CN108368471B - Ph测量装置的校准偏差的鉴别 - Google Patents

Abstract

本发明涉及配置成测定第一罐(104；106)的第一pH测量装置是否受pH测量问题影响的比较单元(130)，所述比较单元配置成：‑接收第一CO2浓度和第一pH值，第一CO2浓度是第一罐中的培养基上方的第一气体体积的CO2浓度，第一CO2浓度和第一pH值在第一罐中的培养基与第一气体体积处于pH‑CO2平衡状态时和通过第一罐中的细胞培养物的代谢改变所述平衡状态之前的第一时间测量，第一pH值是由有效耦合至第一罐(102)的第一pH测量装置提供的测量值；‑接收第二CO2浓度和第二pH值，第二CO2浓度是第二罐中的培养基上方的第二气体体积的CO2浓度，第二CO2浓度和第二pH值在第二罐中的培养基与第二气体体积处于pH‑CO2平衡状态时和通过细胞培养物的代谢改变所述平衡状态之前的第二时间测量，第二pH值是由第二pH测量装置提供的测量值；‑通过比较单元比较(206)第一和第二pH值和比较第一和第二CO2浓度以测定第一pH测量装置是否受pH测量问题影响。

Description

PH测量装置的校准偏差的鉴别

发明领域

本发明涉及使用和校准pH测量装置的领域，更特别涉及来自取样过程的校准误差和/或pH偏移效应的鉴别。

背景和相关技术

使用精确校准的pH测量装置在许多情况下有用或关键，包括化学或生物实验室工作、用于操作生物反应器、用于监测收获反应器等。

生物反应器常用于进行化学工艺，特别是由活生物体以受控方式进行的工艺，例如为了获得化学化合物，特别是特定的肽、蛋白质或其它种类的化学物质。共同的目标是以微生物或细胞能够发挥它们的所需功能并产生有限杂质的方式和/或以时间和成本有效的方式运行生物反应器。通常选择生物反应器内的环境条件，如温度、营养素浓度、pH和溶解的气体等参数以优化生物体的生长和繁殖力。

为了测定生物反应器的状态和/或生物反应器中的细胞培养物的状态是否在所需状态，例如与参考生物反应器在执行细胞培养项目时的给定时刻的状态对应的状态，反复测量pH值。在pH值处于所需pH值范围外的情况下，可以调节生物反应器的各种参数(如进料速率、曝气速率、温度、搅拌速率等)，从而以使在培养基中测得的pH值位于所需pH值范围内的方式改变生物反应器的状态。

可以依赖在生物反应器的培养基中当前测得的pH值设置生物反应器的各种控制参数。所述参数的正确设置决定特定细胞培养物是否在与另一生物反应器中的参考培养物非常类似/大致相同的条件下培养。因此，为了使生物反应器的状态与另一(参考)生物反应器的状态同步，至关重要的是，两个比较的生物反应器的pH测量装置对于具有相同pH值的培养基输出相同的pH值。

存在许多其它使用实例情形，其中正确pH值的测定至关重要。例如，在细胞培养项目结束时，细胞培养物和/或其产物在进一步加工以提取所需细胞培养产物之前可储存在收获罐中。需要密切监测收获罐以防止或至少立即确定收获罐内的可导致其内容物降解的任何感染或其它条件改变。因此，通过取样和测量样品的pH值反复测量收获罐中的pH值。

通常，使用罐外pH测量装置测量罐，例如生物反应器或收获罐中所含的培养基样品的pH值。

例如，Heather Evans等人：“Dealing with Disparity in On-line and Off-line pH measurements Genentech found pH drift in its on-line measurements fora cell culture process,and continues to investigate its cause”，2006年1月1日，XP055271377，涉及使用离线pH计检测生物反应器中的pH测量中的问题。为了操作这些离线pH计，将培养罐的样品取出并运送到测量点。

但是，提取培养基样品的过程承担罐感染的风险。此外，由于所谓的“偏移效应”，在样品中测得的pH值可能偏离罐内培养基的实际pH值。偏移效应可能例如在提取样品和将其传送至pH测量装置的过程中由样品的温度、环境压力或环境空气组成可能不同于罐内的各自参数造成。这可能造成样品中的测得pH值-由于偏移效应-明显不同于罐中的培养基的实际pH值。因此，在样品中测得的pH值没有精确反映罐中的当前状态。

错误校准的pH测量装置是另一潜在的误差来源：通常，用具有指定pH值的市售参考溶液校准pH测量装置。这种方法通常要求从罐中取出和再引入pH测量装置。在pH测量装置再引入后，罐和包含在其中的pH测量装置需要高压灭菌。这一过程可能影响已校准的pH测量装置，以致罐中的pH测量装置可能指示与高压灭菌前不同的参考溶液pH值。甚至在pH测量装置不受高压灭菌过程影响的情况下，也无法保证pH测量装置不受高压灭菌影响。因此，测得的pH值可能不被视为可靠并可进行罐内pH计的再校准以通过使用测量罐的培养基样品中的pH的罐外参考pH计校准罐内pH计。但是，由于取样过程中的偏移效应，这也不保证罐内pH计正确地校准。

为进行离线pH测量而定期取样是繁琐的并提高生物反应器被不想要的微生物感染的风险。

概述

本发明的一个目标是提供如独立权利要求中规定的用于测定pH测量装置是否受pH测量问题影响和用于再校准pH计的改进的***和方法。在从属权利要求中提供本发明的实施方案。如果它们没有互相排斥，本发明的实施方案可以互相自由组合。本发明的实施方案可利用测量罐中的空气体积中的CO2浓度的简易性改进和促进pH测量问题和校准问题的鉴别。根据一个有益的方面，在两个或更多个不同罐中测得的CO2浓度可用于鉴别有效耦合至不同罐的pH测量装置的pH测量偏差。

在一个方面中，本发明涉及一种测定有效耦合至第一罐的第一pH测量装置是否受pH测量问题影响的方法。pH测量问题在于第一pH测量装置与有效耦合至第二罐的第二pH测量装置不同地校准。例如，如果第二罐是参考生物反应器且第一罐是其状态应与参考生物反应器的状态比较并同步的另一生物反应器，这种情况是成问题的。所述方法包含：

-通过比较单元接收第一CO2浓度和第一pH值，第一CO2浓度是第一罐中的培养基(M1)上方的第一气体体积的CO2浓度，第一CO2浓度和第一pH值在第一时间测量，第一时间是第一罐中的培养基在预定温度和压力下与第一气体体积处于pH-CO2平衡状态时的时间，所述平衡状态不受任何细胞培养物的代谢影响，第一pH值是由第一pH测量装置(108；146)提供的测量值；

-通过比较单元接收第二CO2浓度和第二pH值，第二CO2浓度是第二罐中所含的相同类型的培养基(M1)上方的第二气体体积的CO2浓度，第二CO2浓度和第二pH值在第二时间测量，第二时间是第二罐中的培养基在预定温度和压力下与第二气体体积处于pH-CO2平衡状态时的时间，所述平衡状态不受任何细胞培养物的代谢影响，第二pH值是由第二pH测量装置提供的测量值；

-通过比较单元比较第一和第二pH值和比较第一和第二CO2浓度以测定第一pH测量装置是否受pH测量问题影响。

根据实施方案，在下列情况下测定第一pH测量装置具有pH测量问题：

-第一和第二CO2浓度相等且第一和第二pH值彼此相差大于阈值；或

-第一和第二pH值相等且第一和第二CO2浓度彼此相差大于另一阈值；或

-第一数据值与第二数据值相差大于另一阈值，第一数据值由第一pH值和第一CO2浓度导出，第二数据值由第二pH值和第二CO2浓度导出。

第一罐可以是例如生物反应器或收获罐。第二罐可以是例如生物反应器，特别是参考生物反应器，或收获罐，特别是参考收获罐。

本发明的实施方案可能有利，因为它们能够更精确比较两个或更多个罐，例如参考罐和一个或多个监测或控制的罐中的培养基的pH值。可以在要监测的罐中获得测量值之前数天、数周或数年获得参考罐的参考pH分布图。或者，第一和第二罐可以以基本并行方式运行。在另一有益方面中，可以省略离线pH测量，由此避免罐的污染和避免pH值的不精确比较，因为取样效应可能造成测得pH值的显著可变性。

根据另一有益的方面，在特定罐中测得的CO2浓度可用于计算绝对预期pH值并能够鉴别实际测得的pH值与预期pH值的任何偏差。所述偏差可能是pH测量问题，例如校准问题的指示。

在另一方面中，本发明涉及一种测定有效耦合至第一罐的第一pH测量装置是否受pH测量问题影响的方法。该问题在于第一pH测量装置错误校准(因此不仅产生相对于由参考pH测量装置提供的pH值错误的pH值，还产生就绝对值而言错误的pH值)。该方法包含：

-通过比较单元接收第一CO2浓度和第一pH值，第一CO2浓度是第一罐中的培养基(M1)上方的第一气体体积的CO2浓度，第一CO2浓度和第一pH值在第一时间测量，第一时间是第一罐中的培养基在预定温度和压力下与第一气体体积处于pH-CO2平衡状态时的时间，所述平衡状态不受任何细胞培养物的代谢影响，第一pH值是由第一pH测量装置提供的测量值；

-通过比较单元计算作为第一CO2浓度的函数的第二pH值，第二pH值是在所述培养基在预定温度和压力下与所述培养基(M1)上方的第二气体体积处于pH-CO2平衡状态时对所述类型的培养基(M1)预测的pH值，在所述平衡下的第二气体体积具有与第一CO2浓度相等的第二CO2浓度，所述平衡状态不受任何细胞培养物的代谢影响；

-通过比较单元比较第一和第二pH值以测定第一pH测量装置是否受pH测量问题影响。

这可能有利，因为这种方法能够在已知培养基的一些性质的前提下使用可在排气中测得的罐的空气体积中的CO2浓度作为输入测定培养基的正确的绝对pH值。通过比较由CO2浓度导出的计算的精确pH值与实际测得的pH值，可以检测校准误差。

根据实施方案，在测定第一pH测量装置受pH测量问题影响的情况下该比较单元输出警报信号。这能使操作员采取适当措施，例如再校准pH测量装置、替换pH测量装置等。

使用排气CO2浓度计算预期pH值

根据与“minimalistic”培养基，例如基本不含充当缓冲剂的物质的盐溶液的使用相关的一些实例，基于碳酸盐缓冲体系中的气相中的二氧化碳的pH值计算可以如下进行：

溶解在液体中的二氧化碳浓度与该气相中的二氧化碳分压(pCO2)成比例并可使用各自的比例因子计算。比例因子取决于该液体和温度以及压力。

例如，CO2在各种液体中的溶解度系数是已知的并可源自文献或可实验测定。在37℃下在血液中的溶解度系数为大约0.0304mmol x L-1 x mmHg-1[

G.,Petrides,P.E.,Physiologische Chemie,Springer-Verlag,2013]。依据Sazonov和Shaw，Bunsen系数被定义为在测量温度和1巴分压下单位体积的纯溶剂吸收的饱和气体体积，换算到273.15和1巴。量纲因此是体积/体积或无量纲。这一系数基于Henry`s定律，声称在平衡下，气体分压与溶解在相关溶液中的这一气体的浓度成正比。溶解度系数取决于各溶液[Gros,J.B.,Dussap,C.G.,Catté,M.,Estimation of O2 and CO2 solubility in microbial culturemedia.Biotechnology Progress 1999,15,923–927]。

如果培养基的溶解度系数已知，可以通过气相中的二氧化碳浓度计算溶解的二氧化碳的浓度。可以使用排气分析仪直接测量气相中，例如生物反应器中的浓度。

二氧化碳和碳酸-碱平衡:

方程1 CO_2(g)→CO_2(aq)

溶解的CO_2(aq)在水(H₂O)中水合成碳酸(H₂CO₃)。

方程2

在中性pH和37℃下的水溶液中，水合物类碳酸几乎不存在；因此这两种物类可结合成H₂CO₃*(CO₂(aq)+H₂CO₃＝H₂CO₃)。在大约7.00的典型发酵pH下，H₂CO₃ ^*离解成碳酸氢根(HCO3-)和质子(H+)。碳酸根(CO₃ ^2-)——脱质子物类，在中性pH值下几乎不存在。

CO₂水溶液(aq)可溶解石灰石

并可与水反应以形成碳酸

只有小比例作为酸存在，因此离解常数K为

二氧化碳和碳酸-碱平衡

以H2CO3形式溶解的CO2可通过酸平衡离解成两个质子

方程3

K_S1＝10^-6.35

方程4

K_S2＝10^-10.33

在此对标准条件(298,15K，离子强度I_c＝0M)给出离解常数K_S1和K_S2[Goudar,C.T.C.,Matanguihan,R.,Long,E.,Cruz,C.等人,Decreased pCO2 accumulation byeliminating bicarbonate addition to high cell-density cultures.Biotechnologyand Bioengineering 2007,96,1107–1117]。

对于细胞培养条件，可以使用37℃的温度以及0.1M离子强度。这会将各自的离解常数分别变成至10^-6.07和10^-10.04。

可以使用Henderson-Hasselbalch方程计算所有物类二氧化碳(H₂CO₃ ^*)、碳酸氢根HCO₃ ^-和碳酸根CO₃ ^2-的比率。

平衡方程：

方程5

方程6

可以解答酸平衡方程以给出各自的碳酸根分数∝作为质子浓度的函数，因此pH：

方程7

方程8

方程9

相对H2CO3浓度实际上是与水平衡的CO2(aq)。

计算pH

下面描述基于在37℃下的水中的二氧化碳浓度的预期pH的示例性计算：

如果气相中的二氧化碳浓度已知，可以使用在大气压下在37℃下有效的Bunsen系数计算溶解的二氧化碳浓度[

G.,Petrides,P.E.,Physiologische Chemie,Springer-Verlag,2013]。

CO_2aq＝0.0304[mmol/L*mmHg]*压力*气相二氧化碳浓度/100

压力在这种情况下是750.06mmHg的大气压。

在罐的气相中可能存在10％二氧化碳。二氧化碳以[％]给出。在这种情况下根据750.06mmHg*10％/100＝75,006mmHg计算以mmol/L计的CO₂分压(CO_2áq[mmol/L])。随后得出mmol/L CO_2áq。

然后，经由方程5和方程6计算第一方程H2CO3＝>H++HCO3-的质子浓度：

H⁺浓度方程5＝1,01468E-06mmol/L.

H⁺浓度方程6＝1,06941E-10mmol/L.

总H⁺浓度因此为1,01468E-06mmol/L+1,06941E-10mmol/L＝1,01479E-06mmol/L.

