技术摘要：
本发明涉及一种用于获得来自容纳于生物反应器内的介质的生物质测量值的系统。所述系统包括生物反应器，该生物反应器具有包括环形法兰(15)和直立套环(19)的端口；以及生物质感测探针，该生物质感测探针包括长形的本体和设置在本体的第一区域(1)上的至少一个电极(3)。该  全部
背景技术：
包含有这种测量能力的监测系统对于测量活细胞的浓度是有益的。特别是在酿造 工业中，可以用在线电容探针测量活酵母的浓度。从探针的电极施加的射频致使悬浮介质 (例如麦芽汁或生啤酒)中的离子和酵母的细胞质朝向两个各自带相反电荷的电极移动。 由于质膜是不导电的，因此会在细胞中产生电荷积聚，并且这些电荷被认为被酵 母细胞极化，而酵母细胞充当了介质中的微小电容器。不能存活的细胞或膜受损的细胞不 会干扰信号。因此，由于离子可以自由地跨膜移动，所以不会发生电荷积聚，因此细胞不会 极化。 在宽的浓度范围内，测得的电容与样品中活酵母的数量成正比。 除酿造业外，这种技术还可用于对生物技术领域的生物质进行测量，例如，用于控 制细胞培养过程。 在某些应用中，无论是酿造、生物技术还是其他工业领域，都希望使用“一次性使 用”的加工设备。在此类应用中，可以使用一次性使用的生物反应器。顾名思义，此类生物反 应器被配置成仅用于单个发酵过程，然后再丢弃生物反应器。 一系列一次性使用的生物反应器是可商购的，并且是本领域技术人员已知的。此 类生物反应器的示例已经由Thermo-Fisher以商品名HyPerforma、或由Sartorius以商品名 商品化。 除了在此类应用中使用的生物反应器是“一次性使用”的之外，可能也希望用于监 视容纳在生物反应器内的生物质介质的性质的部件也是“一次性使用”的。 常规上，已经尝试提供具有整体形成在生物反应器的壁内的测量部件的一次性使 用的生物反应器，并且在这方面，可以参考EP2307879中公开的布置。这些布置包括这样的 构造：在构造中具有环形法兰的碟形本体被定位于生物反应器壁的开口内，并且环形法兰 被粘合或焊接到生物反应器壁上。 尽管这种类型的布置确实提供了允许监视生物反应器内的生物质介质的特性的 简单构造，但是在此有若干与它们的使用相关联的缺点。首先，电极没有明显投入生物反应 器中，这意味着，为了进行可靠的测量，必须对生物反应器进行定向，使得电极与生物反应 器内的介质不断接触。根据反应器内生物质的体积和/或生物反应器所处位置的布置，这可 能是有问题的。 其次，由于电极与生物反应器是整体形成的，在使用生物反应器之前检测到电极 的任何缺陷的情况下，将必须丢弃整个生物反应器。 因此，需要可用于测量一次性使用的生物反应器中的生物质介质的特性的设备， 该设备克服了现有技术的这些缺点中的一个或更多个。 4 CN 111601877 A 说　明　书 2/8 页
技术实现要素：
因此，根据本发明的第一方面，提供了一种用于获得来自容纳于生物反应器内的 介质的生物质测量值的系统，该系统包括：生物反应器，该生物反应器具有围封出内部的 壁，该壁包括端口；生物质感测探针包括具有远端部的长形的本体和在探针的远端部处的 本体的第一区域上设置的至少一个电极；该端口被构造成在探针位于端口内的操作位置时 接纳该探针并与该探针形成防水密封，其中，在操作位置，本体的第一部分暴露于生物反应 器的内部。 就发明人的知识而言，以前尚未配置与一次性使用的长形探针一起使用以测量电 容的一次性使用的生物反应器。通过提供生物质感测探针和生物反应器作为单独的部件， 这允许生物反应器的用户选择特定的探针(如果他或她可以选择这些探针)。此外，如果用 户在对设备进行使用前验证时，发现他或她计划使用的生物质感测探针有缺陷，则可以将 其丢弃并使用功能正常的探针，这在将承载电极的探针(或其他部件)与生物反应器整体形 成的安排中是不可能的(如EP2307879中所披露的)。 如上所述，所述生物反应器的端口被构造成：在所述探针位于端口内的操作位置 时，该端口接纳所述探针并与探针形成防水密封。为了避免疑问，如本文所使用的，术语“防 水”是指当探针位于端口内的操作位置，基本上没有湿气(或更优选地根本没有湿气)能够 通过端口。技术人员将熟悉用于测试密封布置的方法。 在一个实施例中，可以通过以下方式确定探针和端口的密封强度：i)将探针置于 端口内的操作位置，用室温水填充生物反应器，在生物反应器内施加1bar的压力，并确定从 生物反应器中经由端口排出湿气。