Управление колебаниями растворенного кислорода при масштабировании микробной ферментации: каскадный подход

При масштабировании биофармацевтической и микробной ферментации растворенный кислород (DO) является критически важным параметром биопроцесса для поддержания клеточной метаболической активности и экспрессии целевого белка. По мере увеличения объемов сосудов и повышения плотности клеток в периодических культурах с подпиткой скорость потребления кислорода (OTR) часто не успевает за скоростью потребления кислорода (OUR), что приводит к сильным колебаниям DO или падению ниже критических порогов.

Традиционные одностенные системы обратной связи (такие как регулирование только скорости перемешивания или увеличение аэрации) могут создавать чрезмерное сдвиговое напряжение, повреждающее клетки, или вызывать сильное пенообразование и риски загрязнения. Следовательно, оценка многомерной возможности замкнутого контура управления DO системы является ключевым фактором при выборе биореактора.

Для управления сложными требованиями к контролю DO современные лабораторные и пилотные биореакторы используют механизмы многоступенчатого каскадного управления . На примере 4-ступенчатой каскадной стратегии (Ступень 1–Ступень 4) управляющее программное обеспечение последовательно автоматически регулирует исполнительные механизмы на основе заданных приоритетов, предотвращая чрезмерное регулирование какого-либо одного параметра:

• Ступень 1 (Связь с мешалкой): Когда DO падает ниже заданного значения, система сначала увеличивает скорость перемешивания (об/мин) для улучшения дисперсии газа и разрушения пузырьков.
• Ступень 2 (Связь с воздухом): Как только об/мин достигают установленного верхнего предела, управляющая ступень автоматически переходит к Ступени 2, постепенно увеличивая общую скорость воздушного потока.
• Ступень 3 (Связь с O₂): Если DO остается ниже заданного значения после достижения максимального воздушного потока, система инициирует Ступень 3 для подачи чистого кислорода (O₂), повышая парциальное давление кислорода.
• Время задержки и плавный переход: Каждый переход ступени включает настраиваемые параметры времени задержки для устранения быстрого поиска управления и механических колебаний.

При выборе системы биореактора для разработки процесса или пилотного масштабирования инженеры-технологи должны оценить следующие аппаратные и программные параметры:

• Гибкость каскада: Поддерживает ли система управления как минимум 2 или более последовательных ступеней связи (гибкие комбинации мешалки, воздуха, O₂ и подачи).
• Мертвая зона и настройка цикла: Наличие настраиваемых параметров, таких как мертвые зоны управления (например, Мертвая зона 0.1) и времена цикла связи (например, Время цикла 30.0с), для соответствия различным метаболическим скоростям штаммов (бактерии, дрожжи или грибы).
• Аналитика и прослеживаемость данных: Предоставляет ли контроллер онлайн-расчет ключевых метаболических показателей — таких как скорость потребления кислорода (OUR), скорость выделения углекислого газа (CER), дыхательный коэффициент (RQ) и объемный коэффициент массопереноса ($K_L a$
  ) — и поддерживает ли экспорт данных пакетов через USB для моделирования масштабирования.