TWI716631B - 生物反應器系統及在生物反應器系統中實施生物反應之方法 - Google Patents

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Abstract

本申請案係關於一種生物反應器系統及在一生物反應器系統中實施一生物反應和按比例縮放一生物處理工作體積之方法。一種生物反應器系統可包含：(a)兩個或多於兩個經流體耦合容器，其經組態以共同地實施一生物反應；(b)一或多個流體路徑，其將該兩個或多於兩個容器彼此耦合，其中該等流體路徑經組態以在該兩個或多於兩個容器之間提供培養基流；(c)一或多個流體輸送裝置，其沿著該一或多個流體路徑中之至少某些流體路徑；及(d)一控制系統。該控制系統可經組態以：(i)讀取或接收表徵該等容器中之一或多者中之該培養基之一或多個參數值；及(ii)使用該等值來判定該等流體路徑中之至少一者中之一經調整流率，以在該兩個或多於兩個容器中維持容器與容器間之該培養基中之該一或多個參數之實質上均一值。

Description

生物反應器系統及在生物反應器系統中實施生物反應之方法
本申請案係關於一種生物反應器，且更特定而言，係關於一種生物反應器系統及在一生物反應器系統中實施一生物反應和按比例縮放一生物處理工作體積之方法。
生物反應器之規模擴大或在維持滴定量(最終產物產量)之同時增大生物反應器大小(體積)之系統性嘗試係自現代生物反應器投入使用以來一直進行之一研究課題。典型生物處理之發展遵循如下之一標準路徑：實驗室規模，其中實施基本篩選及基礎層面(例如，培養基)最佳化；規模擴大之中間試驗性工廠規模，其中使用大體上較大之生物反應器且實施進一步最佳化；及最終工廠或生產規模，其中利用更大之體積來經濟地製造最終產物。由於細胞擴增(細胞數目增多)，因此在生產中規模擴大程序通常係必要的，且細胞會相繼被移動至愈來愈大之生物反應器。圖1中展示生物處理製造中之一現代(2014)一次性「種子培養鏈(train)」或程序培養鏈(一次性生物反應器之優良擴展性(Superior Scalability of Single-Use Bioreactors )，達維·德·王爾德(Davy De Wilde)、托馬斯·德雷爾(Thomas Dreher)、克裡斯蒂安·紮霍諾(Christian Zahnow)、烏特·胡澤曼(Ute Husemann)、格哈德·格瑞勒(Gerhard Greller)、索斯藤·亞當斯(Thorsten Adams)及克裡斯特爾·費格(Christel Fenge)，2014年9月23日，生物處理國際雜誌(BioProcess International Magazine))。自一1 mL小瓶至一1000 L攪拌罐生物反應器(STR)之範圍在體積上增大了一106 倍，且遠遠超出一單個容器中之實體參數之線性或常數範圍。 在一次性生物反應器(就其本身性質而言，其體積遠小於其不銹鋼對應物(＜ 2000L對比＜ 50,000L+))方面，仍然存在對一明確且一致之規模擴大路徑之期望，如由致力於此課題之所發表論文(例如，對大型生物反應器中一 CHO 細胞培養程序之規模擴大分析 (Scale-up Analysis for a CHO Cell Culture Process in Large-Scale Bioreactors )，邢(Xing)等人，生物技術與生物工程(Biotechnology and Bioengineering)期刊，第103 (4)卷，第722頁，2009年7月4日)及學生畢業論文(一次性生物反應器規模擴大方法之比較研究 (Comparative Studies on Scale-Up Methods of Single-Use Bioreactors )，艾米麗·斯托克(Emily Stoker)，猶他州立大學，2011年博士論文)之持續增加數目所證明；兩個參考文獻以其全文引用之方式併入本文中。此文獻強調以下事實：基本實體規律不允許生物處理參數簡單或直接地按比例縮放。因此，研究人員積極主動地對如何有效地擴大一生物處理進行嚴格之審查及關注。事實上，此等問題甚至促使所屬領域之研究人員及工作人員藉由規模縮小來看待規模擴大(奧斯特修斯(Oosterhuis)，N. M. G.，「生物反應器之規模擴大(Scale-up of Bioreactors)」，博士論文，台夫特理工大學，台夫特市(1984)，以其全文引用之方式併入本文中)。
本發明之一態樣係關於一種生物反應器系統，該生物反應器系統可由以下特徵表徵：(a)兩個或多於兩個經流體耦合容器，其經組態以共同地實施一生物反應；(b)一或多個流體路徑，其將該兩個或多於兩個容器彼此耦合，其中該等流體路徑經組態以在該生物反應期間在該兩個或多於兩個容器之間提供培養基流；(c)一或多個流體輸送裝置，其沿著該一或多個流體路徑中之至少某些流體路徑；及(d)一控制系統。在各種實施例中，該控制系統經組態以：(i)讀取或接收表徵在該生物反應期間該等容器中之一或多者中之該培養基之一或多個參數值；(ii)使用該等值來判定該等流體路徑中之至少一者中之一經調整流率，以在該兩個或多於兩個容器中維持容器與容器間之該培養基中之該一或多個參數之實質上均一值；及(iii)控制該等流體輸送裝置中之至少一者以調整在(ii)中所判定之該流率。在某些實施例中，該等流體路徑中之每一者經組態以允許該培養基在該等容器中之兩者之間雙向流動。在某些實施例中，該兩個或多於兩個容器配置成閉合環路。在某些實施例中，該兩個或多於兩個容器及該一或多個流體路徑提供呈一星狀構形之生物反應器系統。 本發明之一相關態樣係關於一種生物反應器系統，該生物反應器系統可由以下特徵表徵：(a)兩個或多於兩個經流體耦合容器，其經組態以共同地實施一生物反應；(b)一或多個流體路徑，其將該兩個或多於兩個容器彼此耦合，其中流體路徑經組態以在該生物反應期間在該兩個或多於兩個容器之間提供培養基流；(c)一或多個流體輸送裝置，其沿著該一或多個流體路徑中之至少某些流體路徑；及(d)一控制系統。在諸多實施方案中，該控制系統經組態以：(i) 讀取或接收表徵在該生物反應期間該等容器中之一或多者中之該培養基之一或多個參數值；及(ii)控制該一或多個流體輸送裝置以經由該一或多個流體路徑在該兩個或多於兩個容器之間輸送該培養基，使得交換該兩個或多於兩個容器中之該培養基所需之時間最多為該等容器中之細胞在該兩個或多於兩個容器中之條件下倍增所需之時間之約十分之一。在某些實施例中，該等流體路徑中之每一者經組態以允許培養基在該等容器中之兩者之間雙向流動。在某些實施例中，該兩個或多於兩個容器配置成閉合環路。在以上態樣之某些實施方案中，該一或多個參數包含選自由以下各項組成之群組之一參數：該培養基之pH、溫度、一細胞代謝物濃度及溶解氧濃度。 以上態樣之該生物反應器系統可包含至少再一個經流體耦合容器，使得總共為三個或多於三個經流體耦合容器，其經組態以共同地實施該生物反應。在某些實施方案中，該生物反應器系統包含五個或多於五個經流體耦合容器，包含該兩個或多於兩個容器在內。 在所揭示實施例中之任一者中，每一容器可具有不大於約500升、或不大於約100升、或者不大於約50升之一工作體積。在所揭示實施例中之任一者中，該兩個或多於兩個容器之總工作體積與該兩個或多於兩個容器中之最大容器之工作體積之比率為至少約3。在某些實施方案中，該兩個或多於兩個容器包含聚合物容器壁。 在某些實施方案中，該兩個或多於兩個容器中之一者係一主容器，且其他容器係附隨容器。在此等實施方案中，該主容器可包含經組態以攪動該培養基之一混合系統。該混合系統可包含諸如一葉輪、一軌道式搖動器、一波浪形搖桿及一柱塞之一裝置。在某些設計中，該等附隨容器中之一或多者不包含一混合系統。在某些實施例中，該主容器包含用於該培養基中之該pH、溫度、一細胞代謝物濃度及溶解氧之一或多個感測器。在某些實施例中，該主容器具有比該等附隨容器中之任一者大之一工作體積。 在該生物反應器系統之某些設計中，該兩個或多於兩個容器設置於一或多個秤及/或載重計上以在該生物反應期間監測該兩個或多於兩個容器之質量。在此等設計中，該控制系統可進一步經組態以：讀取或接收該一或多個秤及/或載重計之至少一個輸出作為該一或多個參數值中之至少一者；及基於該等秤及/或載重計之該等輸出，控制該等流體輸送裝置中之一或多者以在該兩個或多於兩個容器之間輸送該培養基，使得該兩個或多於兩個容器中之該培養基之一體積受控制。 在某些實施例中，該等流體路徑包含附接至該兩個或多於兩個容器之管道及無菌連接器。在某些情形中，該等流體路徑接近該兩個或多於兩個容器之底部而附接。在某些情形中，該等流體輸送裝置中之至少一者包含一泵。 該控制系統可經組態以將特定參數值維持在某些界限內。該控制系統亦可經組態以使該等參數值在容器與容器間維持處於一一致水平。在某些實施方案中，該控制系統經組態以調整該兩個或多於兩個容器中之條件，以確保該兩個或多於兩個容器中之該培養基之平均pH在容器間之變化不超過約0.1。在某些實施方案中，該控制系統經組態以調整該兩個或多於兩個容器中之條件，以確保在該生物反應期間該兩個或多於兩個容器中之細胞所經歷之剪切力在容器間實質上相等。在某些實施例中，該控制系統經組態以調整該兩個或多於兩個容器中之條件，以確保在該生物反應期間該兩個或多於兩個容器中之培養基氣體輸送速率在容器間實質上相等。 該生物反應器系統亦可經設計使得在該等容器中之任一者中一參數值之變化(或標準偏差)最小化或至少保持處於一所定義界限內。舉例而言，該兩個或多於兩個容器及該控制系統可經組態使得該等容器中之任一者內之該培養基之該pH具有最多約0.1 pH單位之變化。在某些實施例中，該控制系統係一比例積分微分控制器。 在本發明之某些生物反應器系統中，該控制系統包含經組態以控制一主容器之一單個控制環路。在此等情形中，該兩個或多於兩個容器中之一者係該主容器，且其他容器係附隨容器。該主容器可具有經組態以攪動該培養基之一混合系統。 在各種實施例中，生物反應器系統及/或生物反應器系統之容器中之一或多者經組態而以一灌注模式操作。根據此等實施例，該兩個或多於兩個經流體耦合容器中之至少一者包含一流體入口及一流體出口，且該生物反應器系統經組態以透過該流體入口將該培養基引入至該至少一個容器、在將該等生物細胞留持在彼容器中之同時交換該容器中之該培養基及使該培養基流出該流體出口。在某些此等灌注實施例中，該流體出口包含一過濾器，該過濾器經組態以防止該至少一個容器中之該等生物細胞離開該至少一個容器及該流體出口。在某些實施例中，該兩個或多於兩個容器中之一者係一主容器，該主容器經組態以透過該流體入口將培養基提供至該至少一個容器從而提供灌注。在某些灌注實施例中，該控制系統及主容器一起經組態以在該主容器中及該至少一個容器中之該培養基中實質上維持溶解氧濃度、溫度及pH之定義值。關於提供主容器及附隨容器之某些其他實施例，該主容器可包含一混合系統，而該至少一個容器不包含一混合系統。在某些實施例中，經組態而以灌注模式操作之一容器包含一或多個微載體、中空纖維及/或黏附板。