生物处理装置组件和接种方法与流程

1.本发明涉及一种生物处理装置组件。本发明进一步涉及在生物处理中执行的接种方法。


背景技术：

2.处理强化通常指的是旨在将已建立的处理转化为更高效和更经济的处理的策略。通过简化操作和应用更先进的技术，提高了总体生产率。在工业生物处理领域，已知通过高细胞接种来强化哺乳动物细胞的补料分批处理，通过依赖于以灌注模式操作的接种生物反应器(n
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1级)的方法，以便达到提升的细胞密度。随后，补料分批生物反应器(n级)在细胞浓度基本高于常规补料分批处理的情况下启动(stettler等：“大规模哺乳动物补料分批处理的强化(intensification of large
‑
scale mammalian fed
‑
batch processes)”，《药物生物处理》，2018年第6卷，第1期)。
3.然而，将接种物从一个生物反应器转移到另一个生物反应器是复杂的，并且涉及一定风险。为了确定活细胞密度(vcd)，这是用于“良好”接种物的主要标准之一，并且在此用作生物反应器中用于测量活性生物质的代表性方法，必须手动采取样品并且离线检查。如果测得的vcd不足以用于有效的接种，则必须采取另一个样本并且在以后进行检查，以此类推。如果采取样品之间的间隔很长，例如一天，那么通常会浪费处理时间，因为不太可能在第一次达到期望的、预定的vcd阈值时准确地采取样品。另一方面，如果频繁地采取样品，这意味着处理操作员的工作量增加。
4.此外，在依据实际vcd计算出必要的接种体积之后，手动控制正确体积的转移，这也是一项费力并且易于出错的任务。
5.一般来说，当采取样品并且转移介质时，与生物反应器和介质的每次物理相互作用都会增加污染的风险。


