一种封闭循环外交换生物制品反应器的制作方法

本发明属于外交换生物制品反应器技术领域，具体涉及一种封闭循环外交换生物制品反应器。

背景技术：

伴随免疫治疗的快速发展，异体免疫细胞治疗、细胞治疗病毒生产、定制抗体生产对人源/动物改良细胞生产需求增速迅猛。传统的手工生产方式，基于培养瓶、摇瓶、培养袋，生产规模难以规模化放大。现有生物药品规模化生产主要依靠生物反应器。现有主流的搅拌式生物反应器可达到较大生产规模，但需要搅拌桨在培养体系内实现营养物质、溶解气体等的循环。人源、动物改良细胞无细胞壁，且未经过驯化，对搅拌桨产生的剪切力、冲击力敏感，细胞损伤与凋亡一直是一个未有效解决的问题，导致人源/动物改良悬浮细胞无法有效在传统搅拌式反应器中实现规模化生产。其他类型的反应器，如摇床波动式反应器在体积放大时，同样有细胞剪切力的问题，且培养密度很难超过1ex7/ml的量级，生产量也难以达到市场需求。需要一种人源/动物悬浮细胞大规模生产的生物反应器，以满足高效、大规模、低成本的生产需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供：一种封闭循环外交换生物制品反应器，提供适用于单批次大量(异体)动物悬浮细胞、人源悬浮细胞、病毒、抗体生产的高效生物反应器与配套体系。填补市场空缺；解决传统反应器搅拌桨带来的剪切力与冲击力问题，避免传统反应器在生产动物/人源细胞过程中带来的细胞损伤与细胞凋亡问题；对比现有生产方式，大幅度提高单次生产产量效率。在同等成本投入的情况下，产量提高一个数量级以达到实际产量需求。大幅度提高营养物交换通量和交换效率；实现反应器多参数连续数据采集与主要生化控制指标闭环控制。实现生产过程的有效数据挖掘，持续在线优化工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种封闭循环外交换生物制品反应器，包括生物反应器本体、主循环管道、主循环通道蠕动泵、液面传感器、气体逸出过通道及滤器、培养基注入三通管路、气体交换模块、o2/n2通道、溶解氧与ph传感器组、培养基阀门、培养基泵体、培养基存储单元、atf配套模块、无菌样本采集通道、自动样本转移、在线检测设备群组。

进一步的，其对应功能如下：

生物反应器本体：细胞生长的主要场所，并持续保持细胞处于悬浮状态。经过气体交换和培养基注入后的营养物质在反应器内有效扩散；

主循环管道：循环主反应器内溶液在气体交换模块进行溶氧与二氧化碳排出交换，在培养溶液三通，交换注入新的培养基；

主循环通道蠕动泵：用于驱动生物反应器内溶液在主循环管路、气体交换器、培养基加入通道间的循环；

液面传感器：用于连续检测主反应器内液面的高度，用于已使用培养基排出与新培养基加入的液量闭环控制；

气体逸出过通道及滤器：在生产过程中，由于溶解气体的逸出、及液体的挥发，导致反应器内压力升高。此通道排出多余的气体；

培养基注入三通管路：在培养基加入时，连通培养基泵入管路与主循环管路，新的培养基进入反应器主体，切换三通时，培养基不进入主循环管路；

气体交换模块：专用的膜式气体交换单元，进行高效的气体交换。液体通过时，由专用管道提供的o2，高效溶解入培养溶液，同时通过n2的导入溶解，排出培养溶液中过多的溶解co2，通过气体交换调节培养溶液的ph值；

o2/n2通道：用于向气体交换器提供经过严格过滤处理的无菌气体，用于培养溶液溶解气体交换；

溶解氧与ph传感器组：通过测量气体交换前/后的溶解氧浓度与ph值，动态调节主循环通过气体交换器的液体流量、o2/n2的配比、o2/n2的压力，实现溶解氧浓度、ph值基于目标设定值的动态调节；

