CN115803422A - 具有多个过滤器的生物加工灌注系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

生物加工灌注系统(10)包括生物反应器(12)和进料流路(14)。第一切向流过滤器(16)经由所述进料流路(14)耦合至所述生物反应器(12)，而第二切向流过滤器(18)经由所述进料流路(14)耦合至所述生物反应器(12)。所述第一切向流过滤器(16)为微滤型过滤器，而所述第二切向流过滤器(18)为超滤型过滤器。所述第一切向流过滤器(16)和所述第二切向流过滤器(18)经由渗透物流路(60)进一步耦合至接收单元(58)。所述第一切向流过滤器(16)和所述第二切向流过滤器(18)经由截留物流路(46)进一步耦合至所述生物反应器(12)。控制单元(82)通信耦合至第一进料控制装置(42)、第二进料控制装置(44)、进料驱动单元(40)、第一渗透物控制装置(64)、第二渗透物控制装置(66)、第一截留物控制装置(48)和第二截留物控制装置(50)。

Description

具有多个过滤器的生物加工灌注系统及其操作方法

技术领域

本说明书的实施方案大体上涉及生物加工系统，并且更具体地涉及具有多个切向流过滤器的生物加工灌注系统和用于操作此种生物加工灌注系统的方法。

背景技术

大量的生物药企业依赖于用于流体过滤的过滤技术。过滤系统在食品和饮料产业、化学加工、造纸和精炼产业以及生物加工应用中至关重要。其中，流体过滤加工被用于完成以下一项或多项：例如水的纯化、浓缩，产物溶液或悬浮液的纯化，以及污染物去除(消毒)。精细的流体过滤一般涉及膜技术用于过滤目的的用途。

具体而言，关于生物加工应用，由于基因工程和生物技术的革命，在近年来细胞培养已引起相当大的兴趣。培养细胞以制备例如用于治疗、研究和诊断的蛋白、疫苗和抗体。

长期以来已认识到灌注培养为细胞培养提供了相对良好的经济性。在此种操作中，细胞被保留在生物反应器中，而产物与有毒代谢副产物一起被连续地取出。将包含营养物的进料流(例如培养基)不断地添加至生物反应器。灌注培养操作可实现高细胞密度，并允许细胞在较长时间段内维持在高产状态。因此，灌注实现高得多的产率并减小所需的生物反应器尺寸。灌注工序也是用于培养原代或其他生长缓慢细胞的有用技术。灌注工序进一步涉及使用膜技术从生物反应器精细过滤流体以收获细胞。

如本文所述，灌注工序例如使得生物反应器能够进行稳态连续操作。与灌注工序相关的应用包括细胞浓缩、产物浓缩、细胞/产物浓缩和净化。一般使用诸如交替切向流过滤、切向流过滤、连续离心过滤、旋转过滤等技术进行灌注。

与使用常规过滤器分离系统相关的缺点为用户一次仅可进行一个工序，例如细胞浓缩或产物浓缩，而不能以结合的方式，其中例如细胞浓缩随后为产物浓缩或反之亦然。此外，在灌注工序结束时，若用户想要进行净化工序以进一步纯化或分离目的产物，则用户需要连接一个或多个装置或更换过滤器以继续工序。

更换新的过滤器或其他装置以实施不同灌注工序目前需要人工干预，其由于对无菌性和工序完整性的担忧而为不利的，并且其为耗时的工序。进一步地，在常规系统流路的一部分损坏/磨损/撕裂的情况下，难以在不影响生物反应器中内容物的情况下进行修复/更换工序。

需要增进的生物加工灌注系统和用于操作该生物加工灌注系统的方法。

发明内容

根据一个实施方案，公开了生物加工灌注系统。该生物加工灌注系统包括生物反应器和设置有第一进料控制装置、第二进料控制装置和进料驱动单元的进料流路。该生物加工灌注系统进一步包括经由进料流路耦合至生物反应器的第一切向流过滤器和经由进料流路耦合至生物反应器的第二切向流过滤器。第一切向流过滤器为微滤型过滤器而第二切向流过滤器为超滤型过滤器。该生物加工灌注系统还包括设置有第一渗透物控制装置和第二渗透物控制装置的渗透物流路，以及设置有第一截留物控制装置和第二截留物控制装置的截留物流路。第一切向流过滤器和第二切向流过滤器经由渗透物流路进一步耦合至接收单元。第一切向流过滤器和第二切向流过滤器经由截留物流路进一步耦合至生物反应器。进一步地，该生物加工灌注系统包括控制单元，其通信耦合至第一进料控制装置、第二进料控制装置、进料驱动单元、第一渗透物控制装置、第二渗透物控制装置、第一截留物控制装置和第二截留物控制装置。该控制单元被配置为控制第一进料控制装置、第二进料控制装置、进料驱动单元、第一截留物控制装置、第二截留物控制装置、第一渗透物控制装置和第二渗透物控制装置。控制步骤使得能够基于灌注工序的类型来控制进料流体经由进料流路从生物反应器向第一切向流过滤器或第二切向流过滤器的流动、截留物流体经由截留物流路从第一切向流过滤器或第二切向流过滤器向生物反应器的流动，以及渗透物流体经由渗透物流路从第一切向流过滤器或第二切向流过滤器向接收单元的流动。