方程5对总H⁺浓度的贡献大于方程6。

然后根据pH＝–log(1,01479E-06)＝5,99计算pH。

气相中的CO2浓度可基于碳酸氢根浓度和pH如下计算：

其中b是在750,06mmHg的标准大气压下0.0304mmol/L*mmHg的Bunsen系数，pH是溶液的pH值，且C是以[mmol/L]计的碳酸氢根浓度。

首先，使用Henry’s定律计算在标准大气压下溶解在水(aq)中的CO2量

方程10:[CO2(aq)]＝K_CO2*H，其中K_CO2是在气相/排气中测得的CO2浓度且H是Henry溶解度。

在已测定[CO2(aq)](方程10)和K_S1(方程5)后，可以解算

方程11:

以如下计算pH

使用培养基特异性关系计算预期pH值

根据实施方案，用于计算第二pH值的比较单元从数据存储介质读取培养基特异性关系。培养基特异性关系是第一罐的培养基M1特有的并指示当所述培养基与所述气体体积处于pH-CO2平衡状态并且不含细胞培养物时培养基M1的pH值和气体体积中的各自CO2气体分数之间的关系。该比较单元将第一CO2浓度输入培养基特异性关系以计算在预定温度和压力下和在不存在细胞培养物的情况下对处于pH-CO2平衡的培养基预期的绝对pH值。使用该绝对pH值作为计算的第二pH值。

这可能有利，因为可以凭经验对任何种类的培养基，包括包含许多对pH-CO2平衡具有影响的物质的培养基获得将在CO2-pH平衡状态下培养基中的pH值与排气中的CO2浓度相关联的培养基特异性关系。

根据实施方案，该培养基特异性关系是通过数学拟合培养基(M1)的pH值和在气体体积中各自测得的CO2气体分数的多个凭经验确定的对(pairs)获得的方程PPH_M1(CO2)＝REL-M1(CO2)。PPH_M1(CO2)是当所述培养基不含细胞培养物并与所述培养基上方的气体体积处于pH-CO2平衡时培养基(M1)中的预测pH值，所述气体体积包含用作输入参数的CO2浓度。CO2是输入参数值并代表在不存在细胞培养物的情况下处于pH-CO2平衡状态的培养基(M1)上方的气体体积中的CO2浓度。REL-M1是通过运算符(operators)连接的一个或多个参数(a1、a2、b1、b2、b3)的集合。这些参数通过包含下列步骤的方法凭经验获得：

·将不含细胞培养物的培养基(M1)的样品调节至多个不同的pH值，由此使该样品达到与各自样品中的培养基上方的气体体积的pH-CO2平衡，

·测定与样品中的培养基处于pH-CO2平衡下的各自气体体积中的CO2气体分数，

·对照样品的各自平衡pH值绘制测定的CO2气体分数，

·在绘制值中拟合曲线和由拟合曲线推导培养基特异性关系的参数(a1、a2或b1、b2、b3)。

例如，可以在包含CO2排气传感器和在线pH测量装置的特殊容器或生物反应器中测定培养基特异性关系。用于测定培养基特异性关系的条件，例如温度和压力优选与测量第一pH值时存在的温度和压力相同或非常类似。

根据实施方案，测量其pH值的罐中的培养基M1是具有指定组成的培养基，其已知具有与用于凭经验生成培养基特异性关系的培养基相同的组成。例如，罐中的培养基和用于生成培养基特异性关系的培养基可由罐的操作员制备或可获自供应商，其公开该培养基的所有组分和各自的浓度。因此，本文所用的短语“相同类型的培养基”或“相同培养基”都是指至少就对pH-CO2平衡具有影响的所有组分而言具有相同组成的培养基。

例如，该培养基可以是基本不含对pH-CO2平衡具有影响的任何其它物质(除碳酸氢盐外)的碳酸氢盐缓冲液。市售培养基的一些供应商没有公开完整成分名单。通过制备具有指定的有限组分集的缓冲液，罐操作员可以确保罐中的培养基具有与用于生成培养基特异性关系的培养基完全相同的组成。这可防止错误检测到pH测量问题或可漏过实际pH测量问题。

根据实施方案，在第一和第二pH值彼此相差大于阈值的情况下测定第一pH测量装置具有pH测量问题。同样地，在第一数据值与第二数据值相差大于另一阈值的情况下测定第一pH测量装置具有pH测量问题，第一数据值由第一pH值导出，第二数据值由第二pH值导出。例如，可以由第一pH测量装置耦合至的罐的操作员设定阈值并可取决于操作员或该罐和培养基用于的项目的精度要求。

根据实施方案，第一罐是生物反应器或收获罐或校准盒。

根据另一有益的方面，在特定罐中测得的CO2浓度可用于校准或再校准错误校准的pH测量装置。

在另一方面中，本发明涉及一种校准或再校准第一pH测量装置的方法。该方法包含如上文对用于测定第一pH测量装置受pH测量问题影响的本发明的实施方案所述比较在第一和第二罐中测得的pH值和CO2浓度；和校准第一pH测量装置以使其在第一和第二CO2浓度相等的情况下输出与第二pH测量装置相同的pH值。或者，该方法包含如上文对用于测定第一罐中的第一pH测量装置受pH测量问题影响的本发明的实施方案所述由在第一罐的排气中测得的第一CO2浓度计算预期第二pH值；和校准第一pH测量装置以使其输出与作为第一CO2浓度的函数计算出的pH值相同的pH值。

根据另一有益的方面，在特定罐中测得的CO2浓度可用于校准或再校准错误校准的pH测量装置而不从罐中取出pH测量装置和将pH测量装置再***罐中。

在另一方面中，本发明涉及一种运行包含第一pH测量装置的罐的方法。第一pH测量装置是在线测量装置，所述方法包含：

-在罐中生长细胞培养物，所述罐包含生长培养基，由此通过第一pH测量装置反复测量生长培养基中的pH；

-用其在平衡下的pH和CO2之间的关系已知的培养基(M1)替换罐中的生长培养基和包含在其中的细胞培养物；例如，所述培养基M1可以是其相应的培养基特异性关系存储在测定是否存在pH测量问题的比较单元可读取的数据存储介质中的培养基，或培养基M1可以仅是能够由在pH-CO2平衡下的CO2排气浓度计算绝对pH值的碳酸氢盐缓冲培养基；

-在已替换生长培养基后，如上文对用于测定第一pH测量装置受pH测量问题影响的本发明的实施方案所述由测得的CO2排气浓度计算预期第二pH值；

-如果检测到pH测量问题，校准第一pH测量装置以使其输出与作为培养基(M1)的第一CO2浓度的函数计算出的pH值相同的pH值；

-在已校准第一pH测量装置后，用生长培养基替换罐中的培养基。

所述特征可能有利，因为不必再从罐中取出pH测量装置，执行一些校准试验，任选再校准，将pH计高压灭菌并将高压灭菌的pH计再引入罐中。相反，该pH测量装置(其可以是位于罐内的在线pH测量装置)可以在罐中检查和再校准。这可降低污染风险并节省时间。

根据另一有益的方面，在特定罐中测得的CO2浓度可用于鉴别由提取罐中的培养基的样品造成的pH偏移效应。

在另一方面中，本发明涉及一种测定由从第一罐中提取培养基样品造成的pH偏移效应的方法。该方法包括提供罐外离线pH测量装置160和提供第一罐。第一罐包含第一pH测量装置。第一pH测量装置是位于第一罐内的在线pH测量装置并至少部分被第一罐中的培养基(M1)包围。该方法进一步包含：

-通过由第一罐的测得CO2排气浓度计算预测的绝对pH值以测定第一(罐内)pH测量装置是否受pH测量问题影响而校准第一(罐内)pH测量装置；和校准(如果检测到pH测量问题)第一(罐内)pH测量装置以使其输出与作为第一CO2浓度的函数计算出的pH值相同的pH值；

-将罐外离线pH测量装置160转移到包含与第一罐相同类型的培养基(M1)的校准盒中；和通过由校准盒的测得CO2排气浓度计算预测的绝对pH值以测定罐外离线pH测量装置160是否受pH测量问题影响而校准(如果检测到pH测量问题)罐外离线pH测量装置160；和校准(如果检测到pH测量问题)罐外离线pH测量装置160以使其输出与作为在校准盒的排气中测得的CO2浓度的函数计算出的pH值相同的pH值；因此，所述校准盒用作包含要校准的pH测量装置的罐并用作容器，其CO2排气传感器用于测量用作用于计算要用于校准罐外离线pH测量装置160的第二pH值的输入值的CO2浓度。

在已校准第一pH测量装置和罐外pH测量装置后，该方法包含：

-通过第一pH测量装置测量第一罐中的培养基的第一当前pH值，第一当前pH值是在线测量值；

-提取第一罐的培养基的样品并将所述样品填充到便携式容器162中；

-安置罐外pH测量装置以使其至少部分被样品容器中的培养基包围；

-通过罐外pH测量装置测量样品容器中的培养基的第二当前pH值，第二当前pH值是离线测量值；

-在第一和第二当前pH值相差大于阈值的情况下，测定所述取样过程造成pH偏移效应。

根据实施方案，该方法进一步包含：

-接收第三CO2浓度和第三pH值，第三CO2浓度是第一罐中的培养基上方的第三气体体积的CO2浓度，第三CO2浓度和第三pH值在第三时间测量，第三时间是第一罐中的培养基在预定温度和压力下与第三气体体积处于pH-CO2平衡状态时和通过第一罐中的细胞培养物的代谢改变所述平衡状态之后的时间，第三pH值是由第一pH测量装置提供的测量值；

-接收第四CO2浓度和第四pH值，第四CO2浓度是第二罐中的培养基上方的第四气体体积的CO2浓度，第四CO2浓度和第四pH值在第四时间测量，第四时间是第二罐中的培养基在预定温度和压力下与第二气体体积处于pH-CO2平衡状态时和通过第二罐中的细胞培养物的代谢改变所述平衡状态之后的时间，第四pH值是由第二pH测量装置提供的测量值，在第三时间和第一罐接种之间经过的时间等于在第四时间和第二罐接种之间经过的时间；

-接收第一罐中的细胞培养物在第三时间测得的第一摄氧速率；

-接收第二罐中的细胞培养物在第四时间测得的第二摄氧速率；

-在第一和第二摄氧速率相等的情况下，比较第三和第四pH值和CO2浓度以测定第一和第二pH测量装置是否不同地校准。

例如，所述步骤可通过比较单元，例如监测和/或控制一个或多个pH测量装置的pH测量和校准状态的一条程序逻辑进行。此外，比较单元或耦合至比较单元的控制单元可监测和/或控制一个或多个罐的状态。

精确测量和最小化取样过程的偏移效应可能非常有利，因为常使用在样品中测得的pH值作为生物反应器的重要控制参数。在生物反应器的培养基样品中测得的pH值通常是采取纠正措施的基础，例如添加碱性物质、提高或降低温度或进料速率。通过基于测得的CO2浓度校准罐内pH测量装置以及罐外pH测量装置，这两个pH测量装置都可校准至可由CO2浓度精确推导出的高精度绝对pH值。因此，可使校准差异最小化。因此，在运行该罐并定期提取培养基样品时，罐内pH测量装置和罐外pH测量装置的pH值的任何差异显然归因于取样效应，而非校准差异。因此，可以更精确测定取样过程的效应并可从通过罐外pH测量装置测得的pH值中滤出(例如通过在计算上增加或扣除由取样过程造成的pH差异)。

根据实施方案，第一pH测量装置至少部分被第一罐内的培养基包围。第一罐不含用于手动或自动提取第二罐中的培养基的样品的工具。或者，第一罐包含用于手动或自动提取第一罐中的培养基的样品的工具，但取样工具的所有开口在第一罐中填充培养基之后和将细胞培养物添加到第一罐中的培养基中之前的时间间隔期间保持关闭。这可降低该罐被微生物污染的风险。

根据实施方案，第二pH测量装置至少部分被第二罐内的培养基包围。第二罐不含用于手动或自动提取第二罐中的培养基的样品的工具。或者，第二罐包含用于手动或自动提取第二罐中的培养基的样品的工具，但取样工具的所有开口在第二罐中填充培养基之后和将细胞培养物添加到第二罐中的培养基中之前的时间间隔期间保持关闭。

根据实施方案，本文对本发明的实施方案所述的测定pH测量问题的方法用于测定第二pH测量装置是否与第一pH测量装置不同地校准，在在第二pH测量装置至少部分被第二罐中的培养基包围并且不提取第二罐的培养基的样品进行所述测定的同时测定第一和第二pH测量装置是否不同地校准。

根据实施方案，比较通过两个或更多个不同pH测量装置测得的pH值，通过使用第一和第二CO2浓度和第一和第二pH值作为用于所述测定的仅有数据输入测定第一pH测量装置是否受pH测量问题影响。

根据实施方案，比较通过特定pH测量装置测得的pH值与由测得的CO2浓度计算的预期pH值，通过使用包含所述pH测量装置的罐的测得pH值和测得CO2浓度作为用于所述测定的仅有数据输入测定第一pH测量装置是否受pH测量问题影响。

所述特征可能有利，因为pH测量问题的测定不再需要离线测量。

根据实施方案，作为在线测量进行第一pH值的测量并且第一pH测量装置至少部分被第一罐中的培养基包围。在这种情况下，有效耦合至第一罐的第一pH测量装置是第一罐的罐内pH测量装置。

附加地或替代性地，作为在线测量进行第二pH值的测量并且第二pH测量装置至少部分被第二罐中的培养基包围。在这种情况下，有效耦合至第二罐的第二pH测量装置是第二罐的罐内pH测量装置。

根据实施方案，通过用于提供第一CO2浓度的在第一罐的排气中的第一CO2传感器作为在线测量进行第一CO2浓度的测量。

根据实施方案，通过用于提供第二CO2浓度的在第二罐的排气中的第二CO2传感器作为在线测量进行第二CO2浓度的测量。

根据实施方案，在测定第一pH测量装置受pH测量问题影响的情况下，该比较单元执行一个或多个下列步骤：输出警告信息；自动执行或引发执行第一pH测量装置的再校准；或自动执行或引发执行第一pH测量装置被新的第一pH测量装置的替换。

根据实施方案，第一罐与第二罐的区别在于一个或多个下列特征：

a)罐中的气体体积，

b)罐中的培养基体积，

c)罐的雷诺数，

d)罐的牛顿数，

e)罐的尺寸，

f)罐和/或罐挡板的几何特征，

g)搅拌器配置，

h)搅拌速率，

i)罐的氧气体积传质系数(kLa)，

j)总气体流入速率和/或O2流入速率和/或N2流入速率和/或CO2流入速率，

k)功率输入，

l)罐中的压力，

m)培养基中的气泡保持时间，

n)培养基中的气泡尺寸和分布，

o)表面速度，

p)作为一个或多个参数a)-o)的导数计算的参数；

q)两个罐的地理位置。

在另一方面中，本发明涉及比较单元，其配置成：

-接收第一CO2浓度和第一pH值，第一CO2浓度是第一罐中的培养基(M1)上方的第一气体体积的CO2浓度，第一CO2浓度和第一pH值在第一时间测量，第一时间是第一罐中的培养基在预定温度和压力下与第一气体体积处于pH-CO2平衡状态时的时间，所述平衡状态不受任何细胞培养物的代谢影响，第一pH值是由第一pH测量装置提供的测量值；

-接收第二CO2浓度和第二pH值，第二CO2浓度是第二罐中所含的相同类型的培养基(M1)上方的第二气体体积的CO2浓度，第二CO2浓度和第二pH值在第二时间测量，第二时间是第二罐中的培养基在预定温度和压力下与第二气体体积处于pH-CO2平衡状态时的时间，所述平衡状态不受任何细胞培养物的代谢影响，第二pH值是由第二pH测量装置提供的测量值；

-比较第一和第二pH值和比较第一和第二CO2浓度以测定第一pH测量装置是否受pH测量问题影响。

在另一方面中，本发明涉及比较单元，其配置成：

-接收第一CO2浓度和第一pH值，第一CO2浓度是第一罐中的培养基(M1)上方的第一气体体积的CO2浓度，第一CO2浓度和第一pH值在第一时间测量，第一时间是第一罐中的培养基在预定温度和压力下与第一气体体积处于pH-CO2平衡状态时的时间，所述平衡状态不受任何细胞培养物的代谢影响，第一pH值是由第一pH测量装置提供的测量值；

