Affrontare le fluttuazioni dell'ossigeno disciolto nello scale-up della fermentazione microbica: un approccio di controllo a cascata

Nello scale-up della fermentazione biofarmaceutica e microbica, l'ossigeno disciolto (DO) è un parametro critico del bioprocesso per mantenere l'attività metabolica cellulare e l'espressione proteica target. Con l'aumentare dei volumi dei recipienti e delle densità cellulari nelle colture fed-batch, la velocità di trasferimento dell'ossigeno (OTR) spesso non riesce a eguagliare la velocità di assorbimento dell'ossigeno (OUR), portando a severe fluttuazioni del DO o a cali al di sotto delle soglie critiche.

I tradizionali controlli di feedback a singolo parametro (come la sola regolazione della velocità dell'agitatore o l'aumento dell'aerazione) possono generare uno stress di taglio eccessivo che danneggia le cellule o causare gravi rischi di schiuma e contaminazione. Di conseguenza, la valutazione della capacità di controllo a circuito chiuso del DO multidimensionale di un sistema è una considerazione chiave durante la selezione del bioreattore.

Per gestire le complesse esigenze di controllo del DO, i moderni bioreattori da banco e su scala pilota utilizzano meccanismi di controllo a cascata multi-marcia . Prendendo come esempio una strategia a cascata a 4 marce (Marcia 1-Marcia 4), il software di controllo regola sequenzialmente e automaticamente gli attuatori in base a priorità predefinite, prevenendo un'eccessiva regolazione di qualsiasi singolo parametro:

• Marcia 1 (Collegamento Agitatore): Quando il DO scende al di sotto del setpoint, il sistema aumenta prima la velocità dell'agitatore (RPM) per migliorare la dispersione del gas e la rottura delle bolle.
• Marcia 2 (Collegamento Aria): Una volta che gli RPM raggiungono il limite superiore definito, la marcia di controllo passa automaticamente alla Marcia 2, aumentando progressivamente la portata totale dell'aria.
• Marcia 3 (Collegamento O₂): Se il DO rimane al di sotto del setpoint dopo aver raggiunto la portata d'aria massima, il sistema avvia la Marcia 3 per iniettare ossigeno puro (O₂), aumentando la pressione parziale dell'ossigeno.
• Tempo di ritardo e transizione fluida: Ogni transizione di marcia incorpora impostazioni di tempo di ritardo regolabili per eliminare la caccia rapida del controllo e l'oscillazione meccanica.

Nella selezione di un sistema di bioreattore per lo sviluppo del processo o lo scale-up pilota, gli ingegneri di processo dovrebbero valutare i seguenti parametri hardware e software:

• Flessibilità della cascata: Se il sistema di controllo supporta almeno 2 o più marce di collegamento sequenziale (combinazioni flessibili di Agitatore, Aria, O₂ e Alimentazione).
• Zona morta e regolazione del ciclo: Disponibilità di parametri configurabili come zone morte di controllo (ad es. Zona morta 0,1) e tempi di ciclo di collegamento (ad es. Tempo di ciclo 30,0 s) per adattarsi a distinti tassi metabolici dei ceppi (batteri, lieviti o funghi).
• Analisi e tracciabilità dei dati: Se il controller fornisce il calcolo online di metriche metaboliche chiave—come la velocità di assorbimento dell'ossigeno (OUR), la velocità di evoluzione dell'anidride carbonica (CER), il quoziente respiratorio (RQ) e il coefficiente di trasferimento di massa volumetrico ($K_L a$
  )—e supporta l'esportazione dei dati batch tramite USB per la modellazione dello scale-up.