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WO2025062024A1 - Control of cell production in a bioreactor - Google Patents

Control of cell production in a bioreactor Download PDF

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Publication number
WO2025062024A1
WO2025062024A1 PCT/EP2024/076558 EP2024076558W WO2025062024A1 WO 2025062024 A1 WO2025062024 A1 WO 2025062024A1 EP 2024076558 W EP2024076558 W EP 2024076558W WO 2025062024 A1 WO2025062024 A1 WO 2025062024A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
microcarriers
bioreactor
tank
culture medium
prediction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/076558
Other languages
French (fr)
Inventor
Thierry Bastogne
Alexandre SPRICH
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cybernano
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Lorraine
Original Assignee
Cybernano
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Lorraine
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cybernano, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut National Polytechnique de Lorraine filed Critical Cybernano
Publication of WO2025062024A1 publication Critical patent/WO2025062024A1/en
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/48Automatic or computerized control
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M25/00Means for supporting, enclosing or fixing the microorganisms, e.g. immunocoatings
    • C12M25/16Particles; Beads; Granular material; Encapsulation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M25/00Means for supporting, enclosing or fixing the microorganisms, e.g. immunocoatings
    • C12M25/16Particles; Beads; Granular material; Encapsulation
    • C12M25/18Fixed or packed bed
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/42Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of agitation speed

Definitions

  • the present disclosure relates to a method implemented by a control system for controlling cell production in a bioreactor, a computer program for implementing such a method, a control system for such a bioreactor and a bioreactor incorporating such a control system.
  • iQbD a TRL-indexed Quality-by-Design Paradigm for Medical Device Engineering. Transactions of the ASME, Journal of Medical Devices 16.
  • Nanomedicine Nanotechnology, Biology and Medicine 13, 2151-2157.
  • Nonlinear model predictive control An introductory review. Assessment and future directions of nonlinear model predictive control 1-16.
  • ICH Q14 Analytical Procedure Development and Revision of Q2(R1) Analytical Validation. (Final Concept Paper). International Council for Harmonization of Technical Requirements for Pharmaceuticals for Human Use., ICH Secretariat, Switzerland.
  • a method implemented by a control system for controlling cell production in a bioreactor.
  • the bioreactor comprises a cell culture tank containing a culture medium and microcarriers on the surface of which the cells grow.
  • the method comprises, during production, a dynamic adjustment of parameters.
  • the dynamically adjusted parameters include at least a temperature of the culture medium, a pH of the culture medium, a concentration of dissolved oxygen in the culture medium and a quantity of microcarriers present in the tank.
  • the dynamic adjustment of the quantity of microcarriers may comprise a measurement of the cell confluence rate at the surface of the microcarriers in the tank, and an addition of microcarriers in the tank so that the measured cell confluence rate follows a predetermined setpoint kinetics.
  • microcarriers into the tank can be carried out by a pump.
  • the measurement of the cell confluence rate can be carried out by an online sensor.
  • the production may take place during a period divided into successive time intervals.
  • the addition of microcarriers to the tank may comprise, for each time interval, a prediction of an evolution of the cell confluence rate in the tank.
  • the addition of microcarriers to the tank may comprise, for each interval of time, three steps.
  • the first step can be a comparison of the predicted evolution with the predetermined setpoint kinetics.
  • the second step can be a determination of a quantity of microcarriers to be added for the following time interval depending on the result of the comparison.
  • the third step can be an addition of the determined quantity of microcarriers into the tank.
  • the prediction may be based on a dynamic model comprising a state matrix, an input matrix and an output matrix.
  • the contents of the matrices may be determined from training data.
  • Determining the quantity of microcarriers to be added may include applying an optimization algorithm based on an objective criterion.
  • the objective criterion may preferably have the following formula:
  • a u is the increment of the control signal for adding microcarriers in the tank minimizing a cost function J, taking into account the various constraints;
  • - y ( t + ) denotes the prediction of the cell confluence rate at time t + J based on the measurements up to time f ;
  • [0021] - is a predetermined weighting term.
  • the microcarriers may be beads and/or discs.
  • the microcarriers may have a diameter between 50 micrometers and 1000 micrometers.
  • the bioreactor may comprise a culture medium agitator and at least one sensor for measuring the quantity of particles suspended in the tank.
  • the method may further comprise dynamic adjustment of the culture medium agitator as a function of the quantity of particles suspended measured by at least one sensor.
  • Also provided is a computer program comprising instructions which, when the program is executed by a bioreactor control system, cause the latter to implement the method.
  • a control system for a bioreactor is also provided.
  • the control system may be, for example, a SCADA system.
  • the system comprises a processor coupled to a memory.
  • the memory has recorded the computer program.
  • the processor is configured to execute the instructions of the computer program to control the bioreactor according to the method.
  • a bioreactor integrating the control system is also provided.
  • FIG.1 shows a flowchart of an example implementation of the method.
  • FIG.2 illustrates an example of a bioreactor control system.
  • FIG.3 shows an example of monitoring the predetermined setpoint kinetics.
  • FIG.4 illustrates an example of a control system including agitation regulation.
  • FIG.5 shows examples of acceptable value ranges in accordance with international ICH Q8(R2) guidelines.
  • FIG.6 shows an example block diagram of determining the quantity of microcarriers to be added for each time interval.
  • FIG.7 shows an example of the dynamic model.
  • FIG.8 shows an example of minimization by the objective criterion.
  • FIG.9 shows an example of a signal for stimulating the flow rate of microcarriers to the pump.
  • FIG.10 shows an example of calibration of confluence rate measurements.
  • FIG.11 illustrates an example of an MPC regulator.
  • the bioreactor comprises a cell culture tank containing a culture medium and microcarriers on the surface of which the cells grow.
  • the method comprises, during production, a dynamic adjustment S 10 of parameters.
  • the dynamically adjusted parameters include at least a temperature of the culture medium, a pH of the culture medium, a concentration of dissolved oxygen in the culture medium and an amount of microcarriers present in the tank.
  • the process improves the quality and quantity of the biomass produced in the bioreactor.
  • microcarriers are culture supports for cells and the dynamic adjustment of their quantity in the bioreactor makes it possible to reduce cell degradation when the cell confluence on the microcarriers is too high.
  • Cell confluence indeed affects the behavior and growth of cells.
  • the quality of production decreases and the quantity no longer increases (the surface area of all microcarriers in the tank being colonized). It has been shown that it may be one of the main mechanisms that can inhibit their expansion (Nekanti et al., 2010).
  • the process improves quality and production yields, particularly in the context of the development of innovative therapy drugs. This is the main motivation behind national calls for tenders such as the major biomedicine challenge in 2020 and, more recently, that linked to innovations in biotherapies and bioproduction.
  • the method is implemented by the control system. This means that the steps (or substantially all of the steps) of the method are executed by the control system, or any other similar system. Thus, the steps of the method are executed by the control system, possibly in a fully automatic or semi-automatic manner. In some examples, the triggering of at least some of the steps of the method may be carried out by an interaction between the user and the control system.
  • a typical example of implementing the method is to execute the method using a control system adapted for this purpose.
  • the control system may comprise a processor coupled to a memory and a graphical user interface (GUI).
  • GUI graphical user interface
  • the memory may have recorded a computer program comprising instructions for executing the method.
  • the memory may also store a database.
  • the memory is a hardware adapted for this type of storage, possibly comprising several distinct physical parts (for example, one for the program, and possibly one for the database).
  • Controlling cell production in the bioreactor means mastering the production of cells in the bioreactor by directly adjusting, i.e. dynamically, certain critical variables (i.e. parameters) of the process.
  • dynamic adjustment it is understood that the process is carried out during the production of cells in the bioreactor, and that the process adjusts the parameters during the production (i.e. several times, at several different times during the production).
  • the production may take place during a period divided into successive time intervals, and, at each time interval, the process may comprise an adjustment of the parameters.
  • the method may comprise, after each elapse of a time interval, a determination of the value of the parameters (for the elapsed time interval), then, an adjustment of the parameters (i.e.
  • the method may comprise a recording of the determined value of each parameter (for example in the database).
  • the dynamically adjusted parameters are critical parameters of the production.
  • the production period and/or the division into time intervals may be predetermined.
  • the length of the production period and/or the time intervals considered may be defined by the user before the execution of the method (for example by means of user actions on the control system).
  • the production period may be several hours, for example to several days.
  • the division into time intervals may be a division into intervals of one or more seconds, for example one or more tens of minutes.
  • the determination of the value of the parameters may comprise a measurement (e.g. by a sensor) of the value of the parameter in the tank during the time interval.
  • the determination of the temperature may comprise a measurement of the temperature in the tank by a temperature sensor.
  • the pH may be measured by a pH measuring sensor and the oxygen concentration may be measured by an oxygen quantity sensor.
  • the determined value of the parameter may then correspond to an average of the measured value of the parameter over the time interval (e.g. when the measurement comprises several measurement points over the interval).
  • the determined value of the parameter may be a value taken during the time interval (e.g. at the beginning or in the middle of the interval).
  • the determination of the value of this parameter may be calculated. For example, determining the value may include calculating the amount of microcarriers in the tank based on the amount of microcarriers determined for an interval of previous time (e.g. initially present in the tank for the first time interval) and the quantity of microcarriers added since the elapse of this previous time interval.
  • the cells produced in the bioreactor may be adherent cells that grow on the surface of microcarriers.
  • the cells may be HEK293 cells, mesenchymal stem cells, Vero cells, or CHO cells.
  • the cells may colonize the surface of the microcarriers that are present in the cell culture vessel (i.e., the microcarriers initially present in the vessel and those that are added during the execution of the process).
  • the cells may develop (i.e., grow and multiply) by feeding on the culture medium present in the vessel.
  • the method comprises a dynamic adjustment S10 of at least the parameters temperature, pH, dissolved oxygen concentration and quantity of microcarriers in the tank.
  • the method may comprise, for each of these parameters, the execution of commands to increase or decrease the value of the parameter (these commands being executed at different times during production).
  • the method may comprise, in parallel, a dynamic adjustment of one or more other production parameters (other than the temperature, the pH, the dissolved oxygen concentration and the quantity of microcarriers in the tank).
  • the method can repeat the dynamic adjustment S 10 for different production batches.
  • the method can carry out, during production, the dynamic adjustment S10 of at least the parameters temperature, pH, dissolved oxygen concentration and quantity of microcarriers in the tank in the same manner. The method thus makes it possible to compensate for the effects due to uncontrollable differences in initial culture conditions between the different production batches, which improves the reproducibility of production in the bioreactor.
  • the method can perform the dynamic adjustment S 10 of the temperature, pH and dissolved oxygen concentration in any manner.
  • the method can dynamically adjust these parameters to follow a predetermined setpoint (e.g. a curve indicating a desired evolution for each parameter as a function of time) and/or so that the value of these parameters remains within predetermined value intervals (e.g. by standards or norms).
  • the adjustment of these parameters can be done by adding substances (e.g. air for the oxygen concentration or carbon dioxide gas for the pH) or energy to the tank (e.g. heat for the temperature).
  • the dynamic adjustment S 10 can, at each time interval, and for each in- time interval, including a measurement of the parameter (temperature, pH and dissolved oxygen concentration), then, for each parameter, the addition of a quantity of the respective substance to the parameter so as to follow the predetermined set value of the parameter.
  • a measurement of the parameter temperature, pH and dissolved oxygen concentration
  • the adjustment S10 of the quantity of microcarriers may comprise a measurement S20 of the cell confluence rate at the surface of the microcarriers in the tank.
  • the measurement S20 of the cell confluence rate may be carried out by an online sensor (or probe).
  • the online sensor may be a multi-angle sensor, which is configured to find the coverage rate on the microcarriers.
  • the online sensor may be a near-infrared spatially resolved spectroscopic probe.
  • the online sensor may be the SAM-Spec sensor manufactured by Indatech (Chauvin-Arnoux).
  • the online sensor may be a probe for measuring permittivity in a liquid medium (such as the Incyte Arc sensor manufactured by Hamilton).
  • the measurement may be an offline measurement.
  • the measurement may comprise taking a sample from the tank (for example automatically by a sample taking device located in the tank, or manually by an operator).
  • the measurement may include processing the sample collected to deduce the cell confluence rate.
  • the processing may include determining the absorbance and/or turbidity of the sample collected, followed by calculating the cell confluence rate in the tank based on the determined absorbance and/or turbidity.
  • the production may take place during a period divided into successive time intervals.
  • the addition S30 of microcarriers into the tank may comprise, for each time interval, a prediction S31 of an evolution of the cell confluence rate in the tank.
  • the prediction may be a prediction in future instants of the evolution of the cell confluence rate in the tank.
  • the time interval over which the prediction is made may be a future time interval.
  • the prediction S31 may take place during a time interval (or time step) /, and the prediction S31 may predict the evolution of the cell confluence rate for the time interval (or time step) t+1, i.e. the one following the time interval currently elapsing while the method is performing the prediction S31 for the interval t.
  • the prediction may be based on the evolution of the cell confluence rate before the time interval.
  • the prediction can be based on the cell confluence rate measured for previous time intervals.
  • the prediction can also be based on measured values of the other parameters (temperature, pH and/or dissolved oxygen concentration), e.g. example the values measured for these other parameters during their dynamic adjustment.
  • the prediction may be based on a dynamic model comprising a state matrix, an input matrix and an output matrix.
  • the content of the matrices may be determined from training data.
  • the dynamic model may be a dynamic model of the bioreactor describing it by a state representation.
  • the content of the matrices may be predetermined.
  • the content of the matrices may have been determined before the execution of the method.
  • the dynamic model may be a model belonging to the family of black box models, i.e. an empirical model whose content of the matrices is determined from training data.
  • the training data may have been collected during experiments carried out on the bioreactor to be controlled.
  • the dynamic model makes it possible to establish predictions on the cellular confluence rate of the microcarriers in the tank during the time interval.
  • the prediction S31 of the evolution of the cell confluence rate may be a prediction over the time interval.
  • the prediction may comprise several predicted values of the cell confluence rate at different times in the time interval.
  • the prediction may comprise a single predicted value of the cell confluence rate, this value being able to be an average for the interval or at a time in the interval (for example in the middle or at the end of the interval).
  • the prediction may comprise a predicted variation compared to a measured and/or predicted value for the previous time interval (for example an increase or a decrease in the cell confluence rate).
  • the addition S30 of microcarriers may comprise a comparison S32 of the predicted evolution with the predetermined setpoint kinetics.
  • the predetermined setpoint kinetics may comprise an evolution of the setpoint cell confluence rate as a function of time. This evolution may be optimal in terms of quality and quantity of biomass produced.
  • the predetermined setpoint kinetics may be represented by a curve representing the evolution of the setpoint cell confluence rate as a function of time. The setpoint kinetics may have been predetermined on prior tests. The curve representing it may have the shape of a sigmoid, for example with as parameters: K a static gain and T a time constant.
  • the comparison S32 may comprise a calculation of a difference between the predicted evolution for the time interval and the cell confluence rate given by the setpoint evolution for this time interval, and for example also a calculation of a difference between the predicted evolution for one or more previous time intervals and, for each, the respective cell confluence rate given by the setpoint evolution.
  • the addition S30 may comprise a determination S33 of a quantity of microcarriers to be added for the following time interval based on the result of the comparison.
  • the result of the comparison may comprise all of the calculated differences.
  • the determination S33 may comprise an application of an optimization algorithm.
  • the optimization algorithm may be based on an objective criterion.
  • the objective criterion may take as input a control signal for the addition of microcarriers to the tank.
  • the optimization algorithm may comprise a minimization of this objective criterion.
  • the quantity of microcarriers to be added determined may minimize the result of the objective criterion.
  • the minimization may comprise a determination of a control signal for the addition of microcarriers to the tank minimizing the result of the objective criterion.
  • the objective criterion may preferably have the following formula:
  • a u is the increment of the control signal for the addition of microcarriers in the tank minimizing a criterion J, taking into account the various constraints;
  • the addition S30 may comprise the addition S34 of the determined quantity of microcarriers in the tank.
  • the method may execute the steps S31 to S33 at the time interval t (using the notations previously introduced).
  • the method may execute the addition S34 of the determined quantity of microcarriers during the time interval /+ 1 (the time interval following the time interval t during which the prediction is executed).
  • the addition S34 of the determined quantity of microcarriers in the tank may comprise an application of the control signal for the addition of microcarriers in the tank determined (i.e. minimizing the result of the objective function).
  • the addition of microcarriers to the tank can be achieved by a pump.
  • the control signal can be a control signal for this pump.
  • the pump can include a valve, and the control signal can define an opening value for this valve (the pump valve being configured so that the opening value modifies a flow rate of microcarriers added to the tank).
  • the opening value can be applied during the time interval t+1.
  • the microcarriers may be of any shape.
  • the microcarriers may be beads and/or discs.
  • all of the microcarriers in the vessel may be beads.
  • all of the microcarriers in the vessel may be discs.
  • the vessel may comprise a mixture of beads and discs.
  • the microcarriers may have a diameter of between 50 micrometers and 1000 micrometers.
  • the bioreactor may include an agitator.
  • the agitator may be any device capable of agitating the contents of the tank.
  • the agitation may be a propeller.
  • the agitator may be a flow agitator or an external device such as wave bioreactors.
  • the bioreactor may also include at least one sensor for measuring the amount of particles suspended in the tank.
  • the at least one measurement sensor may be configured to measure the absorbance and/or turbidity of the container of the tank.
  • the bioreactor may include two in-line sensors: a sensor for the absorbance of the container of the tank and a sensor for the turbidity of the container of the tank.
  • the method may include measuring the amount of particles (e.g., in real time, at each interval t for example).
  • the measurement may include a calculation of the cell confluence rate based on the result of at least one sensor present in the tank (for example based on the measured absorbance and/or turbidity).
  • the method may further comprise dynamic adjustment of the agitator as a function of the quantity of particles suspended measured by the at least one sensor.
  • the dynamic adjustment of the agitator may comprise, for each time interval, a measurement of the quantity of particles suspended at a time interval (or time step) t, then, a determination of a control signal for the agitator to be applied for the following time interval t+1.
  • the dynamic adjustment may comprise an application of the determined control signal at the time interval t+1 (and also at this time a repetition of the measurement and determination of the signal for the following time interval t+2).
  • the determined control signal may be such that the quantity of particles suspended remains within a given range of values.
  • the determined control signal may increase the agitation when the quantity of suspended particles is less than the values in the given range and decrease agitation when the quantity of suspended particles is greater than the values in the given range.
  • Dynamic adjustment of agitation contributes to improving the quality and quantity of biomass produced in the reactor.
  • the quantity of suspended particles is one of the parameters influencing the quality and quantity of biomass produced because it makes it possible to increase the culture surface.
  • it increases the yield of the bioreactor while avoiding excessively high cell confluence leading to cell degradation.
  • Adjustments to the quantity of microcarriers and the agitation speed are interdependent. Indeed, when the number of microcarriers increases, the number of cells also increases and it becomes necessary, due to this greater mass, to increase the agitation speed to maintain homogenization of the whole above a critical value. If the agitation is too weak, all the microcarriers and cells gradually fall to the bottom of the bioreactor.
  • Dynamic agitation control allows the microcarriers to remain in suspension, while preventing the cells from being broken (in the event of excessive agitation).
  • FIG. 2 illustrates an example of a control system.
  • the control system drives a pump 102 to automatically adjust, over the course of the culture time, the quantity of microcarriers to be added to a bioreactor which comprises a cell culture tank 101 containing cells, microcarriers and a culture medium, but also a cell confluence rate sensor 103 which returns the measurement data to the control system 104.
  • This sensor can be a near-infrared spatial resolution spectroscopic probe, such as SAM-Spec manufactured by Indatech (Chauvin-Amoux) or a capacitance probe such as the Incyte-Arc d' Hamilton.
  • control unit 104 calculates the microcarrier supply rate so that the cell confluence measured on the surface of the microcarriers follows as closely as possible a predefined setpoint kinetics and does not exceed an upper limit that is also predefined.
  • FIG.3 shows an example of monitoring the predetermined setpoint kinetics.
  • FIG.3 shows the measured cell confluence 110 at the surface of the microcarriers and the predefined setpoint kinetics 111. The method determines at each time step the quantity of microcarriers to be added to the tank so that the cell confluence in the tank follows the predefined setpoint kinetics 111.
  • the temperature 210, dissolved oxygen 211 and pH 212 are controlled by three independent control loops acting on the actuators 203, 204, 205, 206. These five critical process parameters: temperature of the medium, pH level, dissolved O2 concentration, stirring power and quantity of microcarriers, have combined effects on the quantity and quality of the biomass produced.
  • a central control unit 214 simultaneously calculates the modifications to be made to the set values of the local regulators managing the temperature, the pH level and the dissolved oxygen concentration (dO2), as well as on the microcarrier feed rate and the stirrer speed so that:
  • Control Operating Region 232 a sub-region of the “Design Space” 231 in compliance with international directives in Quality by Design (ICH Q8 to Q12) (see the ranges of acceptable values in compliance with international directives shown in [Fig.5]).
  • the control software may include a predictive control algorithm.
  • the software may include instructions for determining the quantity of microcarriers to be added at each time interval.
  • FIG.6 shows an example of a block diagram of the predictive control principle.
  • N u is a parameter of the control unit which can be adjusted by an automation engineer during the implementation and testing phases of the control unit on site.
  • the bioreactor may include an MPC (Model (Based) Predictive Control) controller that is constructed from 3 main elements: a prediction model, an objective function, and a control law.
  • the prediction model can be a dynamic model of the bioreactor described by a state representation.
  • FIG.7 shows an example of the dynamic model.
  • This dynamic model can be made up of three matrices: state matrix (A), input matrix (B), output matrix (C). It can be a model belonging to the family of black box models, i.e. an empirical model whose matrix content is determined from training data, themselves collected during experiments carried out on the system to be controlled. This model makes it possible to establish predictions y on the cellular confluence rate of the microcarriers, predictions used in the MPC regulator.
  • the objective criterion can be of the form:
  • [0092] - is a weighting term used to choose between tracking performance and energy cost spent on the input signal. Like N u , it can be a parameter to be adjusted by the automation engineer during the test phases.
  • control law can correspond to the optimal control value: ⁇ ), solution of the objective criterion, determined by the resolution of the optimization algorithm, allowing the calculation of the following value of the control signal, noted
  • Table 1 below shows the contents of an example MPC controller optimization algorithm that minimizes an objective function while taking takes into account a set of constraints.
  • Any optimization problem such as this is defined using an objective function but also a set of constraints that define the set of admissible solutions, which corresponds to the set of x k to be tested in order to find the optimal solution to the problem.
  • x k be an admissible point
  • the set active W k at point x k is the set of constraints active at the current point.
  • the optimization is performed using the Lagrangian resolution method. The optimal solution is found when all Lagrange multipliers are positive.
  • the objective function can be further optimized, by making inactive the constraints corresponding to negative Lagrange multipliers.
  • the algorithm then performs a step a kP k , with a k the step length parameter, corresponding to the largest value in the range [0,1] for which all constraints are sa " satisfies, and Pk the step direction parameter.
  • the algorithm is then repeated for each iteration, adding constraints to the active set W k until the optimal solution, which minimizes the objective function over its active set W k , is found.
  • the dynamic model used to estimate the predictions y of the output variable may be a black box state model determined from a supervised machine learning method based on subspace decomposition (for example with the subspace decomposition algorithms described in Van Overschee and De Moor, 1996 and/or Bastogne, 1997).
  • the determining method may be executed prior to execution of the method.
  • the determining method may be included in the method, which may comprise, prior to production, an execution of the determining method to determine the state model that will be used, during production, to make the predictions.
  • the determination method can be based on three steps.
  • the first step may include carrying out experiments dedicated to the acquisition of learning data. Carrying out the experiments may be based on stimulations of the input signal w(f) (the microcarrier feed rate) from a pulse signal of variable heights and widths, such as that shown in [Fig.9]. These parameters may be adjusted by a person skilled in the art, an automation engineer, assisted by a bioprocess engineer. During the experiments, the measurement signals m(t) from the confluence sensor may be recorded and samples may be taken to measure in the laboratory, with a reference technique, an average number of cells per microcarrier: y ( t ) •
  • the second step may include a calibration of the measurement signals.
  • the good practices defined in the ICH Q14 guidelines (ICH Management Committee, 2018) and Q2 (Guideline and others, 2005) can be used for this purpose.
  • [Fig.10] shows an example of such a calibration of confluence rate measurements.
  • the third step may comprise an identification of the state model.
  • the third step may consist of applying subspace decomposition algorithms (for example such as those described in Van Overschee and De Moor, 1996 and Bastogne, 1997) on the signals (ut), y (t)) to estimate the matrices (A, B, C) of the following state model:
  • x(t) is a state vector of dimension n corresponding to the order of the model. This order is also estimated by the identification algorithm.
  • v(t), wt) are centered, independent Gaussian random variables with constant variances, which represent the measurement and state noises. These random variables make it possible to describe the uncertainty on the predictions of the confluence rate.
  • the dynamic model used to estimate the predictions of the output variable can also be a white-box model, i.e. a model using biological laws of cell culture to describe the behavior of the bioreactor, such as that defined in the equations below, which considers a first non-linear dynamic equation representing the concentration of cells X(t) and a second non-linear differential equation representing the concentration of substrate S(t).
  • L s is the substrate efficiency coefficient
  • S in is the substrate concentration of the input stream
  • F s is the flow rate of the input stream
  • V(t) is the volume of the bioreactor