技术实现要素：

6.本发明的一个目的是提供对生物处理的更多控制，尤其是关于用于接种的细胞培养物的精确转移，并且因此使生物处理更高效。
7.上述目的通过根据权利要求1所述的生物处理装置组件以及还根据权利要求6所述的在生物处理中执行的接种方法来实现。通过相关联的从属权利要求，本发明的有利和适宜的实施例是显而易见的。
8.本发明提供了一种生物处理装置组件，其包含至少第一生物反应器和第二生物反应器，以及用于将第一生物反应器中含有的一定体积的介质转移到第二生物反应器中的转移系统。生物处理装置组件进一步包括与第一生物反应器相关联的生物质传感器，用于测量与第一生物反应器中容纳的生物质的数量和/或质量相关的至少一个参数，以及控制单元，其被配置成用于从生物质传感器接收测量数据并且控制转移系统。控制单元被参数化，使得基于从生物质传感器接收的测量数据的评估，决定生物质状态(优选活细胞密度
(vcd))是否足以用于接种，确定必要的接种体积，并且控制转移系统以将确定的接种体积从第一生物反应器转移到第二生物反应器中。
9.本发明基于这种普遍发现(即关键生物处理参数(尤其是vcd)的在线监测)，提供了显著改善处理稳定性、减少处理时间和增强处理性能的潜力。事实上，接种物的vcd被认为是用于后续步骤的质量和再现性的决定性参数。因此，所有后续步骤的最佳控制的最重要的要求是用精确的vcd接种。
10.根据本发明，提供生物质传感器以用于在线测量与第一(预培养)生物反应器中含有的生物质的数量和/或质量相关的至少一个参数。该参数(尤其是vcd)的在线监测，使得一旦参数达到期望的、预定的阈值，即没有实质性的延迟，就可以执行接种。
11.本发明基于进一步的发现，即当相应的生物反应器以灌注模式操作时，通过测量生物质的电容可以在线确定vcd。在这种情况下，否则会随着时间推移而显著改变的某些细胞参数(例如由于细胞膨胀而增加的细胞直径)保持相当恒定，使得它们对电容
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vcd相关性的影响不会有害。
12.如已经指示的那样，优选的是生物质传感器至少能够测量电容。这可以是单频电容测量，也可以是多频电容测量(也称为电容扫描或电容谱(capacitance spectroscopy))。
13.应当注意，生物质的数量和/或质量可以通过“软”生物质传感器来测量，即通过测量取决于生物质的参数或参数的组合来进行测量。因此，除此之外或在替代方案中，生物质传感器还可以能够测量以下至少一项：电阻抗；氧气传输速率(otr)；氧气摄取率(our)；散射光；辐射强度；代谢物(例如葡萄糖)的浓度；代谢物(例如葡萄糖)消耗率；产品形成率。关于后者，光谱测定法允许监测收获流中的蛋白质含量。连同恒定的细胞特异性产物形成率，这可以用作生物质的可靠指标。如果必要或适宜的话，可以组合测量和评估若干参数。
14.生物质传感器和控制单元优选地被配置为用于监测至少一个参数并且实时控制转移系统。这意味着测量数据在采集之后被立即递送和评估，使得在满足一定条件之后，转移系统可以在没有(显著)延迟的情况下被启用。
15.用于将介质从第一生物反应器转移到第二生物反应器的转移系统可以是任何合适的类型。特别地，转移系统可以包括以下可控输送装置中的至少一个：泵；气动驱动器；重力进料器。流量计和/或其他装置可以用于控制转移的接种体积。
16.本发明进一步提供了一种利用根据本发明的装置组件在生物处理中执行的接种方法。该接种方法包括以下步骤：生物质传感器持续地或重复地测量与第一生物反应器中含有的生物质的数量和/或质量相关的至少一个参数；生物质传感器向控制单元发送测量数据；并且控制单元评估从生物质传感器接收的测量数据，并且基于对测量数据的评估，决定生物质状态(优选活细胞密度(vcd))是否足以用于接种，确定必要的接种体积，并且控制转移系统以将确定的接种体积从第一生物反应器转移到第二生物反应器中。
17.优选地，评估从生物质传感器接收的测量数据和控制转移系统以将确定的接种体积从第一生物反应器转移到第二生物反应器的步骤被实时地执行。
18.为了确保最佳的处理性能，应该基于评估的生物质传感器的测量数据来计算必要的接种体积，因为所需的接种体积在很大程度上取决于接种物的活细胞密度。
19.接种体积的转移基本上可以以许多不同的方式执行。特别地，可以使用以下驱动
原理之一：液压；气动压力；重力。
20.第一生物反应器优选以灌注模式操作。考虑到生物处理的强化，灌注不仅是有益的，而且在灌注模式下，测量的参数(尤其是电容)之间的相关性，不会因细胞膨胀等副作用而受损。
21.除了计算必要的接种体积之外，根据以下至少一项来调整或调节第二生物反应器中的初始条件和/或第二生物反应器的处理控制和处理参数是有利的：转移的接种体积中代谢物的量或浓度；转移的接种体积的一个或多个物理化学特性，特别是ph、氧饱和度、温度。
22.本发明的概念是可扩展的。如果在生物处理中使用预培养生物反应器(ni，
…
n
‑
1)的级联，根据本发明的方法可以在生物反应器的级联内执行多次。
附图说明
23.本发明进一步的特征和优点将从以下的描述和参考的附图中变得显而易见。在附图中：
24.图1显示了使用控制系统的根据本发明的生物处理装置组件的示例性设置；