在某些實施例中，兩個或多於兩個容器經組態而以灌注模式操作。舉例而言，該兩個或多於兩個經流體耦合容器中之至少兩者各自包含一流體入口及一流體出口，且該生物反應器系統經組態以透過該流體入口將該培養基引入至該至少兩個容器、在將該等生物細胞留持在彼容器中之同時交換該容器中之該培養基及使該培養基流出該流體出口。 本發明之另一態樣提供在一生物反應器系統中實施一生物反應之方法，該生物反應器系統可由以下各項表徵：(i)兩個或多於兩個經流體耦合容器，其經組態以共同地實施一生物反應；(ii)一或多個流體路徑，其將該兩個或多於兩個容器彼此耦合，其中該一或多個流體路徑經組態以在該生物反應期間在該兩個或多於兩個容器之間提供培養基流；及(iii)一或多個流體輸送裝置，其沿著該一或多個流體路徑中之至少某些流體路徑，其中該等流體路徑中之每一者經組態以允許該培養基在該等容器中之兩者之間雙向流動，及/或該兩個或多於兩個容器配置成閉合環路。該等方法可由以下操作表徵：(a)讀取或接收表徵在該生物反應期間該等容器中之一或多者中之該培養基中之一或多個參數值；(b)使用該等值來判定該等流體路徑中之至少一者中之一經調整流率，以在該兩個或多於兩個容器中維持容器與容器間之該培養基中之該一或多個參數之實質上均一值；及(c)控制該等流體輸送裝置中之至少一者以調整在(b)中所判定之該流率。 在另一態樣中，本發明提供在一生物反應器系統中實施一生物反應之方法，該生物反應器系統包含：(i)兩個或多於兩個經流體耦合容器，其經組態以共同地實施該生物反應；(ii)一或多個流體路徑，其將該兩個或多於兩個容器彼此耦合，其中該一或多個流體路徑經組態以在該生物反應期間在該兩個或多於兩個容器之間提供培養基流；及(iii)一或多個流體輸送裝置，其沿著該一或多個流體路徑中之至少某些流體路徑，其中該等流體路徑中之每一者經組態以允許該培養基在該等容器中之兩者之間雙向流動，及/或該兩個或多於兩個容器配置成閉合環路。該等方法可由以下操作表徵：(a)讀取或接收表徵在該生物反應期間該等容器中之一或多者中之該培養基中之一或多個參數值；及(b)控制該一或多個流體輸送裝置以經由該一或多個流體路徑在該兩個或多於兩個容器之間輸送該培養基，使得交換該兩個或多於兩個容器中之該培養基所需之時間最多為該等容器中之細胞在該兩個或多於兩個容器中之條件下倍增所需之時間之約十分之一。 在以上方法態樣中，該生物反應器系統可包含至少再一個經流體耦合容器，使得總共為三個或多於三個經流體耦合容器，其經組態以共同地實施該生物反應。在該等方法實施方案中之某些實施方案中，該生物反應器系統包含四個或多於四個經流體耦合容器，包含該兩個或多於兩個容器。在以上方法態樣中，該一或多個參數包含該培養基之pH、溫度、一細胞代謝物濃度及/或溶解氧濃度。 在某些實施例中，該等方法進一步包含調整該兩個或多於兩個容器中之條件，以確保該兩個或多於兩個容器中之該培養基之平均pH在容器間之變化不超過約0.1。在某些實施例中，該等方法進一步包含調整該兩個或多於兩個容器中之條件，以確保在該生物反應期間該兩個或多於兩個容器中之細胞所經歷之剪切力在容器間實質上相等。在某些實施例中，該等方法進一步包含調整該兩個或多於兩個容器中之條件，以確保在該生物反應期間該兩個或多於兩個容器中之培養基氣體輸送速率在容器間實質上相等。 在某些方法實施例中，該生物反應器系統中之每一容器具有不大於約500升或不大於約50升之一工作體積。在某些實施例中，該兩個或多於兩個容器之總工作體積與該兩個或多於兩個容器中之最大容器之該工作體積之比率為至少約3。 在某些方法實施例中，該兩個或多於兩個容器中之一者係一主容器，且其他容器係附隨容器，其中該主容器包含經組態以攪動該培養基之一混合系統。在某些實施方案中，該等附隨容器中之一或多者不包含一混合系統。在某些實施方案中，該主容器具有比該等附隨容器中之任一者大之一工作體積。 在本發明之方法態樣中之某些態樣中，該方法另外包含：讀取或接收一或多個秤及/或載重計之至少一個輸出，該兩個或多於兩個容器設置於該一或多個秤及/或載重計上；及基於該等秤及/或載重計之該等輸出，控制該等流體輸送裝置中之一或多者以在該兩個或多於兩個容器之間輸送該培養基，使得該兩個或多於兩個容器中之該培養基之一體積受控制。在某些實施例中，該等流體路徑包含附接至該兩個或多於兩個容器之管道及無菌連接器。在某些情形中，該等流體輸送裝置中之該至少一者包含一泵。 在所揭示方法中之某些方法中，該兩個或多於兩個經流體耦合容器中之至少一者包含一流體入口及一流體出口。在此等情形中，該方法另外包含透過該流體入口將該等培養基引入至該至少一個容器、在將該等生物細胞留持在該至少一個容器中之同時使該等培養基流過生物細胞及使該等培養基流出該流體出口，藉此使該至少一個容器以一灌注模式操作。當以灌注模式操作時，一容器可利用一過濾器，該過濾器經組態以防止該至少一個容器中之該等生物細胞離開該至少一個容器及該流體出口。另一選擇為或另外，一容器可另外包含用於留持細胞之微載體、中空纖維及/或黏附板。在某些實施例中，該兩個或多於兩個容器中之一者係一主容器，該主容器經組態以透過該流體入口將培養基提供至該至少一個容器從而提供灌注。在此等情形中，一方法可在該主容器中及該至少一個容器中之該培養基中實質上維持溶解氧濃度、溫度及pH之定義值。 本發明之另一態樣係關於將一生物處理工作體積自一小型生物反應器之工作體積按比例縮放為一大型生物反應器之工作體積之方法。在某些實施例中，此等方法由以下操作表徵：(a)判定用於在具有一相對小工作體積(例如，不大於約700升)之一試驗容器中執行該生物處理之程序條件，其中該等程序條件包含表徵在該生物處理期間該容器中之培養基之一或多個參數之試驗值；(b)設計包含一控制系統及兩個或多於兩個經流體連接生產容器之一生物反應器系統，該等生產容器各自具有不大於該試驗容器之該工作體積之約1.5倍之一工作體積，且該兩個或多於兩個生產容器之該等工作體積之總和為該試驗容器之該工作體積之至少約2倍；及(c)按(b)中所指定來構造及/或配置該兩個或多於兩個生產容器及該控制系統以產生該大型生物反應器。此後，該生物處理可在該大型生物反應器中執行。設計該生物反應器系統可包含將該控制系統設計為：(i)讀取或接收表徵在該生物處理期間該兩個或多於兩個容器中之一或多者中之該培養基之該一或多個參數之生產值；(ii)使用該等所讀取或所接收之生產值來判定該兩個或多於兩個生產容器之間的該培養基之一經調整流率，以在該生物處理期間在該兩個或多於兩個生產容器中維持容器與容器間之該培養基中之該一或多個參數之實質上均一生產值；及(iii)控制安置在該兩個或多於兩個生產容器之間的該等流體輸送裝置中之一者以調整如在(ii)中所判定之該流率。在某些實施例中，該生物反應器系統經組態以允許該培養基在該生產容器中之兩者之間雙向流動，及/或該兩個或多於兩個生產容器配置成閉合環路。 在某些實施例中，該生物反應器系統包含經組態以共同地實施該生物處理之三個或多於三個生產容器。在某些實施例中，該生物反應器系統包含經組態以共同地實施該生物處理之四個或多於四個生產容器。在某些實施例中，該生物反應器系統包含經組態以共同地實施該生物處理之五個或多於五個生產容器。在某些實施例中，該生物反應器系統包含經組態以共同地實施該生物處理之六個或多於六個生產容器。在某些實施例中，每一生產容器具有不大於約500升之一工作體積。在某些實施例中，該兩個或多於兩個生產容器之總工作體積與該兩個或多於兩個生產容器中之最大容器之該工作體積之比率為至少約3。 設計該生物反應器系統可涉及將該控制系統設計為在該生物處理期間維持該一或多個參數之該等生產值實質上等於該一或多個參數之試驗值。在某些實施方案中，該一或多個參數包含該培養基之pH、溫度、一細胞代謝物濃度或溶解氧濃度。在某些實施方案中，該方法涉及將該控制系統設計為調整該兩個或多於兩個生產容器中之條件，以確保該兩個或多於兩個生產容器中之該培養基之平均pH在容器間之變化不超過約0.1 pH單位。 認識到，該等個別容器中之一或多者可具有一調節比，該執行該生物處理可經展開如下：(d)在(c)中所構造之該大型生物反應器中以一第一總工作體積之培養基進行該生物處理；及(e)在(d)之後，以大於該第一總工作體積之一第二總工作體積之培養基但仍僅使用該大型生物反應器之該兩個或多於兩個生產容器進行該生物處理。在一變化形式中，執行該生物處理可經展開如下：(d)在(c)中所構造之該大型生物反應器中進行該生物處理之至少一部分；及(e)在(d)之後，將再一個額外生產容器添加至該大型生物反應器或啟動再一個額外生產容器，且用來自該大型生物反應器之一或多個其他生產容器之培養基至少部分地填充該一或多個額外生產容器。在另一變化形式中，執行該生物處理可經展開如下：(d)在(c)中所構造之該大型生物反應器中進行該生物處理；及(e)在(d)之後，移除含有培養基及該培養基中生長之細胞之該兩個或多於兩個生產容器中之一或多者。在某些實施方案中，在該生物處理期間培養之該等細胞經生長以用於治療一患者。 在某些實施方案中，該等生產容器中之一者係一主容器,且其他生產容器係附隨容器，且該主容器包含經組態以攪動該培養基之一混合系統。該等附隨容器不需要包含一混合系統。該主容器可包含用於該培養基中之該pH、溫度、一細胞代謝物濃度及溶解氧之一或多個感測器。通常，儘管不一定，但該主容器具有比該等附隨容器中之任一者大之一工作體積。 本發明之另一態樣係關於經設計或經組態而以一灌注模式操作之生物反應器系統。某些此等系統可由以下特徵表徵：(a)兩個或多於兩個經流體耦合容器，其經組態以共同地實施一生物反應，其中該等容器中之至少一者係一灌注容器，該灌注容器具有一流體入口、一流體出口及一過濾器，或經組態以防止生物細胞在該生物反應期間離開該灌注容器之其他細胞留持結構；(b)一或多個流體路徑，其將該兩個或多於兩個容器彼此耦合，其中該一或多個流體路徑經組態以在該生物反應期間在該兩個或多於兩個容器之間提供培養基流；(c)一或多個流體輸送裝置(例如，泵)，其沿著該一或多個流體路徑之至少某些流體路徑；及(d)一控制系統，其經組態以透過該流體入口將該等培養基引入至該灌注容器、在將該等生物細胞留持在彼容器中之同時交換該容器中之該培養基及使該等培養基流出該流體出口，藉此以一灌注模式進行操作。除過濾器外，細胞留持結構之實例亦包含微載體、中空纖維及黏附板。此等實例中之任一者可安置在一灌注容器內。 該控制系統可另外經組態以：(i)讀取或接收表徵在該生物反應期間該等容器中之一或多者中之該培養基之一或多個參數值；(ii)使用該等值來判定該等流體路徑中之至少一者中之一經調整流率，以在該兩個或多於兩個容器中維持容器與容器間之該培養基中之該一或多個參數之實質上均一值；及(iii)控制該等流體輸送裝置中之至少一者以調整在(ii)中所判定之該流率。 在某些灌注實施例中，該兩個或多於兩個容器中之一者係一主容器，該主容器經組態以透過該流體入口將培養基提供至該灌注容器從而提供灌注。在某些情形中，該控制系統及主容器一起經組態以在該主容器中及該灌注容器中之該培養基中維持溶解氧濃度、溫度及pH之值。該主容器可包含一混合系統，而在某些情形中，該灌注容器不包含任何混合系統。 該生物反應器系統不限於僅具有一單個灌注容器之實施例。舉例而言，該系統可包含一第二經流體耦合容器灌注容器，該灌注容器包含其自身之流體入口、流體出口及細胞留持結構，該細胞留持結構經組態以防止生物細胞在該生物反應期間離開。在某些情形中，該系統採用一第二灌注容器，該第二灌注容器最初未流體連接至該兩個或多於兩個經流體連接容器。然而，該第二灌注容器包含用於在該生物反應器系統已以灌注模式進行操作之後連接至該生物反應器系統之一補充流體連接。 在某些實施方案中，該生物反應器系統經組態以在該生物反應期間用來自一或多個其他容器之培養基至少部分地填充該灌注容器。在某些實施方案中，該灌注容器經組態以在該生物反應完成之前連同該灌注容器之培養基及該培養基中生長之細胞一起被自該生物反應器系統移除。 下文參考相關聯圖式將更詳細闡述本發明之此等及其他特徵。