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Abstract

The invention relates to a method, implemented by a control system, for controlling cell production in a bioreactor. The bioreactor comprises a cell culture vessel containing a culture medium and microcarriers, on the surface of which the cells grow. The method comprises dynamic adjustment of parameters during production. The dynamically-adjusted parameters include at least a temperature of the culture medium, a pH of the culture medium, a concentration of oxygen dissolved in the culture medium, and a quantity of microcarriers present in the vessel. The method improves the quality and quantity of the biomass produced in the bioreactor.

Description

Description Description

Titre de l’invention : Contrôle de production de cellules dans un bioréacteur Title of the invention: Control of cell production in a bioreactor

Domaine technique Technical field

[0001] La présente divulgation concerne un procédé implémenté par un système de commande pour contrôler une production de cellules dans un bioréacteur, un programme d’ordinateur pour mettre en œuvre un tel procédé, un système de commande pour un tel bioréacteur et un bioréacteur intégrant un tel système de commande. [0001] The present disclosure relates to a method implemented by a control system for controlling cell production in a bioreactor, a computer program for implementing such a method, a control system for such a bioreactor and a bioreactor incorporating such a control system.

Arrière-plan technique Technical background

[0002] Un des enjeux du grand défi national de la bioproduction défini en 2021 par le gouvernement est la maîtrise de la quantité et de la qualité de la biomasse produite. Toutefois, les conditions initiales de culture entre les lots de production ne sont jamais identiques. Elles peuvent causer des variabilités importantes en sortie et un rejet des produits obtenus dont les caractéristiques et la qualité ne sont plus dans les spécifications attendues. [0002] One of the challenges of the major national bioproduction challenge defined in 2021 by the government is the control of the quantity and quality of the biomass produced. However, the initial cultivation conditions between production batches are never identical. They can cause significant variability in output and rejection of the products obtained whose characteristics and quality are no longer within the expected specifications.

[0003] Tout le monde s’accorde aujourd’hui sur le fait que l’approche du Qualité-par-Essai (traduction de l’anglais « Quality-by-Testing ») est inadaptée au développement rapide et efficace de produits pharmaceutiques innovants. L’émergence au milieu des années 2000 de la bonne pratique QbD (acronyme de l’anglais « Quality by Design », qui signifie en français Qualité dès la Conception) pharmaceutique (directives internationales ICH Q8-Q12) a permis d’introduire l’analyse prédictive de risques au plus tôt de la chaîne de développement (références Bastogne, 2017, Bastogne, 2022, Bastogne et al., 2022 et Bevers et al., 2022 de la liste fournie ci-après). D’autres avancées technologiques et numériques, regroupées sous le terme de Technologie analytique des procédés (traduction de l’anglais « Process Analytical Technology »), ont apporté les moyens sur le terrain pour suivre en temps réel certaines variables critiques pendant la fabrication des produits. A cela s’ajoutent les stratégies de contrôle, également définies dans la directive ICH Q8(R2). En fonction des mesures fournies par les technologies analytiques, elles permettent d’agir sur le procédé pour assurer que le produit soit conforme aux spécifications attendues. Il existe au moins trois niveaux de sophistication de ces stratégies de contrôle. Le niveau le plus perfectionné permet de piloter automatiquement le procédé et s’inscrit naturellement dans le cadre plus général du paradigme de l’industrie 4.0. Pour la communauté automaticienne, il n’y a rien de vraiment nouveau à l’horizon excepté désormais des données (spectres, images et/ou génomique) de plus en plus disponibles en temps réel (en ligne), ce qui autorise désormais l’implémentation de régulateurs plus sophistiqués comme ceux fondés sur la commande prédictive dans le but de mieux maîtriser les objectifs de qualité et de productivité et de corriger certaines variables pendant la culture si besoin est. Les premières études, publiées sous le nom de « Quality by Control », ont été appliquées à la bioproduction entre 2015 et 2020. Cependant, ces solutions existantes de contrôle de production dans un bioréacteur ne sont pas suffisantes. [0003] Everyone now agrees that the Quality-by-Testing approach is unsuitable for the rapid and efficient development of innovative pharmaceutical products. The emergence in the mid-2000s of good pharmaceutical QbD (Quality by Design) practice (ICH Q8-Q12 international guidelines) made it possible to introduce predictive risk analysis as early as possible in the development chain (references Bastogne, 2017, Bastogne, 2022, Bastogne et al., 2022 and Bevers et al., 2022 from the list provided below). Other technological and digital advances, grouped under the term Process Analytical Technology, have brought the means to the field to monitor certain critical variables in real time during product manufacturing. In addition, there are control strategies, also defined in the ICH Q8(R2) guideline. Based on the measurements provided by analytical technologies, they allow action on the process to ensure that the product complies with the expected specifications. There are at least three levels of sophistication for these control strategies. The most advanced level allows for automatic process control and fits naturally into the broader framework of the Industry 4.0 paradigm. For the automation community, there is nothing really new on the horizon except for data (spectra, images and/or genomics) that are increasingly available in real time (online), which allows now the implementation of more sophisticated regulators such as those based on predictive control in order to better control quality and productivity objectives and to correct certain variables during cultivation if necessary. The first studies, published under the name "Quality by Control", were applied to bioproduction between 2015 and 2020. However, these existing solutions for production control in a bioreactor are not sufficient.