-计算作为第一CO2浓度的函数的第二pH值，第二pH值是在所述培养基在预定温度和压力下与所述培养基(M1)上方的第二气体体积处于pH-CO2平衡状态时对所述类型的培养基(M1)预测的pH值，在所述平衡下的第二气体体积具有与第一CO2浓度相等的第二CO2浓度，所述平衡状态不受任何细胞培养物的代谢影响；

-比较第一和第二pH值以测定第一pH测量装置是否受pH测量问题影响。

在另一方面中，本发明涉及一种配置成监测和/或控制第一罐的状态的***。所述***包含：

-根据本发明的实施方案的比较单元；

-有效耦合至所述比较单元的控制单元；和

-第一罐和第一pH测量装置；

-所述控制单元配置成监测和/或控制第一罐中的细胞培养物的状态，由此使用通过第一pH测量装置反复测得的pH值作为输入。

根据实施方案，所述***配置成使用第一和第二pH测量装置的pH值和第一和第二CO2浓度作为用于通过分析至少所述输入参数监测和/或最小化第一罐的状态与第二罐的状态的偏差的输入参数。

下面参照生物反应器描述实施方案和实例。但是，生物反应器仅是可采用本发明的实施方案的一种类型的罐。其它实例是收获罐和校准盒。

在一个方面中，本发明涉及一种方法，其包括：

-通过比较单元接收第一CO2浓度和第一pH值。第一CO2浓度是第一生物反应器中的培养基上方的第一气体体积的CO2浓度。第一CO2浓度和第一pH值在第一时间测量。第一时间是第一生物反应器中的培养基在预定温度和压力下与第一气体体积处于pH-CO2平衡状态时和通过第一生物反应器中的细胞培养物的代谢改变所述平衡状态之前的时间。第一pH值是由有效耦合至第一生物反应器的第一pH测量装置提供的测量值；

-通过比较单元接收第二CO2浓度和第二pH值。第二CO2浓度是第二生物反应器中的培养基上方的第二气体体积的CO2浓度。第二CO2浓度和第二pH值在第二时间测量。第二时间是第二生物反应器中的培养基在预定温度和压力下与第二气体体积处于pH-CO2平衡状态时和通过第二生物反应器中的细胞培养物的代谢改变所述平衡状态之前的时间。第二pH值是由有效耦合至第二生物反应器的第二pH测量装置提供的测量值。第一生物反应器中的培养基与第二生物反应器中的培养基相同；

-通过比较单元比较第一和第二pH值和第二CO2浓度以测定第一和第二pH测量装置是否不同地校准或测定第一和第二pH测量装置是否由于为测量第一和第二生物反应器各自的培养基样品中的第一或第二pH值而进行的取样过程的偏移效应而输出不同的pH值。

例如，第二生物反应器可用作参考生物反应器且第一生物反应器可用作另一生物反应器，其中细胞培养项目应基本以与之前在参考生物反应器中培养的参考细胞培养物相同的方式运行。第一和第二生物反应器也有可能同步运行，据此反复测量各自的pH值以比较生物反应器的状态。可以例如进行参数比较以自动、半自动或手动引发适当措施以防止所述两个生物反应器的状态偏差。

已经观察到，第一或第二pH测量装置的校准误差是导致无法精确比较这两个生物反应器的状态和/或无法在第一生物反应器中精确再现源自第二生物反应器的状态分布图(state profile)的共同误差来源。校准误差是离线和在线pH测量法的共同误差来源。

此外，已经观察到，在第一和/或第二生物反应器中进行离线pH测量的情况下，所得离线pH值可能没有精确反映生物反应器中的培养基的当前pH值。例如，可以定期从生物反应器中提取培养基样品以定期进行所述样品中的离线pH测量。在测量培养基样品中的pH值之前的取样过程耗时。同时，从中提取样品的生物反应器中的pH值可能明显改变。此外，样品中的温度可能在取样过程中下降，或样品中的pH值可能由于该样品的培养基上方的气体体积中的CO2浓度与生物反应器中的培养基上方的气体体积相比改变而移动。所有所述因素可能影响培养基样品中的pH值并造成所谓的“偏移效应”。

本文所用的“偏移效应”是在特定时间在生物反应器的培养基样品中测得的pH值与在所述特定时间直接在生物反应器的培养基中测得的pH值相差的pH值偏移。因此，第一或第二pH测量装置的校准误差和/或偏移效应(在第一和/或第二pH测量装置是离线测量装置的情况下)可能导致无法基于pH测量值精确比较和/或同步两个生物反应器的状态。

本发明的实施方案利用下述事实，在两种相同溶液/培养基在给定温度和压力和给定pH值下处于pH-CO2平衡状态的情况下，所述培养基上方的体积具有相同CO2浓度。同样地，在平衡状态下的所述两种培养基上方的体积中的特定CO2浓度下，由于这两种培养基处于pH-CO2平衡，所述两种培养基的pH值相同。由于这两种培养基不含任何细胞(其代谢可能改变pH-CO2平衡状态)，使用在相等的测得CO2浓度下第一和第二pH值的任何偏差作为这两个pH测量装置不同地校准和/或该差异由离线pH测量的偏移效应造成的指示。

例如，第二生物反应器的“预定”或“给定”温度可以是适用于启动和/或运行第二生物反应器的任何温度和压力。例如，第二温度可以是20℃且第二压力可以是标准大气压。可以测量第二温度和压力并可以控制和调节第一生物反应器的温度和压力(在本文中称作“第一温度”和“第一压力”)以使第一和第二温度相等或大致相等且第一和第二压力相等或大致相等。

本发明的实施方案可能由于多种原因而有利：

在培养基的pH值受细胞培养物的任何代谢活动影响之前的CO2浓度和pH值的比较能够检查第一pH测量装置是否与第二pH测量装置不同地校准并能够在所述pH测量装置之一或两者是离线装置的情况下测定测得的pH值之一或两者是否由于偏移效应而有瑕疵。

校准差异和/或偏移效应的早期检测能在用细胞培养物接种培养基之前再校准、修复或更换pH测量装置。再校准可包括校准第一pH测量装置以使其补偿任何偏移效应的选项。因此，可避免和/或从一开始就纠正在其pH测量装置与参考生物反应器的pH测量装置不同地校准(或其测得的pH值由于偏移效应而有瑕疵)的生物反应器中生长细胞培养物，由此节省在pH测量装置的校准误差导致无法在其它(“第一”)生物反应器中再现参考(“第二”)生物反应器的环境条件的情况下损失的时间和金钱。

在另一有益方面中，本发明的实施方案甚至在两个比较的生物反应器和各自的pH测量装置彼此远离，例如位于不同建筑物或不同城市或甚至不同国家的情况下也能够比较不同生物反应器的pH值。代替依赖具有指定pH值的标准化市售校准溶液，使用CO2值(其容易和非常精确测定)作为比较测得的pH值和鉴别pH测量中的校准差异和/或偏移效应的基础。测得的第一CO2浓度和第一测得pH值容易传送至比较单元，例如经由互联网连接。第一和第二pH测量装置不必同时校准和比较。甚至不必正确测定绝对pH值。给定由第一生物反应器中的第一pH测量装置在如上所述的pH-CO2平衡状态下测得的第一pH值和第一CO2值，可以通过由第二生物反应器中的第二pH测量装置在如上所述的pH-CO2平衡状态下测量第二pH值和第二CO2值而测定第一和第二pH测量装置是否相同校准，即使在观察第一pH值和第二CO2值之前数周或数年测定第二pH值和第二CO2值。

在另一方面中，在第一生物反应器基本用与第二生物反应器相同的环境参数运行的情况下，测定第二和第一pH测量装置不存在校准差异和测定在pH测量中不存在偏移效应比正确测量绝对pH值重要得多。因此甚至在第二生物反应器(其运行参数可提供用于运行第一生物反应器的某种“参考分布图”)用错误校准的pH测量装置运行和/或第二pH值受偏移效应影响而第一pH测量装置(应如“参考分布图”中规定运行的第一生物反应器的第一pH测量装置)正确校准/没有偏移效应的情况下，本发明的实施方案也能够在测量第二pH测量装置时鉴别校准差异和/或偏移效应的存在。在测量第二或第一pH值时的校准差异和/或偏移效应的鉴别能使操作员或自动化控制***采取适当措施防止第一生物反应器中的细胞培养物在与第二/参考生物反应器的细胞不同的环境参数下(特别是在培养基的不同pH值下)生长。

因此，本发明的实施方案能够通过在生物反应器的初始化阶段已鉴别pH测量装置校准差异和/或偏移效应而精确监测和/或控制生物反应器的状态。

根据另一些实施方案，第一生物反应器包含用于手动或自动提取第一生物反应器中的培养基的样品的工具。在第一生物反应器中填充培养基之后和将细胞培养物添加到第一生物反应器中的培养基中之前的时间间隔期间，该方法包括使取样工具的所有开口保持关闭。

这可能有益，因为避免第一生物反应器的培养基的污染。不再必须为测定具有已知pH值的参考溶液中的pH值而打开取样工具：经CO2值鉴别校准差异并根据本发明的实施方案通过生物反应器中的pH测量装置测量pH值。这可能有益，因为降低生物反应器在取样过程中被不想要的微生物感染的风险并且取样过程没有造成偏移效应。

根据实施方案，各生物反应器的排气的第二和第一CO2浓度和总气体流入速率用于计算第二生物反应器的第二CO2排气速率和用于计算第一生物反应器的第一CO2排气速率。然后，代替第二和第一CO2浓度，比较第二和第一CO2排气速率。这种方法在第二和第一生物反应器中的总排气速率相等的情况下适用。一些CO2排气分析仪可测量CO2排气速率而非CO2浓度并将CO2排气速率送回比较单元。如果这两个比较的生物反应器的总排气速率相等，可以代替两个CO2值比较这两个生物反应器的CO2排气速率(“ACO”)并且如果在相等的总排气速率和相等的测得pH值下这两个生物反应器的测得CO2排气速率不同，检测到pH计偏移或校准差异。

根据实施方案，该方法用于测定第一pH测量装置是否与第二pH测量装置不同地校准。第一pH测量装置至少部分被第一生物反应器内的培养基包围。例如，第一pH测量装置可以是浸在第一生物反应器的培养基中的pH测量装置。第一生物反应器不含手动或自动提取第一生物反应器中的培养基的样品的工具。

这具有允许使用防止通过取样(为了作为离线测量而测量pH值)污染培养基和/或生成偏移效应的生物反应器类型的益处。

根据另一些实施方案，第一生物反应器包含用于手动或自动提取第一生物反应器中的培养基的样品的工具。所述工具可以例如由用于手动从生物反应器中提取培养基样品的开口构成，或可以由用于自动或半自动提取样品的机械手臂或排出管构成。该方法进一步包含：在第一生物反应器中填充培养基之后和将细胞培养物添加到第一生物反应器中的培养基中之前的时间间隔期间，使取样工具的所有开口保持关闭。这可防止生物反应器中的培养基的污染。由于该方法使用位于生物反应器内的第一pH测量装置以及在不取样的情况下容易测量的培养基上方的气体体积的CO2浓度，本发明的实施方案能够检测校准差异而不提取生物反应器的样品和因此没有感染风险。

根据实施方案，该方法用于测定第一pH测量装置是否与第二pH测量装置不同地校准。在第一pH测量装置至少部分被第一生物反应器中的培养基包围(因此，通过完全或至少部分位于生物反应器内的pH测量装置)并且不提取第一生物反应器的培养基的样品进行所述测定的同时测定第二和第一pH测量装置是否不同地校准。

根据实施方案，通过使用第二和第一CO2浓度和第二和第一pH值作为用于所述测定的仅有数据输入进行所述测定。这可能有利，因为通过进行在线pH值和CO2浓度测量，容易获得所述参数值。

根据实施方案，该方法进一步包括用用于测量第一pH值的第一pH测量装置进行在线测量，第一pH测量装置至少部分被第一生物反应器中的培养基包围。

附加地或替代性地，该方法包括通过用于提供第一CO2浓度的在第一生物反应器的排气中的第一CO2传感器进行在线测量。

这种方法特别可用于测定第一pH测量装置是否与第二pH测量装置不同地校准(因为第一pH测量装置能够进行在线测量，通常不存在偏移效应)和由校准差异，或在第二pH测量装置是离线测量装置的情况下，由第二pH测量装置的偏移效应造成与第二pH测量装置的结果的任何偏差。

在许多目前使用的生物反应器类型中，各自的CO2浓度和pH测量装置已存在并且容易不仅用于生物反应器状态监测和控制用途，还用于鉴别校准差异和偏移效应的用途。不必提取培养基样品进行pH测量，也不必从生物反应器中取出pH测量装置或将pH测量装置再引入生物反应器中。因此，降低生物反应器被不想要的微生物感染的风险。该方法能够鉴别两个生物反应器的两个pH计的校准差异而不从这两个生物反应器的任一个中提取培养基样品。

使用测量生物反应器的排气中的CO2浓度的CO2传感器可能是有利的，因为CO2排气计(“CO2排气分析仪”、“CO2排气传感器”)是非侵入性的，不需要取样，容易实时获得并传送数值，排气中的CO2浓度和/或CO2排气速率。因此，CO2排气分析仪可对生物反应器中预期或意外的工艺变化(而非例如细胞密度或细胞数)作出即时响应。此外，排气分析仪可以随时校准并且不必高压灭菌。

根据实施方案，该方法包括用用于测量第二pH值的第二pH测量装置进行在线测量。第二pH测量装置至少部分被第二生物反应器中的培养基包围。附加地或替代性地，该方法包括通过用于提供第二CO2浓度的在第二生物反应器的排气中的第二CO2传感器进行在线测量。这可能具有也可借助在线测量，例如借助浸入的连续pH计采集第二(或“参考”)生物反应器的pH和CO2浓度值由此避免pH偏移效应和降低由取样过程造成的感染风险的优点。

根据实施方案，该方法用于测定第一pH测量装置是否由于为测量第一生物反应器的培养基样品中的第一pH值而进行的取样过程的偏移效应而输出与第二pH测量装置不同的pH值。该方法进一步包括用用于测量第一pH值的第一pH测量装置进行离线测量。第一pH测量装置在第一生物反应器外并至少部分被第一生物反应器的培养基样品中的培养基包围。

如果使用在技术上配备离线测量装置，特别是离线pH测量装置的生物反应器类型，所述特征可能有益。在本文中，通过比较第二和第一pH值和第二和第一CO2浓度而测定的任何偏移效应可用于输出警报和/或以补偿由取样过程造成的偏移效应的方式改变第一pH测量装置的输出。

根据实施方案，该方法包括在出现下列情形之一的情况下测定第二和第一pH测量装置不同地校准或测定第二和第一pH测量装置由于取样过程的偏移效应而输出不同的pH值：

-第二和第一CO2浓度相等且第二和第一pH值彼此相差大于阈值；或

-第二和第一pH值相等且第二和第一CO2浓度彼此相差大于另一阈值；或

-第二数据值与第一数据值相差大于另一阈值，第二数据值由第二pH值和第二CO2浓度导出，第一数据值由第一pH值和第一CO2浓度导出。例如，在应校准其pH测量装置以能够比较这两个生物反应器中的培养基中的pH值的两个生物反应器的总排气速率相等的情况下，可以代替CO2浓度比较CO2排气速率。