舉例而言，以下文獻中闡述了此領域之工作人員經歷之規模擴大程序及複雜狀況之某些細節：生理相似性及生物反應器規模擴大 (Physiological Similarity and Bioreactor Scale-up )，沃特魯巴(Votruba)等人，葉線形微生物學(Folia Microbiology)，第37 (5)卷，第331頁，1992年；自搖瓶至發酵罐 ： 我們學到了什麼 (Shake Flask, to Fermentor: What Have We Learned )，漢弗萊(Humphrey)，生物技術進步(Biotechnology Progress)，第14卷，第3頁，1998年；及與生物反應器中之異質性共存 (Living With Heterogeneities in Bioreactors )，勞拉(Lara)等人，分子生物技術(Molecular Biotechnology)，第24卷，第355頁，2006年，該等文獻各自以其全文引用之方式併入本文中。諸多作者已經提出並由朱(Ju) (生物反應器之經改良規模擴大策略 (Improved scale-up strategies of bioreactors )，生物處理工程學(Bioprocess Engineering)，第8卷，第49頁，1992年，所有資訊皆併入本文中)進行了總結：為有效地擴大一生物處理，以下程序特性將維持不變： 1.反應器幾何結構； 2.體積傳氧係數kL a (m/s m2 /m3 )； 3.細胞經歷之最大剪切力(kg/m2 s)； 4.每單位液體體積之功率輸入P(kW)/V (m3 )； 5.每單位液體體積之體積氣體流率Q (m3 /s)/V(m3 ) 6.表觀氣體速度v (m/s) 7.混合時間(s) 8.葉輪雷諾數Rei =流體密度×葉輪速度× (密集葉輪外緣速度)2 /運動黏度(無量綱量) 9.動量因子(cm3 /s) 項1係指生物反應器之實際形狀及縱橫比(高度比寬度)。此對生物反應器作用如何及生物反應器僅可被部分地填充之程度(例如，生物反應器之填充體積之操作範圍或調節比)具有一較大影響。與生物反應器形狀及大小相關之額外參數係葉輪設計以及葉輪直徑與生物反應器之直徑之比率。項2係指氧氣可通常自鼓泡氧氣或空氣被輸送至培養基之速率。一般而言，在使氣泡變小(由於氣泡之球形形狀，因此在大小被減小之情況下，表面積與體積比增大)與因高密度之破裂氣泡之表面張力而發生之起泡之間存在一折衷。項3及項4與實際將損壞一細胞之剪切力相關。哺乳動物細胞遠比細菌細胞更容易受到此類型之損壞。剪切力由諸多因素誘發，包含一氣泡破裂之表面張力或來自葉輪之外緣處形成之一渦旋(攪拌式生物反應器中之動物細胞培養 ： 關於規模擴大之觀察 (Animal Cell Culture in Stirred Bioreactors: Observations on Scale-up )，Y.·克裡斯蒂(Y. Christi)，程序生化(Process Biochemistry)，第28卷，0. 511，1992年)。項5及6 (類似項2)與將氣體輸送進入或輸送出培養基之能力相關。項7 (混合時間)係指一生物反應器在一或多種受監測分析物之濃度或細胞密度方面達到一所設定均一程度而花費之時間。所設定程度在該文獻中可不同，但一典型定義為：在生物反應器中，濃度在任何時候之差異皆小於10%。混合時間亦可定義為：一參數(或示蹤劑)在生物反應器內均質地分佈達一成功程序所需之水平而花費之時間。(攪拌式生物反應器之混合時間之模型化 ， 3. 充氣液體培養基之混合時間 (Modeling of mixing times for stirred bioreactors. 3. Mixing time for aerated broths )，D.·卡斯卡韋爾(D. Cascaval)等人，化工(Chem. Ind.)，第56 (12)卷，第506頁，2002年)以其全文引用之方式併入本文中。除非本文中另有陳述，否則本文中將使用此最新定義。項8：葉輪雷諾數與生物反應器之混合時間負相關。一般而言，雷諾數愈高，湍流愈高，混合時間愈短。更短混合時間之代價係更大之剪切力；這對於正在研究之確切系統係必須平衡之另一折衷。項9 (顯然，在該文獻中使用不太頻繁)係動量因子且與生物反應器中之剪切力及質量傳遞兩者相關。 以上列表中之程序參數之數目及程序參數之組合(其等在按比例縮放期間期望保持恆定)會基於大量考量因素而改變。此等考量因素包含但可能不限於：所選擇之細胞株，生產之產物類型、產物所需之產量，所使用之生物反應器之類型，所實施程序之細節，及期望之規模擴大程度。自前述文獻之簡要綜述可以看出，規模擴大通常並非一簡單程序，且花費了生物處理領域之諸多技術工人多年之時間及精力。 為使程序維持一一致性產量且在臨床上及經濟上可行，細胞/程序在規模擴大程序期間必須最小化或者在最糟糕之情況下亦應維持上述參數(及有時相關參數)之生物反應器異質性。如上文所提及，迄今為止，即使對於此領域之技術人員，這仍係一重大挑戰。相較於實驗室中之小型生物反應器，此在一種子培養鏈末端通常產生較低滴定量或細胞密度。理想情況係，可在不改變生物反應器規模之情況下擴大體積之一系統將產生最佳結果，且允許自研發直接過渡至生產。此與現今之規模擴大與規模縮小形成對照，在現今，大部分最佳化工作經執行以匹配處於預想生產體積之小玻璃器皿(＜15 L)之滴定量及生產能力(biocompare.com/Editorial-Articles/165203-Scaling-Up-Your-Cell-cultures-to-Bioreactors/)，且由於不同生物反應器體積而在滴定量及產品品質兩者方面仍觀察到可擴展性不一致情況[J.·李(J. Li)、G.·張(G. Zhang)等人，「一次性生物反應器之規模縮小模型之挑戰：對生長及產品品質影響之案例研究(Challenges of scale down model for disposable bioreactors: case studies on growth & product quality impacts)」，一次性技術(Single-Use Technologies)，弗吉尼亞州利斯堡市，2015年10月18-21日(以其全文引用之方式併入本文中)，或infors-ht.com/index.php/en/applications/scale-up]。類似地，新大型生物反應器之效能總是被與在一玻璃容器中進行相同程序進行比較(頗爾(Pall)應用指南：USD2926，「Allegro™ STR 200一次性攪拌罐生物反應器系統中之CHO細胞培養(Cultivation of CHO Cells in Allegro™ STR 200 Single-Use Stirred Tank Bioreactor System)」，以其全文引用之方式併入本文中，或biopharminternational.com/evaluation-single-use-bioreactor-fed-batch-production-monoclonal-antibody)。 本文所闡述之實施例解決了此等挑戰中之諸多挑戰。當下現有之習用(例如，攪拌罐)生物反應器設計實際上而言可允許至多5倍之可擴展性/調節比[通用電氣醫療集團生命科學部(GE Healthcare Life Sciences)資料檔案29-0929-25 AA「XcellerexTM XDR細胞培養生物反應器系統(Xcellerex™ XDR cell culture bioreactor systems)」(以其全文引用之方式併入本文中)，或emdmillipore.com/US/en/mobius-single-use-manufacturing/mobius-single-use-bioreactors/mobius-bioreactors/ fCyb.qB.1TkAAAFEF9sMfopc,nav，或bioprocessintl.com/upstream-processing/fermentation/single-use-processing-for-microbial-fermentations/] 。如上文所提及，生物處理業中通常使用之術語係「調節比」或最大工作體積與最小工作體積之比率。舉例而言，結果係，適當設計之一一次性生物反應器可以一5:1之調節比自130 L按比例縮放為650 L。調節比之設計目標係：在此縮放比例內，上文所提及之9條準則內之諸多準則可視為「守恆」的或極類似的，使得細胞密度、細胞存活率及滴定量將相同；具體而言，對於具有一5:1調節比之一生物反應器，在自工作體積(最大可用體積)之20%至100%之任一體積下，可將生物反應器之性質視為極類似的。然而，目前為止，若期望將工作體積擴大至超過最大體積，則將需要一新之更大生物反應器以增大細胞總數或滴定量。如早期所論述，一更大之生物反應器通常無法被視為具有相同之9個前述量，因而會產生上文所論述之問題。舉例而言，在一2000 L之生物反應器中在全體積操作與半體積操作之間，混合時間受不到保護(賽默飛世爾公司2000 L一次性生物反應器規模擴大概述或一次性生物反應器標準驗證指南第41/42頁(Thermo Fischer 2000L SUB Scale-up Summary or Sub Validation guide page 41/42)，以引用之方式併入本文中)。注意，當微載體或其他懸浮機制被引入至一生物反應器中時，規模擴大問題顯著更加困難(bioprocessintl.com/manufacturing/antibody-non-antibody/considerations- in-scale-up-of-viral-vaccine-production-320990/)。此外，對於某些類型之剪切敏感性細胞(諸如幹細胞)，規模擴大對於產生細胞產物係至關重要的。 規避此問題之一種方法係同時運行具有相同大小之多個或N個生物反應器以擴大體積。