[0004] Liste de références : [0004] List of references:

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[0005] Dans ce contexte, il existe toujours un besoin d’améliorer la production dans un bioréacteur. [0005] In this context, there is still a need to improve production in a bioreactor.

Résumé Summary

[0006] On propose pour cela un procédé implémenté par un système de commande pour contrôler une production de cellules dans un bioréacteur. Le bioréacteur comprend une cuve de culture cellulaire contenant un milieu de culture et des microporteurs à la surface desquels les cellules se développent. Le procédé comprend, pendant la production, un ajustement dynamique de paramètres. Les paramètres ajustés dynamiquement incluent au moins une température du milieu de culture, un pH du milieu de culture, une concentration d’oxygène dissous dans le milieu de culture et une quantité de microporteurs présents dans la cuve. [0006] For this purpose, a method implemented by a control system is proposed for controlling cell production in a bioreactor. The bioreactor comprises a cell culture tank containing a culture medium and microcarriers on the surface of which the cells grow. The method comprises, during production, a dynamic adjustment of parameters. The dynamically adjusted parameters include at least a temperature of the culture medium, a pH of the culture medium, a concentration of dissolved oxygen in the culture medium and a quantity of microcarriers present in the tank.

[0007] L’ajustement dynamique de la quantité de microporteurs peut comprendre une mesure du taux de confluence cellulaire à la surface des microporteurs dans la cuve, et, un ajout de microporteurs dans la cuve pour que le taux de confluence cellulaire mesuré suive une cinétique de consigne prédéterminée. [0007] The dynamic adjustment of the quantity of microcarriers may comprise a measurement of the cell confluence rate at the surface of the microcarriers in the tank, and an addition of microcarriers in the tank so that the measured cell confluence rate follows a predetermined setpoint kinetics.

[0008] L’ajout de microporteurs dans la cuve peut être réalisé par une pompe. [0008] The addition of microcarriers into the tank can be carried out by a pump.

[0009] La mesure du taux de confluence cellulaire peut être réalisée par un capteur en ligne. [0009] The measurement of the cell confluence rate can be carried out by an online sensor.

[0010] La production peut se dérouler durant une période divisée en intervalles de temps successifs. L’ajout de microporteurs dans la cuve peut comprendre, pour chaque intervalle de temps, une prédiction d’une évolution du taux de confluence cellulaire dans la cuve. L’ajout de microporteurs dans la cuve peut comprendre, pour chaque intervalle de temps, trois étapes. La première étape peut être une comparaison de l’évolution prédite avec la cinétique de consigne prédéterminée. La deuxième étape peut être une détermination d’une quantité de microporteurs à ajouter pour l’intervalle de temps suivant en fonction du résultat de la comparaison. La troisième étape peut être un ajout de la quantité de microporteurs déterminée dans la cuve. [0010] The production may take place during a period divided into successive time intervals. The addition of microcarriers to the tank may comprise, for each time interval, a prediction of an evolution of the cell confluence rate in the tank. The addition of microcarriers to the tank may comprise, for each interval of time, three steps. The first step can be a comparison of the predicted evolution with the predetermined setpoint kinetics. The second step can be a determination of a quantity of microcarriers to be added for the following time interval depending on the result of the comparison. The third step can be an addition of the determined quantity of microcarriers into the tank.

[0011] La prédiction peut être basée sur un modèle dynamique comprenant une matrice d’état, une matrice d’entrée et une matrice de sortie. Le contenu des matrices peut être déterminé à partir de données d’apprentissage. [0011] The prediction may be based on a dynamic model comprising a state matrix, an input matrix and an output matrix. The contents of the matrices may be determined from training data.

[0012] La détermination de la quantité de microporteurs à ajouter peut comprendre une application d’un algorithme d’optimisation basé sur un critère d’objectif. Le critère d’objectif peut avoir de préférence la formule suivante : [0012] Determining the quantity of microcarriers to be added may include applying an optimization algorithm based on an objective criterion. The objective criterion may preferably have the following formula:

[0013] minJ( AM

Figure imgf000006_0001
[0013] minJ( AM
Figure imgf000006_0001

[0014] dans laquelle : [0014] in which:

[0015] - A u est l’incrément du signal de commande de l’ajout de microporteurs dans la cuve minimisant une fonction de coût J, en tenant compte des diverses contraintes ; [0015] - A u is the increment of the control signal for adding microcarriers in the tank minimizing a cost function J, taking into account the various constraints;

[0016] - y ( t + ) désigne la prédiction du taux de confluence cellulaire à l’instant t + J en fonction des mesures jusqu’à l’instant f ; [0016] - y ( t + ) denotes the prediction of the cell confluence rate at time t + J based on the measurements up to time f ;

[0017] - r ( t + j ) désigne un signal de référence à l’instant t + j de la cinétique de consigne prédéterminée à poursuivre ; [0017] - r ( t + j ) designates a reference signal at time t + j of the predetermined setpoint kinetics to be continued;

[0018] - désigne le début d’un horizon de prédiction ; [0018] - denotes the start of a prediction horizon;

[0019] - N 2 désigne la fin de l’horizon de prédiction ; [0019] - N 2 denotes the end of the prediction horizon;

[0020] - Nu désigne un horizon de calcul du signal de commande ; et [0020] - N u denotes a calculation horizon of the control signal; and

[0021] - est un terme de pondération prédéterminé. [0021] - is a predetermined weighting term.

[0022] Les microporteurs peuvent être des billes et/ou des disques. Les microporteurs peuvent avoir un diamètre compris entre 50 micromètres et 1000 micromètres. [0022] The microcarriers may be beads and/or discs. The microcarriers may have a diameter between 50 micrometers and 1000 micrometers.

[0023] Le bioréacteur peut comprendre un agitateur du milieu de culture et au moins un capteur de mesure de la quantité de particules en suspension dans la cuve. Le procédé peut comprendre en outre un réglage dynamique de l’agitateur du milieu de culture en fonction de la quantité de particules en suspension mesurée par F au moins un capteur. [0023] The bioreactor may comprise a culture medium agitator and at least one sensor for measuring the quantity of particles suspended in the tank. The method may further comprise dynamic adjustment of the culture medium agitator as a function of the quantity of particles suspended measured by at least one sensor.

[0024] On propose également un programme d’ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par un système de commande pour bioréacteur, conduisent celui-ci à mettre en œuvre le procédé. [0024] Also provided is a computer program comprising instructions which, when the program is executed by a bioreactor control system, cause the latter to implement the method.

[0025] On propose également un système de commande pour bioréacteur. Le système de commande peut être par exemple un système SCADA. Le système comprend un processeur couplé à une mémoire. La mémoire a enregistré le programme d’ordinateur. Le processeur est configuré pour exécuter les instructions du programme d’ordinateur afin de contrôler le bioréacteur selon le procédé. [0026] On propose également un bioréacteur intégrant le système de commande. [0025] A control system for a bioreactor is also provided. The control system may be, for example, a SCADA system. The system comprises a processor coupled to a memory. The memory has recorded the computer program. The processor is configured to execute the instructions of the computer program to control the bioreactor according to the method. [0026] A bioreactor integrating the control system is also provided.

Brève description des figures Brief description of the figures

[0027] Des exemples non-limitants vont être décrits en référence aux figures suivantes : [0028] La [Fig.1] montre un organigramme d’un exemple d’implémentation du procédé. [0027] Non-limiting examples will be described with reference to the following figures: [0028] [Fig.1] shows a flowchart of an example implementation of the method.

[0029] La [Fig.2] illustre un exemple de système de commande de bioréacteur. [0029] [Fig.2] illustrates an example of a bioreactor control system.

[0030] La [Fig.3] montre un exemple de suivi de la cinétique de consigne prédéterminée. [0030] [Fig.3] shows an example of monitoring the predetermined setpoint kinetics.

[0031] La [Fig.4] illustre un exemple de système de commande incluant une régulation de l’agitation. [0031] [Fig.4] illustrates an example of a control system including agitation regulation.

[0032] La [Fig.5] montre des exemples de domaines de valeurs acceptables en respect de directives internationales ICH Q8(R2). [0032] [Fig.5] shows examples of acceptable value ranges in accordance with international ICH Q8(R2) guidelines.

[0033] La [Fig.6] montre un exemple de schéma-bloc de la détermination de la quantité de microporteurs à ajouter pour chaque intervalle de temps. [0033] [Fig.6] shows an example block diagram of determining the quantity of microcarriers to be added for each time interval.

[0034] La [Fig.7] montre un exemple du modèle dynamique. [0034] [Fig.7] shows an example of the dynamic model.

[0035] La [Fig.8] montre un exemple de minimisation par le critère d’objectif. [0035] [Fig.8] shows an example of minimization by the objective criterion.

[0036] La [Fig.9] montre un exemple de signal de stimulation du débit d’alimentation de la pompe en microporteurs. [0036] [Fig.9] shows an example of a signal for stimulating the flow rate of microcarriers to the pump.

[0037] La [Fig.10] montre un exemple de calibration de mesures du taux de confluence. [0037] [Fig.10] shows an example of calibration of confluence rate measurements.

[0038] La [Fig.11] illustre un exemple de régulateur MPC. [0038] [Fig.11] illustrates an example of an MPC regulator.

Description détaillée Detailed description

[0039] En référence à l’organigramme de la [Fig.1], on propose un procédé implémenté par un système de commande pour contrôler une production de cellules dans un bioréacteur. Le bioréacteur comprend une cuve de culture cellulaire contenant un milieu de culture et des microporteurs à la surface desquels les cellules se développent. Le procédé comprend, pendant la production, un ajustement dynamique S 10 de paramètres. Les paramètres ajustés dynamiquement incluent au moins une température du milieu de culture, un pH du milieu de culture, une concentration d’oxygène dissous dans le milieu de culture et une quantité de microporteurs présents dans la cuve. [0039] With reference to the flowchart of [Fig.1], a method implemented by a control system is proposed for controlling cell production in a bioreactor. The bioreactor comprises a cell culture tank containing a culture medium and microcarriers on the surface of which the cells grow. The method comprises, during production, a dynamic adjustment S 10 of parameters. The dynamically adjusted parameters include at least a temperature of the culture medium, a pH of the culture medium, a concentration of dissolved oxygen in the culture medium and an amount of microcarriers present in the tank.

[0040] Le procédé améliore la qualité et la quantité de la biomasse produite dans le bioréacteur. [0040] The process improves the quality and quantity of the biomass produced in the bioreactor.

[0041] En effet, l’ajustement dynamique de la quantité de microporteurs permet de maîtriser le taux de confluence sur microporteurs, qui est un point critique pour améliorer la qualité et le rendement de production. Notamment, les microporteurs sont des supports de culture pour les cellules et l’ajustement dynamique de leur quantité dans le bioréacteur permet de réduire la dégradation cellulaire lorsque la confluence cellulaire sur les microporteurs est trop élevée. La confluence cellulaire affecte en effet le comportement et la croissance des cellules. Lorsque la confluence cellulaire sur les microporteurs devient trop élevée, la qualité de la production diminue et la quantité n’augmente plus (la surface de tous les microporteurs de la cuve étant colonisée). Il est démontré qu’il peut être l’un des principaux mécanismes pouvant inhiber leur expansion (Nekanti et al., 2010). Dans Voisin et al., 2021, il est aussi montré que la confluence a un impact sur le phénotype immunomodulateur et la migration. De plus, une fois la totalité de la surface récupérée par les cellules, un phénomène, appelé inhibition de contact, se produit et les cellules arrêtent leur croissance. La confluence cellulaire sur les microporteurs conduit également à des agrégations de cellules et de microporteurs. De plus, il a été montré dans Ferrari et al., 2012 que certaines cellules peuvent migrer de microporteurs vers d’autres microporteurs lors de la confluence. Rafiq et al., 2018 ont démontré cette propriété particulière de transfert de bille à bille avec des cellules souches mésenchymateuses de moelle osseuse humaine, en utilisant différents types de micro- supports dans la même culture. Par conséquent, contrôler automatiquement l’ajout de nouveaux microporteurs permet de réduire le pourcentage de confluence et donc les dommages cellulaires associés à ce phénomène. Par ailleurs, en améliorant le réglage des paramètres, le procédé peret également de réduire le risque que des conditions initiales de culture entre différents lots de production soient différentes. [0041] Indeed, the dynamic adjustment of the quantity of microcarriers makes it possible to control the confluence rate on microcarriers, which is a critical point for improving the quality and production yield. In particular, microcarriers are culture supports for cells and the dynamic adjustment of their quantity in the bioreactor makes it possible to reduce cell degradation when the cell confluence on the microcarriers is too high. Cell confluence indeed affects the behavior and growth of cells. When the cell confluence on the microcarriers becomes too high, the quality of production decreases and the quantity no longer increases (the surface area of all microcarriers in the tank being colonized). It has been shown that it may be one of the main mechanisms that can inhibit their expansion (Nekanti et al., 2010). In Voisin et al., 2021, it is also shown that confluence has an impact on the immunomodulatory phenotype and migration. In addition, once the entire surface area has been recovered by the cells, a phenomenon called contact inhibition occurs and the cells stop growing. Cell confluence on microcarriers also leads to aggregations of cells and microcarriers. Furthermore, it has been shown in Ferrari et al., 2012 that some cells can migrate from microcarriers to other microcarriers during confluence. Rafiq et al., 2018 demonstrated this particular property of bead-to-bead transfer with human bone marrow mesenchymal stem cells, using different types of microcarriers in the same culture. Therefore, automatically controlling the addition of new microcarriers allows to reduce the percentage of confluence and therefore the cell damage associated with this phenomenon. Furthermore, by improving the parameter setting, the process also reduces the risk of initial culture conditions between different production batches being different.

