监测生物反应器中的状态偏差制造技术

本发明专利技术涉及一种用于监测生物反应器(104、106)中的细胞培养物状态与参考生物反应器(102)中的细胞培养物的参考状态的偏差的系统(100)。所述生物反应器包含与所述参考生物反应器相同的培养基(M1)。所述系统包含：■‑存储介质(114)，其包含：■PACO‑参考状态图(116)，其指示在参考生物反应器中测得的CO2排气速率(ACOR‑M‑ti)与参考生物反应器的预测CO2排气速率(ACOR‑EXP‑ti)的偏差；■包含当所述培养基与所述气体体积处于pH‑CO2平衡状态并且不含细胞培养物时培养基(M1)的pH值和气体体积中的各自CO2气体分数之间的培养基特异性关系(136)的数据对象；■‑用于接收(212)当前CO2排气速率(ACOB1‑M‑ti、ACOB2‑M‑ti)和生物反应器(104、106)的培养基的当前pH值(pHB1‑ti)的接口(128)；■‑比较单元(130)，其配置成计算(214、216)：■PACO值(PACOB1‑ti、PACOB1‑ti)，所述PACO值指示在生物反应器中测得的CO2排气速率(ACOB1‑M‑ti、ACOB2‑M‑ti)与生物反应器的预测CO2排气速率(ACOB1‑EXP‑ti、ACOB2‑EXP‑ti)的偏差，所述预测CO2排气速率是在不存在细胞培养物的情况下生物反应器中的所述培养基在pH‑CO2平衡状态下的预测排气速率；■计算出的PACO值(PACOB1‑ti、PACOB2‑ti)和PACO‑参考状态图(116)中的各自参考PACO值(PACOR‑ti)之间的差值。比较单元(130)配置成输出(218)计算差值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】监测生物反应器中的状态偏差专利
本专利技术涉及生物化学工程领域，更特别涉及用于监测生物反应器的系统。背景和相关技术生物反应器常用于进行化学工艺，特别是由活生物体以受控方式进行的工艺，例如为了获得化学化合物，特别是特定的肽、蛋白质或其它种类的化学物质。共同的目标是以微生物或细胞能够发挥它们的所需功能并产生有限杂质的方式和/或以时间和成本有效的方式运行生物反应器。生物反应器内的环境条件，如温度、营养素浓度、pH和溶解的气体，以及培养的细胞的参数和生物反应器的参数，如其形状和尺寸，影响生物体的生长和生产力。因此，生物体的生长和生产力取决于许多参数，它们经常相互影响。因此，使所有参数保持恒定以提供用于在生物反应器中培养细胞的指定条件通常是非常困难的任务。此外，对生物反应器中的细胞培养物的生长和代谢具有影响的多个参数的复杂相互依赖性是在另一生物反应器中精确再现参考生物反应器中的物理化学环境的障碍。例如，WO2007/085880A1描述了使用多个参数，如含有细菌和营养素的分批/补料分批(fed-batch)发酵单元的肉汤中产物、生物质、糖的浓度在线预测发酵单元的未来性能的方法，由此计算机模型基于当前装置数据预测未来产物浓度。每几个小时提取肉汤样品并在实验室中分析生物质产率。但是，通常不可能用完全相同的用于运行参考生物反应器的参数运行特定生物反应器，并且在这种情况下，所述特定生物反应器中的细胞培养物状态与参考生物反应器中的参考细胞培养物的“所需”状态的比较是困难或易错或甚至不可能的。概述本专利技术的一个目标是提供用于监测如独立权利要求中规定的生物反应器的改进的系统和方法。在从属权利要求中提供本专利技术的实施方案。如果它们没有互相排斥，本专利技术的实施方案可以互相自由组合。本文所用的“生物反应器”是在其中进行涉及生物体或衍生自此类生物体的生物化学活性物质的化学工艺的容器。这种工艺可以是例如需氧或厌氧的。存在许多不同的生物反应器类型，它们的形状(例如圆柱形或其它)、尺寸(例如毫升、升至立方米)和材料(不锈钢、玻璃、塑料等)不同。根据实施方案，该生物反应器适用于在细胞培养物中培养细胞或组织。根据实施方案和/或根据运行模式，生物反应器可以是分批生物反应器、补料分批生物反应器或连续生物反应器(例如连续搅拌釜反应器模型)。连续生物反应器的一个实例是化学稳定器。在一个方面中，本专利技术涉及一种用于监测生物反应器中的细胞培养物状态与参考生物反应器中的细胞培养物的参考状态的偏差的系统。