 탱크의 탱크-내부 pH 측정 디바이스이다.
추가적으로 또는 대안적으로, 제 2 pH 값의 측정은 온라인 측정으로서 수행되고, 제 2 pH 측정 디바이스는 제 2 탱크에서의 배지에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 이 경우, 제 2 탱크에 동작적으로 결합되는 제 2 pH 측정 디바이스는 제 2 탱크의 탱크-내부 pH 측정 디바이스이다.
실시형태들에 따르면, 제 1 CO2 농도의 측정은 제 1 CO2 농도를 제공하기 위한 제 1 탱크의 오프 기체에서 제 1 CO2 센서에 의해 온라인-측정으로서 수행된다.
실시형태들에 따르면, 제 2 CO2 농도의 측정은 제 2 CO2 농도를 제공하기 위한 제 2 탱크의 오프 기체에서 제 2 CO2 센서에 의해 온라인-측정으로서 수행된다.
실시형태들에 따르면, 비교 유닛은 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제에 의해 영향받는 것으로 결정할 경우, 다음의 단계들 중의 하나 이상을 수행한다: 경고 메시지를 출력하는 단계; 제 1 pH 측정 디바이스의 재교정의 수행을 자동으로 수행하거나 트리거링하는 단계; 또는 새로운 제 1 pH 측정 디바이스에 의한 제 1 pH 측정 디바이스의 교체의 수행을 자동으로 수행하거나 트리거링하는 단계.
실시형태들에 따르면, 제 1 탱크는 다음의 특징들 중의 하나 이상에 관하여 제 2 탱크와는 상이하다:
a) 탱크에서의 기체 체적,
b) 탱크에서의 배지 체적,
c) 탱크의 레이놀즈 수 (Reynolds number),
d) 탱크의 뉴턴 수 (Newton number),
e) 탱크의 치수들,
f) 탱크 및/또는 탱크 배플 (tank baffle) 들의 기하학적 특징들,
g) 교반기 구성,
h) 교반 레이트,
i) 탱크의 산소에 대한 체적 질량 전달 계수 (kLa),
j) 총 기체 유입 레이트 (influx rate) 및/또는 O2 유입 레이트 및/또는 N2 유입 레이트 및/또는 CO2 유입 레이트,
k) 전력 입력,
l) 탱크에서의 압력,
m) 배지에서의 기체 거품 유지 시간,
n) 배지에서의 기체 거품 크기 및 분포,
o) 표면 속도,
p) 파라미터들 a) 내지 o) 중의 하나 이상으로부터의 파생물 (derivative) 로서 계산된 파라미터,
q) 2 개의 탱크들의 지리적 로케이션.
추가의 양태에서, 발명은:
- 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신하는 것으로서, 제 1 CO2 농도는 제 1 탱크에서의 배지 (M1) 위의 제 1 기체 체적의 CO2 농도이고, 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값은 제 1 시간에서 측정되고, 제 1 시간은 제 1 탱크에서의 배지가 미리 정의된 온도 및 압력에서 제 1 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때의 시간이고, 상기 평형 상태는 임의의 세포 배양의 대사에 의해 영향받지 않고, 제 1 pH 값은 제 1 pH 측정 디바이스에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신하고;
- 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값을 수신하는 것으로서, 제 2 CO2 농도는 제 2 탱크에 포함된 동일한 타입의 배지 (M1) 위의 제 2 기체 체적의 CO2 농도이고, 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값은 제 2 시간에서 측정되고, 제 2 시간은 제 2 탱크에서의 배지가 미리 정의된 온도 및 압력에서 제 2 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때의 시간이고, 상기 평형 상태는 임의의 세포 배양의 대사에 의해 영향받지 않고, 제 2 pH 값은 제 2 pH 측정 디바이스에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값을 수신하고;
- 제 1 pH 측정 디바이스가 pH-측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위하여, 제 1 및 제 2 pH 값들을 비교하고 제 1 및 제 2 CO2 농도들을 비교하도록 구성된 비교 유닛에 관한 것이다.
추가의 양태에서, 발명은:
- 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신하는 것으로서, 제 1 CO2 농도는 제 1 탱크에서의 배지 (M1) 위의 제 1 기체 체적의 CO2 농도이고, 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값은 제 1 시간에서 측정되고, 제 1 시간은 제 1 탱크에서의 배지가 미리 정의된 온도 및 압력에서 제 1 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때의 시간이고, 상기 평형 상태는 임의의 세포 배양의 대사에 의해 영향받지 않고, 제 1 pH 값은 제 1 pH 측정 디바이스에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신하고;
- 제 2 pH 값을 제 1 CO2 농도의 함수로서 연산하는 것으로서, 제 2 pH 값은 상기 배지가 미리 정의된 온도 및 압력에서 상기 배지 (M1) 위의 제 2 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때에 상기 타입의 배지 (M1) 에 대하여 예측된 pH 값이고, 상기 평형인 제 2 기체 체적은 제 1 CO2 농도와 동일한 제 2 CO2 농도를 가지고, 상기 평형 상태는 임의의 세포 배양의 대사에 의해 영향받지 않는, 상기 제 2 pH 값을 제 1 CO2 농도의 함수로서 연산하고;
- 제 1 pH 측정 디바이스가 pH-측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위하여, 제 1 및 제 2 pH 값들을 비교하도록 구성된 비교 유닛에 관한 것이다.
추가의 양태에서, 발명은 제 1 탱크의 상태를 모니터링 및/또는 제어하도록 구성된 시스템에 관한 것이다. 시스템은:
- 발명의 실시형태들에 따른 비교 유닛;
- 비교 유닛에 동작적으로 결합된 제어 유닛; 및
- 제 1 탱크 및 제 1 pH 측정 디바이스를 포함하고;
- 제어 유닛은 제 1 탱크에서의 세포 배양의 상태를 모니터링 및/또는 제어함으로써, 제 1 pH 측정 디바이스에 의해 반복적으로 측정된 pH 값들을 입력으로서 이용하도록 구성된다.
실시형태들에 따르면, 시스템은 적어도 상기 입력 파라미터들을 분석함으로써 제 2 탱크의 상태로부터의 제 1 탱크의 상태의 편차들을 모니터링 및/또는 최소화하기 위하여, 제 1 및 제 2 pH 측정 디바이스의 pH 값들 및 제 1 및 제 2 CO2 농도들을 입력 파라미터로서 이용하도록 구성된다.
다음에서는, 실시형태들 및 예들이 바이오리액터들을 참조함으로써 설명될 것이다. 그러나, 바이오리액터들은 발명의 실시형태들이 적용될 수도 있는 오직 하나의 타입의 탱크이다. 다른 예들은 하베스트 탱크들 및 교정 박스들이다.
하나의 양태에서, 발명은 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 하기 단계를 포함한다:
- 비교 유닛에 의해, 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신하는 단계. 제 1 CO2 농도는 제 1 바이오리액터에서의 배지 위의 제 1 기체 체적의 CO2 농도이다. 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값은 제 1 시간에서 측정된다. 제 1 시간은 제 1 바이오리액터에서의 배지가 제 1 기체 체적과 미리 정의된 온도 및 압력에서 pH-CO2 평형 상태에 있을 때, 그리고 상기 평형 상태가 제 1 바이오리액터에서의 세포 배양의 대사에 의해 수정되기 전의 시간이다. 제 1 pH 값은 제 1 바이오리액터에 동작적으로 결합된 제 1 pH 측정 디바이스에 의해 제공된 측정된 값이다;
- 비교 유닛에 의해, 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값을 수신하는 단계. 제 2 CO2 농도는 제 2 바이오리액터에서의 배지 위의 제 2 기체 체적의 CO2 농도이다. 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값은 제 2 시간에서 측정된다. 제 2 시간은 제 2 바이오리액터에서의 배지가 제 2 기체 체적과 미리 정의된 온도 및 압력에서 pH-CO2 평형 상태에 있을 때, 그리고 상기 평형 상태가 제 2 바이오리액터에서의 세포 배양의 대사에 의해 수정되기 전의 시간이다. 제 2 pH 값은 제 2 바이오리액터에 동작적으로 결합된 제 2 pH 측정 디바이스에 의해 제공된 측정된 값이다. 제 1 바이오리액터에서의 배지는 제 2 바이오리액터에서의 배지와 동일하다;
- 제 1 및 제 2 pH 측정 디바이스들이 상이하게 교정되는지를 결정하기 위하여, 또는 제 1 및 제 2 pH 측정 디바이스들이 제 1 및 제 2 바이오리액터들의 개개의 하나의 배지의 샘플에서 제 1 또는 제 2 pH 값을 측정하기 위하여 수행된 샘플링 프로세스의 오프셋 효과들로 인해 상이한 pH 값들을 출력하는지를 결정하기 위하여, 비교 유닛에 의해, 제 1 및 제 2 pH 값들 및 제 2 CO2 농도들을 비교하는 단계.
예를 들어, 제 2 바이오리액터는 기준 바이오리액터로서 이용될 수도 있고, 제 1 바이오리액터는 세포 배양 프로젝트가 기준 바이오리액터에서 이전에 배향되었던 기준 세포 배양과 기본적으로 동일한 방법으로 작동될 또 다른 바이오리액터로서 이용될 수도 있다. 또한, 제 1 및 제 2 바이오리액터들이 동시에 작동됨으로써, 바이오리액터들의 상태를 비교하기 위하여 개개의 pH 값들이 반복적으로 측정되는 경우일 수도 있다. 파라미터 비교는 예를 들어, 상기 2 개의 바이오리액터들의 상태 편차를 방지하기 위한 적절한 액션들을 자동으로, 반자동으로, 또는 수동으로 개시시키기 위하여 수행될 수도 있다.
제 1 또는 제 2 pH 측정 디바이스들의 교정 에러들은 공통적인 에러 소스들이어서, 2 개의 바이오리액터들의 상태들을 정확하게 비교하고 및/또는 제 1 바이오리액터에서 제 2 바이오리액터로부터 유도된 상태 프로파일을 정확하게 재현 (reproduce) 하는 것의 실패로 귀착된다는 것이 관찰되었다. 교정 에러들은 오프라인 및 온라인 pH 측정 접근법들 양자에 대한 공통적인 에러 소스들이다.
또한, 오프라인 pH 측정들이 제 1 및/또는 제 2 바이오리액터에서 수행될 경우, 획득된 오프라인 pH 값은 바이오리액터에서의 배지의 현재의 pH 값을 정확하게 반영하지 않을 수도 있다는 것이 관찰되었다. 예를 들어, 상기 샘플들에서 오프라인 pH 측정을 규칙적으로 수행하기 위하여, 배지 샘플은 바이오리액터로부터 규칙적으로 견인될 수도 있다. pH 값이 배지 샘플에서 측정될 수 있기 전의 샘플링 프로세스는 시간이 걸린다. 한편, 샘플이 그로부터 견인되었던 바이오리액터에서의 pH 값은 상당히 변화하였을 수도 있다. 또한, 샘플에서의 온도가 샘플링 프로세스 동안에 하락하거나, 샘플에서의 pH 값이 바이오리액터에서의 배지 위의 기체 체적과 비교하여 샘플의 배지 위의 기체 체적에서의 CO2 농도에서의 변화로 인해 시프트하는 것이 발생할 수도 있다. 모든 상기 인자들은 배지 샘플에서의 pH 값에 영향을 줄 수도 있고, 소위 "오프셋 효과" 로 이어질 수도 있다.
본원에서 이용된 바와 같은 "오프셋 효과" 는 특정한 시간에서 바이오리액터의 배지 샘플에서의 측정된 pH 값이 바이오리액터의 배지에서 직접적으로 상기 특정한 시간에서 측정될 pH 값과는 상이한 pH 값 오프셋이다. 이에 따라, 제 1 또는 제 2 pH 측정 디바이스의 교정 에러들 및/또는 오프셋 효과들 (제 1 및/또는 제 2 pH 측정 디바이스가 오프라인 측정 디바이스일 경우) 은 pH 측정 값들에 기초하여 2 개의 바이오리액터들의 상태를 정확하게 비교 및/또는 동기화하는 것의 실패로 귀착될 수도 있다.
발명의 실시형태들은 2 개의 동일한 용액들/배지들이 주어진 온도 및 압력 및 주어진 pH 값에서 pH-CO2 평형 상태에 있을 경우, 상기 배지들 위의 체적은 동일한 CO2 농도를 가진다는 사실을 활용한다. 마찬가지로, 평형 상태인 상기 2 개의 배지들 위의 체적들에서의 특정한 CO2 농도가 주어지면, 상기 2 개의 배지들의 pH 값들은 2 개의 배지들의 결과가 pH-CO2 평형인 것으로 인해 동일하다. 2 개의 배지들이 그 대사가 pH-CO2 평형 상태를 시프트할 수 있는 임의의 세포들을 가지지 않으므로, 동일한 측정된 CO2 농도들이 주어질 경우의 제 1 및 제 2 pH 값의 임의의 편차는 2 개의 pH 측정 디바이스들이 상이하게 교정되고 및/또는 차이가 오프라인 pH 측정의 오프셋 효과에 의해 야기된다는 표시로서 이용된다.
예를 들어, 제 2 바이오리액터의 "미리 정의된" 또는 "주어진" 온도는 제 2 바이오리액터를 개시 및/또는 동작시키기 위하여 적당한 임의의 온도 및 압력일 수 있다. 예를 들어, 제 2 온도는 20 ℃ 일 수 있고, 제 2 압력은 정상적인 대기 압력일 수 있다. 제 2 온도 및 압력이 측정될 수도 있고, 제 1 바이오리액터의 온도 및 압력 (본원에서 "제 1 온도" 및 "제 1 압력" 으로서 지칭됨) 은 제 1 및 제 2 온도들이 동일하거나 대략 동일하고 제 1 및 제 2 압력들이 동일하거나 대략 동일하도록 제어될 수도 있고 구비될 수도 있다.
발명의 실시형태들은 다수의 이유들로 유리할 수도 있다:
배지의 pH 값이 세포 배양의 임의의 대사 활동들에 의해 영향받기 전의 시간에서의 CO2 농도들 및 pH 값들의 비교는 제 1 pH 측정 디바이스가 제 2 pH 측정 디바이스와는 상이하게 교정되는지를 검사하는 것을 허용하고, 상기 pH 측정 디바이스들 중의 하나 또는 양자가 오프라인-디바이스들일 경우, 측정된 pH 값들 중의 하나 또는 양자가 오프셋 효과에 의해 결함이 있을 수도 있는지를 결정하는 것을 허용한다.
교정 차이들 및/또는 오프셋 효과들의 조기 검출은 배지가 세포 배양으로 접종되기 전에 pH 측정 디바이스를 재교정하거나, 수리하거나, 교환하는 것을 허용할 수도 있다. 재교정은 임의의 오프셋 효과를 보상하도록 제 1 pH 측정 디바이스를 교정하기 위한 옵션을 포함할 수도 있다. 이에 따라, 그 pH 측정 디바이스가 기준 바이오리액터의 pH 측정 디바이스와는 상이하게 교정되는 (또는 그 측정된 pH 값들이 오프셋 효과에 의해 결함이 있는) 바이오리액터에서 세포 배양을 성장시키는 것은 시작부터 회피 및/또는 정정될 수 있음으로써, pH 측정 디바이스의 교정 에러가 다른 ("제 1") 바이오리액터에서 기준 ("제 2") 바이오리액터의 환경적 조건들을 재현하는 것의 실패로 귀착될 경우에 손실될 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
추가의 유익한 양태에서, 발명의 실시형태들은 2 개의 비교된 바이오리액터들 및 개개의 pH 측정 디바이스들이 서로로부터 훨씬 멀어지게 위치될 경우, 예컨대, 상이한 건물들 또는 상이한 도시들 또는 심지어 상이한 국가들에서 위치될 경우에도 상이한 바이오리액터들의 pH 값들을 비교하는 것을 허용한다. 정의된 pH 값을 가지는 표준화된 상업적으로 입수가능한 교정 용액들에 의존하는 대신에, (용이하게 그리고 매우 정확하게 결정될 수 있는) CO2 값은 측정된 pH 값들을 비교하고 pH 측정에서 교정 차이들 및/또는 오프셋 효과들을 식별하기 위한 기초로서 이용된다. 측정된 제 1 CO2 농도 및 제 1 측정된 pH 값은 예컨대, 인터넷 접속을 통해 비교 유닛으로 용이하게 통신될 수 있다. 제 1 및 제 2 pH 측정 디바이스들이 동시에 교정되고 비교되는 것이 필요한 것은 아니다. 절대적인 pH 값이 올바르게 결정되는 것이 심지어 필요한 것은 아니다. 위에서 설명된 바와 같이 pH-CO2 평형 상태에서 제 1 바이오리액터에서의 제 1 pH 측정 디바이스에 의해 측정된 제 1 pH 값 및 제 1 CO2 값이 주어지면, 위에서 설명된 바와 같이 pH-CO2 평형 상태에서 제 2 바이오리액터에서의 제 2 pH 측정 디바이스에 의해 제 2 pH 값 및 제 2 CO2 값을 측정함으로써, 제 2 pH 값 및 제 2 CO2 값이 제 1 pH 값 및 제 2 CO2 값들이 관찰되기 전의 주 또는 년들에 결정되었을 경우에도, 제 1 및 제 2 pH 측정 디바이스들이 동일하게 교정되는지를 결정하는 것이 가능하다.
추가의 양태에서, 제 1 바이오리액터가 제 2 바이오리액터와 동일한 환경적 파라미터들로 기본적으로 동작될 경우, 제 2 및 제 1 pH 측정 디바이스들의 교정 차이들의 부재를 결정하는 것과, pH 측정들에서 오프셋 효과들의 부재를 결정하는 것은 절대적인 pH 값의 올바른 측정보다 훨씬 더 중요할 수도 있다. 따라서, (그 동작 파라미터들이 제 1 바이오리액터를 동작시키기 위한 일 종의 "기준 프로파일" 을 제공할 수도 있는) 제 2 바이오리액터가 잘못 교정된 pH 측정 디바이스로 동작되었고 및/또는 ("기준 프로파일" 에서 특정된 바와 같이 동작될 제 1 바이오리액터의) 제 1 pH 측정 디바이스가 올바르게 교정되고 / 오프셋 효과를 가지지 않는 동안에 제 2 pH 값이 오프셋 효과에 의해 영향받는 경우에도, 발명의 실시형태들은 제 2 pH 측정 디바이스를 측정할 때에 교정 차이 및/또는 오프셋 효과의 존재를 식별하는 것을 허용한다. 제 2 또는 제 1 pH 값을 측정할 때의 교정 차이 및/또는 오프셋 효과의 식별은 조작자 또는 자동화된 제어 시스템이 제 2/기준 바이오리액터의 세포들과는 상이한 환경적 파라미터들 하에서 (특히, 배지의 상이한 pH 값들 하에서) 제 1 바이오리액터에서의 세포 배양의 성장을 방지하기 위하여 적절한 액션들을 취하는 것을 허용한다.
이에 따라, 발명의 실시형태들은 바이오리액터의 초기화 국면에서 pH 측정 디바이스 교정 차이들 및/또는 오프셋 효과들을 이미 식별함으로써 바이오리액터의 상태의 정확한 모니터링 및/또는 제어를 가능하게 할 수도 있다.
다른 실시형태들에 따르면, 제 1 바이오리액터는 제 1 바이오리액터에서의 배지의 샘플을 수동으로 또는 자동으로 취하기 위한 수단을 포함한다. 제 1 바이오리액터에서 배지를 채운 후와, 세포 배양을 제 1 바이오리액터에서의 배지에 추가하기 전의 시간 간격 동안, 방법은 샘플링 수단의 모든 개구부들을 폐쇄된 채로 유지하는 단계를 포함한다.
이것은 제 1 바이오리액터의 배지의 오염이 회피되므로 유익할 수도 있다. 알려진 pH 값의 기준 용액에서의 pH 값을 결정하기 위한 샘플링 수단의 개구부는 더 이상 필요하지 않고: 교정 차이들은 CO2 값들을 통해 식별되고, pH 값들은 발명의 실시형태들에 따르면, 바이오리액터에서의 pH 측정 디바이스에 의해 측정된다. 이것은 샘플링의 프로세스에서 원하지 않는 미생물들로 바이오리액터를 감염시킬 위험이 감소되고 오프셋 효과들이 샘플링 프로세스에 의해 야기되지 않으므로 유익할 수도 있다.