[0042] En particulier, le procédé améliore la qualité et les rendements de production notamment dans le cadre du développement des médicaments de thérapies innovantes. C’est la principale motivation à l’origine des appels d’offres nationaux tels que le grand défi des biomédicaments en 2020 et plus récemment celui lié aux innovations en biothérapies et bioproduction. [0042] In particular, the process improves quality and production yields, particularly in the context of the development of innovative therapy drugs. This is the main motivation behind national calls for tenders such as the major biomedicine challenge in 2020 and, more recently, that linked to innovations in biotherapies and bioproduction.

[0043] Le procédé est mis en œuvre par le système de commande. Cela signifie que les étapes (ou la quasi-totalité des étapes) du procédé sont exécutées par le système de commande, ou tout autre système similaire. Ainsi, les étapes du procédé sont exécutées par le système de commande, éventuellement de manière entièrement automatique ou semi-automatique. Dans certains exemples, le déclenchement d’au moins certaines des étapes de la méthode peut être effectué par une interaction entre l’utilisateur et le système de commande. [0043] The method is implemented by the control system. This means that the steps (or substantially all of the steps) of the method are executed by the control system, or any other similar system. Thus, the steps of the method are executed by the control system, possibly in a fully automatic or semi-automatic manner. In some examples, the triggering of at least some of the steps of the method may be carried out by an interaction between the user and the control system.

[0044] Un exemple typique de mise en œuvre du procédé consiste à exécuter le procédé à l’aide d’un système de commande adapté à cet effet. Le système de commande peut comprendre un processeur couplé à une mémoire et à une interface utilisateur graphique (GUI). La mémoire peut avoir enregistré un programme informatique comprenant des instructions pour l’exécution du procédé. La mémoire peut également stocker une base de données. La mémoire est un matériel adapté à ce type de stockage, comprenant éventuellement plusieurs parties physiques distinctes (par exemple, une pour le programme, et éventuellement une pour la base de données). [0044] A typical example of implementing the method is to execute the method using a control system adapted for this purpose. The control system may comprise a processor coupled to a memory and a graphical user interface (GUI). The memory may have recorded a computer program comprising instructions for executing the method. The memory may also store a database. The memory is a hardware adapted for this type of storage, possibly comprising several distinct physical parts (for example, one for the program, and possibly one for the database).

[0045] Contrôler la production de cellules dans le bioréacteur signifie maîtriser la production de cellules dans le bioréacteur en ajustant en direct, c’est-à-dire dynamiquement, certaines variables critiques (c’est-à-dire les paramètres) du procédé. Par ajustement dynamique, il est entendu que le procédé est exécuté pendant la production de cellules dans le bioréacteur, et que le procédé ajuste les paramètres pendant la production (c’est-à-dire plusieurs fois, à plusieurs instants différents pendant la production). Par exemple, la production peut se dérouler durant une période divisée en intervalles de temps successifs, et, à chaque intervalle de temps, le procédé peut comprendre un ajustement des paramètres. Le procédé peut comprendre, après chaque écoulement d’un intervalle de temps, une détermination de la valeur des paramètres (pour l’intervalle de temps écoulé, puis, un ajustement des paramètres (c’est-à-dire de la valeur des paramètres) pour un intervalle de temps suivant (après celui écoulé). L’intervalle de temps suivant peut être l’intervalle de temps s’écoulant juste après celui écoulé, ou bien le deuxième (ou n’importe quel intervalle suivant après celui écoulé). Le procédé peut comprendre un enregistrement de la valeur déterminée de chaque paramètre (par exemple dans la base de données). Les paramètres ajustés dynamiquement sont des paramètres critiques de la production. [0045] Controlling cell production in the bioreactor means mastering the production of cells in the bioreactor by directly adjusting, i.e. dynamically, certain critical variables (i.e. parameters) of the process. By dynamic adjustment, it is understood that the process is carried out during the production of cells in the bioreactor, and that the process adjusts the parameters during the production (i.e. several times, at several different times during the production). For example, the production may take place during a period divided into successive time intervals, and, at each time interval, the process may comprise an adjustment of the parameters. The method may comprise, after each elapse of a time interval, a determination of the value of the parameters (for the elapsed time interval), then, an adjustment of the parameters (i.e. the value of the parameters) for a following time interval (after the elapsed one). The following time interval may be the time interval immediately following the elapsed one, or the second (or any subsequent interval after the elapsed one). The method may comprise a recording of the determined value of each parameter (for example in the database). The dynamically adjusted parameters are critical parameters of the production.

[0046] La période de production et/ou la division en intervalles de temps peuvent être prédéterminées. Par exemple, la longueur de la période de production et/ou des intervalles de temps considérés peuvent être définis par l’utilisateur avant l’exécution du procédé (par exemple par le biais d’actions de l’utilisateur sur le système de contrôle). La période de production peut être de plusieurs heures, par exemple à plusieurs jours. La division en intervalles de temps peut être une division en intervalles d’une ou plusieurs secondes, par exemple une ou plusieurs dizaines de minutes. [0046] The production period and/or the division into time intervals may be predetermined. For example, the length of the production period and/or the time intervals considered may be defined by the user before the execution of the method (for example by means of user actions on the control system). The production period may be several hours, for example to several days. The division into time intervals may be a division into intervals of one or more seconds, for example one or more tens of minutes.

[0047] Pour un ou plusieurs paramètres (par exemple pour la température, le pH et/ou la concentration d’oxygène), la détermination de la valeur des paramètres peut comprendre une mesure (par exemple par un capteur) de la valeur du paramètre dans la cuve pendant l’intervalle de temps. Par exemple, la détermination de la température peut comprendre une mesure de la température dans la cuve par un capteur de température. De même, le pH peut être mesuré par un capteur de mesure de pH et la concentration d’oxygène peut être mesurée par un capteur de quantité d’oxygène. La valeur du paramètre déterminée peut alors correspondre à une moyenne de la valeur mesurée du paramètre sur l’intervalle de temps (par exemple lorsque la mesure comprendre plusieurs points de mesure sur l’intervalle). Alternativement, la valeur du paramètre déterminée peut être une valeur prise pendant l’intervalle de temps (par exemple au début ou au milieu de l’intervalle). Pour la quantité de microporteurs, la détermination de la valeur de ce paramètre peut être calculée. Par exemple, la détermination de la valeur peut comprendre un calcul de la quantité de microporteurs dans la cuve en fonction de la quantité de microporteurs déterminée pour un intervalle de temps précédent (par exemple initialement présent dans la cuve pour le premier intervalle de temps) et de la quantité de microporteurs ajoutée depuis l’écoulement de cet intervalle de temps précédent. [0047] For one or more parameters (e.g. for temperature, pH and/or oxygen concentration), the determination of the value of the parameters may comprise a measurement (e.g. by a sensor) of the value of the parameter in the tank during the time interval. For example, the determination of the temperature may comprise a measurement of the temperature in the tank by a temperature sensor. Similarly, the pH may be measured by a pH measuring sensor and the oxygen concentration may be measured by an oxygen quantity sensor. The determined value of the parameter may then correspond to an average of the measured value of the parameter over the time interval (e.g. when the measurement comprises several measurement points over the interval). Alternatively, the determined value of the parameter may be a value taken during the time interval (e.g. at the beginning or in the middle of the interval). For the quantity of microcarriers, the determination of the value of this parameter may be calculated. For example, determining the value may include calculating the amount of microcarriers in the tank based on the amount of microcarriers determined for an interval of previous time (e.g. initially present in the tank for the first time interval) and the quantity of microcarriers added since the elapse of this previous time interval.

[0048] Les cellules produites dans le bioréacteur peuvent être des cellules adhérentes qui se développent à la surface de microporteurs. Par exemple, les cellules peuvent être des cellules de type HEK293, des cellules souches mésenchymateuses, des cellules Vero ou des cellules CHO. Les cellules peuvent coloniser la surface des microporteurs qui sont présents dans la cuve de culture cellulaire (c’est-à-dire les microporteurs présents initialement dans la cuve et ceux qui sont ajoutés pendant l’exécution du procédé). Les cellules peuvent se développer (c’est-à-dire grandir et se multiplier) en se nourrissant du milieu de culture présent dans la cuve. [0048] The cells produced in the bioreactor may be adherent cells that grow on the surface of microcarriers. For example, the cells may be HEK293 cells, mesenchymal stem cells, Vero cells, or CHO cells. The cells may colonize the surface of the microcarriers that are present in the cell culture vessel (i.e., the microcarriers initially present in the vessel and those that are added during the execution of the process). The cells may develop (i.e., grow and multiply) by feeding on the culture medium present in the vessel.

[0049] Le procédé comprend un ajustement dynamique S10 d’au moins les paramètres température, pH, concentration d’oxygène dissous et quantité de microporteurs dans la cuve. Par exemple, le procédé peut comprendre, pour chacun de ces paramètres, l’exécution de commandes pour augmenter ou diminuer la valeur du paramètre (ces commandes étant exécutées à des instants différents pendant la production). Dans des exemples, le procédé peut comprendre, en parallèle, un ajustement dynamique d’un ou plusieurs autres paramètres de production (autres que la température, le pH, la concentration d’oxygène dissous et la quantité de microporteurs dans la cuve). [0049] The method comprises a dynamic adjustment S10 of at least the parameters temperature, pH, dissolved oxygen concentration and quantity of microcarriers in the tank. For example, the method may comprise, for each of these parameters, the execution of commands to increase or decrease the value of the parameter (these commands being executed at different times during production). In examples, the method may comprise, in parallel, a dynamic adjustment of one or more other production parameters (other than the temperature, the pH, the dissolved oxygen concentration and the quantity of microcarriers in the tank).

[0050] Dans des exemples, le procédé peut répéter l’ajustement dynamique S 10 pour différents lots de production. Pour chaque lot de production, le procédé peut réaliser, pendant la production, l’ajustement dynamique S10 d’au moins les paramètres température, pH, concentration d’oxygène dissous et quantité de microporteurs dans la cuve de la même manière. Le procédé permet ainsi de compenser les effets dus à des écarts non maîtrisables de conditions initiales de culture entre les différents lots de production, ce qui améliore la reproductibilité de la production dans le bioréacteur. [0050] In examples, the method can repeat the dynamic adjustment S 10 for different production batches. For each production batch, the method can carry out, during production, the dynamic adjustment S10 of at least the parameters temperature, pH, dissolved oxygen concentration and quantity of microcarriers in the tank in the same manner. The method thus makes it possible to compensate for the effects due to uncontrollable differences in initial culture conditions between the different production batches, which improves the reproducibility of production in the bioreactor.

[0051] L’ajustement dynamique S 10 de la température, du pH et de la concentration d’oxygène dissous est maintenant discuté. [0051] The dynamic adjustment S 10 of temperature, pH and dissolved oxygen concentration is now discussed.

[0052] Le procédé peut effectuer l’ajustement dynamique S 10 de la température, du pH et de la concentration d’oxygène dissous de n’importe quelle manière. Par exemple, le procédé peut ajuster dynamiquement ces paramètres pour suivre une consigne prédéterminée (par exemple une courbe indiquant une évolution souhaitée pour chaque paramètre en fonction du temps) et/ou pour que la valeur de ces paramètres reste dans des intervalles de valeurs prédéterminés (par exemple par des standards ou des normes). L’ajustement de ces paramètres que se faire par ajout de substances (par exemple de l’air pour la concentration d’oxygène ou du gaz dioxyde de carbone pour le pH) ou d’énergie dans la cuve (par exemple de la chaleur pour la température). L’ajustement dynamique S 10 peut, à chaque intervalle de temps, et pour chaque in- tervalle de temps, comprendre une mesure du paramètre (température, pH et concentration d’oxygène dissous), puis, pour chaque paramètre, l’ajout d’une quantité de la substante respective au paramètre de sorte à suivre la valeur de consigne prédéterminée du paramètre. [0052] The method can perform the dynamic adjustment S 10 of the temperature, pH and dissolved oxygen concentration in any manner. For example, the method can dynamically adjust these parameters to follow a predetermined setpoint (e.g. a curve indicating a desired evolution for each parameter as a function of time) and/or so that the value of these parameters remains within predetermined value intervals (e.g. by standards or norms). The adjustment of these parameters can be done by adding substances (e.g. air for the oxygen concentration or carbon dioxide gas for the pH) or energy to the tank (e.g. heat for the temperature). The dynamic adjustment S 10 can, at each time interval, and for each in- time interval, including a measurement of the parameter (temperature, pH and dissolved oxygen concentration), then, for each parameter, the addition of a quantity of the respective substance to the parameter so as to follow the predetermined set value of the parameter.

[0053] L’ajustement S 10 de la quantité de microporteurs est maintenant discuté plus en détail. [0053] The adjustment S 10 of the quantity of microcarriers is now discussed in more detail.

[0054] L’ajustement S 10 de la quantité de microporteurs peut comprendre une mesure S20 du taux de confluence cellulaire à la surface des microporteurs dans la cuve. La mesure S20 du taux de confluence cellulaire peut être réalisée par un capteur (ou sonde) en ligne. Le capteur en ligne peut être un capteur multi-angle, qui est configuré pour retrouver le taux de recouvrement sur les microporteurs. Le capteur en ligne peut être une sonde spectroscopique à résolution spatiale proche infrarouge. Par exemple, le capteur en ligne peut être le capteur SAM-Spec fabriqué par Indatech (Chauvin- Arnoux). Alternativement, le capteur en ligne peut être une sonde de mesure de permittivité dans un milieu liquide (comme le capteur Incyte Arc fabriqué par Hamilton). Alternativement, la mesure peut être une mesure hors ligne. Par exemple, la mesure peut comprendre un prélèvement d’un échantillon dans la cuve (par exemple automatiquement par un dispositif de prélèvement d’échantillons situé dans la cuve, ou manuellement par un opérateur). Après le prélèvement, la mesure peut comprendre un traitement de l’échantillon prélevé pour en déduire le taux de confluence cellulaire. Le traitement peut comprendre une détermination de l’absorbance et/ou de la turbidité de l’échantillon prélevé, puis, un calcul du taux de confluence cellulaire dans la cuve en fonction de l’absorbance et/ou de la turbidité déterminée. [0054] The adjustment S10 of the quantity of microcarriers may comprise a measurement S20 of the cell confluence rate at the surface of the microcarriers in the tank. The measurement S20 of the cell confluence rate may be carried out by an online sensor (or probe). The online sensor may be a multi-angle sensor, which is configured to find the coverage rate on the microcarriers. The online sensor may be a near-infrared spatially resolved spectroscopic probe. For example, the online sensor may be the SAM-Spec sensor manufactured by Indatech (Chauvin-Arnoux). Alternatively, the online sensor may be a probe for measuring permittivity in a liquid medium (such as the Incyte Arc sensor manufactured by Hamilton). Alternatively, the measurement may be an offline measurement. For example, the measurement may comprise taking a sample from the tank (for example automatically by a sample taking device located in the tank, or manually by an operator). After collection, the measurement may include processing the sample collected to deduce the cell confluence rate. The processing may include determining the absorbance and/or turbidity of the sample collected, followed by calculating the cell confluence rate in the tank based on the determined absorbance and/or turbidity.

