用于一次性设备的pH值传感器的制作方法

一次性的设备替代品为各种行业提供了许多优点。通常，这样的设备不需要在使用后进行清洁和/或存储。一次性设备也可以减少工业工厂所需的机械，例如不需要灭菌设备。此外，一次性设备只需要制造成承担单次使用，通常允许替代性的、更便宜的材料结构。此外，通过这种设备的制造商提供的初始条件，如预先灭菌，可以允许使用一次性设备而不需要大量的安装时间或费用。一次性设备的一个示例是一次性容器，例如一次性生物反应器。

生物反应器对于产生和支持用于任何数量的目的的生物反应是有用的。作为生物反应过程，反应自身可改变生物反应器内的溶液的pH值。因此，监测或检测pH值对于监测反应的状态和/或进展非常有用。相应地，pH值传感器常常和一次性生物反应器一起使用。

检测反应混合物的pH值是最常见的过程化学测量之一，特别是在生物工业中是这样。pH值表示是水溶液中的氢离子和氢氧根离子的相对量的度量。在发酵和细胞培养中，最严峻的过程挑战之一就是保持最佳的pH值。某些生物反应，如发酵或培养过程使用活的生物体，例如酵母、细菌或真菌菌株，以产生所希望的活性成分。发酵过程通常具有相对较短的持续时间(2-7天)。细胞培养是哺乳动物细胞成长以产生活性成分的过程。细胞培养过程通常需要更长的时间(2-8周)。用于这些、或其他示例生物反应过程的反应混合物的pH值常常需要保持在最佳的范围内。该混合物变得太过酸性或太过碱性，例如，可能导致反应速率的变化、产生不需要的副产物或甚至驱动该反应的活生物体过早死亡。

在发酵和细胞培养领域中对于pH值测量而言，一个重要挑战是涉及发酵槽或生物反应器的清洗工艺。发酵或生物反应室在反应过程之前必须被消毒以确保避免任何不期望的生长的不同批次之间的交互污染。此外，pH值传感器通常使用缓冲溶液接受两点校准。这种清洗可包括汽蒸发酵器或生物反应器以及pH值传感器。暴露于高温之下，蒸汽和快速的热冲击可能严重地影响传感器的使用寿命。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于一次性容器的一次性pH值传感器壳体。所述一次性pH值传感器壳体包括构造成容纳一次性pH值传感器的隔室。在一个实施例中，一次性pH值传感器壳体包括致动器，其构造成在致动时使一次性pH值传感器从存储位置切换到工作位置。在存储位置，所述pH值传感器与缓冲溶液流体接触。在工作位置，一次性pH值传感器与一次性容器的内部流体接触。在从存储位置到工作位置的切换期间，缓冲溶液从隔室的传感器部分移动到隔室的存储部分，使得缓冲溶液被防止进入一次性容器的内部。

附图说明

图1是感测pH值的生物反应器系统的示意图，通过该系统，本发明的实施例特别有用。

图2A-2C包括根据本发明的实施例的pH值传感器的示意图。

图3A-3D是根据本发明的实施例的pH值传感器处于不同的配置的横截面图。

图4A-4C是根据本发明的第二实施例的pH值传感器处于不同的配置的横截面图。

图5示出一种根据本发明的一个实施例的提供测量生物反应器内的pH值的pH值传感器的方法。

具体实施方式

存在对与塑料袋型、即用型、抛弃型的生物反应器兼容的抛弃型pH值传感器的新兴需求。许多基于玻璃电极的pH值传感器要求保护传感器的活性表面或膜不被物理和环境损害。这个功能通常由放置在pH值传感器的感测端上方的抛弃型套筒或杯提供。但是，可重复使用的pH值传感器需要在另一生物反应室中使用之前进行清洁和灭菌。另外，pH值传感器需要在缓冲溶液中校准和存储以保证准确的测量。然而，期望有同一次性生物反应器兼容的pH值传感器。