실시형태들에 따르면, 개개의 바이오리액터들의 오프 기체의 제 2 및 제 1 CO2 농도들 및 총 기체 유입 레이트는 제 2 바이오리액터에 대한 제 2 CO2 오프 기체 레이트를 계산하고 제 1 바이오리액터의 제 1 CO2 오프 기체 레이트를 계산하기 위하여 이용된다. 그 다음으로, 제 2 및 제 1 CO2 오프 기체 레이트들은 제 2 및 제 1 CO2 농도들 대신에 비교된다. 이 접근법은 제 2 및 제 1 바이오리액터에서의 총 오프 기체 레이트들이 동일할 경우에 적용될 수도 있다. 일부 CO2 오프 기체 분석기들은 CO2 농도 대신에 CO2 오프 기체 레이트를 측정할 수도 있고, CO2 오프 기체 레이트를 비교 유닛으로 반환할 수도 있다. 2 개의 비교된 바이오리액터들의 총 오프 기체 레이트가 동일하다면, 2 개의 바이오리액터들의 CO2 오프 기체 레이트 ("ACO") 는 2 개의 CO2 값들 대신에 비교될 수도 있고, pH 계측기 오프셋 또는 교정 차이는, 동일한 총 오프 기체 레이트들 및 동일한 측정된 pH 값들이 주어진다면, 2 개의 바이오리액터들의 측정된 CO2 오프 기체 레이트들이 상이할 경우에 검출된다.
실시형태들에 따르면, 방법은 제 1 pH 측정 디바이스가 제 2 pH 측정 디바이스와는 상이하게 교정되는지를 결정하기 위하여 이용된다. 제 1 pH 측정 디바이스는 제 1 바이오리액터 내의 배지에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 예를 들어, 제 1 pH 측정 디바이스는 제 1 바이오리액터의 배지에서 침지 (immerse) 된 pH 측정 디바이스일 수도 있다. 제 1 바이오리액터는 제 1 바이오리액터에서의 배지의 샘플을 수동으로 또는 자동으로 취하기 위한 수단을 결여한다.
이것은 pH 값을 측정하는 목적을 위한 샘플들을 오프라인 측정으로서 취함으로써 배지의 오염 및/또는 오프셋 효과들의 생성을 방지하는 바이오리액터 타입을 이용하는 것을 허용하는 장점을 가질 수도 있다.
다른 실시형태들에 따르면, 제 1 바이오리액터는 제 1 바이오리액터에서의 배지의 샘플을 수동으로 또는 자동으로 취하기 위한 수단을 포함한다. 상기 수단은 예를 들어, 바이오리액터로부터 배지 샘플들을 수동으로 취하기 위한 개구부로 구성될 수도 있거나, 샘플을 자동으로 또는 반자동으로 견인하기 위한 로봇 아암 (robotic arm) 들 또는 드레인 (drain) 들로 구성될 수도 있다. 방법은, 제 1 바이오리액터에서 배지를 채운 후와, 세포 배양을 제 1 바이오리액터에서의 배지에 추가하기 전의 시간 간격 동안, 샘플링 수단의 모든 개구부들을 폐쇄된 채로 유지하는 단계를 더 포함한다. 이것은 바이오리액터에서의 배지의 오염을 금지할 수도 있다. 방법은 샘플들을 취하지 않으면서 용이하게 측정될 수 있는 배지 위의 기체 체적의 CO2 농도와 조합하여, 바이오리액터 내부에 상주하는 제 1 pH 측정 디바이스를 이용하므로, 발명의 실시형태들은 바이오리액터의 샘플을 취하지 않으면서, 그리고 이에 따라, 감염을 감수하지 않으면서, 교정 차이들을 검출하는 것을 허용한다.
실시형태들에 따르면, 방법은 제 1 pH 측정 디바이스가 제 2 pH 측정 디바이스와는 상이하게 교정되는지를 결정하기 위하여 이용된다. 제 2 및 제 1 pH 측정 디바이스가 상이하게 교정되는지의 결정은 제 1 pH 측정 디바이스가 제 1 바이오리액터에서의 배지로 적어도 부분적으로 둘러싸이는 동안에 (이에 따라, 바이오리액터 내부에 완전히 또는 적어도 부분적으로 위치된 pH 측정 디바이스에 의해), 그리고 상기 결정을 수행하기 위하여 제 1 바이오리액터의 배지의 샘플을 취하지 않으면서 수행된다.
실시형태들에 따르면, 결정은 제 2 및 제 1 CO2 농도들 및 제 2 및 제 1 pH 값들을 상기 결정을 위한 유일한 데이터 입력으로서 이용함으로써 수행된다. 이것은 상기 파라미터 값들이 온라인 pH 값 및 CO2 농도 측정들을 수행함으로써 용이하게 획득될 수 있으므로 유리할 수도 있다.
실시형태들에 따르면, 방법은 제 1 pH-값을 측정하기 위하여 제 1 pH 측정 디바이스로 온라인-측정을 수행하는 단계를 더 포함하고, 제 1 pH 측정 디바이스는 제 1 바이오리액터에서의 배지로 적어도 부분적으로 둘러싸인다.
추가적으로 또는 대안적으로, 방법은 제 1 CO2 농도를 제공하기 위하여 제 1 바이오리액터의 오프 기체에서 제 1 CO2 센서에 의한 온라인-측정을 수행하는 단계를 포함한다.
이 방법은 특히, 제 1 pH 측정 디바이스가 제 2 pH 측정 디바이스와는 상이하게 교정되는지를 결정하기 위하여 이용될 수도 있다 (제 1 pH 측정 디바이스가 온라인-측정들을 수행할 수 있으므로, 전형적으로, 오프셋 효과가 없고, 제 2 pH 측정 디바이스의 결과로부터의 임의의 편차는 교정 차이들에 의해, 또는 제 2 pH 측정 디바이스가 오프라인-측정 디바이스일 경우에는, 제 2 pH 측정 디바이스의 오프셋 효과들에 의해 야기됨).
많은 현재 이용된 바이오리액터 타입들에서, 개개의 CO2 농도 및 pH 측정 디바이스들은 이미 존재하고, 바이오리액터 상태 모니터링 및 제어 목적들뿐만 아니라, 교정 차이들 및 오프셋 효과들을 식별하는 목적을 위하여 용이하게 채용될 수도 있다. pH 측정을 위하여 배지 샘플들을 견인하는 것이 필요하지도 않고, 바이오리액터로부터 pH 측정 디바이스를 인출하거나 pH 측정 디바이스를 바이오리액터 내로 재도입하는 것도 필요하지 않다. 이에 따라, 희망하지 않은 미생물들로 바이오리액터를 감염시킬 위험이 감소된다. 방법은 2 개의 바이오리액터들 중의 임의의 하나로부터의 배지로부터 샘플들을 취하지 않으면서 2 개의 바이오리액터들의 2 개의 pH-계측기들의 교정 차이들을 식별하는 것을 허용할 수도 있다.
바이오리액터의 오프 기체에서의 CO2 농도를 측정하는 CO2 센서를 이용하는 것은, CO2 오프 기체 계측기들 ("CO2 오프 기체 분석기들", "CO2 오프 기체 센서들") 이 비-침습적 (non-invasive) 이고, 샘플링을 필요로 하지 않고, 실시간으로 용이하게 획득될 수 있고, 값, 오프 기체에서의 CO2 농도 및/또는 CO2 오프 기체 레이트를 전달할 수 있으므로 유리할 수도 있다. 이에 따라, CO2 오프 기체 분석기들은 (예컨대, 세포 밀도들 또는 세포 카운트들과 대조적으로) 바이오리액터에서의 의도된 또는 의도되지 않은 프로세스 변화들에 대한 즉각적인 응답을 제공할 수도 있다. 또한, 오프 기체 분석기들은 언제든지 교정될 수 있고, 고압멸균될 필요가 없다.
실시형태들에 따르면, 방법은 제 2 pH-값을 측정하기 위한 제 2 pH 측정 디바이스로 온라인-측정을 수행하는 단계를 포함한다. 제 2 pH 측정 디바이스는 제 2 바이오리액터에서의 배지로 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 추가적으로 또는 대안적으로, 방법은 제 2 CO2 농도를 제공하기 위하여 제 2 바이오리액터의 오프 기체에서 제 2 CO2 센서에 의한 온라인-측정을 수행하는 단계를 포함한다. 이것은 또한, 제 2 (또는 "기준") 바이오리액터의 pH 및 CO2 농도 값들이 온라인 측정들에 의하여, 예컨대, 침지된 연속적인 pH-계측기에 의하여 수집될 수도 있음으로써, pH 오프셋 효과들을 회피할 수도 있고 샘플링 프로세스에 의해 야기된 감염들의 위험을 감소시킬 수도 있다는 장점을 가질 수도 있다.
실시형태들에 따르면, 방법은 제 1 pH 측정 디바이스가 제 1 바이오리액터의 배지의 샘플에서의 제 1 pH 값을 측정하기 위하여 수행된 샘플링 프로세스의 오프셋 효과들로 인해 제 2 pH 측정 디바이스와는 상이한 pH 값을 출력하는지를 결정하기 위하여 이용된다. 방법은 제 1 pH-값을 측정하기 위한 제 1 pH 측정 디바이스로 오프라인-측정을 수행하는 단계를 더 포함한다. 제 1 pH 측정 디바이스는 제 1 바이오리액터의 외부에 있고, 제 1 바이오리액터의 배지 샘플에서의 배지로 적어도 부분적으로 둘러싸인다.
상기 특징들은 오프라인 측정 디바이스들, 특히, 오프라인 pH 측정 디바이스들로 기술적으로 구비되는 바이오리액터 타입이 이용될 경우에 유익할 수도 있다. 이 맥락에서, 제 2 및 제 1 pH 값들 및 제 2 및 제 1 CO2 농도들의 비교에 의해 결정된 임의의 오프셋 효과는, 경고를 출력하기 위하여, 및/또는 샘플링 프로세스에 의해 야기된 오프셋 효과가 보상되는 방법으로 제 1 pH 측정 디바이스의 출력을 수정하기 위하여 이용될 수도 있다.
실시형태들에 따르면, 방법은 제 2 및 제 1 pH 측정 디바이스들이 상이하게 교정되는 것으로 결정하거나, 제 2 및 제 1 pH 측정 디바이스들이 다음의 상황들 중의 하나가 발생할 경우에 샘플링 프로세스의 오프셋 효과들로 인해 상이한 pH 값들을 출력하는 것으로 결정하는 단계를 포함한다:
- 제 2 및 제 1 CO2 농도들이 동일하고 제 2 및 제 1 pH 값들이 문턱 값을 초과하는 것만큼 서로 상이하거나; 또는
- 제 2 및 제 1 pH 값들이 동일하고 제 2 및 제 1 CO2 농도들이 추가의 문턱 값을 초과하는 것만큼 서로 상이하거나; 또는
- 제 2 데이터 값이 추가의 문턱을 초과하는 것만큼 제 1 데이터 값과 상이하고, 제 2 데이터 값은 제 2 pH 값 및 제 2 CO2 농도로부터 유도되고, 제 1 데이터는 제 1 pH 값 및 제 1 CO2 농도로부터 유도된다. 예를 들어, 총 오프 기체 레이트들이 그 pH 측정 디바이스들이 양자의 바이오리액터들에서 배지들에서의 pH 값의 비교를 허용하기 위하여 교정될 2 개의 바이오리액터들에 대하여 동일할 경우, CO2 오프 기체 레이트들은 CO2 농도들 대신에 비교될 수도 있다.
실시형태들에 따르면, pH 값뿐만 아니라, CO2 농도들도 동일하지 않을 경우, 바이오리액터 모니터링 및/또는 제어 시스템의 제어 유닛은 CO2 기체 유입 레이트를 수정할 수도 있다. 이것에 의하여, 양자의 기체 상에서의 CO2 농도 및 배지에서의 pH 값이 영향받을 수도 있다. 제 1 pH 값이 제 2 pH 값과 동일하거나, 또는 제 1 CO2 농도가 제 2 CO2 농도와 동일하자마자, 상기 설명된 결정이 수행된다.
실시형태들에 따르면, 방법은 제 2 및 제 1 CO2 농도가 동일하다는 것을 관찰하는 단계, 및 제 1 pH 측정 디바이스가 제 2 pH 측정 디바이스와 동일한 pH 값을 표시하는 방법으로 제 1 pH 측정 디바이스를 교정하는 단계를 더 포함한다.
예를 들어, 제 2 및 제 1 CO2 농도들이 동일하고 제 2 및 제 1 pH 값이 양 "델타 (delta)" 만큼 서로 상이할 경우, 상기 "델타" pH 오프셋 값은 추후에 (즉, 제 1 시간보다 더 이후의 시간에) 제 1 pH 측정 디바이스에 의해 측정된 각각의 pH 값에 추가될 수 있다. 이에 따라, 제 1 pH-측정 디바이스에 의해 출력된 결과적인 pH 값들은 제 2 또는 제 1 pH 값을 측정하기 위한 샘플링 프로세스에 의해 야기된 pH 오프셋을 보상하고, 및/또는 제 2 및 제 1 pH 측정 디바이스들 사이의 임의의 교정 차이들을 보상한다.
실시형태들에 따르면, 제 2 바이오리액터의 상태로부터의 제 1 바이오리액터의 상태의 편차들을 모니터링 및/또는 최소화하도록 구성된 시스템의 제어 유닛은 제 1 pH 측정 디바이스의 pH 값들을 입력으로서 이용한다. 상태 차이들의 최소화 및/또는 2 개의 바이오리액터들의 상태들의 비교는 적어도 상기 입력 파라미터들을 분석하는 비교 유닛에 의해 수행된다. 비교 유닛은 프로그램 로직, 예컨대, 전자 데이터 프로세싱 시스템 상에서 작동하는 애플리케이션 프로그램의 소프트웨어, 펌웨어, 및/또는 하드웨어-구현된 피스일 수도 있다. 실시형태들에 따르면, 비교 유닛은 제어 유닛에 동작적으로 결합된다. 예를 들어, 비교 유닛은 제어 유닛의 일체부일 수도 있거나, 제어 유닛과 상호동작하도록 구성된 애플리케이션 프로그램일 수도 있다. 제어 유닛 및 모니터링 유닛은 동일하거나 상이한 전자 데이터 프로세싱 머신들 상에서 호스팅될 수도 있다.
이것은 제 2 pH 측정 디바이스와는 상이하게 교정되고 및/또는 그 pH 값들이 샘플링 프로세스로 인한 오프셋 효과를 가지는 제 1 pH 측정 디바이스의 이용이 회피될 수 있으므로 유리할 수도 있다.
실시형태들에 따르면, 제 2 및 제 1 pH 값의 수신, 제 2 및 제 1 CO2 농도의 수신, 및 상기 pH 및 CO2 농도 값들의 비교는 비교 유닛에 의해 수행된다. 제 2 및 제 1 pH 측정 디바이스들이 상이하게 교정되는 것으로 결정할 경우, 비교 유닛은 다음의 단계들 중의 하나 이상을 수행할 수도 있다:
- 경고 메시지를 출력하는 단계;
- 제 1 pH 측정 디바이스의 재교정의 수행을 자동으로 수행하거나 트리거링하는 단계;
- 새로운 제 1 pH 측정 디바이스에 의한 제 1 pH 측정 디바이스의 교체의 수행을 자동으로 수행하거나 트리거링하는 단계.
이에 따라, 제 1 바이오리액터의 조작자 또는 자동화된 컴포넌트는 적절한 액션들을 취하는 것, 예컨대, 제 1 pH 측정 디바이스를 교환하거나 재교정하고 문제가 고정될 때까지 제 1 바이오리액터의 접종을 지연시키는 것이 가능하게 된다.
비교 유닛은 예를 들어, 전자 데이터 프로세싱 장치 또는 그 일부에 의해 제공될 수도 있거나, 전자 데이터 프로세싱 장치 또는 그 일부 상에서 실행될 수도 있다. 장치는 프로세서, 메모리, 및 그 상에 저장된 전자 명령들을 포함한다. 프로세서에 의해 명령들을 프로세싱할 시에, 발명의 실시형태들의 방법은 비교 유닛에 의해 수행된다. 일부 실시형태들에서, 비교 유닛은 하나 이상의 바이오리액터 모니터링 및/또는 제어 애플리케이션 프로그램들에 동작적으로 결합된다. 비교 유닛은 제 1 및, 임의적으로 또한, 제 2 바이오리액터를 포함하는 시스템의 일체부일 수도 있다. 일부 실시형태들에 따른 시스템은 그 상태가 모니터링될 것이고 제 2 바이오리액터의 상태와 비교될 추가의 바이오리액터들을 포함한다.
실시형태들에 따르면, 비교 유닛은 데이터 저장 매체로부터 배지-특정 관련성을 판독한다. 배지-특정 관련성은 제 2 및 제 1 바이오리액터들에서의 배지에 대해 특정적이고, 상기 배지가 상기 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있고 세포 배양을 결여할 때에 배지의 pH 값과 기체 체적에서의 CO2 기체의 개개의 분율과의 사이의 관련성을 표시한다. 그 다음으로, 비교 유닛은 미리 정의된 온도 및 압력에서, 그리고 세포 배양의 부재 하에서 pH-CO2 평형인 제 1 바이오리액터에서의 배지에 대하여 예상된 절대적인 pH 값을 계산하기 위하여, 제 1 CO2 농도를 배지 특정 관련성에 대한 입력으로서 이용한다. 그 다음으로, 비교 유닛 (또는 배지 특정 관련성의 계산 결과를 이용하는 조작자) 은 계산된 절대적인 pH 값이 상기 제 1 pH 측정 디바이스에 의해 출력되도록, 제 1 pH 측정 디바이스를 구성한다. 예를 들어, 제 1 pH 측정 디바이스는, 추후의 pH 측정들 시에, 제 1 pH 측정 디바이스가 측정된 제 1 pH 값 및 델타 pH 의 합을 출력하고, 델타 pH 는 측정된 제 1 pH 값과, 배지 특정 관련성을 이용함으로써 계산된 예상된 pH 값과의 사이의 차이가 되도록 교정된다.
배지-특정 관련성은 예를 들어, 배지 (M1) 의 pH-값 및 상기 배지 위의 기체 체적에서의 CO2 기체의 각각 측정된 분율의 다수의 경험적으로 결정된 쌍들을 수학적으로 맞춤으로써 획득된 식 PPHM1(CO2) = REL-M1(CO2) 일 수 있다. 이것에 의하여:
- PPHM1(CO2) 는 상기 배지가 세포 배양을 결여하고 상기 배지 위의 기체 체적과의 pH-CO2 평형일 때에 배지 (M1) 에서의 예측된 pH 값이고, 상기 기체 체적은 입력 파라미터로서 이용된 CO2 농도를 포함한다.
- CO2 는 입력 파라미터 값이고, 세포 배양의 부재 하에서 ph-CO2 평형 상태인 배지 (M1) 위의 기체 체적에서의 CO2 농도를 표현한다.
- REL-M1 은 조작자들에 의해 연결된 하나 이상의 파라미터들의 세트이다.
파라미터들은 예컨대, 다음의 단계들을 수동으로, 자동으로, 또는 반자동으로 수행함으로써 획득된다:
- 세포 배양을 결여하는 배지 (M1) 의 샘플들을 다수의 상이한 pH 값들로 조절함으로써, 샘플들이 개개의 샘플에서의 배지 위의 기체 체적과의 pH-CO2 평형에 도달하게 하는 단계,
- 샘플들에서의 배지와 ph-CO2 평형인 개개의 기체 체적에서의 CO2 기체의 분율을 결정하는 단계,
- 샘플들의 개개의 평형 pH 값들에 대하여 결정된 CO2 기체 분율들을 도표화하는 단계,
- 도표화된 값들에서 곡선을 맞추고, 맞추어진 곡선으로부터 배지-특정 관련성의 파라미터들을 유도하는 단계.
이에 따라, 배지-특정 관련성은 예컨대, 제 2 또는 제 1 바이오리액터가 기준 세포 배양으로 접종되기 전에 경험적으로 식별될 수도 있다.
일부 실시형태들에 따르면, 매체 특정 관련성은 바이오리액터, 예컨대, 제 2 바이오리액터를 배지로 채우고, 이것에 의하여, 배지가 세포 배양 세포들을 포함하지 않음으로써, 그리고 제 2 바이오리액터의 온도 및 압력을 미리 정의된 값들, 예컨대, 20 ℃ 및 표준 대기 압력으로 설정함으로써 획득된다. 배지-특정 관련성을 경험적으로 결정하기 위하여 이용된 바이오리액터에서의 배지는 그 pH 값이 설정되어야 하는 샘플들 중의 하나로서 본원에서 또한 지칭된다.