[0055] Comme précédemment décrit, la production peut se dérouler durant une période divisée en intervalles de temps successifs. L’ajout S30 de microporteurs dans la cuve peut comprendre, pour chaque intervalle de temps, une prédiction S31 d’une évolution du taux de confluence cellulaire dans la cuve. La prédiction peut être une prédiction dans des instants futurs de l’évolution du taux de confluence cellulaire dans la cuve. L’intervalle de temps sur lequel la prédiction est faite peut être un intervalle de temps à venir. Par exemple, la prédiction S31 peut se dérouler pendant un intervalle de temps (ou pas de temps) /, et la prédiction S31 peut prédire l’évolution du taux de confluence cellulaire pour l’intervalle de temps (ou pas de temps) t+1, c’est-à-dire celui qui succède l’intervalle de temps en train de s’écouler pendant que le procédé exécute la prédiction S31 pour l’intervalle t. La prédiction peut être basée sur l’évolution du taux de confluence cellulaire avant l’intervalle de temps. Par exemple, la prédiction peut être basée sur le taux de confluence cellulaire mesuré pour les intervalles de temps précédents. La prédiction peut également être basée sur des valeurs mesurées sur les autres paramètres (température, pH et/ou concentration d’oxygène dissous), par exemple les valeurs mesurées pour ces autres paramètres lors de leur ajustement dynamique. [0055] As previously described, the production may take place during a period divided into successive time intervals. The addition S30 of microcarriers into the tank may comprise, for each time interval, a prediction S31 of an evolution of the cell confluence rate in the tank. The prediction may be a prediction in future instants of the evolution of the cell confluence rate in the tank. The time interval over which the prediction is made may be a future time interval. For example, the prediction S31 may take place during a time interval (or time step) /, and the prediction S31 may predict the evolution of the cell confluence rate for the time interval (or time step) t+1, i.e. the one following the time interval currently elapsing while the method is performing the prediction S31 for the interval t. The prediction may be based on the evolution of the cell confluence rate before the time interval. For example, the prediction can be based on the cell confluence rate measured for previous time intervals. The prediction can also be based on measured values of the other parameters (temperature, pH and/or dissolved oxygen concentration), e.g. example the values measured for these other parameters during their dynamic adjustment.

[0056] Dans des exemples, la prédiction peut être basée sur un modèle dynamique comprenant une matrice d’état, une matrice d’entrée et une matrice de sortie. Le contenu des matrices peut être déterminé à partir de données d’apprentissage. Le modèle dynamique peut être un modèle dynamique du bioréacteur le décrivant par une représentation d’état. Le contenu des matrices peut être prédéterminé. Le contenu des matrices peut avoir été déterminé avant l’exécution du procédé. Le modèle dynamique peut être un modèle appartenant à la famille des modèles boites noires, c’est-à-dire un modèle empirique dont le contenu des matrices est déterminé à partir de données d’apprentissage. Les données d’apprentissage peuvent avoir été collectées pendant des expériences réalisées sur le bioréacteur à piloter. Le modèle dynamique permet d’établir des prédictions sur le taux de confluence cellulaire des microporteurs dans la cuve pendant l’intervalle de temps. [0056] In examples, the prediction may be based on a dynamic model comprising a state matrix, an input matrix and an output matrix. The content of the matrices may be determined from training data. The dynamic model may be a dynamic model of the bioreactor describing it by a state representation. The content of the matrices may be predetermined. The content of the matrices may have been determined before the execution of the method. The dynamic model may be a model belonging to the family of black box models, i.e. an empirical model whose content of the matrices is determined from training data. The training data may have been collected during experiments carried out on the bioreactor to be controlled. The dynamic model makes it possible to establish predictions on the cellular confluence rate of the microcarriers in the tank during the time interval.

[0057] La prédiction S31 de l’évolution du taux de confluence cellulaire peut être une prédiction sur l’intervalle de temps. Par exemple, la prédiction peut comprendre plusieurs valeurs prédites du taux de confluence cellulaire à différents instants dans l’intervalle de temps. Alternativement, la prédiction peut comprendre une seule valeur prédite du taux de confluence cellulaire, cette valeur pouvant être une moyenne pour l’intervalle ou à un instant de l’intervalle (par exemple au milieu ou à la fin de l’intervalle). Alternativement, la prédiction peut comprendre une variation prédite par rapport à une valeur mesurée et/ou prédite pour l’intervalle de temps précédent (par exemple une augmentation ou une diminution du taux de confluence cellulaire). [0057] The prediction S31 of the evolution of the cell confluence rate may be a prediction over the time interval. For example, the prediction may comprise several predicted values of the cell confluence rate at different times in the time interval. Alternatively, the prediction may comprise a single predicted value of the cell confluence rate, this value being able to be an average for the interval or at a time in the interval (for example in the middle or at the end of the interval). Alternatively, the prediction may comprise a predicted variation compared to a measured and/or predicted value for the previous time interval (for example an increase or a decrease in the cell confluence rate).

[0058] Après la prédiction, l’ajout S30 de microporteurs peut comprendre une comparaison S32 de l’évolution prédite avec la cinétique de consigne prédéterminée. La cinétique de consigne prédéterminée peut comprendre une évolution du taux de confluence cellulaire de consigne en fonction du temps. Cette évolution peut être optimale en termes de qualité et de quantité de biomasse produite. La cinétique de consigne prédéterminée peut être représentée par une courbe représentant l’évolution du taux de confluence cellulaire de consigne en fonction du temps. La cinétique de consigne peut avoir été prédéterminée sur des essais préalables. La courbe la représentant peut avoir la forme d’une sigmoïde, par exemple avec comme paramètres : K un gain statique et T une constante de temps. La comparaison S32 peut comprendre un calcul d’une différence entre l’évolution prédite pour l’intervalle de temps et le taux de confluence cellulaire donné par l’évolution de consigne pour cet intervalle de temps, et par exemple également un calcul d’une différence entre l’évolution prédite pour un ou plusieurs intervalles de temps précédents et, pour chacun, du taux de confluence cellulaire respectif donné par l’évolution de consigne. [0059] L’ajout S30 peut comprendre une détermination S33 d’une quantité de microporteurs à ajouter pour l’intervalle de temps suivant en fonction du résultat de la comparaison. Le résultat de la comparaison peut comprendre l’ensemble des différences calculées. La détermination S33 peut comprendre une application d’un algorithme d’optimisation. L’algorithme d’optimisation peut se baser sur un critère d’objectif. Le critère d’objectif peut prendre en entrée un signal de commande pour l’ajout de microporteur dans la cuve. L’algorithme d’optimisation peut comprendre une minimisation de ce critère d’objectif. La quantité de microporteurs à ajouter déterminée peut minimiser le résultat du critère d’objectif. La minimisation peut comprendre une détermination d’un signal de commande pour l’ajout de microporteurs dans la cuve minimisant le résultat du critère d’objectif. Le critère d’objectif peut avoir de préférence la formule suivante : [0058] After the prediction, the addition S30 of microcarriers may comprise a comparison S32 of the predicted evolution with the predetermined setpoint kinetics. The predetermined setpoint kinetics may comprise an evolution of the setpoint cell confluence rate as a function of time. This evolution may be optimal in terms of quality and quantity of biomass produced. The predetermined setpoint kinetics may be represented by a curve representing the evolution of the setpoint cell confluence rate as a function of time. The setpoint kinetics may have been predetermined on prior tests. The curve representing it may have the shape of a sigmoid, for example with as parameters: K a static gain and T a time constant. The comparison S32 may comprise a calculation of a difference between the predicted evolution for the time interval and the cell confluence rate given by the setpoint evolution for this time interval, and for example also a calculation of a difference between the predicted evolution for one or more previous time intervals and, for each, the respective cell confluence rate given by the setpoint evolution. [0059] The addition S30 may comprise a determination S33 of a quantity of microcarriers to be added for the following time interval based on the result of the comparison. The result of the comparison may comprise all of the calculated differences. The determination S33 may comprise an application of an optimization algorithm. The optimization algorithm may be based on an objective criterion. The objective criterion may take as input a control signal for the addition of microcarriers to the tank. The optimization algorithm may comprise a minimization of this objective criterion. The quantity of microcarriers to be added determined may minimize the result of the objective criterion. The minimization may comprise a determination of a control signal for the addition of microcarriers to the tank minimizing the result of the objective criterion. The objective criterion may preferably have the following formula:

060] minJ(

Figure imgf000013_0001
[0061] dans laquelle : [° 060 ] minJ(
Figure imgf000013_0001
[0061] in which:

- A u est l’incrément du signal de commande de l’ajout de microporteurs dans la cuve minimisant un critère J, en tenant compte des diverses contraintes ;- A u is the increment of the control signal for the addition of microcarriers in the tank minimizing a criterion J, taking into account the various constraints;

- y ( t + ) désigne la prédiction du taux de confluence cellulaire à F instant t + J ; en fonction des mesures jusqu’à l’instant f ; - y ( t + ) denotes the prediction of the cell confluence rate at time t + J ; based on measurements up to time f ;

- r ( t + j ) désigne un signal de référence à l’instant f + . de la cinétique de consigne prédéterminée ; - r ( t + j ) denotes a reference signal at time f + . of the predetermined setpoint kinetics;

- N j désigne le début d’un horizon de prédiction ; - N j denotes the start of a prediction horizon;

- N désigne la fin de l’horizon de prédiction ; - N denotes the end of the prediction horizon;

- Nu désigne un horizon de calcul du signal de commande ; et - N u denotes a calculation horizon of the control signal; and

- est un terme de pondération prédéterminé - is a predetermined weighting term

[0062] L’horizon de prédiction : N = N2 - N1 peut être supérieure ou égale à 1 et/ou inférieure ou égale à 50. Par exemple, N peut être égal à 10. Le terme de pondération peut être prédéterminé par des essais de comparaison préalables. Le terme de pondération peut être supérieur ou égal à 0 et/ou inférieur ou égal à 10. Par exemple, le terme de pondération peut être égal à 1. [0062] The prediction horizon: N = N 2 - N 1 may be greater than or equal to 1 and/or less than or equal to 50. For example, N may be equal to 10. The weighting term may be predetermined by prior comparison tests. The weighting term may be greater than or equal to 0 and/or less than or equal to 10. For example, the weighting term may be equal to 1.

[0063] Après la détermination S33, l’ajout S30 peut comprendre l’ajout S34 de la quantité de microporteurs déterminée dans la cuve. Le procédé peut exécuter les étapes S31 à S33 à l’intervalle de temps t (en utilisation les notations précédemment introduite). Le procédé peut exécuter l’ajout S34 de la quantité de microporteurs déterminée pendant l’intervalle de temps /+ 1 (l’intervalle de temps succédant l’intervalle de temps t pendant lequel la prédiction est exécutée). L’ajout S34 de la quantité de microporteurs déterminée dans la cuve peut comprendre une application du signal de commande pour l’ajout de microporteurs dans la cuve déterminé (c’est-à-dire minimisant le résultat de la fonction d’objectif). L’ajout de microporteurs dans la cuve peut être réalisé par une pompe. Le signal de commande peut être un signal de commande pour cette pompe. Par exemple, la pompe peut comprendre une vanne, et le signal de commande peut définir une valeur d’ouverture pour cette vanne (la vanne de la pompe étant configurée pour que la valeur d’ouverture modifie un débit de microporteurs ajoutés dans la cuve). La valeur d’ouverture peut être appliquée pendant l’intervalle de temps t+1. [0063] After the determination S33, the addition S30 may comprise the addition S34 of the determined quantity of microcarriers in the tank. The method may execute the steps S31 to S33 at the time interval t (using the notations previously introduced). The method may execute the addition S34 of the determined quantity of microcarriers during the time interval /+ 1 (the time interval following the time interval t during which the prediction is executed). The addition S34 of the determined quantity of microcarriers in the tank may comprise an application of the control signal for the addition of microcarriers in the tank determined (i.e. minimizing the result of the objective function). The addition of microcarriers to the tank can be achieved by a pump. The control signal can be a control signal for this pump. For example, the pump can include a valve, and the control signal can define an opening value for this valve (the pump valve being configured so that the opening value modifies a flow rate of microcarriers added to the tank). The opening value can be applied during the time interval t+1.

[0064] Les microporteurs peuvent être de n’importe quelle forme. Les microporteurs peuvent être des billes et/ou des disques. Par exemple, tous les microporteurs de la cuve (initialement présents ou bien ajoutés) peuvent être des billes. Alternativement, tous les microporteurs de la cuve peuvent être des disques. Alternativement encore, la cuve peut comprendre un mélange de billes et de disques. Les microporteurs peuvent avoir un diamètre compris entre 50 micromètres et 1000 micromètres. [0064] The microcarriers may be of any shape. The microcarriers may be beads and/or discs. For example, all of the microcarriers in the vessel (initially present or added) may be beads. Alternatively, all of the microcarriers in the vessel may be discs. Alternatively, the vessel may comprise a mixture of beads and discs. The microcarriers may have a diameter of between 50 micrometers and 1000 micrometers.