本发明的实施例总体包括一种pH值传感器，其配置成安装在一次性生物反应器的壁上，所述一次性生物反应器具有在一次性生物反应器的灭菌、存储和运输期间允许在pH值感测和参考元件周围存储缓冲溶液或引导溶液的机械设计。但是，在一个实施例中，该机械设计还允许保留引导溶液的存储室将感测和参考元件暴露至生物反应器内的反应流体。此外，在至少某些实施例中，所述传感器还配置成保留所述引导溶液，使得当pH传感器工作时，生物反应器不被引导溶液污染。

图1是感测pH值的生物反应器系统的示意图，通过该系统，本发明的实施例特别有用。在一个实施例中，pH值传感器40电联接至pH值分析仪54，该分析仪可包括任何合适的pH值分析仪或其它适当的电子仪器。在一个实施例中，pH值传感器40和pH值分析仪54通过例如有线连接而联接。在另一实施例中，pH值传感器40和分析器54是一次性的pH值感测设备的两个部分。

在一个实施例中，pH值传感器40物理附接到一次性生物反应器51的壁50。在另一实施例中，pH值传感器40被安装在位于一次性生物反应器51的壁50内的端口中。样本52设置在一次性生物反应器51内并且被pH值传感器40检测或测量。在一个实施例中，pH值传感器40仅在操作者的起动下暴露至样本52。例如，pH值传感器40在接合样本52之前需要致动。

图2A是根据本发明的一个实施例的pH值传感器60的横截面示意图。在一个实施例中，pH值传感器60在图2A中示出于引导位置。所述引导位置包括感测元件，如电极62，其定位成与样本52分开且不接触。在一个实施例中，引导位置是传感器60的制造后的位置。在引导位置，感测电极62仅暴露至缓冲溶液。至少某些pH值传感器受益于使用前的定期校准。此外，某些pH值传感器需要持续暴露于水溶液中，并且如果干透则可变得不准确，甚至失效。在一个实施例中，缓冲溶液78可以配置成使电极62与水溶液流体接触，使得电极62不会干透。但是，许多电极不构造成存储于蒸馏水中，而因此存储在缓冲溶液中。在一个实施例中，缓冲溶液可以是pH值为7的缓冲溶液。在另一实施例中，可以使用pH值为4的缓冲溶液。然而，在一个实施例中，缓冲溶液78可包括不会污染样本52的成分。

如本文所用，感测电极62可包括可暴露于样本流体并配置成提供与样本流体相关的电响应的任何电极或电极的一部分。因此，感测电极62用于包括玻壳电极和基准结点。pH值传感器60包括柱塞64，柱塞64联接到电极62使得柱塞64在参考标号66所示的方向上的轴向移动将产生电极62的相应运动。在一个实施例中，电极62设置成使其接近并可通过穿入矛68移动就位。穿入矛68的物理形状像矛，使得致动柱塞64会导致穿入矛68刺穿橡胶膜70。当穿入矛68刺穿橡胶膜70时，端口72和/或74允许样本52与电极62接触。当穿入矛68刺入橡胶膜70时，pH值传感器60被称为处于工作位置。这样的配置示于图2B。然而，尽管描述了例矛状的穿入机构68，也可以设想用于提供电极和样本之间的接触的其它机构。

在一个实施例中，pH值传感器60包括熔合、粘合或以其它方式结合到生物反应器51的壁50的一部分的凸缘76(图2A中示出)。在图2A所示的实施例中，凸缘76结合到壁50的外表面。但是，本发明的实施例也可设想凸缘76结合到壁50的内表面。凸缘76可以被热焊接或以任何适当方式永久地附着到生物反应器51的侧壁50。在一个实施例中，凸缘76到壁50的附接可以由制造商实现，使得生物反应器51中维持无菌环境。在另一实施例中，凸缘76构造成通过生物反应器51的操作者作为售后市场的附接步骤来结合。

图2C是根据本发明的一个实施例的pH值传感器60的示意性透视图，示出了例如工作位置。应当注意，对于至少某些反应，pH值传感器中的校准流体不应该接触反应样本。例如，校准溶液可以相对于反应物样本中的部分或全部反应剂不是成惰性。此外，校准溶液的pH值将改变样本52的pH值。由于这一原因，可以期望允许传感器62和反应样本52之间接触，使得校准流体78保持与样本52分开。