根据另一个实施方案，公开了用于操作生物加工灌注系统的方法。该方法包括引起进料流体经由进料流路从生物反应器中流出。该方法进一步包括通过控制单元来控制第一进料控制装置、第二进料控制装置、进料驱动单元、第一截留物控制装置、第二截留物控制装置、第一渗透物控制装置和第二渗透物控制装置。控制步骤包括基于灌注工序的类型来控制进料流体经由进料流路从生物反应器向第一切向流过滤器或第二切向流过滤器的流动、截留物流体经由截留物流路从第一切向流过滤器或第二切向流过滤器向生物反应器的流动，和/或渗透物流体经由渗透物流路从第一切向流过滤器或第二切向流过滤器向接收单元的流动。

附图说明

当参考附图来阅读以下具体实施方式时，本公开内容的这些和其他特征、方面和优点将被更好地理解，其中在整个附图中相同的字符表示相同的部分，其中：

图1为根据本说明书的实施方案具有多个切向流过滤器的生物加工灌注系统的示意图；和

图2为说明根据本说明书的实施方案用于操作具有多个切向流过滤器的生物加工灌注系统的方法中涉及的多个步骤的流程图。

具体实施方式

出于促进理解本公开内容的原理的目的，现在将参考附图中说明的实施方案，并且将使用特定语言来描述它们。然而应理解，并不预期因此对本公开内容的范围进行限制。如与本公开内容相关的领域的技术人员正常将想到的，所考虑的如本文所述的对本公开内容的此类变化和进一步的修改以及对本公开内容的原理的此类进一步应用被视为本公开内容的一部分。

本领域技术人员将理解前面的概述和以下的详述对本公开内容为示例性和解释性的，且并不预期对其为限制性的。

除非另有定义，否则本文所用的技术和科学术语均具有本公开内容所属技术领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。如本文所用，术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量、或重要性，而是被用于区分一种元素与另一种元素。术语“包含(comprises)”，“包含(comprising)”或其任何其他变体预期涵盖非排他性的包含，以使得包含一系列步骤的工序或方法不仅包括那些步骤，还可包括未明确列出的或此种工序或方法固有的其他步骤。类似地，前接“包含...一个”的一个或多个装置或子系统或元素或结构或组分，在没有更多限制的情况下，并不排除存在其他装置、其他子系统、其他元素、其他结构、其他组分、另外的装置、另外的子系统、另外的元素、另外的结构或另外的组分。贯穿本说明书，短语“在一个实施方案中”、“在另一个实施方案中”和类似语言的出现可以但不一定全部指相同的实施方案。

除非另有定义，否则本文所用的所有技术和科学术语均具有本公开内容所属技术领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。本文提供的系统、方法和实例仅为说明性的，且并不预期进行限制。

本公开内容的实施方案将在下文参考附图详细描述。

根据本公开内容的一个实施方案，公开了生物加工灌注系统。该生物加工系统包括生物反应器和进料流路，所述进料流路设置有第一进料控制装置、第二进料控制装置和进料驱动单元。该生物加工系统还包括经由进料流路耦合至生物反应器的第一切向流过滤器和第二切向流过滤器。第一切向流过滤器为微滤型过滤器。第二切向流过滤器为超滤型过滤器。进一步地，该生物加工系统包括设置有第一渗透物控制装置和第二渗透物控制装置的渗透物流路以及设置有第一截留物控制装置和第二截留物控制装置的截留物流路。第一切向流过滤器和第二切向流过滤器经由渗透物流路进一步耦合至接收单元。第一切向流过滤器和第二切向流过滤器经由截留物流路进一步耦合至生物反应器。此外，该生物加工灌注系统包括控制单元，其通信耦合至第一进料控制装置、第二进料控制装置、进料驱动单元、第一渗透物控制装置、第二渗透物控制装置、第一截留物控制装置和第二截留物控制装置。控制单元被配置为控制第一进料控制装置、第二进料控制装置、进料驱动单元、第一截留物控制装置、第二截留物控制装置、第一渗透物控制装置和第二渗透物控制装置，以基于灌注工序的类型来控制进料流体经由进料流路从生物反应器向第一切向流过滤器或第二切向流过滤器的流动、截留物流体经由截留物流路从第一切向流过滤器或第二切向流过滤器向生物反应器的流动，以及渗透物流体经由渗透物流路从第一切向流过滤器或第二切向流过滤器向接收单元的流动。

根据另一个实施方案，公开了操作生物加工灌注系统的方法。示例性系统和方法使得能够基于预期的灌注应用使用过滤器。示例性系统和方法促进进行不同灌注应用，而无需停止工序或更换过滤器或改变工序参数。