然而，此通常被認為係一不能令人滿意的或甚至係不可接受之規模擴大方式，乃因每一生物反應器係獨立的，且可具有略微不同條件，且必須獨立地設置。此意味著，每一生物反應器被單獨地控制(例如，每一生物反應器具有其自身設定之PID環路控制器)，且因此來自每一生物反應器之批次被視為獨立的，即，在一產量、溯源性、品質及一般行為方面係不同的。此外，為最終作為一個批次來利用N個生物反應器之產物，內容物必須先進行「組合」或「匯集」，之後再在下游進行處理(例如：過濾、層析、病毒滅活)。品質小組及/或監管機構通常反對進行匯集，乃因匯集會導致任何問題(例如：污染、較低產量或效力等)之來源之溯源性缺失。鑒於此等事實，在進行規模擴大時，通常會避開運行N個獨立(較小)生物反應器容器之概念，而支持一個大得多之生物反應器。 本發明之某些實施例提供一種藉由引入N個生物反應器之間的耦合而規避或至少顯著減輕前述規模擴大問題之方式；此處，耦合意指生物反應器之間的內容物(細胞及上清液)之實體輸送。此在數學運算中可被看作係對一組眾所周知之問題之一擴展，稱作「混合問題」。若藉由在一組N個生物反應器之間交換流體內容物(諸如，以允許將全部N個生物反應器之內容物視為均質的(及因此相同的))而將一組N個生物反應器耦合在一起，則會具有用於所有意圖及目的之一個批次。此允許利用多個生物反應器來產生一個批次，此在避開規模擴大問題之同時亦不需要進行匯集且不需要一品質或監管小組詳細審查。 回到耦合生物反應器之問題，將評論在罐之間進行混合之數學機器。作為對在罐中進行混合之概念之一介紹，將以一簡單且常見之問題–單一分析物(例如，鹽水或鹽)混合–開始。最基本之問題通常具有用溶解在水中之一分析物(例如，鹽)部分地填充之一個罐。典型問題需要算出一常微分方程(ODE)之解，並計算系統達到平衡將需要多長時間。典型問題亦需要計算分析物以一規定速率實現一給定入通量之最終平衡濃度及分析物在具有給定初始濃度及體積之水中之濃度。 圖2展示具有類似於以上所闡述之情況之一情況之一混合罐。假設： S(t)係在時間t處鹽之量； V(t)係在時間t處罐中之溶液體積； FIn 係溶液流入罐中之流率； FOut 係混合物自罐流出之流率； Cin 係流入罐中之溶液中之鹽之濃度； Cout 係自罐流出之溶液中之鹽之濃度； Rin 係鹽倒入罐中之速率 方程式1： Rin = FIn RIn × Cin Rout 係鹽自罐倒出之速率 方程式2： Rout = FOut ROut × Cout 根據此等假設，可定義： 方程式3： Cout (t) =S(t)/V(t) 方程式4： dS(t)/dt =罐中之鹽之改變速率，如Rin - Rout 此可重新排列為： 方程式5： dS(t)/dt = FIn × Cin - FOut × S(t)/V(t) 此係常微分方程(ODE)類型之一標準式 方程式7： dS/dt +pS =q 此ODE之解係： 方程式8：
Figure 02_image001
其中
Figure 02_image003
因此，根據初始條件及流率可求解在任一時間t處罐中之鹽濃度S(t)。以上實例之關鍵在於簡單地瞭解如何利用標準微分方程來解決此等型之問題。現在將論述詳細闡述本文所闡述之某些實施例之系統及數學運算。 術語「容器」將用作闡述一液體器皿之一通用術語，「容器」可意指一罐或一生物反應器。罐將係被動或混合器皿，而生物反應器將係能夠主動控制用於生物處理之所關注參數之容器。考量圖3中所展示之配置，取自「關於多個罐之混合問題 (Mixing Problems with Many Tanks )」，A.·斯拉維克(A. Slavik)，美國數學學會(Mathematical Association of America)，第806頁，2013年(以其全文引用之方式併入本文中)。此圖展示稱為一「星狀構形」中之一罐配置，該罐配置具有一中心容器及直接流體連接至中心容器之三個或多於三個其他容器。該星狀構形係一種可能構形，但絕不係允許容器之間的混合之僅有構形。在圖3中，罐標示為T1 …T8 。此經耦合系統係比較真實地繪示罐或生物反應器可如何構建網狀關係以實現可擴展性之一種配置。若嚴格且明確地求解在經耦合罐之間流動之一物質(例如，鹽)之混合物流，則亦可嚴格地求解在生物反應器之間移動之細胞及/或培養基(一般為上清液)之混合物。此意味著，亦可建立依據初始條件來預測將產生一穩態及均質溶液之流率之模型。前述論文中已概述所關注情形中之諸多情形。該論文提供闡述多個經耦合罐中之混合問題且允許求解之一組通用方程式。此等方程式係上文所引入之單個罐混合問題之一般擴展。雖然斯拉維克之論文中明確使用鹽，但可取代鹽使用任何均勻混合之物質。依據斯拉維克理論之以下方程式9及10使用與簡化實例略有不同之符號： 方程式9：
Figure 02_image005
方程式10：
Figure 02_image007
，對於
Figure 02_image009
V係體積 T1 係中心罐，標示為罐1 T2 …Tn 係連接至罐1之(n-1)個罐 xi (t)係在任一給定時間t處罐I (Ti )中之鹽之量 方程式9闡述中心罐(罐1)中之添加物(鹽)之量隨時間之改變，而方程式10闡述並非中心罐之任一罐Ti 中之鹽濃度隨時間之改變。對於一組給定初始條件，可求解在「時間0」處每一罐中之鹽之量，且詳細步驟可依據斯拉維克之論文進行。如先前所提及，由於可求解任何混合物之數學解，因此此解決方案亦將準確地闡述一生物反應器之內容物。 進一步考量圖3中之星狀構形，可看到，可將N個容器(例如，八個或甚至更多)耦合，其中N僅受實際考量因素(幾何學及空間問題、距離、成本)限制。由於圖3係實體問題之一數學理想化，因此關於將前述數學機器應用於生物反應器之諸多考量因素並未得到具體解決。 圖4展示可用於混合之罐配置之另外兩種數學表示。參考編號4-100係一線性鏈，其中流體在各罐間雙向移動，而4-101係亦採用雙向混合之一環狀構形。注意，對於經設計在其操作參數中具有適當規模擴大/規模縮小一致性之經良好表徵容器，此等構形中之任一者亦可含有不同大小之容器。 容器之間的雙向流動應增大容器達到平衡之速度，但若可保證實際混合，則此方向性並非絕對必要的。亦已對此組態進行了數學模型化，且圖5中展示兩個此等單向構形。參考編號5-100係圖4中所展示之環4-101之單向類比，而5-101係鏈4-100之單向類比。參考編號5-102係入口且5-103係出口，在一流體守恆系統中，該等入口及出口將需要被綁在一起。 圖6展示另一實例。如圖6中所展示，中心生物反應器6-100充當「主」或控制生物反應器，而擴增或附隨生物反應器6-106及6-108係「從屬」生物反應器。如所展示，一中心生物反應器6-100配備有用於控制各種分析物或實體水平之感測器，包含但不限於用於以下各項之感測器：溶解氧、pH、溫度、CO2 、細胞密度、傳導性及細胞存活率。主生物反應器亦配備有一混合系統及葉輪6-102，以及用以控制溶解氧水平或氣提出(strip) CO2 之鼓泡器6-107。此等特徵通常與一控制環路(例如，PID環路)一起使用以維持前述量中之任一者之最佳水平。在圖6中，在主生物反應器中透過量測而進行控制，而一從屬系統用於監測及反饋至主環路以及泵6-103及6-104兩者。在某些實施例中，諸如圖4中所繪示之實施例，生物反應器之容量可藉由將其他生物反應器(諸如生物反應器6-106及6-108)附接至中心生物反應器6-100而擴增或按比例縮放。生物反應器(通常全部都已預先滅菌)分別使用一次性無菌連接器及相關聯管道套組或其他流體連接器6-109及6-110連接於主生物反應器及從屬生物反應器上。雖然主生物反應器及從屬生物反應器兩者上皆展示了連接器，但僅一組係絕對必要的。此等一次性無菌連接器現在在一次性生物處理領域係常見的且由多個公司製造，諸如頗爾公司(Pall)、通用電氣公司(GE)及科德公司(Colder) (例如，pall.com/main/biopharmaceuticals/product.page?id=34125、gelifesciences.com/webapp/wcs/stores/servlet/productById/en/GELifeSciences-us/28936612)。亦注意，從屬生物反應器可為被動容器或具有用於黏附細胞之結構(例如，板或微載體聚集體)之容器，其中不可能存在一攪動機構。 將主生物反應器之內容物輸送至從屬生物反應器之能力藉由泵6-103而實現，出於靜水壓力考量因素，該等泵展示為自生物反應器之底部移除液體。泵6-104展示為將從屬生物反應器之內容物自此等容器之底部引回至主生物反應器。該等泵可為蠕動泵或用於透過一封閉式路徑將流體自一個位置移動至另一裝置之任何其他已知機構。目前預計在所利用之泵為低剪切力離心泵(例如，萊維創利斯公司(Levitronix)生產之泵，levitronix.com)時對細胞之損壞最小，但低剪切力離心泵亦並非絕對必要的且將取決於所需之輸送速度及在使用中細胞株之穩健性。在某些實施例中，生物反應器安置在秤或載重計6-111、6-112、6-113上以便在每一容器中維持相等之質量/體積。若提前知曉總體積，則藉由使用一簡單演算法便可僅將一子組之生物反應器放在秤上，該簡單演算法利用質量平衡併入有必要之體積加法或減法。 應注意，藉由連接具有已知可擴展性之生物反應器(參數足夠均一以實現成功規模擴大)，避免了如之前所論述之規模擴大問題。在各種實施方案中，泵推動在生物反應器之間足夠迅速地交換內容物，使得出於所有意圖及目的，該系統可被視為一個生物反應器。足夠迅速意指，所有生物反應器在參數群組中之某些參數方面係均一的，且來自生物反應器中之一者之一樣本無法與同時自另一生物反應器獲取之一樣本區分開。上文所闡述之參數中之任一者可提供均一性度量；此等參數大體與流體動態參數(例如，細胞所經歷之剪切力、雷諾數)、組分參數(例如，所溶解組分之濃度及/或pH)以及質量傳遞參數(例如，傳氧係數)相關。儘管各細胞株及程序皆不同，但若容器之間的交換速率超過此等參數改變之速率(及，例如，細胞生長(倍增)速率)，則必要之均一性便得以保持。此針對各細胞株及程序可以實驗方式得以證明，並在此後藉由相應地調整泵速及/或藉由監測關鍵程序感測器來嚴格控制。感測器可用作泵速之一反饋機構以在相關聯控制環路之典型誤差(或死區)內維持均質性。 就所揭示實施例而言，此處審查細胞生長程序將係有幫助的。具體而言，細胞群體隨時間之生長及改變如何？圖7中展示一典型細胞生長曲線。如圖中所展示，緊接在容器之接種之後存在一遲滯期，在遲滯期中，細胞據說自其正浸入新培養基之應力恢復。接下來係對數期或指數期，在對數期或指數期中，生長速率加速，直至培養基耗盡或發生其他有害效應為止。對數期或指數期之後係靜止期及衰減期。細胞生長速率之一個度量係「倍增時間」或細胞群體在生長週期之「對數」期期間群體倍增(–參見 ATCC動物細胞指南(ATCC Animal Cell Guide))所花費之時間。細胞株在生長條件下之倍增時間通常被良好表徵。