用于典型的一次性生物反应器的pH值传感器包含存储和/或校准溶液，当pH值传感器被致动时，所述溶液进入生物反应器。在某些情况下，缓冲溶液会污染和干扰在生物反应器内发生的培养或发酵过程。本发明的实施例总体提供一种系统，该系统将用于pH感测电极62的缓冲器维持在引导位置，并防止缓冲器78在工作位置接触样本52。具体地，本发明的实施例一般捕获或以其他方式容纳缓冲器78，使其不能接合一次性反应器51内的样本52。

图3A-3C是根据本发明的实施例的pH值传感器处于不同配置的剖视图。在一个实施例中，pH值传感器100被联接到生物反应器内部110的壁116上的传感器端口114。

图3A是联接到生物反应器袋的传感器端口114的pH值传感器100的剖视图，pH值传感器100处于存储配置或校准配置。在图3A所示的实施例中，pH值传感器100包括圆筒形状、类似于图2C所示的传感器60的形状。在一个实施例中，传感器100包括绕其外径设置的多个O形环密封件102、104、106、108。虽然示出了四个O型环密封件102、104、106和108，在另一实施例中，传感器100包括间隔更近的附加的O形环密封件，例如，6个O形环密封件或8个O形环密封件沿着传感器100的轴均匀间隔。在至少一个实施例中，包括多余的O形环密封件，以确保例如当传感器100从引导位置移动到工作位置时缓冲溶液完全封闭。

在一个实施例中，O型环密封件102、104、106和108接合传感器端口114的内径，使其保持密封。在一个实施例中，保持在O形环102-108和端口114之间的密封件构造成使得该一次性生物反应器110的内部与周围环境隔离。

传感器端口114可以由任何合适的材料形成。在一个实施例中，传感器端口114可由能被热焊接到一次性生物反应器的壁116上的材料形成。在一个实施例中，传感器端口114包括与壁116相同的材料。在另一实施例中，传感器端口114包括与壁116不同的材料。在一个实施例中，传感器端口114和壁116是塑料。虽然图3A中所示的示例使传感器端口114固定在壁116的外表面上，但可以明确预期的是，本发明的实施例可以在传感器端口114的一部分穿过壁116的孔口以及传感器端口114的表面118可以固定到壁116的内表面的情况下实施。在一个实施例中，在端口114被焊接到壁116之后，反应器装置受到灭菌处理。

在图3A所示的引导位置，O形环108抵靠传感器端口114的内表面115，pH值传感器100和生物反应器的内部110之间形成密封。另外，在一个实施例中，O形环106抵靠传感器端口114的内表面115的不同部分，形成了密封空间，使得校准溶液122在引导位置被捕获在缓冲空间内，并且在工作位置被捕获在空间120内，如图3B所示。在一个实施例中，溶液122是为了在运输和装卸期间保护和维持感测元件124的存储溶液。在一个实施例中，溶液122是具有已知pH值的缓冲溶液。在一个实施例中，溶液122包括构造成使传感元件124周围的pH值保持一致并确保感测元件124在使用前不干燥的一个或多个缓冲元件。因此，溶液122可以被称为存储或校准溶液中的任一者，即使本发明的实施例可以在不使用溶液122作为用于感测元件124的校准机构的情况下实施亦是如此。

O形环102和104抵靠传感器端口114的内表面，并维持密封，使得溶液122在引导位置或工作位置都不会泄漏到周围环境。在一个实施例中，在完全展开的位置，O型环102和104提供空间120周围的密封，使得捕获的溶液122不能够污染内部110中的样本也不能被释放到环境空间112中。

图3B是联接到生物反应器袋的传感器端口的pH值传感器的剖视图，pH值传感器处于溶液捕获配置。在一个实施例中，pH值传感器100在致动时可以从存储位置切换到工作位置并经过溶液捕获配置，例如图3B所示。在一个实施例中，pH值传感器100不停止中溶液捕获配置中的向前运动，而是在单一运动中从引导位置移动到工作位置。在另一个实施例中，pH值传感器100配置成在到达溶液捕获配置时停止，以便为溶液122提供足够的时间以流入空间120。在从图3A所示的引导位置到图3B所示的溶液捕获配置的切换中，pH值传感器100已经在箭头126指示的方向上轴向移动，使得溶液122自由流入传感器端口114内的溶液捕获空间120。