[0065] Dans des exemples, le bioréacteur peut comprendre un agitateur. L’agitateur peut être tout dispositif capable d’agiter le contenu de la cuve. Par exemple, l’agitation peut être une hélice. Alternativement, l’agitateur peut être un agitateur par flux ou un dispositif externe comme les bioréacteurs à vague. Le bioréacteur peut également comprendre au moins un capteur de mesure de la quantité de particules en suspension dans la cuve. L’au moins un capteur de mesure peut être configuré pour mesurer l’absorbance et/ou la turbidité du contenant de la cuve. Par exemple, le bioréacteur peut comprendre deux capteurs en ligne : un capteur de l’absorbance du contenant de la cuve et un capteur de la turbidité du contenant de la cuve. Le procédé peut comprendre une mesure de la quantité de particules (par exemple temps réel, à chaque intervalle t par exemple). La mesure peut comprendre un calcul du taux de confluence cellulaire en fonction du résultat des au moins un capteur présent dans la cuve (par exemple en fonction de l’absorbance et/ou de la turbidité mesurées). [0065] In examples, the bioreactor may include an agitator. The agitator may be any device capable of agitating the contents of the tank. For example, the agitation may be a propeller. Alternatively, the agitator may be a flow agitator or an external device such as wave bioreactors. The bioreactor may also include at least one sensor for measuring the amount of particles suspended in the tank. The at least one measurement sensor may be configured to measure the absorbance and/or turbidity of the container of the tank. For example, the bioreactor may include two in-line sensors: a sensor for the absorbance of the container of the tank and a sensor for the turbidity of the container of the tank. The method may include measuring the amount of particles (e.g., in real time, at each interval t for example). The measurement may include a calculation of the cell confluence rate based on the result of at least one sensor present in the tank (for example based on the measured absorbance and/or turbidity).

[0066] Lorsque le bioréacteur comprend un agitateur et au moins un capteur de mesure de la quantité de particules en suspension dans la cuve, le procédé peut comprendre en outre un réglage dynamique de l’agitateur en fonction de la quantité de particules en suspension mesurée par l’au moins un capteur. Le réglage dynamique de l’agitateur peut comprendre, pour chaque intervalle de temps, une mesure de la quantité de particules en suspension à un intervalle de temps (ou pas de temps) t, puis, une détermination d’un signal de commande pour l’agitateur à appliquer pour l’intervalle de temps suivant t+1. Après cela, le réglage dynamique peut comprendre une application du signal de commande déterminée à l’intervalle de temps t+1 (et également à ce moment une répétition de la mesure et de la détermination du signal pour l’intervalle de temps suivant t+2). Le signal de commande déterminée peut être de sorte que la quantité de particules en suspension reste dans une plage de valeurs donnée. Par exemple, le signal de commande déterminée peut augmenter l’agitation lorsque la quantité de particules en suspension est inférieure aux valeurs de la plage donnée et diminuer l’agitation lorsque la quantité de particules en suspension est supérieure aux valeurs de la plage donnée. [0066] When the bioreactor comprises an agitator and at least one sensor for measuring the quantity of particles suspended in the tank, the method may further comprise dynamic adjustment of the agitator as a function of the quantity of particles suspended measured by the at least one sensor. The dynamic adjustment of the agitator may comprise, for each time interval, a measurement of the quantity of particles suspended at a time interval (or time step) t, then, a determination of a control signal for the agitator to be applied for the following time interval t+1. After this, the dynamic adjustment may comprise an application of the determined control signal at the time interval t+1 (and also at this time a repetition of the measurement and determination of the signal for the following time interval t+2). The determined control signal may be such that the quantity of particles suspended remains within a given range of values. For example, the determined control signal may increase the agitation when the quantity of suspended particles is less than the values in the given range and decrease agitation when the quantity of suspended particles is greater than the values in the given range.

[0067] Le réglage dynamique de l’agitation participe à l’amélioration de la qualité et la quantité de biomasse produite dans le réacteur. En effet, la quantité de particules en suspension est l’un des paramètres influençant la qualité et la quantité de biomasse produite car elle permet d’accroître la surface de culture. Ainsi, elle augmente le rendement du bioréacteur tout en évitant une confluence cellulaire trop élevée conduisant à une dégradation des cellules. Les ajustements de la quantité de microporteurs et de la vitesse d’agitation sont interdépendants. En effet, lorsque le nombre de microporteurs augmente, le nombre de cellules augmente également et il devient nécessaire du fait de cette masse plus grande d’accroître la vitesse d’agitation pour maintenir l’homogénéisation de l’ensemble au-dessus d’une valeur critique. Si l’agitation est trop faible, l’ensemble des microporteurs et des cellules chuter petit à petit au fond du bioréacteur. Notamment, le réglage dynamique de l’agitation permet (en plus de l’ajustement de la quantité de microporteurs) de réduire le dommage cellulaire. Le réglage dynamique de l’agitation permet aux microporteurs de rester en suspension, tout en évitant que les cellules ne soient cassées (en cas d’agitation trop forte). [0067] Dynamic adjustment of agitation contributes to improving the quality and quantity of biomass produced in the reactor. Indeed, the quantity of suspended particles is one of the parameters influencing the quality and quantity of biomass produced because it makes it possible to increase the culture surface. Thus, it increases the yield of the bioreactor while avoiding excessively high cell confluence leading to cell degradation. Adjustments to the quantity of microcarriers and the agitation speed are interdependent. Indeed, when the number of microcarriers increases, the number of cells also increases and it becomes necessary, due to this greater mass, to increase the agitation speed to maintain homogenization of the whole above a critical value. If the agitation is too weak, all the microcarriers and cells gradually fall to the bottom of the bioreactor. In particular, dynamic adjustment of agitation makes it possible (in addition to adjusting the quantity of microcarriers) to reduce cell damage. Dynamic agitation control allows the microcarriers to remain in suspension, while preventing the cells from being broken (in the event of excessive agitation).

[0068] En particulier, l’effet hydrodynamique, les paramètres d’agitation et la vitesse d’agitation influencent les dommages cellulaires. Notamment, les mécanismes de mort hydrodynamique sont dus aux collisions d’un microporteur recouvert de cellules avec d’autres billes, aux collisions avec des parties du réacteur (principalement l’hélice) et à l’interaction avec des tourbillons turbulents. La mort cellulaire augmente avec la puissance d’agitation et diminue avec la viscosité du fluide. Ajuster automatique l’agitation dans le bioréacteur permet donc de réduire les dommages dus aux collisions et de reproduire plus fidèlement un réglage entre différents lots produits dans le bioréacteur. [0068] In particular, the hydrodynamic effect, the agitation parameters and the agitation speed influence cell damage. In particular, the hydrodynamic death mechanisms are due to collisions of a microcarrier covered with cells with other beads, collisions with parts of the reactor (mainly the propeller) and interaction with turbulent vortices. Cell death increases with the agitation power and decreases with the viscosity of the fluid. Automatically adjusting the agitation in the bioreactor therefore makes it possible to reduce damage due to collisions and to reproduce more faithfully a setting between different batches produced in the bioreactor.

[0069] En référence aux figures 2 à 11, des exemples d’implémentation du procédé vont maintenant être décrits. [0069] With reference to Figures 2 to 11, examples of implementation of the method will now be described.

[0070] La [Fig.2] illustre un exemple de système de commande. Le système de commande pilote une pompe 102 pour ajuster automatiquement et au cours du temps de culture la quantité de microporteurs à ajouter dans un bioréacteur qui comprend une cuve de culture cellulaire 101 contenant des cellules, des microporteurs et un milieu de culture, mais également un capteur du taux de confluence cellulaire 103 qui renvoie les données de mesure au système de commande 104. Ce capteur peut être une sonde spectroscopique à résolution spatiale proche infrarouge, comme SAM-Spec fabriqué par Indatech (Chauvin- Amoux) ou une sonde de capacitance comme le Incyte-Arc d’ Hamilton. A partir des informations de ces capteurs, l’unité de commande 104 calcule le débit d’alimentation en microporteurs pour que la confluence cellulaire mesurée à la surface des microporteurs suive au plus près une cinétique de consigne prédéfinie et qu’elle ne dépasse pas une limite supérieure également prédéfinie. [0070] [Fig. 2] illustrates an example of a control system. The control system drives a pump 102 to automatically adjust, over the course of the culture time, the quantity of microcarriers to be added to a bioreactor which comprises a cell culture tank 101 containing cells, microcarriers and a culture medium, but also a cell confluence rate sensor 103 which returns the measurement data to the control system 104. This sensor can be a near-infrared spatial resolution spectroscopic probe, such as SAM-Spec manufactured by Indatech (Chauvin-Amoux) or a capacitance probe such as the Incyte-Arc d' Hamilton. From the information from these sensors, the control unit 104 calculates the microcarrier supply rate so that the cell confluence measured on the surface of the microcarriers follows as closely as possible a predefined setpoint kinetics and does not exceed an upper limit that is also predefined.

[0071] La [Fig.3] montre un exemple de suivi de la cinétique de consigne prédéterminée. La [Fig.3] montre la confluence cellulaire mesurée 110 à la surface des microporteurs et la cinétique de consigne prédéfinie 111. Le procédé détermine à chaque pas de temps la quantité de microporteurs à ajouter à la cuve pour que la confluence cellulaire dans la cuve suive la cinétique de consigne prédéfinie 111. [0071] [Fig.3] shows an example of monitoring the predetermined setpoint kinetics. [Fig.3] shows the measured cell confluence 110 at the surface of the microcarriers and the predefined setpoint kinetics 111. The method determines at each time step the quantity of microcarriers to be added to the tank so that the cell confluence in the tank follows the predefined setpoint kinetics 111.

[0072] Pour réaliser l’opération d’asservissement de la trajectoire temporelle du taux de confluence des microporteurs, l’unité de commande centrale peut comprendre un logiciel, qui en fonction des écarts entre le signal de mesure du taux de confluence et la trajectoire de référence souhaitée de cette même grandeur, calcule les ajustements (variations) à réaliser sur le débit d’alimentation en microporteurs nus, pour réduire cet écart au maximum. [0072] To carry out the operation of controlling the time trajectory of the confluence rate of the microcarriers, the central control unit can comprise software, which, depending on the differences between the confluence rate measurement signal and the desired reference trajectory of this same quantity, calculates the adjustments (variations) to be made to the bare microcarrier supply flow rate, to reduce this difference as much as possible.

[0073] La [Fig.4] illustre un exemple de système de commande incluant une régulation de l’agitation. Le système de commande (pilotage) multivariable de bioréacteurs comprend une cuve de culture de la biomasse 201, un capteur de température 207, une sonde de pH 209, un capteur d’oxygène dissous 208, une sonde d’analyse de la biomasse 213, un capteur de densité optique 214, un capteur de turbidité 215, une pompe d’alimentation en soude (NaOH) 206A, des régulateurs de débit massique 206B, 205 A, 205B pour les alimentations en air, azote et CO2, une résistance de chauffage 204, et une pompe d’alimentation en milieu de culture et microporteurs 203. Le contenu du bioréacteur est mélangé en continu par un agitateur 202. La maîtrise des température 210, oxygène dissous 211 et pH 212 est réalisée par trois boucles de régulations indépendantes agissant sur les actionneurs 203, 204, 205, 206. Ces cinq paramètres critiques du procédé : température du milieu, niveau de pH, concentration en 02 dissous, puissance d’agitation et quantité de microporteurs, ont des effets conjugués sur la quantité et la qualité de la biomasse produite. Une unité de commande centrale 214 calcule en simultanée les modifications à apporter sur les valeurs de consignes des régulateurs locaux gérant la température, le niveau de pH et la concentration de d’oxygène dissous (dO2), ainsi que sur le débit d’alimentation en microporteurs et la vitesse de l’agitateur de telle sorte que : [0073] [Fig.4] illustrates an example of a control system including agitation regulation. The multivariable bioreactor control system comprises a biomass culture tank 201, a temperature sensor 207, a pH probe 209, a dissolved oxygen sensor 208, a biomass analysis probe 213, an optical density sensor 214, a turbidity sensor 215, a soda (NaOH) feed pump 206A, mass flow regulators 206B, 205A, 205B for the air, nitrogen and CO2 supplies, a heating resistor 204, and a culture medium and microcarrier feed pump 203. The contents of the bioreactor are continuously mixed by a stirrer 202. The temperature 210, dissolved oxygen 211 and pH 212 are controlled by three independent control loops acting on the actuators 203, 204, 205, 206. These five critical process parameters: temperature of the medium, pH level, dissolved O2 concentration, stirring power and quantity of microcarriers, have combined effects on the quantity and quality of the biomass produced. A central control unit 214 simultaneously calculates the modifications to be made to the set values of the local regulators managing the temperature, the pH level and the dissolved oxygen concentration (dO2), as well as on the microcarrier feed rate and the stirrer speed so that:

[0074] - la quantité de biomasse mesurée 220 par une sonde à l’intérieur du bioréacteur suive toujours une même trajectoire de référence 221 au cours du temps de culture. La trajectoire de culture est imposée par l’utilisateur responsable du bioréacteur ; [0074] - the quantity of biomass measured 220 by a probe inside the bioreactor always follows the same reference trajectory 221 during the culture time. The culture trajectory is imposed by the user responsible for the bioreactor;

[0075] - l’ensemble des microporteurs soit maintenu en suspension sans augmenter inutilement la puissance d’agitation ce qui résulterait à des chocs et une détérioration de l’état des cellules sur les microporteurs ; [0075] - all of the microcarriers are kept in suspension without unnecessarily increasing the stirring power which would result in shocks and deterioration of the state of the cells on the microcarriers;

[0076] - la confluence cellulaire à la surface des microporteurs suive une cinétique prédéfinie et qu’elle ne dépasse pas une limite supérieure également prédéfinie ; [0076] - the cellular confluence on the surface of the microcarriers follows predefined kinetics and that it does not exceed an upper limit which is also predefined;

[0077] - les valeurs des variables de température, de concentration en oxygène dissous, vitesse de rotation de l’agitateur et niveau de pH soient maintenues toujours à l’intérieur d’un domaine de valeurs acceptables, appelé Control Operating Region 232, une sous-région du « Design Space » 231 en respect des directives internationales en Quality by Design (ICH Q8 à Q12) (voir les domaines de valeurs acceptables en respect de directives internationales montrés sur la [Fig.5]). [0077] - the values of the variables of temperature, dissolved oxygen concentration, agitator rotation speed and pH level are always maintained within a range of acceptable values, called Control Operating Region 232, a sub-region of the “Design Space” 231 in compliance with international directives in Quality by Design (ICH Q8 to Q12) (see the ranges of acceptable values in compliance with international directives shown in [Fig.5]).

[0078] L’unité de commande centrale comprend un logiciel, qui en fonction des écarts entre les signaux de mesure et les trajectoires de référence souhaitée, calcule simultanément les ajustements (variations) à réaliser sur les consignes des régulateurs locaux, pour réduire ces écarts tout en maintenant les valeurs des variables de commande à l’intérieur d’une région de travail. [0078] The central control unit comprises software which, depending on the deviations between the measurement signals and the desired reference trajectories, simultaneously calculates the adjustments (variations) to be made to the instructions of the local regulators, to reduce these deviations while maintaining the values of the control variables within a working region.

