一种悬浮细胞病变终点自动识别与控制系统及方法与流程

文档序号:11125814
一种悬浮细胞病变终点自动识别与控制系统及方法与制造工艺

本发明属于生物学技术领域,具体涉及一种能够减少人为主观随意性、增加生产工序连续性的悬浮细胞病变终点自动识别与控制系统及方法。



背景技术:

细胞培养为病毒疫苗的生产提供培养基质,也是多种生物制品生产不可缺少的工具。细胞悬浮培养是利用生物反应器大规模培养细胞、生产生物制品的核心技术,是当前国际上生物制品生产的主流模式。细胞悬浮培养技术可以进行大规模细胞培养,能够获得大量的病毒产物和高质量的疫苗产品。病毒有高度的寄生性,完全依赖宿主细胞的能量和代谢系统,获取生命活动所需的物质和能量,当遇到宿主细胞它会通过吸附、进入、复制、装配、释放子代病毒而显示典型的生命体特征。通常,悬浮细胞培养及病毒繁殖流程为:已经驯化的悬浮细胞种子复苏培养后,通过扁瓶、摇瓶及生物反应器逐级培养放大,然后将病毒种子接种到放大的悬浮培养细胞中,进行细胞感染培养,当宿主细胞的物质和能量被病毒繁殖吸收殆尽时,标志病毒繁殖培养到达终点(培养完成),即细胞病变程度(或CPE)达100%。

虽然中国工业自动控制系统制造行业在近几年取得了令人瞩目的成绩,但仍有些行业在自动化控制方面处于起步阶段,特别是兽用疫苗生产行业。目前,很多企业都是通过人工取样,并将样品在显微镜下观察后判断细胞的病变程度,决定病毒的收获时机。此过程中受人为的操作方法和主观因素影响,产生很大的批间差,很大程度上靠经验生产。兽用疫苗生产行业近几年刚从手工操作发展为机械设备工业化规模生产,在设备自动控制方面也多数为单台控制,很少有系统自动化控制。



技术实现要素:

本发明的目的是为了解决上述问题,提供一种能够减少人为主观随意性、自动并准确识别细胞病变终点、增加生产工序连续性的悬浮细胞病变终点自动识别与控制系统。

本发明的上述目的是由以下技术方案来实现的:

一种悬浮细胞病变终点自动识别与控制系统,包括病毒培养反应器(00)、病毒收获储罐(01)和阀门执行器单元(04),病毒培养反应器(00)的反应器出料口(2)与病毒收获储罐(01)的储罐进料口(11)通过管道相连,病毒液在病毒培养反应器(00)中培养完成后通过反应器出料口(2)经储罐进料口(11)转移到病毒收获储罐(01)的罐体内保存;所述系统还包括电极探头检测单元(03)和识别控制单元(02),所述电极探头检测单元(03)包括安装于病毒培养反应器(00)的罐体上的溶解氧检测电极(Q1),溶解氧检测电极(Q1)电连接到所述识别控制单元(02),识别控制单元(02)利用溶解氧检测电极(Q1)检测出的病毒培养反应器(00)中的溶解氧值自动识别病毒培养过程中的悬浮细胞病变终点。

上述悬浮细胞病变终点自动识别与控制系统中,所述溶解氧检测电极(Q1)安装在带密封圈的电极套筒内,电极套筒通过快开卡箍和密封垫片与病毒培养反应器(00)的罐体上开设的电极安装口连接,该电极与罐体内液体直接接触。

上述悬浮细胞病变终点自动识别与控制系统中,所述电极探头检测单元(03)还包括设置在病毒培养反应器(00)的罐体顶部和底部的反应器液位检测探头一(L1)和反应器液位检测探头二(L2)所构成的差压液位计,反应器液位检测探头二(L2)接液相检测到压力P1,反应器液位检测探头一(L1)接气相检测到压力P2,二者的差值与液位H存在关系H=(P1-P2)/(ρg),被测液体介质的密度ρ已知,差压液位计检测到的压差与液位高度成正比,所述差压液位计通过检测差压可以得到液位高度值。