参照图1，显示了根据本说明书实施方案的生物加工灌注系统10的示意图。在说明的实施方案中，该生物加工灌注系统10包括经由进料流路14耦合至第一切向流过滤器16和第二切向流过滤器18的生物反应器12。在一个实施方案中，使用生物反应器12来储存进料流体20，例如细胞培养基以及正在进行培养的细胞。在一个实施方案中，第一和第二切向流过滤器16、18可为中空纤维过滤器。在另一个实施方案中，第一和第二切向流过滤器16、18可为盒式过滤器。进料流路14具有主进料部分22以及延伸自主部分22的第一和第二分支进料部分24、26。在说明的实施方案中，第一和第二分支进料部分24、26彼此平行地延伸，但考虑其他构造。第一切向流过滤器16具有入口28、第一出口30和第二出口32。第二切向流过滤器18具有入口34、第一出口36和第二出口38。具体而言，第一分支进料部分24经由第一出口无菌进料连接器39耦合至第一切向流过滤器16的入口28。第二分支进料部分26经由第二出口无菌进料连接器41耦合至第二切向流过滤器18的入口34。主进料部分22可经由类似的入口无菌进料连接器(未显示)连接至生物反应器12。在一个实施方案中，第一切向流过滤器16为微滤型过滤器而第二切向流过滤器18为超滤型过滤器。如本文所述，术语“第一”、“第二”等等，如本文所用并不表示任何顺序、数量或重要性，而是被用于区分一种元素与另一种元素。

生物加工系统10进一步包括耦合至进料流路14的进料驱动单元40(例如进料泵)、第一进料控制装置42和第二进料控制装置44。在一个实施方案中，第一进料控制装置42和第二进料控制装置44在本文中也可被称为进料控制阀。具体而言，第一进料控制装置42被布置在进料驱动单元40的下游和第一切向流过滤器16的上游。更具体而言，第一进料控制装置42耦合至第一分支进料部分24而第二进料控制装置44耦合至主进料部分22。第二进料控制装置44位于第一分支进料部分24的下游和第二分支进料部分26的上游。在另一个实施方案中，第二进料控制装置44耦合至第二分支进料部分26。进一步地，进料驱动单元40被用于将进料流体20以预定流速经由进料流路14从生物反应器12向第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18进料。第一进料控制装置42和第二进料控制装置44被用于控制进料流体20经由进料流路14向第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18的流动。

进一步地，生物反应器12经由截留物流路46耦合至第一切向流过滤器16的第一出口30和第二切向流过滤器18的第一出口36。第一截留物控制装置48和第二截留物控制装置50耦合至截留物流路46。具体而言，第一和第二截留物控制装置48、50被用于控制截留物流体51通过截留物流路46向生物反应器12的流动。第一截留物控制装置48和第二截留物控制装置50在本文中也可被称为“截留物控制阀”。截留物流路46具有主截留物部分52以及延伸自主截留物部分52的第一和第二分支截留物部分54、56。在说明的实施方案中，第一和第二分支截留物部分54、56彼此平行地延伸，但考虑其他构造。具体而言，第一截留物控制装置48耦合至第一分支截留物部分54而第二截留物控制装置50耦合至主截留物部分52。第二截留物控制装置50位于第一分支截留物部分54的上游和第二分支截留物部分56的下游。具体而言，第一和第二分支截留物部分54、56分别经由第一和第二入口无菌截留物连接器55、57而分别耦合至第一切向流过滤器16的第一出口30和第二切向流过滤器18的第一出口36。在另一个实施方案中，第二截留物控制装置50耦合至第二分支截留物部分56。主截留物部分52还可经由出口无菌截留物连接器(未显示)耦合至生物反应器。第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18被用于通过利用横跨第一和第二切向流过滤器16、18的压力差从进料流体20中分离截留物流体51。

此外，接收单元58经由渗透物流路60耦合至第一和第二切向流过滤器16、18的第二出口32、38。生物加工系统10还包括耦合至渗透物流路60的渗透物泵62。此外，生物加工系统10包括耦合至渗透物流路60并被布置在渗透物泵62上游的第一渗透物控制装置64和第二渗透物控制装置66。第一和第二渗透物控制装置64、66在本文中也可被称为“渗透物控制阀”。渗透物流路60具有第一渗透物流路部分68和第二渗透物流路部分70。具体而言，第一渗透物控制装置64耦合至第一渗透物流路部分68而第二渗透物控制装置66耦合至第二渗透物流路部分70。第一切向流过滤器16经由第一渗透物流路部分68和第二渗透物流路部分70耦合至接收单元58。具体而言，第一渗透物流路部分68和第二渗透物流路部分70分别经由第一和第二入口无菌渗透物连接器69、71而分别耦合至第一和第二切向流过滤器16、18的第二出口32、38。第二切向流过滤器18经由第二渗透物流路部分70耦合至接收单元58。具体而言，第一渗透物流路部分68在第二渗透物控制装置66的下游位置处耦合至第二渗透物流路部分70。第二渗透物控制装置66位于第一渗透物流部分70的上游。第二渗透物流路部分70经由出口无菌渗透物连接器73耦合至接收单元58。

第一或第二切向流过滤器16、18被用于通过利用横跨第一和第二切向流过滤器16、18的跨膜压力从进料流体20中分离渗透物流体72。可操作渗透物泵62以将渗透物流体72经由渗透物流路60以预定流速向接收单元58进料。第一和第二渗透物控制装置64、66被用于控制渗透物流体72经由渗透物流路60向接收单元58的流动。