培养基阀门：连通或关闭培养基与主循环管路的连接；

培养基泵体：将培养基泵入主循环通道；

培养基存储单元：在4c度存储环境下，长期存储批量生产用培养基；

atf富集单元：在生产过程中，连续地或者定周期排出已使用的培养基，并过滤富集细胞，在模块中富集的细胞，按照需求，可重新返回培养体系；

atf配套模块：用于将atf收集的已用培养基排出到废液收集桶，在atf模块未工作时，隔离atf模块与外部通道；

无菌样本采集通道：定期无菌采集反应器本体内的培养溶液样本，用于综合化指标检测及培养液体在线调节，实现生产过程中主要指标的连续控制；

自动样本转移：无菌取样到样本管后，将样本转移到测试台架上各检测设备；

在线检测设备群组：用于在线式生产指标检测，实现主要生化指标的闭环控制。

进一步的，所述溶解氧与ph传感器组中的ph值为绝对值与差值，液体流量为液体的速率；所述溶解氧与ph传感器组包括气体交换前浓度检测单元以及气体交换后浓度检测单元；所述atf配套模块包括atf阀门、atf泵体、atf管路以及atf废液收集单元；所述无菌样本采集通道包括取样接头和取样阀门；所述在线检测设备群组包括细胞计数模块以及生化指标检测模块。

进一步的，其生产过程溶解气体浓度调节步骤如下：

s1：首先对气体交换前do测量；

s2：其次对气体交换前ph测量；

s3：对气体交换后do测量；

s4：对气体交换后ph测量；

s5：获取气体交换前后do、ph差值；

s6：计算o2、n2的交换效率目标；

s7：计算培养液体在气体交换器中的流通速率；

s8：计算o2、n2管路内流量；

s9：控制调整培养液体流量；控制调整o2/n2流量。

进一步的，其中步骤s1至s9往复进行，平均每30秒或者60秒采集一次检测数据，且达到用户设定的溶液内溶解气体浓度指标，及对应的ph值，保障细胞有理想的生长环境。

进一步的，其生产过程理化指标调节过程如下：

s1：首先反应器无菌取样；

s2：其次样本转移到监测站；

s3：检查基本指标，其指标分别为细胞数量、细胞活率、葡萄糖浓度、乳糖浓度、氨基酸物质浓度以及其他理化指标检测；

s4：营养物质补充量计算以及生产废物排出量计算；

s5：执行atf废液泵出；

s6：执行新培养基泵入。

进一步的，所述步骤s1至s6往复进行，每15分钟或者30分钟采集依次检测数据，且达到经试验验证的有效的营养水平，保障细胞生长充足的营养物质，同时保障培养基等的高效使用。

进一步的，其培养产物富集步骤如下：

s1：生产结束，首先查无富集过程启动；

s2：目标产物浓度检测；

s3：检测反应器内剩余溶液是否大于设定值；

s4：若小于设定值，富集过程结束，若大于富集值，则进行下一步；

s5：atf排出培养基废液，再次回到步骤s3，依此往复，直至检测反应器内剩余溶液是否小于于设定值。

进一步的，其中按照用户设定的产物富集指标，通过atf模块进行产物的富集操作。

本发明的有益效果为：

1、相比与传统的反应器生产方式，可基本避免搅拌桨或载体气体在生产过程中对细胞，带来的冲击力与剪切力问题，可在生产过程中有效避免损伤。使未经驯化的动物悬浮细胞/人类悬浮细胞在反应器内规模生产成为可能；