上述悬浮细胞病变终点自动识别与控制系统中,所述电极探头检测单元(03)还包括设置在病毒收获储罐(01)的罐体顶部和底部的储罐液位检测探头一(L3)和反应器液位检测探头二(L4)所构成的差压液位计,储罐液位检测探头二(L4)接液相检测到压力P1,储罐液位检测探头一(L3)接气相检测到压力P2,二者的差值与液位H存在关系H=(P1-P2)/(ρg),被测液体介质的密度ρ已知,差压液位计检测到的压差与液位高度成正比,所述差压液位计通过检测差压可以得到液位高度值。

上述悬浮细胞病变终点自动识别与控制系统中,所述电极探头检测单元(03)还包括设置在病毒培养反应器(00)的罐体上的反应器温度检测探头T1和设置在病毒收获储罐(01)的罐体上的储罐温度检测探头T2。

上述悬浮细胞病变终点自动识别与控制系统中,所述阀门执行器单元(04)包括设置在病毒培养反应器(00)的罐体上的反应器补气口(3)、反应器排气口(4)、反应器进料口(1)、反应器出料口(2)和病毒培养反应器(00)的控温管道上的反应器温控水进口(5)、反应器温控水出口(6)处的反应器阀门(V1~V6)以及设置在病毒收获储罐(01)的罐体上的储罐进料口(11)、储罐出料口(12)、储罐补气口(13)、储罐排气口(14)和病毒收获储罐(01)的控温管道上的储罐温控水进口(15)、储罐温控水出口(16)处的储罐阀门(V11~V16),各阀门均电连接到识别控制单元(02)。

上述悬浮细胞病变终点自动识别与控制系统中,所述识别控制单元(02)为PLC/DCS控制器,所述识别控制单元(02)包括用于记录悬浮细胞病变时间的计时器和用于显示电极探头检测单元(03)检测到的数据和阀门执行器单元(04)中各阀门的工作状态以及设置工作参数的显示屏。

上述悬浮细胞病变终点自动识别与控制系统中,所述工作参数包括悬浮细胞病变终点的溶氧值、溶氧消耗率、溶氧值和溶氧消耗率符合条件后的累计时间、病毒液收获降温温度值和液位无变化固定时长。

本发明还提供一种悬浮细胞病变终点自动识别与控制方法,所述方法采用上述悬浮细胞病变终点自动识别与控制系统进行悬浮细胞病变终点的自动识别以及病毒培养条件和病毒液转移、保存的自动控制,,包括以下步骤:

步骤一:启动识别控制单元(02)和电极探头检测单元(03),设定悬浮细胞病变终点的溶氧值、溶氧消耗率、溶氧值和溶氧消耗率符合条件后的累计时间、病毒液收获降温温度值和液位无变化固定时长参数;

步骤二:打开阀门执行器单元(04)的反应器阀门(V1,V4),从反应器进料口(1)向病毒培养反应器(00)的罐体内添加细胞液和种毒,监视反应器液位检测探头一(L1)和反应器液位检测探头二(L2)直到达到病毒培养反应器(00)的预定液位;打开反应器阀门(V5,V6),使热水从反应器温控水进口(5)进入、反应器温控水出口(6)出去,实现循环加热升温,将病毒培养反应器(00)的温度控制到预定温度,启动其他培养系统达到预定培养条件,开始病毒培养;

步骤三:溶解氧检测电极(Q1)实时检测病毒培养反应器(00)中的溶氧值,并实时计算悬浮细胞的溶氧消耗率,即溶氧消耗率为(计时开始点溶氧值-计时结束点溶氧值)%/计时时长(min);识别控制单元(02)比较溶氧值与溶氧设定值以及溶氧消耗率与溶氧消耗率设定值,如果同时满足设定要求,启动计时器,如果累计时间为时间设定值内,溶氧值与溶氧设定值以及溶氧消耗率与溶氧消耗率设定值一直满足设定要求,执行步骤四的操作,否则重复步骤三;