在说明的实施方案中，生物加工系统10进一步包括耦合至渗透物流路60的渗透物流传感器74。具体而言，渗透物流传感器74被布置在第一和第二渗透物控制装置64、66以及渗透物泵62的下游。使用渗透物流传感器74来测量流经渗透物流路60的渗透物流体72的流速。在一个实施方案中，渗透物流传感器74可输出信号，其表示流经渗透物流路60的渗透物流体72的流速。在另一个实施方案中，渗透物流传感器74可输出信号，其表示渗透物流体72的参数，例如体积或速度，用于计算渗透物流体72的流速。设想了可被用于测量渗透物流体72的流速的任何类型的流传感器。

本文中应当注意，所示生物加工系统10为示例性实施方案并且不应被解释为限制。生物加工系统10的构造可取决于应用变化。在其他实施方案中，过滤器、控制装置和传感器的数目和位置可取决于应用和工序要求而变化。

在另一个实施方案中，代替进料泵，可将加压气体经由过滤器(未显示)从气体源(未显示)向生物反应器12进料，用于将进料流体20经由进料流路14从生物反应器12向第一或第二切向流过滤器16、18进料。

如先前所讨论的，与使用常规过滤器分离系统相关的缺点为用户一次仅可进行一个工序，例如细胞浓缩或产物浓缩，而不能以结合的方式，其中例如细胞浓缩随后为产物浓缩或反之亦然。此外，在灌注工序结束时，若用户想要进行净化工序以进一步纯化或分离目的产物，则用户需要连接一个或多个装置或更换过滤器以继续工序。因此，更换过滤器或其他一个或多个装置以实施灌注需要人工干预，其由于对无菌性和工序完整性的担忧而为不利的，并且其为耗时的工序。

在说明的实施方案中，生物加工系统10进一步包括耦合至进料流路14的进料压力传感器76。具体而言，进料压力传感器76耦合至进料流路14的主进料部分22。进料压力传感器76位于进料驱动单元40的下游和第一和第二分支进料部分24、26的上游。使用进料压力传感器76来感测流经进料流路14的主进料部分22的进料流体20的压力。此外，截留物压力传感器78耦合至截留物流路46的主截留物部分52。具体而言，截留物压力传感器78被布置在截留物流路46的第一和第二分支截留物部分54、56的下游。使用截留物压力传感器78来感测流经截留物流路46的主截留物部分52的截留物流体51的压力。

此外，渗透物压力传感器80耦合至第二渗透物流路部分70。渗透物压力传感器80位于渗透物泵62的上游和第一渗透物流路部分68与第二渗透物流路部分70连接的位置的下游。使用渗透物压力传感器80来感测流经第二渗透物流路部分70的渗透物流体72的压力。在说明的实施方案中，可将输送泵(未显示)用于洗涤和渗滤应用，以从源单元(未显示)向生物反应器12以预定的受控速率添加液体(通常为缓冲剂)。

进一步地，在说明的实施方案中，生物加工系统10包括控制单元82，其具有处理器84和耦合至处理器84的存储单元86。在一些实施方案中，使用控制单元82来控制生物加工系统10的至少一种功能。在某些实施方案中，控制单元82可包括彼此合作工作以实施预期功能的多于一个处理器。控制单元82被进一步配置为向存储单元86中储存内容和从存储单元86中获取内容。

在一个实施方案中，处理器84包括通用计算机、图形处理器(GPU)、数字信号处理器和控制器中的至少一个。在一些实施方案中，处理器84可作为一个或多个微处理器、微型计算机、微控制器、数字信号处理器、中央处理单元、状态机、逻辑电路和/或基于操作指令来操纵信号的任何装置来实现。除了其他能力之外，至少一个处理器被配置为获取和执行储存在存储器中的计算机可读指令。在其他实施方案中，处理器84包括专用处理器元件，诸如但不限于专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。在一些实施方案中，处理器84可与键盘、鼠标和任何其他输入装置中的至少一个通信耦合，并被配置为经由控制台接受来自操作员命令和/或参数。

在一个实施方案中，存储单元86为随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存或处理器84可访问的任何其他类型的计算机可读存储器。在一些实施方案中，存储单元86可包括例如易失性存储器，诸如静态随机存取存储器(SRAM)和/或动态随机存取存储器(DRAM)和/或非易失性存储器，诸如只读存储器(ROM)、可擦除可编程ROM、闪存、硬盘、光盘和/或磁带。此外，在某些实施方案中，存储单元86可为编码有具有多个指令的程序的非暂态计算机可读介质，以指示处理器84实施一系列步骤来操作生物加工系统10。

在某些实施方案中，控制单元82可包括具有各种客户应用和硬件接口的I/O接口，例如网络接口、图形用户接口等。I/O接口可允许控制单元82直接地或通过客户设备与客户交互。进一步地，I/O接口可使得控制单元82能够与诸如网络服务器和外部数据服务器(未显示)等其他计算装置通信。I/O接口可促进多种网络和协议类型内的多种通信，包括有限网络(诸如局域网、电缆等等)以及无线网络(诸如无线局域网、蜂窝、卫星等等)。I/O接口可包括一个或多个端口，用于将多个设备彼此连接和/或连接至另一服务器。

