JP2023536748A - バイオリアクタにおける流体展開のためのノズル - Google Patents

Abstract

バイオリアクタ内の生物学的流体を処理するための流体展開のためのノズルシステムであって、内部容積を有するバイオリアクタと、内部容積内に展開された調整可能なノズルと、薬剤を含有することができるリザーバと、リザーバ及び調整可能なノズルを接続する配管であって、調整可能なノズルは、複数の分配流中に処理剤を分配するように調整されることが可能である、配管と、を有する、ノズルシステム。

Description

本開示の実施形態は、生物学的流体を処理するためのバイオリアクタに関する。より具体的には、本明細書に開示される或る実施形態は、バイオリアクタの内部容積内の液体及び／又は溶液を送達するためのノズルを有するバイオリアクタを含む。

バイオプロセシングは、生物学的流体の製造、例えば、細胞培養、ウイルス及びウイルスベクターの産生等である。バイオプロセシングは、３リットル～５０００リットル反応器の範囲の容器及び反応器内で行われる。これらのバイオリアクタは、様々な形状及びアスペクト比の内部容積を有し、成分の混合を複雑にする。多くの成分、例えば処理剤は、バイオプロセシング中に添加されてもよい。例えば、アジュバント、細胞培養培地、ｐＨ調整剤、及び消泡剤の溶液は、バイオプロセシング中に添加されてもよい。典型的には、これらの材料は、容器／バッグの上部及び底部の複数のポートのいずれかを介して添加され、混合要素がそれらを分配する。しかしながら、これは、ポートが典型的には容器の内面に沿って配置され、それらが必要とされる場所への材料の分配がしばしば不十分であるという点で、分配のための非効率的な方法である。

更に、これらの溶液は、バイオリアクタ内の生物学的流体と十分に混合される必要がある。インペラ及びバッフルを含む、よく設計された混合システムは、３つの基本的な機能を提供する。まず、均質分布における一定条件（例えば、栄養素、ｐＨ、温度等）を作り出すこと、第２に、気体、例えば酸素の分散、第３に、熱伝達の最適化である。

スパージャは、気体、例えば酸素を生物学的プロセスに送達するために使用される。しかしながら、高剪断混合は、バイオプロセシング中に生物学的流体の表面上に好ましくない泡を生成する可能性がある。更に、培養培地への気体の導入に起因してバイオプロセシングで泡が発生し、貴重な生成物を損傷する可能性がある泡の破裂、泡がバイオリアクタから漏れた場合の無菌性の喪失、又は泡が出口フィルタを塞いだ場合の過剰圧力に起因する生産性の低下をもたらす。「泡消剤」、「消泡剤」又は「泡止剤」とも呼ばれる化学消泡剤は、バイオプロセシング中に生物学的流体の表面に形成される泡の量を減らすために、バイオリアクタで日常的に使用されている。消泡剤は、バイオリアクタ内で起こる生物学的プロセス、すなわち細胞、ウイルス、ウイルスベクター等の作製及び増殖に悪影響を及ぼすことも知られている。例えば、泡が生成されると、細胞は表面に上昇し、泡に取り込まれ、栄養素及び酸素を奪われて細胞死につながる可能性がある。発泡に対抗するために、消泡剤が添加され、その添加は製品開発の後続の段階で、問題、すなわち、品質、時間、及び費用の問題を引き起こす。このような消泡剤の分布は、発泡に対抗するのに必要な流体の量に影響を及ぼすことが確認されている。消泡剤は、典型的には２つの方法で添加されることができる。１つの方法は、バイオリアクタの上部からの滴下法によるものであり、これは蠕動ポンプと、操作者が泡を見つけた際の手動追加と、を含む。第２の方法は、バイオリアクタ内に供給管を組み込むことによるものであり、それによって、消泡剤はまた、発泡の識別時に手動で添加される。

現在のシステム及びバイオリアクタは、効率的な泡の修復を達成するための自動又は半自動のその場での解決策を提供していない。泡レベル検出及び送達システムは、安価であるが侵襲的であり、消泡剤を導入しすぎる可能性がある。したがって、消泡剤及び他の処理剤をバイオリアクタに効率的に導入することによって発泡状態を非侵襲的に検出及び改善するシステムは、当技術分野における進歩を表す。

本明細書に記載の或る実施形態によるバイオリアクタ及びノズルシステムを示す図である。 本明細書に記載の或る実施形態による、図１のノズルの拡大図である。 本明細書に記載の或る実施形態による、消泡剤分配のための代替的なノズル展開の拡大図である。 本明細書に記載の或る実施形態による、消泡剤分配のための第２の代替的なノズル展開の拡大図である。 本開示の或る実施形態によるバイオリアクタ、ノズルシステム、並びに監視及び調節システムを示す図である。 本開示の実施形態による、バイオリアクタの窓、及び画像を取得するための赤外線デバイスを示す図である。

添付の図面は、本明細書における本開示の或る実施形態を示しており、したがって、本発明が他の等しく有効な実施形態を認め得るため、範囲を限定すると見なされるべきではない。任意の実施形態の要素及び特徴は、更なる列挙なしに他の実施形態に見出されてもよく、可能な場合には、図に共通する同等の要素を示すために同一の参照番号が使用されていることを理解されたい。