所述生物反应器包含与参考生物反应器相同的培养基。所述系统包含：-存储介质，其包含：■PACO-参考状态图(PACO-referenceprofile)，所述PACO-参考状态图代表参考PACO值相对于时间的变化，所述PACO-参考状态图指示在参考生物反应器中测得的CO2排气速率与参考生物反应器的预测CO2排气速率的偏差，所述预测CO2排气速率是在不存在细胞培养物的情况下和在平衡状态下的培养基的pH值等于在测量参考生物反应器中的CO2排气速率时测得的参考生物反应器的pH值的条件下参考生物反应器中的所述培养基在pH-CO2平衡状态下的预测排气速率，所述PACO参考状态图依赖于在培养细胞培养物时由参考生物反应器中的细胞培养物的细胞产生的CO2排气的量；■包含培养基特异性关系(medium-specificrelation)的数据对象，所述培养基特异性关系是所述培养基特有的并指示当所述培养基与所述气体体积处于pH-CO2平衡状态并且不含细胞培养物时所述培养基的pH值和气体体积中的各自CO2气体分数之间的关系；-用于在当前时间下反复接收在生物反应器中的细胞培养物的培养过程中测得的生物反应器的当前CO2排气速率和生物反应器的培养基的当前pH值的接口；-比较单元，其配置成对于各接收的当前CO2排气速率，计算：■PACO值，所述PACO值指示在生物反应器中测得的CO2排气速率与生物反应器的预测CO2排气速率的偏差，所述预测CO2排气速率是在不存在细胞培养物的情况下和在平衡状态下的培养基的pH值等于在测量生物反应器中的CO2排气速率时测得的生物反应器的pH值的条件下生物反应器中的所述培养基在pH-CO2平衡状态下的预测排气速率，所述PACO值依赖于在培养细胞培养物的同时由生物反应器中的细胞培养物的细胞产生的CO2排气的量，使用下列这些作为输入计算PACO值：о接收的当前CO2排气速率；о接收的当前pH值；о在接收当前CO2排气速率时生物反应器的总气体流入速率；和о所述培养基特异性关系；■在生物反应器的培养基体积不同于参考生物反应器的培养基体积的实施方案中，可以另外使用生物反应器中的培养基或细胞悬液的重量或体积作为充当归一化因子的输入参数(用于计算归一化PACO(“NPACO”)值)；■计算出的PACO值和PACO-参考状态图中的各自参考PACO值之间的差值。所述比较单元配置成输出计算差值，所述计算差值指示生物反应器中的细胞培养物的状态与参考状态的偏差。所述特征由于许多原因是有利的：该PACO值包含在参考生物反应器中在特定pH值下测得的CO2排气速率(同时或过去)与对包含所述特定培养基的参考生物反应器预期(预测)的CO2排气速率的偏差的“知识”，据此该预测假定参考生物反应器中的培养基在pH-CO2平衡下并且不包含细胞培养物或可影响所述培养基的pH-CO2平衡的任何其它因素。因此，该PACO值是反映由对所述培养基的pH-CO2平衡具有成因性影响的任何因素造成的测得的CO2排气速率与预期(“预测”)CO2排气速率的任何偏离的“综合”参数值。PACO值不区分所述成因性影响是否涉及细胞代谢和/或温度或压力的改变和/或通过提高或降低影响pH-CO2平衡状态的流体或气体的流量。因此，PACO值可从对细胞培养物的培养条件具有影响并因此也对pH-CO2平衡状态和对生物反应器的气体体积和排气中的CO2浓度具有影响的许多独立参数的影响中抽提出来。在给定pH值下，PACO通常在需氧细胞代谢提高和/或在需氧条件下的细胞培养物生长的情况下提高。如果培养基的pH显著降低，PACO通常降低。这种情况可能由于细胞代谢而发生，例如如果细胞的CO2生成以及分泌的代谢物如乳酸盐过度补偿经排气线路和管道从生物反应器中除去CO2。因此，PACO值可能比一组多个参数值(独立测得的温度、压力、CO2压力、pH值)更精确反映影响细胞培养物的生长条件的生物反应器的“整体系统状态”。因此，观察到PACO值可用作比同时但逐一考虑的一组多个生物反应器参数更精确的生物反应器的状态和/或生物反应器中的细胞培养物的状态的指示。PACO值可改进比较生物反应器或所述生物反应器中的细胞培养物的状态与参考生物反应器中的参考细胞培养物的(“所需”)状态的任务和使之更容易并因此甚至在一种或多种影响细胞生长的参数，例如这两种比较的生物反应器的尺寸、维度和/或搅拌机制显著不同的情况下也能够比较两种细胞培养物的状态。