在一些实施方案中，控制单元82还可通信耦合至进料驱动单元40和渗透物泵62。控制单元82被进一步配置为控制进料驱动单元40和渗透物泵62。此外，控制单元82还可耦合至第一进料控制装置42、第二进料控制装置44、第一和第二渗透物控制装置64、66以及第一和截留物控制装置48、50，并被配置为控制其操作。

控制单元82被配置为控制第一进料控制装置42、第二进料控制装置44、进料驱动单元40，以便控制进料流体20经由进料流路14从生物反应器12向第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18的流动。控制单元82还被配置为控制第一截留物控制装置48和第二截留物控制装置50，以便控制截留物流体51经由截留物流路46从第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18向生物反应器12的流动。基于灌注工序的类型，控制单元82还被进一步配置为控制第一渗透物控制装置64和第二渗透物控制装置66，以便控制渗透物流体72经由渗透物流路60从第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18向接收单元58的流动。灌注工序的类型为细胞截留工序、产物和细胞截留工序、净化工序和产物浓缩工序中的一种，但不限于此。

在说明的实施方案中，控制单元82通信耦合至渗透物流传感器74。在一个实施方案中，控制单元82被配置为从渗透物流传感器74接收表示渗透物流体72流速的输出信号。在另一个实施方案中，控制单元82被配置为从渗透物流传感器74接收表示渗透物流体72的参数(例如体积或速度)的输出信号，以计算渗透物流体72的流速。在一个实施方案中，基于由渗透物流传感器74确定的渗透物流体72的流速，控制单元82确定第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18的渗透物通量率。本文中应当注意，第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18的渗透物通量率被定义为第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18的每单位面积的渗透物流体72的测量流速。控制单元82被配置为基于确定的渗透物通量率以通量控制模式来操作生物加工灌注系统10。在通量控制模式中，通过调节进料流体20或截留物流体51和渗透物流体72的流动，将通量保持在受控速率下。本文中应当注意，通量控制模式被用于微滤工序，其中生物加工系统限制渗透物流体72通过滤膜相对大的孔的流动。

此外，控制单元82通信耦合至进料压力传感器76、截留物压力传感器78和渗透物压力传感器80。在一个实施方案中，控制单元82通信耦合进料、截留物和渗透物压力传感器76、78、80，并被配置为基于来自进料、截留物和渗透物压力传感器76、78、80的输出来确定第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18的跨膜压力(TMP)。本文中应当注意，TMP表示使流体介质通过过滤器所需的压力。控制单元82被配置为基于确定的跨膜压力来确定操作情况，例如第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18的堵塞情况。在另一个实施方案中，控制单元82被配置为基于来自进料和截留物压力传感器76、78的输出来确定横跨第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18的压力差。

图2为流程图，其说明用于操作根据图1的实施方案的生物加工系统10的方法88。方法88包括引起进料流体20经由进料流路14从生物反应器12的流动，如步骤90所示。控制单元82操作进料驱动单元40、第一进料流控制装置42和第二进料流控制装置44，以基于灌注工序的类型来控制进料流体20经由进料流路14从生物反应器12的流动，如步骤92所示。灌注工序的类型为细胞截留工序、产物和细胞截留工序、净化工序和产物浓缩工序中的一种，但不限于此。方法88包括控制进料流体20经由进料流路14从生物反应器12向第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18的流动，如步骤94所示。在一个实施方案中，第一切向流过滤器16为微滤型过滤器而第二切向流过滤器18为超滤型过滤器。在一个实施方案中，第一切向流过滤器16例如具有大于或等于0.1μm的孔径。在一些实施方案中，第一切向流过滤器16的孔径通常范围在0.1至1μm。在一个实施方案中，第二切向流过滤器18具有例如范围在20至100nm的孔径，并且通常地特征在于标称分子量截止值(NMWC)方面，NMWC为可通过滤膜的最大球状蛋白的分子量。NMWC值可在1至100kD(千道尔顿)的范围内。大多数超滤工序的目的为保留可溶大分子，诸如大于某些尺寸的蛋白，同时允许诸如盐、氨基酸和单糖或二糖等较小的分子通过滤膜。

若第一进料流控制装置42打开而第二进料流控制装置44关闭，则进料流体42的路径通过第一切向流过滤器16。若第一进料流控制装置42关闭而第二进料流控制装置44打开，则进料流体20的路径通过第二切向流过滤器18。

在一个实施方案中，若灌注工序的类型为细胞截留工序(即微滤)，则方法88包括引导进料流体20经由进料流路14从生物反应器12向第一切向流过滤器16流动。在另一个实施方案中，若灌注工序的类型为产物和细胞截留工序(即超滤)，则方法88包括引导进料流体20经由进料流路14从生物反应器12向第二切向流过滤器18流动。在仍然另一个实施方案中，若灌注工序的类型为净化工序(即微滤)，则方法88包括引导进料流体20经由进料流路14从生物反应器12向第一切向流过滤器16流动。在仍然另一个实施方案中，若灌注工序的类型为产物浓缩工序(即超滤)，则方法88包括引导进料流体20经由进料流路14从生物反应器12向第二切向流过滤器18流动。