本明細書の開示は、バイオコンテナ等の容器内の液体レベル及び泡の監視及び調節のためのシステムの複数の実施形態を説明する。例えば、上流バイオプロセシング用途内のミキサーを有するバイオコンテナである。或る態様では、システムは、バイオコンテナ、バッグ、又は監視用の窓を有するバイオバイオリアクタを備える。次いで、非侵襲的な器具を使用して、バイオコンテナ、バッグ、又はバイオリアクタの内部容積内の内容物を監視することができる。そのような非侵襲型システムは、カメラ及びセンサ等の赤外線デバイスを備える。状態（例えば、発泡、過加圧、濁り、低温又は高温、内部容積の様々な領域における温度変化、例えば、ホットスポット及びコールドスポット、漏れ、容積レベル等、条件）を検出するこれらのデバイスからの信号及び／又は画像は、マイクロプロセッサに送信され、その後、検出された状態に応答するためにデバイスにフィードバック信号が提供されることができる。本明細書に開示される泡検出方法の或る実施形態は、赤外（ＩＲ）分光法を備える。赤外線放射は、化合物、例えば液体、泡等の分子を励起するために使用され、液体又は泡の温度に応じて色の形のスペクトルを生成する。光の周波数又は波長の関数として分子によって吸収されるエネルギーが、このスペクトルを決定する。泡の場合、泡はより少ない熱を吸収するので、分子によって吸収されるエネルギーははるかに低く、表示されるスペクトルはより低い勾配になる。このスペクトルは、システムがどれだけの泡を有するかを判定する。

本開示の或る実施形態は、バイオリアクタ内の生物学的流体を処理するための流体展開のためのノズルシステムと、内部容積を有するバイオリアクタと、内部容積内に展開された調整可能なノズルと、消泡剤、希釈剤又は培地、細胞培養培地、及びバイオプロセシングに使用される他の薬剤等の薬剤を含有することができるリザーバと、リザーバ及び調整可能なノズルを接続する配管と、を備え、調整可能なノズルは、複数の分配流に処理剤を分配するように調整されることができる。

本開示の実施形態はまた、発泡条件をより迅速に改善するために消泡剤を均一に分配するためのノズルシステム及び方法、ならびに／又は消泡剤の使用が少ない／使用しないこと、ならびに／又は３Ｌ～５０００Ｌのバイオリアクタの拡張性、ならびに／又は低流体量、ならびに／又は消泡方法の自動制御を提供する。

これら及び他の規定は、以下の説明、特許請求の範囲、及び図面から明らかになるであろう。本開示の様々な利点、態様、新規及び発明的特徴、並びにその例示的な実施形態の詳細は、以下の説明及び図面からより完全に理解されるであろう。したがって、本明細書に開示された特徴を詳細に理解することができる方法、上記で簡単に要約された本開示の実施形態のより具体的な説明は、添付の図面を参照することによって有されてもよい。しかしながら、添付の図面は、本開示の典型的な実施形態のみを示しており、したがって、記載された実施形態が他の等しく有効なバッグ、バイオリアクタ、フィルム及び／又は材料を許容し得るため、その範囲を限定すると見なされるべきではないことに留意されたい。一実施形態の要素及び特徴は、更なる列挙なしに他の実施形態に見出されてもよく、可能な場合には、図に共通する同等の要素を示すために同一の参照番号が使用されていることも理解されたい。

本明細書の開示は、バイオコンテナ等の容器内のレベル監視及び調節のためのシステムの或る実施形態を説明する。例えば、上流バイオプロセシング用途内のミキサーを有するバイオコンテナ。或る実施形態では、バイオコンテナはバッグ又はバイオリアクタである。

図１は、本明細書に記載の或る実施形態によるバイオリアクタ及びノズルシステム１００を示す。バイオリアクタ及びノズルシステム１００は、任意選択的にベース１０２上に配置されたバイオリアクタ１０４を備える。バイオリアクタ１０４はまた、当業者に知られているような二次元又は三次元バッグ等のシングルユースバイオリアクタであってもよいことを理解されたい。また、バイオリアクタ１０４は、当業者に知られているように、マルチユース反応器、例えばガラス、ポリマー、又はステンレス鋼反応器であってもよい。バイオリアクタ１０４は、例えば、３リットル（Ｌ）のバイオリアクタ又は３０００Ｌのバイオリアクタ（その間の全ての容積を含む）である内部容積１２４を備えてもよいことを更に理解されたい。或る実施形態では、内部容積１２４は３０００Ｌより大きくてもよい。３Ｌのバイオリアクタは、ガラス又は透明プラスチック製であってもよい。より大きなバイオリアクタは、ステンレス鋼製であり、観察窓を備えてもよい。あるいは、より大きなバイオリアクタは、プラスチックフィルムからなるシングルユースバイオリアクタの形態であってもよい。

バイオリアクタ及びノズルシステム１００は、ノズル１０６及び分配管１０８を更に備える。図示のように、ノズル１０６は、バイオリアクタ１０４の上面１２２に配置される。しかしながら、ノズル１０６はまた、バイオリアクタ１０４がシングルユースバイオリアクタであるかマルチユースバイオリアクタであるかにかかわらず、側壁１１８等のバイオリアクタ１０４の他の領域に配置されてもよい。図示のように、バイオリアクタ１０４は、生物学的流体１１２と、生物学的流体１１２の液体表面１２０上に配置された泡１１４と、を収容する。ノズル１０６は、消泡剤１１０を泡１１４に噴射している。図示のように、ノズル１０６は、液体表面１２０の一部の上に泡１１４を噴霧している。生物学的流体１１２を混合するためのインペラ１１６が、バイオリアクタ１０４の底面に配置されていることが示されている。当業者に知られているように、気体スパージャ（図示せず）及びバッフル（図示せず）も、バイオリアクタ１０４の内部容積１２４内に任意選択的に含まれてもよい。