因此，可通过监测在“已知”提供用于为特定目的(肽或蛋白质分离等)的培养特定细胞培养物的极好或最佳条件的控制参数下的参考生物反应器获得PACO参考状态图。这一状态图可用作PACO参考状态图并因此用作特定类型的细胞培养项目的某种标准或“目标”本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于监测生物反应器(104、106)中的细胞培养物状态与参考生物反应器(102)中的细胞培养物的参考状态的偏差的系统(100)，所述生物反应器包含与参考生物反应器相同的培养基(M1)，所述系统包含：‑存储介质(114)，其包含：■PACO‑参考状态图(116)，所述PACO‑参考状态图代表参考PACO值(PACOR‑ti)相对于时间(ti)的变化，所述PACO‑参考状态图指示在参考生物反应器中测得的CO2排气速率(ACOR‑M‑ti)与参考生物反应器的预测CO2排气速率(ACOR‑EXP‑ti)的偏差，所述预测CO2排气速率是在不存在细胞培养物的情况下和在平衡状态下的培养基的pH值等于在测量参考生物反应器中的CO2排气速率(ACOR‑M‑ti)时测得的参考生物反应器的pH值(pHR‑ti)的条件下参考生物反应器中的所述培养基在pH‑CO2平衡状态下的预测排气速率，所述PACO参考状态图依赖于在培养细胞培养物时由参考生物反应器中的细胞培养物的细胞产生的CO2排气的量；■包含培养基特异性关系(136)的数据对象，所述培养基特异性关系是培养基(M1)特有的并指示当所述培养基与所述气体体积处于pH‑CO2平衡状态并且不含细胞培养物时培养基(M1)的pH值和气体体积中的各自CO2气体分数之间的关系；‑用于在当前时间(ti)下反复接收(212)在生物反应器中的细胞培养物的培养过程中测得的生物反应器(104、106)的当前CO2排气速率(ACOB1‑M‑ti、ACOB2‑M‑ti)和生物反应器(104、106)的培养基的当前pH值(pHB1‑ti、pHB2‑ti)的接口(128)；‑比较单元(130)，其配置成对于各接收的当前CO2排气速率，计算(214、216)：■PACO值(PACOB1‑ti、PACOB2‑ti)，所述PACO值指示在生物反应器(104、106)中测得的CO2排气速率(ACOB1‑M‑ti、ACOB2‑M‑ti)与预测CO2排气速率(ACOB1‑EXP‑ti、ACOB2‑EXP‑ti)的偏差，所述预测CO2排气速率是在不存在细胞培养物的情况下和在平衡状态下的培养基的pH值等于在测量生物反应器(104、106)中的CO2排气速率时测得的生物反应器(104、106)的当前pH值(pHB1‑ti、pHB2‑ti)的条件下所述生物反应器(104、106)中的所述培养基在pH‑CO2平衡状态下的预测排气速率，所述PACO值依赖于在培养细胞培养物时由生物反应器中的细胞培养物的细胞产生的CO2排气的量，使用下列这些作为输入计算PACO值(PACOB1‑ti、PACOB2‑ti)：°接收的当前CO2排气速率(ACOB1‑M‑ti、ACOB2‑M‑ti)；°接收的当前pH值(pHB1‑ti、pHB2‑ti)；°在接收当前CO2排气速率时(ti)生物反应器的总气体流入速率(TGIB1、TGIB2)；和°培养基特异性关系(136)；■计算出的PACO值(PACOB1‑ti、PACOB2‑ti)和PACO‑参考状态图(116)中的各自参考PACO值(PACOR‑ti)之间的差值；■比较单元(130)配置成输出(218)计算差值，所述计算差值指示生物反应器(104、106)中的细胞培养物的状态与参考状态的偏差。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.30 EP 15192387.71.