根据实施方案，在pH值和CO2浓度都不相等的情况下，生物反应器监测和/或控制***的控制单元可改变CO2气体流入速率。据此，气相中的CO2浓度和培养基中的pH值都可能受影响。一旦第一pH值等于第二pH值或第一CO2浓度等于第二CO2浓度，就执行上述测定。

根据实施方案，该方法进一步包括观察第二和第一CO2浓度相等和以第一pH测量装置指示与第二pH测量装置相同的pH值的方式校准第一pH测量装置。

例如，在第二和第一CO2浓度相等且第二和第一pH值彼此相差量“delta”的情况下，可将所述“delta”pH偏移值增加到未来(即在比第一时间晚的时间)通过第一pH测量装置测得的各pH值上。第一pH测量装置输出的所得pH值因此补偿由用于测量第二或第一pH值的取样过程造成的pH偏移和/或补偿第二和第一pH测量装置之间的任何校准差异。

根据实施方案，配置成监测和/或最小化第一生物反应器的状态与第二生物反应器的状态的偏差的***的控制单元使用第一pH测量装置的pH值作为输入。通过分析至少所述输入参数的比较单元执行状态差异的最小化和/或两个生物反应器的状态的比较。该比较单元可以是由软件、固件和/或硬件执行的程序逻辑，例如在电子数据处理***上运行的应用程序。根据实施方案，该比较单元有效耦合至控制单元。例如，该比较单元可以是控制单元的组成部分或可以是配置成与控制单元交互操作的应用程序。控制单元和监测单元可安置在相同或不同的电子数据处理机上。

这可能有利，因为可避免使用与第二pH测量装置不同校准和/或其pH值由于取样过程而具有偏移效应的第一pH测量装置。

根据实施方案，通过比较单元进行第二和第一pH值的接收、第二和第一CO2浓度的接收和所述pH和CO2浓度值的比较。在测定第二和第一pH测量装置不同地校准的情况下，该比较单元可执行一个或多个下列步骤：

-输出警告信息；

-自动执行或引发执行第一pH测量装置的再校准；

-自动执行或引发执行第一pH测量装置被新的第一pH测量装置的替换。

因此，第一生物反应器的操作员或自动化组件能够采取适当措施，例如更换或再校准第一pH测量装置和延迟第一生物反应器的接种直至该问题解决。

该比较单元可以例如由电子数据处理装置或其部分提供或在其上执行。该装置包含处理器、存储器和存储在其上的电子指令。在通过处理器处理该指令后，通过该比较单元实施本发明的实施方案的方法。在一些实施方案中，该比较单元有效耦合至一个或多个生物反应器监测和/或控制应用程序。该比较单元可以是包含第一和任选第二生物反应器的***的组成部分。该***根据一些实施方案包含附加生物反应器，应该监测其状态并与第二生物反应器的状态比较。

根据实施方案，该比较单元从数据存储介质读取培养基特异性关系。培养基特异性关系是第二和第一生物反应器中的培养基特有的并指示当所述培养基与所述气体体积处于pH-CO2平衡状态并且不含细胞培养物时培养基的pH值和气体体积中的各自CO2气体分数之间的关系。然后，该比较单元使用第一CO2浓度作为培养基特异性关系的输入以计算在预定温度和压力下和在不存在细胞培养物的情况下对处于pH-CO2平衡的第一生物反应器中的培养基预期的绝对pH值。然后，该比较单元(或使用培养基特异性关系的计算结果的操作员)配置第一pH测量装以使所述第一pH测量装置输出计算出的绝对pH值。例如，校准第一pH测量装置以在未来的pH测量中，第一pH测量装置输出测得的第一pH值和delta pH的总和，该delta pH是测得的第一pH值和使用该培养基特异性关系计算出的预期pH值之间的差值。

该培养基特异性关系可以是例如通过数学拟合培养基(M1)的pH值和在所述培养基上方的气体体积中各自测得的CO2气体分数的多个凭经验确定的对(pairs)获得的方程PPH_M1(CO2)＝REL-M1(CO2)。据此：

-PPH_M1(CO2)是当所述培养基不含细胞培养物并与所述培养基上方的气体体积处于pH-CO2平衡时培养基(M1)中的预测pH值，所述气体体积包含用作输入参数的CO2浓度；

-CO2是输入参数值并代表在不存在细胞培养物的情况下处于pH-CO2平衡状态的培养基(M1)上方的气体体积中的CO2浓度；

-REL-M1是通过运算符连接的一个或多个参数的集合。

这些参数例如通过手动、自动或半自动执行下列步骤获得：

-将不含细胞培养物的培养基M1的样品调节至多个不同的pH值，由此使该样品达到与各自样品中的培养基上方的气体体积的pH-CO2平衡，

-测定与样品中的培养基处于pH-CO2平衡下的各自气体体积中的CO2气体分数，

-对照样品的各自平衡pH值绘制测定的CO2气体分数,

-在绘制值中拟合曲线和由拟合曲线推导培养基特异性关系的参数。

因此，该培养基特异性关系可凭经验确定，例如在用参考细胞培养物接种第二或第一生物反应器之前。

根据一些实施方案，通过用培养基填充生物反应器，例如第二生物反应器(据此该培养基不含细胞培养物细胞)并将第二生物反应器的温度和压力设定至预定值，例如20℃和标准大气压而获得培养基特异性关系。用于凭经验确定培养基特异性关系的生物反应器中的培养基在本文中也被称作要设定其pH值的样品之一。

然后，可以通过经由改变的CO2气体流入速率提高或降低培养基上方的气体体积中的CO2浓度以将该培养基设定为不同pH值，并在一段时间(通常数分钟或数小时)后在培养基已平衡(达到在给定pH和预定温度和压力下的pH-CO2平衡状态)时，测量所述培养基上方的气体体积中的CO2浓度(其与在所述平衡状态下的CO2分压相关联)。例如通过分析培养基上方的气体体积中的CO2浓度或经由排气中的CO2体积分数进行所述测量。将获取的在样品(生物反应器或等分试样)中测得的平衡pH值和CO2浓度(或CO2排气值)对绘制，即呈现在坐标系中。可以通过电子数据处理***自动进行该绘图，其可另外以纸基打印输出和/或显示在计算机屏幕上的曲线图的形式输出该曲线图。也可以手动进行该绘图。将曲线自动或手动拟合至所述曲线图并计算描述所述拟合曲线的参数。这些参数确定当所述培养基在特定pH值下处于pH-CO2平衡时pH值和所述培养基上方的气体体积的CO2浓度的培养基特异性关系。优选通过调节CO2流入速率而非通过加入碱性或酸物质设定pH值以避免培养基的组成改变。

在已计算这些参数后，可以将该培养基特异性关系传送至比较单元，例如经由能使用户手动输入该关系的图形用户界面、经由便携式存储介质或经由网络连接。

根据另一些实施方案，通过制造所述培养基的等分试样形式的多个样品，获得培养基特异性关系，各样品具有不同pH值。使样品在预定温度和压力下保持一段时间以实现各样品中的气体和液体培养基之间的pH-CO2平衡。

可以例如通过改变单个样品的pH值和进行相继测量而相继获得样品，或可以通过并行制造所述培养基的多个样品(通过改变培养基上方的气体体积的CO2浓度而将各等分试样设定为不同pH值)而获得样品。可以将样品填充到能够设定和测量当前pH值和能够改变CO2浓度和测量在平衡状态下的CO2浓度或CO2排气速率的任何容器中。优选通过以使pH值相应改变的方式调节CO2流入速率和因此生物反应器的气相中的CO2浓度设定各样品中的pH值。这可能有利，因为当使用CO2而非酸或碱调节pH时，培养基的组成不变(除溶解的CO2的离解产物外)。

根据一些实施方案，方程PPH_M1(CO2)＝REL-M1(CO2)是根据PPH_M1(CO2)＝a1 x pH+a2的线性方程。在这种情况下，参数a1和a2是由该拟合曲线推导出的参数。PPH_M1(CO2)指示与具有用作所述方程的输入值的特定CO2浓度的气体体积处于平衡状态的培养基中的预测pH值。

根据另一些实施方案，方程PPH_M1(CO2)＝REL-M1(CO2)是根据PPH_M1(CO2)＝b1 xpH²+b2 x pH+b3的多项式方程。在这种情况下，参数b1、b2和b3是由该拟合曲线推导出的参数。

凭经验确定培养基特异性关系和相应的培养基特异性参数具有有益作用，即甚至在培养基的确切组成未知的情况下(这通常是市场中的许多培养基的情况)，可以实验测定特定pH值对与所述培养基处于pH-CO2平衡下的空气体积中的平衡CO2浓度的影响。因此，在使用组成未知的培养基类型时也可以计算绝对pH值并可用于校准pH测量装置。

根据实施方案，细胞培养物的细胞是原核或真核细胞，特别是哺乳动物细胞培养物细胞。

根据实施方案，第二生物反应器与第一生物反应器的区别在于一个或多个下列特征：

a)生物反应器中的气体体积，

b)生物反应器中的培养基体积，

c)生物反应器的雷诺数，

d)生物反应器的牛顿数，

e)生物反应器的尺寸，

f)生物反应器和/或生物反应器挡板的几何特征，

g)搅拌器配置，

h)搅拌速率，

i)生物反应器的氧气体积传质系数(kLa)，

j)总气体流入速率和/或O2流入速率和/或N2流入速率和/或CO2流入速率，

k)功率输入，

l)生物反应器中的压力，

m)培养基中的气泡保持时间，

n)培养基中的气泡尺寸和分布，

o)表面速度，

p)作为一个或多个参数a)-o)的导数计算的参数；

q)两个生物反应器的地理位置(例如不同国家、城市、建筑物)

本文所用的“功率输入”参数规定生物反应器的搅拌器的功率输入量。不同的搅拌器配置可在相同搅动或相同梢速下具有不同功率输入。在相同搅拌器速度下的功率输入可能依赖于培养基的粘度。

通过比较CO2排气浓度，容易比较两个生物反应器的pH测量装置的校准状态：甚至在所述生物反应器具有不同雷诺数和/或牛顿数、具有搅拌器的不同速度或配置等的情况下，排气中的相同CO2浓度指示不同生物反应器的pH测量装置的相同校准。

根据实施方案，比较单元接收第三CO2浓度和第三pH值。第三CO2浓度是第二生物反应器中的培养基上方的第三气体体积的CO2浓度。第三CO2浓度和第三pH值在第三时间测量。第三时间是第二生物反应器中的培养基在预定温度和压力下与第三气体体积处于pH-CO2平衡状态时和通过第二生物反应器中的细胞培养物的代谢改变所述平衡状态之后的时间。第三pH值是由第二pH测量装置提供的测量值。

然后，比较单元接收第四CO2浓度和第四pH值。第四CO2浓度是第一生物反应器中的培养基上方的第四气体体积的CO2浓度。第四CO2浓度和第四pH值在第四时间测量。第四时间是第一生物反应器中的培养基在预定温度和压力下与第一气体体积处于pH-CO2平衡状态时和通过第一生物反应器中的细胞培养物的代谢改变所述平衡状态之后的时间。例如，在数小时或甚至数天后，一些细胞开始将改变培养基的pH和/或组成的物质，例如乳酸盐分泌到培养基中。第四pH值是由第一pH测量装置提供的测量值。在第三时间和第二生物反应器的接种之间经过的时间等于在第四时间和第一生物反应器的接种之间经过的时间。

此外，该比较单元接收第二生物反应器中的细胞培养物在第三时间测得的第二摄氧速率并接收第一生物反应器中的细胞培养物在第四时间测得的第一摄氧速率。

在第二和第一摄氧速率相等的情况下，该比较单元比较第三和第四pH值和比较第三和第四CO2浓度以测定第二和第一pH测量装置是否不同地校准或测定第二和第一pH测量装置是否由于为测量第二和第一生物反应器各自的培养基样品中的第三或第四pH值而进行的取样过程的偏移效应而输出不同pH值。

在出现下列情形之一的情况下测定第二和第一pH测量装置不同地校准或测定第二和第一pH测量装置由于取样过程的偏移效应而输出不同的pH值：

-第三和第四CO2浓度相等且第三和第四pH值彼此相差大于阈值；或

-第三和第四pH值相等且第三和第四CO2浓度彼此相差大于另一阈值

本发明的实施方案假设在第二和第一生物反应器中的温度和压力相等的情况下和另外在摄氧速率相等的情况下，测得pH值的差异由用于测量pH值的取样过程的校准误差或偏移效应造成。

所述特征可能特别有利，因为它们甚至在细胞的代谢已开始改变生物反应器的pH-CO2平衡状态(例如通过分泌乳酸盐)的情况下也能够测定两个pH测量装置是否不同地校准或显示取样偏移效应(并且不取样进行离线pH测量)。观察到细胞的摄氧速率通常与特定细胞培养物的状态相关联，因此在两个生物反应器中的细胞培养物的OUR相等且排气中的CO2浓度、温度和压力也相等的情况下，任何观察到的pH差异由校准误差或取样基偏移效应造成。

在另一方面中，本发明涉及一种比较单元，其配置成：

-接收第二CO2浓度和第二pH值，第二CO2浓度是第二生物反应器中的培养基上方的第二气体体积的CO2浓度，第二CO2浓度和第二pH值在第二时间测量，第二时间是第二生物反应器中的培养基在预定温度和压力下与第二气体体积处于pH-CO2平衡状态时和通过第二生物反应器中的细胞培养物的代谢改变所述平衡状态之前的时间，第二pH值是由有效耦合至第二生物反应器的第二pH测量装置提供的测量值；

-接收第一CO2浓度和第一pH值，第一CO2浓度是第一生物反应器中的培养基上方的第一气体体积的CO2浓度，第一CO2浓度和第一pH值在第一时间测量，第一时间是第一生物反应器中的培养基在预定温度和压力下与第一气体体积处于pH-CO2平衡状态时和通过第一生物反应器中的细胞培养物的代谢改变所述平衡状态之前的时间，第一pH值是由有效耦合至第一生物反应器的第一pH测量装置提供的测量值；

-比较第二和第一pH值和CO2浓度以测定第二和第一pH测量装置是否不同地校准或测定第二和第一pH测量装置是否由于为测量第二和第一生物反应器各自的培养基样品中的第二或第一pH值而进行的取样过程的偏移效应而输出不同pH值。

在另一方面中，本发明涉及配置成监测和/或最小化第一生物反应器的状态与第二生物反应器的状态的偏差的***。该***包含用于监测和/或控制至少第一和任选也第二和一个或多个附加生物反应器的控制单元并包含根据本文所述的任一实施方案的比较单元。该***进一步包含至少第一生物反应器和第一pH测量装置。该控制单元配置成监测和/或控制至少第一生物反应器中的细胞培养物的状态，由此使用由第一pH测量装置反复测得的pH值。

根据实施方案，该***进一步包含第二生物反应器，据此第二和第一生物反应器位于不同地理区并任选可经由网络，例如互联网耦合至比较单元，以传达CO2浓度和pH值。

根据实施方案，第二时间是用细胞培养物接种第二生物反应器之前的时间。第二时间也可以是用细胞培养物接种第二生物反应器时或之后和所述细胞培养物的代谢改变第二生物反应器中的培养基的pH值之前的时间。

第一时间是用细胞培养物接种第一生物反应器之前的时间。或者，第一时间是用细胞培养物接种第一生物反应器时或之后和所述细胞培养物的代谢改变第一生物反应器中的培养基的pH值之前的时间。