그 다음으로, 배지는 수정된 CO2 기체 유입 레이트를 통해 배지 위의 기체 체적에서의 CO2 농도를 증가시키거나 감소시킴으로써 상이한 pH 값들로 설정될 수도 있고, 배지가 평형을 이루었을 때 (주어진 pH 및 미리 정의된 온도 및 압력에서 pH-CO2 평형 상태에 도달하였음) 에 약간의 시간 (전형적으로 분 또는 시간) 후에, (상기 평형 상태에서 CO2 분압과 상관시키는) 상기 배지 위의 기체 체적에서의 CO2 농도가 측정된다. 상기 측정은 예컨대, 배지 위의 기체 체적에서의 CO2 농도를 분석함으로써, 또는 오프 기체에서의 CO2 체적 분율을 통해 수행된다. 샘플 (바이오리액터 또는 앨리쿼트 (aliquot)) 에서 측정된 평형 pH-값들 및 CO2 농도들 (또는 CO2 오프 기체 값들) 의 취득된 쌍들이 도표화되고, 즉, 좌표계에서 표현된다. 도표화는, 종이-기반 프린트아웃의 형태인 도표 및/또는 디스플레이 스크린에서 디스플레이된 도표를 추가적으로 출력할 수도 있는 전자 데이터 프로세싱 시스템에 의해 자동으로 수행될 수도 있다. 도표화는 또한, 수동으로 수행될 수도 있다. 곡선은 상기 도표에 자동으로 또는 수동으로 맞추어지고, 상기 맞추어진 곡선을 묘사하는 파라미터들이 연산된다. 파라미터들은 상기 배지가 특정한 pH 값에서 pH-CO2 평형일 때에 상기 배지 위의 기체 체적의 pH-값 및 CO2 농도의 배지-특정 관련성을 정의한다. pH 값은 바람직하게는, 배지의 조성의 수정을 회피하기 위하여, 염기 또는 산 물질들을 추가하는 것이 아니라, CO2 유입 레이트를 조절함으로써 설정된다.
파라미터들을 연산한 후에, 배지 특정 관련성은 예컨대, 사용자가 관련성을 수동으로 입력하는 것을 허용하는 그래픽 사용자 인터페이스를 통해, 휴대용 저장 매체를 통해, 또는 네트워크 접속을 통해, 비교 유닛으로 전달될 수도 있다.
다른 실시형태들에 따르면, 배지-특정 관련성은 상기 배지의 앨리쿼트들의 형태인 다수의 샘플들을 생성함으로써 획득되고, 각각의 샘플은 상이한 pH 값을 가진다. 샘플들은 각각의 샘플에서의 기체 및 액체 배지 사이의 pH-CO2 평형을 허용하기 위하여, 약간의 시간 동안에 미리 정의된 온도 및 압력에서 두어진다.
샘플들은 예컨대, 단일 샘플의 pH 값을 변화시키고 순차적인 측정들을 수행함으로써 순차적으로 획득될 수 있거나, 상기 배지의 다수의 샘플들을 병렬로 생성함으로써 획득될 수 있고, 각각의 앨리쿼트는 배지 위의 기체 체적의 CO2 농도를 수정함으로써 상이한 pH 값으로 설정될 수 있다. 샘플은, 현재의 pH 값의 설정 및 측정을 허용하고 CO2 농도의 수정 및 평형 상태에서 CO2 농도 또는 CO2 오프 기체 레이트의 측정을 허용하는 임의의 용기 내로 채워질 수 있다. 우선적으로, 개개의 샘플들에서의 pH 값은 pH 값이 부응하여 적응되는 방법으로, CO2 유입 레이트와, 이에 따라, 바이오리액터의 기체 상에서의 CO2 농도를 적응시킴으로써 설정된다. 이것은 (용해된 CO2 의 해리 생성물을 제외한) 배지의 조성의 수정이 pH 를 적응시키기 위한 산들 또는 염기들이 아니라, CO2 를 이용할 때에 변화하지 않으므로 유리할 수도 있다.
일부 실시형태들에 따르면, 식 PPHM1(CO2) = REL-M1(CO2) 은 PPHM1(CO2) = a1 x pH + a2 에 따른 선형식이다. 이 경우, 파라미터들 a1 및 a2 는 맞추어진 곡선으로부터 유도된 파라미터들이다. PPHM1(CO2) 는 상기 식에 대한 입력으로서 이용된 특정한 CO2 농도를 가지는 기체 체적과 평형 상태인 배지에서의 예측된 pH 값을 표시한다.
다른 실시형태들에 따르면, 식 PPHM1(CO2) = REL-M1(CO2) 은 PPHM1(CO2)= b1 x pH2 + b2 x pH + b3 에 따른 다항식이다. 이 경우, 파라미터들 b1, b2, 및 b3 은 맞추어진 곡선으로부터 유도된 파라미터들이다.
배지-특정 관련성 및 대응하는 배지-특정 파라미터들을 경험적으로 결정하는 것은, 배지의 정확한 조성이 알려지지 않을 경우에도 (이것은 시장에서의 다수의 배지들에 대하여 보편적인 경우임), 상기 배지와 pH-CO2 평형인 공기 체적에서의 평형 CO2 농도에 대한 특정한 pH 값의 영향이 실험적으로 결정될 수 있다는 유익한 효과를 가질 수도 있다. 이에 따라, 절대적인 pH 값이 계산될 수 있고, 또한, 그 조성이 알려져 있지 않은 배지들 타입들을 이용할 때에 pH 측정 디바이스를 교정하기 위하여 이용될 수 있다.
실시형태들에 따르면, 세포 배양들의 세포들은 원핵 (prokaryotic) 또는 진핵 (eukaryotic) 세포들, 특히, 포유류 세포 배양 세포들이다.
실시형태들에 따르면, 제 2 바이오리액터는 다음의 특징들 중의 하나 이상에 관하여 제 1 바이오리액터와는 상이하다:
a) 바이오리액터에서의 기체 체적,
b) 바이오리액터에서의 배지 체적,
c) 바이오리액터의 레이놀즈 수,
d) 바이오리액터의 뉴턴 수,
e) 바이오리액터의 치수들,
f) 바이오리액터 및/또는 바이오리액터 배플들의 기하학적 특징들,
g) 교반기 구성,
h) 교반 레이트,
i) 바이오리액터의 산소에 대한 체적 질량 전달 계수 (kLa),
j) 총 기체 유입 레이트 및/또는 O2 유입 레이트 및/또는 N2 유입 레이트 및/또는 CO2 유입 레이트,
k) 전력 입력,
l) 바이오리액터에서의 압력,
m) 배지에서의 기체 거품 유지 시간,
n) 배지에서의 기체 거품 크기 및 분포,
o) 표면 속도,
p) 파라미터들 a) 내지 o) 중의 하나 이상으로부터의 파생물로서 계산된 파라미터,
q) 2 개의 바이오리액터들의 지리적 로케이션 (예컨대, 상이한 국가들, 도시들, 건물들).
본원에서 이용된 바와 같은 "전력 입력" 파라미터는 바이오리액터의 교반기의 전력 입력의 양을 특정한다. 상이한 교반기 구성들은 동일한 교반 또는 동일한 선단부 속도들에서 상이한 전력 입력들을 가질 수 있다. 동일한 교반기 속도들에서의 전력 입력은 배지의 점성 (viscosity) 에 종속될 수도 있다.
CO2 오프 기체 농도들을 비교함으로써, 2 개의 바이오리액터들의 pH 측정 디바이스들의 교정 상태는 용이하게 비교될 수 있고: 오프 기체에서의 동일한 CO2 농도들은, 상기 바이오리액터들이 상이한 레이놀즈 및/또는 뉴턴 수들을 가지고, 교반기의 상이한 속도 또는 구성을 가지는 등의 경우에도, 상이한 바이오리액터들의 pH 측정 디바이스들의 동일한 교정을 표시한다.
실시형태들에 따르면, 비교 유닛은 제 3 CO2 농도 및 제 3 pH 값을 수신한다. 제 3 CO2 농도는 제 2 바이오리액터에서의 배지 위의 제 3 기체 체적의 CO2 농도이다. 제 3 CO2 농도 및 제 3 pH 값은 제 3 시간에서 측정된다. 제 3 시간은 제 2 바이오리액터에서의 배지가 제 3 기체 체적과 미리 정의된 온도 및 압력에서 pH-CO2 평형 상태에 있을 때, 그리고 상기 평형 상태가 제 2 바이오리액터에서의 세포 배양의 대사에 의해 수정된 후의 시간이다. 제 3 pH 값은 제 2 pH 측정 디바이스에 의해 제공된 측정된 값이다.
그 다음으로, 비교 유닛은 제 4 CO2 농도 및 제 4 pH 값을 수신한다. 제 4 CO2 농도는 제 1 바이오리액터에서의 배지 위의 제 4 기체 체적의 CO2 농도이다. 제 4 CO2 농도 및 제 4 pH 값은 제 4 시간에서 측정된다. 제 4 시간은 제 1 바이오리액터에서의 배지가 제 1 기체 체적과 미리 정의된 온도 및 압력에서 pH-CO2 평형 상태에 있을 때, 그리고 상기 평형 상태가 제 1 바이오리액터에서의 세포 배양의 대사에 의해 수정된 후의 시간이다. 예를 들어, 몇 시간들 또는 심지어 일들 후에, 일부 세포들은 물질들, 예컨대, 젖산 (lactate) 을, 배지의 pH 및/또는 조성을 변화시키는 배지 내로 배설하기 시작한다. 제 4 pH 값은 제 1 pH 측정 디바이스에 의해 제공된 측정된 값이다. 제 3 시간과 제 2 바이오리액터의 접종 사이의 경과된 시간은 제 4 시간과 제 1 바이오리액터의 접종 사이의 경과된 시간과 동일하다.
게다가, 비교 유닛은 제 3 시간에서의 제 2 바이오리액터에서의 세포 배양의 측정된 제 2 산소 섭취 레이트를 수신하고, 제 4 시간에서의 제 1 바이오리액터에서의 세포 배양의 측정된 제 1 산소 섭취 레이트를 수신한다.
제 2 및 제 1 산소 섭취 레이트들이 동일할 경우, 비교 유닛은 제 2 및 제 1 pH 측정 디바이스들이 상이하게 교정되는지를 결정하기 위하여, 또는 제 2 및 제 1 pH 측정 디바이스들이 제 2 및 제 1 바이오리액터들의 개개의 하나의 배지의 샘플에서 제 3 또는 제 4 pH 값을 측정하기 위하여 수행된 샘플링 프로세스의 오프셋 효과들로 인해 상이한 pH 값들을 출력하는지를 결정하기 위하여, 제 3 및 제 4 pH 값들을 비교하고 제 3 및 제 4 CO2 농도들을 비교한다.
제 2 및 제 1 pH 측정 디바이스들은 상이하게 교정되는 것으로 결정되거나, 다음의 상황들 중의 하나가 발생할 경우에 샘플링 프로세스의 오프셋 효과들로 인해 상이한 pH 값들을 출력하는 것으로 결정된다:
- 제 3 및 제 4 CO2 농도들이 동일하고 제 3 및 제 4 pH 값들이 문턱 값을 초과하는 것만큼 서로 상이하거나; 또는
- 제 3 및 제 4 pH 값들이 동일하고 제 3 및 제 4 CO2 농도들이 추가의 문턱 값을 초과하는 것만큼 서로 상이함.
발명의 실시형태들은, 온도 및 압력이 제 2 및 제 1 바이오리액터에서 동일할 경우, 그리고 추가적으로, 산소 섭취 레이트가 동일할 경우에는, 측정된 pH 값들에서의 차이들이 pH 값을 측정하기 위한 샘플링 프로세스의 교정 에러들 또는 오프셋 효과들로부터 기인하는 것으로 가정한다.
상기 특징들은 세포들의 대사가 예컨대, 젖산을 배출함으로써 (그리고 오프라인 pH 측정들의 위한 샘플들을 취하지 않으면서) 바이오리액터의 pH-CO2 평형 상태를 수정하기 시작하였을 경우에도, 2 개의 pH 측정 디바이스들이 상이하게 교정되거나 샘플링 오프셋 효과들을 보이는지를 결정하는 것을 허용하므로 특히 유리할 수도 있다. 종종, 세포들의 산소 섭취 레이트는 특정한 세포 배양의 상태와 상관되므로, 2 개의 바이오리액터들에서의 세포 배양들의 OUR 이 동일하고, 또한, 오프 기체에서의 CO2 농도들, 온도, 및 압력이 동일할 경우, 임의의 관찰된 pH 차이들은 교정 에러들 또는 샘플링-기반 오프셋 효과들에 의해 야기된다는 것이 관찰되었다.
추가의 양태에서, 발명은:
- 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값을 수신하는 것으로서, 제 2 CO2 농도는 제 2 바이오리액터에서의 배지 위의 제 2 기체 체적의 CO2 농도이고, 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값은 제 2 시간에서 측정되고, 제 2 시간은 제 2 바이오리액터에서의 배지가 제 2 기체 체적과 미리 정의된 온도 및 압력에서 pH-CO2 평형 상태에 있을 때, 그리고 상기 평형 상태가 제 2 바이오리액터에서의 세포 배양의 대사에 의해 수정되기 전의 시간이고, 제 2 pH 값은 제 2 바이오리액터에 동작적으로 결합된 제 2 pH 측정 디바이스에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값을 수신하고;
- 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신하는 것으로서, 제 1 CO2 농도는 제 1 바이오리액터에서의 배지 위의 제 1 기체 체적의 CO2 농도이고, 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값은 제 1 시간에서 측정되고, 제 1 시간은 제 1 바이오리액터에서의 배지가 제 1 기체 체적과 미리 정의된 온도 및 압력에서 pH-CO2 평형 상태에 있을 때, 그리고 상기 평형 상태가 제 1 바이오리액터에서의 세포 배양의 대사에 의해 수정되기 전의 시간이고, 제 1 pH 값은 제 1 바이오리액터에 동작적으로 결합된 제 1 pH 측정 디바이스에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신하고;
- 제 2 및 제 1 pH 측정 디바이스들이 상이하게 교정되는지를 결정하기 위하여, 또는 제 2 및 제 1 pH 측정 디바이스들이 제 2 및 제 1 바이오리액터들의 개개의 하나의 배지의 샘플에서 제 2 또는 제 1 pH 값을 측정하기 위하여 수행된 샘플링 프로세스의 오프셋 효과들로 인해 상이한 pH 값들을 출력하는지를 결정하기 위하여, 제 2 및 제 1 pH 값들 및 CO2 농도들을 비교하도록 구성된 비교 유닛에 관한 것이다.
추가의 양태에서, 발명은 제 2 바이오리액터의 상태로부터의 제 1 바이오리액터의 상태의 편차들을 모니터링 및/또는 최소화하도록 구성된 시스템에 관한 것이다. 시스템은 적어도 제 1 및, 임의적으로 또한 제 2, 및 하나 이상의 추가의 바이오리액터들을 모니터링 및/또는 제어하기 위한 제어 유닛을 포함하고, 본원에서 설명된 실시형태들 중의 임의의 하나에 따른 비교 유닛을 포함한다. 시스템은 적어도 제 1 바이오리액터 및 제 1 pH 측정 디바이스를 더 포함한다. 제어 유닛은 적어도 제 1 바이오리액터에서의 세포 배양의 상태를 모니터링 및/또는 제어함으로써, 제 1 pH 측정 디바이스에 의해 반복적으로 측정된 pH 값들을 이용하도록 구성된다.
실시형태들에 따르면, 시스템은 제 2 바이오리액터를 더 포함함으로써, 제 2 및 제 1 바이오리액터들은 상이한 지리적 영역들에서 위치되고, CO2 농도들 및 pH 값들을 통신하기 위하여, 네트워크, 예컨대, 인터넷을 통해 비교 유닛에 임의적으로 결합된다.
실시형태들에 따르면, 제 2 시간은 제 2 바이오리액터가 세포 배양으로 접종되기 전의 시간이다. 제 2 시간은 또한, 세포 배양에 의한 제 2 바이오리액터의 접종 시 또는 그 이후, 그리고 상기 세포 배양의 대사가 제 2 바이오리액터에서의 배지의 pH 값을 수정하기 전의 시간일 수도 있다.
제 1 시간은 제 1 바이오리액터가 세포 배양으로 접종되기 전의 시간이다. 대안적으로, 제 1 시간은 세포 배양에 의한 제 1 바이오리액터의 접종 시 또는 그 이후, 그리고 상기 세포 배양의 대사가 제 1 바이오리액터에서의 배지의 pH 값을 수정하기 전의 시간이다.
본원에서 이용된 바와 같은 "프로파일" 은 파라미터 값 대 시간에서의 변동의 표현이다.
본원에서 이용된 바와 같은 "탱크" 는 액체들을 유지, 수송, 또는 보관하기 위한 용기이다. 탱크는 예를 들어, 바이오리액터의 배지, 세포 배양, 및 반응 생성물들을 포함하는 바이오리액터 또는 하베스트 또는 수송 탱크일 수 있다. 탱크는 또한, 무세포 배지로 채워지고 pH 측정 디바이스를 교정하기 위하여 이용되는 교정 박스일 수도 있다.
본원에서 이용된 바와 같은 "교정 박스" 는 알려진 배지를 갖는 탱크이고, 이것에 의하여, 탱크는 CO2 센서에 동작적으로 결합되고, 센서에 의해 측정된 CO2 오프기체 농도를 이용하여 pH 측정 디바이스들을 교정하기 위한 하나 이상의 pH 측정 디바이스들을 일시적으로 실장하도록 구성된다. 예를 들어, 교정 박스는, 세포 배양을 성장시키기 위하여 현재 이용되지 않지만, pH 측정 디바이스들을 교정하기 위하여 전적으로 또는 지배적으로 이용되는 바이오리액터일 수 있다. 대안적으로, 교정 박스는 특수 목적 용기, 특히, 상이한 실험실들에서 pH 계측기들을 교정하기 위하여 사람에 의해 상이한 장소들로 운반될 수 있는 휴대용 용기일 수도 있다. 교정 박스는 알려진 속성들 (현재의 온도, 압력, 알려진 배지 특정 관련성, 또는 순수하게 중탄산염-완충된 배지들의 경우에 알려진 조성) 을 갖는 배지를 포함하고, 교정 박스의 배지 위의 또는 오프기체에서의 기체 체적에서 CO2 센서를 포함한다. 그것은 pH 측정 디바이스를 용이하게 삽입하고 제거하기 위한 개구부를 더 포함하고, 교정 박스에서의 배지에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이도록, 교정 박스에서 하나 이상의 pH 측정 디바이스들을 일시적으로 고정하기 위한 하나 이상의 고정 디바이스들을 포함할 수도 있다.
본원에서 이용된 바와 같은 "미리 정의된" 온도 및 압력은, 제 1 및/또는 제 2 탱크의 조작자에 의해 제어되거나 적어도 알려져 있는, 또는 제 1 및/또는 제 2 탱크 또는 그 안에 포함된 pH 측정 디바이스들을 동작시키도록 구성된 프로그램 로직에 의해 제어되거나 적어도 "알려져 있는" 온도 및 압력을 특정한다. 이에 따라, "미리 정의된" 온도 및 압력은 또한, "주어진" 온도 및 압력으로서 지칭될 수도 있다. 제 1 및 제 2 pH 값들 및 제 1 및 제 2 CO 값들은 동일한 주어진 온도 및 압력에서 측정되는 것이 필요할 수도 있다.
본원에서 이용된 바와 같은 "비교 유닛" 은, pH 측정 에러가 발생하였는지를 결정하기 위하여 탱크의 오프 기체에서의 하나 이상의 측정된 pH 값들 및 하나 이상의 측정된 CO2 농도들을 수신하고 프로세싱하도록 구성되는 프로그램 로직의 피스, 예컨대, 애플리케이션 프로그램 또는 모듈, 컴퓨터 칩, 또는 하드웨어 또는 펌웨어의 또 다른 피스이다. 예를 들어, 비교 유닛은 교정 소프트웨어 또는 바이오리액터 모니터링 또는 제어 소프트웨어의 일부이거나 이와 상호동작하는 프로그램 모듈일 수도 있다.
탱크에 "동작적으로 결합되는" pH 측정 디바이스는 예를 들어, 탱크 내에 영구적으로 또는 일시적으로 위치되고 온-라인 pH 측정들을 수행하도록 구성되는 pH 측정 디바이스일 수 있다.
본원에서 이용된 바와 같은 "바이오리액터" 는, 유기체들 또는 이러한 유기체들로부터 유도된 생화학적으로 활성인 물질들을 수반하는 화학적 프로세스가 수행되는 베셀 (vessel) 이다. 이 프로세스는 예를 들어, 호기성 (aerobic) 또는 혐기성 (anaerobic) 일 수 있다. 형상 (예컨대, 원통형 또는 그 외), 크기 (예컨대, 밀리리터, 리터, 내지 세제곱미터), 및 재료 (스테인리스강, 유리, 플라스틱 등) 에 있어서 변동되는 복수의 상이한 바이오리액터 타입들이 존재한다. 실시형태들에 따르면, 바이오리액터는 세포 배양들에서의 세포들 또는 조직을 성장시키도록 구비된다. 실시형태 및/또는 동작 모드에 따라서는, 바이오리액터가 배치 바이오리액터 (batch bioreactor), 유가 바이오리액터 (fed batch bioreactor), 또는 연속 바이오리액터 (예컨대, 연속 교반형-탱크 리액터 모델) 일 수도 있다. 연속 바이오리액터의 예는 캐모스타트 (chemostat) 이다.