図２は、本明細書に記載の或る実施形態による、図１のノズル１０６の拡大図２００ａを示す。図示のように、泡１１４は、生物学的流体１１２の液体表面１２０全体を覆う。ノズル１０６は、泡１１４の全体に消泡剤１１０を噴射している。

１．図３は、本明細書に記載の或る実施形態による、消泡剤１１０の分配のための代替的なノズル展開における、図１のノズル１０６の拡大図２００ｂを示す。図示のように、泡１１４は、液体表面１２０の中間領域でのみ変位され、すなわち、液体表面１２０の周縁部は、泡１１４をほとんど又は全く有していない。ノズル１０６は、消泡剤１１０を泡１１４の近傍のみに噴射し、液体表面１２０には噴射しない。ノズル１０６は、調整可能なノズル及び／又は最適化された噴霧のための拡散噴霧能力がより低いノズルであってもよい。更に、ノズル１０６は、手動の機械的調整機構又は電気信号によって作動する調整機構を有してもよい。本明細書に記載の任意の調整可能なノズル１０６は、自動的に調整されても、あるいは手動で調整されてもよいことを理解されたい。

図４は、本明細書に記載の或る実施形態による、消泡剤１１０の分配のための第２の代替的なノズル展開における図１のノズル１０６の拡大図２００ｃを示す。図示のように、泡１１４は、液体表面１２０の集中領域上でのみ変位し、すなわち、液体表面１２０の内側領域の大部分及び液体表面１２０の周縁部は、泡１１４をほとんど又は全く有しない。ノズル１０６は、泡１１４のみに消泡剤１１０の集束流を噴霧し、液体表面１２０には噴霧しない。上記のように、ノズル１０６は、調整可能なノズル及び／又は最適化された噴霧のための拡散噴霧能力がより低いノズルであってもよい。また、上記のように、ノズル１０６は、手動の機械的調整機構又は電気信号によって作動する調整機構を有してもよい。消泡剤を含有するリザーバ（図示せず）と連通するポンプ（図示せず）を使用すると、消泡剤又は別の液体溶液は配管１０８を通ってノズル１０６に移動する。これにより、消泡剤は、バイオリアクタ内の必要な場所に均一に分配される。これはまた、タイマー／レシピを有するバイオリアクタ内の統合制御を使用して達成されることができる。アジュバント、細胞培養培地、ｐＨ調整、及び他の処理成分の溶液もまた、拡散分布を使用して添加されて、混合がより迅速に強化されることができる。或る実施形態では、ノズル１０６は、０度から１８０度の直線又は円錐の角度の集束流、中央流、及び拡散流を有する分配を提供する。

レーザベースのセンサシステムは、バイオリアクタ１０４内の泡のレベルを監視及び調節し得る。或る実施形態では、開示されるセンサシステムはモジュール式であり、すなわち、センサシステムは、それと通信する制御デバイスを用いて、様々なソフトウェアプラットフォームに基づいて、首尾よく実施されることができる。或る実施形態では、モジュールという用語は、当技術分野で知られている異なる種類のバイオリアクタと互換性があるものとして、本明細書に記載のシステムの特性を表す。例えば、システムは、マルチユース又はシングルユースバイオリアクタと互換性があってもよい。あるいは、システムは、レーザがバイオリアクタの内部容積を通過することを可能にすることができる、少なくとも２つの窓を備えるステンレス鋼バイオリアクタと互換性があってもよい。また、或る実施形態では、本明細書に記載のレーザベースのセンサシステムの背後にあるデータ処理は、当業者に知られているように、ユーザサービスプラットフォーム（ＵＳＰ）ソフトウェア及び需要側プラットフォーム（ＤＳＰ）ソフトウェア等の現在使用されているソフトウェアプラットフォームで簡単かつ完全に実施可能であり得る。システムの或る実施形態は、バイオリアクタの内部容積内に配置される必要がなく、バイオコンテナの内容物に接触しない非侵襲センサを備える。センサは、ＵＳＰ及び／又はＤＳＰソフトウェアと通信することができる。例えば、センサは、泡の存在及び／又は泡の広がり若しくは高さを感知することができる。次いで、センサＵＳＰ又はＤＳＰは、消泡剤を噴霧するために調整可能なノズルに信号を送ることができる。泡の標的化された噴霧又は分配は、過剰量の消泡剤を噴霧することなく発泡状態を改善することができる。或る実施形態では、システムはコリメータを更に備える。或る実施形態では、光センサは、容器内の空気、泡、及び液体の各々を通過した後に検出された光強度を区別することができる。或る実施形態では、光センサはフォトダイオードである。或る実施形態では、システムは、バイオリアクタ内の流体のライブ撮像及び検知を捕捉することが可能なカメラを更に備える。或る実施形態では、システムは、バイオリアクタ内の流体のライブ撮像及び検知を捕捉することが可能なコリメータ及びカメラを更に備える。

