Giải quyết các hạn chế chuyển giao khối lượng oxy trong quá trình lên men quy mô thí điểm: Tối ưu hóa chuỗi DO đa tham số

Trong quá trình mở rộng quy mô ở giai đoạn thí điểm của quá trình lên men dược phẩm sinh học và vi sinh vật, nhu cầu oxy của nuôi cấy tăng theo cấp số nhân khi thể tích thiết bị tăng lên và mật độ tế bào tăng trong các quá trình nuôi cấy fed-batch. Hệ số truyền khối lượng thể tích (KLa) trong dịch lên men thường không đáp ứng được Tốc độ hấp thụ oxy (OUR) cao của các nuôi cấy dày đặc, khiến mức Oxy hòa tan (DO) thường xuyên giảm xuống dưới ngưỡng tới hạn.

Trong các thiết lập lên men truyền thống, việc chỉ dựa vào việc tăng tốc độ khuấy (Agitator RPM) để tăng cường truyền oxy sẽ tạo ra các lực cắt thủy động mạnh có nguy cơ làm vỡ màng tế bào và tự phân. Ngược lại, việc chỉ dựa vào việc tăng tốc độ dòng khí có thể gây ra hiện tượng tạo bọt nghiêm trọng, nhiễm bẩn tràn và giảm thời gian lưu trú của bong bóng trong pha lỏng. Do đó, việc đánh giá xem hệ thống điều khiển bioreactor có thể phối hợp liền mạch giữa khuấy, dòng khí và oxy tinh khiết (O₂) theo kiểu vòng kín hay không là một tiêu chí lựa chọn chính cho việc mở rộng quy mô quy trình sinh học.

Phần mềm điều khiển bioreactor hiện đại tự động hóa ở giai đoạn phòng thí nghiệm và giai đoạn thí điểm giải quyết các hạn chế về truyền khối lượng oxy bằng cách tích hợpcác liên kết thông số độc lập với logic điều khiển tầng nhiều cấp (Cascade Link):

• Chuyển số tầng liên tiếp:Phần mềm điều khiển hỗ trợ tối đa 4 cấp hoạt động liên tiếp (Cấp 1 – Cấp 4). Khi DO giảm xuống dưới điểm đặt, bộ điều khiển trước tiên sẽ tăng tốc độ khuấy (Cấp 1: Liên kết Khuấy-DO) để tăng cường phân tán khí và phá vỡ bong bóng. Nếu quá trình khuấy đạt đến giới hạn trên đã cấu hình và DO vẫn ở mức thấp, hệ thống sẽ chuyển sang Cấp 2 để tăng tốc độ dòng khí (Cấp 2: Liên kết Khí-DO). Nếu cần oxy hóa thêm, bộ điều khiển sẽ kích hoạt Cấp 3 để bơm oxy tinh khiết (Cấp 3: Liên kết O₂-DO), giúp tăng đáng kể áp suất riêng phần của oxy.
• Bảo vệ độ trễ chuyển đổi (Thời gian trễ):Độ trễ chuyển đổi có thể điều chỉnh (Thời gian trễ) giữa các lần chuyển cấp ngăn chặn hiện tượng săn mồi điều khiển nhanh và ứng suất cơ học xung quanh các điểm kích hoạt.
• Tham số hóa vùng chết và chu kỳ:Các vùng chết điều khiển có thể cấu hình (ví dụ: Vùng chết 0.1) và các khoảng thời gian chu kỳ liên kết (ví dụ: Chu kỳ 30.0 giây) duy trì sự ổn định của điều khiển mà không gây ra dao động liên tục của bộ truyền động.

Khi lựa chọn hệ thống bioreactor cho các nhà máy thí điểm dược phẩm sinh học và mở rộng quy mô quy trình sinh học thượng nguồn, các kỹ sư quy trình nên đánh giá các thông số kỹ thuật phần cứng và phần mềm sau đây:

Tính linh hoạt của logic tầng: Xác minh xem phần mềm điều khiển có cho phép chuyển đổi liền mạch giữa chế độ tầng nhiều cấp (Cascade Link) và chế độ liên kết độc lập hay không, và liệu các ưu tiên trình tự cấp có thể được tùy chỉnh theo độ nhạy cảm với lực cắt của tế bào hay không.

Tích hợp phần cứng sục khí và làm giàu: Xác nhận rằng bộ điều khiển cung cấp các kênh điều khiển và giao diện chuyên dụng cho việc bổ sung dòng khí và oxy tinh khiết để đáp ứng nhu cầu oxy mật độ cao ở giai đoạn cuối.

Tích hợp phân tích truyền khối lượng: Đảm bảo hệ thống có thể tính toán động học trao đổi chất trực tuyến — như Tốc độ hấp thụ oxy (OUR) và hệ số truyền khối lượng thể tích (KLa) — đồng thời với việc thực thi vòng kín DO, cung cấp các mốc định lượng cho thiết kế thiết bị quy mô công nghiệp.