一种用于监测生物反应器(104、106)中的细胞培养物状态与参考生物反应器(102)中的细胞培养物的参考状态的偏差的系统(100)，所述生物反应器包含与参考生物反应器相同的培养基(M1)，所述系统包含：-存储介质(114)，其包含：■PACO-参考状态图(116)，所述PACO-参考状态图代表参考PACO值(PACOR-ti)相对于时间(ti)的变化，所述PACO-参考状态图指示在参考生物反应器中测得的CO2排气速率(ACOR-M-ti)与参考生物反应器的预测CO2排气速率(ACOR-EXP-ti)的偏差，所述预测CO2排气速率是在不存在细胞培养物的情况下和在平衡状态下的培养基的pH值等于在测量参考生物反应器中的CO2排气速率(ACOR-M-ti)时测得的参考生物反应器的pH值(pHR-ti)的条件下参考生物反应器中的所述培养基在pH-CO2平衡状态下的预测排气速率，所述PACO参考状态图依赖于在培养细胞培养物时由参考生物反应器中的细胞培养物的细胞产生的CO2排气的量；■包含培养基特异性关系(136)的数据对象，所述培养基特异性关系是培养基(M1)特有的并指示当所述培养基与所述气体体积处于pH-CO2平衡状态并且不含细胞培养物时培养基(M1)的pH值和气体体积中的各自CO2气体分数之间的关系；-用于在当前时间(ti)下反复接收(212)在生物反应器中的细胞培养物的培养过程中测得的生物反应器(104、106)的当前CO2排气速率(ACOB1-M-ti、ACOB2-M-ti)和生物反应器(104、106)的培养基的当前pH值(pHB1-ti、pHB2-ti)的接口(128)；-比较单元(130)，其配置成对于各接收的当前CO2排气速率，计算(214、216)：■PACO值(PACOB1-ti、PACOB2-ti)，所述PACO值指示在生物反应器(104、106)中测得的CO2排气速率(ACOB1-M-ti、ACOB2-M-ti)与预测CO2排气速率(ACOB1-EXP-ti、ACOB2-EXP-ti)的偏差，所述预测CO2排气速率是在不存在细胞培养物的情况下和在平衡状态下的培养基的pH值等于在测量生物反应器(104、106)中的CO2排气速率时测得的生物反应器(104、106)的当前pH值(pHB1-ti、pHB2-ti)的条件下所述生物反应器(104、106)中的所述培养基在pH-CO2平衡状态下的预测排气速率，所述PACO值依赖于在培养细胞培养物时由生物反应器中的细胞培养物的细胞产生的CO2排气的量，使用下列这些作为输入计算PACO值(PACOB1-ti、PACOB2-ti)：°接收的当前CO2排气速率(ACOB1-M-ti、ACOB2-M-ti)；°接收的当前pH值(pHB1-ti、pHB2-ti)；°在接收当前CO2排气速率时(ti)生物反应器的总气体流入速率(TGIB1、TGIB2)；和°培养基特异性关系(136)；■计算出的PACO值(PACOB1-ti、PACOB2-ti)和PACO-参考状态图(116)中的各自参考PACO值(PACOR-ti)之间的差值；■比较单元(130)配置成输出(218)计算差值，所述计算差值指示生物反应器(104、106)中的细胞培养物的状态与参考状态的偏差。2.权利要求1的系统(100)，所述培养基特异性关系是通过数学拟合培养基(M1)的pH值和在气体体积中各自测得的CO2气体分数的多个凭经验确定的对获得的方程FCO2M1(pH)＝REL-M1(pH)，其中：-FCO2M1(pH)是在所述培养基具有给定pH值并与所述气体体积处于pH-CO2平衡状态并且不含细胞培养物时培养基(M1)的样品上方的气体体积中的预测CO2气体分数；-所述pH值是输入参数值并代表在不存在细胞培养物的情况下在pH-CO2平衡状态下的培养基(M1)的pH值；-其中REL-M1是通过运算符连接的一个或多个参数(a1、a2、b1、b2、b3)的集合，这些参数如下获得：■将不含细胞培养物的培养基(M1)的样品调节至多个不同的pH值，由此使所述样品达到与气体体积的pH-CO2平衡，■测定与样品中的培养基处于pH-CO2平衡下的各自气体体积中的CO2气体分数，■对照样品的各自平衡pH值对测定的CO2气体分数作图，■在作图值中拟合曲线(502)和由所述拟合曲线推导培养基特异性关系的参数(a1、a2或b1、b2、b3)。3.前述权利要求任一项的系统(100)，接收的当前CO2排气速率、接收的当前pH值、生物反应器在特定时间ti(t0、t1、…、tmax)的总气体流入速率和培养基特异性关系是用于计算监测的生物反应器的PACO值(PACOB1-ti、PACOB2-ti)的仅有输入参数。4.