当位于操作位置，端口与探针之间形成的密封强度优选 地允许湿气排出约0.1ml/24h或更少、约0.05ml/24h或更少、约0.02ml/24h或更少、约 0.01ml/24h或更少、约0.005ml/24h或更少、约0.002ml/24h或更少、或者约0.001ml/24h或 更少。在本发明的一些实施例中，在24小时的测试周期中检测到没有湿气经由端口排出。 防水密封可通过在生物质感测探针的轮廓与端口的内部之间形成防水密封来实 现。可选择探针/端口轮廓的任何构造，前提是提供了防水密封。 为了避免疑问，端口不单是生物反应器壁中的开口，而是部件或构造，其构造成有 利于实现与生物质感测探针的防水密封，同时提供进入生物反应器内部的途径。它可以是 生物反应器的单独部件，可以通过粘合、焊接等方式固定在生物反应器上。或者，可以将生 物反应器制造成使得端口是生物反应器壁的组成部分。 端口可以具有任何形状和轮廓，前提是它允许形成与生物质感测探针的防水密 封，同时提供进入生物反应器内部的途径。在一实施例中，端口可包括具有纵向轴线的通 道，生物质感测探针可通过该通道插入。端口可以包括限定通道的套环。 通道可以具有任何形状和轮廓，前提是它允许形成与生物质感测探针的防水密 封，同时提供进入生物反应器内部的途径。 通道/端口可以具有内端(其距离生物反应器的内部最近，并当探针处于操作位 置，生物质感测探针的本体的第一部分将通过该内端暴露于生物反应器的内部)和外端(其 距离生物反应器的内部最远，并生物质感测探针的本体的第一部分将通过该外端插入，然 后探针被置于操作位置)。 通道可以具有基本恒定的横截面面积和/或直径，可以是渐缩形的(例如，使得通 5 CN 111601877 A 说　明　书 3/8 页 道在其外端的直径大于在其内端的直径，反之亦然)、阶梯式和/或以任何其他方式布置以 利于形成与生物质感测探针的防水密封。 通道的横截面可以是具有任何形状，例如圆形、方形、菱形、矩形、六边形或其他多 边形。 通道具有的直径范围可以从约3mm、约5mm或约7mm到约10mm、约12mm、约15mm、约 19mm或约25mm。通道从其内端到外端的长度范围可从约10毫米、约20毫米、约50毫米、约70 毫米、约100毫米，到约150毫米、约200毫米、约250毫米、约300毫米、约350毫米、约400毫米、 约450毫米、约500毫米、约600毫米或约700毫米。可替代地，通道的长度可以大于约700mm。 在本发明的实施例中，通道的纵向轴线可以基本垂直于生物反应器的壁的平面。 端口/通道的内端可定位于生物反应器的内部、生物反应器的壁的平面内或生物反应器的 壁的外部。 至少一个电极可以沿着所述本体的外表面的一部分延伸和/或可以仅定位于所述 本体的远端部。(一个或更多个)电极可以沿着所述本体的部分或全部纵向地延伸。此外或 可替代地，(一个或更多个)电极可以具有围绕本体的部分延伸的环形构造、或者被梯形地 布置在探针上，例如，在其末端。在英国专利No.2507283中公开了如何在长形探针中构造电 极的示例，该专利的内容通过引用并入本文中。 至少一个电极可以连接到一个或更多个传导装置(例如，导线、轨道或类似物)，以 将生物质读取信号传送到远离(一个或更多个)电极的位置。此类传导装置可以定位于探针 的本体内。 生物反应器可以采取任何形式。它可以是可重复使用的生物反应器，例如由不锈 钢、玻璃、塑料制成的发酵罐，其容量范围可以从亚升(例如10mL到大约950mL)到工业规模， 例如约10,000L、约50,000L或约100,000L。可替代地，生物反应器可以是一次性使用的生物 反应器，例如袋型生物反应器(例如由Applikon、Broadley  James、Cellexus、艾本德 (Eppendorf)、Finesse、GE生命科学部(GE  Lifesciences)、伊孚森(Infors)、颇尔(Pall)或 赛多利斯斯泰帝(Sartorius  Stedim)所销售)或容器型生物反应器(例如，一种以商品名 HyPerforma由Thermo-Fisher所销售)。 在本发明的一种布置中，生物质感测探针的本体可以具有渐缩形的轮廓，例如使 得生物质感测探针的本体的直径和/或横截面面积在探针的远端部处比在远离探针的远端 部位置处小。