舉例而言，一典型CHO (中國倉鼠卵巢)細胞株具有≥ 15小時之一倍增時間，而人體心臟細胞及小鼠之間質幹細胞分別具有約29小時及22小時之中位倍增時間。微生物細胞倍增時間快得多；大腸桿菌具有大約15-30分鐘之一倍增時間。倍增時間可提供生長程序之改變速率之一合理度量，且充當材料需要在容器之間進行交換之速率之一基準以便維持細胞群體之均質性。在遲滯期、靜止期及衰減期中，實現均質性所需之交換速率將自指數生長期開始減小，在指數生長期中，細胞倍增速率最快。在其中細胞極緩慢地倍增之遲滯期期間，交換速率可相應地較慢。若在對數期期間添加一從屬容器，則實現均質性之一起始點可使用以細胞倍增時間為基準之體積流/交換速率(進出容器之泵速)作為一度量。與倍增時間相比，所需體積交換速率之問題可被簡化為需要交換多少次容器之體積之問題。若容器內容物至少以比倍增時間快之一數量級進行交換，則多個容器內容物將幾乎係均質的。在喪失均質性之前容器內容物之交換速率可達到多慢將取決於細胞株及程序之細節？ 作為一實例，若一CHO細胞生長程序在用培養基完全填充之具有一4:1調節比之一100 L之工作體積生物反應器中開始，且細胞及程序處於遲滯期，則執行程序之小組可要求附接一第二相同生物反應器及可能地第三相同生物反應器作為從屬容器以便滿足其產物及/或滴定量目標。在此情景中，為設置系統，將打開主生物反應器之外流泵，使得第二及第三生物反應器被填充≥ 25 L，其中體積藉由載重計上之所量測值之改變而判定。只要以使得細胞群體之改變極小(例如，細胞群體仍可被視為穩定地處於遲滯期)之一時間週期輸送細胞及上清液，主生物反應器及從屬生物反應器仍可被視為均質的或均一的。回流泵(自從屬容器至主容器)將保持關閉，直至從屬容器中達到所要體積，且接著將開始容器之間的主動雙向交換。基於程序所需之總體積及/或產量，可再次將額外培養基緩慢地添加至主容器或添加至多個容器；主容器及從屬容器可全部最終被填充至工作體積。培養基被引入系統中之速率可必須對應於細胞密度之改變速率，使得細胞基本上不受干擾。在遲滯期期間，如前文所提及，細胞並不迅速生長，且因此交換速率體積流要求較低。在對數期中，若倍增時間為15個小時，基於以上論述之一起始點係每1.5個小時交換一次容器體積。此意指體積輸送速率為100 L/90分鐘或約1.1 SLPM。基於對包含但不限於生物反應器pH、代謝物濃度、細胞密度、細胞存活率等相關細胞生長參數之量測，可減小體積交換速率。在某些實施例中，不同程序使用不同演算法來控制體積交換速率及因此維持均質性。在某些實施例中，在整個生長程序中僅維持一極高體積交換速率(與最快倍增時間相比)將簡化系統及關於均質性之不確定性。 如所提及，在某些實施例中，主容器將大體控制重要之量，諸如溶解氧、pH及溫度。但在某些實施例中，從屬容器中亦可存在致動器，如圖6中所展示，參考編號為6-106及6-108。某些控制架構取決於系統之實體實施例。舉例而言，若容器之間的交換速率與任何一個容器之一熱時標相比係快速的，則在某些實施方案中，在每一個別容器中不僅不需要控制溫度，亦不需要設定為一標稱值之一致動器(例如，加熱毯)。具有單一主控制環路會避免控制環路之間的「牽引(pulling)」或通信，且簡化控制方案。在從屬生物反應器中具有致動器及感測器同樣允許透過主生物反應器執行控制且允許泵之速度與主生物反應器及從屬生物反應器相稱；與主生物反應器中之感測器相比，從屬生物反應器中之感測器允許用於控制泵之一反饋路徑(若需要)。舉例而言，在受控制之從屬生物反應器中具有葉輪、感測器及鼓泡器但使從屬容器中之鼓泡及混合受主容器控制即為一適合控制方案。按照設計進行被動控制亦係可能的，其中泵之速度允許從屬容器基本上為被動元件或罐。 圖8藉由多個經連接容器擴展此規模擴大概念，且可充分利用方程式9及10中所闡述之數學運算。在圖8中，參考編號8-100展示主生物反應器之一簡化版本，雖然主生物反應器中未展示鼓泡器、感測器、葉輪等，但鼓泡器、感測器、葉輪等可被視為包含在主生物反應器中。泵(雙向)展示為一單元8-109，且為清楚起見，在圖8中，生物反應器8-101至8-107以簡化形式展示且未展示無菌連接器，而一生物反應器8-108區塊圖解說明任何數目個容器之擴展。此限制係藉由實體因素、成本及實際考量因素而設定–並非藉由理論擴展或數學運算而設定。若按比例縮放系統(泵、連接器等)受成本過高限制，則藉由離散地添加罐而進行之此按比例縮放可連同一習用規模擴大程序一起使用以限制所需之罐數。舉例而言，若使用具有一5:1調節比之一生物反應器，則可開始該程序，即將一30 L之生物反應器下調為6 L，且接著將生物反應器填充為30 L。此後，可添加一第二或第三生物反應器，此使總工作體積達到100 L。接著，生產可轉移至650 L之容器，該容器可被下調為約115 L，又可利用兩個額外容器擴增至1950 L。現今在商業性生產中之最大一次性生物反應器為2000 L，且大量生物反應器體積需要按比例縮放為此體積，這意味著更多之部件、更多之縮放、更多之努力及更多之成本。剛評論之實例就生物反應器之最大工作體積而言允許僅利用一個規模擴大步驟自6 L按比例縮放為幾乎2000 L。 此類型之可縮放系統之另一應用係個人化醫療領域。此領域之應用包含不限於幹細胞療法、嵌合抗原受體T細胞(CAR-T)療法及基於腫瘤浸潤淋巴細胞(TIL)之治療，其中需要小的但潛在地可擴增之體積。當前，對於CAR-T類型療法，一典型批次大小為約1 L，且美國食品藥品管理局(FDA)要求此品質之約一半及安全性試驗。在此等免疫腫瘤學應用中，自一患者樣本收集及選擇之細胞之開始體積與所需批次大小(3 L)相比極小(30 mL)且在一單個患者劑量情景中呈現高細胞密度之一100倍放大。若治療成本負擔得起且品質保證被分攤至幾千份劑量，則放大挑戰對於其中目標為300 L之一批次大小(10,000倍放大)之異源治療甚至更大。所揭示實施例提供應對此等挑戰之一有用模式。 在個人化醫學應用中，若批次丟失，則一患者在其疾病之晚期可能會失去挽救生命之一治療機會。批次通常因程序污染而失敗。因此，在效用上相同之生物反應器之一線性推進中擴增一30 mL樣本之能力係極具吸引力的，乃因該程序可以在一個300 mL容器中開始，且在細胞生長之同時被按比例縮放為兩個及最終三個或多於三個容器。一旦該程序被按比例縮放至三個或多於三個容器中，一個容器之內容物便可被取出用於儲存以防整個批次皆被污染，進行品質分析及/或作為一治療劑量儲存於冷藏庫中。接著，兩個容器可被按比例縮減為空容器，且此時移除一第二容器體積。(舉例而言)在不損害細胞培養之存活率之情況下，此程序可視需要隨每週收集之一批次重複進行，乃因一容器可被排淨並重新填充有培養基，或者被拆離並無菌地附接一新容器(或者一開始可附接培養鏈中之所有容器，其中某些容器係空的，且使用一無菌閥來決定此等容器何時及是否添加至程序鏈)。此接著可被視為支援離散體積改變之一連續補料分批程序。當批次可展示為係相同材料時，批次亦可被匯集至一單個劑量中。 在極具剪切力敏感性之細胞之情形中，可應用本發明中之附隨容器概念，其中一組主容器具有葉輪，且利用全感測器分析法來控制培養基之氧氣、pH及代謝物濃度，且附隨容器係被動的、具有為微載體、中空纖維或黏附板之一填料床。在用泵(諸如，圖9中)將被動容器連接至主容器之情況下，藉由在容器之間的線路上添加適當過濾器8-119 (對於病毒，通常＜ 0.22 µm)，可將任何病毒或細菌隔離至一單個容器。原始細胞樣本之體積將被分至附隨容器中，藉此減低整個樣本皆擴增失敗之風險。 圖9展示具有三個網狀連接之容器之一系統，但該系統亦可擴增至N個容器。一主要生物反應器9-100利用以下各項網狀連接至附隨/從屬容器9-108及9-109：無菌連接器9-118、雙向泵9-107、線內病毒過濾件9-119以及無菌連接化管道套組9-115，其等雖然僅被具體地標示在一個容器9-109上，但全部三個容器上皆有展示。主要生物反應器或主生物反應器9-100展示為具有一葉輪9-102及鼓泡器9-104。此等特徵並未明確地展示於從屬容器9-108及9-109上，乃因此等特徵可能不係必要的。在此實施例中，若細胞對剪切力敏感，及/或為降低成本，則容器可使混合、氧合作用及pH調整全部發生於主罐中。根據此可能性，主罐在此處展示為大小及體積比從屬罐中之任一者都大，使得主罐亦可充當經氧合作用之pH經調整之培養基之穩定器及一貯槽。感測器9-103展示於全部三個容器中，使得存在用於監測及控制目的之反饋。具體而言，泵速改變或主生物反應器中之分析物值之改變。 另外，在圖9中，從屬生物反應器展示為取決於應用以灌注模式或以一細胞分離模式被利用。允許生物反應器之內容物被引至細胞留持/分離裝置(聲波分離器、過濾器等(例如，applikon-bio.com/en/news2/itemlist/ category/52-biosep, spectrumlabs.com/filtration/KR2System.html)) 9-114之一管道9-113展示為具有一返回環路9-115，該返回環路利用一泵9-116或用以使流體在所需路徑中移動之其他裝置回至生物反應器。因此，該等容器可用於實施一灌注程序，其中實際生長程序在從屬容器中發生，且氧合作用及控制存在於主容器中，或在進行一類似任務劃分之情況下以一細胞擴增模式實施。細胞擴增模式係令人感興趣的，乃因T-細胞、幹細胞擴增或黏附細胞生長可發生於從屬容器中，而不需要一葉輪且不具有伴隨之剪切力。容器再次展示為處於秤或載重計9-111、9-112、9-113上以在各容器間實現質量/體積平衡。最後，整個系統可被封閉在一培養箱或培養箱搖動器9-101中以用於溫度控制以及混合，若容器中沒有一者配備有葉輪(例如，經專門設計以在不具有一葉輪之情況下工作之搖瓶或生物反應器，kuhner.com/en/product/shakers/single-use/sb200-x.html)的話。此可進一步降低容器之每次使用成本。 如所指示，一多容器生物反應器系統包含經組態以共同地實施一生物反應之兩個、三個、或多於三個經流體耦合容器。該等容器藉由在生物反應期間在各容器間維持標稱地均一或一致條件而共同地實施生物反應。因此，容器在生物反應期間在各容器間共用反應物及產物。此可藉由包含在生物反應期間將容器彼此耦合之流體路徑(有時在本文中實施為流體連接器，例如，管道)及在一或多個流體路徑或連接器中之至少某些流體路徑或連接器中之流體輸送裝置(泵)而完成。 通常，生物反應器系統亦包含經組態以控制容器中之反應條件以實施生物反應之一控制系統。控制系統可被委派有在生物反應期間在各容器間維持均一程序條件之任務，以及其他責任。為此，控制系統可經組態以：(i)讀取或接收表徵在生物反應期間容器中之一或多者中之一培養基或其他反應流體之至少一個參數值；(ii)使用該等值來判定流體連接器中之至少一者中之一經調整流率，以在若干容器中維持容器與容器間之反應流體中之參數之實質上均一值；及(iii)控制流體輸送裝置中之至少一者以調整在(ii)中所判定之流率。