步骤四:对病毒培养反应器(00)中的病毒液进行降温,使冷却水从反应器温控水进口(5)进入、反应器温控水出口(6)出去,实现循环冷却降温,识别控制单元(02)比较反应器温度检测探头(T1)检测到的温度值与温度设定值,如果满足设定条件,执行步骤五,否则重复步骤四;

步骤五:关闭反应器阀门(V4),打开反应器阀门(V3,V2)和储罐阀门(V11,V14),将病毒培养反应器(00)中的病毒液转移到病毒收获储罐(01)中,同时打开病毒收获储罐(01)的储罐阀门(V15,V16),使病毒液在病毒收获储罐(01)中维持低温状态;当病毒培养反应器(00)的液位不再变化时并维持30秒即转液结束,关闭病毒培养反应器(00)的反应器阀门(V3,V2),打开反应器阀门(V4),同时关闭病毒收获储罐(01)的储罐阀门(V11,V14),打开储罐阀门(V13),补加一定正压将病毒液低温保存。

上述悬浮细胞病变终点自动识别与控制方法中,步骤三中所述时间设定值为2小时。

采用上述技术方案,本发明的技术效果是:本发明系统通过溶解氧检测电极检测出病毒培养反应器中悬浮细胞液的溶解氧值,并通过识别控制单元自动识别病毒培养过程中的悬浮细胞病变终点,控制培养完成的病毒液自动降温并自动转移到病毒收获储罐,从而减少人为主观随意性,确定了标准统一的操作流程,又提高了操作时机的精确性和及时性,有利于生产工序的连续性,同时大大降低了产品的批间差,还提高了产品的收率。

附图说明

图1是本发明系统的整体结构示意图;

图2是本发明方法的识别与控制流程图。

图中附图标记表示为:

00:病毒培养反应器,01:病毒收获储罐;02:识别控制单元,03:电极探头检测单元,04:阀门执行器单元;

1:反应器进料口,2:反应器出料口,3:反应器补气口,4:反应器排气口,5:反应器温控水进口,6:反应器温控水出口;T1:反应器温度检测探头,Q1:溶解氧检测电极,L1:反应器液位检测探头一,L2:反应器液位检测探头二;

11:储罐进料口,12:储罐出料口,13:储罐补气口,14:储罐排气口,15:储罐温控水进口,16:储罐温控水出口;T2:储罐温度检测探头,L3:储罐液位检测探头一,L4:储罐液位检测探头二;

V1~V6:反应器阀门,V11~V16:储罐阀门。

具体实施方式

细胞悬浮培养技术可以进行大规模细胞培养,能够获得大量的病毒产物和高质量的疫苗产品。目前,很多生物制品企业都是通过人工取样,并将样品在显微镜下观察后判断细胞的病变程度,决定病毒的收获时机,此过程中受人为的操作方法和主观因素影响,很大程度上靠经验生产,产生很大的批间差。针对以上不足,本发明系统及方法采用识别控制单元自动识别病毒繁殖过程中的细胞病变终点,从而减少人为主观随意性,增加生产工序的连续性。本发明系统通过硬件设备检测出细胞培养环境的溶解氧实际值,并与设定值相比较做出判断,并自动执行相应的流程,如自动停止培养流程、自动启动降温流程和自动启动转液流程,完成细胞病变过程,进而获得病毒抗原。

以下结合附图和具体实施例,对本发明的悬浮细胞病变终点自动识别与控制系统及方法进行详细说明。

悬浮细胞病变终点自动识别与控制系统

图1为本发明系统的结构示例(粗线表示物理管道连接,细线表示电连接),在该实施例中,本发明的悬浮细胞病变终点识别与控制系统包括病毒培养反应器00、病毒收获储罐01、电极探头检测单元03、阀门执行器单元04和识别控制单元02,其中:

病毒培养反应器00为中空的罐体结构,用于病毒在悬浮细胞中进行繁殖培养,罐体上部设置有反应器补气口3和反应器排气口4,分别用于病毒液收获转移时罐体补压和罐体泄压;罐体侧壁上部设有反应器进料口1,用于加入细胞、种毒和病毒维持液,罐体底部对应设有反应器出料口2,当细胞病变完成后用于将培养好的病毒液转移到病毒收获储罐01中;罐体侧壁还设置有控温管道,用于病毒培养时罐体的保温和培养结束后罐体的降温,该管道为U型横截面的半开式管体呈螺旋状焊接在病毒培养反应器的罐体上,该管道上端设有反应器温控水出口6,下端设有反应器温控水进口5。

病毒收获储罐01也为中空罐体结构,用于繁殖结束后的病毒在低温条件下的保存,罐体上部设置有储罐进料口11,该进料口与病毒培养反应器00的反应器出料口2通过管道相连,病毒液在病毒培养反应器00中培养完成后通过反应器出料口2经储罐进料口11转移到病毒收获储罐01的罐体内;同样,病毒收获储罐01的罐体顶部设置有储罐补气口13和储罐排气口14,分别用于病毒液往下游工序转移时罐体补压和罐体泄压;罐体底部对应设有储罐出料口12,用于向下游工序转出低温病毒液;罐体侧壁也设置有控温管道,用于病毒液收获后罐体的降温和温度维持,该管道为U型横截面的半开式管体呈螺旋状焊接在病毒收获储罐的罐体上,该管道上端设有储罐温控水出口16,下端设有储罐温控水进口15。

为了对病毒培养反应器00和病毒收获储罐01中的液体状态、病毒在悬浮细胞中的病变过程进行监视以及对病毒培养条件进行控制,在病毒培养反应器00和病毒收获储罐01的罐体上设置电极探头检测单元03,并在二者罐体的各种口处设置相应的控制阀门作为阀门执行器单元04,用于控制各口的打开/关闭。

电极探头检测单元03包括设置在病毒培养反应器00的罐体上的反应器温度检测探头T1、溶解氧检测电极Q1和设置在罐体顶部和底部的反应器液位检测探头一L1和反应器液位检测探头二L2以及设置在病毒收获储罐01的罐体上的储罐温度检测探头T2和设置在罐体顶部和底部的储罐液位检测探头一L3和储罐液位检测探头二L4,其中,溶解氧检测电极Q1安装在带密封圈的电极套筒内,电极套筒通过快开卡箍和密封垫片与病毒培养反应器00的罐体上开设的电极安装口连接,该电极与罐体内液体直接接触;本发明所使用的液位检测器件为差压液位计,即反应器液位检测探头一L1和反应器液位检测探头二L2组合使用构成该差压液位计,其中,反应器液位检测探头二L2接液相检测到压力P1,反应器液位检测探头一L1接气相检测到压力P2,二者的差值与液位H存在以下关系:H=(P1-P2)/(ρg),当被测液体介质的密度ρ已知时,差压液位计检测到的压差与液位高度成正比,于是通过检测差压可以得到液位高度值;病毒收获储罐01的储罐液位检测探头一L3和储罐液位检测探头二L4同样为差压液位计,工作原理与病毒培养反应器00的差压液位计相同。以上各探头和电极都电连接到识别控制单元02,各探头和电极采集到的数据传送到识别控制单元02进行显示、处理。