前述权利要求任一项的系统(100)，所述系统配置成计算PACO值(PACOB1-ti、PACOB2-ti)，PACO值的计算包括：-将接收的当前pH值输入培养基特异性关系以计算在测量当前CO2排气速率和当前pH值时与培养基处于平衡状态的生物反应器(104、106)的气体体积中的预测CO2浓度(“FCO2EXP“)；-将预测CO2浓度(“FCO2EXP“)乘以生物反应器的总气体流入速率以获得生物反应器的预测CO2排气速率(“ACOEXP“)；预测CO2排气速率是在不存在细胞培养物的情况下和在平衡状态下的培养基的pH值等于输入所述培养基特异性关系的接收的当前pH值的条件下所述培养基在pH-CO2平衡状态下的预测排气速率；和-从生物反应器的预测CO2排气速率(ACOB1-EXP-ti、ACOB2-EXP-ti)中减去生物反应器的测得CO2排气速率(ACOB1-M-ti、ACOB2-M-ti)以获得PACO值。5.权利要求4的系统(100)，所述生物反应器在当前时间(ti)的预测CO2排气速率(ACOB1-EXP-ti、ACOB1-EXP-ti)的计算如下进行：ACOEXP-ti其中TGIB1是生物反应器(104、106)在当前时间(ti)的气体流入总量，且其中FCO2EXP是在测量当前CO2排气速率和当前pH值时与培养基处于平衡状态的生物反应器(104、106)的气体体积中的预测CO2浓度。6.前述权利要求任一项的系统(100)，所述计算差值的输出包括：-在计算出的PACO值(PACOB1-ti、PACOB2-ti)和PACO-参考状态图(116)中的各自参考PACO值(PACOR-ti)之间的计算差值(808、810)超过阈值的情况下，自动输出警报信号。7.前述权利要求任一项的系统(100)，所述培养基是碳酸盐缓冲培养基。8.前述权利要求任一项的系统(100)，所述参考生物反应器与生物反应器(104、106)的区别在于一个或多个下列特征：a)生物反应器中的气体体积，b)生物反应器中的培养基体积，c)生物反应器的雷诺数，d)生物反应器的牛顿数，e)生物反应器的尺寸，f)生物反应器和/或生物反应器挡板的几何特征，g)搅拌器配置，h)搅拌速率，i)生物反应器的氧气体积传质系数(kLa)，j)总气体流入速率和/或O2流入速率和/或N2流入速率和/或CO2流入速率，k)功率输入，l)生物反应器中的压力，m)培养基中的气泡保持时间，n)培养基中的气泡尺寸和分布，o)表面速度，p)作为一个或多个参数a)-o)的导数计算的参数。9.前述权利要求任一项的系统(100)，在当前时间(ti)的PACO值(PACOB1-ti)的计算包括对于生物反应器(104)的各接收的当前CO2排气速率(ACOB1-M-ti)和pH值(pHB1-ti)，计算：-根据：FCO2B1-EXP-ti[％]＝REL-M1(pHB1-ti)的生物反应器(104)的当前排气体积的预期CO2排气分数FCO2B1-EXP-ti[％]，其中FCO2B1-EXP-ti[％]是在当前时间(ti)以％计的生物反应器(104)的总排气体积(TGOB1)的预测CO2排气分数，使用接收的当前pH值(pHB1-ti)作为用于REL-M1(pHB1-ti)的输入值计算所述预测，其中REL-M1是培养基(M1)的培养基特异性关系(136)，其中pHB1-ti是在当前时间(ti)在生物反应器(104、106)的培养基中接收的当前pH值；-根据：的预期CO2排气速率ACOB1-EXP-ti[mol/min]值，其中ACOB1-EXP-ti[mol/min]值是当生物反应器的培养基具有当前测得的pH值并与所述培养基上方的气相处于pH-CO2平衡时生物反应器(104)的预期CO2排气速率其中TGIB1是生物反应器(104)在当前时间(ti)的气体流入总量；-根据：PACOB1-ti＝ACOB1-EXP-ti[mol/min]-ACOB1-M-ti[mol/min]的PACOB1-ti[mol/min]值，其中A...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·克灵格尔，D·艾森克雷特泽尔，K·格雷普迈尔，C·施米德贝格尔，
申请(专利权)人：豪夫迈·罗氏有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH