Bewältigung von Schwankungen des gelösten Sauerstoffs bei der Hochskalierung mikrobieller Fermentationen: Ein kaskadierter Regelungsansatz

Bei der Erweiterung der Biopharmazeutika und der mikrobiellen Fermentation ist gelöster Sauerstoff (DO) ein kritischer Bioprozessparameter für die Aufrechterhaltung der zellulären Stoffwechselaktivität und der Zielproteinexpression.Da die Gefäßmengen steigen und die Zelldichte in den Fütterungsbatchkulturen steigtDie Oxygen Transfer Rate (OTR) entspricht oft nicht der Oxygen Uptake Rate (OUR), was zu schweren DO-Schwankungen oder Abfällen unter die kritischen Schwellenwerte führt.

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 risksFolglich ist die Bewertung der mehrdimensionalen DO-Schlusskontrolle eines Systems bei der Auswahl des Bioreaktors eine wichtige Überlegung.

Um komplexe Anforderungen an die DO-Kontrolle zu bewältigen, nutzen moderne Standflächen- und PilotbioreaktorenSteuerung der Kaskade mit mehreren GetriebenMechanismen: Bei einer 4-Gang-Kaskadenstrategie (Gang 1 ′Gang 4) passt die Steuerungssoftware die Aktoren automatisch nach vorgegebenen Prioritäten an.Verhinderung einer Überregulierung eines einzelnen Parameters:

• Zahnrad 1 (Aggitatorverbindung): Wenn der DO unter den Satzpunkt fällt, erhöht das System zunächst die RPM des Rührers, um die Gasdispersion und die Blasenauflösung zu verbessern.
• Ausrüstung 2 (Flugverbindung): Sobald die definierte Obergrenze erreicht ist, wechselt das Steuergerät automatisch auf Gang 2 und erhöht die Gesamtluftstromrate schrittweise.
• Ausrüstung 3 (O2-Verbindung): Bleibt der DO nach Erreichen des maximalen Luftstroms unter dem eingestellten Wert, setzt das System Gang 3 ein, um reinen Sauerstoff (O2) zu injizieren, wodurch der Sauerstoffpartialdruck erhöht wird.
• Zeitverzögerung und reibungsloser Übergang: Jeder Gangwechsel beinhaltet einstellbare Verzögerungszeiteinstellungen, um schnelle Steuerung und mechanische Schwingungen zu vermeiden.

Bei der Auswahl eines Bioreaktorsystems für die Prozessentwicklung oder Pilot-Scale-up sollten Prozessingenieure folgende Hardware- und Softwareparameter bewerten:

• Kaskadenflexibilität: Ob das Steuerungssystem mindestens zwei oder mehr sequentielle Verbindungsgetriebe unterstützt (flexible Kombinationen aus Rührgerät, Luft, O2 und Futter).
• Tode Zone und Zyklus-Tuning: Verfügbarkeit konfigurierbarer Parameter, wie z. B. Kontroll-Todzonen (z. B. Tode Zone 0.1) und Verbindungszykluszeiten (z. B. Zykluszeit 30.0s), um unterschiedlichen Stoffwechselraten (Bakterien, Hefe,oder Pilze).
• Analyse und Datenverfolgbarkeit: Ob der Controller eine Online-Berechnung wichtiger Stoffwechselindikatoren (wie Sauerstoffaufnahmerate (OUR), Kohlendioxidentwicklungsrate (CER), Atemquotient (RQ)) anbietet,und volumetrischer Massenübertragungskoeffizient ($K_L a$
  ) und unterstützt USB-Batch-Daten-Export für Scale-up-Modellierung.