본원에서 이용된 바와 같은 "온라인-측정" 은 바이오리액터 또는 그 안에 포함된 세포 배양의 상태 특징들을 묘사하는 측정 값을 획득하는 프로세스이고, 이것에 의하여, 측정을 수행하기 위하여 요구된 기간은 상기 특징들이 상당히 변화하는 시간 기간보다 더 짧다. 상당한 변화는 미리 정의된 문턱 값을 초과하는 것만큼의 변화일 수 있다. 예를 들어, 5 % 를 초과하는 것만큼의 변화는 상당한 변화로서 고려될 수도 있다. 문턱은 상이한 특징들에 대하여 변동될 수도 있다. 온라인-측정들은 바이오리액터를 실시간으로 제어하는 것을 허용할 수도 있다.
"오프라인-측정" 은 바이오리액터 또는 그 안에 포함된 세포 배양의 상태 특징들을 묘사하는 측정 값을 획득하는 프로세스이고, 이것에 의하여, 측정을 수행하기 위하여 요구된 기간은 상기 특징들이 상당히 변화할 수 있는 시간 기간보다 더 길다. 상당한 변화는 미리 정의된 문턱 값을 초과하는 것만큼의 변화일 수 있다. 오프라인-측정을 위한 전형적인 예는 예컨대, 현재의 pH 값을 측정하기 위한, 배지의 자동화된, 반자동화된, 또는 수동적인 샘플링이다. 오프라인 측정들은 불연속적인 샘플링 프로세스에 기초한다. 바이오리액터 특징들이 한편으로, 샘플이 취해진 이후로 변화하였을 수도 있으므로, 오프라인-측정 데이터에 기초하여 바이오리액터를 제어하는 것은 측정의 순간과, 개개의 제어 동작을 수행하는 순간 사이의 상당한 지연 시간들로 인해 낮은 품질인 경향이 있다.
상당한 변화는 개개의 상태 특징에 따라서는, 미리 정의된 문턱 값을 초과하는 것, 예를 들어, 2 % 또는 임의의 다른 백분율 값만큼의 변화일 수 있다. 오프라인-측정의 전형적인 예는 예컨대, 바이오리액터를 개시시킬 때에 pH 측정 디바이스를 교정하기 위하여 현재의 pH 값을 측정하기 위한, 배지의 프로브의 자동화된, 반자동화된, 또는 수동적인 샘플링이다.
샘플로부터 측정 값을 획득하기 위한 불연속적인 샘플링 프로세스는 바이오리액터 특징들이 한편으로 변화하였을 수도 있다는 단점을 가질 수도 있다. 이에 따라, 오프라인-측정 데이터에 기초하여 바이오리액터를 제어하는 것은 측정의 순간과, 개개의 제어 동작을 수행하는 순간 사이의 상당한 지연 시간들로 인해 낮은 품질인 경향이 있다.
본원에서 이용된 바와 같은 "pH 측정 디바이스" 또는 "pH 계측기" 는 배지에서의 현재의 pH 값을 측정하기 위하여 이용된 디바이스 및/또는 물질이다. pH 계측기는 예를 들어, 용액 또는 pH 스트립 (strip) 들의 형태인 (페놀프탈레인 (phenolphthalein) 과 같은) pH 표시기 또는 전위차계 장치 (potentiometric apparatus) 일 수 있다. 바람직한 실시형태들에 따르면, pH 계측기는 연속적인 pH 계측기, 즉, 샘플들을 견인할 필요 없이, 그리고 각각의 개별적인 측정을 위하여 상기 pH 계측기를 배지에서 삽입할 필요 없이, 바이오리액터의 배지의 pH 를 연속적으로 그리고 반복적으로 측정할 수 있는 pH 계측기이다. 예를 들어, pH 계측기는, 배지 및 기준 전극에 접속되고, 측정된 전위가 아니라, 준비된 pH 값을 디스플레이하는 그러한 방법으로 스케일링된 정밀한 전압계일 수 있다. 우선적으로, pH 계측기는 배지에서 침지되고, 바이오리액터에서 세포들을 배양하는 전체 시간 동안에 배지에서 현재의 pH 값을 반복적으로 측정하기 위하여 이용된다. 예를 들어, pH 계측기는 매 분, 또는 매 30 분, 또는 매 시간에서 현재의 pH 값을 측정할 수도 있다. 전형적인 오늘 날의 pH 계측기에서는, 기준 전극이 pH 전극 내로 구축되고, 이것은 디바이스를 간결하게 한다.
본원에서 이용된 바와 같은 "CO2 측정 디바이스", "CO2 센서", "CO2 계측기", 또는 "CO2 분석기" 는 기체 체적, 예컨대, 바이오리액터의 배지 또는 바이오리액터의 오프 기체 위의 기체 체적에서의 현재의 CO2 농도를 측정하기 위하여 이용된 디바이스이다. 실시형태들에 따르면, 제 2 및/또는 제 1 바이오리액터의 현재의 CO2 농도는 연속적인 CO2 오프 기체 계측기, 즉, 각각의 CO2 농도 측정을 위하여 하드웨어 모듈을 바이오리액터 또는 그 연결된 오프 기체 파이프 또는 파이프들로 삽입하거나 교체할 필요 없이, 바이오리액터의 오프 기체에서의 현재의 CO2 농도를 반복적으로 측정할 수 있는 디바이스에 의해 측정된다. 연속적인 pH 측정 디바이스들 및/또는 연속적인 CO2 오프 기체 계측기들을 이용하는 것은, 오프셋 효과들을 야기시키지 않으면서, 및/또는 배지의 샘플을 취할 필요 없이, 개개의 측정들이 용이하게 그리고 반복적으로 수행될 수 있으므로 유리할 수도 있다. 많은 현존하는 바이오리액터들은 하나 이상의 침지된 pH-계측기들을 이미 포함하고, 및/또는 CO2 농도 및/또는 CO2 오프 기체 레이트를 측정할 수 있는 측정 디바이스들을 포함하거나 이와 결합된다.
실시형태에 따라서는, 바이오리액터 (또는 기준 바이오리액터) 가 단일의 기체 유입 라인 또는 파이프, 또는 다수의 기체 유입 라인들 또는 파이프들을 포함한다. 예를 들어, 단일의 기체 유입 라인 또는 파이프는 환경적 공기 또는 (이미 팽창된) 압축된 공기를 특수한 공급자들로부터 바이오리액터 (기준 바이오리액터) 로 전달하기 위하여 이용될 수도 있다. 상기 환경적 공기 또는 압축된 공기는 기체들, 특히, 지구의 대기에 대하여 전형적이거나 상이한 조성을 가지는 N2, O2, 및 CO2 의 혼합물로 구성될 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 단일의 기체 유입 라인 또는 파이프, 또는 다른 기체 유입 라인들 또는 파이프들 중의 임의의 것은 N2, O2, 및 CO2 와 같은 개별적인 기체들을, 예컨대, 세포 성장을 제어하기 위한 바이오리액터로 전달하기 위하여 이용될 수도 있다.
실시형태들에 따르면, 2 개의 바이오리액터들의 하나 또는 각각은 바이오리액터에서의 배지와 기체 체적 사이에서의 pH-CO2 평형의 확립을 가속화하기 위하여 유입하는 기체로부터 매우 미세하게 분산된 기체 거품들을 생성하기 위한 마이크로스파저 (microsparger) 를 각각 포함한다. 예를 들어, 마이크로스파저는 유입 기체 혼합물에 대하여, 또는 각각의 개별적인 유입 기체 컴포넌트에 대하여 별도로 이용될 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 2 개의 바이오리액터들의 하나 또는 각각은, 이산화탄소 및 하나 이상의 다른 기체들 (예컨대, 질소, 산소, 및/또는 공기) 이 기체 혼합물로서 바이오리액터에 모두 함께 동시에 추가되도록 구성되고 동작된다. 예를 들어, 모든 유입 기체들은 예컨대, 잠수된 파이프 개구부 또는 마이크로스파저를 통해, 기체 혼합물로서 바이오리액터에 입력될 수도 있다.
우선적으로, 바이오리액터의 체적이 예컨대, 400 리터 또는 예컨대, 200 리터의 문턱 체적 미만일 경우, 모든 프로세스 기체들은 마이크로스파저를 통해 및/또는 기체 혼합물의 형태로 바이오리액터에 입력된다.
실시형태들에 따르면, 바이오리액터의 배지에서의 유입 기체들의 에어레이션 레이트 및 거품 크기는, 모든 기체 거품들이 바이오리액터를 이탈하기 전에 배지와의 pH-CO2 평형에 도달하거나 배지에서 완전히 용해되도록 선택된다.
상기 특징들은 기체 거품들이 그 기체 내용물이 바이오리액터를 이탈하기 전에 평형 상태에 도달하고: 마이크로스파저가 유입하는 기체의 매우 미세하게 분산된 기체 거품들을 생성함으로써, 바이오리액터에서의 배지와 기체 체적 사이에의 pH-CO2 평형의 확립을 가속화한다는 것을 보장하므로 유리할 수도 있다. CO2 기체를 기체 혼합물로서 입력하는 것은, 순수한 CO2 기체 거품으로부터 배지로의 CO2 전이 레이트가 배지로부터 예컨대, 공기 또는 N2 거품들로의 CO2 전이 레이트보다 더 크다는 상황을 회피한다 (전이 레이트는 배지와 상이한 타입들의 거품들 사이의 CO2 농도 차이의 양에 종속될 수도 있음). 이에 따라, 상기 척도들은 예컨대, 400 리터 미만인 체적들을 포함하는 광범위한 바이오리액터 체적들 상에서의 바이오리액터들의 상태의 비교가능성을 보장한다.
본원에서 이용된 바와 같은 "프로파일" 은 파라미터 값 대 시간에서의 변동의 표현이다.
"pH-CO2 평형" 은 수용액 (예컨대, 세포 배양 배지) 및, 그 pH 값 및 CO2 분압이 헨더슨-하셀바흐 식에 따른 화학적 평형인 상기 용액 위의 공기 체적 (예컨대, 바이오리액터에서의 기체 체적) 을 포함하는 계의 상태를 표시한다. CO2 분압은 배지 위의 총 기체 체적에서의 CO2 기체의 분율에 대응한다. 헨더슨-하셀바흐 식은 생물학적 및 화학적 시스템들에서 산 해리 상수 (acid dissociation constant) (pKa) 를 갖는 산도 (acidity) 의 척도로서 pH 의 관계를 설명한다. CO2 를 포함하는 기체가 수성 액체, 예컨대, 배양 배지와 접촉할 경우, CO2 의 적어도 작은 분율은 상기 액체에서 용해된다. 실온에서, 예를 들어, 이산화탄소의 용해도는 100 ml 물 당 약 90 cm3 의 CO2 이다 (cl/cg = 0.8). 임의의 물-용해가능한 기체는 온도가 감소함에 따라 더 용해성으로 된다. 용해된 CO2 의 작은 분율 (칼슘 0.2 - 1%) 은 H2CO3 로 변환된다. CO2 의 대부분은 용매화된 분자 CO2 로서 남아 있다. 이 프로세스는 다음의 공식들에 의해 설명될 수 있다:
탄산 (H2CO3) 평형:
본원에서 이용된 바와 같은 "CO2 체적 분율" 은 총 기체 체적에서의 CO2 기체의 분율이다. 단위는 예를 들어, Vol.% 일 수도 있다. 그것은 또한, 기체 체적의 "CO2 농도" 로서 지칭되고, 농도는 Vol.% 로 특정된다.
"배지" 또는 "세포 배양 배지" 는 미생물들 또는 세포들, 또는 모스 피스코미트렐라 (moss Physcomitrella) 와 같은 작은 식물들의 배양 및 전형적으로 성장을 지원하도록 설계된 액체 또는 겔 (gel) 이다. 상이한 타입들의 세포들을 성장시키기 위한 상이한 배지들이 있다. 전형적으로, 배지는 소금 (들), 카르보하이드레이트 (carbohydrate) 들, 미량 원소들, 펩티드들, 및/또는 단백질들과 같은 하나 이상의 물질들의 혼합물을 포함하는 물-기반 용액이다. 예컨대, 식물들 또는 동물들로부터 유도된 특정 세포 타입들의 세포 배양, 및 박테리아 또는 효모와 같은 미생물들을 성장시키기 위한 미생물학적 배양을 위하여, 시장에는 복수의 상이한 배지들이 존재한다. 배지는 예를 들어, 영양제 배지, 예컨대, LB 배지 (Lysogeny Broth), 최소 배지, 선택적 배지, 차등 배지, 또는 강화 배지일 수도 있다. 일부 배지들은 생리학적 pH 를 유지하기 위하여, 예컨대, 5 내지 10 % CO2 의 CO2 환경을 요구할 수도 있다.
일부 실시형태들에 따르면, 표현 "2 개의 배지들이 동일하다는 것" 은, 2 개의 배지들 (예컨대, 한편으로 기준 바이오리액터에서의 배지 및 다른 한편으로 모니터링 및/또는 제어된 바이오리액터에서의 배지) 이 상기 배지 위의 기체 체적에서의 특정한 압력, 온도, 및 CO2 농도가 주어질 경우, 유기 및 무기 화합물들 및 용매들의 동일한 조성 및 농도를 포함하고 및/또는 측정 정확도의 맥락 내에서 동일한 제조 프로토콜들 및 조건들을 이용하여 제조되었다는 것을 암시한다.
일부 실시형태들에 따르면, 상기 표현은, (상기 배지 위의 기체 체적에서의 주어진 온도, 압력, 및 CO2 농도에서의) 상기 차이가 복수의 상이한 pH 값들에서의 상기 배지의 pH-CO2 평형에 대한 영향을 가지지 않거나 대략 가지지 않는 한에만 있어서, 그리고 상기 2 개의 배지들로부터 경험적으로 유도된 배지-특정 관련성들이 각각 동일한 한에 있어서, 2 개의 배지들이 상기 기준들 (조성, 농도, 제조 프로토콜) 중의 임의의 것에 관하여 상이할 수도 있다는 것을 암시한다.
본원에서 이용된 바와 같은 "세포 배양을 배양하는 것" 은 세포들 배양이 성장되는 것, 즉, 세포 배양의 세포들의 수가 증가하는 것을 전형적으로 의미한다. 그러나, 일부 경우들에는, 세포들의 수가 또한 침체되거나 심지어 줄어들 수도 있다.
다음에서는, 발명의 실시형태들이 도면들을 참조하여 오직 예로서, 더 상세하게 설명된다:
도 1 은 pH 측정 디바이스 교정 편차 또는 pH 측정 오프셋 효과를 검출하도록 구성된 하나 이상의 바이오리액터들을 모니터링 및/또는 제어하기 위한 시스템의 블록도를 도시하고;
도 2 는 pH 측정 디바이스 교정 편차들 또는 pH 측정 오프셋 효과들을 검출하기 위한 방법들의 플로우차트를 도시하고;
도 3 은 바이오리액터의 컴포넌트들을 도시하고;
도 4 는 pH 값으로부터 바이오리액터의 오프 기체에서의 CO2 농도의 종속성을 예시하는 도면들을 도시하고;
도 5 는 배지-특정 pH-CO2 농도 관련성을 획득하기 위하여 이용된 도표를 도시하고;
도 6 은 개개의 바이오리액터들에서 세포 배양을 성장시키면서 개개의 pH 계측기들에 의해 측정된 4 개의 상이한 바이오리액터들의 pH 값들을 도시하고;
도 7 은 4 개의 바이오리액터들의 각각의 바이오리액터의 오프 기체에서 측정된 CO2 분율을 도시하고;
도 8a 는 2 개의 바이오리액터들 및 기준 바이오리액터의 CO2-오프 기체-유도된 상태 프로파일들을 도시하는 도면이고;
도 8b 는 상기 기준 바이오리액터에 대한 도 8a 의 2 개의 바이오리액터들의 상태 프로파일 차이들을 도시하는 도면이다.
도 9 는 샘플링 프로세스가 탱크에서의 pH 값으로부터의, 샘플에서 측정된 pH 값의 편차로 귀착된다는 것과, pH 측정 디바이스들이 교정되는 방법은 또한, 측정된 pH 값에 대한 영향을 가진다는 것을 예시하는 도표이다.
도 1 은 pH 측정 디바이스 교정 편차 또는 pH 측정 오프셋 효과를 검출하도록 구성된 하나 이상의 바이오리액터들을 모니터링 및/또는 제어하기 위한 시스템의 블록도를 도시하고;
도 2 는 pH 측정 디바이스 교정 편차들 또는 pH 측정 오프셋 효과들을 검출하기 위한 방법들의 플로우차트를 도시하고;
도 3 은 바이오리액터의 컴포넌트들을 도시하고;
도 4 는 pH 값으로부터 바이오리액터의 오프 기체에서의 CO2 농도의 종속성을 예시하는 도면들을 도시하고;
도 5 는 배지-특정 pH-CO2 농도 관련성을 획득하기 위하여 이용된 도표를 도시하고;
도 6 은 개개의 바이오리액터들에서 세포 배양을 성장시키면서 개개의 pH 계측기들에 의해 측정된 4 개의 상이한 바이오리액터들의 pH 값들을 도시하고;
도 7 은 4 개의 바이오리액터들의 각각의 바이오리액터의 오프 기체에서 측정된 CO2 분율을 도시하고;
도 8a 는 2 개의 바이오리액터들 및 기준 바이오리액터의 CO2-오프 기체-유도된 상태 프로파일들을 도시하는 도면이고;
도 8b 는 상기 기준 바이오리액터에 대한 도 8a 의 2 개의 바이오리액터들의 상태 프로파일 차이들을 도시하는 도면이다.
도 9 는 샘플링 프로세스가 탱크에서의 pH 값으로부터의, 샘플에서 측정된 pH 값의 편차로 귀착된다는 것과, pH 측정 디바이스들이 교정되는 방법은 또한, 측정된 pH 값에 대한 영향을 가진다는 것을 예시하는 도표이다.
도 1 은 하나 이상의 바이오리액터들을 모니터링 및/또는 제어하기 위한 제어 유닛 (132) 을 포함하는 시스템 (100) 의 블록도를 도시한다. 시스템 (100) 은 측정된 pH 값들, 및 2 개의 바이오리액터들로부터 인터페이스 (128) 를 통해 수신된 CO2 농도들을 비교하기 위한 비교 유닛 (130) 을 포함한다. 다음에서는, 발명의 실시형태들이 도 2 의 플로우차트에서 표시된 바와 같이, 교정 차이들 및 pH 측정 샘플링 오프셋 효과들을 식별하기 위한 대응하는 방법을 참조함으로써 설명될 것이다.
도 1 은 바이오리액터들 중의 하나의 배지 샘플들을 취할 필요 없이, 그리고 교정 에러들 또는 오프셋 효과들을 결정하기 위한 알려진 pH 값의 "표준" 용액을 이용할 필요 없이, 2 개의 비교된 바이오리액터들에서의 교정 차이들 및 오프셋 효과들을 즉시 식별하기 위하여, 2 개 이상의 바이오리액터들의 pH 측정 디바이스들에 의해 측정된 pH 값들과, 개개의 바이오리액터들의 오프 기체 분석기들에 의해 측정된 CO2 농도들의 실시간 및 정확한 비교를 허용하는 시스템 (100) 을 도시한다.
시스템 (100) 은 프로세서 (110), 주 메모리 (112), 및 비일시적 저장 매체 (114) 를 포함한다. 저장 매체는, 프로세서 (110) 에 의해 실행될 경우, 프로세서로 하여금, 발명의 실시형태들에 대하여 설명된 바와 같이 하나 이상의 바이오리액터들 (102, 104, 106) 을 자동으로 모니터링 및/또는 제어하기 위한 방법을 수행하게 하는 컴퓨터 판독가능한 명령들을 포함한다.
저장 매체 (114) 는 바이오리액터들 (102, 104, 106) 중의 임의의 것에 포함된 배지 (M1) 에 대하여 특정한 pH-CO2-농도 관련성을 표시하는 적어도 하나의 데이터 구조 (136), 예컨대, 파일 또는 데이터베이스 레코드를 포함한다.
게다가, 저장 매체는 다른 세포 배양 배지 (M2) 의 배지-특정 관련성들 (138) 을 포함할 수도 있다. 배지-특정 관련성들 (136, 138) 은 데이터 통신 인터페이스 (120), 예컨대, 네트워크 인터페이스, USB-포트, CDROM 드라이브 등을 통해 수신될 수도 있다.