在溶液捕获配置中，如图3B所示，O形环106接触传感器端口114的内表面115的一部分，形成生物反应器内部110与溶液捕获空间120之间的密封，使得溶液122不会污染内部空间110内的样本。在一个实施例中，O形环104还接触传感器端口114的内表面115，使得溶液122不能漏到周围空间112中。在一个实施例中，如图3B所示，在溶液捕获配置中，O形环108设置在内部110中。

图3C是联接到生物反应器袋的传感器端口114的pH值传感器100的剖视图，同时pH值传感器100处于活动或工作配置。在一个实施例中，pH值传感器从引导配置切换到激活配置，如从图3A到图3C的切换所示，包括pH值传感器100，pH值传感器100沿箭头126的方向沿轴向移动。在一个实施例中，必须有单一的运动以使pH传感器100在图3A和3C所示的位置之间切换。在另一实施例中，从引导位置到工作位置的切换包括从引导配置到溶液捕获配置的第一切换，和然后从溶液捕获配置到活动或工作位置的切换。在一个实施例中，与图3B所示的配置相比，例如这可以包括使传感器100沿箭头126的方向进一步平移以实现图3C所示的位置。

在工作配置中，例如图3C所示，感测元件124被流体联接到所述生物反应器的内部110。因此，在工作配置中，pH值传感器100可用来感测生物反应器内的容纳物的pH值。但是，在从图3B的溶液捕获配置到图3C的工作位置的切换过程中，缓冲溶液122仍被捕获在空间120中。

在一个实施例中，在图3C所示的工作配置中，O形环104抵靠传感器端口114的内表面115，使其在内部110与溶液捕获空间120之间形成密封。在一个实施例中，O形环102同时抵靠传感器端口114的内表面115，使其在空间120与周围环境112之间形成密封。在一个实施例中，在图3C所示的工作配置中，O形环106和108被暴露至内部110中的样本。

上述图3A-3C所示和下面描述的图4A-4C所示的实施例似乎表明：当pH值传感器从溶液捕获配置移动到活动配置时，溶液捕获空间可以直接流体联接到生物反应器的内部。然而，这仅仅是由于放大了尺寸以便清楚地示出不同的构造。在至少一个实施例中，O形环、例如O形环106将维持反应器内部与溶液捕获空间之间的密封，直到另一O形环、例如O形环104实现相同的功能。因此，最远端壁，例如壁128，的厚度的尺寸为沿着传感器、例如传感器100的长度大于O形环104和106之间的轴向空间。

图3A-3C示出了一个实施例，其中多个O形环102-108被固定到传感器100上。但是，在另一个实施例中，如图3D所示，多个O形环132和130却固定到端口114的内部，使得当传感器100沿着方向126轴向移动时，缓冲溶液122与空间120流体接触，并且转移到空间120。在一个实施例中，O形环132提供空间120与环境空间112之间的密封，使得溶液流体122不能从pH值传感器100漏出到周围环境。在一个实施例中，O形环130提供了空间120和内部110之间的密封，使得溶液流体122不会污染生物反应器内的样本。

图4A-4C是根据本发明的另一实施例的pH值传感器处于不同的配置的剖视图。图4A-4C可具有一些与图3A-3C相似之处，并且相似的部件被相似地编号。但是，在一个实施例中，pH值传感器200的溶液捕获空间220至少部分地填充有吸收性材料250。在一个实施例中，吸收性材料250配置成用于当pH值传感器200被放置在溶液捕获配置时促进溶液222的捕获，例如图4B所示。在一个实施例中，吸收性材料250可以配置成至少部分地吸收溶液222。在一个实施例中，吸收性材料250是一种合成聚合物，例如共聚物。在一个实施例中，吸收性材料250包括配置成相对于干燥粉末吸收和保留大量的流体的搪塑粉末或超吸收性聚合物(SAP)。在另一实施例中，吸收性材料250包括纤维素或纤维基的纤维树脂，例如海绵、纸浆、棉塞等。在一个实施例中，吸收材料250包括配置成吸收流体333的凝胶，在一个实施例中，吸收材料250在接触溶液222之前仅填充空间220的一部分，并且配置成在吸收溶液222后膨胀。