阀门执行器单元04包括设置在病毒培养反应器00的罐体上的反应器补气口3、反应器排气口4、反应器进料口1、反应器出料口2和病毒培养反应器00的控温管道上的反应器温控水进口5、反应器温控水出口6处的反应器阀门V1~V6以及设置在病毒收获储罐01的罐体上的储罐进料口11、储罐出料口12、储罐补气口13、储罐排气口14和病毒收获储罐01的控温管道上的储罐温控水进口15、储罐温控水出口16处的储罐阀门V11~V16,以上各阀门均电连接到识别控制单元02,识别控制单元02根据检测到的各探头、电极参数生成相应的控制命令,控制各阀门的打开/关闭,进而控制病毒繁殖过程中各流程的执行。

识别控制单元02是整个系统的控制部件,其可以是PLC/DCS控制器或其他控制器,用于实时采集电极探头检测单元03检测数据并生成控制指令控制阀门执行器单元04中各阀门的打开/关闭,以完成悬浮细胞病变的自动识别与控制。识别控制单元02的计时器用于记录悬浮细胞病变时间,识别控制单元02的显示屏用于显示电极探头检测单元03检测到的数据和阀门执行器单元04中各阀门的工作状态以及设置各控制参数(例如,悬浮细胞病变完成后的累计时间、悬浮细胞病变终点的溶氧值和溶氧消耗率等)。

以上部件安装上述连接关系组装形成本发明的悬浮细胞病变终点自动识别与控制系统,该系统通过检测溶解氧的状态变化,及时、准确地判断细胞病变终点,并利用识别控制单元02自动控制系统执行相应的操作流程,进而获得病毒抗原。

悬浮细胞病变终点自动识别与控制方法

细胞在生长繁殖的过程中,需要培养液中的溶解氧来维持生命,当病毒在细胞体内繁殖的过程中,随着病毒子代粒子的增多,细胞的生命特征会逐渐减弱,细胞生存所消耗的氧气量也会减少,培养液中的溶解氧消耗越来越少,当细胞病变完成时及细胞完全裂解时,培养液中的溶解氧消耗为零,以此为依据建立细胞病变终点的识别系统,进而判断细胞病变的终点。因此,配置的溶解氧检测电极Q1检测到的溶解氧状态数据(即溶解氧浓度值和细胞的实际耗氧值)是识别的目标,也是判断悬浮细胞病变终点的依据,是自动控制识别单元02将间接的数据转换为细胞生长状态和病毒繁殖情况的主要信息源。细胞的实时耗氧量间接地体现了病毒在反应器中繁殖状况,当细胞的实际耗氧值小于细胞病变完成判断设定值0.5%/min时,判断细胞病变基本完成,病毒繁殖结束。

本发明的悬浮细胞病变终点自动识别与控制方法以溶解氧检测电极Q1检测到的溶解氧状态数据为依据、以识别控制单元02作为控制器进行判断悬浮细胞病变终点,并控制相应的操作流程,包括以下步骤(参照图2):

步骤一:启动识别控制单元02和电极探头检测单元03,设定悬浮细胞病变终点的溶氧值、溶氧消耗率、溶氧值和溶氧消耗率符合条件后的累计时间、病毒液收获降温温度值、液位无变化固定时长等参数;

步骤二:打开阀门执行器单元04的反应器阀门V1和反应器阀门V4,从反应器进料口1向病毒培养反应器00的罐体内添加细胞液和种毒,监视反应器液位检测探头一L1和反应器液位检测探头二L2直到达到病毒培养反应器00的预定液位;打开反应器阀门V5、V6,使热水从反应器温控水进口5进入、反应器温控水出口6出去,实现循环加热升温,将病毒培养反应器00的温度控制到预定温度,启动其他培养系统达到预定培养条件如补氧系统、调节PH系统等,开始病毒培养;

步骤三:溶解氧检测电极Q1实时检测病毒培养反应器00中的溶氧值,并实时计算悬浮细胞的溶氧消耗率,即溶氧消耗率为(计时开始点溶氧值-计时结束点溶氧值)%/计时时长(min);识别控制单元02比较溶氧值与溶氧设定值以及溶氧消耗率与溶氧消耗率设定值,如果同时满足设定要求,启动计时器,如果累计时间为时间设定值(例如2小时)内,溶氧值与溶氧设定值以及溶氧消耗率与溶氧消耗率设定值一直满足设定要求,执行步骤四的操作,否则重复步骤三;