细胞收获/截留涉及从进料流体20(例如发酵液)的可溶分子中分离细胞，并然后回收截留物流体51中的细胞。细胞或裂解物净化涉及从完整细胞、细胞碎片和分子聚集物中从可溶分子中分离目标分子，并然后回收渗透物流体72中的目标分子。具体而言，细胞净化被用于回收在细胞培养期间在培养基中表达的目标蛋白。将细胞过滤并保留在进料/截留物流路中，而渗透物流体72包括目的蛋白或分子。此外，在裂解收获的细胞后使用裂解物净化，以从细胞内容物中回收目标分子。进料流体20的产物浓缩涉及去除溶剂和小分子，并然后回收截留物流体51中的产物。换言之，产物浓缩涉及从低分子量缓冲组分中分离大分子。

本文中应当注意，过滤器选择性定义过滤器基于尺寸分离颗粒或分子种类的能力。具有窄孔径分布的过滤器将为高度选择性的，而较宽的孔径分布将提供选择性较低的过滤器。例如，细胞收获和细胞净化应用涉及从大分子中分离相对大的分子(细胞和/或细胞碎片)。因此，通常不需要高选择性过滤器。裂解物净化可能需要更严格的要求，因为裂解物包括广泛范围的蛋白和其他大分子。最重要的因素是目标蛋白可自由通过过滤器，使得产量不受损害。

方法88进一步包括通过第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18过滤进料流体20，如步骤96所示。第一切向流过滤器16或第二切向过滤器将进料流体20分离成渗透物流体72和截留物流体51。具体而言，进料流体20在相对于第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18的渗透物侧的正压下切向跨越通过第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18。进一步地，方法88包括通过控制单元82控制第一截留物控制装置48和第二截留物控制装置50，如步骤98所示。方法88进一步包括控制截留物流体51经由截留物流路46从第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18向生物反应器12的流动，如步骤100所示。若第一截留物流控制装置48打开而第二截留物流控制装置50关闭，则截留物流体51经由截留物流路46从第一切向流过滤器16流向生物反应器12。若第一截留物流控制装置48关闭而第二截留物流控制装置50打开，则截留物流体51经由截留物流路46从第二切向流过滤器18流向生物反应器12。

方法88进一步包括通过控制单元82控制第一渗透物控制装置64和第二渗透物控制装置66，如步骤102所示。控制单元82操作渗透物泵62并控制第一渗透物流控制装置64和第二渗透物流控制装置66，以将渗透物流体72经由渗透物流路60从第一切向过滤器16或第二切向流过滤器18向接收单元58进料，如步骤104所示。若第一渗透物流控制装置64打开而第二渗透物流控制装置66关闭，则渗透物流体72经由第一渗透物流路部分68和第二渗透物流路部分70从第一切向流过滤器16向接收单元58进料。若第一渗透物流控制装置64关闭而第二渗透物流控制装置66打开，则渗透物流体72经由第二渗透物流路部分70从第二切向过滤器18向接收单元58进料。

在一个实施方案中，控制单元82基于渗透物流体72由渗透物流传感器74确定的流速来确定第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18的渗透物通量率。控制单元82被配置为基于确定的渗透物通量率以通量控制模式来操作生物加工灌注系统10。

在仍然另一个实施方案中，控制单元82基于确定的第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18的TMP、进料流体压力和截留物流体压力之间的压力差以及渗透物压力来确定第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18的堵塞情况。TMP基于进料、截留物和渗透物压力传感器76、78、80的输出进行计算。具体而言，根据一个实施方案，TMP由控制单元82基于以下关系进行计算：

TMP＝((p2+p3)/2)-p1

其中p1为渗透物压力传感器80的输出，p2为进料压力传感器76的输出，p3为截留物压力传感器78的输出。若TMP，或进料流体压力和截留物流体压力之间的压力差，或渗透物流体压力大于阈值压力，则控制单元82确定第一切向流过滤器16或第二切向流过滤器18的堵塞。

示例性系统和方法使得能够使用至少两个切向流过滤器进行灌注工序。基于预期的灌注应用使用切向流过滤器的类型，所述应用需要微滤或超滤。在一个实施方案中，生物加工系统10可通过第一切向流过滤器16进行细胞截留随后为净化两者。在另一个实施方案中，生物加工系统10可通过第一切向流过滤器进行净化，随后为通过第二切向流过滤器18进行产物和细胞截留。在仍然另一个实施方案中，生物加工系统10可通过第一切向流过滤器16进行细胞截留，并然后通过第二切向流过滤器18进行产物浓缩。在仍然另一个实施方案中，生物加工系统10可通过第一切向流过滤器16进行净化，随后为通过第二切向流过滤器18进行产物浓缩。设想了所有此类排列和组合。本文中应当注意，取决于应用，进料流体20流动的顺序总是从第一切向流过滤器16向第二切向流过滤器18而不是相反的。示例性系统和方法使得用户能够以结合的方式进行多个灌注工序，所述方式中例如细胞浓缩随后为产物浓缩或反之亦然。用户无需连接一个或多个另外的装置或更换过滤器来继续工序。因此，无需人工干预，从而克服与无菌性、工序完整性和费时性相关的缺点。此外，提供无菌连接器促进隔离相应的完整流体流路，使得可更换损坏的流路部分/部件而不损害生物反应器的内容物。