25.图2显示了活细胞密度和电容之间的示例相关性；以及
26.图3总体显示了根据本发明的组件中的多个受控生物反应器的级联。
具体实施方式
27.图1示意性地描绘了用于在补料分批生物处理中执行接种的生物处理装置组件10的可能设置。生物处理装置组件10包括至少两个生物反应器12、14。第一生物反应器12用作种子生物反应器(n
‑
1级)，并且优选以灌注模式操作，而第二生物反应器14用作补料分批生物反应器(n级)。图1中显示的生物反应器12、14都是摇摆运动(rm)生物反应器。
28.第一生物反应器12配备有生物质传感器16，用于测量与第一生物反应器12中容纳的生物质的数量和/或质量相关的至少一个参数。生物质传感器16优选地是电容传感器或包括电容传感器。此外，或者替代地，生物质传感器16可以能够测量以下参数中或其任何导数的至少一个：电阻抗；氧气传输速率(otr)；氧气摄取率(our)；散射光；辐射强度；代谢物(例如葡萄糖)的浓度；代谢物(例如葡萄糖)消耗率；产品形成率。
29.转移系统18可以将容纳在第一生物反应器12中的介质转移到第二生物反应器14中。在图1中显示的示例实施例中，转移系统18包括连接两个生物反应器12、14的软管管路20和集成在软管管路20中的可控泵22。然而，也可以采用其他自动或半自动可控转移概念。特别地，转移系统18还可以包括气动驱动器、重力进料器等。
30.生物质传感器16和转移系统18连接到控制单元24，该控制单元被配置为用于从生物质传感器16接收测量数据并且控制转移系统18。控制单元24可以是主要专用于这些目的的特定单元，或者它可以是通常能够执行各种处理控制操作的灵活的数字控制单元。在任何情况下，控制单元24可以是用于控制生物处理中的若干或所有步骤的高级控制系统的一部分或连接到该高级控制系统。
31.控制单元24能够控制转移系统18，使得容纳在第一生物反应器12中的预先确定的介质的量，特别是接种体积，从第一生物反应器12转移到第二生物反应器14中。为了准确测
量转移的介质的量的重量或体积，与生物反应器12、14中的一个或两个相关联的一个或多个重量和/或体积传感器连接到控制单元24。
32.控制单元24本身被参数化，使得基于从第一生物反应器12中的生物质传感器16接收的测量数据的评估，控制单元24执行以下步骤：
33.(a)决定活细胞密度(vcd)是否足以用于接种，
34.(b)确定必要的接种体积，以及
35.(c)控制转移系统18，以将确定的接种体积从第一生物反应器12转移到第二生物反应器14中。
36.控制单元24的参数化基于vcd和由生物质传感器16测量的参数(尤其是电容)之间的已知相关性。相关性更早地根据经验确定，或者，尤其是在经验数据不可获得的情况下，与实际接种步骤平行确定。相关性还可以通过建模获得。相关性存储在控制单元24中。图2的图表中显示了vcd和电容之间基本线性相关的一个示例。
37.生物处理中的接种如下执行。生物质传感器16连续地或重复地向控制单元24提供测量数据，并且控制单元24连续地或重复地实时评估测量数据(在线监测)。当控制单元24基于上述已知的相关性确定vcd足以或已经达到期望的、预定阈值时，接种立即并且自动启动。
38.在实际介质从第一生物反应器12转移到第二生物反应器14之前，控制单元24根据当前情况，尤其是基于测量的vcd，确定用于接种的必要的生物质的量(接种体积)。然后，介质转移由控制单元24自动启用。
39.在图1显示的示例实施例中，接种体积的转移主要通过操作两个生物反应器12、14之间的软管管路20中的泵22来执行。泵22的操作(至少开始和停止泵22)由控制单元24控制。此外，用于打开和关闭连接到软管管路20的生物反应器端口的阀也可以由控制单元24控制。如果使用另一种类型的转移系统，例如基于气动驱动器、重力给料器等，控制单元24相应地控制这些部件。
40.一旦转移系统18转移了计算的接种体积的量，则控制单元24基于从重量和/或体积传感器接收的测量数据自动终止介质转移。
41.接种体积中含有的代谢物(例如葡萄糖)的量或浓度和/或接种体积的一个或多个物理化学特性，比如ph、氧饱和度(溶解氧、do)、温度等，通过计算或测量来确定。基于所确定的值，第二生物反应器14中的初始条件根据新的代谢物的量和/或物理化学特性进行调整或调节。第二生物反应器14的处理控制和处理参数(pid)也可以这样做，即它们可以根据确定的值进行调整或调节。
42.可选的生物质传感器可以设置在第二生物反应器14中，用于检查有效转移的生物质。
43.上述概念或其一部分可以按比例放大，如图1中的虚线所指示的。特别地，介质在若干预培养生物反应器(n
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x级至n
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x+1级)之间的转移可以自动启动，并且如上所述用相同的控制单元24或若干控制单元自动执行。受控生物反应器的相应级联通常如图3中显示。
44.参考符号列表
45.10生物处理装置组件
46.12第一生物反应器
47.14第二生物反应器
48.16生物质传感器
49.18转移系统
50.20软管管路
51.22泵
52.24控制单元