[0079] Le logiciel de pilotage peut embarquer un algorithme de commande prédictive. Le logiciel peut comprendre des instructions pour déterminer la quantité de microporteurs à ajouter à chaque intervalle de temps. La [Fig.6] montre un exemple de schéma-bloc de principe de la commande prédictive. [0079] The control software may include a predictive control algorithm. The software may include instructions for determining the quantity of microcarriers to be added at each time interval. [Fig.6] shows an example of a block diagram of the predictive control principle.

[0080] Comparativement à un schéma classique d’une commande en boucle fermée, la consigne r de la commande prédictive contient une grandeur à différents instants dans le futur : t + 1, ■ ■ ■ , t + N2, afin de former un horizon correspondant au signal de référence. Cet horizon de N2 futures valeurs de consigne (ou référence), notées r(t + i), est comparé à chaque instant f (itération) aux N2 futures valeurs prédites v(/ + z) de la variable de sortie qui correspond ici au taux de confluence cellulaire moyen des microporteurs. [0080] Compared to a conventional closed-loop control scheme, the setpoint r of the predictive control contains a quantity at different times in the future: t + 1, ■ ■ ■ , t + N 2 , in order to form a horizon corresponding to the reference signal. This horizon of N 2 future setpoint (or reference) values, noted r(t + i), is compared at each time f (iteration) to the N 2 future predicted values v(/ + z) of the output variable which here corresponds to the average cellular confluence rate of the microcarriers.

[0081] L’écart entre les valeurs désirées r(t + i) et les valeurs prédites y(t + z) est ensuite utilisé par l’algorithme d’optimisation afin de générer un horizon de Nu futures valeurs du signal de commande, notées u t + z), où seule la première valeur correspondant à l’instant t + 1 est appliquée à l’actionneur, ici la pompe d’alimentation en microporteurs. Cet horizon de commande est ensuite recalculé à chaque instant z afin d’éviter des disparités entre les prédictions et la réalité observée. Nu est un paramètre de l’unité de commande qui peut être réglé par un ingénieur automaticien pendant les phases d’implémentation et de test de l’unité de commande sur site. [0081] The difference between the desired values r(t + i) and the predicted values y(t + z) is then used by the optimization algorithm to generate a horizon of N u future values of the control signal, noted ut + z), where only the first value corresponding to the instant t + 1 is applied to the actuator, here the microcarrier supply pump. This control horizon is then recalculated at each instant z in order to avoid disparities between the predictions and the observed reality. N u is a parameter of the control unit which can be adjusted by an automation engineer during the implementation and testing phases of the control unit on site.

[0082] Un exemple d’algorithme de minimisation est maintenant discuté. Le bioréacteur peut comprendre un régulateur MPC (acronyme de l’anglais « Model (Based) Predictive Control », qui signifie pilotage prédictif basé sur un modèle) qui est construit à partir de 3 éléments principaux : un modèle de prédiction, une fonction d’objectif et une loi de commande. [0083] Le modèle de prédiction peut être un modèle dynamique du bioréacteur décrit par une représentation d’état. La [Fig.7] montre un exemple du modèle dynamique. Ce modèle dynamique peut être constitué de trois matrices : matrice d’état (A), matrice d’entrée (B), matrice de sortie (C). Il peut s’agir d’un modèle appartenant à la famille des modèles boites noires, c’est-à-dire un modèle empirique dont le contenu des matrices est déterminé à partir de données d’apprentissage, elles-mêmes collectées pendant des expériences réalisées sur le système à piloter. Ce modèle permet d’établir des prédictions y sur le taux de confluence cellulaire des microporteurs, prédictions utilisées dans le régulateur MPC. [0082] An example of a minimization algorithm is now discussed. The bioreactor may include an MPC (Model (Based) Predictive Control) controller that is constructed from 3 main elements: a prediction model, an objective function, and a control law. [0083] The prediction model can be a dynamic model of the bioreactor described by a state representation. [Fig.7] shows an example of the dynamic model. This dynamic model can be made up of three matrices: state matrix (A), input matrix (B), output matrix (C). It can be a model belonging to the family of black box models, i.e. an empirical model whose matrix content is determined from training data, themselves collected during experiments carried out on the system to be controlled. This model makes it possible to establish predictions y on the cellular confluence rate of the microcarriers, predictions used in the MPC regulator.

[0084] Le critère d’objectif peut être de la forme : [0084] The objective criterion can be of the form:

[0085] minJ( Au

Figure imgf000018_0001
[0085] minJ( Au
Figure imgf000018_0001

[0086] qui décrit un problème d’optimisation mathématique où l’objectif est de trouver le meilleur incrément du signal de commande A u permettant de minimiser la fonction de coût J, en tenant compte des diverses contraintes. Cette fonction se compose des éléments suivants : [0086] which describes a mathematical optimization problem where the objective is to find the best increment of the control signal A u allowing to minimize the cost function J, taking into account the various constraints. This function is composed of the following elements:

[0087] - y ( t + ) désigne la prédiction de la sortie (taux de confluence cellulaire) à l’instant t + j sachant toutes les mesures jusqu’à l’instant f. [0087] - y ( t + ) denotes the prediction of the output (cell confluence rate) at time t + j knowing all the measurements up to time f .

[0088] - r ( t + j ) désigne le signal de référence à l’instant t + j. [0088] - r ( t + j ) denotes the reference signal at time t + j.

[0089] - désigne le début de l’horizon de prédiction. [0089] - denotes the start of the prediction horizon.

[0090] - N 2 désigne la fin de l’horizon de prédiction. [0090] - N 2 denotes the end of the prediction horizon.

[0091] - Nu désigne l’horizon de calcul du signal de commande. [0091] - N u denotes the calculation horizon of the control signal.

[0092] - est un terme de pondération servant à choisir entre performance de poursuite et coût énergétique dépensée sur le signal d’entrée. Comme Nu, il peut s’agir d’un paramètre à régler par l’ingénieur automaticien pendant les phases de test. [0092] - is a weighting term used to choose between tracking performance and energy cost spent on the input signal. Like N u , it can be a parameter to be adjusted by the automation engineer during the test phases.

[0093] Cette fonction d’objectif est composée de 2 termes : [0093] This objective function is composed of 2 terms:

[0094] - le premier ayant pour rôle de minimiser l’erreur quadratique entre la sortie y ( t ) et la référence r(f ) , comme l’illustre le schéma de la [Fig.8], pour une meilleure précision de poursuite de trajectoire ; [0094] - the first having the role of minimizing the quadratic error between the output y ( t ) and the reference r(f ), as illustrated in the diagram in [Fig.8], for better trajectory tracking precision;

[0095] - le second ayant pour rôle de minimiser le coût énergétique sur le signal de commande et permet d’obtenir un signal de commande physiquement réalisable. [0095] - the second having the role of minimizing the energy cost on the control signal and makes it possible to obtain a physically achievable control signal.

[0096] La loi de commande peut correspondre à la valeur de commande optimale : ^^), solution du critère d’objectif, déterminée par la résolution de l’algorithme d’optimisation, permettant de calculer la valeur suivante du signal de commande, notée

Figure imgf000018_0002
[0096] The control law can correspond to the optimal control value: ^^), solution of the objective criterion, determined by the resolution of the optimization algorithm, allowing the calculation of the following value of the control signal, noted
Figure imgf000018_0002

[0097] Le Tableau 1 ci-dessous montre le contenu d’un exemple d’algorithme d’optimisation de régulateur MPC qui minimise une fonction d’objectif tout en prenant en compte un ensemble de contraintes.

Figure imgf000019_0001
[0097] Table 1 below shows the contents of an example MPC controller optimization algorithm that minimizes an objective function while taking takes into account a set of constraints.
Figure imgf000019_0001

[0099] Tout problème d’optimisation tel que celui-ci est défini à l’aide d'une fonction d’objectif mais également d’un ensemble de contraintes qui définissent l'ensemble des solutions admissibles, qui correspond à l’ensemble des xk à tester afin de trouver la solution optimale au problème. Soit un point xk admissible, une contrainte j est

Figure imgf000019_0002
dite active au point xk si g = 0 cl inactive au point xk si g^J > Q. L’ensemble
Figure imgf000019_0003
actif Wk au point xk est l'ensemble des contraintes actives au point courant. Pour
Figure imgf000019_0004
chaque point xk et son ensemble actif Wk associé, l’optimisation est réalisée en utilisant la méthode de résolution par Lagrangien. La solution optimale est trouvée lorsque tous les multiplicateurs de Lagrange sont positifs. Dans le cas contraire, cela indique que la fonction d’objectif peut encore être optimisée, en rendant inactives les contraintes correspondant aux multiplicateurs de Lagrange négatifs. L’algorithme réalise alors un pas akPk, avec ak le paramètre de longueur de pas, correspondant à la plus grande valeur de la plage [0,1] pour laquelle toutes les contraintes sont sa"
Figure imgf000020_0001
tisfaites, et Pk le paramètre de direction de pas. Les contraintes pour lesquelles le
Figure imgf000020_0002
minimum est atteint sont appelées contraintes bloquantes : si «< = I et qu'aucune nouvelle contrainte n'est active à xt+i alors il n’y a pas de contrainte bloquante à cette itération. Si -k < 1, cela signifie que le pas le long de Pk a été bloqué par une contrainte extérieure à Wk. Dans ce cas, un nouvel ensemble actif
Figure imgf000020_0003
est formé en ajoutant une des contraintes bloquantes à Wk. L'algorithme est ensuite répété pour chaque itération, en ajoutant des contraintes à l'ensemble actif Wk jusqu’à ce que la solution optimale, qui minimise la fonction d'objectif sur son ensemble actif Wk soit trouvée. [0099] Any optimization problem such as this is defined using an objective function but also a set of constraints that define the set of admissible solutions, which corresponds to the set of x k to be tested in order to find the optimal solution to the problem. Let x k be an admissible point, a constraint j is
Figure imgf000019_0002
said to be active at point x k if g = 0 cl inactive at point x k if g^J > Q. The set
Figure imgf000019_0003
active W k at point x k is the set of constraints active at the current point. For
Figure imgf000019_0004
each point x k and its associated active set W k , the optimization is performed using the Lagrangian resolution method. The optimal solution is found when all Lagrange multipliers are positive. Otherwise, this indicates that the objective function can be further optimized, by making inactive the constraints corresponding to negative Lagrange multipliers. The algorithm then performs a step a kP k , with a k the step length parameter, corresponding to the largest value in the range [0,1] for which all constraints are sa "
Figure imgf000020_0001
satisfies, and Pk the step direction parameter. The constraints for which the
Figure imgf000020_0002
minimum is reached are called blocking constraints: if «< = I and no new constraint is active at x t+i then there is no blocking constraint at this iteration. If -k < 1, this means that the step along Pk has been blocked by a constraint outside W k . In this case, a new active set
Figure imgf000020_0003
is formed by adding one of the blocking constraints to W k . The algorithm is then repeated for each iteration, adding constraints to the active set W k until the optimal solution, which minimizes the objective function over its active set W k , is found.

[0100] Le modèle dynamique utilisé pour estimer les prédictions y de la variable de sortie (taux de confluence cellulaire) peut être un modèle d’état de type boîte noire déterminé à partir d’une méthode d’apprentissage automatique supervisée basée sur une décomposition en sous-espaces (par exemple avec les algorithmes de décomposition en sous- espaces décrits dans Van Overschee and De Moor, 1996 et/ou Bastogne, 1997). Des outils logiciels commerciaux existent pour mettre en œuvre ces méthodes de décomposition et ils permettent de déterminer un modèle d’état directement à partir des données d’apprentissage, notamment par exemple dans la boite à outils System Identification du logiciel Matlab de Mathworks. [0100] The dynamic model used to estimate the predictions y of the output variable (cell confluence rate) may be a black box state model determined from a supervised machine learning method based on subspace decomposition (for example with the subspace decomposition algorithms described in Van Overschee and De Moor, 1996 and/or Bastogne, 1997). Commercial software tools exist to implement these decomposition methods and they make it possible to determine a state model directly from the training data, in particular for example in the System Identification toolbox of Mathworks' Matlab software.

[0101] La méthode de détermination peut être exécutée avant l’exécution du procédé. Alternativement, la méthode de détermination peut être incluse dans le procédé, qui peut comprendre, avant la production, une exécution de la méthode de détermination pour déterminer le modèle d’état qui sera utilisé, pendant la production, pour faire les prédictions. [0101] The determining method may be executed prior to execution of the method. Alternatively, the determining method may be included in the method, which may comprise, prior to production, an execution of the determining method to determine the state model that will be used, during production, to make the predictions.

[0102] La méthode de détermination peut reposer sur trois étapes. [0102] The determination method can be based on three steps.

[0103] La première étape peut comprendre une réalisation d’expériences dédiées à l’acquisition de données d’apprentissage. La réalisation des expériences peut être basée sur des stimulations du signal d’entrée w(f) (le débit d’alimentation en microporteurs) à partir d’un signal d’impulsions de hauteurs et de largeurs variables, comme par exemple celui montré sur la [Fig.9] . Ces paramètres peuvent être réglés par l’homme du métier, un ingénieur automaticien, aidé par un ingénieur du bioprocédé. Pendant les expériences, les signaux de mesure m(t) du capteur de confluence peuvent être enregistrés et des prélèvements peut être réalisés pour mesurer en laboratoire, avec une technique de référence, un nombre moyen de cellules par microporteurs : y ( t ) • [0103] The first step may include carrying out experiments dedicated to the acquisition of learning data. Carrying out the experiments may be based on stimulations of the input signal w(f) (the microcarrier feed rate) from a pulse signal of variable heights and widths, such as that shown in [Fig.9]. These parameters may be adjusted by a person skilled in the art, an automation engineer, assisted by a bioprocess engineer. During the experiments, the measurement signals m(t) from the confluence sensor may be recorded and samples may be taken to measure in the laboratory, with a reference technique, an average number of cells per microcarrier: y ( t ) •

[0104] La deuxième étape peut comprendre une calibration des signaux de mesure. Cette étape peut comprendre une détermination d’une fonction /(.) de calibration permettant de reconstruire une estimation y = f nï) du taux de confluence cellulaire. Les bonnes pratiques définies dans les directives ICH Q14 (ICH Management Committee, 2018) et Q2 (Guideline and others, 2005) peuvent être utilisées dans ce but. La [Fig.10] montre un exemple d’une telle calibration de mesures du taux de confluence. [0104] The second step may include a calibration of the measurement signals. This step may include a determination of a calibration function /(.) making it possible to reconstruct an estimate y = f nï) of the cell confluence rate. The good practices defined in the ICH Q14 guidelines (ICH Management Committee, 2018) and Q2 (Guideline and others, 2005) can be used for this purpose. [Fig.10] shows an example of such a calibration of confluence rate measurements.