尽管本文仅已说明和描述本说明书的某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，应当理解，所附权利要求预期涵盖落入本说明书真正精神范围内的所有此类修改和改变。

Claims (21)

1.生物加工灌注系统(10)，其包含：

生物反应器(12)；

设置有第一进料控制装置(42)、第二进料控制装置(44)和进料驱动单元(40)的进料流路(14)；

经由所述进料流路(14)耦合至所述生物反应器(12)的第一切向流过滤器(16)，其中所述第一切向流过滤器(16)为微滤型过滤器；

经由所述进料流路(14)耦合至所述生物反应器(12)的第二切向流过滤器(18)，其中所述第二切向流过滤器(18)为超滤型过滤器；

设置有第一渗透物控制装置(64)和第二渗透物控制装置(66)的渗透物流路(60)，其中所述第一切向流过滤器(16)和所述第二切向流过滤器(18)经由所述渗透物流路(60)进一步耦合至接收单元(58)；

设置有第一截留物控制装置(48)和第二截留物控制装置(50)的截留物流路(46)，其中所述第一切向流过滤器(16)和所述第二切向流过滤器(18)经由所述截留物流路(46)进一步耦合至所述生物反应器(12)；和

通信耦合至所述第一进料控制装置(42)、所述第二进料控制装置(44)、所述进料驱动单元(40)、所述第一渗透物控制装置(64)、所述第二渗透物控制装置(66)、所述第一截留物控制装置(48)和所述第二截留物控制装置(50)的控制单元(82)，

其中所述控制单元(82)被配置为控制所述第一进料控制装置(42)、所述第二进料控制装置(44)、所述进料驱动单元(40)、所述第一截留物控制装置(48)、所述第二截留物控制装置(50)、所述第一渗透物控制装置(64)和所述第二渗透物控制装置(66)，以基于灌注工序的类型来控制进料流体(20)经由所述进料流路(14)从所述生物反应器(12)向所述第一切向流过滤器(16)或所述第二切向流过滤器(18)的流动、截留物流体(51)经由所述截留物流路(46)从所述第一切向流过滤器(16)或所述第二切向流过滤器(18)向所述生物反应器(12)的流动，和渗透物流体(72)经由所述渗透物流路(60)从所述第一切向流过滤器(16)或所述第二切向流过滤器(18)向所述接收单元(58)的流动。

2.如权利要求1中所述的生物加工灌注系统(10)，其进一步包含耦合至所述渗透物流路(14)的渗透物流传感器(74)，其中所述控制单元(82)通信耦合至所述渗透物流传感器(74)。

3.如权利要求1或2中所述的生物加工灌注系统(10)，其进一步包含：

耦合至所述进料流路(14)的进料压力传感器(76)；

耦合至所述截留物流路(46)的截留物压力传感器(78)；和

耦合至所述渗透物流路(60)的渗透物压力传感器(80)；

其中所述控制单元(82)通信耦合至所述进料、截留物和渗透物压力传感器(76、78、80)。

4.如权利要求1-3中任一项所述的生物加工灌注系统(10)，其中所述进料流路(14)包含主进料部分(22)、第一分支进料部分(24)和第二分支进料部分(26)，其中所述生物反应器(12)经由所述主进料部分(22)和所述第一分支进料部分(24)耦合至所述第一切向流过滤器(16)，以及其中所述生物反应器(12)经由所述主进料部分(22)和所述第二分支进料部分(26)耦合至所述第二切向流过滤器(18)。

5.如权利要求1-4中任一项所述的生物加工灌注系统(10)，其中所述第一进料控制装置(42)耦合至所述第一分支进料部分(24)，其中所述第二进料控制装置(44)耦合至所述主进料部分(22)或所述第二分支进料部分(26)，以及其中所述第二进料控制装置(44)位于所述第一分支进料部分(24)的下游。

6.如权利要求1-5中任一项所述的生物加工灌注系统(10)，其中所述渗透物流路(60)包含第一渗透物流路部分(68)和第二渗透物流路部分(70)，其中所述第一切向流过滤器(16)经由所述第一渗透物流路部分(68)和所述第二渗透物流路部分(70)耦合至所述接收单元(58)。

7.如权利要求6中所述的生物加工灌注系统(10)，其中所述第二切向流过滤器(18)经由所述第二渗透物流路部分(70)耦合至所述接收单元(58)。

8.如权利要求6或7中所述的生物加工灌注系统(10)，其中所述第一渗透物控制装置(64)耦合至所述第一渗透物流路部分(68)，其中所述第二渗透物控制装置(66)耦合至所述第二渗透物流路部分(70)，以及其中所述第一渗透物流路部分(68)在所述第二渗透物控制装置(66)的下游位置处耦合至所述第二渗透物流路部分(70)。