或る実施形態では、システムはバイオリアクタ１０４の外部にある。或る実施形態では、バイオリアクタ１０４は透明又は半透明であるか、あるいは少なくとも２つの窓を更に備え、カメラ又は光センサを配置してバイオリアクタ内の流体を検出することができる。

本明細書に記載の或る実施形態は、バイオプロセシング中にバイオリアクタ１０４内の生物学的流体の表面上の生物学的流体及び泡のレベルを検知する方法を提供し、この方法は、レーザ光を少なくとも２本のビームに分割する工程であって、少なくとも２本のビームは、第１のビーム及び第２のビームからなる、工程と、バイオリアクタ１０４の内容物の最大充填レベルを表す容器のレベルを通って第１のビームを導く工程であって、最大充填レベルは、バイオプロセシングの開始又は継続前の内容物のレベルよりも高い、工程と、バイオリアクタ１０４の内容物のレベルを表すバイオリアクタ１０４のレベルを通って第２のビームを導く工程と、少なくとも２つの光センサを用いて検出することによって少なくとも２つのビームの光強度を監視する工程であって、少なくとも２つの光センサは、第１の光センサ及び第２の光センサからなり、第１の光センサは第１のビームの光強度を測定し、第２の光センサは第２のビームの光強度を測定する、工程と、バイオリアクタ１０４内の生物学的流体及び／又は泡のレベルの増加の前に、第１の光センサによって検出された光強度と比較して、第１の光センサによって光強度の減少が検出されたときにアラームを起動する工程と、アラームに応答してバイオリアクタ１０４内の生物学的流体及び／又は泡のレベルを示す工程と、視覚信号若しくは聴覚信号を生成し、及び／又はマイクロプロセッサに信号を送信して、例えばポンプを作動させ、及び／又はポンプと連通しているノズル１０６を調整する等の動作を行う工程と、を備える。

図５は、本開示の実施形態によるバイオリアクタ５３０、ノズルシステム１０６、及び監視及び調節システム５０２を示す。或る実施形態では、光源２０は、バイオリアクタ５３０を通過する、規定の波長を有するレーザ光１０を放射する。或る実施形態では、レーザ光１０は、ビームスプリッタ４０及び任意選択的にコリメータ２５を使用して、異なる高さ（例えば、最も高い液体高さから最も低い液体高さまでの３本のビーム５０、６０、及び７０）に位置する複数のビームに分割される。或る実施形態では、ビーム５０は、当業者に知られているように、任意の所与のプロセスに適切なバイオリアクタ５３０の内容物の最大レベルに等しい高さに配置される。図示のように、泡１１４が液体レベル１２０の上に配置される。或る実施形態では、ビーム６０は、バイオプロセシングの開始又は継続の前に、バイオリアクタ５３０の内容物の泡又は液体レベル１２０又はその付近の高さに配置される。或る実施形態では、ビーム７０は、ビーム７０がバイオリアクタ５３０の液体内容物を通過する高さに配置される。

或る実施形態では、レーザ光１０は、少なくとも２本のビームに分割される。或る実施形態では、レーザ光１０は、少なくとも３本のビームに分割される。例えば、レーザ光１０は、３本、４本、５本、６本、７本、８本又は９本に分割される。或る実施形態では、レーザ光１０は、所望されるだけ分割される。或る実施形態では、複数のビーム（図示せず）を生成するために複数の光源が使用される。

或る実施形態では、レーザ光１０の波長は、７８０ｎｍ～９００ナノメートル（ｎｍ）の範囲内であり、それらの間の波長である。或る実施形態では、レーザ光１０の波長は、濁度標準波長（８００ｎｍ）に近い７８０ｎｍである。或る実施形態では、ビーム（ビーム５０、６０、７０のいずれか）は、約１ｍｍ^２の楕円形断面を有する。或る実施形態では、ビームの楕円形状部分（５０、６０、及び７０）は１ｍｍ^２未満である。例えば、ビームの楕円形状部分（５０、６０、７０）は、約０．１、約０．２、約０．３、約０．４、約０．５、約０．６、約０．７、約０．８、又は約０．９ｍｍ^２である。

或る実施形態では、システムは、複数のビームスプリッタ４０を備える。例えば、システムは、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、又は７つのビームスプリッタ４０を備える。或る実施形態では、システムは、３つのビームスプリッタ４０を備える。ビームスプリッタ４０は、約、例えば、３ミリメートル（ｍｍ）～約１５０ｍｍの範囲内のビーム径を備えてもよい。或る実施形態では、ビームスプリッタ４０は、約５ｍｍのビーム径を有する。例えば、ビーム径は、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、及び８ｍｍからなる群から選択される。或る実施形態では、ビームスプリッタ４０は、１０／９０、３０／７０、５０／５０、７０／３０、及び９０／１０の間、並びにそれらの間の全ての範囲で調整可能な反射率／透過率（Ｒ／Ｔ）比を有する。

或る実施形態では、各ビームは光センサ８０と対になって光チャネルを形成する。或る実施形態では、２つ以上の光チャネルが連続的に及び／又は同時に測定する。或る実施形態では、光チャネルは、それぞれの高さ位置特定を除いて互いに同一である。例えば、レーザ波長は光チャネルごとに同じである。或る実施形態では、各光チャネルは、同じタイプの光センサ８０を含む。或る実施形態では、各チャネルの高さ位置特定は、任意のセンサ製造の前に自由であり、システムの用途の詳細によって駆動されることができる。