本文所用的“分布图(profile)”是参数值变化vs时间的图示。

本文所用的“罐”是用于容纳、输送或储存液体的容器。罐可以是例如生物反应器或收获或输送罐，其包含生物反应器的培养基、细胞培养物和反应产物。罐也可以是充满无细胞培养基并用于校准pH测量装置的校准盒。

本文所用的“校准盒”是含有已知培养基的罐，据此该罐有效耦合至CO2传感器并配置成暂时安置一个或多个pH测量装置以使用通过传感器测得的CO2排气浓度校准pH测量装置。例如，该校准盒可以是目前没有用于生长细胞培养物而是仅或主要用于校准pH测量装置的生物反应器。或者，该校准盒可以是专用容器，特别是可由人携带到不同地点以校准不同实验室中的pH计的便携式容器162。该校准盒包含具有已知性质(当前温度、压力、已知培养基特异性关系或在纯碳酸氢盐缓冲培养基的情况下，已知组成)的培养基并在培养基上方的气体体积中或在校准盒的排气中包含CO2传感器。其进一步包含容易***和取出pH测量装置的开口并可包含一个或多个用于将所述一个或多个pH测量装置暂时固定在校准盒中以使它们至少部分被校准盒中的培养基包围的固定装置。

本文所用的“预定”温度和压力指定由第一和/或第二罐的操作员控制或至少已知的或通过配置成运行第一和/或第二罐或其中所含的pH测量装置的程序逻辑控制或至少“获知”的温度和压力。因此，“预定”温度和压力也可被称作“给定”温度和压力。可能必须确保第一和第二pH值和第一和第二CO2值在相同的给定温度和压力下测量。

本文所用的“比较单元”是配置成接收和处理一个或多个测得的pH值和一个或多个测得的罐排气中的CO2浓度以测定是否出现pH测量误差的一条程序逻辑，例如应用程序或模块、计算机芯片或另一个硬件或固件。例如，该比较单元可以是作为校准软件或生物反应器监测或控制软件的一部分或与其交互操作的程序模块。

“有效耦合”至罐的pH测量装置可以是例如永久或暂时位于罐内并配置成进行在线pH测量的pH测量装置。

本文所用的“生物反应器”是在其中进行涉及生物体或衍生自此类生物体的生物化学活性物质的化学工艺的容器。这种工艺可以是例如需氧或厌氧的。存在许多不同的生物反应器类型，它们的形状(例如圆柱形或其它)、尺寸(例如毫升、升至立方米)和材料(不锈钢、玻璃、塑料等)不同。根据实施方案，该生物反应器适用于培养细胞培养物中的细胞或组织。根据实施方案和/或根据运行模式，生物反应器可以是分批生物反应器、补料分批生物反应器或连续生物反应器(例如连续搅拌釜反应器模型)。连续生物反应器的一个实例是恒化器。

本文所用的“在线测量”是获得描述生物反应器或其中所含的细胞培养物的状态特征的测量值的方法，由此进行该测量所需的持续时间比所述特征显著变化的持续时间短。显著变化可以是大于预定阈值的变化。例如，大于5％的变化可被视为显著变化。不同特征的阈值可不同。在线测量能够实时控制生物反应器。

“离线测量”是获得描述生物反应器或其中所含的细胞培养物的状态特征的测量值的方法，由此进行该测量所需的持续时间比所述特征显著变化的持续时间长。显著变化可以是大于预定阈值的变化。离线测量的典型实例是例如为测量当前pH值，培养基的自动化、半自动化或手动取样。离线测量基于不连续取样过程。由于生物反应器特征可能自取样以来同时改变，由于测量时刻和进行各控制操作的时刻之间的显著延迟时间，基于离线测量数据控制生物反应器往往是低质量的。

显著变化可以是大于预定阈值的变化，例如2％或任何其它百分比值，取决于各状态特征。离线测量的典型实例是例如为测量当前pH值以在启动生物反应器时校准pH测量装置，培养基的探针的自动化、半自动化或手动取样。

用于由样品获得测量值的不连续取样过程可能具有缺点，即生物反应器特征可能同时改变。因此，由于测量时刻和进行各控制操作的时刻之间的显著延迟时间，基于离线测量数据控制生物反应器往往是低质量的。

本文所用的“pH测量装置”或“pH计”是用于测量培养基中的当前pH值的装置和/或物质。pH计可以是例如pH指示剂(如酚酞)-溶液或pH试纸形式-或电位装置。根据优选实施方案，该pH计是连续pH计，即能够连续和反复测量生物反应器的培养基的pH而不必提取样品并且不必为每次测量将所述pH计***培养基中的pH计。例如，pH计可以是连接到培养基和连接到参考电极上并以不显示测得电位而是已显示pH值的方式标度的精确电压计。优选将pH计浸在培养基中并用于在生物反应器中培养细胞时的整个过程中反复测量培养基中的当前pH值。例如，pH计可以每分钟或每30分钟或每小时测量当前pH值。在典型现今pH计中，将参考电极嵌入pH电极中，这使该装置紧凑。

本文所用的“CO2测量装置”，“CO2传感器”、“CO2计”或“CO2分析仪”是用于测量气体体积，例如生物反应器的培养基上方的气体体积或生物反应器的排气中的当前CO2浓度的装置。根据实施方案，通过连续CO2排气计，即能够反复测量生物反应器的排气中的当前CO2浓度而不必为每次CO2浓度测量将硬件模块***或替换到生物反应器或其相连的排气管道中的装置测量第二和/或第一生物反应器的当前CO2浓度。

使用连续pH测量装置和/或连续CO2排气计可能有利，因为可以容易和反复进行各自的测量，而不造成偏移效应和/或不需要提取培养基的样品。许多现有生物反应器已包含一个或多个浸入的pH计和/或包含或与能够测量CO2浓度和/或CO2排气速率的测量装置耦合。

根据实施方案，该生物反应器(或参考生物反应器)包含单个气体流入管线或管道或多个气体流入管线或管道。例如，单个气体流入管线或管道可用于将环境空气或(已膨胀的)压缩空气从特殊供应源传送到生物反应器(参考生物反应器)中。所述环境空气或压缩空气可由地球大气典型的气体混合物，特别是N2、O2和CO2构成，或具有不同组成。附加地或替代性地，单个气体流入管线或管道或任何其它气体流入管线或管道可用于将独立的气体，如N2、O2和CO2传送至生物反应器，以例如控制细胞生长。

根据实施方案，这两个生物反应器之一或各个分别包含用于由流入的气体生成极细分散的气泡的微喷雾器以加速建立生物反应器中的培养基和气体体积之间的pH-CO2平衡。例如，微喷雾器可用于流入气体混合物或单独用于各个流入气体组分。附加地或替代性地，配置并运行两个生物反应器之一或各个以使二氧化碳和一种或多种其它气体(例如氮气、氧气和/或空气)作为气体混合物一起同时添加到生物反应器中。例如，所有流入气体可作为气体混合物，例如经由浸没管开口或微喷雾器输入生物反应器。

优选地，在生物反应器的体积低于例如400升或例如200升的阈值体积的情况下，经由微喷雾器和/或以气体混合物的形式将所有工艺气体输入生物反应器。

根据实施方案，选择生物反应器的培养基中的曝气速率和流入气体的气泡尺寸以使所有气泡在离开生物反应器之前与培养基达到pH-CO2平衡或完全溶解在培养基中。

所述特征可能有利，因为它们确保在其气体内容物离开生物反应器之前气泡达到平衡状态：微喷雾器生成流入气体的极细分散气泡，由此加速生物反应器中的培养基和气体体积之间的pH-CO2平衡。作为气体混合物输入CO2气体避免从纯CO2气泡到培养基中的CO2迁移速率大于从培养基到例如空气或N2气泡的CO2迁移速率(该迁移速率可能依赖于培养基和不同类型的气泡之间的CO2浓度差的量)。因此，所述措施确保在宽范围的生物反应器体积之间(包括低于例如400升的体积)生物反应器状态的可比较性。

本文所用的“分布图(profile)”是参数值变化vs时间的图示。

“pH-CO2平衡”指示包含水溶液(例如细胞培养基)和在所述溶液上方的空气体积(例如生物反应器中的气体体积)的***的状态，它们的pH值和CO2分压根据Henderson-Hasselbalch方程处于化学平衡。CO2分压对应于培养基上方的总气体体积中的CO2气体的分数。Henderson-Hasselbalch方程描述在生物和化学***中作为酸度的量度的pH与酸离解常数(pKa)的关系。如果包含CO₂的气体与水性液体，例如培养基接触，至少小部分CO2溶解在所述液体中。在室温下，例如，二氧化碳的溶解度为大约90cm³ CO₂/100ml水(c_l/c_g＝0.8)。随着温度降低，任何水溶性气体变得更可溶。小部分(大约0.2-1％)溶解的CO₂转化成H₂CO₃。大多数CO₂仍为溶解的分子CO₂。这一过程可通过下式描述：碳酸(H2CO3)平衡：

[CO2]x[H2O]←→[H2CO3]←→[H+]x[HCO3-]

[H+]x[HCO3-]＝K x[CO2]x[H2O]，其中K＝平衡常数

pH＝pK+log([HCO3-]/[CO2])

本文所用的“CO2体积分数”是总气体体积中的CO2气体分数。单位可以是例如Vol.％。其也被称作气体体积的“CO2浓度”，该浓度以Vol.％规定。

“培养基”或“细胞培养基”是旨在支持微生物或细胞或小植物如小立碗藓(mossPhyscomitrella)的培养和通常生长的液体或凝胶。存在用于生长不同类型的细胞的不同培养基。通常，培养基是包含一种或多种物质，如盐、碳水化合物、痕量元素、肽和/或蛋白质的混合物的水基溶液。市场上存在许多不同培养基，例如用于衍生自植物或动物的特定细胞类型的细胞培养，和用于生长微生物，如细菌或酵母的微生物培养。培养基可以是例如营养培养基，例如LB培养基(Lysogeny Broth)，基本培养基、选择性培养基、鉴别培养基或加富培养基。一些培养基可能需要例如5–10％CO2的CO2环境以维持生理pH。

根据一些实施方案，短语“两种培养基相同”意味着两种培养基(例如一方面参考生物反应器中的培养基和另一方面监测和/或控制的生物反应器中的培养基)包含–在特定压力、温度和所述培养基上方的气体体积中的CO2浓度下-在测量精度内相同的组成和有机和无机化合物和溶剂的浓度和/或已使用相同制造程序和条件制造。

根据一些实施方案，所述短语意味着这两种培养基仅在所述差异(在给定温度、压力和所述培养基上方的气体体积中的CO2浓度下)不影响或大致不影响所述培养基在多个不同pH值下的pH-CO2平衡的程度内和在分别由所述两种培养基凭经验推导出的培养基特异性关系相等的程度内才可在任一所述标准(组成、浓度、制造程序)方面不同。

本文所用的“培养细胞培养物”通常是指生长细胞培养物，即细胞培养物的细胞数增加。但是，在一些情况下，细胞数也可能停滞或甚至下降。

下面更详细解释本发明的实施方案，仅作为实例，参考附图，其中：

图1显示配置成检测pH测量装置校准偏差或pH测量偏移效应的用于监测和/或控制一个或多个生物反应器的***的方框图；

图2显示用于检测pH测量装置校准偏差或pH测量偏移效应的方法的流程图；

图3显示生物反应器的组件；

图4显示图解生物反应器的排气中的CO2浓度对pH值的依赖性的图；

图5显示用于获得培养基特异性pH-CO2浓度关系的曲线图；

图6显示在各生物反应器中生长细胞培养物的同时由各自的pH计测得的四个不同生物反应器的pH值；

图7显示在这四个生物反应器的每一个的排气中测得的CO2分数；

图8a是显示两个生物反应器和参考生物反应器的CO2排气导出的状态分布图的图；

图8b是显示图8a的两个生物反应器与所述参考生物反应器的状态分布图差异的图，

图9是图解取样过程导致在样品中测得的pH值与罐中的pH值的偏差并且pH测量装置校准方式也对测得的pH值具有影响的曲线图。

详述

图1显示用于监测和/或控制一个或多个生物反应器的包含控制单元132的***100的方框图。***100包含用于比较经由接口128从两个或更多个生物反应器接收的测得pH值和CO2浓度的比较单元130。下面参考如图2的流程图中所示的鉴别校准差异和pH测量取样偏移效应的相应方法描述本发明的实施方案。

图1显示能够实时和精确比较由两个或更多个生物反应器的pH测量装置测得的pH值和由各自的生物反应器的排气分析仪测得的CO2浓度以即时鉴别两个比较的生物反应器中的校准差异和偏移效应不必提取生物反应器之一的培养基样品并且不需要使用具有已知pH值的“标准”溶液测定校准误差或偏移效应的***100。

***100包含处理器110、主存储器112和非暂时性存储介质114。该存储介质包含计算机可读指令，其在通过处理器110执行时使该处理器执行如对本发明的实施方案描述的自动监测和/或控制一个或多个生物反应器102、104、106的方法。

存储介质114包含至少一个数据结构136，例如文件或数据库记录，其指示任一生物反应器102、104、106中所含的培养基M1特有的pH-CO2浓度关系。

此外，该存储介质可包含其它细胞培养基M2的培养基特异性关系138。可经数据通信接口120，例如网络接口、USB端口、CDROM驱动器等接收培养基特异性关系136、138。

***100可进一步包含用于从一个或多个监测和/或控制的生物反应器102、104、106动态接收当前测量值的接口126。接口126也可以是网络接口，例如互联网，或内联网。该测量值特别是当前pH值和在各自生物反应器的排气中测得的当前CO2浓度。比较单元130使用从监测和/或控制的生物反应器102、104、106接收的测量值测定各自的pH测量装置是否以相同方式校准并且没有阻碍从不同生物反应器接收的测得pH值的正确比较的偏移效应。任选地，比较单元130也使用培养基M1的培养基特异性关系136作为输入以测定pH测量装置是否输出正确的绝对pH值。

通过向第一生物反应器填充无细胞培养基M1并通过开始连续加入气体，例如通过将环境空气和/或其独立组分(N2、O2和/或CO2)传送至生物反应器和任选也通过开始连续加入液体(无细胞培养基、任选附加液体，如进料等)而启动第一生物反应器104。此外，可以启动搅拌器。第一生物反应器由此在与用于启动第二生物反应器的温度和压力相同的温度和压力下运行。

在一定时间(通常数分钟或数小时)后，第一生物反应器中的培养基和在第一生物反应器中在该培养基上方的空气体积已达到pH-CO2平衡状态并在第一生物反应器的培养基和排气中测量第一pH和CO2浓度值。为了将第一生物反应器中的培养基设定至特定pH值，可以相应地改变第一生物反应器的CO2流入速率，因为气体体积中的CO2浓度对培养基的pH值具有影响。

在第二步骤202中，比较单元130接收第二CO2浓度CO2-R-M-ti和第二pH值pH_R-M-ti。第二CO2浓度是第二生物反应器102中的培养基上方的第二气体体积的CO2浓度。第二CO2浓度和第二pH值在第二时间ti测量。第二时间是第二生物反应器中的培养基在预定温度和压力(例如20℃和标准大气压)下与第二气体体积处于pH-CO2平衡状态时和通过第二生物反应器中的细胞培养物的代谢改变所述平衡状态之前的时间。例如，第二时间ti是用细胞培养物接种生物反应器102之前的时间或接种后不久以使细胞代谢尚未影响生物反应器102中的pH-CO2平衡的时间。第二pH值是由有效耦合至第二生物反应器102的第二离线或在线pH测量装置142提供的测量值。在所描绘的实例中，第二pH测量装置是浸在第二生物反应器102的培养基M1中的在线pH计。