在此类布置中，当从探针的本体的远端部沿探针的本体观察时，可以认为探针 的本体具有向外逐渐变细的轮廓。 生物质感测探针的本体的横截面可以是具有任何形状，例如圆形、方形、菱形、矩 形、六边形或其他多边形。在本发明的实施例中，生物质感测探针的本体的轮廓被成形为与 端口中的通道的轮廓一致。 生物质感测探针的本体具有的直径范围可以从约3mm、约5mm或约7mm到约10mm、约 12mm、约15mm、约19mm或约25mm。本体的长度范围可从约50mm、约70mm、约100mm、约150mm或 约200mm至约250mm、大约300mm、约350mm、约400mm、约450mm、约500mm、约600mm或约700mm。 可替代地，本体的长度可以大于约700mm。 生物质感测探针的本体可以是整体的(即，由单个部件形成)或可以是模块化的 (即，由多个探针本体部件形成)。例如，在模块化布置中，生物质感测探针的本体可包括芯 6 CN 111601877 A 说　明　书 4/8 页 (例如，为探针提供足够的刚度以使其能够通过端口馈送到其操作位置)和壳体(例如，为探 针提供外部轮廓，以利于形成与端口的防水密封)。在此类实施例中，壳体可以是整体的或 可以是模块化的。此外地或可替代地，壳体可包围整个芯或者可以部分地包围芯，例如，使 得芯的一部分(其可以是探针的在探针处于操作位置时暴露于生物反应器内部的部分，和/ 或探针的第一区域)是暴露的。 在模块化布置中，探针的本体可包括在其远端部处的梢端(tip)(例如，其包括至 少一个电极)作为可选地是实心的探针本体部件。 生物质感测探针的本体可以是中空的，以允许传导装置(例如，导线、轨道或类似 物)穿过其内部，该传导装置连接至(一个或更多个)电极。可替换地，探针的本体可以是实 心的，并且可选地具有模制在其内部的传导装置，该传导装置可以连接到至少一个电极。 生物质感测探针可以包含任何数量的电极。例如，探针可包含1、2、3、4、5、6、7、8或 多于8个的电极。在本发明的实施例中，探针可以包含2个至6个、或2个至4个电极。 本领域技术人员将熟悉可以形成或电镀至少一个电极的材料。作为示例，可由金、 不锈钢、铱、铂(例如铂黑)和任何其他具有低的或可控电极极化特性的材料形成或电镀(一 个或更多个)电极。 生物质感测探针可以包括传导装置(例如，可以在印刷电路板(PCB)或在探针的本 体中形成的轨道、导线等类似物)以将生物质信号传送到远离至少一个电极的位置。传导装 置可以由任何导电材料形成，例如铜。 在本发明的实施例中，探针可以配备有数据存储装置，例如微芯片。数据存储装置 可以存储信息，诸如校准校正值、序列号和/或组件号、温度值或其他信息。 在本发明的实施例中，系统还包括生物质信号处理装置。此类装置用于获得生物 质读数。本领域技术人员将熟悉生物质信号处理装置，例如 系列系统(阿伯仪器有 限公司Aber  Instruments  Limited)。 生物质信号处理装置优选地与探针通信，以使生物质信号能够从探针传输到生物 质信号处理装置。例如，生物质感测探针和生物质信号处理装置之间的连接可以是电缆。所 述电缆可以是可移除地联接(couple)到探针。 在另一实施例中，探针与生物质信号处理装置之间的连接可以是无线的，例如经 由WLAN、蓝牙、RFID、NFC等。 在生物质感测探针可移除地联接到其他部件(例如，联接到电缆或直接联接到生 物质信号处理装置)的实施例中，可以为探针提供联接装置以使探针能够连接到其他部件。 在本发明的实施例中，联接装置包括插头/插座组件(例如，与探针将要连接的部件互补)、 滑动连接器、(例如，像由Redel商业化的)推拉连接器、柔性扣、磁性连接器和/或螺纹连接 器。 在实施例中，探针可以被提供为预灭菌的，即，使得其可以被使用而无需先前的灭 菌步骤。在此类实施例中，探针可以被设置在无菌包装中。 本文中使用的术语“操作位置”是指生物质感测探针位于端口内的位置，使得i)在 探针与端口之间建立防水密封，以及ii)至少一个电极位于生物反应器的内部，以便可以获 得来自容纳于生物反应器内的介质的生物质测量值。为利于将生物质感测探针放置在端口 内的操作位置，端口和/或生物质感测探针可以被设置有定位装置，即，利于将探针定位在 7 CN 111601877 A 说　明　书 5/8 页 操作位置的(一个或更多个)特征。 