或る実施形態では、光チャネルは、バイオリアクタ５３０の同じ理論直径上に配置された１本のビーム（例えば、５０、６０、又は７０）及び１つの光センサ８０によって形成され、入射光は、屈折を回避するためにバイオリアクタ５３０の円形を横切る軸線に対して完全に垂直になる（垂直入射）。したがって、透過光は、フォトダイオード等の光センサ８０によって測定される。或る実施形態では、光センサ８０は、シリコンベースのフォトダイオード又は他の材料、例えば、ゲルマニウム、ヒ化インジウムガリウム、硫化鉛（ＩＩ）、及び当業者に知られているテルル化カドミウム水銀である。

或る実施形態では、１つの動作モードは、本明細書に記載の２光チャネルレーザベースのセンサシステムのＵＳＰ装置への統合である。或る実施形態では、ビーム６０を含む一方の光チャネルは、液体表面レベル（泡チャネル）１２０に配置される。或る実施形態では、ビーム５０を含む第２の光チャネルは、バッグ又はバイオリアクタ５３０の上部（上部チャネル）から妥当な距離に配置される、すなわち二重光チャネルである。或る実施形態では、システムの二重光チャネル配置は、臨界レベルセンサとして機能する。或る実施形態では、バイオリアクタ５３０内の泡１１４のレベルの増加は、光センサ８０によって検出されたビーム５０の光強度の減少によって示される。ビーム５０の光強度が閾値未満に低下した場合、泡１１４はバイオリアクタ５３０内の特定の高さに到達している。次いで、レベル情報は、バイオリアクタ５３０の動作状態を監視するための調節ループ５１０に供給される。

或る実施形態では、調節ループ５１０は、任意選択的に光源（複数可）に電力を供給する電源（図示せず）に接続されたマイクロプロセッサ又はコンピュータ等の制御デバイス５４０によって管理される。或る実施形態では、制御デバイス５４０が、バイオリアクタ５３０内の内容物のレベルが臨界レベル、例えば過剰な泡の高さに達したという情報を受信すると、制御デバイス５４０は、シングルユース又はステンレス鋼のバイオコンテナ又はバイオリアクタ５３０の内部空洞１２４と流体連通する導管１０８から消泡剤１１０の放出を動作させる。バイオリアクタ５３０、ノズルシステム１０６、及び監視及び調節システム５０２は、ノズル１０６を介して制御された方法で、液体表面１２０上の泡１１４に消泡剤１１０を送達するように連携して機能する。言い換えれば、監視及び調節システム５０２によって検出された泡１１４の量に基づいて、ノズル１０６はそれに応じて調整される。本明細書に記載の任意の調整可能なノズル１０６は、自動的に調整されても手動で調整されてもよいことを理解されたい。ノズル１０６は、消泡剤１１０の流れが、上述のように、集束流又はより拡散流で送達されるように調整されてもよい。或る実施形態では、ノズルは、０度～１８０度の直線又は円錐の角度の集束流、中央流、及び拡散流を有する分配を提供する。更に、泡１１４の量は、光源（複数可）２０及び光センサ（複数可）８０の互い違いのアレイによって検出されてもよい。言い換えれば、或る実施形態では、制御デバイス５４０によってノズル１０６に送信される信号によって制御されるノズル１０６の調整可能性は、複数の光源２０及び光センサ８０が異なる「ｚ」位置にあるときに検出される泡１１４の量に依存し、ビーム５０、６０、７０は、（バイオリアクタ５３０の内部容積１２４の中心又はほぼ中心のみを横切るのとは対照的に）液体表面１２０の周囲の外縁を横切る。

或る実施形態では、少なくとも２つの光チャネルを有するシステムで４つの測定状況が発生する。１）０ｍＡを超える光強度が両方の光チャネルにおいて測定され、これは、バイオリアクタ内の生物学的流体のレベルが低いか、又は泡が検出されないことを意味する。２）泡チャネルでは０ｍＡの光強度が測定され、上部チャネルでは０ｍＡを超える光強度が測定される。これらの結果は、泡又は不透明な溶液が存在するが、生物学的流体のオーバーフローは生じていないことを意味する。或る実施形態では、バイオリアクタ内の生物学的流体のレベルを調節するために消泡剤が添加される。３）０ｍＡを超える光強度が泡チャネルで測定され、０ｍＡの光強度が上部チャネルで測定される。透明な溶液の場合、泡レベルは高すぎ、アラームが作動されてもよく、又は信号が送信されてもよい。４）両方の光チャネルで０ｍＡの光強度が測定される場合、バイオリアクタ内の泡又は液体レベルが高すぎる。或る実施形態では、アラームが起動される。或る実施形態では、消泡剤がバイオリアクタの内部容積に添加される。或る実施形態では、カメラは前方視赤外線（ＦＬＩＲ）カメラである。ＦＬＩＲカメラは、ハンドヘルドカメラであってもよく、又はバイオリアクタ、バッグ、若しくはバイオコンテナに取り付けられてもよい。或る実施形態では、ＦＬＩＲカメラは、マイクロプロセッサ、ｉＰｈｏｎｅ（Ｒ）、Ａｎｄｒｏｉｄ（Ｒ）電話、コンピュータ等に無線信号を送信するためのアダプタと電気的及び／又は電子的に対になって、バイオコンテナ、バッグ、又はバイオリアクタに消泡剤等の薬剤を導入又は送達するための装置にフィードバック信号を送信してもよい。本明細書に記載の任意のカメラ、レーザ、フォトダイオード又はセンサは、一定かつ連続的な監視のためにインラインで使用されることができる。あるいは、本明細書に記載のカメラ、レーザ、フォトダイオード又はセンサは、プロセスを断続的に監視することができる。

