Aanpakken van Schommelingen in Opgeloste Zuurstof bij Opschaling van Microbiele Fermentatie: Een Cascade Controle Benadering

Bij de opschaling van biofarmaceutische en microbiële fermentatie is opgeloste zuurstof (DO) een cruciale bioprocesparameter voor het handhaven van de cellulaire metabole activiteit en de expresie van het doelproteïne.Als de hoeveelheid bloedvaten toeneemt en de cellendichtheid stijgt in gevulde partijculturenDe Oxygen Transfer Rate (OTR) komt vaak niet overeen met de Oxygen Uptake Rate (OUR), wat leidt tot ernstige DO-schommelingen of daalt onder de kritieke drempelwaarden.

Traditional single-parameter feedback controls (such as solely adjusting agitator speed or increasing aeration) can generate excessive shear stress that damages cells or cause severe foaming and contamination risksBijgevolg is het evalueren van de multidimensionale DO-closed-loop-besturing van een systeem een belangrijke overweging bij de selectie van de bioreactor.

Om complexe eisen op het gebied van DO-beheersing te kunnen aanpakken, maken moderne bioreactoren op de bank en bioreactoren op proefschaalMulti-gear cascadecontroleMechanismen. Bijvoorbeeld een vierversnellingscascade (versnelling 1 ̊versnelling 4), waarbij de bedieningssoftware de aandrijvingen automatisch aanpast op basis van vooraf bepaalde prioriteiten,het voorkomen van overregulering van een enkele parameter:

• Versnelling 1 (agitatorverbinding): Wanneer de DO onder het ingestelde punt valt, verhoogt het systeem eerst de roeromloop (RPM) om de gasdispersie en de bubbelverbreking te verbeteren.
• Versnelling 2 (luchtverbinding): Zodra de omwentelingsmoment de gedefinieerde bovengrens bereikt, schakelt het bedieningsapparaat automatisch over op versnelling 2, waardoor de totale luchtstroom geleidelijk toeneemt.
• Versnelling 3 (O2-verbinding): Als de DO na maximale luchtstroom lager blijft dan de ingestelde waarde, start het systeem tandwiel 3 om zuivere zuurstof (O2) te injecteren, waardoor de partiële zuurstofdruk wordt verhoogd.
• Uitstel van de tijd en soepele overgang: Elke versnellingsversnelling bevat instelbare vertragingstijden om snelle controle en mechanische oscillatie te elimineren.

Bij het selecteren van een bioreactorsysteem voor procesontwikkeling of proefopbouw moeten procesingenieurs de volgende hardware- en softwareparameters evalueren:

• Cascade Flexibiliteit: of het besturingssysteem ten minste 2 of meer sequentiële verbindingsversnellingen ondersteunt (flexible combinaties van roermachine, lucht, O2 en voeding).
• Dode Zone & Cycle Tuning: Beschikbaarheid van configureerbare parameters zoals controle dode zones (bv. dode zone 0.1) en linking cyclustijden (bv. cyclustijd 30.0s) om te passen aan verschillende stoommetabole snelheden (bacteriën, gist,of schimmels).
• Analyse en gegevenstraceerbaarheid: of de controleur online berekeningen van belangrijke metabole metrics biedt, zoals zuurstofopname (OUR), kooldioxide-evolutiesnelheid (CER), ademhalingsquotiënt (RQ),en volumetrische massaoverdrachtscoëfficiënt ($K_L a$
  ) en ondersteunt USB-batchgegevensexport voor opschaling.