2、专门的外置式气体与营养物质交换单元，可大大提高营养物质注入通量与交换效率。相比较与传统的培养方式，可数量级提高细胞培养密度与总产量。

附图说明

图1为本发明一种封闭循环外交换生物制品反应器的系统基本结构图；

图2为本发明一种封闭循环外交换生物制品反应器的培养溶液溶解气体浓度控制图；

图3为本发明一种封闭循环外交换生物制品反应器的培养溶液理化指标控制图；

图4为本发明一种封闭循环外交换生物制品反应器的培养产物富集过程图；

图5为本发明一种封闭循环外交换生物制品反应器的反应器本体图；

图6为本发明一种封闭循环外交换生物制品反应器的反应器本体上部主循环入射结构图；

图7为本发明一种封闭循环外交换生物制品反应器的反应器本体底部主循环排出结构图；

图8为本发明一种封闭循环外交换生物制品反应器的反应器主体内高效的涡旋循环搅拌效率

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参照图1-8，本发明提供一种技术方案：

一种封闭循环外交换生物制品反应器，包括生物反应器本体、主循环管道、主循环通道蠕动泵、液面传感器、气体逸出过通道及滤器、培养基注入三通管路、气体交换模块、o2/n2通道、溶解氧与ph传感器组、培养基阀门、培养基泵体、培养基存储单元、atf配套模块、无菌样本采集通道、自动样本转移、在线检测设备群组。

为了进一步提高一种封闭循环外交换生物制品反应器的使用功能，其对应功能如下：

生物反应器本体：细胞生长的主要场所，并持续保持细胞处于悬浮状态。经过气体交换和培养基注入后的营养物质在反应器内有效扩散；

主循环管道：循环主反应器内溶液在气体交换模块进行溶氧与二氧化碳排出交换，在培养溶液三通，交换注入新的培养基；

主循环通道蠕动泵：用于驱动生物反应器内溶液在主循环管路、气体交换器、培养基加入通道间的循环；

液面传感器：用于连续检测主反应器内液面的高度，用于已使用培养基排出与新培养基加入的液量闭环控制；

气体逸出过通道及滤器：在生产过程中，由于溶解气体的逸出、及液体的挥发，导致反应器内压力升高。此通道排出多余的气体；

培养基注入三通管路：在培养基加入时，连通培养基泵入管路与主循环管路，新的培养基进入反应器主体，切换三通时，培养基不进入主循环管路；

气体交换模块：专用的膜式气体交换单元，进行高效的气体交换。液体通过时，由专用管道提供的o2，高效溶解入培养溶液，同时通过n2的导入溶解，排出培养溶液中过多的溶解co2，通过气体交换调节培养溶液的ph值；

o2/n2通道：用于向气体交换器提供经过严格过滤处理的无菌气体，用于培养溶液溶解气体交换；

溶解氧与ph传感器组：通过测量气体交换前/后的溶解氧浓度与ph值，动态调节主循环通过气体交换器的液体流量、o2/n2的配比、o2/n2的压力，实现溶解氧浓度、ph值基于目标设定值的动态调节；

培养基阀门：连通或关闭培养基与主循环管路的连接；

培养基泵体：将培养基泵入主循环通道；

培养基存储单元：在4c度存储环境下，长期存储批量生产用培养基；

atf富集单元：在生产过程中，连续地或者定周期排出已使用的培养基，并过滤富集细胞，在模块中富集的细胞，按照需求，可重新返回培养体系；

atf配套模块：用于将atf收集的已用培养基排出到废液收集桶，在atf模块未工作时，隔离atf模块与外部通道；

无菌样本采集通道：定期无菌采集反应器本体内的培养溶液样本，用于综合化指标检测及培养液体在线调节，实现生产过程中主要指标的连续控制；

自动样本转移：无菌取样到样本管后，将样本转移到测试台架上各检测设备；

在线检测设备群组：用于在线式生产指标检测，实现主要生化指标的闭环控制。

为了进一步提高一种封闭循环外交换生物制品反应器的使用功能，所述溶解氧与ph传感器组中的ph值为绝对值与差值，液体流量为液体的速率；所述溶解氧与ph传感器组包括气体交换前浓度检测单元以及气体交换后浓度检测单元；所述atf配套模块包括atf阀门、atf泵体、atf管路以及atf废液收集单元；所述无菌样本采集通道包括取样接头和取样阀门；所述在线检测设备群组包括细胞计数模块以及生化指标检测模块。