在下一步骤204中，比较单元接收第一CO2浓度CO2_B1-M-ti和第一pH值pH_B1-M-ti。第一CO2浓度是第一生物反应器中的培养基上方的第一气体体积的CO2浓度，其可以例如在第一生物反应器104的排气中测量。第一CO2浓度和第一pH值在第一时间测量。第一时间是第一生物反应器中的培养基104在预定温度和压力下与第一气体体积处于pH-CO2平衡状态时和通过第一生物反应器中的细胞培养物的代谢改变所述平衡状态之前的时间。

例如，CO2分析装置122，也称作“二氧化碳传感器”可用于反复测量排气中的CO2浓度。CO2传感器的常见实例是红外气体传感器(NDIR)和化学气体传感器。NDIR传感器是通过其特征吸收检测气体环境中的CO2的光谱传感器。或者，CO2传感器可以是微机电传感器。

第一pH值是由有效耦合至第一生物反应器104的第一pH测量装置108提供的测量值。第二和第一生物反应器中的培养基相同。

在一些实施方案中，第二生物反应器102，也称作“参考生物反应器”用于在接种第一生物反应器104以在与参考生物反应器中基本相同的条件下生长细胞培养物之前数天、数周或甚至数年生长细胞培养物。在这种情况下，第二和第一时间可能分开数年，但分别代表启动各自的生物反应器并且(还)不包含对pH-CO2平衡具有影响的细胞培养物的时间。在这种情况下，在测量第一pH值和第一CO2浓度之前测量第二pH值和第二CO2浓度。在另一些实施方案中，第二和第一生物反应器并行运行并且可以大致同时测量和通过比较单元接收第二和第一pH和CO2值。

在步骤206中，比较单元比较第二和第一pH值和CO2浓度以测定第二和第一pH测量装置是否不同地校准。

该比较单元在下列情况下测定第二和第一pH测量装置不同地校准或至少一个所述装置受偏移效应(由取样程序造成)影响：

-第二和第一CO2浓度相等且第二和第一pH值彼此相差大于阈值；或

-第二和第一pH值相等且第二和第一CO2浓度彼此相差大于另一阈值

在第二和第一pH测量装置都是在线测量装置的情况下，不存在由取样过程造成的任何偏移效应。在这种情况下，该比较单元测定在第二和第一pH测量装置之间存在校准差异并可能在显示器134上输出警告信息和/或第二和第一pH值的delta。该显示器可以是例如计算机监视器或智能***视器。因此，操作员可以阻止第一生物反应器的接种并进行第一pH测量装置的再校准或更换。调节器(moderator)或比较单元也可以再配置第一pH测量装置以使其输出与第二pH值相等的第一生物反应器中的培养基(测定其(排)气相中的平衡CO2浓度等于第二生物反应器的(排)气相中的平衡CO2浓度)的值。在一些实施方案中，控制单元132控制一个或多个生物反应器102、104、106的一个或多个参数以使第一生物反应器中的细胞的环境条件与第二(参考)生物反应器中的细胞的环境条件的差异最小化。该控制单元可以是例如有效耦合至比较单元130以接收比较结果的软件和/或硬件模块。该控制单元能够控制一个或多个工程过程和参数的配置和操作。例如，控制单元132可切实提高或降低对pH值具有影响的液体流入量，例如可提高或降低柠檬酸或1M NaOH溶液的流入量和/或可提高或降低CO2气体流入量以改变生物反应器的培养基中的pH值。

培养基M1可以是例如Kaighn's Modification of Ham's F-12_Medium，其包含例如腐胺、胸腺嘧啶、次黄嘌呤、锌和更高含量的所有氨基酸和丙酮酸钠。这些添加剂能为培养基补充极低量的用于一些细胞类型的血清或指定组分。Ham's F-12K(Kaighn's)Medium不含蛋白质或生长因子，因此通常补充可为特定细胞系优化的生长因子和胎牛血清(FBS)。Ham's F-12K(Kaighn's)Medium使用碳酸氢钠缓冲体系(2.5g/L)。培养基M2可以是LB培养基，并且可能存在例如用于为各种目的和相应“项目”培养细菌或植物的多种其它培养基M3、M4的参考分布图。

***100包含比较单元和要通过有效耦合至所述一个或多个生物反应器的控制单元132监测和/或控制的一个或多个生物反应器104、106。从图1中可以推断，监测或控制的生物反应器的尺寸和工程参数(搅拌速率和配置、气泡尺寸、尺寸、培养基体积等)可能彼此不同和/或可能不同于参考生物反应器的各自参数。生物反应器102、104、106可位于不同地理区。一个或多个生物反应器将监测数据(当前pH和排气中的CO2浓度和/或CO2排气速率)传送至比较单元130和/或控制单元132和任选也从控制单元132接收控制数据或从比较单元接收用于再配置、再校准或更换pH测量装置的控制数据。参考生物反应器可以但不必耦合至***100。比较单元130在启动第一生物反应器(或任何附加生物反应器106，其pH测量装置应该以与第二pH测量装置相同的方式校准并且应该相对于由第二pH测量装置142测得的pH值没有任何偏移效应)时可获得从参考生物反应器收集的第二pH和CO2浓度值就足够了。第二生物反应器和各第一生物反应器104、106包含相同培养基M1并用相同类型的细胞培养物接种。

优选地，监测和/或控制的生物反应器104、106至少在初始化时间点在与参考生物反应器相同的温度和压力下运行。但是，在运行生物反应器104、106的同时，有可能改变温度和/或压力以使与参考生物反应器中的细胞培养物状态的状态差异最小化。

图3显示生物反应器102、104、106的一个实施方案。该生物反应器耦合至用于将新鲜培养基和任选一种或多种附加液体传送到生物反应器中的第二管道或软管。该生物反应器另外耦合至流出物(outflow)和耦合至一个或多个用于将气体，例如环境空气和/或N2气体和/或O2气体和/或CO2气体传送到生物反应器中的第一管道或软管。此外，该生物反应器耦合至第三排气管道或软管。第一管道或软管可包含用于测定当前总气体流入速率的传感器144。第三管道或软管可包含传感器122，例如CO2排气分析仪，以选择性测量排气CO2浓度和每单位时间经第三管道传送的CO2气体量。根据另一些实施方案，可能没有液体流入和流出管道并可借助进料溶液的逐步注射(bolus)添加将营养素供入生物反应器。

在许多生物反应器类型中，经由一个或多个浸没式进气口将流入气体供入(作为气体混合物或经由分开的开口)生物反应器。在该生物反应器包含附加顶空曝气的情况下，必须配置所述“顶空”流入气体分数的流入速率和/或培养基上方的气相的空气循环以使经由顶空曝气供入生物反应器的所有气体在离开生物反应器之前达到与生物反应器的培养基的pH-CO2平衡。在顶空曝气是生物反应器的唯一曝气机制的情况下，必须配置所述“顶空”流入气体分数的流入速率以使供入生物反应器的所有气体在离开生物反应器之前达到与生物反应器的培养基的pH-CO2平衡。

或者(例如在无法及时达到顶空曝气气体与培养基的pH-CO2平衡的情况下)，在测量排气中的CO2浓度以进行pH测量装置校准或偏移检测之前切断该附加顶空曝气。这可避免由与生物反应器气相中的平衡CO2浓度的偏差(其由该附加顶空曝气造成)造成的校准误差。

在第二生物反应器的初始化阶段的过程中不仅将新鲜培养基还将附加液体，如进料溶液和/或酸性或碱性液体添加到第二生物反应器中的情况下，在初始化过程中将相同量或组成的所述附加液体添加到第一生物反应器中以确保在第二和第一时间，第二和第一生物反应器中的培养基(包括所有附加液体和物体)相同。

图4显示图A、B、C和D，其图解四个不同生物反应器I-IV的排气中的CO2浓度对pH值的依赖性和所述CO2浓度对各自生物反应器的工程参数和尺寸参数的独立性。

四个不同生物反应器具有下列工程性质：

向各所述生物反应器I-IV填充不含任何细胞的特定细胞培养基M1。所述培养基的原始pH值为6.85(见图B)。然后，在各生物反应器中通过降低各自生物反应器中的所述培养基上方的气体体积中的CO2浓度提高pH值。在该试验开始时和对于各组预定pH值，使各生物反应器中的培养基达到在预定温度和压力，例如20℃和标准大气压下与培养基上方的气体体积的pH-CO2平衡。在达到所述平衡后，测定所述四个生物反应器的每一个的总排气的以Vol.％计的CO2浓度(也称作“CO2气体分数”、“CO2[％]”或“FCO2”)(见图A，其与图B一起显示pH值对测得的排气中的CO2浓度的影响)。图4C)以条形图形式显示pH值对这四个生物反应器的每一个的测得CO2浓度的影响。对这四个生物反应器的每一个获得的CO2[％]的最大偏差小于生物反应器的总排气的0.4％。

图4D)是包含在这四个生物反应器I-IV的每一个中在各一组pH值的每一个(6.85、6.95、7.05、7.15、7.25、7.35)下在所述生物反应器的培养基M1达到pH-CO2平衡状态时测得的CO2[％]值的曲线图。

应该指出，可通过进入和/或离开生物反应器的CO2气体速率挑战生物反应器中的pH-CO2平衡，因此该pH-CO2平衡可实际上是动态平衡。但是，可以以在特定pH值下建立动态pH-CO2平衡的方式控制生物反应器，例如通过改变生物反应器中的总CO2流入速率而降低或提高生物反应器中的培养基上方的气体体积中的CO2浓度。或者，可以通过添加酸性或碱性物质或液体改变pH值。

优选在生物反应器在特定pH值下仅通过以达到所述pH值的方式控制CO2流入速率和总气体流出速率而建立动态pH-CO2平衡状态。使用CO2浓度建立pH-CO2平衡而非添加碱性或酸性物质的优点在于不改变培养基的组成(除溶解的CO2及其离解产物的浓度外)并因此由在不同pH值下的相同培养基凭经验推导出培养基特异性关系。

然后，将曲线502拟合到该曲线图中以凭经验确定用于这四个生物反应器中所含的培养基M1特有的关系316的参数。这种方法能够凭经验确定，对于特定细胞培养基，用作通过比较单元用于预测当所述培养基具有特定压力和温度(例如20℃和标准大气压)、不含任何细胞并与气相处于pH-CO2平衡时在测得的CO2排气浓度下培养基的绝对pH值的输入值的培养基特异性关系136。所得关系不依赖于生物反应器规模、曝气速率和其它工程参数。

对于特定培养基M1仅确定培养基特异性关系一次。该确定可以在单个生物反应器中，例如在用细胞培养物接种第二生物反应器之前的第二生物反应器102中进行。为了提高精确度，也可以在多个生物反应器或允许测量pH值和CO2气体分数(CO2浓度)的其它容器中进行该确定，然后使用在多个生物反应器或容器中获得的信息获得更精确的拟合曲线502。在图4D和5中描绘的实例中，使用四个不同生物反应器凭经验确定拟合曲线502和在平衡pH值和平衡CO2浓度之间的相应培养基特异性关系。

用具有400L、100L、2L和2L的体积并包含相同类型培养基的四个生物反应器进行另一类似试验(未显示)。该生物反应器包含不同类型的pH测量装置(例如Knick和Mettler探针)、包含不同控制器装置配置(Siemens S7 vs.Sartorius DCU)和相同类型的不同排气分析仪(Dasgip/Eppendorf GA4)。pH测量装置在浸没在它们各自的生物反应器的培养基中之前分别使用传统校准缓冲液在两种已知pH点(4和7)下校准。在下一步骤中，这四个pH测量装置各自使用第五个预校准的pH测量装置再校准，将其相继***这四个比较的生物反应器的培养基中。将所有四个pH测量装置再校准到第五pH测量装置的值。在该再校准后，测量所有四个生物反应器的排气中的CO2浓度(“FCO2”值)。四个所得FCO2测量值显示大约0.75％的所有四个值的最大值与所有四个值的最小值的差值(“delta”)。

然后，将这四个生物反应器的控制器偏差最小化以在所有四个生物反应器中建立可比较的实际pH值。在该最小化后，测量所有四个生物反应器的排气中的CO2浓度(“FCO2”或“CO2[％])。四个所得FCO2测量值显示大约0.27％的所有四个值的最大值与所有四个值的最小值的差值(“delta”)。结果证实其培养基处于pH-CO2平衡状态的生物反应器在相同pH值下具有相同CO2浓度，不依赖于培养基体积、总体积、曝气速率和取决于曝气速率的参数、搅拌器速度和取决于搅拌器速度的参数和取决于规模、生物反应器尺寸等的其它参数。

因此在所述平衡状态下，在0.27％的可变性下，在这一试验情形中可检测到小于0.02pH标度单位的pH偏差。因此，提供用于校准pH测量装置的非常精确的方法。

图5是图4D)中的图的转换形式。培养基M1的培养基特异性关系136是通过数学拟合pH值和所述培养基上方的气相中的各自CO2浓度的多个凭经验确定的对(pairs)获得的方程PPH(pH)＝REL-M1(CO2)，该气相中的CO2浓度根据Henderson-Hasselbalch方程与所述培养基处于pH-CO2平衡。

通过将线性或多项式曲线拟合到图5的曲线图中而凭经验导出的方程能够预测在所述培养基上方的气体体积与所述培养基处于pH-CO2平衡状态并具有特定CO2浓度的情况下培养基在预定温度和预定压力下的pH值。该预测是专门针对培养基M1(凭经验获得其关系)的。

“CO2”参数是所述方程的输入参数，其用于输入在与生物反应器的培养基处于pH-CO2平衡状态的气相中测得的CO2浓度。

“REL-M1”是通过运算符(operators)连接的一个或多个参数a1、a2、b1、b2、b3的集合。这些参数如下获得：通过将不含细胞培养物的培养基M1的样品调节至如上所述的多个不同的pH值，由此使该样品达到在预定压力和温度下的pH-CO2平衡、通过测定与样品中的培养基接触的各自气体体积中的平衡CO2浓度、通过对照样品的各自平衡pH值绘制测得的平衡CO2浓度以生成图5中描绘的曲线图、在绘制值中拟合曲线502和由拟合曲线推导参数a1、a2或b1、b2、b3。

根据一些实施方案，方程PPH_M1(CO2)＝REL-M1(CO2)是根据PPH_M1(CO2)[％]＝a1 xCO2[％]+a2的线性方程。在这种情况下，参数a1和a2是由该拟合曲线推导出的参数。在所示实例中，线性拟合产生下列方程：

PPH_M1(CO2)＝-0,046 x CO2[％]+7.45。在这一实例中，a1＝-0,046且a2＝7.45。

根据另一些实施方案，方程PPH_M1(CO2)＝REL-M1(CO2)是根据PPH_M1(CO2)＝b1 xCO2[％]²+b2 x CO2[％]+b3的多项式方程。

使用多项式拟合的优点在于其比线性拟合更精确，尽管线性拟合对仅使用培养基特异性关系136和例如在生物反应器的排气中测得的CO2浓度CO2_R-M-ti作为输入计算绝对pH值而言已足够精确。

图6显示对于特定细胞培养项目在四个不同生物反应器I-IV中在特定培养基M1中生长细胞培养物多日的同时测得的pH值变化。优选地，各pH值使用浸在生物反应器的培养基M1中的pH测量装置，例如电位pH计在所述培养基的pH-CO2平衡下测量。在各生物反应器中，在接种之前和之后和在整个项目过程中反复测量至少当前pH值和排气中的当前CO2浓度。