例如，此类定位装置可以包括防止过度插入装置，该防止过度插入装置可以采取 在端口和/或探针上设置结构的形式，以防止探针过度插入/通过端口。例如，此类结构可以 采取设置在探针和/或端口上的环形法兰和/或一系列突起的形式。 探针和/或端口可以设置有探针保持装置，该探针保持装置的功能是一旦探针位 于操作位置就将探针保持在操作位置。探针保持装置可包括设置在探针和/或端口上的锁 定机构(例如，卡扣连接)、设置在探针和/或端口上的螺纹以允许将这些部件拧在一起、和/ 或将端口压紧以减小端口直径的带。 探针的本体、探针的在探针处于所述操作位置时暴露于生物反应器的内部的部 分、和/或探针的第一区域可以由将在使用过程中满足探针的功能要求的任何材料制成。例 如，探针的本体、探针的在探针处于操作位置时暴露于生物反应器的内部的部分、和/或探 针的第一区域可以由金属或塑料材料制成。对于一次性使用的应用，由于降低了成本和制 造的复杂性，塑料可能是优选的。 可用于形成探针的本体、探针的在探针处于操作位置时暴露于生物反应器的内部 的部分、和/或探针的第一区域的塑料材料的示例包括：液晶聚合物、酚醛聚合物、尼龙、聚 乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯，聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、缩醛树脂、砜、聚 砜、聚酰胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚酮、聚甲醛、聚邻苯二甲酰 胺、聚醚酮酮、热塑性聚酰亚胺、聚丙烯酸酯、聚四氟乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或 它们的混合物。 在本发明的实施例中，探针的本体、探针的在探针处于操作位置时暴露于生物反 应器的内部的部分、和/或探针的第一区域可以是由医用级塑料形成的。 此外或可替代地，探针的本体、探针的在探针处于操作位置时暴露于生物反应器 的内部的部分、和/或探针的第一区域可以由可伽马灭菌的材料(即，在暴露于剂量为 10kGy、约20kGy、约25kGy、约30kGy、约35kGy、约40kGy、约50kGy或约80kGy的伽马辐射时不 会变形或软化)和/或电子束灭菌材料(即，在暴露于约1MeV、约3MeV、约5MeV或约10MeV的电 子束辐射下不会变形或软化)。 有利的是，对于本发明的应用而言，生物质感测探针并不必是可加热/蒸汽灭菌 的。因此，在本发明的实施例中，探针的本体、探针的在探针处于操作位置时暴露于生物反 应器的内部的部分、和/或探针的第一区域可以由具有以下熔点的材料形成：小于约150℃ 的熔点、小于约120℃的熔点、小于约110℃的熔点、小于约100℃的熔点或小于约80℃的熔 点。 已经认识到，在某些应用中，带有粘合剂的生物质感测探针的组装可能存在问题， 因为粘合剂中的化合物可能会促进反应器内的反应，或以其他方式污染或对生物反应器内 所含的生物质产生其他有害影响。此外，用于生产生物质感测探针的粘合剂在使用中可能 与探针分离并进入生物质介质，这会加剧对介质的污染或其他不利影响。因此，在本发明的 实施例中，探针的本体、探针的在探针处于操作位置时暴露于生物反应器的内部的部分、 和/或探针的第一区域可以没有粘合剂。 在此类实施例中，探针的本体、探针的在探针处于操作位置时暴露于生物反应器 的内部的部分、和/或探针的第一区域可以通过模制工艺形成。 8 CN 111601877 A 说　明　书 6/8 页 在以下布置中，探针的本体、探针的在探针处于操作位置时暴露于生物反应器的 内部的部分、和/或探针的第一区域包括：需要连接的单独探针本体部件，这能够通过选择 使用溶剂(例如，二氯甲烷，二氯乙烷，丙酮或它们的混合物)、机械连接(例如，卡扣式、摩擦 配合等)、加热和/或超声能够密封在一起的材料有利地实现，而无需使用粘合剂。 发明人已经发现，使用这种无粘合剂的密封技术可以有利地用于形成用于生产生 物质感测探针的部件的防水密封。这在生物质感测探针的内部包括腔和/或中空部的实施 例中是特别重要的，因为无论从介质污染的角度还是从探针的操作方面来看，生物质介质 泄漏到探针内部都是不合需要的。 