시스템 (100) 은 하나 이상의 모니터링 및/또는 제어된 바이오리액터들 (102, 104, 106) 로부터 현재의 측정 값들을 동적으로 수신하기 위한 인터페이스 (126) 를 더 포함할 수도 있다. 인터페이스 (126) 는 또한, 네트워크 인터페이스, 예컨대, 인터넷 또는 인트라넷일 수도 있다. 측정 값들은 특히, 개개의 바이오리액터의 오프 기체에서 측정된 현재의 pH 값 및 현재의 CO2 농도이다. 비교 유닛 (130) 은 개개의 pH 측정 디바이스들이 동일한 방법으로 교정되고 상이한 바이오리액터들로부터 수신된 측정된 pH 값들의 올바른 비교를 금지하는 오프셋 효과들을 가지지 않는지를 결정하기 위하여, 모니터링 및/또는 제어된 바이오리액터들 (102, 104, 106) 로부터 수신된 수신 측정 값들을 이용한다. 임의적으로, 비교 유닛 (130) 은 또한, pH 측정 디바이스가 올바른 절대적인 pH 값을 출력하는지를 결정하기 위하여, 배지 (M1) 의 배지-특정 관련성 (136) 을 입력으로서 이용한다.
제 1 바이오리액터 (104) 는 제 1 바이오리액터를 무세포 배지 (M1) 로 채움으로써, 그리고 기체를 연속적으로 추가하는 것을 시작함으로써, 예컨대, 환경적 공기 및/또는 그 개별적인 컴포넌트들 (N2, O2, 및/또는 CO2) 을 바이오리액터로 수송함으로써, 그리고 임의적으로 또한, 액체들 (무세포 배지, 임의적으로, 피드와 같은 추가적인 액체들 등) 을 연속적으로 추가하는 것을 시작함으로써 초기화된다. 게다가, 교반기들이 시작될 수도 있다. 이것에 의하여, 제 1 바이오리액터는 제 2 바이오리액터를 개시시키기 위하여 이용된 온도 및 압력과 동일한 온도 및 압력에서 동작된다.
약간의 시간 (전형적으로 분 또는 시간) 후에, 제 1 바이오리액터에서의 배지 및 배지 위의 제 1 바이오리액터에서의 공기 체적은 pH-CO2 평형 상태에 도달하였을 것이고, 제 1 pH 및 CO2 농도 값들은 제 1 바이오리액터의 배지 및 오프 기체에서 측정된다. 기체 체적에서의 CO2 농도는 배지의 pH 값에 대해 영향을 가지므로, 제 1 바이오리액터에서의 배지를 특정한 pH 값으로 설정하기 위하여, 제 1 바이오리액터로의 CO2 유입 레이트는 이에 따라 수정될 수도 있다.
제 2 단계 (202) 에서, 비교 유닛 (130) 은 제 2 CO2 농도 CO2-R-M-ti 및 제 2 pH 값 pHR-M-ti 을 수신한다. 제 2 CO2 농도는 제 2 바이오리액터 (102) 에서의 배지 위의 제 2 기체 체적의 CO2 농도이다. 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값은 제 2 시간 ti 에서 측정된다. 제 2 시간은 제 2 바이오리액터에서의 배지가 제 2 기체 체적과 미리 정의된 온도 및 압력 (예컨대, 20 ℃ 및 정상적인 대기 압력) 에서 pH-CO2 평형 상태에 있을 때, 그리고 상기 평형 상태가 제 2 바이오리액터에서의 세포 배양의 대사에 의해 수정되기 전의 시간이다. 예를 들어, 제 2 시간 ti 는 바이오리액터 (102) 가 세포 배양으로 접종되기 전의 시간, 또는 접종 바로 후의 시간이어서, 세포들의 대사는 바이오리액터 (102) 에서의 pH-CO2 평형에 대해 아직 영향을 가지지 않는다. 제 2 pH 값은 제 2 바이오리액터 (102) 에 동작적으로 결합된 제 2 오프라인 또는 온라인 pH 측정 디바이스 (142) 에 의해 제공된 측정된 값이다. 도시된 예에서, 제 2 pH 측정 디바이스는 제 2 바이오리액터 (102) 의 배지 (M1) 에서 침지된 온라인 pH 계측기이다.
다음 단계 (204) 에서, 비교 유닛은 제 1 CO2 농도 CO2B1-M-ti 및 제 1 pH 값 pHB1-M-ti 를 수신한다. 제 1 CO2 농도는 예를 들어, 제 1 바이오리액터 (104) 의 오프 기체에서 측정될 수도 있는, 제 1 바이오리액터의 배지 위의 제 1 기체 체적의 CO2 농도이다. 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값은 제 1 시간에서 측정된다. 제 1 시간은 제 1 바이오리액터 (104) 에서의 배지가 제 1 기체 체적과 미리 정의된 온도 및 압력에서 pH-CO2 평형 상태에 있을 때, 그리고 상기 평형 상태가 제 1 바이오리액터에서의 세포 배양의 대사에 의해 수정되기 전의 시간이다.
예를 들어, "이산화탄소 센서" 로서 또한 지칭된 CO2 분석기 디바이스 (122) 는 오프 기체에서 CO2 의 농도를 반복적으로 측정하기 위하여 이용될 수도 있다. CO2 센서들에 대한 공통적인 예들은 적외선 기체 센서들 (NDIR) 및 화학적 기체 센서들이다. NDIR 센서들은 그 특징적인 흡수에 의해 기체성 환경에서 CO2 를 검출하기 위한 스펙트로스코픽 센서 (spectroscopic sensor) 들이다. 대안적으로, CO2 센서는 미세전자기계 센서 (microelectromechanical sensor) 일 수도 있다.
제 1 pH 값은 제 1 바이오리액터 (104) 에 동작적으로 결합된 제 1 pH 측정 디바이스 (108) 에 의해 제공된 측정된 값이다. 제 2 및 제 1 바이오리액터에서의 배지는 동일하다.
일부 실시형태들에서, "기준 바이오리액터" 로서 또한 지칭된 제 2 바이오리액터 (102) 는, 이전의 기준 바이오리액터에서와 같이 기본적으로 동일한 조건들 하에서 세포 배양을 성장시키기 위하여, 제 1 바이오리액터 (104) 가 접종되기 전의 일 (day) 들, 주 (week) 들, 또는 심지어 년 (year) 들에 세포 배양을 성장시키기 위하여 이용된다. 이 경우, 제 2 및 제 1 시간은 떨어진 연도에 놓여질 수도 있지만, 개개의 바이오리액터가 초기화되고 pH-CO2 평형에 대해 영향을 가지는 세포 배양을 (아직) 포함하지 않는 시간을 각각 표현할 수도 있다. 이 경우, 제 2 pH 값 및 제 2 CO2 농도는 제 1 pH 값 및 제 1 CO2 농도가 측정되기 전에 측정된다. 다른 실시형태들에서, 제 2 및 제 1 바이오리액터들은 병렬로 동작되고, 제 2 및 제 1 pH 및 CO2 값들은 대략 동시에 비교 유닛에 의해 측정될 수도 있고 수신될 수도 있다.
단계 (206) 에서, 비교 유닛은 제 2 및 제 1 pH 측정 디바이스들이 상이하게 교정되는지를 결정하기 위하여 제 2 및 제 1 pH 값들 및 CO2 농도들을 비교한다.
비교 유닛은 하기 경우에, 제 2 및 제 1 pH 측정 디바이스들이 상이하게 교정되는 것으로, 또는 상기 디바이스들 중의 적어도 하나가 (샘플링 절차에 의해 야기된) 오프셋 효과에 의해 영향받는 것으로 결정할 것이다:
- 제 2 및 제 1 CO2 농도들이 동일하고 제 2 및 제 1 pH 값들이 문턱 값을 초과하는 것만큼 서로 상이하거나; 또는
- 제 2 및 제 1 pH 값들이 동일하고 제 2 및 제 1 CO2 농도들이 추가의 문턱 값을 초과하는 것만큼 서로 상이함
제 2 및 제 1 pH 측정 디바이스들이 양자 모두 온라인 측정 디바이스들일 경우, 샘플링 프로세스에 의해 야기된 임의의 오프셋 효과들이 존재하지 않는다. 이 경우, 비교 유닛은 제 2 및 제 1 pH 측정 디바이스 사이에서 교정 차이가 있는 것으로 결정하고, 디스플레이 (134) 상에서 경고 메시지 및/또는 제 2 및 제 1 pH 값들의 델타를 출력할 수도 있다. 디스플레이 디바이스는 예컨대, 컴퓨터 모니터 또는 스마트폰의 모니터일 수도 있다. 이에 따라, 조작자는 제 1 바이오리액터의 접종을 금지할 수도 있고 제 1 pH 측정 디바이스의 재교정 또는 교환을 수행할 수도 있다. 제 1 pH 측정 디바이스가 (오프)기체 상에서의 그 평형 CO2 농도가 제 2 바이오리액터의 (오프)기체 상에서의 평형 CO2 농도와 동일한 것으로 결정되었던 제 1 바이오리액터에서의 배지에 대한 제 2 pH 값과 동일한 값을 출력하는 방법으로, 조절기 또는 비교 유닛이 제 1 pH 측정 디바이스를 재구성하는 것이 또한 가능하다. 일부 실시형태들에서, 제어 유닛 (132) 은 제 2 (기준) 바이오리액터에서의 세포들에 대한 환경적 조건들에 대한 제 1 바이오리액터에서의 세포들에 대한 환경적 조건들의 차이가 최소화되도록, 바이오리액터들 (102, 104, 106) 중의 하나 이상의 바이오리액터들의 하나 이상의 파라미터들을 제어한다. 제어 유닛은 예를 들어, 비교의 결과들을 수신하기 위하여 비교 유닛 (130) 에 동작적으로 결합되는 소프트웨어 및/또는 하드웨어 모듈일 수 있다. 제어 유닛은 하나 이상의 엔지니어링 프로세스들 및 파라미터들의 구성 및 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛 (137) 은 pH 값에 대한 영향을 가지는 액체들의 유입을 증가시키거나 감소시키도록 동작가능할 수도 있고, 예컨대, 시트르산 (citric acid) 또는 1M NaOH 용액의 유입을 증가시키거나 감소시킬 수도 있고 및/또는 바이오리액터의 배지에서의 pH 값을 수정하기 위하여 CO2 기체 유입을 증가시키거나 감소시킬 수도 있다.
배지 (M1) 는 예를 들어, 푸트레신 (putrescine), 티미딘 (thymidine), 하이포크산틴 (hypoxanthine), 아연 (zinc), 및 더 높은 레벨들의 모든 아미노산들 및 피루브산나트륨 (sodium pyruvate) 을 포함하는 햄 (Ham) 의 F-12 배지의 카인 (Kaighn) 의 수정일 수 있다. 이 추가들은 배지가 일부 세포 타입들에 대하여, 매우 낮은 레벨들의 혈청 (serum) 또는 정의된 컴포넌트들로 보충되는 것을 허용한다. 햄의 F-12K (카인) 배지는 단백질들 또는 성장 인자들을 포함하지 않고, 그러므로, 특정한 세포 라인에 대하여 최적화될 수도 있는 성장 인자들 및 소태아혈청 (Fetal Bovine Serum; FBS) 으로 종종 보충된다. 햄의 F-12K (카인) 배지는 중탄산염 나트륨 완충계 (sodium bicarbonate buffer system) (2.5 g/L) 를 이용한다. 배지 (M2) 는 LB 배지일 수도 있고, 예컨대, 다양한 목적들 및 대응하는 "프로젝트들" 을 위하여 박테리아 또는 식물들을 배양하기 위한, 복수의 다른 배지들 (M3, M4) 에 대한 기준 프로파일들이 존재할 수도 있다.
시스템 (100) 은 비교 유닛, 및 하나 이상의 바이오리액터들에 동작적으로 결합된 제어 유닛 (132) 에 의해 모니터링 및/또는 제어되어야 하는 하나 이상의 바이오리액터들 (104, 106) 을 포함한다. 도 1 로부터 추론될 수 있는 바와 같이, 모니터링된 또는 제어된 바이오리액터들의 치수들 및 엔지니어링 파라미터들 (교반 레이트 및 구성, 거품 크기, 치수, 배지 체적 등) 은 서로 상이할 수도 있고, 및/또는 기준 바이오리액터의 개개의 파라미터들과는 상이할 수도 있다. 바이오리액터들 (102, 104, 106) 은 상이한 지리적 영역들에서 위치될 수도 있다. 바이오리액터들 중의 하나 이상은 모니터링 데이터 (오프 기체에서의 현재의 pH 및 CO2 농도 및/또는 CO2 오프 기체 레이트들) 를 비교 유닛 (130) 및/또는 제어 유닛 (132) 으로 전송하고, 임의적으로 또한, 제어 유닛 (132) 으로부터 제어 데이터를 수신하거나, 비교 유닛으로부터 pH 측정 디바이스를 재구성, 재교정, 또는 교환하기 위한 제어 데이터를 수신한다. 기준 바이오리액터는 시스템 (100) 에 결합될 수도 있지만, 시스템 (100) 에 결합되어야 하는 것은 아니다. 기준 바이오리액터로부터 수집된 제 2 pH 및 CO2 농도 값들은 제 1 바이오리액터 (또는 그 pH 측정 디바이스가 제 2 pH 측정 디바이스와 동일한 방법으로 교정될 것이고 제 2 pH 측정 디바이스 (142) 에 의해 측정된 pH 값들에 관하여 임의의 오프셋 효과들을 가지지 않아야 하는 임의의 추가의 바이오리액터 (106)) 를 개시시킬 때에 비교 유닛 (130) 에 의해 액세스가능하다면 충분하다. 제 2 바이오리액터 및 제 1 바이오리액터들 (104, 106) 의 각각은 동일한 배지 (M1) 를 포함하고, 동일한 타입의 세포 배양으로 접종된다.
우선적으로, 모니터링 및/또는 제어된 바이오리액터 (104, 106) 는 적어도 초기화의 시점에서, 기준 바이오리액터와 동일한 온도 및 압력 하에서 동작된다. 그러나, 바이오리액터 (104, 106) 를 동작시키는 동안, 온도 및/또는 압력은 기준 바이오리액터에서의 세포 배양 상태에 관한 상태 차이들을 최소화하기 위하여 수정되는 것이 가능하다.
도 3 은 바이오리액터 (102, 104, 106) 의 실시형태를 도시한다. 바이오리액터는 신선한 배지 및 임의적으로 하나 이상의 추가의 액체들을 바이오리액터로 전달하기 위한 제 2 파이프 또는 호스 (hose) 에 결합된다. 바이오리액터는 유출부 (outflow) 와, 그리고 기체들, 예컨대, 환경적 공기 및/또는 N2 기체 및/또는 O2 기체 및/또는 CO2 기체를 바이오리액터로 전달하기 위한 하나 이상의 제 1 파이프들 또는 호스에 추가적으로 결합된다. 게다가, 바이오리액터는 오프 기체를 위한 제 3 파이프 또는 호스에 결합된다. 제 1 파이프 또는 호스는 현재의 총 기체 유입 레이트를 결정하기 위한 센서 (144) 를 포함할 수도 있다. 제 3 파이프 또는 호스는 오프 기체 CO2 농도 및 시간 단위 당 제 3 파이프를 통해 전달된 CO2 기체의 양을 선택적으로 측정하기 위한 센서 (122), 예컨대, CO2 오프 기체 분석기를 포함할 수도 있다. 다른 실시형태들에 따르면, 액체들의 유입 및 유출을 위한 파이프들이 없을 수도 있고, 영양제들은 피드 용액의 스텝별 볼러스 첨가 (step-wise bolus addition) 에 의하여 바이오리액터에 피딩될 수도 있다.
많은 바이오리액터 타입에서, 유입 기체들은 하나 이상의 잠수된 기체 흡입구 (intake) 들을 통해 바이오리액터로 (기체 혼합물로서 또는 별도의 개구부들을 통해) 피딩된다. 바이오리액터가 추가적인 상부공간 (headspace) 에어레이션을 포함할 경우, 상기 "상부공간" 유입 기체 분율의 유입 레이트 및/또는 배지 위의 기체 상의 공기 순환은, 상부공간 에어레이션을 통해 바이오리액터로 피딩된 모든 기체들이 바이오리액터를 이탈하기 전에 바이오리액터의 배지와의 pH-CO2 평형에 도달하도록 구성되어야 한다. 또한, 상부공간 에어레이션이 바이오리액터의 유일한 에어레이션 메커니즘일 경우, 상기 "상부공간" 유입 기체 분율의 유입 레이트는, 바이오리액터로 피딩된 모든 기체들이 바이오리액터를 이탈하기 전에 바이오리액터의 배지와의 pH-CO2 평형에 도달하도록 구성되어야 한다.
대안적으로 (예컨대, 배지와의 상부공간 에어레이션 기체들의 pH-CO2 평형이 정시에 도달될 수 없을 경우), 추가적인 상부공간 에어레이션은 pH 측정 디바이스 교정 또는 오프셋 검출을 수행하기 위하여 오프 기체에서의 CO2 농도를 측정하기 전에 턴 오프된다. 이것은 추가적인 상부공간 에어레이션에 의해 야기된 바이오리액터 기체 상에서의 평형 CO2 농도로부터의 편차에 기인할 수 있는 교정 에러들을 회피하는 것을 허용할 수도 있다.
제 2 바이오리액터의 초기화 국면 동안, 신선한 배지뿐만 아니라, 피딩 용액들 및/또는 산 또는 염기 액체들과 같은 추가적인 액체들이 제 2 바이오리액터에 추가될 경우, 제 2 및 제 1 시간에, 제 2 및 제 1 바이오리액터들에서의 (모든 추가적인 액체들 및 물질들을 포함하는) 배지가 동일하다는 것을 보장하기 위하여, 상기 추가적인 액체들의 동일한 양 및 조성이 초기화 동안에 제 1 바이오리액터에 추가된다.
도 4 는 pH 값으로부터의 4 개의 상이한 바이오리액터들 I 내지 IV 의 오프 기체에서의 CO2 농도의 종속성, 및 개개의 바이오리액터들의 엔지니어링 및 크기 파라미터들의 상기 CO2 농도의 독립성을 예시하는 도면들 A, B, C, 및 D 를 도시한다.
4 개의 상이한 바이오리액터들은 다음의 엔지니어링 속성들을 가진다:
상기 바이오리액터들 I 내지 IV 의 각각은 임의의 세포들을 포함하지 않았던 특정한 세포 배양 배지 (M1) 로 채워졌다. 상기 배지의 원래의 pH 값은 6.85 였다 (도면 B 참조). 그 다음으로, pH 값은 개개의 바이오리액터에서의 상기 배지 위의 기체 체적에서의 CO2 농도를 감소시킴으로써 바이오리액터들의 각각에서 증가되었다. 테스트의 시작 시에, 그리고 미리 정의된 pH 값들의 세트의 각각에 대하여, 각각의 바이오리액터에서의 배지는 미리 정의된 온도 및 압력, 예컨대, 20 ℃ 및 정상적인 대기 압력에서 배지 위의 기체 체적과의 pH-CO2 평형에 도달하도록 허용되었다. 상기 평형에 도달된 후에, ("분율 CO2 기체", "CO2[%]", 또는 "FCO2" 로서 또한 지칭된) 총 오프 기체의 Vol.% 인 CO2 농도는 상기 4 개의 바이오리액터들의 각각에 대하여 결정되었다 (도면 B 와 조합하여, 오프 기체에서의 측정된 CO2 농도에 대한 pH-값의 영향을 도시하는 도면 A 참조). 도면 4 의 C) 는 막대 차트 형태로 4 개의 바이오리액터들의 각각의 측정된 CO2 농도에 대한 pH-값의 영향을 도시한다. 4 개의 바이오리액터들의 각각에 대하여 획득된 CO2[%] 의 최대 편차는 바이오리액터의 총 오프 기체의 0.4 % 미만이었다.
도면 4 의 D) 는 상기 바이오리액터의 배지 (M1) 이 pH-CO2 평형 상태에 도달하였을 때의 시간에서, pH 값들 (6.85, 6.95, 7.05, 7.15, 7.25, 7.35) 의 세트의 각각에서의 4 개의 바이오리액터들 I 내지 IV 의 각각에서 측정된 CO2[%] 값들을 포함하는 도표이다.
바이오리액터에서의 pH-CO2 평형은 바이오리액터를 진입하고 및/또는 이탈하는 CO2 기체의 레이트에 의해 도전받을 수도 있으므로, pH-CO2 평형은 실제로 동적 평형일 수도 있다는 것이 주목되어야 한다. 그럼에도 불구하고, 예컨대, 바이오리액터에서의 총 CO2 유입 레이트를 수정하는 것에 의해 바이오리액터에서의 배지 위의 기체 체적에서의 CO2 농도를 감소시키거나 증가시킴으로써, 동작 pH-CO2 평형이 특정한 pH 값에서 확립되는 방식으로 바이오리액터를 제어하는 것이 가능하다. 대안적으로, pH 값은 산 또는 염기 물질들 또는 액체들을 추가함으로써 수정될 수도 있다.
우선적으로, 희망하는 pH 값에 도달되는 방식으로 CO2 유입 레이트 및 총 기체 유출 레이트를 제어함으로써, 동적 pH-CO2 평형 상태는 전적으로 특정한 pH 값에서 바이오리액터에서 확립된다. 염기 또는 산 물질을 추가하는 것이 아니라, pH-CO2 평형을 확립하기 위하여 CO2 농도를 이용하는 것은, 배지의 조성이 (용해된 CO2 및 그 해리 생성물들의 농도를 제외하고는) 변경되지 않고, 이에 따라, 배지 특정 관련성은 상이한 pH 값들에서 동일한 배지로부터 경험적으로 유도될 수 있다는 장점을 가진다.