例如，该项目可以是在最佳或接近最佳细胞生长条件下在细胞培养基M1中经14天生长CHO细胞(中国仓鼠卵巢细胞)直至达到大约100x 10⁵个细胞/毫升的细胞密度。

图7显示在这四个生物反应器(它们的pH值分布图显示在图6中)的每一个的排气中测得的CO2分数(“CO2浓度”)。在特定时刻对特定生物反应器测得的pH值和CO2排气浓度彼此依赖，因为培养基上方的气体体积中的CO2浓度根据Henderson-Hasselbalch方程影响pH值。此外，细胞代谢可能影响pH值(经由分泌的代谢物，如乳酸盐)和气相中的CO2浓度(经由底物的需氧降解)。

在生物反应器之一中，例如在参考生物反应器102中生长细胞的同时，可以反复测定参考生物反应器102中的当前pH值和当前CO2排气浓度并由至少所述两个输入参数值计算导数参数值并用作指示参考生物反应器中的细胞培养物的当前状态的参数。生成所述导数参数值的分布图。分布图是所述参数值的变化vs时间的图示。

图8a是显示参考生物反应器102的参考状态分布图402、第一监测和/或控制的生物反应器104的状态分布图802和第一监测和/或控制的生物反应器106的另一状态分布图804的图。各状态分布图指示生物反应器及其细胞培养物的状态，由此作为至少当前测得pH值和生物反应器的排气中的当前测得CO2浓度的导数计算在特定时间ti的状态。所有生物反应器R、B1和B2包含相同培养基M1，在相同温度和压力下运行并在时间t0与各自的气体体积处于pH-平衡状态。时间t0代表临用细胞培养物接种各生物反应器前的时刻。

在时刻t0，配置并运行参考生物反应器R(也称作“第二生物反应器”)、第一生物反应器B1和第三生物反应器B2以使它们在排气中具有相同的CO2浓度。各生物反应器R和B2的pH计可在时刻t0测得几乎相等的pH值。但是，生物反应器B1的pH测量装置可在t0测得与通过参考生物反应器的pH测量装置(未显示)测得不同的pH值。这三个生物反应器的pH测量装置可以是浸在各自生物反应器的培养基中的在线pH计。在这种情况下，比较单元可测定在第二/参考生物反应器R的pH计和第一生物反应器B2的pH计之间不存在校准差异，但在参考生物反应器R和生物反应器B1的pH计之间存在校准偏差。

在所描绘的实例中，监测的生物反应器106(“B2”)的状态分布图804在时间t0的分布值等于参考分布图402在时间t0的参考值。监测的生物反应器104(“B4”)的分布图802在时间t0的值明显不同于参考分布图402在时间t0的参考值。

或者，代替该分布值，可以比较如图7中所示的这两个生物反应器的排气的CO2浓度以测定这两个比较的生物反应器的pH测量装置是否相同地校准。启动这两个生物反应器并在相同压力和温度下填充相同无细胞培养基并在这两个生物反应器达到pH-CO2平衡时测量和比较这两个生物反应器中的培养基的当前pH值和当前CO2浓度。如果这两个生物反应器的排气中的CO2浓度相等而pH值不相等，或如果这两个生物反应器的pH值相等并且排气中的CO2浓度不相等，比较单元测定这两个生物反应器不同地校准。

错误校准的pH测量装置可能导致在基于已由pH值推导出(仅由pH值或除其它参数外)的细胞培养物分布图比较两种细胞培养物的细胞培养物状态时的不精确结果。因此，为使状态差异最小化而由控制器采取的任何措施也可能无法使状态差异最小化(这一效应没有显示在图8a和8b中，因为在生物反应器B2中生长细胞培养物的过程中，通过添加碱和提高总气体流入速率改变pH-CO2平衡；因此，尽管参考生物反应器和生物反应器B2的pH计以相同方式校准，B2的分布图明显不同于参考分布图)。

错误校准的pH计可能导致在基于各自的生物反应器的pH值或指示所述pH值的任何其它监测或控制参数比较两种细胞培养物的细胞培养物状态时的不精确结果。因此，为使pH差异最小化而由控制器采取的任何措施也可能失败或可能导致两个比较的生物反应器的状态偏差更大(这一效应没有显示在图8a和8b中，因为在生物反应器B2中生长细胞培养物的过程中，通过添加碱和提高总气体流入速率改变pH-CO2平衡；因此，尽管参考生物反应器和生物反应器B2的pH计以相同方式校准，B2的细胞培养物状态分布图明显不同于参考状态分布图)。

例如，用细胞培养物接种之前和之后生物反应器的状态分布图可作为PACO分布图计算。PACO值PACO_B1-ti、PACO_B2-ti指示在生物反应器中测得的CO2排气速率ACO_B1-M-ti、ACO_B2-M-ti与预测CO2排气速率ACO_B1-EXP-ti、ACO_B2-EXP-ti的偏差。该预测CO2排气速率是在不存在细胞培养物的情况下和在平衡状态下的培养基的pH值等于在测量生物反应器中的CO2排气速率时测得的生物反应器104、106的pH值的条件下生物反应器中的所述培养基在pH-CO2平衡状态下的排气速率。PACO值依赖于在培养细胞培养物时由生物反应器中的细胞培养物的细胞产生的CO2排气的量。PACO值PACO_B1-ti、PACO_B2-ti的计算使用下列作为输入：

ο接收的当前CO2排气速率ACO_B1-M-ti、ACO_B2-M-ti；

ο接收的当前pH值pH_B1-ti、pH_B2-ti；

ο在接收当前CO2排气速率的时间ti生物反应器的总气体流入速率TGI_B1、TGI_B2；和

ο培养基特异性关系136。

监测和/或控制的生物反应器在当前时间的PACO值的计算包括对于监测和/或控制的生物反应器的各接收的当前CO2排气速率和pH值，计算：

-根据：FCO2_B1-EXP-ti＝REL-M1(pH_B1-ti)的生物反应器104的当前排气体积的预期CO2排气分数FCO2_B1-EXP-ti，其中FCO2_B1-EXP-ti是在当前时间ti以％计的参考生物反应器104的总排气体积(TGO_B1)的预测CO2排气分数，使用接收的当前pH值pH_B1-ti作为用于REL-M1(pH_B1-ti)的输入值计算该预测，其中REL-M1是通过拟合如例如图4D中描绘的曲线图凭经验推导的培养基M1的培养基特异性关系。参数pH_B1-ti是在时间ti在生物反应器104、106的培养基中接收的当前pH值；因此，在生物反应器的培养基不含细胞培养物、具有用作培养基特异性关系的输入值的pH值并与生物反应器中在所述培养基上方的气相处于pH-CO2平衡状态并因此也与所述生物反应器的总排气体积平衡的假设下计算生物反应器中的预期CO2排气分数。

-根据：

的预期CO2排气速率ACO_B1-EXP-ti[mol/min]值，其中ACO_B1-EXP-ti值是当生物反应器的培养基具有当前测得的pH值并与所述培养基上方的气相处于pH-CO2平衡时生物反应器(104)的预期CO2排气速率，其中TGI_B1是生物反应器104在当前时间(ti)的气体流入总量；生物反应器的气体流入总量与气体流出总量大致相等；

-根据：PACO_B1-ti＝ACO_B1-EXP-ti-ACO_B1-M-ti的PACO_B1-ti值，其中ACO_B1-M-ti是在生物反应器104中在时间ti测得的CO2排气速率。

参考生物反应器102的参考PACO_B1-ti值可以相应地计算：PACO_R-ti＝ACO_R-EXP-ti-ACO_R-M-ti，其中ACO_R-M-ti是在生物反应器102中在时间ti测得的CO2排气速率。

根据一些实施方案，在接种细胞培养物后反复进行PACO值的上述比较以鉴别生物反应器104中的细胞培养物与参考生物反应器102中的相应细胞培养物状态相比的状态偏差。

“PACO值”是一种数据值。“FCO2值”是一种数据值。“ACO值”是一种数据值。“FCO2”或“CO2[％]”，也称作“CO2浓度”，是气体体积中，例如生物反应器的排气中的“CO2气体分数”。

“分布图(profile)”是指示随时间经过的参数值变化的一组数据值或数学关系。参数值可以是例如PACO值、排气中的CO2浓度(“FCO2”)、CO2排气速率(“ACO值”)或获自生物反应器的pH值。

图8b是显示两个生物反应器104、106的细胞培养物状态分布图802、804与参考生物反应器102的参考分布图402的分布图差异的图。曲线810代表生物反应器104和参考生物反应器的分布图差异，且曲线808代表生物反应器106和参考生物反应器的分布图差异。生物反应器106与参考分布图402的分布图差异明显大于生物反应器104的差异，因为在B2中生长细胞培养物的同时，pH-CO2平衡改变。比较PACO分布图与参考PACO分布图能够鉴别两个比较的生物反应器中的细胞培养物状态偏差并自动、半自动或手动采取适当措施以使分布图差异最小化。已经观察到，pH测量装置之间的校准差异可能导致控制参数分布图，例如PACO分布图的显著差异。因此，在生物反应器初始化阶段中使用根据本发明的实施方案的校准方法可以显著提高在稍后时刻比较和同步生物反应器和细胞培养物状态的精确度。

图9描绘两个盒须图，其图解取样过程对测得的pH值具有影响。

在进行第一细胞培养项目P1的同时，用生物反应器内部pH计反复测量包含细胞培养物的生物反应器的培养基的pH值。将在多个时间点t1、t2、…、tn由生物反应器内部pH计测得的pH值与在所述各时间点t1、…、tn提取的培养基样品中由第二生物反应器外部pH计测得的pH值比较。因此，项目P1的盒须图所示的数据值分别代表在各时间t1、…、tn由生物反应器内部和生物反应器外部pH计测得的pH值之间的差值。因此，项目P1的盒须图描绘由取样过程生成的pH差值的变异性和分布(“pH偏移效应”)。该样品在32℃下回火以确保用于所有测量的恒定pH测量温度。

项目P1的生物反应器内部pH计根据现有技术状况的方法校准，即通过从生物反应器中取出生物反应器内部pH计、在生物反应器外用具有已知pH的参考溶液校准pH计、将校准的pH计再引入生物反应器并将该生物反应器高压灭菌。

此外，在项目P1中，将由生物反应器内部pH计测得的pH值反复与在生物反应器的培养基的样品中由生物反应器外部pH计测得的pH值比较。在该比较揭示这两个比较的pH值之间的差值(即“偏移”)高于给定阈值的情况下，再校准生物反应器内部pH计。在接种前，无论是否偏移，再校准生物反应器内部pH计(“焦点校准(focus calibration)”)。项目P1的pH偏移平均为大约“–0.01”，因此非常接近0。这不令人惊讶，因为使用由生物反应器外部pH计获得的pH测量值作为用于校准生物反应器内部pH计的基准，由此基本消除该偏移效应。但是，这种校准方法的缺点在于，生物反应器中的培养基的绝对“真实”pH值和偏移效应的强度仍然未知。变异性极高，所有数据点的仅50％在+/-0.05pH内，而所有偏移的多于25％大于0.07pH标度单位。

例如Heather Evans等人:“Dealing with Disparity in On-line and Off-linepH Measurements Genentech found pH drift in its on-line measurements for acell culture process,and continues to investigate its cause”在进行与对项目P1所述类似的pH测量和pH计校准试验时也观察到和证实在线和离线pH测量(通过生物反应器内部和生物反应器外部pH计进行)之间的差异。Heather Evans等人认为在+/-0.10pH单位的范围内控制pH的能力对确保在生产率和产品质量方面一致和鲁棒的工艺性能至关重要。

如对项目P1所述获得第二项目P2的盒须图。但是，代替根据现有技术状况的方法校准生物反应器内部pH计，根据本发明的一个实施方案使用对所用培养基和对当前温度和压力计算出的计算预期CO2排气速率通过以在生物反应器的排气中测得的CO2浓度作为输入校准生物反应器内部pH计。因此，使用如对本发明的实施方案描述的pH值和CO2排气速率之间的培养基特异性关系反复进行生物反应器内部pH计的校准(在填充培养基和建立pH-CO2平衡之后和在用细胞培养物接种之前，因为细胞代谢物会移动该平衡)。

在生物反应器外部和内部pH计之间观察到的pH偏移平均为大约+0.11，由此揭示偏移效应的强度大于0.1个pH单位高。如同P1，在32℃下取样并且所用pH计是玻璃电极。离线pH测量的变异性仍可比较，因为P1和P2中的取样程序和离线pH测量方法相同。

一起获得1070个数据值以生成图9中的项目P1、P2的两个盒须图(P1:N＝607和P2:N＝463)。在这两个项目中，都在指定温度下使用玻璃电极作为生物反应器内部和外部pH计。

由这两个曲线图可以推断，在项目P1、P2中测定的pH偏移的变异性类似。pH值偏移在这两种情况下都由取样过程造成。

但是，由图9也可以推断，项目P1的pH偏移的平均值与对P2获得的偏移的平均值相差几乎0,1个标度单位。这种“pH偏移平均值差异”由在项目P1和P2中用于校准生物反应器内部pH计的不同方法造成。通过改变取样方法，例如通过增加取样和实际进行样品中的pH测量之间的时间也会造成平均pH值的差异。

由图9也可以推断，可断定离线pH测量是pH变异性的根本原因。平均偏移的位移归因于由取样、样品保持时间、温度下降、取样和离线测量过程中的二氧化碳排气、以及所用离线测量方法的特定偏移增加的一般偏移。血气分析仪数据(未显示)提供不同偏移。其它离线pH测量方法(未显示)也提供不同偏移。

标号单

100 用于监测和/或控制生物反应器中的细胞培养物状态的***

102 第一(“参考”)生物反应器

104 第二生物反应器B1

106 附加生物反应器B2

108 pH测量装置

110 处理器

112 存储器

114 存储介质

120 用于接收一个或多个培养基特异性关系的接口

122 CO2排气分析仪

124 CO2排气分析仪

126 CO2排气分析仪

128 用于接收来自两个或更多个生物反应器的测量参数的接口

130 比较单元

132 控制单元

134 显示器

136 培养基M1的培养基特异性关系

138 培养基M2的培养基特异性关系

140 总气体流入量的传感器

142 pH测量装置

144 总气体流入量的传感器

146 pH测量装置

202-206 步骤

402 参考生物反应器102的状态分布图

502 对四个生物反应器绘制的培养基特异性关系

802 生物反应器的状态分布图

804 生物反应器的状态分布图

808 与参考分布图的状态分布图差异

810 与参考分布图的状态分布图差异

M1 细胞培养基

TGI_B1 生物反应器B1的总气体流入量

TGI_B2 生物反应器B2的总气体流入量

TGI_R 参考生物反应器的总气体流入量

TGO_B1 生物反应器B1的总排气

TGO_B2 生物反应器B2的总排气

TGO_R 参考生物反应器的总排气

TLI_B1 生物反应器B1的总液体流入量

TLI_B2 生物反应器B2的总液体流入量

TLI_R 参考生物反应器的总液体流入量

TLO_B1 生物反应器B1的总(液体)流出量

TLO_B2 生物反应器B2的总(液体)流出量

TLO_R 参考生物反应器的总(液体)流出量

Claims (27)

1.一种测定有效耦合至第一罐(104；106)的第一pH测量装置(108；146)是否受pH测量问题影响的方法，所述问题在于第一pH测量装置与有效耦合至第二罐(102)的第二pH测量装置(142)不同地校准，所述方法包含：