図６は、本開示の実施形態による、バイオリアクタ６０８の窓６１０と、画像６４０を取得するための赤外線デバイス６０２とを備えるシステム６００を示す。システム６００は、窓６１０を有するバイオリアクタ６０８（切断図で示す）を備える。バイオリアクタ６０８は、窓６１０を有するステンレス鋼バイオリアクタ、又はポリマーフィルム若しくは複合材で作られたシングルユースバイオリアクタであってもよく、窓６１０がその中に配置されることを理解されたい。あるいは、バイオリアクタ６０８は、透明なプラスチック又はガラスで作られたマルチユースバイオリアクタであってもよい。図示のように、窓６１０は、上部領域６２０及び下部領域６１８を有する。一般に、窓６１０はバイオリアクタ６０８の上半分に配置される。内部に生物学的液体等の流体６１２を有するバイオリアクタ６０８が示される。流体６１２の上は泡６１４である。気体又は気体の混合物、例えば空気である空間６１６が、泡６１４の上方に示されている。前方視赤外線カメラ等の赤外線カメラ等のサーモグラフィカメラ６０２は、レンズ６０４を介して画像を撮影するように示されている。カメラ６０２はハンドヘルドカメラであってもよく、又はバイオリアクタ若しくは機器（図示せず）に取り付けられることができる。或る実施形態では、カメラ６０２は、任意選択的にピストルグリップ６０６を有するハンドヘルドカメラである。また、カメラ６０２は、マイクロプロセッサに信号を送信するためのデバイス６２２を有してもよい。例えば、デバイス６２２は、無線信号送信機であってもよい。或る実施形態では、デバイス６２２は、上述したように、サーモグラフィカメラ６０２とマイクロプロセッサ及び／又はノズルとの間の無線接続のためのＵＳＢ Ｗｉ－ｆｉアダプタである。

サーモグラフィカメラ６０２によって撮影された画像６４０は、３０℃～３９℃のサーモグラフィ尺度６２８を有するものとして示されている。サーモグラフィ尺度は、３０～３９℃スペクトルの低温ではより明るいグレーを示し、高温ではより暗い黒を示すことを意味する。サーモグラフィカメラ６０２は、生物学的プロセスを監視するために画像を撮影することができる。生物学的プロセスでは、バイオリアクタ内に比較的高温及びスポットが存在することが多い。例えば、スポット６２０ａは、約３１℃のコールドスポットとして見られることができる。スポット６２０ｃは、例えば３５℃等の中程度の温度であり得る。スポット６２０ｂは、例えば３８℃等、より高温のスポットであり得る。スポット６２０ａ、６２０ｂ、及び６２０ｃは、いずれも液体の内容物内にあることに留意されたい。混合が不十分であるため、このような温度の差が存在し得ることとなる。サーモグラフィカメラ６０２がこのような状態を検出した場合、カメラ６０２からの信号は、インペラ等によって混合動作を増加させるためにマイクロプロセッサ（図示せず）に送信されることができる。混合の剪断効果は、生物学的プロセスで処理される生成物、例えばウイルスベクター、細胞、ｍＡｂ等を損傷する可能性があるので、混合を最小限に保つことが有用である。また、カメラ６０２は、泡６１４による温度変動を検出することができる。泡６１４は、その上に配置される液体６１２と同じ温度を有さない。典型的には、泡６１４はより低温である。図示のように、泡は約３２℃である。発泡条件は、細胞の酸素及び栄養素を奪い、細胞死をもたらす。したがって、泡は避けるのが最良である。温度差のためにカメラ６０２が泡を検出すると、カメラ６０２からマイクロプロセッサ又はデバイスに信号が送信されて、消泡剤をバイオリアクタに送達することができる。或る実施形態では、その消泡剤は、上述のようにノズルを通して送達される。更に、カメラ６０２は、画像を撮影する場合、温度差を検出せず、すなわち、これはバイオリアクタが漏れていることを示し、したがって、液体又は泡が存在しないため空気に関連する温度のみを見ることができる。そのような例では、信号を送信が送信され得、音声又は視覚アラームを引き起こして、適切なアクションがとられ得る。

ＦＬＩＲシステムは、バイオリアクタと連通するノズル又は調整可能なノズルを更に備えてもよい。ＦＬＩＲシステムを使用して流体、泡、又は気体の温度を検出する方法は、信号を生成する工程と、信号をマイクロプロセッサに送信する工程と、バイオリアクタと通信するデバイスに信号を送信する工程と、を備える。

他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術用語及び科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。

本明細書で使用されるバイオリアクタという用語は、生物学的に活性な環境を支持する任意の製造又は操作された装置又はシステムを指す。場合によっては、バイオリアクタは、生物又はそのような生物に由来する生化学的に活性な物質を含む細胞培養プロセスが実行される容器である。一般的に使用されるバイオリアクタは、典型的には円筒形であり、ステンレス鋼製であるか、又はポリマーフィルムからなる可撓性バッグであり、フィルムは半透明又は透明である。