藉由以此方式控制反應流體流，可使溫度、pH、所選分析物濃度(例如，溶解氧濃度、葡萄糖濃度)、流體動力學條件等跨越容器維持實質上一致或均一。實質上一致或均一係相對於生物反應自多個角度判定的，因此(舉例而言)細胞存活率、細胞生產力、滴定量等在容器與容器間係一致。針對生物反應之效能視需要以各種方式判定一程序條件仍一致之量值差。舉例而言，以下各項可係適宜的：在容器間，一所選分析物或產物之質量濃度相差不超過約5%；或在容器間，pH之量值變化不超過約0.2 pH單位；在容器間，溫度變化不超過約0.5℃。再次，要點在於：可變性介於在容器與容器間產生一致生物反應結果之界限內。此等結果可係產物滴定量及/或濃度、細胞存活率等。 在某些實施例中，控制系統經組態以：(i)讀取或接收表徵在生物反應期間容器中之一或多者中之培養基或其他反應流體之參數值；及(ii)控制一或多個流體輸送裝置以在兩個或多於兩個容器之間輸送培養基，使得交換容器中之培養基所需之時間處於容器中之細胞在容器中之條件下倍增所需之時間之一數量級內。舉例而言，交換容器中之培養基所需之時間可最多為容器中之細胞在容器中之條件下倍增所需之時間之約一半。在更嚴格操作條件下，控制系統將指示更快地輸送培養基，使得交換容器中之培養基所需之時間最多為容器中之細胞在容器中之條件下倍增所需之時間之約三分之一、或五分之一、或十分之一(或甚至二十分之一)。實際速率將部分地取決於生物反應器系統中之當前條件及所需之均一程度(例如，在容器與容器間，pH之變化應不超過約0.1 pH單位)。注意，交換一或若干容器中之培養基所需之時間係基於容器中之當前培養基量，該培養基量不一定係容器之工作體積。(實際上，當然，系統在交換期間將不自一容器移除所有培養基；系統中將流入新培養基，且同時會排出一對應量之舊培養基。)此外，細胞倍增時間取決於若干因素而變化，該等因素包含細胞之當前生長期以及大部分細胞當前處於該時期中哪個階段。舉例而言，細胞在遲滯期中與細胞在對數/指數期中之倍增時間顯著不同。參見圖7之論述。 在某些實施例中，控制系統將培養基之流率驅動至容器中之每一者中，使得交換容器中之任一者中之培養基所需之時間比各別容器之培養基之混合時間短。在某些實施例中，交換時間處於混合時間之一數量級內。舉例而言，交換時間可不大於混合時間之約一半，或不大於混合時間之約三分之一、或五分之一、或十分之一。在某些實施例中，交換時間不大於混合時間之約十分之一。考量此之一種方式係，在一容器中使用操作流率完全交換存在於容器中之培養基所需之時間比使用一容器之固有混合驅動器(例如，對流、擴散等)來混合容器之組分所需之時間短。如所闡釋，可以各種方式定義混合時間。出於此實施例之目的，假設混合速率藉由一最近引入之示蹤劑均質地分佈在生物反應器內達到一成功生物處理所需之水平所花費之時間而定義。此假設培養基在混合期間不進入或離開容器；即，假設其中發生混合之容器係一封閉系統。在某些實施例中，均質分佈之定義係示蹤劑之濃度在容器中之任何兩點間之變化不超過約10%。 容器 如應明瞭，使用相對小之容器具有諸多益處。此等益處之實例包含避免某些規模擴大挑戰(例如，較少實驗程序及不確定性)、減少容器內之程序條件變化等。因此，多容器生物反應器系統中之個別容器之大小是相對小的。作為一實例，每一容器具有不大於約700升、或不大於約500升、或不大於約100升、或不大於約50升之一工作體積。應理解，術語「總體積」及「工作體積」有時用於工業中，且與彼使用一致，術語「總體積」係指一容器之總容量、與對流體體積之限制無關，而術語「工作體積」係指一容器中可填充之用於進行一生物反應之流體之最大體積。 如所指示，一生物反應器系統可包含兩個、三個或更多容器。容器之數目影響但不完全決定生物反應器系統之總工作體積(例如，構成生物反應器系統之兩個或多於兩個容器之工作體積之總和)與兩個或多於兩個容器中之最大容器之工作體積之比率。在某些實施例中，該比率為至少約2或為至少約3。介於約2-4之範圍之比率通常適於相對較大總體積之生物反應器系統；例如，具有約1000升或大於1000升、或約1500升或大於1500升、或約2000升或大於2000升之一總體積之系統。對於某些應用，諸如較小規模之應用(例如，約500升之總工作體積或更小之總工作體積)或個人化醫學應用，生物反應器系統之總工作體積與容器中之最大容器之工作體積之比率可較大，例如，至少約6。生物反應器在生物反應期間之任何給定時間所採用之容器之總數目可為至少約5個、至少約6個、至少約10個或至少約12個。該數目係基於若干因素而選擇，該等因素包含生物反應器產物或應用、生物反應器系統之總工作體積、在一生物反應之過程中替換、移除或添加容器之需要等。 作為此方法之能力之一實例，當經耦合具有典型容器調節比時，考量一500升容器中之一4:1或5:1調節比，經耦合多容器系統之工作體積可在不改變容器大小之情況下自100 L-125 L一直按比例縮放為1500 L至2000L。此意味著，生物反應器容器之一製造商可僅提供一集中式產品，其中僅需要幾個容器大小來提供一極其廣泛之有效生物反應器體積。舉例而言，圖1中之四個或多於四個生物反應器大小之培養鏈可用兩個或三個總生物反應器替換以用於整個規模擴大程序。 在某些實施方案中，生物反應器系統之個別容器在工作體積、幾何結構、構造材料及/或攪動/混合系統方面彼此類似。舉例而言，容器可具有類似調節比；例如，沒有兩個容器具有彼此相差約20%左右之調節比。在某些實施例中，所有容器皆由相同材料製成；例如，所有容器皆具有聚合物容器壁，或者容器皆具有不銹鋼壁。 在某些實施例中，如所闡釋，多個容器中之一者係一主容器，且其他容器係附隨或從屬容器。通常，儘管不一定，但主容器具有比附隨容器中之任一者大之一工作體積。通常，主容器用於提供控制附隨容器中之條件之某一度量。舉例而言，控制系統可首先監測並調整主容器中之條件且接著使用容器間流體輸送使附隨容器中之條件遵循主容器中之條件。在某些實施例中，主容器包含用於培養基中之pH、溫度、一細胞代謝物濃度及溶解氧之一或多個感測器。在某些實施例中，控制系統自主容器及/或附隨容器上之感測器接收此等參數之值，且使用此等值來首先調整主容器中之條件。在某些實施例中，控制系統包含經組態以控制主容器之一單個控制環路，且在某些情形中，包含經組態以攪動主容器中之培養基之至少一混合系統。在某些實施例中，附隨容器含有經設置處於一實質上恆定速率之鼓泡器。在此等情形中，使空氣或氧氣鼓泡可發生於附隨容器中，而主要控制點採用主容器中之感測器。 在某些情形中，主容器可包含經組態以攪動主容器中之培養基之混合系統。在此等情形中之某些情形中，附隨容器中沒有一者包含一混合系統。適合混合系統之實例(無論係實施於一主容器中還是附隨容器中)包含葉輪、軌道式搖動器、波浪形搖桿及柱塞。 如所闡釋，容器之配置(如由生物反應器系統中之個別容器之間的直接連接所指示)可具有諸多構形。實例包含一星狀構形、一線性構形、閉合環路構形及此等構形中之任何兩者或多於兩者之一組合。舉例而言，配置可為一輪輻-輪狀(a spoke a wheel)構形，或具有一閉合環路之一套索構形(具有自環路容器中之一者延伸出之一尾部)，或者一稠環狀構形。配置可為雙向流體連接或僅為一閉合環路流體連接。如所圖解說明，一閉合環路構形形成流體流之一閉合環路。 在某些實施例中，生物反應器系統包含最初未連接至兩個或多於兩個經流體連接容器之一額外容器，但該額外容器包含用於在生物反應器系統已進行操作之後連接至生物反應器系統之一補充流體連接。此允許系統在生物反應之過程期間擴大，此在培養將用於對患者進行之一後續治療中之一患者自身之細胞(或其一改性後之變體)時可為適宜的。在某些情形中，控制系統經組態以在生物反應期間用來自一或多個其他容器之培養基至少部分地填充額外容器。另一選擇為或另外，系統之容器中之一或多者經組態以在生物反應完成之前連同其培養基及培養基中生長之細胞一起被移除。 控制系統 如所提及，控制系統之任務可係在生物反應期間在各容器間維持均一程序條件。此可要求(舉例而言)細胞生長速率及/或產物滴定量在容器與容器間之差異不超過百分之幾(例如，不超過約10%)。 在各種實施例中，控制系統經組態以在容器與容器間維持pH之實質上均一值。舉例而言，控制系統可經組態以調整兩個或多於兩個容器中之條件，以確保兩個或多於兩個容器中之培養基之平均pH在容器間之變化不超過約0.2 pH單位(或不超過約0.1 pH單位或不超過約0.05 pH單位)。此在個別容器足夠小及/或經充分良好地混合使得條件之內部變化最小時係特別有用的。舉例而言，兩個或多於兩個容器及控制系統可經設計或經組態使得容器中之任一者內之培養基之pH具有最多約0.1 pH單位之變化。 在某些實施例中，控制系統進一步經組態以調整兩個或多於兩個容器中之條件，以確保在容器與容器間平均培養基溫度之差保持在約0.5℃以內(或在約0.1℃以內)。 在某些實施例中，控制系統進一步經組態以調整兩個或多於兩個容器中之條件，以確保在生物反應期間兩個或多於兩個容器中之細胞所經歷之剪切力在容器間實質上相等。舉例而言，在任何兩個容器之間因剪切力而死亡之細胞數目之差可在5%以內。理想地，在一生物反應之過程期間，在任一容器中，少量細胞會因剪切力而死亡，或者至少，不超過約10%之細胞會因剪切力而死亡。 在某些實施例中，控制系統進一步經組態以調整兩個或多於兩個容器中之條件，以確保在生物反應期間兩個或多於兩個容器中之培養基氣體輸送速率在容器間實質上相等(例如，以上所列輸送參數中之任何一或多者之平均值在容器與容器間之變化不超過約5%)。當然，溶解氧水平不應低於細胞因缺氧而開始死亡之一水平。 在某些實施例中，生物反應器系統中之容器中之一或多者設置於秤及/或載重計上以在生物反應期間監測容器之質量。控制系統可經組態以監測來自秤及/或載重計之輸出且調整各容器間之流率，以確保個別容器中之體積/質量保持在規範內。 廣義地說，控制器可為具有接收指令、發出指令、控制操作、能夠進行清理操作、能夠進行量測等之各種積體電路、邏輯、記憶體及/或軟體之電子器件。控制器硬體可含有一或多個處理器、記憶體裝置及用於與感測器、泵、鼓泡器、混合器等進行通信之介面。處理器可包含呈儲存程式指令之韌體形式之晶片、數位信號處理器(DSP)、定義為特殊應用積體電路(ASIC)之晶片及/或一或多個微處理器，或執行程式指令(例如，軟體)之微控制器。程式指令可為以各種個別設定(或程式文件)之形式傳遞至控制器、定義用於在一生物反應器上實施一特定程序之操作參數之指令。 控制器可整合有用於在執行一生物處理之前、在執行一生物處理期間及在執行一生物處理之後控制操作之電子器件。取決於處理要求及/或系統類型，控制器可經程式化以控制本文中所揭示之程序中之任一者，包含在各容器間泵送培養基、調整溫度、控制培養基條件(諸如pH、營養物濃度等)及移除生物反應之產物。 在某些實施方案中，控制器可為電腦之一部分或耦合至一電腦，該電腦整合有該系統、耦合至該系統、以其他方式網路連接至該系統，或其一組合。