步骤四:对病毒培养反应器00中的病毒液进行降温,打开反应器阀门和反应器阀门V6,使冷却水从反应器温控水进口5进入、反应器温控水出口6出去,实现循环冷却降温,识别控制单元02比较反应器温度检测探头T1检测到的温度值与温度设定值,如果满足设定条件,执行步骤五,否则重复步骤四;

步骤五:关闭反应器阀门V4,打开反应器阀门V3、反应器阀门V2和储罐阀门V11和储罐阀门V14,将病毒培养反应器00中的病毒液转移到病毒收获储罐01中,同时打开病毒收获储罐01的储罐阀门V15、V16,使病毒液在病毒收获储罐01中维持低温状态;当病毒培养反应器00的液位不再变化时并维持30秒即转液结束,关闭病毒培养反应器00的反应器阀门V3、V2,打开反应器阀门V4,同时关闭病毒收获储罐01的储罐阀门V11、V14,打开储罐阀门V13,补加一定正压将病毒液低温保存。

测试例

表1示出了依照本发明方法采用本发明系统进行测试的实验数据示例。参照表1和图2,该测试例数据分为数据检测、病毒培养终点识别判断、启动降温、病毒收获转移和病毒低温储存控制几个阶段,其中:

(1)数据检测阶段:从表1中的开始时间到7:07:53的时间段为数据检测阶段。此阶段内,病毒培养反应器00的电极探头检测单元03通过溶解氧检测电极Q1检测到细胞液中的实时溶解氧值,溶解氧值一直处于升高-降低-升高-降低的循环状态即耗氧量趋势,细胞的生命耗氧量间接地体现了病毒在反应器中繁殖状况。

(2)病毒培养终点识别判断阶段:悬浮细胞病变终点判断的条件为:在一定时间内连续满足溶氧检测值大于溶氧设定值(例如35%)且细胞的实际溶解氧消耗值小于细胞病变完成判断设定值(例如0.5%/min),如实际情况在一定时间内(如2小时)连续满足悬浮细胞病变终点判断的条件,则判定为病毒繁殖结束。

从表1中的7:07:53(溶解氧检测值为37.62%)开始到9:07:53(溶解氧检测值为46.01%)的整个阶段。此阶段内病毒培养反应器00的溶解氧实际检测值从37.62%-46.01%,一直处于逐步升高态势,识别控制单元02以溶解氧设定值为基准(例如35.0%),与实际溶解氧检测值相对比,细胞的实际溶解氧消耗值已为负数,表明细胞的实际溶解氧消耗值小于细胞病变完成判断设定值(0.5%/min),且检测值从7:07:53开始计时到9:07:53为2个小时,判断细胞病变基本完成,病毒繁殖结束。

(3)启动降温、病毒收获转移和病毒低温储存控制阶段:从表1中的9:07:53(温度值为36.41℃)开始到9:57:53(温度值为14.49℃)的整个阶段为降温阶段,此阶段温度逐步降低,直到降到温度设定值(15.0℃)以下;从表1中的9:57:53(称重值为1445.5Kg)开始到10:27:53(称重值为0.03Kg)的整个阶段为病毒收获转移阶段,此阶段内病毒培养反应器00的重量逐步减少,直至病毒液全部转移出去,病毒液被转移到病毒收获储罐01内,继续低温存放。至此,整个程序全部结束。

表1:悬浮细胞病变终点自动识别与控制方法的试验数据表

本领域技术人员应当理解,这些实施例或实施方式仅用于说明本发明而不限制本发明的范围,对本发明所做的各种等价变型和修改均属于本发明公开内容。

再多了解一些
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