-通过比较单元(130)接收(202)第一CO₂浓度和第一pH值，第一CO₂浓度是第一罐中的培养基(M1)上方的第一气体体积的CO₂浓度，第一CO₂浓度和第一pH值在第一时间测量，第一时间是第一罐中的培养基在预定温度和压力下与第一气体体积处于pH-CO₂平衡状态时的时间，所述平衡状态不受任何细胞培养物的代谢影响，第一pH值是由第一pH测量装置(108；146)提供的测量值；

-通过比较单元(130)接收(202)第二CO₂浓度和第二pH值，第二CO₂浓度是第二罐中所含的相同类型的培养基(M1)上方的第二气体体积的CO₂浓度，第二CO₂浓度和第二pH值在第二时间测量，第二时间是第二罐中的培养基在预定温度和压力下与第二气体体积处于pH-CO₂平衡状态时的时间，所述平衡状态不受任何细胞培养物的代谢影响，第二pH值是由第二pH测量装置(142)提供的测量值；

-通过比较单元比较(206)第一和第二pH值和比较第一和第二CO₂浓度以测定第一pH测量装置是否受pH测量问题影响。

2.根据权利要求1的方法，在下列情况下测定第一pH测量装置具有pH测量问题：

-第一和第二CO₂浓度相等且第一和第二pH值彼此相差大于阈值；或

-第一和第二pH值相等且第一和第二CO₂浓度彼此相差大于另一阈值；或

-第一数据值与第二数据值相差大于另一阈值，第一数据值由第一pH值和第一CO₂浓度导出，第二数据值由第二pH值和第二CO₂浓度导出。

3.根据权利要求1的方法，

-第一罐是生物反应器或收获罐和/或

-第二罐是生物反应器或收获罐。

4.根据权利要求2的方法，

-第一罐是生物反应器或收获罐和/或

-第二罐是生物反应器或收获罐。

5.根据权利要求3的方法，第二罐是参考生物反应器或参考收获罐。

6.根据权利要求4的方法，第二罐是参考生物反应器或参考收获罐。

7.一种测定有效耦合至第一罐(104；106)的第一pH测量装置(108；146)是否受pH测量问题影响的方法，所述问题在于第一pH测量装置错误校准，所述方法包含：

-通过比较单元(130)接收(202)第一CO₂浓度和第一pH值，第一CO₂浓度是第一罐中的培养基(M1)上方的第一气体体积的CO₂浓度，第一CO₂浓度和第一pH值在第一时间测量，第一时间是第一罐中的培养基在预定温度和压力下与第一气体体积处于pH-CO₂平衡状态时的时间，所述平衡状态不受任何细胞培养物的代谢影响，第一pH值是由第一pH测量装置(108；146)提供的测量值；

-通过比较单元计算(204)作为第一CO₂浓度的函数的第二pH值，第二pH值是在所述培养基在预定温度和压力下与所述培养基(M1)上方的第二气体体积处于pH-CO₂平衡状态时对所述培养基(M1)预测的pH值，在所述平衡下的第二气体体积具有与第一CO₂浓度相等的第二CO₂浓度，所述平衡状态不受任何细胞培养物的代谢影响；

-通过比较单元比较(206)第一和第二pH值以测定第一pH测量装置是否受pH测量问题影响。

8.根据权利要求7的方法，第二pH值的计算包括：

-通过比较单元(130)从数据存储介质(114)读取培养基特异性关系(136)，所述培养基特异性关系是培养基(M1)特有的并指示当所述培养基与所述气体体积处于pH-CO₂平衡状态并且不含细胞培养物时培养基(M1)的pH值和气体体积中的各自CO₂气体分数之间的关系；

-将第一CO₂浓度输入所述培养基特异性关系以计算在预定温度和压力下和在不存在细胞培养物的情况下对处于pH-CO₂平衡的培养基预期的绝对pH值，使用所述绝对pH值作为计算的第二pH值。

9.根据权利要求8的方法，所述培养基特异性关系是通过数学拟合培养基(M1)的pH值和在气体体积中各自测得的CO₂气体分数的多个凭经验确定的对获得的方程PPH_M1(CO₂)＝REL-M1(CO₂)，其中：

-PPH_M1(CO₂)是当所述培养基不含细胞培养物并与所述培养基上方的气体体积处于pH-CO₂平衡时培养基(M1)中的预测pH值，所述气体体积包含用作输入参数的CO₂浓度；

-CO₂是输入参数值并代表在不存在细胞培养物的情况下处于pH-CO₂平衡状态的培养基(M1)上方的气体体积中的CO₂浓度；

-其中REL-M1是通过运算符连接的一个或多个参数(a1、a2、b1、b2、b3)的集合，所述参数如下获得：

■将不含细胞培养物的培养基(M1)的样品调节至多个不同的pH值，由此使所述样品达到与各自样品中的培养基上方的气体体积的pH-CO₂平衡，

■测定与样品中的培养基处于pH-CO₂平衡下的各自气体体积中的CO₂气体分数，

■对照样品的各自平衡pH值绘制测定的CO₂气体分数，

■在绘制值中拟合曲线(502)和由拟合曲线推导培养基特异性关系的参数(a1、a2或b1、b2、b3)。

10.根据权利要求7的方法，在下列情况下测定第一pH测量装置具有pH测量问题：

-第一和第二pH值彼此相差大于阈值；或

-第一数据值与第二数据值相差大于另一阈值，第一数据值由第一pH值导出，第二数据值由第二pH值导出。

11.根据权利要求7的方法，第一罐是生物反应器或收获罐或校准盒。

12.根据权利要求10的方法，第一罐是生物反应器或收获罐或校准盒。

13.一种校准或再校准第一pH测量装置(108；146)的方法，其包括：

a)进行根据权利要求1-6任一项的测定第一pH测量装置受pH测量问题影响的方法；和校准第一pH测量装置以使其在第一和第二CO₂浓度相等的情况下输出与第二pH测量装置相同的pH值；或

b)进行根据权利要求7-12任一项的测定第一pH测量装置受pH测量问题影响的方法；和校准第一pH测量装置以使其输出与作为第一CO₂浓度的函数计算出的pH值相同的pH值。

14.一种运行包含第一pH测量装置(108；146)的罐的方法，第一pH测量装置是在线测量装置，所述方法包含：

-在罐中生长细胞培养物，所述罐包含生长培养基，由此通过第一pH测量装置反复测量生长培养基中的pH；

-用其在平衡下的pH和CO₂之间的关系已知的培养基(M1)替换罐中的生长培养基和包含在其中的细胞培养物；

-在已替换生长培养基后，进行根据权利要求7-12任一项的测定第一pH测量装置是否受pH测量问题影响的方法；

-如果检测到pH测量问题，校准第一pH测量装置以使其输出与作为培养基(M1)的第一CO₂浓度的函数计算出的pH值相同的pH值；

-在已校准第一pH测量装置后，用生长培养基替换罐中的培养基。

15.一种测定由从第一罐中提取培养基样品造成的pH偏移效应的方法，所述方法包括提供罐外离线pH测量装置(160)和提供第一罐(104、106)，第一罐包含第一pH测量装置(108、146)，第一pH测量装置是位于第一罐内的在线pH测量装置并至少部分被第一罐中的培养基(M1)包围，所述方法进一步包含：

-进行根据权利要求13b)的校准第一pH测量装置的方法；

-将罐外离线pH测量装置(160)转移到包含与第一罐相同类型的培养基(M1)的校准盒中；和使用所述校准盒作为包含要校准的pH测量装置的罐进行根据权利要求13b)的方法，由此使用所述校准盒作为容器，其CO₂排气传感器用于测量第一CO₂浓度并使用与用于校准第一pH测量装置相同的函数计算第二pH值；

-在已校准第一pH测量装置(108、146)和罐外离线pH测量装置(160)后：

■通过第一pH测量装置测量第一罐中的培养基的第一当前pH值，第一当前pH值是在线测量值；

■提取第一罐的培养基的样品并将所述样品填充到便携式容器(162)中；

■安置罐外离线pH测量装置(160)以使其至少部分被样品容器中的培养基包围；

■通过罐外离线pH测量装置(160)测量样品容器中的培养基的第二当前pH值，第二当前pH值是离线测量值；

■在第一和第二当前pH值相差大于阈值的情况下，测定所述取样过程造成pH偏移效应，和任选作为第一和第二当前pH值的差值测定所述偏移效应的强度。

16.根据权利要求1-15任一项的方法，其进一步包括：

-接收(202)第三CO₂浓度和第三pH值，第三CO₂浓度是第一罐中的培养基上方的第三气体体积的CO₂浓度，第三CO₂浓度和第三pH值在第三时间测量，第三时间是第一罐中的培养基在预定温度和压力下与第三气体体积处于pH-CO₂平衡状态时和通过第一罐中的细胞培养物的代谢改变所述平衡状态之后的时间，第三pH值是由第一pH测量装置(108、146)提供的测量值；

-接收(204)第四CO₂浓度和第四pH值，第四CO₂浓度是第二罐中的培养基上方的第四气体体积的CO₂浓度，第四CO₂浓度和第四pH值在第四时间测量，第四时间是第二罐中的培养基在预定温度和压力下与第二气体体积处于pH-CO₂平衡状态时和通过第二罐中的细胞培养物的代谢改变所述平衡状态之后的时间，第四pH值是由第二pH测量装置(142)提供的测量值，在第三时间和第一罐接种之间经过的时间等于在第四时间和第二罐接种之间经过的时间；

-接收第一罐中的细胞培养物在第三时间测得的第一摄氧速率；

-接收第二罐中的细胞培养物在第四时间测得的第二摄氧速率；

-在第一和第二摄氧速率相等的情况下，比较(206)第三和第四pH值和CO₂浓度以测定第一和第二pH测量装置是否不同地校准。

17.根据权利要求1-15任一项的方法，第一pH测量装置至少部分被第一罐内的培养基包围，其中：

-第一罐不含用于手动或自动提取第二罐中的培养基的样品的工具；或

-第一罐包含用于手动或自动提取第一罐中的培养基的样品的工具，所述方法进一步包括：在第一罐中填充培养基之后和将细胞培养物添加到第一罐中的培养基中之前的时间间隔期间，使取样工具的所有开口保持关闭。

18.根据权利要求1-15任一项的方法，第二pH测量装置至少部分被第二罐内的培养基包围，其中：

-第二罐不含用于手动或自动提取第二罐中的培养基的样品的工具；或

-第二罐包含用于手动或自动提取第二罐中的培养基的样品的工具，所述方法进一步包括：在第二罐中填充培养基之后和将细胞培养物添加到第二罐中的培养基中之前的时间间隔期间，使取样工具的所有开口保持关闭。

19.根据前述权利要求1-6、15任一项的方法，所述方法用于测定第二pH测量装置是否与第一pH测量装置不同地校准，在第二pH测量装置至少部分被第二罐中的培养基包围并且不提取第二罐的培养基的样品进行所述测定的同时测定第一和第二pH测量装置是否不同地校准。

20.根据前述权利要求1-6、15任一项的方法，通过使用第一和第二CO₂浓度和第一和第二pH值作为用于所述测定的仅有数据输入测定第一pH测量装置是否受pH测量问题影响。

21.根据权利要求1-15任一项的方法，所述方法进一步包括：

-用用于测量第一pH值的第一pH测量装置进行在线测量，第一pH测量装置至少部分被第一罐中的培养基包围；和/或

-通过用于提供第一CO₂浓度的在第一罐的排气中的第一CO₂传感器(124、126)进行在线测量。

22.根据前述权利要求1-6、15任一项的方法，其进一步包括：

-用用于测量第二pH值的第二pH测量装置进行在线测量，第二pH 测量装置至少部分被第二罐中的培养基包围；和/或

-通过用于提供第二CO₂浓度的在第二罐的排气中的第二CO₂传感器(122)进行在线测量。

23.根据权利要求1-15任一项的方法，所述方法包括，在测定第一pH测量装置受pH测量问题影响的情况下，通过比较单元执行一个或多个下列步骤：

-输出警告信息；

-自动执行或引发执行第一pH测量装置的再校准；

-自动执行或引发执行第一pH测量装置被新的第一pH测量装置的替换。

24.根据前述权利要求1-6、15任一项的方法，第一罐(104、106)与第二罐(102)的区别在于一个或多个下列特征：

a)罐中的气体体积，

b)罐中的培养基体积，

c)罐的雷诺数，

d)罐的牛顿数，

e)罐的尺寸，

f)罐和/或罐挡板的几何特征，

g)搅拌器配置，

h)搅拌速率，

i)罐的氧气体积传质系数(kLa)，

j)总气体流入速率和/或O₂流入速率和/或N₂流入速率和/或CO₂流入速率，

k)功率输入，

l)罐中的压力，

m)培养基中的气泡保持时间，

n)培养基中的气泡尺寸和分布，

o)表面速度，

p)作为一个或多个参数a)-o)的导数计算的参数；

q)两个罐的地理位置。

25.比较单元(130)，其配置成：

-接收(202)第一CO₂浓度和第一pH值，第一CO₂浓度是第一罐中的培养基(M1)上方的第一气体体积的CO₂浓度，第一CO₂浓度和第一pH值在第一时间测量，第一时间是第一罐中的培养基在预定温度和压力下与第一气体体积处于pH-CO₂平衡状态时的时间，所述平衡状态不受任何细胞培养物的代谢影响，第一pH值是由第一pH测量装置(108；146)提供的测量值；

-接收(202)第二CO₂浓度和第二pH值，第二CO₂浓度是第二罐中所含的相同类型的培养基(M1)上方的第二气体体积的CO₂浓度，第二CO₂浓度和第二pH值在第二时间测量，第二时间是第二罐中的培养基在预定温度和压力下与第二气体体积处于pH-CO₂平衡状态时的时间，所述平衡状态不受任何细胞培养物的代谢影响，第二pH值是由第二pH测量装置(142)提供的测量值；

-比较(206)第一和第二pH值和比较第一和第二CO₂浓度以测定第一pH测量装置是否受pH测量问题影响。

26.比较单元(130)，其配置成：

-接收(202)第一CO₂浓度和第一pH值，第一CO₂浓度是第一罐中的培养基(M1)上方的第一气体体积的CO₂浓度，第一CO₂浓度和第一pH值在第一时间测量，第一时间是第一罐中的培养基在预定温度和压力下与第一气体体积处于pH-CO₂平衡状态时的时间，所述平衡状态不受任何细胞培养物的代谢影响，第一pH值是由第一pH测量装置(108；146)提供的测量值；

-计算(204)作为第一CO₂浓度的函数的第二pH值，第二pH值是在所述培养基在预定温度和压力下与所述培养基(M1)上方的第二气体体积处于pH-CO₂平衡状态时对所述培养基(M1)预测的pH值，在所述平衡下的第二气体体积具有与第一CO₂浓度相等的第二CO₂浓度，所述平衡状态不受任何细胞培养物的代谢影响；

-比较(206)第一和第二pH值以测定第一pH测量装置是否受pH测量问题影响。

27.配置成监测和/或控制第一罐的状态的***(100)，所述***包含：

-权利要求25或26的比较单元(130)；

-有效耦合至比较单元(130)的控制单元(132)；和

-第一罐(104、106)和第一pH测量装置；

-所述控制单元配置成监测和/或控制第一罐中的细胞培养物的状态，由此使用通过第一pH测量装置反复测得的pH值作为输入。

Images