舉例而言，控制器可處於「雲端」或者一設施主機電腦系統之全部或一部分中，此可允許對生物處理進行遠端存取。電腦可實現對系統之遠端存取，以監測生物處理操作之當前進展、檢查過去生物處理操作之一歷史、檢查複數個生物處理操作之趨勢或效能度量，以改變當前處理之參數，以將處理步驟設定為跟在一當前處理之後，或以開始一新程序。 在某些實例中，一遠端電腦(例如，一服務器)可經由一網路將程序操作指令提供至一系統，該網路可包含一本端網路或網際網路。遠端電腦可包含能夠輸入參數及/或設定或者能夠對參數及/或設定進行程式化之一使用者介面，該等參數及/或設定接著被自遠端電腦傳遞至該系統。在某些實例中，控制器接收呈資料形式之指令，該等指令指定用於在一或多個操作期間將執行之處理步驟中之每一者之參數。因此，如上文所闡述，控制器可為分布式的，諸如藉由包括網路連接在一起且致力於一共同目的(諸如本文中所闡述之程序及控制)之一或多個離散控制器。用於此等目的之一分布式控制器之一實例將係一反應器上之組合以控制反應器上之一程序之一或多個積體電路，該反應器與遠端定位(諸如，在一遠端電腦之平台層級或作為一遠端電腦之一部分)之一或多個積體電路通信。 一控制器之每一演算法或其他計算元件可實施為電腦資料及指令之一有組織集合。在某些實施例中，用於控制各容器間之流量之一模組、用於調整一或多個容器之溫度之一模組、用於調整材料至一或多個容器中之引入及/或材料自一或多個容器之移除之一模組可各自被視為與一使用者且與系統軟體介接之應用軟體之一形式。系統軟體通常與電腦硬體介接，通常實施為一或多個處理器(例如，如所闡述之CPU或ASIC)及相關聯記憶體。在某些實施例中，系統軟體包含作業系統軟體及/或韌體，以及系統中安裝之任何中間件及驅動器。系統軟體提供電腦之基本非任務特定功能。相比之下，模組及其他應用軟體用於完成特定功能。用於一模組之每一原生指令儲存於一記憶體裝置中且由一數值表示。 在一個層級上，一計算元件實施為由程式設計員/開發人員編寫之一組命令。然而，可由電腦硬體執行之模組軟體係提交至記憶體之可執行代碼，該可執行代碼使用自特定機器語言指令集或設計至硬體處理器中之「原生指令」選擇之「機器代碼」。機器語言指令集或原生指令集係硬體處理器已知的且基本上構建至硬體處理器中。此係系統及應用軟體與硬體處理器進行通信之「語言」。每一原生指令係一離散代碼，該離散代碼由處理架構辨識，且可指定：用於算術、定址或控制功能之特定寄存器；特定記憶體位置或偏移；及用於解譯運算元之特定定址模式。更複雜操作藉由組合此等簡單原生指令而建立，該等簡單原生指令順序地執行或按控制流指令之另外指示執行。 可執行軟體指令與硬體處理器之間的相互關係係結構上的。換句話說，指令本身係一系列符號或數值。指令本質上並不傳達任何資訊。係按設計經預先組態以解譯符號/數值之處理器賦予了指令意義。 流體連接及流體輸送裝置 如所提及，一或多個流體連接器或更一般而言流體路徑連接容器。一般而言，連接器經組態以在生物反應期間在兩個或多於兩個容器之間提供培養基流。連接器可為管、管道、堰等。連接器必要時具有一流體行進長度、剖面直徑、表面粗糙度條件、硬度/撓曲度等以支援用於輸送培養基或其他反應流體之流率及流動條件(例如，層流、湍流、過渡)，以在容器與容器間維持所需均一性水平。在某些實施例中，流體路徑由為USP Class VI/ISO10993、無衍生之動物組分、無乳膠、無鄰苯二甲酸酯及/或對γ/β輻射穩定之材料製成。 在某些實施方案中，流體連接器中之每一者經組態以允許培養基在容器中之兩者之間雙向流動。在此等情形中，各容器間可設有兩個或多於兩個流動路徑，或一流體連接器中可設有一雙向泵。 可採用流體連接器之各種實體結構。一項實例包含附接至兩個或多於兩個容器之管道及無菌連接器。在某些實施方案中，流體連接器之至少一個流體路徑附接至兩個或多於兩個容器之底部處或接近底部處。此允許流體流利用靜水壓力頭，特別係在大容器中。當然，其他容器設計可建議入口及出口流體路徑之位置。舉例而言，在一雙向流體連接器及具有向下引導流體之一葉輪之一容器之情形中，流體連接器之出口可附接在葉輪之底部層級以下，且流體連接器之入口可附接在葉輪之頂部層級處或頂部層級以上。 可採用各種類型之流體輸送裝置。舉例而言，流體輸送裝置中之至少一者可為一泵。一泵廣義地定義為包含用於藉由機械作用來移動液體之所有類型。實例包含動力式泵(例如，離心泵或軸向泵)及容積式泵(例如，例如一注射器型、一齒輪型、隔膜型、一活塞型、一柱塞型、一螺桿型或葉片型)。 灌注 如所闡釋，生物反應器系統之一或多個容器可經組態而以一灌注模式操作，藉此使培養基分佈在約束於容器之細胞上(流過細胞)。通常，在灌注模式中，條件經維持使得在引入新鮮培養基時細胞被留持在一容器中。培養基被引入之速率取決於細胞株及生長期。一目標係維持一實質上最佳生長環境(就營養物濃度、產物滴定量、溫度、流體動力學條件等而言)，且因此，與分批生長模式或補料分批生長模式相比，在一較長時間周內，一容器中之細胞在生產率、存活率等方面維持一相對一致生物狀態。在某些實施例中，經組態而以灌注模式操作之一生物反應器系統包含經組態以共同地實施一生物反應之兩個或多於兩個經流體耦合容器，其中容器中之至少一者係一灌注容器，該灌注容器具有一流體入口、一流體出口及一過濾器，或經組態以防止生物細胞在生物反應期間離開灌注容器之其他機構。另外，如同本文中所闡述之某些其他系統，一灌注模式生物反應器系統可包含在生物反應期間將兩個或多於兩個容器彼此耦合之一或多個流體連接器(或更一般而言，流體路徑)。該系統通常包含在一或多個流體連接器中之至少一者中之一或多個流體輸送裝置(例如，泵)。共同地，流體連接器及流體輸送裝置經組態以在兩個或多於兩個容器之間提供培養基流。 仍進一步，一灌注模式生物反應器系統可含有一控制系統，該控制系統經組態以：(i)讀取或接收表徵在生物反應期間容器中之一或多者中之培養基之兩個或多於兩個參數值；(ii)使用該等值來判定程序條件，以在兩個或多於兩個容器中維持容器與容器間之培養基中之兩個或多於兩個參數之實質上均一值；及(iii)透過流體入口將培養基引入至灌注容器、在將生物細胞留持在灌注容器中之同時使培養基流過生物細胞及使培養基流出流體出口，藉此以一灌注模式進行操作。 換言之，經流體耦合容器中之至少一者包含一流體入口及一流體出口，且生物反應器系統經組態以透過流體入口將新鮮培養基引入至至少一個容器、在將生物細胞留持在彼容器中之同時允許新鮮培養基流入含有生物細胞之生物反應器中及使廢棄之培養基流出流體出口，藉此使至少一個容器以一灌注模式操作。可採用各種機構來確保細胞保持處於容器中。舉例而言，一流體出口可包含經組態以防止容器中之生物細胞離開至少一個容器或至少一個容器之流體出口之一過濾器或陷阱。在某些實施方案中，經組態而以灌注模式操作之一容器包含微載體、中空纖維過濾器、一細胞沈降器及/或一聲波分離器，可採用以上各項中之任一者來將細胞留持在一灌注模式容器內。 多容器生物反應器系統中之容器中之任何個別一或多者可經組態而以灌注模式操作。在某些實施方案中，經流體耦合容器中之至少兩者各自包含一流體入口及一流體出口，且生物反應器系統經組態以透過流體入口將新鮮培養基引入至至少兩個容器、在將細胞留持在至少兩個容器中之同時使新鮮培養基流入容器中及使廢棄之培養基流出流體出口，藉此使至少兩個容器以一灌注模式操作。在某些例項中，一個容器僅將營養物及含有氧氣之培養基供應至灌注系統，藉此充當用於新培養基之一貯槽，並使自進行灌注生長程序之容器返回之流體發生氧合作用且穩定。 在某些實施方案中，容器中之一者係一主容器，該主容器經組態以透過流體入口將培養基提供至至少一個其他容器從而提供灌注。此外，控制系統及主容器可一起經組態以在主容器中及至少一個容器中之培養基中維持溶解氧濃度、溫度、pH之值。在某些經灌注組態之生物反應器系統中，主容器包含一混合系統，而至少一個容器不包含任何混合系統。按比例縮放一生物處理之方法 如所闡釋，所揭示概念促進將一生物處理工作體積自一小型生物反應器之工作體積按比例縮放為一大型生物反應器之工作體積。在某些實施例中，一按比例縮放程序最初涉及判定用於在具有一相對小工作體積(例如，不大於約700升)之一試驗容器中執行生物處理之適當程序條件。可經設計用於試驗容器之程序條件之實例包含表徵在生物處理期間容器中之培養基之兩個或多於兩個參數值。可採用上文所論述之包含溫度、pH、溶解氧濃度等之相關參數。在判定用於試驗容器之程序條件之後，按比例縮放程序涉及將一生物反應器系統設計為具有一控制系統及兩個或多於兩個經流體連接生產容器。生產容器中之每一者具有類似於試驗容器之工作體積(例如，在試驗容器之調節比範圍內)之一工作體積。在某些實施例中，每一生產容器具有介於試驗容器之工作體積之約0.7倍與1.5倍之間的一工作體積。在某些實施例中，兩個或多於兩個生產容器之工作體積之總和為試驗容器之工作體積之至少約2倍。 在某些實施例中，設計程序涉及將控制系統設計為在預期之生物反應期間在生產容器與生產容器間維持一或多個參數之實質上均一值。如上文所論述，一適合控制系統可：(i)讀取或接收表徵在生物處理期間兩個或多於兩個容器中之一或多者中之培養基之兩個或多於兩個參數之生產值；(ii)使用所讀取或所接收之生產值來判定兩個或多於兩個生產容器之間的培養基之一經調整流率，以在生物處理期間在兩個或多於兩個生產容器中維持容器與容器間之培養基中之兩個或多於兩個參數之實質上均一生產值；及(iii)控制安置在兩個或多於兩個生產容器之間的流體輸送裝置中之一者以調整如在(ii)中所判定之流率。應注意，此控制環路使條件在生物反應器系統中之容器與容器間保持實質上相同，此與可實施於一主容器中之使參數值保持在所需範圍(絕對範圍)內之一不同控制環路截然相反。 設計大型生物反應器系統之控制系統之程序通常涉及將控制系統設計為在生物處理期間使兩個或多於兩個參數之生產值維持實質上等於兩個或多於兩個參數之試驗值。 在設計生產容器及控制系統之後，該程序實際上涉及按照指定來構造及/或配置兩個或多於兩個生產容器及控制系統以產生大型生物反應器。最後，可在大型生物反應器中執行生物處理。在某些實施方案中，大型生物反應器系統經組態以允許培養基在生產容器中之兩者之間雙向流動，及/或兩個或多於兩個生產容器配置成閉合環路。 在生物處理期間，生物反應器系統中之培養基之總量可增大。舉例而言，生物處理可在生物反應器中以一第一總工作體積之培養基進行，且接著，生物處理可以大於第一總工作體積之一第二總工作體積之培養基但仍僅使用大型生物反應器之兩個或多於兩個生產容器進行。此可藉由在生物處理完成之前將培養基添加至生物反應器系統而完成。在另一方法中，生物處理之至少一部分可在該生物反應器中進行，且接著，在生物反應器系統中添加或啟動再一個額外生產容器。此後，生物反應器系統可經操作以用來自生物反應器系統之一或多個其他生產容器之培養基至少部分地填充一或多個額外生產容器。另一操作模式涉及：(i)在生物反應器系統中進行生物處理，且接著(ii)移除含有培養基及培養基中生長之細胞之兩個或多於兩個生產容器中之一或多者。此方法在一容器中之細胞經培養以用於治療一患者時可係適宜的。 在某些實施例中，大型生物反應器系統包含經組態以共同地實施生物處理之超過兩個生產容器—例如，如上文所闡釋，三個、四個、五個、六個或更多生產容器。在某些實施例中，每一生產容器具有不大於約500升之一工作體積。在某些實施方案中，兩個或多於兩個生產容器之總工作體積與該兩個或多於兩個生產容器中之最大容器之工作體積之比率為至少約3。在某些實施例中，兩個或多於兩個生產容器經連接呈一星狀構形或呈一閉合環路構形。 一般而言，大型生物反應器系統可具有本文中其他地方關於此等系統所闡述之特徵中之任何一或多者。舉例而言，兩個或多於兩個生產容器中之每一者及試驗容器可具有一調節比，且兩個或多於兩個生產容器中之任一者及試驗容器之調節比之變化可限制為不超過約20%。另外，控制系統可經組態以調整兩個或多於兩個生產容器中之條件，以確保兩個或多於兩個生產容器中之培養基之平均pH在容器間之變化不超過約0.1 pH單位。 在諸多實施例中，兩個或多於兩個生產容器中之一者係一主容器，且其他生產容器係附隨容器，其中主容器包含經組態以攪動培養基之一混合系統。附隨容器中之任一者可或可不包含一混合系統。在某些此等實施例中，主容器具有比附隨容器中之任一者大之一工作體積。在某些實施方案中，主容器包含用於培養基中之pH、溫度、一細胞代謝物濃度及溶解氧之一或多個感測器。