[0105] La troisième étape peut comprendre une identification du modèle d’état. La troisième étape peut consister à appliquer des algorithmes de décomposition en sous-espaces (par exemple tels que ceux décrits dans Van Overschee and De Moor, 1996 et Bastogne, 1997) sur les signaux (u t), y (t)) pour estimer les matrices (A, B, C) du modèle d’état suivant :

Figure imgf000021_0001
[0105] The third step may comprise an identification of the state model. The third step may consist of applying subspace decomposition algorithms (for example such as those described in Van Overschee and De Moor, 1996 and Bastogne, 1997) on the signals (ut), y (t)) to estimate the matrices (A, B, C) of the following state model:
Figure imgf000021_0001

[0107] où x(t) est un vecteur d’état de dimension n correspondant à l’ordre du modèle. Cet ordre est également estimé par l’algorithme d’identification. v(t), w t) sont des variables aléatoires gaussiennes centrées, indépendantes et à variances constantes, qui représentent les bruits de mesure et d’état. Ces variables aléatoires permettent de décrire l’incertitude sur les prédictions du taux de confluence. [0107] where x(t) is a state vector of dimension n corresponding to the order of the model. This order is also estimated by the identification algorithm. v(t), wt) are centered, independent Gaussian random variables with constant variances, which represent the measurement and state noises. These random variables make it possible to describe the uncertainty on the predictions of the confluence rate.

[0108] Le modèle dynamique utilisé pour estimer les prédictions de la variable de sortie (taux de confluence cellulaire) peut aussi être un modèle d’état de type boîte transparente (white-box model), c’est-à-dire un modèle utilisant des lois biologiques de culture cellulaire pour décrire le comportement du bioréacteur, tel que celui défini dans les équations ci-dessous, qui considère une première équation dynamique non linéaire représentant la concentration de cellules X(t) et une seconde équation différentielle non linéaire représentant la concentration en substrat S(t). [0108] The dynamic model used to estimate the predictions of the output variable (cell confluence rate) can also be a white-box model, i.e. a model using biological laws of cell culture to describe the behavior of the bioreactor, such as that defined in the equations below, which considers a first non-linear dynamic equation representing the concentration of cells X(t) and a second non-linear differential equation representing the concentration of substrate S(t).

[0109]

Figure imgf000021_0002
[0109]
Figure imgf000021_0002

[0110] dans laquelle : [0110] in which:

[0111] Ls est le coefficient de rendement du substrat, [0111] L s is the substrate efficiency coefficient,

[0112] Sin est la concentration en substrat du flux d’entrée, [0112] S in is the substrate concentration of the input stream,

[0113] Fs est le débit du flux d’entrée, [0113] F s is the flow rate of the input stream,

[0114] V(t) est le volume du bioréacteur, et [0114] V(t) is the volume of the bioreactor, and

[0115] est le taux de croissance cellulaire. Ce paramètre est lui-même fonction des ( (t)) paramètres du processus tels que la température (T), le pH, l’oxygène dissous (DO2) dans le bioréacteur, mais aussi de certains nutriments clés du milieu de culture tels que la quantité de glucose et de glutamine. [0115] is the cell growth rate. This parameter is itself a function of the process parameters ((t)) such as temperature (T), pH, dissolved oxygen (DO2) in the bioreactor, but also of certain key nutrients in the culture medium such as the amount of glucose and glutamine.

[0116] Le procédé a plusieurs avantages et conséquences sur la qualité et le rendement de la bioproduction. Premièrement, il permet de maîtriser la colonisation cellulaire à la surface des microporteurs et plus précisément le phénomène de confluence cellulaire qui peut être à l’origine de dégradation rapide de l’état biologique des cellules s’il dépasse un certain niveau. Deuxièmement, il permet notamment au bioréacteur de suivre une cinétique prédéfinie de la confluence moyenne au cours de la culture. Troisièmement, il permet d’améliorer la reproductibilité des productions entre chaque lot. [0116] The process has several advantages and consequences on the quality and yield of bioproduction. Firstly, it allows to control cell colonization at the surface of the microcarriers and more specifically the phenomenon of cellular confluence which can be the cause of rapid degradation of the biological state of the cells if it exceeds a certain level. Secondly, it allows the bioreactor to follow a predefined kinetics of the average confluence during the culture. Thirdly, it makes it possible to improve the reproducibility of production between each batch.

[0117] Un exemple d’ajustement des paramètres de production dans le bioréacteur (température, niveau de pH, concentration en oxygène dissous, quantité de substrat, concentration de nutriments, vitesse d’agitation et quantité de microporteurs) est maintenant discuté. L’ajustement des paramètres repose sur la prédiction de l’évolution dans le temps d’attributs de qualité critiques (variables de sortie à maîtriser) comme la confluence cellulaire, la quantité de cellules vivantes et le niveau de doublement de la population. Cette prédiction est basée sur un modèle dynamique du bioréacteur tel que les modèles d’état précédemment décrits. [0117] An example of adjusting the production parameters in the bioreactor (temperature, pH level, dissolved oxygen concentration, substrate quantity, nutrient concentration, stirring speed and microcarrier quantity) is now discussed. The adjustment of the parameters is based on the prediction of the evolution over time of critical quality attributes (output variables to be controlled) such as cell confluence, the quantity of living cells and the level of population doubling. This prediction is based on a dynamic model of the bioreactor such as the state models previously described.

[0118] Le contrôle du bioréacteur peut intégrer un algorithme Model Predictive Control (MPC), qui ajuste en temps réel les valeurs des paramètres critiques du procédé pour suivre des trajectoires prédéfinies des attributs critiques de qualité critiques La [Fig.11] illustre un exemple d’un tel régulateur MPC. Cet algorithme d’optimisation MPC calcule le meilleur ajustement des valeurs pour les paramètres de processus à partir de la prédiction de la modélisation décrite précédemment du bioréacteur afin de minimiser l’erreur entre les cinétiques prédites, telles que Cc(t), X(t) et PDL(t), et la trajectoire souhaitée des mêmes attributs critiques de qualité : Cc*(t), X*(t) et PDL*(t). Ce contrôleur minimise également le coût de l’énergie et des matériaux. [0118] The bioreactor control can incorporate a Model Predictive Control (MPC) algorithm, which adjusts in real time the values of critical process parameters to follow predefined trajectories of critical quality attributes. [Fig. 11] illustrates an example of such an MPC controller. This MPC optimization algorithm calculates the best fit of the values for the process parameters from the prediction of the previously described modeling of the bioreactor in order to minimize the error between the predicted kinetics, such as Cc(t), X(t) and PDL(t), and the desired trajectory of the same critical quality attributes: Cc*(t), X*(t) and PDL*(t). This controller also minimizes the cost of energy and materials.

[0119] Le régulateur MPC participe à l’amélioration de la production de biomasse dans le bioréacteur puisqu’il permet de suivre des trajectoires idéales prédéfinies pour certains attributs critiques de qualité tels que la confluence cellulaire (Cc(t)), le nombre de cellules vivantes (X(t)) et le niveau de doublement de la population (PDL(t)). Ce régulateur permet également de prendre en compte des contraintes de plages de valeurs sur les variables d’entrée (paramètres critiques du procédé). [0119] The MPC regulator helps improve biomass production in the bioreactor since it allows predefined ideal trajectories to be followed for certain critical quality attributes such as cell confluence (Cc(t)), the number of living cells (X(t)) and the population doubling level (PDL(t)). This regulator also allows constraints on value ranges on the input variables (critical process parameters) to be taken into account.

Claims

Revendications Claims [Revendication 1] Procédé implémenté par un système de commande (104) pour contrôler une production de cellules dans un bioréacteur, le bioréacteur comprenant une cuve de culture cellulaire (101) contenant un milieu de culture et des microporteurs à la surface desquels les cellules se développent, le procédé comprenant, pendant la production, un ajustement dynamique (S 10) de paramètres incluant au moins : [Claim 1] A method implemented by a control system (104) for controlling a production of cells in a bioreactor, the bioreactor comprising a cell culture vessel (101) containing a culture medium and microcarriers on the surface of which the cells grow, the method comprising, during the production, a dynamic adjustment (S 10) of parameters including at least: - une température du milieu de culture ; - a temperature of the culture medium; - un pH du milieu de culture ; - a pH of the culture medium; - une concentration d’oxygène dissous dans le milieu de culture ; et - a concentration of dissolved oxygen in the culture medium; and - une quantité de microporteurs présents dans la cuve. - a quantity of microcarriers present in the tank. [Revendication 2] Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’ajustement dynamique (S 10) de la quantité de microporteurs comprend : [Claim 2] The method of claim 1, wherein the dynamic adjustment (S 10) of the quantity of microcarriers comprises: - une mesure (S20) du taux de confluence cellulaire (110) à la surface des microporteurs dans la cuve ; et - a measurement (S20) of the cell confluence rate (110) at the surface of the microcarriers in the tank; and - un ajout (S30) de microporteurs dans la cuve pour que le taux de confluence cellulaire mesuré (110) suive une cinétique de consigne prédéterminée (111). - an addition (S30) of microcarriers in the tank so that the measured cell confluence rate (110) follows a predetermined setpoint kinetics (111). [Revendication 3] Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’ajout (S30) de microporteurs dans la cuve est réalisé par une pompe (102). [Claim 3] Method according to claim 1 or 2, in which the addition (S30) of microcarriers in the tank is carried out by a pump (102). [Revendication 4] Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la mesure du taux de confluence cellulaire est réalisée par une sonde en ligne (103). [Claim 4] A method according to any one of claims 1 to 3, wherein the measurement of the cell confluence rate is carried out by an in-line probe (103). [Revendication 5] Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel la production se déroule durant une période divisée en intervalles de temps successifs, l’ajout (S30) de microporteurs dans la cuve comprenant, pour chaque intervalle de temps : [Claim 5] Method according to any one of claims 2 to 4, in which the production takes place during a period divided into successive time intervals, the addition (S30) of microcarriers in the tank comprising, for each time interval: - une prédiction (S31) d’une évolution du taux de confluence cellulaire dans la cuve ; - a prediction (S31) of an evolution of the cell confluence rate in the tank; - une comparaison (S32) de l’évolution prédite avec la cinétique de consigne prédéterminée ; - a comparison (S32) of the predicted evolution with the predetermined setpoint kinetics; - une détermination (S33) d’une quantité de microporteurs à ajouter pour l’intervalle de temps suivant en fonction du résultat de la comparaison ; et un ajout (S34) de la quantité de microporteurs déterminée dans la cuve. - a determination (S33) of a quantity of microcarriers to be added for the following time interval as a function of the result of the comparison; and an addition (S34) of the quantity of microcarriers determined in the tank. [Revendication 6] Procédé selon la revendication 5, dans lequel la prédiction est basée sur : [Claim 6] A method according to claim 5, wherein the prediction is based on: - un modèle dynamique comprenant une matrice d’état, une matrice d’entrée et une matrice de sortie, le contenu des matrices étant déterminé à partir de données d’apprentissage, ou - a dynamic model comprising a state matrix, an input matrix and an output matrix, the contents of the matrices being determined from training data, or - un modèle d’état non linéaire de type boîte transparente utilisant des lois biologiques de culture cellulaire pour décrire le comportement du bioréacteur. - a nonlinear state model of the transparent box type using biological laws of cell culture to describe the behavior of the bioreactor. [Revendication 7] Procédé selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la détermination de la quantité de microporteurs à ajouter comprend une application d’un algorithme d’optimisation basé sur un critère d’objectif, le critère d’objectif ayant de préférence la formule suivante :
Figure imgf000024_0001
dans laquelle :
[Claim 7] A method according to claim 5 or 6, wherein determining the quantity of microcarriers to be added comprises applying an optimization algorithm based on an objective criterion, the objective criterion preferably having the following formula:
Figure imgf000024_0001
in which:
- A u est l’incrément du signal de commande de l’ajout de microporteurs dans la cuve minimisant une fonction de coût J, en tenant compte des diverses contraintes ; - A u is the increment of the control signal for adding microcarriers in the tank minimizing a cost function J, taking into account the various constraints; - y ( t + ) désigne la prédiction du taux de confluence cellulaire à l’instant t + j en fonction des mesures jusqu’à l’instant z ; - y ( t + ) denotes the prediction of the cell confluence rate at time t + j based on measurements up to time z ; - r ( t + j ) désigne un signal de référence à l’instant t + j de la cinétique de consigne prédéterminée à poursuivre ; - r ( t + j ) designates a reference signal at time t + j of the predetermined setpoint kinetics to be continued; - N j désigne le début d’un horizon de prédiction ; - N j denotes the start of a prediction horizon; - N 2 désigne la fin de l’horizon de prédiction ; - N 2 denotes the end of the prediction horizon; - Nu désigne un horizon de calcul du signal de commande ; et- N u denotes a calculation horizon of the control signal; and - est un terme de pondération prédéterminé. - is a predetermined weighting term.
[Revendication 8] Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les microporteurs sont des billes et/ou des disques, les microporteurs ayant un diamètre compris entre 50 micromètres et 1000 micromètres. [Claim 8] A method according to any one of claims 1 to 7, wherein the microcarriers are beads and/or discs, the microcarriers having a diameter between 50 micrometers and 1000 micrometers. [Revendication 9] Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le bioréacteur comprend un agitateur du milieu de culture et au moins un capteur de mesure de la quantité de particules en suspension dans la cuve, le procédé comprenant en outre : [Claim 9] Method according to any one of claims 1 to 8, in which the bioreactor comprises an agitator of the culture medium and at least one sensor for measuring the quantity of particles suspended in the tank, the method further comprising: - un réglage dynamique de l’agitateur du milieu de culture en fonction de la quantité de particules en suspension mesurée par l’au moins un capteur. - dynamic adjustment of the culture medium agitator according to the quantity of suspended particles measured by at least one sensor. [Revendication 10] Programme d’ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par un système de commande pour bioréacteur, conduisent celui-ci à mettre en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9. [Claim 10] A computer program comprising instructions which, when the program is executed by a bioreactor control system, cause the latter to implement the method according to any one of claims 1 to 9. [Revendication 11] Système de commande pour bioréacteur tel qu’un système SCADA, le système comprenant un processeur couplé à une mémoire, la mémoire ayant enregistré le programme d’ordinateur de la revendication 10, le processeur étant configuré pour exécuter les instructions du programme d’ordinateur afin de contrôler le bioréacteur selon le procédé de l’une quelconque des revendications 1 à 9. [Claim 11] A control system for a bioreactor such as a SCADA system, the system comprising a processor coupled to a memory, the memory having recorded the computer program of claim 10, the processor being configured to execute the instructions of the computer program to control the bioreactor according to the method of any one of claims 1 to 9. [Revendication 12] Bioréacteur intégrant un système de commande selon la revendication 11. [Claim 12] Bioreactor incorporating a control system according to claim 11.
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