在一个实施例中，pH值传感器200包括配置成维持溶液222与周围环境212和内部210两者之间的密封的多个O形环，例如O形环202和208。在一个实施例中，O形环仅需要维持感测元件224周围的密封，使得感测元件224不干燥，例如O形环204和206。在一个实施例中，当pH值传感器200在存储和工作位置之间移动时，多个O型环被固定到端口214的内表面215，例如确保溶液222被接收和捕获在空间220中。

图4B示出传感器200的溶液捕获配置。在一个实施例中，当传感器200从例如图4A所示的存储位置200移动到例如图4C所示的工作位置时，传感器移动通过如图4B所示的溶液捕获配置。

图4C示出了用于传感器200的工作配置。在一个实施例中，传感器200通过致动移动机构从例如图4A的存储配置切换到例如图4C的工作配置，使得传感器200沿由箭头226指示的方向沿轴向移动。在一个实施例中，致动机构包括由用户激活的手动柱塞。在一个实施例中，致动机构的致动触发存储与工作配置之间的平顺切换。在另一实施例中，致动机构的致动触发一系列切换，例如从存储到溶液捕获配置，和然后从溶液捕获配置到工作配置。在一个实施例中，需要额外的力以引起穿入矛穿破壁216，例如手动柱塞上的额外的压力。

图5示出了根据本发明的一个实施例测量生物反应器内的pH值的方法。方法300可用于任何合适的反应室，但对于被配置成容纳生物反应的反应室是特别有用的。

在方框310中，pH值传感器被提供给生物反应器。在一个实施例中，pH值传感器与生物反应器一起制造并作为单个的单元运送给用户。然而，在另一实施例中，生物反应器制造成具有传感器端口，并且为生物反应器提供所述pH值传感器，如方框310所示，包括通过传感器端口将pH值传感器联接到生物反应器。在一个实施例中，pH值传感器被提供给生物反应器，使得感测元件被暴露至pH缓冲溶液，其中所述pH缓冲溶液配置成保持与pH值传感器流体接触。

在方框320中，是pH值传感器的工作步骤。在一个实施例中，工作步骤可以包括使pH值传感器从存储位置切换到工作位置。工作步骤可包括pH值传感器的一部分穿破生物反应器的壁。工作步骤还可以包括致动柱塞以使pH值传感器朝向生物反应器沿轴向移动。在一个实施方案中，工作步骤包括激活螺杆型柱塞，当螺杆型柱塞遵循螺纹轨迹时，将pH值传感器推向生物反应器内的样本。在一个实施例中，例如通过一端口设置pH值传感器，使其通过生物反应器袋的壁与反应流体分隔开。在另一实施例中，不存在分隔壁，但pH值传感器的一部分提供了屏障，例如图3和4中所示的O形环。

在方框330中，收集最初围绕感测元件设置的校准或存储溶液，使其不能与生物反应器内的样本流体接触。捕获校准溶液可以以各种不同的方式完成，例如移除到单独的容器332、通过吸收材料334移除、或其它移除机构。例如，在一个实施方案中，pH校准溶液以其它方式从设置的pH值传感器喷射到垃圾箱。在另一实施方案中，pH校准溶液由吸收材料吸收。

在方框340中，pH值传感器接合反应室中的反应混合物。pH值传感器与反应混合物的流体接合可以包括，例如pH值传感器穿破反应器袋的壁，如以上关于图2A-2C的描述，或者可以包括腔室打开并使所述pH值传感器暴露至反应混合物，如图3和4中所示。在一个实施方案中，pH值传感器的流体接合在接近除去传感器流体时发生，使得所述pH值传感器不会在接合反应器样本之前干透。

尽管在此描述的实施例一般都通过传感器和生物反应器上的传感器端口之间的相对运动来着重选择不同的传感器配置，但也可以使用其它形式的运动。例如，本发明的实施例可以在使传感器相对于传感器端口进行旋转来选择配置的情况下而实施。更进一步地，根据本发明的实施方案，也可以使用轴向和旋转运动的组合。