그 다음으로, 4 개의 바이오리액터들에 포함된 배지 (M1) 에 대해 특정적인 관련성 (316) 에 대한 파라미터들을 경험적으로 결정하기 위하여, 곡선 (502) 은 도표에 맞추어진다. 이 접근법은 특정한 세포 배양 배지에 대하여, 상기 배지가 특정한 압력 및 온도 (예컨대, 20 ℃ 및 정상적인 대기 압력) 를 가지고, 임의의 세포들을 결여하고, 기체 상과 pH-CO2 평형일 때에 측정된 CO2 오프 기체 농도가 주어지면, 배지의 절대적인 pH 값을 예측하기 위하여 비교 유닛에 의해 입력으로서 이용된 배지-특정 관련성 (136) 을 경험적으로 결정하는 것을 허용한다. 획득된 관련성은 바이오리액터 스케일, 에어레이션 레이트, 및 다른 엔지니어링 파라미터들에 독립적이다.
배지-특정 관련성은 특정한 배지 (M1) 에 대하여 오직 한번 결정된다. 결정은 단일 바이오리액터에서, 예컨대, 제 2 바이오리액터가 세포 배양으로 접촉되기 전에 제 2 바이오리액터 (102) 에서 수행될 수도 있다. 정확도를 증가시키기 위하여, pH 값 및 CO2 기체 분율 (CO2 농도) 의 측정을 허용하는 다수의 바이오리액터들 또는 다른 용기들에서의 결정을 수행하고, 그 다음으로, 더 정확한 맞추어진 곡선 (502) 을 획득하기 위하여 다수의 바이오리액터들 또는 용기들에서 획득된 정보를 이용하는 것이 또한 가능하다. 도 4 의 D) 및 도 5 에서 도시된 예에서, 4 개의 상이한 바이오리액터들은 맞추어진 곡선 (502) 과, 평형 pH 값 및 평형 CO2 농도 사이의 대응하는 배지-특정 관련성을 경험적으로 결정하기 위하여 이용되었다.
추가의 유사한 테스트 (도시되지 않음) 는 400 L, 100 L, 2 L, 및 2 L 의 체적을 가지며 동일한 타입의 배지를 포함하는 4 개의 바이오리액터들로 수행되었다. 바이오리액터들은 상이한 타입들의 pH 측정 디바이스들 (예컨대, Knick 및 Mettler 프로브들) 을 포함하였고, 상이한 제어기 셋업 구성들 (Siemens S7 대 Sartorius DCU) 및 동일한 타입의 상이한 오프 기체 분석기들 (Dasgip / Eppendorf GA4) 을 포함하였다. pH 측정 디바이스들은 그것들이 그 개개의 바이오리액터의 배지에서 잠수되기 전에 2 개의 알려진 pH 포인트들 (4 및 7) 에서 기존의 교정 완충재들을 이용하여 각각 교정되었다. 다음 단계에서, 4 개의 pH 측정 디바이스들의 각각은 4 개의 비교된 바이오리액터들의 배지들 내로 순차적으로 삽입되었던 제 5 의 사전-교정된 pH 측정 디바이스의 이용에 의해 재교정되었다. 모든 4 개의 pH 측정 디바이스들은 제 5 pH 측정 디바이스의 값 상으로 재교정되었다. 그 재교정 후에, 모든 4 개의 바이오리액터들의 오프 기체에서의 CO2 농도 ("FCO2" 값) 가 측정되었다. 4 개의 획득된 FCO2 측정 값들은 약 0.75 % 의 모든 4 개의 값들 중의 최소 값에 대한 모든 4 개의 값들 중의 최대 값의 차이 ("델타") 를 보였다.
그 다음으로, 4 개의 바이오리액터들의 제어기 편차는 모든 4 개의 바이오리액터들에서 필적하는 실제적인 pH 값들을 확립하기 위하여 최소화되었다. 그 최소화 후에, 모든 4 개의 바이오리액터들의 오프 기체에서의 CO2 농도 ("FCO2" 또는 "CO2 [%]) 가 측정되었다. 4 개의 획득된 FCO2 측정 값들은 약 0.27% 의 4 개의 모든 4 개의 값들 중의 최소 값에 대한 모든 4 개의 값들 중의 최대 값의 차이 ("델타") 를 보였다. 결과들은 그 배지들이 pH-CO2 평형 상태에 있는 바이오리액터들이 배지들 체적, 전체적인 체적, 에어레이션 레이트 및 에어레이션 레이트에 종속되는 파라미터들, 교반기 속도 및 교반기 속도에 종속되는 파라미터들, 및 스케일, 바이오리액터 치수 등에 종속되는 추가의 파라미터들에 독립적인 동일한 pH 값들에서의 동일한 CO2 농도를 가진다는 것을 확인하였다.
그러므로, 상기 평형 상태에서, 0.27 % 의 가변성으로, 0.02 pH 미만의 스케일 단위들의 pH 오프셋들이 이 테스트 시나리오에서 검출가능하였다. 이에 따라, pH 측정 디바이스들을 교정하기 위한 매우 정확한 방법이 제공된다.
도 5 는 도 4 의 D) 에서의 도면의 변환된 버전이다. 배지 (M1) 의 배지-특정 관련성 (136) 은 상기 배지 위의 기체 상에서의 pH-값 및 개개의 CO2 농도 [%] 의 다수의 경험적으로 결정된 쌍들을 수학적으로 맞춤으로써 획득된 식 PPH(pH) = REL-M1(CO2) 이고, 기체 상에서의 CO2 농도는 헨더슨-하셀바흐 식에 따라 상기 배지와 pH-CO2 평형이다.
선형 또는 다항식 곡선을 도 5 의 도표에 맞춤으로써 경험적으로 유도된 식은, 상기 매체 위의 기체 체적이 상기 배지와 pH-CO2 평형 상태이고 특정한 CO2 농도를 가질 경우에, 미리 정의된 온도 및 미리 정의된 압력에서 배지의 pH 값을 예측하는 것을 허용한다. 예측은 관련성이 경험적으로 획득되었던 배지 (M1) 에 대해 특정적이다.
"CO2" 파라미터는 바이오리액터의 배지와 pH-CO2 평형 상태인 기체 상에서 측정된 CO2 농도를 입력하기 위한 상기 식의 입력 파라미터이다.
"REL-M1" 은 조작자들에 의해 연결된 하나 이상의 파라미터들 a1, a2, b1, b2, b3 의 세트이다. 파라미터들은 세포 배양을 결여하는 배지 (M1) 의 샘플들을 위에서 설명된 바와 같이 다수의 상이한 pH 값들로 조절하고, 이것에 의하여, 샘플들이 미리 정의된 압력 온도에서 pH-CO2 평형에 도달하게 함으로써, 샘플들에서의 배지와 접촉하는 개개의 기체 체적들에서의 평형 CO2 농도들을 결정함으로써, 도 5 에서 도시된 도표를 생성하기 위하여 샘플들의 개개의 평형 pH 값들에 대해 측정된 평형 CO2 농도들을 도표화함으로써, 도표화된 값들에서 곡선 (502) 을 맞춤으로써, 그리고 맞추어진 곡선으로부터 파라미터들 a1, a2, 또는 b1, b2, b3 을 유도함으로써 획득되었다.
일부 실시형태들에 따르면, 식 PPHM1(CO2) = REL-M1(CO2) 은 PPHM1(CO2)[%] = a1 x CO2 [%]+ a2 에 따른 선형식이다. 이 경우, 파라미터들 a1 및 a2 는 맞추어진 곡선으로부터 유도된 파라미터들이다. 도시된 예에서, 선형 맞춤은 다음의 식을 산출할 것이다:
PPHM1(CO2) = -0.046 x CO2[%] + 7.45. 이 예에서, a1= -0.046 및 a2 = 7.45 이다.
다른 실시형태들에 따르면, 식 PPHM1(CO2) = REL-M1(CO2) 은 PPHM1(CO2) = b1 x CO2[%]2 + b2 x CO2[%] + b3 에 따른 다항식이다.
다항식 맞춤을 이용하는 것은, 선형 맞춤이 배지-특정 관련성 (136) 및 예컨대, 바이오리액터의 오프 기체에서 측정된 CO2 농도 CO2R-M-ti 를 입력으로서 이용함으로써 절대적인 pH 값을 계산하기 위하여 충분히 정확하지만, 다항식 맞춤이 선형 맞춤보다 더 정확하다는 장점을 가진다.
도 6 은 특정한 세포 배양 프로젝트에 대하여 여러 날들 동안에 특정한 배지 (M1) 에서 세포 배양을 성장시키면서, 4 개의 상이한 바이오리액터들 I 내지 IV 에서 측정된 pH 값의 변동을 도시한다. 우선적으로, 각각의 pH 값은 상기 배지의 pH-CO2 평형에서 바이오리액터의 배지 (M1) 에서 침지된 pH 측정 디바이스, 예컨대, 전위차계 pH-계측기를 이용하여 측정된다. 각각의 바이오리액터에서는, 오프 기체에서의 적어도 현재의 pH 값 및 현재의 CO2 농도가 접종 전 및 후와, 전체 프로젝트 동안에 반복적으로 측정된다.
예를 들어, 프로젝트는 약 100 x 105 세포들/밀리미터의 세포 밀도에 도달될 때까지 최적의 또는 거의 최적의 세포 성장 조건들 하에서 세포 배양 배지 (M1) 에서 14 일 동안에 CHO 세포들 (Chinese hamster ovary cell; 중국 햄스터 난소 세포) 를 성장시키기 위한 것일 수 있다.
도 7 은 그 pH 값 프로파일들이 도 6 에서 도시되어 있는 4 개의 바이오리액터들의 각각의 오프 기체에서 측정된 CO2 분율 ("CO2 농도") 을 도시한다. 배지 위의 기체 체적에서의 CO2 농도가 헨더슨-하셀바흐 식에 따라 pH 값에 영향을 주므로, 시간에 있어서의 특정한 순간에 특정한 바이오리액터에 대해 측정된 pH 값들 및 CO2 오프 기체 농도들은 서로에 대해 종속된다. 또한, 세포 대사는 (젖산과 같은 배설된 대사산물들을 통해) pH 값과, (기판들의 호기성 열화를 통해) 기체 상에서의 CO2 농도의 양자에 대해 영향을 가질 수도 있다.
바이오리액터들 중의 하나에서, 예컨대, 기준 바이오리액터 (102) 에서 세포들을 성장시키는 동안, 기준 바이오리액터 (102) 에서의 현재의 pH 값 및 현재의 CO2 오프기체 농도들은 반복적으로 결정될 수도 있고, 파생 파라미터 값은 적어도 상기 2 개의 입력 파라미터 값들로부터 계산되고 기준 바이오리액터에서의 세포 배양의 현재의 스테이터스 (status) 를 표시하는 파라미터로서 이용된다. 상기 파생 파라미터 값들의 프로파일이 생성된다. 프로파일은 상기 파라미터 값들 대 시간의 변동의 표현이다.
도 8a 는 기준 바이오리액터 (102) 의 기준 상태 프로파일 (402), 제 1 모니터링 및/또는 제어된 바이오리액터 (104) 의 상태 프로파일 (802), 및 제 1 모니터링 및/또는 제어된 바이오리액터 (106) 의 추가의 상태 프로파일 (804) 을 도시하는 도면이다. 각각의 상태 프로파일은 바이오리액터 및 그 세포 배양의 상태를 표시함으로써, 특정한 시간 ti 에서의 상태는 바이오리액터의 오프 기체에서의 적어도 현재 측정된 pH 값 및 현재 측정된 CO2 농도의 파생물로서 계산된다. 모든 바이오리액터들 (R, B1, 및 B2) 은 동일한 배지 (M1) 를 포함하고, 동일한 온도 및 압력에서 동작되고, 시간 t0 에서 개개의 기체 체적과 pH-평형 상태이다. 시간 t0 은 개개의 바이오리액터가 세포 배양으로 접종되기 바로 전의 시간에서의 순간을 표현한다.
순간 t0 에서, "제 2 바이오리액터" 로서 또한 지칭된 기준 바이오리액터 (R), 제 1 바이오리액터 (B1), 및 제 3 바이오리액터 (B2) 는 그것들이 오프 기체에서의 동일한 CO2 농도를 가지도록 구성되고 동작된다. 개개의 바이오리액터들 (R 및 B2) 의 pH 계측기들은 시간 t0 에서 거의 동일한 pH 값을 측정할 수도 있다. 그러나, 바이오리액터 (B1) 의 pH 측정 디바이스는 기준 바이오리액터 (도시되지 않음) 의 pH 측정 디바이스에 의해 측정된 것과는 t0 에서의 상이한 pH 값을 측정할 수도 있다. 3 개의 바이오리액터들의 pH 측정 디바이스들은 개개의 바이오리액터의 배지에서 침지된 온라인 pH 계측기들일 수도 있다. 이 경우, 비교 유닛은 제 2/기준 바이오리액터 (R) 의 pH 계측기들과 제 1 바이오리액터 (B2) 의 pH 계측기 사이에는 교정 차이가 없지만, 기준 바이오리액터 (R) 및 바이오리액터 (B1) 의 pH 계측기들 사이에는 교정 편차가 존재하는 것으로 결정할 수도 있다.
도시된 예에서, 시간 t0 에서의 모니터링된 바이오리액터 (106) ("B2") 의 상태 프로파일 (804) 의 프로파일 값은 시간 t0 에서의 기준 프로파일 (402) 의 기준 값과 동일하다. 시간 t0 에서의 모니터링된 바이오리액터 (104) ("B4") 의 프로파일 (802) 의 값은 시간 t0 에서의 기준 프로파일 (402) 의 기준 값과 상당히 상이하다.
대안적으로, 프로파일 값들 대신에, 도 7 에서 도시된 바와 같은 2 개의 바이오리액터들의 오프 기체의 CO2 농도는 2 개의 비교된 바이오리액터들의 pH 측정 디바이스들이 동일하게 교정되었는지를 결정하기 위하여 비교될 수 있다. 2 개의 바이오리액터들은 동일한 압력 및 온도에서 개시되고 동일한 무세포 배지로 채워지고, 2 개의 바이오리액터들에서의 배지의 현재의 pH 값 및 현재의 CO2 농도는 2 개의 바이오리액터들이 pH-CO2 평형에 도달하였을 때에 측정되고 비교된다. 2 개의 바이오리액터들의 오프 기체에서의 CO2 농도가 동일한 반면, pH 값은 그렇지 않을 경우, 또는 2 개의 바이오리액터들의 pH 값들이 동일하고 오프 기체에서의 CO2 농도는 그렇지 않을 경우, 비교 유닛은 2 개의 바이오리액터들이 상이하게 교정된 것으로 결정한다.
잘못 교정된 pH 측정 디바이스들은 pH 값들로부터 전적으로 또는 다른 파라미터들에 추가하여, 유도되었던 세포 배양 프로파일들에 기초하여 2 개의 세포 배양들의 세포 배양 상태들을 비교할 때에 부정확한 결과들로 귀착될 수도 있다. 결과적으로, 또한, 상태 차이를 최소화하기 위하여 제어기에 의해 취해진 임의의 액션은 상태 차이들을 최소화하는 것에 실패할 수도 있다 (바이오리액터 (B2) 에서의 세포 배양의 성장 동안, pH-CO2 평형은 염기를 추가함으로써, 그리고 총 기체 유입 레이트를 증가시킴으로써 수정되었고; 이에 따라, 기준 바이오리액터 및 바이오리액터 (B2) 의 pH 계측기들이 동일한 방법으로 교정되었지만, B2 의 프로파일은 기준 프로파일과는 상당히 상이하기 때문에, 이 효과는 도 8a 및 도 8b 에서 도시되어 있지 않다).
잘못 교정된 pH 계측기들은 개개의 바이오리액터들의 pH 값들 또는 상기 pH 값들의 파생물인 임의의 다른 모니터링 또는 제어 파라미터에 기초하여 2 개의 세포 배양들의 세포 배양 상태들을 비교할 때에 부정확한 결과들로 귀착될 수도 있다. 결과적으로, 또한, pH 차이를 최소화하기 위하여 제어기에 의해 취해진 임의의 액션은 실패할 수도 있거나, 2 개의 비교된 바이오리액터들의 훨씬 더 큰 상태 편차로 귀착될 수도 있다 (바이오리액터 (B2) 에서의 세포 배양의 성장 동안, pH-CO2 평형은 염기를 추가함으로써, 그리고 총 기체 유입 레이트를 증가시킴으로써 수정되었고; 이에 따라, 기준 바이오리액터 및 바이오리액터 (B2) 의 pH 계측기들이 동일한 방법으로 교정되었지만, B2 의 세포 배양 상태 프로파일은 기준 상태 프로파일과는 상당히 상이하기 때문에, 이 효과는 도 8a 및 도 8b 에서 도시되어 있지 않다).
예를 들어, 세포 배양으로의 접종 전 및 후의 바이오리액터의 상태 프로파일은 PACO 프로파일로서 계산될 수도 있다. PACO 값 PACOB1-ti, PACOB2-ti 은 예측된 CO2 오프 기체 레이트 ACOB1-EXP-ti, ACOB2-EXP-ti 로부터의 바이오리액터에서 측정된 CO2 오프 기체 레이트 ACOB1-M-ti, ACOB2-M-ti 의 편차를 표시한다. 예측된 CO2 오프 기체 레이트는 세포 배양의 부재 하에서, 그리고 바이오리액터에서의 CO2 오프 기체 레이트를 측정할 때, 평형 상태인 배지의 pH 값이 바이오리액터 (104, 106) 의 pH 값과 동일한 조건 하에서, pH-CO2 평형 상태인 바이오리액터에서의 상기 배지의 오프 기체 레이트이다. PACO 값은 세포 배양을 배양하면서 바이오리액터에서의 세포 배양의 세포들에 의해 생성된 CO2 오프 기체의 양에 종속된다. PACO 값 PACOB1-ti, PACOB2-ti 의 연산은 입력으로서 하기를 이용한다:
현재의 시간에서의 모니터링 및/또는 제어된 바이오리액터의 PACO 값의 연산은 모니터링 및/또는 제어된 바이오리액터의 수신된 현재의 CO2 오프 기체 레이트들 및 pH 값들의 각각에 대하여, 하기를 연산하는 것을 포함한다:
- FCO2B1-EXP-ti = REL-M1 (pHB1-ti) 에 따른, 바이오리액터 (104) 의 현재의 배기기체 체적의 예상된 CO2 오프 기체 분율 FCO2B1-EXP-ti, 여기서, FCO2B1-EXP-ti 는 현재의 시간 ti 에서의 % 인 바이오리액터 (104) 의 총 오프 기체 체적 (TGOB1) 의 예측된 CO2 오프 기체 분율이고, 예측은 수신된 현재의 pH 값 pHB1-ti 을 REL-M1(pHB1-ti) 에 대한 입력으로서 이용함으로써 계산되고, 여기서, REL-M1 은 예를 들어, 도 4 의 D) 에서 도시된 바와 같은 도표를 맞춤으로써 경험적으로 유도된 배지 (M1) 의 배지-특정 관련성임. 파라미터 pHB1-ti 는 시간 t1 에서의 바이오리액터 (104, 106) 의 배지에서의 수신된 현재의 pH 값이고; 이에 따라, 바이오리액터에서의 예상된 CO2 오프 기체 분율은, 바이오리액터의 배지가 세포 배양을 결여하고, 배지-특정 관련성의 입력으로서 이용된 pH 값을 가지고, 상기 배지 위의 바이오리액터에서의 기체 상과 pH-CO2 평형 상태이고, 이에 따라, 상기 바이오리액터의 총 오프 기체 체적과 또한 평형이라는 가정 하에서 연산됨.
- ACOB1-EXP-ti [mol/min] = 
에 따른, 예상된 CO2 오프 기체 레이트 ACOB1-EXP-ti [mol/min] 값, 여기서, ACOB1-EXP-ti 값은, 바이오리액터의 배지가 현재 측정된 pH 값을 가지고 상기 배지 위의 기체 상과 pH-CO2 평형일 때, 바이오리액터 (104) 의 예상된 CO2 오프 기체 레이트이고, 여기서, TGIB1 는 현재의 시간 (ti) 에서의 바이오리액터 (104) 의 기체 유입의 총량이고; 바이오리액터의 기체 유입의 총량은 기체 유출의 총량과 대략 동일함;
- PACOB1-ti = ACOB1-EXP-ti - ACOB1-M-ti 에 따른 PACOB1-ti 값, 여기서, ACOB1-M-ti 는 바이오리액터 (104) 에서 시간 ti 에서 측정된 CO2 오프 기체 레이트임.