为了进一步提高一种封闭循环外交换生物制品反应器的使用功能，其生产过程溶解气体浓度调节步骤如下：

s1：首先对气体交换前do测量；

s2：其次对气体交换前ph测量；

s3：对气体交换后do测量；

s4：对气体交换后ph测量；

s5：获取气体交换前后do、ph差值；

s6：计算o2、n2的交换效率目标；

s7：计算培养液体在气体交换器中的流通速率；

s8：计算o2、n2管路内流量；

s9：控制调整培养液体流量；控制调整o2/n2流量。

为了进一步提高一种封闭循环外交换生物制品反应器的使用功能，其中步骤s1至s9往复进行，平均每30秒或者60秒采集一次检测数据，且达到用户设定的溶液内溶解气体浓度指标，及对应的ph值，保障细胞有理想的生长环境。

为了进一步提高一种封闭循环外交换生物制品反应器的使用功能，其生产过程理化指标调节过程如下：

s1：首先反应器无菌取样；

s2：其次样本转移到监测站；

s3：检查基本指标，其指标分别为细胞数量、细胞活率、葡萄糖浓度、乳糖浓度、氨基酸物质浓度以及其他理化指标检测；

s4：营养物质补充量计算以及生产废物排出量计算；

s5：执行atf废液泵出；

s6：执行新培养基泵入。

为了进一步提高一种封闭循环外交换生物制品反应器的使用功能，所述步骤s1至s6往复进行，每15分钟或者30分钟采集依次检测数据，且达到经试验验证的有效的营养水平，保障细胞生长充足的营养物质，同时保障培养基等的高效使用。

为了进一步提高一种封闭循环外交换生物制品反应器的使用功能，其培养产物富集步骤如下：

s1：生产结束，首先查无富集过程启动；

s2：目标产物浓度检测；

s3：检测反应器内剩余溶液是否大于设定值；

s4：若小于设定值，富集过程结束，若大于富集值，则进行下一步；

s5：atf排出培养基废液，再次回到步骤s3，依此往复，直至检测反应器内剩余溶液是否小于于设定值。

为了进一步提高一种封闭循环外交换生物制品反应器的使用功能，其中按照用户设定的产物富集指标，通过atf模块进行产物的富集操作。主反应器主循环采用斜角入射与斜角排出结构设计，在反应器内形成稳定的循环涡流，形成有效的体系循环。

在反应器内，通过涡旋流体运动在所有区域保持较高的液体流速，防止细胞与生产产物在反应器内壁粘连堆积。保障细胞与生产产物在反应器内均匀分布；

通过涡旋流体，持续保持细胞与生产产物处于悬浮状态，保持营养物质的有效扩散交换，保持细胞优良的生长状态；

在保障液体有效循环的同时，避免传统反应器内搅拌桨等工作时对细胞产生的巨大冲击力与剪切力。本反应器产生的最大剪切力<0.1pa,目标生产的敏感类动物细胞剪切力耐受>0.4pa，可有效避免生产过程中剪切力对细胞产生的损伤，保障细胞优良的生长状态；

取消传统反应器内气体导入装置，大大降低生产过程中气泡的产生潜在污染发生原因之一，降低污染发生概率。同时避免气泡在流体中爆裂，产生的冲击力对细胞的影响，为细胞生长提供一个理想的环境；

本发明首先通过测出渣土中的水分含量以及渣土的净含量，能够有效的控制渣土车载运载渣土时不会因为其水分超标而导致渣土车超载，从而引发车祸，保证了渣土车的运行安全，也替代了现有技术中装车以后再称重，如果超重还需要泄掉多余的渣土，非常麻烦。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。