9.如权利要求1-8中任一项所述的生物加工灌注系统(10)，其中所述截留物流路(46)包含主截留物部分(52)、第一分支截留物部分(54)和第二分支截留物部分(56)，其中所述生物反应器(12)经由所述主截留物部分(52)和所述第一分支截留物部分(54)耦合至所述第一切向流过滤器(16)，以及其中所述生物反应器(12)经由所述主截留物部分(52)和所述第二分支截留物部分(56)耦合至所述第二切向流过滤器(18)。

10.如权利要求9中所述的生物加工灌注系统(10)，其中所述第一截留物控制装置(48)耦合至所述第一分支截留物部分(54)，其中所述第二截留物控制装置(50)耦合至所述主截留物部分(52)或所述第二分支截留物部分(56)，以及其中所述第二截留物控制装置(50)位于所述第一分支截留物部分(54)的上游。

11.如权利要求1-10中任一项所述的生物加工灌注系统(10)，其中所述进料流路(14)、所述渗透物流路(60)和所述截留物流路(46)的每一个均设置有入口无菌连接器和出口无菌连接器。

12.如权利要求1-11中任一项所述的生物加工灌注系统(10)，其中灌注工序的类型为细胞截留工序、产物和细胞截留工序、净化工序以及产物浓缩工序中的一种。

13.用于操作生物加工灌注系统(10)的方法，所述方法包含：

引起进料流体(20)经由进料流路(14)从生物反应器(12)流出；和

通过控制单元(82)控制第一进料控制装置(42)、第二进料控制装置(44)、进料驱动单元(40)、第一截留物控制装置(48)、第二截留物控制装置(50)、第一渗透物控制装置(64)和第二渗透物控制装置(66)，以基于灌注工序的类型来控制所述进料流体(20)经由所述进料流路(14)从所述生物反应器(12)向第一切向流过滤器(16)或第二切向流过滤器(18)的流动、截留物流体(51)经由截留物流路(46)从所述第一切向流过滤器(16)或所述第二切向流过滤器(18)向所述生物反应器(12)的流动，和/或渗透物流体(72)经由所述渗透物流路(60)从所述第一切向流过滤器(16)或所述第二切向流过滤器(18)向接收单元(58)的流动，

其中所述进料流路(14)设置有所述第一进料控制装置(42)、所述第二进料控制装置(44)和所述进料驱动单元(40)，

其中所述渗透物流路(60)设置有所述第一渗透物控制装置(64)和所述第二渗透物控制装置(66)，

其中所述截留物流路(46)设置有所述第一截留物控制装置(48)和所述第二截留物控制装置(50)，

其中所述第一切向流过滤器(16)为微滤型过滤器，和

其中所述第二切向流过滤器(18)为超滤型过滤器。

14.如权利要求13中所述的方法，其进一步包含通过渗透物流传感器(74)确定所述渗透物流路(60)中所述渗透物流体(72)的流速。

15.如权利要求14中所述的方法，其进一步包含：

通过所述控制单元(82)，基于所述渗透物流体(72)的确定的流速，确定所述第一切向流过滤器(16)或所述第二切向流过滤器(18)的渗透物通量率；和

通过所述控制单元(82)，基于确定的渗透物通量率，以通量控制模式来操作所述生物加工灌注系统(10)。

16.如权利要求13-15中任一项所述的方法，其进一步包含

通过所述控制单元(82)，通过进料压力传感器(76)确定所述进料流体(20)的压力；

通过所述控制单元(82)，通过截留物压力传感器(78)确定所述截留物流体(51)的压力；和

通过所述控制单元(82)，通过渗透物压力传感器(80)确定所述渗透物流体(72)的压力；和

通过所述控制单元(82)，基于所述进料流体(20)的压力、所述截留物流体(51)的压力和所述渗透物流体(72)的压力来确定跨膜压力(TMP)；和

通过所述控制单元(82)，基于所述确定的跨膜压力确定所述第一切向流过滤器(16)或所述第二切向流过滤器(18)的操作情况。

17.如权利要求13-16中任一项所述的方法，其中所述灌注工序的类型为细胞截留工序、产物和细胞截留工序、净化工序和产物浓缩工序中的一种。

18.如权利要求17中所述的方法，其进一步包含若所述灌注工序的类型为细胞截留工序，则引导所述进料流体(20)经由所述进料流路(14)从所述生物反应器(12)向所述第一切向流过滤器(16)流动。

19.如权利要求17中所述的方法，其进一步包含若所述灌注工序的类型为产物和细胞截留工序，则引导所述进料流体(20)经由所述进料流路(14)从所述生物反应器(12)向所述第二切向流过滤器(18)流动。

20.如权利要求17中所述的方法，其进一步包含若所述灌注工序的类型为净化工序，则引导所述进料流体(20)经由所述进料流路(14)从所述生物反应器(12)向所述第一切向流过滤器(16)流动。

21.如权利要求17中所述的方法，其进一步包含若所述灌注工序的类型为产物浓缩工序，则引导所述进料流体(20)经由所述进料流路(14)从所述生物反应器(12)向所述第二切向流过滤器(18)流动。

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