기준 바이오리액터 (102) 의 기준 PACOB1-ti 값은 따라서 하기로 연산될 수도 있고: PACOR-ti = ACOR-EXP-ti - ACOR-M-ti, 여기서, ACOR-M-ti 는 바이오리액터 (102) 에서 시간 ti 에서 측정된 CO2 오프 기체 레이트이다.
일부 실시형태들에 따르면, 기준 바이오리액터 (102) 에서의 대응하는 세포 배양 상태와 비교하여 바이오리액터 (104) 에서의 세포 배양의 상태 편차들을 식별하기 위하여, PACO 값들의 전술된 비교는 세포 배양의 접종 후에 반복적으로 수행된다.
"PACO 값" 값은 데이터 값이다. "FCO2 값" 은 데이터 값이다. "ACO 값" 은 데이터 값이다. "CO2 농도" 로서 또한 지칭된 "FCO2" 또는 "CO2 [%]" 는 기체 체적에서, 예컨대, 바이오리액터의 오프 기체에서의 "분율 CO2 기체" 이다.
"프로파일" 은 데이터 값들의 세트, 또는 시간에 대한 파라미터 값의 변동을 표시하는 수학적 관련성이다. 파라미터 값은 예를 들어, 바이오리액터로부터 획득된 PACO 값, 오프 기체에서의 CO2 농도 ("FCO2"), CO2 오프 기체 레이트 ("ACO 값"), 또는 pH 값일 수 있다.
도 8b 는 기준 바이오리액터 (102) 의 기준 프로파일 (402) 에 대한 2 개의 바이오리액터들 (104, 106) 의 세포 배양 상태 프로파일들 (802, 804) 의 프로파일 차이를 도시하는 도면이다. 곡선 (810) 은 바이오리액터 (104) 및 기준 바이오리액터의 프로파일 차이들을 표현하고, 곡선 (808) 은 바이오리액터 (106) 및 기준 바이오리액터의 프로파일 차이들을 표현한다. B2 에서 세포 배양을 성장시키는 동안, pH-CO2 평형이 수정되었으므로, 기준 프로파일 (402) 에 대한 바이오리액터 (106) 의 프로파일 차이들은 바이오리액터 (104) 의 차이들보다 상당히 더 크다. PACO 프로파일을 기준 PACO 프로파일과 비교하는 것은 2 개의 비교된 바이오리액터들에서의 세포 배양 상태 편차들을 식별하는 것과, 프로파일 차이들을 최소화하기 위한 적절한 액션들을 자동으로, 반자동으로, 또는 수동으로 취하는 것을 허용한다. pH 측정 디바이스들 사이의 교정 차이들은 제어 파라미터 프로파일들, 예컨대, PACO 프로파일들에서의 상당한 차이들로 귀착될 수도 있다는 것이 관찰되었다. 이에 따라, 바이오리액터 초기화 국면에서의 발명의 실시형태들에 따른 교정 방법을 이용하는 것은 시간에 있어서의 더 이후의 순간에 바이오리액터 및 세포 배양 상태들을 비교하고 동기화하는 정확도를 상당히 증가시킬 수도 있다.
도 9 는 샘플링 프로세스가 측정된 pH 값에 대해 효과를 가진다는 것을 예시하는 2 개의 박스 및 위스커 (whisker) 도표들을 도시한다.
제 1 세포 배양 프로젝트 P1 을 수행하는 동안, 세포 배양을 포함하는 바이오리액터의 배지의 pH 값은 바이오리액터-내부 pH 계측기로 반복적으로 측정되었다. 다수의 시간 포인트들 t1, t2, ..., tn 에서 바이오리액터-내부 pH 계측기에 의해 측정된 pH 값들은 상기 개개의 시간 포인트들 t1, ..., tn 에서 견인된 배지 샘플들에서의 제 2 의 바이오리액터-외부 pH 계측기에 의해 측정된 pH 값들과 비교되었다. 이에 따라, 프로젝트 P1 의 박스 및 위스커 도표에 의해 각각 표현된 데이터 값들은 개개의 시간 t1, ..., tn 에서 바이오리액터-내부 및 바이오리액터-외부 pH 계측기에 의해 측정된 pH 값 사이의 차이를 표현한다. 이에 따라, 프로젝트 P1 에 대한 박스 및 위스커 도표는 샘플링 프로세스에 의해 생성된 pH 차이들 ("pH 오프셋 효과들") 의 가변성 및 분포를 도시한다. 샘플들은 모든 측정들에 대한 일정한 pH 측정 온도를 보장하기 위하여 32 ℃ 에서 템퍼링 (temper) 되었다.
프로젝트 P1 의 바이오리액터-내부 pH 계측기는 최신 방법에 따라, 즉, 바이오리액터로부터 바이오리액터-내부 pH 계측기를 제거함으로써, 알려진 pH 의 기준 용액으로 바이오리액터 외부의 pH 계측기를 교정함으로써, 교정된 pH 계측기를 바이오리액터 내로 재도입함으로써, 그리고 바이오리액터를 고압멸균함으로써 교정되었다.
또한, 프로젝트 P1 에서, 바이오리액터-내부 pH 계측기에 의해 측정된 pH 값들은 바이오리액터의 배지의 샘플들에서의 바이오리액터-외부 pH 계측기에 의해 측정된 pH 값들과 반복적으로 비교되었다. 비교가 2 개의 비교된 pH 값들 사이의 차이 (즉, "오프셋") 가 주어진 문턱보다 더 높다는 것을 나타내었을 경우, 바이오리액터-내부 pH 계측기는 재교정되었다. 접종 전에, 바이오리액터-내부 pH 계측기의 재교정은 오프셋에 관계 없이 발생하였다 ("포커스 교정 (focus calibration)"). 프로젝트 P1 의 pH 오프셋은 "-0.01" 주위에서 평균화되고, 이에 따라, 제로에 매우 근접하다. 이것은 바이오리액터-외부 pH 계측기에 의해 획득된 pH 측정 값들이 바이오리액터-내부 pH 계측기를 교정하기 위한 기준으로서 이용됨으로써, 오프셋 효과들을 대체로 평탄화하였으므로 놀라운 것이 아니다. 그러나, 이 교정 접근법의 단점은 바이오리액터에서의 배지의 절대적인 "실제의" pH 값 및 오프셋 효과의 강도가 알려지지 않은 채로 남아 있다는 것이다. 가변성은 +/- 0.05 pH 내에서 모든 데이터 포인트들의 오직 50 % 에 있어서 매우 높은 반면, 모든 오프셋들의 25 % 초과는 0.07 pH 스케일 단위들보다 더 크다.
(바이오리액터-내부 및 바이오리액터-외부 pH 계측기들에 의해 수행된) 온-라인 및 오프-라인 pH 측정들 사이의 불일치는 프로젝트 P1 에 대하여 설명된 것과 유사한 pH 측정 및 pH 계측기 교정 테스트들을 수행할 때, 예컨대, Heather Evans 등: "Dealing with Disparity in On-line and Off-line pH Measurements Genentech found pH drift in its on-line measurements for a cell culture process, and continues to investigate its cause (온-라인 및 오프-라인 pH 측정들 Genentech 에서의 불일치를 처리하는 것은 세포 배양 프로세스에 대한 그 온-라인 측정들에서 pH 드리프트를 발견하였고, 그 원인을 계속 조사함)" 에 의해 또한 관찰되고 확인되었다. Heather Evans 등은 +/- 0.10 pH 단위들의 범위 내에서 pH 를 제어하기 위한 능력을, 양자의 수율 및 제품 품질의 측면에서 일관적이고 강인한 프로세스 성능을 보장하기 위하여 중요한 것으로서 고려하였다.
제 2 프로젝트 P2 의 박스 및 위스커 도표는 프로젝트 P1 에 대하여 설명된 바와 같이 획득되었다. 그러나, 최신 접근법에 따라 바이오리액터-내부 pH 계측기를 교정하는 대신에, 바이오리액터-내부 pH 계측기는 바이오리액터의 오프 기체에서의 측정된 CO2 농도를 입력으로서 취함으로써, 이용된 배지에 대하여, 그리고 현재의 온도 및 압력에 대하여 연산되었던 연산된 예상된 CO2 오프기체 레이트를 이용하여 발명의 실시형태에 따라 교정된다. 이에 따라, 바이오리액터-내부 pH 계측기의 교정은 발명의 실시형태들에 대하여 설명된 바와 같이 pH 값과 CO2 오프 기체 레이트 사이의 배지 특정 관련성을 이용하여 (세포 대사산물들이 평형을 시프트시킬 것이므로, 배지들 채움 및 pH-CO2 평형의 확립 후에, 그리고 세포 배양으로의 접종 전에) 반복적으로 수행되었다.
외부- 및 내부-바이오리액터 pH 계측기 사이의 관찰된 pH 오프셋은 + 0.11 주위에서 평균화됨으로써, 오프셋 효과의 강도가 0.1 pH 단위들을 초과하여 높다는 것을 나타낸다. P1 에 관하여, 샘플들은 32 ℃ 에서 취해졌고, 이용된 pH 계측기들은 유리 전극들이었다. P1 및 P2 에서의 샘플링 절차 및 오프라인 pH 측정 방법은 동일하므로, 오프라인 pH 측정의 가변성이 필적하고 있다.
모두 합쳐, 1070 개의 데이터 값들이 도 9 에서의 프로젝트들 P1, P2 에 대한 2 개의 박스 및 위스커 도표들을 생성하기 위하여 획득되었다 (P1: N = 607 및 P2: N = 463). 양자의 프로젝트들에서, 유리 전극들은 정의된 온도에서 내부 및 외부-바이오리액터 pH 계측기들로서 이용되었다.
2 개의 도표들로부터 추론될 수 있는 바와 같이, 양자의 프로젝트들 P1, P2 에서 결정된 pH 오프셋들의 가변성은 유사하다. pH 값 오프셋들은 양자의 경우들에서의 샘플링 프로세스에 의해 야기된다.
그러나, 도 9 로부터 또한 추론될 수 있는 바와 같이, 프로젝트 P1 의 pH 오프셋들의 평균은 프로젝트 P2 에 대하여 획득된 오프셋들의 평균과는 거의 0.1 스케일 단위들만큼 상이하다. 이 "pH 오프셋 평균들의 차이" 는 프로젝트들 P1 및 P2 에서 바이오리액터-내부 pH 계측기들을 교정하기 위하여 이용된 상이한 방법들에 의해 야기된다. 평균 pH 값들의 차이들은 또한, 샘플링 방법을 변환시킴으로써, 예컨대, 샘플을 취하는 것과, 샘플에서의 pH 측정을 실제적으로 수행하는 것과의 사이의 시간을 증가시킴으로써 야기될 것이다.
도 9 로부터 추론될 수 있는 바와 같이, 오프라인 pH 측정들은 pH 가변성에 대한 근본 원인인 것으로 가정될 수 있다. 평균 오프셋에서의 시프트는 샘플링, 샘플 유지 시간들, 온도 하락들, 샘플링 및 오프라인 측정 동안의 이산화탄소 배기에 의해 추가되는 일반적인 오프셋들뿐만 아니라, 이용된 오프라인 측정 방법의 특정 오프셋들로 인한 것이다. 혈액 기체 분석기 데이터 (도시되지 않음) 는 상이한 오프셋들을 전달한다. 다른 오프라인 pH 측정 방법들 (도시되지 않음) 은 상이한 오프셋들을 다시 전달한다.
참조 번호들의 리스트
100 바이오리액터에서의 세포 배양 상태들을 모니터링 및/또는 제어하기 위한 시스템
102 제 1 ("기준") 바이오리액터
104 제 2 바이오리액터 B1
106 추가의 바이오리액터 B2
108 pH-측정 디바이스
110 프로세서
112 메모리
114 저장 매체
120 하나 이상의 배지-특정 관련성들을 수신하기 위한 인터페이스
122 CO2 오프 기체 분석기
124 CO2 오프 기체 분석기
126 CO2 오프 기체 분석기
128 2 개 이상의 바이오리액터들로부터 측정 파라미터들을 수신하기 위한 인터페이스
130 비교 유닛
132 제어 유닛
134 디스플레이
136 배지 (M1) 에 대한 배지-특정 관련성
138 배지 (M2) 에 대한 배지-특정 관련성
140 총 기체 유입에 대한 센서
142 pH-측정 디바이스
144 총 기체 유입에 대한 센서
146 pH-측정 디바이스
202 내지 206 단계들
402 기준 바이오리액터 (102) 의 상태 프로파일
502 4 개의 바이오리액터들에 대하여 도표화된 배지-특정 관련성
802 바이오리액터의 상태 프로파일
804 바이오리액터의 상태 프로파일
808 기준 프로파일에 대한 상태 프로파일 차이
810 기준 프로파일에 대한 상태 프로파일 차이
M1 세포 배양 배지
TGIB1 바이오리액터 (B1) 로의 총 기체 유입
TGIB2 바이오리액터 (B2) 로의 총 기체 유입
TGIR 기준 바이오리액터로의 총 기체 유입
TGOB1 바이오리액터 (B1) 의 총 오프 기체
TGOB2 바이오리액터 (B2) 의 총 오프 기체
TGOR 기준 바이오리액터의 총 오프 기체
TLIB1 바이오리액터 (B1) 로의 총 액체 유입
TLIB2 바이오리액터 (B2) 로의 총 액체 유입
TLIR 기준 바이오리액터로의 총 액체 유입
TLOB1 바이오리액터 (B1) 의 총 (액체) 유출
TLOB2 바이오리액터 (B2) 의 총 (액체) 유출
TLOR 기준 바이오리액터의 총 (액체) 유출
100 바이오리액터에서의 세포 배양 상태들을 모니터링 및/또는 제어하기 위한 시스템
102 제 1 ("기준") 바이오리액터
104 제 2 바이오리액터 B1
106 추가의 바이오리액터 B2
108 pH-측정 디바이스
110 프로세서
112 메모리
114 저장 매체
120 하나 이상의 배지-특정 관련성들을 수신하기 위한 인터페이스
122 CO2 오프 기체 분석기
124 CO2 오프 기체 분석기
126 CO2 오프 기체 분석기
128 2 개 이상의 바이오리액터들로부터 측정 파라미터들을 수신하기 위한 인터페이스
130 비교 유닛
132 제어 유닛
134 디스플레이
136 배지 (M1) 에 대한 배지-특정 관련성
138 배지 (M2) 에 대한 배지-특정 관련성
140 총 기체 유입에 대한 센서
142 pH-측정 디바이스
144 총 기체 유입에 대한 센서
146 pH-측정 디바이스
202 내지 206 단계들
402 기준 바이오리액터 (102) 의 상태 프로파일
502 4 개의 바이오리액터들에 대하여 도표화된 배지-특정 관련성
802 바이오리액터의 상태 프로파일
804 바이오리액터의 상태 프로파일
808 기준 프로파일에 대한 상태 프로파일 차이
810 기준 프로파일에 대한 상태 프로파일 차이
M1 세포 배양 배지
TGIB1 바이오리액터 (B1) 로의 총 기체 유입
TGIB2 바이오리액터 (B2) 로의 총 기체 유입
TGIR 기준 바이오리액터로의 총 기체 유입
TGOB1 바이오리액터 (B1) 의 총 오프 기체
TGOB2 바이오리액터 (B2) 의 총 오프 기체
TGOR 기준 바이오리액터의 총 오프 기체
TLIB1 바이오리액터 (B1) 로의 총 액체 유입
TLIB2 바이오리액터 (B2) 로의 총 액체 유입
TLIR 기준 바이오리액터로의 총 액체 유입
TLOB1 바이오리액터 (B1) 의 총 (액체) 유출
TLOB2 바이오리액터 (B2) 의 총 (액체) 유출
TLOR 기준 바이오리액터의 총 (액체) 유출
Claims (23)
- 제 1 탱크 (104; 106) 에 동작적으로 결합된 제 1 pH 측정 디바이스 (108; 146) 가 pH 측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위한 방법으로서,
상기 pH 측정 문제는 상기 제 1 pH 측정 디바이스가 제 2 탱크 (102) 에 동작적으로 결합된 제 2 pH 측정 디바이스 (142) 와는 상이하게 교정된다는 것이고, 상기 방법은,
- 비교 유닛 (130) 에 의해, 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신하는 단계 (202) 로서, 상기 제 1 CO2 농도는 상기 제 1 탱크에서의 배지 (M1) 위의 제 1 기체 체적의 CO2 농도이고, 상기 제 1 CO2 농도 및 상기 제 1 pH 값은 제 1 시간에서 측정되고, 상기 제 1 시간은 상기 제 1 탱크에서의 상기 배지가 미리 정의된 온도 및 압력에서 상기 제 1 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때의 시간이고, 상기 평형 상태는 임의의 세포 배양의 대사 (metabolism) 에 의해 영향받지 않고, 상기 제 1 pH 값은 상기 제 1 pH 측정 디바이스 (108; 146) 에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신하는 단계 (202);
- 상기 비교 유닛 (130) 에 의해, 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값을 수신하는 단계 (202) 로서, 상기 제 2 CO2 농도는 상기 제 2 탱크에 포함된 동일한 타입의 배지 (M1) 위의 제 2 기체 체적의 CO2 농도이고, 상기 제 2 CO2 농도 및 상기 제 2 pH 값은 제 2 시간에서 측정되고, 상기 제 2 시간은 상기 제 2 탱크에서의 상기 배지가 상기 미리 정의된 온도 및 압력에서 상기 제 2 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때의 시간이고, 상기 평형 상태는 임의의 세포 배양의 상기 대사에 의해 영향받지 않고, 상기 제 2 pH 값은 상기 제 2 pH 측정 디바이스 (142) 에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값을 수신하는 단계 (202);
- 상기 제 1 pH 측정 디바이스가 상기 pH 측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위하여, 상기 비교 유닛에 의해, 상기 제 1 pH 및 제 2 pH 값들을 비교하고 상기 제 1 CO2 및 제 2 CO2 농도들을 비교하는 단계 (206) 를 포함하는, 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위한 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제를 가진다는 결정은:
- 상기 제 1 및 제 2 CO2 농도들이 동일하고 상기 제 1 및 제 2 pH 값들이 문턱 값 (threshold value) 을 초과하는 것만큼 서로 상이하거나; 또는
- 상기 제 1 및 제 2 pH 값들이 동일하고 상기 제 1 및 제 2 CO2 농도들이 추가의 문턱 값을 초과하는 것만큼 서로 상이하거나; 또는
- 제 1 데이터 값이 추가의 문턱을 초과하는 것만큼 제 2 데이터 값과 상이하고, 상기 제 1 데이터 값은 상기 제 1 pH 값 및 상기 제 1 CO2 농도로부터 유도되고, 상기 제 2 데이터 값은 상기 제 2 pH 값 및 상기 제 2 CO2 농도로부터 유도되는 경우에 행해지는, 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위한 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
- 상기 제 1 탱크는 바이오리액터 (bioreactor) 또는 하베스트 탱크 (harvest tank) 이고, 및/또는
- 상기 제 2 탱크는 바이오리액터, 특히, 기준 바이오리액터, 또는 하베스트 탱크, 특히, 기준 하베스트 탱크인, 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위한 방법. - 제 1 탱크 (104; 106) 에 동작적으로 결합된 제 1 pH 측정 디바이스 (108; 146; 160) 가 pH 측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위한 방법으로서,
상기 pH 측정 문제는 상기 제 1 pH 측정 디바이스가 잘못 교정된다는 것이고, 상기 방법은,
- 비교 유닛 (130) 에 의해, 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신하는 단계 (202) 로서, 상기 제 1 CO2 농도는 상기 제 1 탱크에서의 배지 (M1) 위의 제 1 기체 체적의 CO2 농도이고, 상기 제 1 CO2 농도 및 상기 제 1 pH 값은 제 1 시간에서 측정되고, 상기 제 1 시간은 상기 제 1 탱크에서의 상기 배지가 미리 정의된 온도 및 압력에서 상기 제 1 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때의 시간이고, 상기 평형 상태는 임의의 세포 배양의 대사 (metabolism) 에 의해 영향받지 않고, 상기 제 1 pH 값은 상기 제 1 pH 측정 디바이스 (108; 146) 에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신하는 단계 (202);
- 상기 비교 유닛에 의해, 상기 제 1 CO2 농도의 함수로서 제 2 pH 값을 연산하는 단계 (204) 로서, 상기 제 2 pH 값은 상기 배지가 상기 미리 정의된 온도 및 압력에서 상기 배지 (M1) 위의 제 2 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때에 배지 (M1) 의 타입에 대하여 예측된 pH 값이고, 평형인 상기 제 2 기체 체적은 상기 제 1 CO2 농도와 동일한 제 2 CO2 농도를 가지고, 상기 평형 상태는 임의의 세포 배양의 상기 대사에 의해 영향받지 않는, 상기 제 2 pH 값을 연산하는 단계 (204);
- 상기 제 1 pH 측정 디바이스가 상기 pH 측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위하여, 상기 비교 유닛에 의해, 상기 제 1 및 제 2 pH 값들을 비교하는 단계 (206) 를 포함하는, 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위한 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 2 pH 값의 연산은,
- 상기 비교 유닛 (130) 에 의해, 데이터 저장 매체 (114) 로부터 배지-특정 관련성 (136) 을 판독하는 단계로서, 상기 배지-특정 관련성은 상기 배지 (M1) 에 대해 특정적이고, 상기 배지가 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있고 세포 배양을 결여할 때에 상기 배지 (M1) 의 pH 값과 기체 체적에서의 CO2 기체의 개개의 분율과의 사이의 관련성을 표시하는, 상기 배지-특정 관련성 (136) 을 판독하는 단계;
- 상기 미리 정의된 온도 및 압력에서, 그리고 세포 배양의 부재 하에서, pH-CO2 평형인 상기 배지에 대하여 예상된 절대적인 pH 값을 계산하기 위하여 상기 배지 특정 관련성으로 상기 제 1 CO2 농도를 입력하는 단계로서, 상기 절대적인 pH 값은 연산된 상기 제 2 pH 값으로서 이용되는, 상기 제 1 CO2 농도를 입력하는 단계를 포함하는, 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위한 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 배지-특정 관련성은 상기 배지 (M1) 의 pH 값 및 기체 체적에서의 CO2 기체의 각각 측정된 분율의 다수의 경험적으로 결정된 쌍들을 수학적으로 맞춤으로써 획득된 식 PPHM1(CO2) = REL-M1(CO2) 이고,
- PPHM1(CO2) 는 배지가 세포 배양을 결여하고 상기 배지 위의 기체 체적과의 pH-CO2 평형일 때에 상기 배지 (M1) 에서의 예측된 pH 값이고, 상기 기체 체적은 입력 파라미터로서 이용된 CO2 농도를 포함하고;
- CO2 는 입력 파라미터 값이고, 상기 세포 배양의 부재 하에서 pH-CO2 평형 상태인 상기 배지 (M1) 위의 기체 체적에서의 CO2 농도를 표현하고;
- REL-M1 은 조작자들에 의해 연결된 하나 이상의 파라미터들 (a1, a2, b1, b2, b3) 의 세트이고, 상기 파라미터들은:
상기 세포 배양을 결여하는 상기 배지 (M1) 의 샘플들을 다수의 상이한 pH 값들로 조절함으로써, 상기 샘플들이 개개의 샘플에서의 상기 배지 위의 상기 기체 체적과의 pH-CO2 평형에 도달하게 하는 것,
상기 샘플들에서의 상기 배지와 ph-CO2 평형인 개개의 기체 체적에서의 CO2 기체의 분율을 결정하는 것,
상기 샘플들의 개개의 평형 pH 값들에 대하여 결정된 CO2 기체 분율들을 도표화하는 것,
도표화된 값들에서 곡선 (502) 을 맞추고, 맞추어진 상기 곡선으로부터 상기 배지-특정 관련성의 파라미터들 (a1, a2, 또는 b1, b2, b3) 을 유도하는 것에 의해 획득된, 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위한 방법.