4-100‧‧‧線性鏈/鏈 4-101‧‧‧環狀構形/環 5-100‧‧‧環4-101之單向類比 5-101‧‧‧鏈4-100之單向類比 5-102‧‧‧入口 5-103‧‧‧出口 6-100‧‧‧中心生物反應器 6-102‧‧‧混合系統及葉輪 6-103‧‧‧泵 6-104‧‧‧泵 6-106‧‧‧擴增或附隨生物反應器/生物反應器 6-107‧‧‧鼓泡器 6-108‧‧‧擴增或附隨生物反應器/生物反應器 6-109‧‧‧其他流體連接器 6-110‧‧‧其他流體連接器 6-111‧‧‧秤或載重計 6-112‧‧‧秤或載重計 6-113‧‧‧秤或載重計 8-100‧‧‧主生物反應器 8-101‧‧‧生物反應器 8-102‧‧‧生物反應器 8-103‧‧‧生物反應器 8-104‧‧‧生物反應器 8-105‧‧‧生物反應器 8-106‧‧‧生物反應器 8-107‧‧‧生物反應器 8-108‧‧‧生物反應器 8-109‧‧‧單元 9-100‧‧‧主要生物反應器/主生物反應器 9-101‧‧‧培養箱或培養箱搖動器 9-102‧‧‧葉輪 9-103‧‧‧感測器 9-104‧‧‧鼓泡器 9-107‧‧‧雙向泵 9-108‧‧‧附隨/從屬容器 9-109‧‧‧附隨/從屬容器/容器 9-111‧‧‧秤或載重計 9-112‧‧‧秤或載重計 9-113‧‧‧管道/秤或載重計 9-114‧‧‧細胞留持/分離裝置 9-115‧‧‧無菌連接化管道套組/返回環路 9-116‧‧‧泵 9-118‧‧‧無菌連接器 9-119‧‧‧線內病毒過濾件 T1…T8‧‧‧罐
圖1：一2014年公開案中之一次性生物反應器之先前技術規模擴大化培養鏈。 圖2：引入闡述混合之微分方程之一簡單罐。 圖3：用於多罐混合之一「星狀架構」之一數學抽象概念。 圖4：用於可能混合系統之罐配置之兩個額外雙向數學模型。 圖5：用於可能混合系統之罐配置之兩個單向數學模型。 圖6：利用泵及無菌連接器連接至一主容器之兩個從屬(或附隨)容器。此圖展示在一規模擴大或擴增程序中使用之多個罐之基本構形。 圖7：此圖展示分成多個時期之一典型動物細胞生長程序。此圖亦繪示倍增時間。 圖8：此圖展示n個容器擴增之星狀架構之一實體表示。 圖9：經配備以提供個人化醫學應用之模態之一多罐擴增系統。
4-100‧‧‧線性鏈/鏈
4-101‧‧‧環狀構形/環
T1...T8‧‧‧罐

Claims (28)

  1. 一種生物反應器系統，其包括：(a)兩個或多於兩個經流體耦合容器，其經組態以共同地實施一生物反應；(b)一或多個流體路徑，其將該兩個或多於兩個容器彼此耦合，其中該一或多個流體路徑經組態以在該生物反應期間在該兩個或多於兩個容器之間提供培養基流；(c)一或多個流體輸送裝置，其沿著該一或多個流體路徑中之至少某些流體路徑；及(d)一控制系統，其經組態以：(i)讀取或接收表徵在該生物反應期間該等容器中之一或多者中之該培養基之一或多個參數值；(ii)使用該等值來判定該等流體路徑中之至少一者中之一經調整流率，以在該兩個或多於兩個容器中維持容器與容器間之該培養基中之該一或多個參數之實質上均一值；及(iii)控制該等流體輸送裝置中之至少一者以調整在(ii)中所判定之該流率，其中該等流體路徑中之每一者經組態以允許該培養基在該等容器中之兩者之間雙向流動，及/或該兩個或多於兩個容器配置成閉合環路。
  2. 如請求項1之生物反應器系統，其進一步包括至少再一個經流體耦合容器，使得總共為三個或多於三個經流體耦合容器，其經組態以共同地實施該生物反應。
  3. 如請求項1或2之生物反應器系統，其中該一或多個參數包括選自由以下各項組成之群組之一參數：該培養基之pH、溫度、一細胞代謝物濃度及溶解氧濃度。
  4. 如請求項1或2之生物反應器系統，其中每一容器具有不大於約100升之一工作體積。
  5. 如請求項1之生物反應器系統，其中該兩個或多於兩個容器之總工作體積與該兩個或多於兩個容器中之最大容器之工作體積之比率為至少約3。
  6. 如請求項1之生物反應器系統，其中該兩個或多於兩個容器包括聚合物容器壁。
  7. 如請求項1之生物反應器系統，其包括五個或多於五個經流體耦合容器，包含該兩個或多於兩個容器在內。
  8. 如請求項1、2及5至7中任一項之生物反應器系統，其中該兩個或多於兩個容器中之一者係一主容器，且該兩個或多於兩個容器中之其他容器係附隨容器，其中該主容器包括經組態以攪動該培養基之一混合系統。
  9. 如請求項8之生物反應器系統，其中該主容器包括用於該培養基中之 該pH、溫度、一細胞代謝物濃度及溶解氧之一或多個感測器。
  10. 如請求項8之生物反應器系統，其中該主容器具有比該等附隨容器中之任一者大之一工作體積。
  11. 如請求項1、2及5至7中任一項之生物反應器系統，其中該兩個或多於兩個容器及該一或多個流體路徑提供呈一星狀構形之該生物反應器系統。
  12. 如請求項1、2及5至7中任一項之生物反應器系統，其中該兩個或多於兩個容器及該一或多個流體路徑提供呈一閉合環路構形之該生物反應器系統。
  13. 如請求項1、2及5至7中任一項之生物反應器系統，其中該兩個或多於兩個容器設置於一或多個秤及/或載重計上以在該生物反應期間監測該兩個或多於兩個容器之質量。
  14. 如請求項13之生物反應器系統，其中該控制系統進一步經組態以：讀取或接收該一或多個秤及/或載重計之至少一個輸出作為該一或多個參數值中之至少一者；及基於該等秤及/或載重計之該等輸出，控制該等流體輸送裝置中之一或多者以在該兩個或多於兩個容器之間輸送該培養基，使得該兩個或多於兩個容器中之該培養基之一體積受到控制。
  15. 如請求項1、2及5至7中任一項之生物反應器系統，其中該等流體路徑接近該兩個或多於兩個容器之底部而附接。
  16. 如請求項1、2及5至7中任一項之生物反應器系統，其中該控制系統進一步經組態以調整該兩個或多於兩個容器中之條件，以確保該兩個或多於兩個容器中之該培養基之平均pH在容器間之變化不超過約0.1。
  17. 如請求項16之生物反應器系統，其中該兩個或多於兩個容器及該控制系統經組態使得該等容器中之任一者內之該培養基之該pH具有最多約0.1 pH單位之變化。
  18. 如請求項1、2及5至7中任一項之生物反應器系統，其中該控制系統進一步經組態以調整該兩個或多於兩個容器中之條件，以確保在該生物反應期間該兩個或多於兩個容器中之細胞所經歷之剪切力在容器間實質上相等。
  19. 如請求項1、2及5至7中任一項之生物反應器系統，其中該控制系統進一步經組態以調整該兩個或多於兩個容器中之條件，以確保在該生物反應期間該兩個或多於兩個容器中之培養基氣體輸送速率在容器間實質上相等。
  20. 如請求項1、2及5至7中任一項之生物反應器系統，其中該控制系統 包括經組態以控制一主容器之一單個控制環路，其中該兩個或多於兩個容器中之一者係該主容器，且該兩個或多於兩個容器中之其他容器係附隨容器，其中該主容器包括經組態以攪動該培養基之一混合系統。
  21. 如請求項1、2及5至7中任一項之生物反應器系統，其中該兩個或多於兩個經流體耦合容器中之至少一者包括一流體入口及一流體出口，且其中該生物反應器系統經組態以透過該流體入口將該培養基引入至該至少一個容器、在將生物細胞留持在彼容器中之同時交換該容器中之該培養基及使該培養基流出該流體出口，藉此使該至少一個容器以一灌注模式操作。
  22. 如請求項21之生物反應器系統，其中該流體出口包括一過濾器，該過濾器經組態以防止該至少一個容器中之該等生物細胞離開該至少一個容器及該流體出口。
  23. 如請求項21之生物反應器系統，其中該兩個或多於兩個容器中之一者係一主容器，該主容器經組態以透過該流體入口將培養基提供至該至少一個容器，從而提供灌注。
  24. 如請求項23之生物反應器系統，其中該控制系統及該主容器一起經組態以在該主容器中及該至少一個容器中之該培養基中實質上維持溶解氧濃度、溫度及pH之定義值。
  25. 如請求項23之生物反應器系統，其中該主容器包括一混合系統，而 該至少一個容器不包含任何混合系統。
  26. 如請求項21之生物反應器系統，其中該至少一個容器進一步包括一或多個微載體、中空纖維及/或黏附板。
  27. 如請求項1、2及5至7中任一項之生物反應器系統，其中該控制系統進一步經組態以控制該一或多個流體輸送裝置以經由該一或多個流體路徑在該兩個或多於兩個容器之間輸送該培養基，使得交換該兩個或多於兩個容器中之該培養基所需之時間最多為該等容器中之細胞在該兩個或多於兩個容器中之條件下倍增所需之時間之約十分之一。
  28. 一種在一生物反應器系統中實施一生物反應之方法，該生物反應器系統包括：(i)兩個或多於兩個經流體耦合容器，其經組態以共同地實施一生物反應；(ii)一或多個流體路徑，其將該兩個或多於兩個容器彼此耦合，其中該一或多個流體路徑經組態以在該生物反應期間在該兩個或多於兩個容器之間提供培養基流；及(iii)一或多個流體輸送裝置，其沿著該一或多個流體路徑中之至少某些流體路徑，其中該等流體路徑中之每一者經組態以允許該培養基在該等容器中之兩者之間雙向流動，及/或該兩個或多於兩個容器配置成閉合環路，該方法包括：(a)讀取或接收表徵在該生物反應期間該等容器中之一或多者中之該培養基中之一或多個參數值；(b)使用該等值來判定該等流體路徑中之至少一者中之一經調整流率，以在該兩個或多於兩個容器中維持容器與容器間之該培養基中之該一 或多個參數之實質上均一值；及(c)控制該等流體輸送裝置中之至少一者以調整在(b)中所判定之該流率。
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