Giải quyết sự biến động oxy hòa tan trong quá trình mở rộng quy mô lên men vi sinh vật: Một phương pháp điều khiển tầng

Trong quá trình mở rộng quy mô lên men vi sinh và dược phẩm sinh học, Oxy hòa tan (DO) là một thông số quan trọng của quy trình sinh học để duy trì hoạt động trao đổi chất của tế bào và biểu hiện protein mục tiêu. Khi thể tích bình tăng lên và mật độ tế bào tăng trong các mẻ nuôi fed-batch, Tốc độ truyền Oxy (OTR) thường không theo kịp Tốc độ hấp thụ Oxy (OUR), dẫn đến biến động DO nghiêm trọng hoặc giảm xuống dưới ngưỡng quan trọng.

Các phương pháp điều khiển phản hồi đơn tham số truyền thống (như chỉ điều chỉnh tốc độ khuấy hoặc tăng sục khí) có thể tạo ra ứng suất cắt quá mức làm hỏng tế bào hoặc gây ra các rủi ro tạo bọt nghiêm trọng và nhiễm khuẩn. Do đó, việc đánh giá khả năng điều khiển vòng kín DO đa chiều của hệ thống là một yếu tố quan trọng khi lựa chọn bộ lên men.

Để quản lý các yêu cầu điều khiển DO phức tạp, các bộ lên men để bàn và quy mô thí điểm hiện đại sử dụng các cơ chế Điều khiển tầng bậc đa cấp Lấy chiến lược tầng bậc 4 cấp (Cấp 1–Cấp 4) làm ví dụ, phần mềm điều khiển tự động điều chỉnh các bộ truyền động theo trình tự dựa trên các ưu tiên được xác định trước, ngăn chặn việc điều chỉnh quá mức bất kỳ tham số đơn lẻ nào:

• Cấp 1 (Liên kết khuấy): Khi DO giảm xuống dưới điểm đặt, hệ thống trước tiên tăng tốc độ khuấy (RPM) để tăng cường phân tán khí và phá vỡ bọt.
• Cấp 2 (Liên kết khí): Khi RPM đạt đến giới hạn trên được xác định, cấp điều khiển sẽ tự động chuyển sang Cấp 2, tăng dần tốc độ dòng khí tổng cộng.
• Cấp 3 (Liên kết O₂): Nếu DO vẫn dưới điểm đặt sau khi đạt lưu lượng khí tối đa, hệ thống sẽ khởi động Cấp 3 để bơm oxy tinh khiết (O₂), tăng áp suất riêng phần của oxy.
• Thời gian trễ & Chuyển đổi mượt mà: Mỗi lần chuyển cấp đều tích hợp cài đặt Thời gian trễ có thể điều chỉnh để loại bỏ hiện tượng điều khiển dao động nhanh và dao động cơ học.

Khi lựa chọn hệ thống bộ lên men để phát triển quy trình hoặc mở rộng quy mô thí điểm, các kỹ sư quy trình nên đánh giá các thông số phần cứng và phần mềm sau:

• Tính linh hoạt của tầng bậc: Liệu hệ thống điều khiển có hỗ trợ ít nhất 2 cấp liên kết tuần tự trở lên (kết hợp linh hoạt của Khuấy, Khí, O₂ và Nạp liệu) hay không.
• Vùng chết & Điều chỉnh chu kỳ: Khả năng cung cấp các tham số có thể cấu hình như vùng chết điều khiển (ví dụ: Vùng chết 0.1) và thời gian chu kỳ liên kết (ví dụ: Thời gian chu kỳ 30.0s) để phù hợp với tốc độ trao đổi chất của các chủng khác nhau (vi khuẩn, nấm men hoặc nấm mốc).
• Phân tích & Khả năng truy xuất dữ liệu: Liệu bộ điều khiển có cung cấp tính toán trực tuyến các chỉ số trao đổi chất chính—như Tốc độ hấp thụ Oxy (OUR), Tốc độ phát thải Carbon Dioxide (CER), Tỷ số hô hấp (RQ) và hệ số truyền khối thể tích ($K_L a$
  )—và hỗ trợ xuất dữ liệu lô qua USB để mô hình hóa mở rộng quy mô hay không.