- 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제를 가진다는 결정은:
- 상기 제 1 및 제 2 pH 값들이 문턱 값을 초과하는 것만큼 서로 상이하거나; 또는
- 제 1 데이터 값이 추가의 문턱을 초과하는 것만큼 제 2 데이터 값과 상이하고, 상기 제 1 데이터 값은 상기 제 1 pH 값으로부터 유도되고, 상기 제 2 데이터 값은 상기 제 2 pH 값으로부터 유도되는 경우에 행해지는, 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위한 방법. - 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 탱크는 바이오리액터 또는 하베스트 탱크 또는 교정 박스인, 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위한 방법. - 제 1 pH 측정 디바이스 (108; 146) 를 교정하거나 재교정하기 위한 방법으로서,
a) 상기 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제에 의해 영향받는 것으로 결정하기 위하여 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 수행하는 단계; 및 상기 제 1 및 제 2 CO2 농도들이 동일할 경우에 상기 제 2 pH 측정 디바이스와 동일한 pH 값을 출력하도록 상기 제 1 pH 측정 디바이스를 교정하는 단계; 또는
b) 상기 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제에 의해 영향받는 것으로 결정하기 위하여 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 수행하는 단계; 및 상기 제 1 CO2 농도의 함수로서 연산된 pH 값과 동일한 pH 값을 출력하도록 상기 제 1 pH 측정 디바이스를 교정하는 단계를 포함하는, 제 1 pH 측정 디바이스를 교정하거나 재교정하기 위한 방법. - 제 1 pH 측정 디바이스 (108; 146) 를 포함하는 탱크를 동작시키는 방법으로서,
상기 제 1 pH 측정 디바이스는 온라인 측정 디바이스이고, 상기 방법은,
- 상기 탱크에서 세포 배양을 성장시키는 단계로서, 상기 탱크는 성장 배지를 포함함으로써, 상기 제 1 pH 측정 디바이스에 의해 상기 성장 배지에서의 pH 를 반복적으로 측정하는, 상기 세포 배양을 성장시키는 단계;
- 상기 탱크에서 그 안에 포함된 상기 성장 배지 및 상기 세포 배양을, 평형인 pH 및 CO2 사이의 관련성이 알려져 있는 배지 (M1) 로 교체하는 단계;
- 상기 성장 배지를 교체한 후에, 상기 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위하여 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 수행하는 단계;
- pH 측정 문제가 검출되었을 경우, 상기 배지 (M1) 에 대한 상기 제 1 CO2 농도의 함수로서 연산된 pH 값과 동일한 pH 값을 출력하도록 상기 제 1 pH 측정 디바이스를 교정하는 단계;
- 상기 제 1 pH 측정 디바이스를 교정한 후에, 상기 탱크에서의 상기 배지를 상기 성장 배지로 교체하는 단계를 포함하는, 제 1 pH 측정 디바이스를 포함하는 탱크를 동작시키는 방법. - 제 1 탱크로부터 배지 샘플을 취함으로써 야기된 pH 오프셋 효과들을 결정하는 방법으로서,
상기 방법은 탱크-외부 오프라인 pH 측정 디바이스 (160) 를 제공하는 단계, 및 상기 제 1 탱크 (104, 106) 를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 탱크는 제 1 pH 측정 디바이스 (108, 146) 를 포함하고, 상기 제 1 pH 측정 디바이스는 상기 제 1 탱크 내에 위치된 온라인 pH 측정 디바이스이고 상기 제 1 탱크에서의 배지 (M1) 에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이고, 상기 방법은,
- 상기 제 1 pH 측정 디바이스를 교정하기 위하여 제 9 항에 기재된 방법의 b) 를 수행하는 단계;
- 상기 탱크-외부 오프라인 pH 측정 디바이스 (160) 를, 상기 제 1 탱크와 동일한 타입의 배지 (M1) 를 포함하는 교정 박스로 전달하는 단계; 및 상기 교정 박스를, 교정되어야 할 상기 pH 측정 디바이스 (160) 를 포함하는 탱크로서 이용함으로써, 상기 교정 박스를, CO2 오프기체 센서가 상기 제 1 CO2 농도를 측정하기 위하여 이용되는 용기로서 이용하고, 상기 제 2 pH 값을 연산하기 위해, 상기 제 1 pH 측정 디바이스를 교정하기 위하여 이용된 것과 동일한 함수를 이용하여, 제 9 항에 기재된 방법의 b) 를 수행하는 단계;
- 상기 제 1 pH 측정 디바이스 (108, 146) 및 탱크-외부 pH 측정 디바이스 (160) 를 교정한 후에:
상기 제 1 pH 측정 디바이스에 의해, 상기 제 1 탱크에서의 상기 배지의 제 1 현재의 pH 값을 측정하는 단계로서, 상기 제 1 현재의 pH 값은 온라인-측정 값인, 상기 제 1 현재의 pH 값을 측정하는 단계;
상기 제 1 탱크의 상기 배지의 샘플을 취하고 상기 샘플을 휴대용 용기 (162) 내로 채우는 단계;
샘플 용기에서의 상기 배지로 적어도 부분적으로 둘러싸이도록, 상기 탱크-외부 pH 측정 디바이스를 위치시키는 단계;
상기 탱크-외부 pH 측정 디바이스에 의해, 상기 샘플 용기에서의 상기 배지의 제 2 현재의 pH 값을 측정하는 단계로서, 상기 제 2 현재의 pH 값은 오프라인-측정 값인, 상기 제 2 현재의 pH 값을 측정하는 단계;
상기 제 1 및 상기 제 2 현재의 pH 값들이 문턱을 초과하는 것만큼 상이할 경우, 샘플링 프로세스가 pH 오프셋 효과를 야기시킨 것으로 결정하고, 그리고 임의적으로, 상기 오프셋 효과의 강도를 상기 제 1 및 제 2 현재의 pH 값의 차이로서 결정하는 단계를 더 포함하는, pH 오프셋 효과들을 결정하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
- 제 3 CO2 농도 및 제 3 pH 값을 수신하는 단계 (202) 로서, 상기 제 3 CO2 농도는 상기 제 1 탱크에서의 상기 배지 위의 제 3 기체 체적의 CO2 농도이고, 상기 제 3 CO2 농도 및 상기 제 3 pH 값은 제 3 시간에서 측정되고, 상기 제 3 시간은 상기 제 1 탱크에서의 상기 배지가 상기 제 3 기체 체적과 미리 정의된 온도 및 압력에서 pH-CO2 평형 상태에 있을 때, 그리고 상기 평형 상태가 상기 제 1 탱크에서의 상기 세포 배양의 상기 대사에 의해 수정된 후의 시간이고, 상기 제 3 pH 값은 상기 제 1 pH 측정 디바이스 (142) 에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 3 CO2 농도 및 제 3 pH 값을 수신하는 단계 (202);
- 제 4 CO2 농도 및 제 4 pH 값을 수신하는 단계 (204) 로서, 상기 제 4 CO2 농도는 제 2 탱크에서의 상기 배지 위의 제 4 기체 체적의 CO2 농도이고, 상기 제 4 CO2 농도 및 상기 제 4 pH 값은 제 4 시간에서 측정되고, 상기 제 4 시간은 상기 제 2 탱크에서의 상기 배지가 상기 제 2 기체 체적과 상기 미리 정의된 온도 및 압력에서 pH-CO2 평형 상태에 있을 때, 그리고 상기 평형 상태가 상기 제 2 탱크에서의 상기 세포 배양의 상기 대사에 의해 수정된 후의 시간이고, 상기 제 4 pH 값은 상기 제 2 pH 측정 디바이스 (108, 146) 에 의해 제공된 측정된 값이고, 상기 제 3 시간과 상기 제 1 탱크의 접종 (inoculation) 사이의 경과된 시간은 상기 제 4 시간과 상기 제 2 탱크의 접종 사이의 경과된 시간과 동일한, 상기 제 4 CO2 농도 및 제 4 pH 값을 수신하는 단계 (204);
- 상기 제 3 시간에서 상기 제 1 탱크에서의 상기 세포 배양의 측정된 제 1 산소 섭취 레이트 (uptake rate) 를 수신하는 단계;
- 상기 제 4 시간에서 상기 제 2 탱크에서의 상기 세포 배양의 측정된 제 2 산소 섭취 레이트를 수신하는 단계;
- 상기 제 1 및 제 2 산소 섭취 레이트들이 동일할 경우, 상기 제 1 및 제 2 pH 측정 디바이스들이 상이하게 교정되는지를 결정하기 위하여 상기 제 3 및 제 4 pH 값들 및 CO2 농도들을 비교하는 단계 (206) 를 더 포함하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 pH 측정 디바이스는 상기 제 1 탱크 내의 상기 배지에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이고,
- 상기 제 1 탱크는 상기 제 2 탱크에서의 상기 배지의 샘플을 수동으로 또는 자동으로 취하기 위한 수단을 결여하거나; 또는
- 상기 제 1 탱크는 상기 제 1 탱크에서의 상기 배지의 샘플을 수동으로 또는 자동으로 취하기 위한 수단을 포함하고, 상기 방법은, 상기 제 1 탱크에서 상기 배지를 채운 후와, 세포 배양을 상기 제 1 탱크에서의 상기 배지에 추가하기 전의 시간 간격 동안, 샘플링 수단의 모든 개구부들을 폐쇄된 채로 유지하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 pH 측정 디바이스는 상기 제 2 탱크 내의 상기 배지에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이고,
- 상기 제 2 탱크는 상기 제 2 탱크에서의 상기 배지의 샘플을 수동으로 또는 자동으로 취하기 위한 수단을 결여하거나; 또는
- 상기 제 2 탱크는 상기 제 2 탱크에서의 상기 배지의 샘플을 수동으로 또는 자동으로 취하기 위한 수단을 포함하고, 상기 방법은, 상기 제 2 탱크에서 상기 배지를 채운 후와, 세포 배양을 상기 제 2 탱크에서의 상기 배지에 추가하기 전의 시간 간격 동안, 샘플링 수단의 모든 개구부들을 폐쇄된 채로 유지하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항, 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 상기 제 2 pH 측정 디바이스가 상기 제 1 pH 측정 디바이스와는 상이하게 교정되는지를 결정하기 위하여 이용하고, 상기 제 1 및 제 2 pH 측정 디바이스가 상이하게 교정되는지의 결정은, 상기 제 2 pH 측정 디바이스가 상기 제 2 탱크에서의 상기 배지로 적어도 부분적으로 둘러싸이는 동안에, 그리고 상기 결정을 수행하기 위하여 상기 제 2 탱크의 상기 배지의 샘플을 취하지 않으면서 수행되는, 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항, 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제에 의해 영향받는지의 결정은 상기 제 1 및 제 2 CO2 농도들 및 상기 제 1 및 제 2 pH 값들을 상기 결정을 위한 유일한 데이터 입력으로서 이용함으로써 수행되는, 방법. - 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 제 1 pH 값을 측정하기 위하여 상기 제 1 pH 측정 디바이스로 온라인-측정을 수행하는 단계로서, 상기 제 1 pH 측정 디바이스는 상기 제 1 탱크에서의 상기 배지로 적어도 부분적으로 둘러싸이는, 상기 온라인-측정을 수행하는 단계; 및/또는
- 상기 제 1 CO2 농도를 제공하기 위하여 상기 제 1 탱크의 오프 기체에서 제 1 CO2 센서 (124, 126) 에 의한 온라인-측정을 수행하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항, 제 11 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 제 2 pH 값을 측정하기 위하여 상기 제 2 pH 측정 디바이스로 온라인-측정을 수행하는 단계로서, 상기 제 2 pH 측정 디바이스는 상기 제 2 탱크에서의 상기 배지로 적어도 부분적으로 둘러싸이는, 상기 온라인-측정을 수행하는 단계; 및/또는
- 상기 제 2 CO2 농도를 제공하기 위하여 상기 제 2 탱크의 오프 기체에서 제 2 CO2 센서 (122) 에 의한 온라인-측정을 수행하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은, 상기 제 1 pH 측정 디바이스가 pH 측정 문제에 의해 영향받는 것으로 결정할 경우, 상기 비교 유닛에 의해 다음 단계들:
- 경고 메시지를 출력하는 단계;
- 상기 제 1 pH 측정 디바이스의 재교정의 수행을 자동으로 수행하거나 트리거링하는 단계;
- 상기 제 1 pH 측정 디바이스의, 새로운 제 1 pH 측정 디바이스로의 교체의 수행을 자동으로 수행하거나 트리거링하는 단계
중의 하나 이상을 수행하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항, 제 11 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 탱크 (104, 106) 는 다음의 특징들:
a) 탱크에서의 기체 체적,
b) 탱크에서의 배지 체적,
c) 탱크의 레이놀즈 수 (Reynolds number),
d) 탱크의 뉴턴 수 (Newton number),
e) 탱크의 치수들,
f) 탱크 및/또는 탱크 배플 (tank baffle) 들의 기하학적 특징들,
g) 교반기 구성,
h) 교반 레이트,
i) 탱크의 산소에 대한 체적 질량 전달 계수 (kLa),
j) 총 기체 유입 레이트 및/또는 O2 유입 레이트 및/또는 N2 유입 레이트 및/또는 CO2 유입 레이트,
k) 전력 입력,
l) 탱크에서의 압력,
m) 배지에서의 기체 거품 유지 시간,
n) 배지에서의 기체 거품 크기 및 분포,
o) 표면 속도,
p) 파라미터들 a) 내지 o) 중의 하나 이상으로부터의 파생물로서 계산된 파라미터,
q) 2 개의 탱크들의 지리적 로케이션
중의 하나 이상에 관하여 상기 제 2 탱크 (102) 와는 상이한, 방법. - 비교 유닛 (130) 으로서,
상기 비교 유닛은,
- 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신 (202) 하는 것으로서, 상기 제 1 CO2 농도는 제 1 탱크에서의 배지 (M1) 위의 제 1 기체 체적의 CO2 농도이고, 상기 제 1 CO2 농도 및 상기 제 1 pH 값은 제 1 시간에서 측정되고, 상기 제 1 시간은 상기 제 1 탱크에서의 상기 배지가 미리 정의된 온도 및 압력에서 상기 제 1 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때의 시간이고, 상기 평형 상태는 임의의 세포 배양의 대사에 의해 영향받지 않고, 상기 제 1 pH 값은 제 1 pH 측정 디바이스 (108; 146) 에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신 (202) 하고;
- 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값을 수신 (202) 하는 것으로서, 상기 제 2 CO2 농도는 제 2 탱크에 포함된 동일한 타입의 배지 (M1) 위의 제 2 기체 체적의 CO2 농도이고, 상기 제 2 CO2 농도 및 상기 제 2 pH 값은 제 2 시간에서 측정되고, 상기 제 2 시간은 상기 제 2 탱크에서의 상기 배지가 상기 미리 정의된 온도 및 압력에서 상기 제 2 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때의 시간이고, 상기 평형 상태는 임의의 세포 배양의 상기 대사에 의해 영향받지 않고, 상기 제 2 pH 값은 제 2 pH 측정 디바이스 (142) 에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 2 CO2 농도 및 제 2 pH 값을 수신 (202) 하고;
- 상기 제 1 pH 측정 디바이스가 상기 pH 측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위하여,상기 제 1 및 제 2 pH 값들을 비교하고 상기 제 1 및 제 2 CO2 농도들을 비교 (206) 하도록 구성되는, 비교 유닛. - 비교 유닛 (130) 으로서,
상기 비교 유닛은,
- 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신 (202) 하는 것으로서, 상기 제 1 CO2 농도는 제 1 탱크에서의 배지 (M1) 위의 제 1 기체 체적의 CO2 농도이고, 상기 제 1 CO2 농도 및 상기 제 1 pH 값은 제 1 시간에서 측정되고, 상기 제 1 시간은 상기 제 1 탱크에서의 상기 배지가 미리 정의된 온도 및 압력에서 상기 제 1 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때의 시간이고, 상기 평형 상태는 임의의 세포 배양의 대사에 의해 영향받지 않고, 상기 제 1 pH 값은 제 1 pH 측정 디바이스 (108; 146) 에 의해 제공된 측정된 값인, 상기 제 1 CO2 농도 및 제 1 pH 값을 수신 (202) 하고;
- 상기 제 1 CO2 농도의 함수로서 제 2 pH 값을 연산 (204) 하는 것으로서, 상기 제 2 pH 값은 상기 배지가 상기 미리 정의된 온도 및 압력에서 상기 배지 (M1) 위의 제 2 기체 체적과의 pH-CO2 평형 상태에 있을 때에 상기 배지 (M1) 의 타입에 대하여 예측된 pH 값이고, 평형인 상기 제 2 기체 체적은 상기 제 1 CO2 농도와 동일한 제 2 CO2 농도를 가지고, 상기 평형 상태는 임의의 세포 배양의 상기 대사에 의해 영향받지 않는, 상기 제 2 pH 값을 연산 (204) 하고;
- 상기 제 1 pH 측정 디바이스가 상기 pH 측정 문제에 의해 영향받는지를 결정하기 위하여, 상기 제 1 및 제 2 pH 값들을 비교 (206) 하도록 구성되는, 비교 유닛. - 제 1 탱크의 상태를 모니터링 및/또는 제어하도록 구성된 시스템 (100) 으로서,
- 제 21 항 또는 제 22 항에 기재된 비교 유닛 (130);
- 상기 비교 유닛 (130) 에 동작적으로 결합된 제어 유닛 (132); 및
- 상기 제 1 탱크 (104, 106) 및 상기 제 1 pH 측정 디바이스를 포함하고,
- 상기 제어 유닛은 상기 제 1 탱크에서의 세포 배양의 상태를 모니터링 및/또는 제어함으로써, 상기 제 1 pH 측정 디바이스에 의해 반복적으로 측정된 pH 값들을 입력으로서 이용하도록 구성되는, 제 1 탱크의 상태를 모니터링 및/또는 제어하도록 구성된 시스템.
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