本明細書
で使用される場合、バイオプロセシングという用語は、標的産物を得るための生細胞又はそれらの成分、例えば細菌、酵素、又は葉緑体、ウイルス、及び細胞の生物学的系の任意の適用を指す。バイオプロセシングは、上流及び下流のバイオプロセシングを包含し得る。上流バイオプロセシングには、細胞培養方法及び産物が含まれる。

本明細書で使用されるレーザ又は光源という用語は、コヒーレントな光ビームを生成することができる装置を指す。

本明細書で使用される光センサという用語は、光を検出し、ビームの光強度を測定することができるデバイスを指す。光センサという用語は、例えば、可視光、赤外線透過（ＩＲ）、及び／又は紫外線（ＵＶ）エネルギーの存在を検出する電子部品を含む。

実施例
実施例１．物質の識別
表１に記載の条件でフォトダイオードにより透過光強度を測定した。

表１の結果は、フォトダイオードが泡の量にわずかに敏感であり、フォトダイオードが、異なる条件を区別するために媒体の光学指数に十分に敏感であったことを示している。したがって、システムは、バイオリアクタ内の空気、泡、及び溶液を区別することが観察された。

均等物
本明細書に列挙される製剤の全ての範囲は、それらの間の範囲を含み、終点を含むか又は除外することができる。任意選択的に含まれる範囲は、それらの間の整数値（又は１つの元の終点を含む）からのものであり、列挙された程度又は次に小さい程度の大きさである。例えば、下限値が０．２である場合、任意の含まれる終点は、０．３、０．４、．．．１．１、１．２等、並びに１、２、３等とすることができ、より高い範囲が８である場合、任意選択の含まれる終点は、７、６等、並びに７．９、７．８等とすることができる。３以上等の片側境界も同様に、列挙された程度又は１つ下の整数値から始まる一貫した境界（又は範囲）を含む。例えば、３以上は４又は３．１以上を含む。

本明細書全体を通して、「一実施形態」、「特定の実施形態」、「１つ又は複数の実施形態」、「或る実施形態」、又は「実施形態」への言及は、記載された特徴、構造、材料、又は特性が本開示の複数の実施形態に含まれることを示す。したがって、本明細書全体を通して、「１つ又は複数の実施形態では」、「特定の実施形態では」、「一実施形態では」、「或る実施形態では」、又は「実施形態では」等の語句の出現は、必ずしも同じ実施形態を指しているわけではない。本明細書で使用される場合、単数形の「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈が特に指示しない限り、複数形を含む。

本明細書で引用された特許出願及び特許及び他の非特許文献の刊行物は、あたかも各個々の刊行物又は参考文献が、完全に記載されているように参照により本明細書に組み込まれることが具体的かつ個別に示されているかのように、引用された部分全体にその全体が参照により本明細書に組み込まれる。本出願が優先権を主張する任意の特許出願も、刊行物及び参考文献について上述した方法で参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (45)