因此，在本发明的实施例中，生物质感测探针在其内部包括腔和/或中空部，以及 探针的在探针处于操作位置时暴露于生物反应器的内部的部分和/或探针的第一区域是防 水的。 在这种情况下，可以通过以下操作来确定探针是否是防水的：将探针的在探针处 于操作位置时暴露于生物反应器的内部的部分和/或探针的第一个区域浸没在容器中温度 为25℃且压力为1bar的水中30分钟。可根据以下方法确定探针进水： 电阻的测试：在探针浸没后进行测量以确定电极之间的电阻。如果检测到约0.99 兆欧或更小、约0.98兆欧、约0.95兆欧或约0.9兆欧的电阻，这可能是表明泄漏。 重量的增加：可以测量浸没前后的探针质量。重量增加小于约0.1g、小于约0.05g、 小于约0.02g、小于约0.01g或重量增加0g，表示没有湿气进入探针。 在另一方面，本发明提供了一种制备生物质感测探针的方法，该生物质感测探针 包含由多个探针本体部件形成的长形的本体，包括设置在本体的第一区域上的至少一个电 极，探针的本体包括其内部的一个或更多个腔和/或中空部，所述方法包括：提供多个探针 本体部件；密封探针本体部件以产生生物质感测探针；其中，在本体的第一区域中的探针本 体部件之间形成的密封是防水且无粘合剂的。 在本发明的一些实施例中，在整个本体中的探针本体部件之间形成的密封是防水 且无粘合剂的。 如上所述，可以通过使用溶剂、机械连接、加热和/或超声来实现探针本体部件之 间的无粘合剂的密封。 本发明的探针可以在无菌和/或惰性环境中生产，例如在无尘室。 为避免疑问，根据本发明的这个方面生产的生物质感测探针可以具有本文所讨论 的任何特性或参数。 在本发明的实施例中，一旦组装完毕，即可校准生物质探针。本领域技术人员将熟 悉用于校准生物质感测探针的方法。 在本发明的优选实施例中，本发明的生物质感测探针是一次性使用的探针。本领 域技术人员将认识到，一次性使用的生物质感测探针，顾名思义，是被设计并旨在仅使用一 次。一次性使用探针的使用允许在探针制造中使用较不坚固的材料，主要是因为探针不必 对重复的灭菌程序有抵抗力。 在本发明的实施例中，生物反应器可以是一次性使用的，也可以是可重复使用的。 因此，根据本发明的另一方面，提供了一种获得生物质测量值的方法，该方法包 括：提供一种系统，该系统包括：生物反应器，该生物反应器具有围封出内部的壁，该内部包 9 CN 111601877 A 说　明　书 7/8 页 括有生物质，该壁包括端口；生物质感测探针，该生物质感测探针包括长形的本体和设置在 本体的第一区域上的至少一个电极；端口被构造为在探针位于端口内的操作位置时接纳探 针并与该探针形成防水密封，其中，在操作位置，本体的第一部分暴露于生物反应器的内 部；将生物质感测探针以操作位置插入到端口中；获得生物质测量值；以及丢弃探针。 在本发明的这个方面，该方法可进一步包括以下步骤：将生物质感测探针固定在 端口中的操作位置、将探针从端口移除和/或在生物质测量完成后丢弃生物质感测探针和/ 或生物反应器。 根据本发明的又一方面，本发明提供了一种套件，该套件包括：生物质感测探针， 该生物质感测探针包括长形的本体和设置在本体的第一区域上的至少一个电极，以及用于 生物质感测探针与生物反应器来一起使用的指示部(instructions)，该生物反应器具有围 封出内部的壁，该壁包括端口；该端口被构造为在探针位于端口内的操作位置时接纳探针 并与该探针形成防水密封，其中，在所述操作位置，本体的第一部分暴露于生物反应器的内 部，并且其中，该指示部指定生物质感测探针仅应使用一次。 在本发明的这一方面，该套件还可包括：生物反应器，该生物反应器具有围封出内 部的壁，该壁包括端口；该端口被构造为在探针位于端口内的操作位置时接纳探针并与该 探针形成防水密封，其中，在所述操作位置，本体的第一部分暴露于生物反应器的内部。 套件可以另外或可替代地包括生物质信号处理装置。 在本发明的实施例中，可以在无菌包装的套件中提供探针和/或生物反应器。 本发明的方法和系统可以用于从任何类型的生物介质中获得生物质测量值。上面 已经提到了生物技术和酿造应用，但是这些仅仅是说明性的。生物介质(例如，第一、第二 和/或其他生物介质)可以是液体并且包含多个细胞。细胞可以是人、动物(哺乳动物或其 他)、细菌、植物、茎、真菌(例如酵母)或其他。 附图说明