1. バイオリアクタ内の生物学的流体を処理するための流体展開のためのノズルシステムであって、
   内部容積を有するバイオリアクタと、
   内部容積内に展開された調整可能なノズルと、
   薬剤、希釈剤又は培地を含有することができるリザーバと、
   リザーバ及び調整可能なノズルを接続する配管であって、調整可能なノズルは、複数の分配流中に処理剤を分配するように調整されることが可能である、配管と、
   を備える、ノズルシステム。
2. 調整可能なノズルは、０度～１８０度の直線又は円錐の角度で集束流、中央流、及び拡散流を提供する流れを分配することができる、請求項１に記載のノズルシステム。
3. 調整可能なノズルは、自動的に調整されるか、又は手動で調整される、請求項１に記載のノズルシステム。
4. スパージャを更に備える、請求項１に記載のノズルシステム。
5. インペラを更に備える、請求項１に記載のノズルシステム。
6. バッフルを更に備える、請求項１に記載のノズルシステム。
7. 処理剤は消泡剤である、請求項１に記載のノズルシステム。
8. バイオリアクタのための監視及び調節システムを更に備え、システムは、
   バイオリアクタを通過するレーザ光を照射可能な光源と、
   レーザ光を２本以上のビームに分割することができるビームスプリッタであって、２本以上のビームの各々はバイオリアクタの異なる高さにある、ビームスプリッタと、
   各ビームの光強度を測定することができる複数の光センサであって、各２つ以上の光センサは、１つのレーザビームに対応して、バイオリアクタ内のライブイメージング及び流体検知を捕捉することができる光チャネル又はカメラを形成する、複数の光センサと、
   を備える、請求項１～７のいずれか一項に記載のノズルシステム。
9. バイオリアクタは、窓を有するマルチユースバイオリアクタ又はポリマーフィルムを備えるシングルユースバイオリアクタである、請求項１～８のいずれか一項に記載のノズルシステム。
10. バイオリアクタは混合システムを更に備える、請求項１～９のいずれか一項に記載のノズルシステム。
11. ミキサーは、上流のバイオプロセシング用途及び下流のバイオプロセシング用途のうちの少なくとも１つに使用されることができる、請求項１～１０のいずれか一項に記載のノズルシステム。
12. システムは、容器内の内容物のレベルを測定することができる、請求項８～１１のいずれか一項に記載のノズルシステム。
13. アラームを更に備え、アラームは、内部容積内の内容物がバイオリアクタ内の臨界レベルに達することによって作動可能である、請求項８～１２のいずれか一項に記載のノズルシステム。
14. 内容物は液体からなる、請求項１２～１３のいずれか一項に記載のノズルシステム。
15. 液体は、溶液又は生物学的流体からなる、請求項１４に記載のノズルシステム。
16. 内容物は、液体表面上に泡を備える、請求項１２～１６のいずれか一項に記載のノズルシステム。
17. コリメータを更に備える、請求項８～１６のいずれか一項に記載のノズルシステム。
18. 光センサは、容器内の空気、泡、及び液体の各々を通過した後に検出された光強度を区別することができる、請求項８～１７のいずれか一項に記載のノズルシステム。
19. 光センサはフォトダイオードである、請求項８～１８のいずれか一項に記載のノズルシステム。
20. 監視及び調節システムは、容器の外部にある、請求項８～１９のいずれか一項に記載のノズルシステム。
21. 生物学的流体を処理するための方法であって、
    バイオリアクタ内の生物学的流体を処理するための流体展開のためのノズルシステムを提供する工程を備え、
    内部容積を有するバイオリアクタと、
    内部容積内に展開された調整可能なノズルと、
    薬剤を含有することができるリザーバと、
    リザーバ及び調整可能なノズルを接続する配管であって、調整可能なノズルは、複数の分配流のうちの少なくとも１つに処理剤を分配するように調整されることが可能である、配管と、を更に備える、
    方法。
22. 消泡剤は、泡によって覆われた領域のみに集束されたバイオリアクタの内容物に添加される、請求項２１に記載の方法。
23. 請求項８に記載の監視及び調節システムを更に備える、請求項２１に記載の方法。
24. 監視及び調節システムは、内部容積内に含まれる生物学的流体の表面上の泡の位置を検出する、請求項２３に記載の方法。
25. マイクロプロセッサは、調整可能なノズルに信号を送信して、消泡剤の流れを泡に噴霧する、請求項２４に記載の方法。
26. バイオリアクタのための監視及び調節システムであって、
    システムは、
    バイオリアクタを介してレーザ光を照射可能な光源と、
    レーザ光を２本以上のビームに分割することができるビームスプリッタであって、２本以上のビームの各々がバイオリアクタの異なる高さにある、ビームスプリッタと、
    各ビームの光強度を測定することができる複数の光センサであって、各２本以上の光センサが１本のレーザビームに対応して、光チャネルを形成する、複数の光センサと、
    を備える、システム。
27. バイオリアクタは、窓を有するマルチユースバイオリアクタ又はポリマーフィルム備えるシングルユースバイオリアクタである、請求項２６に記載の監視及び調節システム。
28. バイオリアクタは混合システムを更に備える、請求項２６～２７のいずれか一項に記載の監視及び調節システム。
29. ミキサーは、上流のバイオプロセシング用途及び下流のバイオプロセシング用途のうちの少なくとも１つで使用されることができる、請求項２６～２８のいずれか一項に記載の監視及び調節システム。
30. システムは、バイオリアクタ内の液体レベル又は泡レベルを測定することができる、請求項２６～２９のいずれか一項に記載の監視及び調節システム。
31. アラームを更に備え、アラームは、バイオリアクタの内部容積内のバイオリアクタ内の臨界レベルに達する液体レベル又は泡レベルによって作動可能である、請求項２６～３０のいずれか一項に記載の監視及び調節システム。
32. 泡は液体表面上に配置される、請求項２６～３１のいずれか一項に記載の監視及び調節システム。
33. コリメータを更に備える、請求項２６～３１のいずれか一項に記載の監視及び調節システム。
34. ＦＬＩＲカメラを更に備える、請求項２６～３１のいずれか一項に記載の監視及び調節システム。
35. 光センサは、バイオリアクタ内の空気、泡、及び液体の各々を通過した後に検出された光強度を区別することができる、請求項２６～３１のいずれか一項に記載の監視及び調節システム。
36. 光センサはフォトダイオードである、請求項２６～３１のいずれか一項に記載の監視及び調節システム。
37. バイオリアクタ用の監視及び調節カメラシステムであって、システムは、
    サーモグラフィカメラと、
    透明なバイオリアクタ又は透明な窓を有するバイオリアクタと、
    を備える、監視及び調節カメラシステム。
38. サーモグラフィカメラは、ＦＬＩＲ又はハンドヘルドＦＬＩＲである、請求項３７に記載の監視及び調節システム。
39. サーモグラフィカメラは、マイクロプロセッサに信号を送信することができる、請求項３７～３８のいずれかに記載の監視及び調節システム。
40. マイクロプロセッサは、バイオリアクタと通信する装置に動作信号を送信することができる、請求項３９に記載の監視及び調節システム。
41. システムは、バイオリアクタ内の液体レベル又は泡レベルの温度を測定することができる、請求項３７～４０のいずれか一項に記載の監視及び調節システム。
42. アラームを更に備え、アラームは、バイオリアクタの内部容積内の臨界レベルに達する液体レベル又は泡レベルによって作動可能である、請求項３７～４１のいずれか一項に記載の監視及び調節システム。
43. 装置はノズルである、請求項４０に記載の監視及び調節システム。
44. 装置は調整可能なノズルである、請求項４０に記載の監視及び調節システム。
45. 信号を生成し、信号をマイクロプロセッサに送信し、バイオリアクタと通信するデバイスのための信号を送信する、請求項３７に記載の監視及び調節システムを使用して流体、泡、又は気体の温度を検出するための方法。

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