การจัดการความผันผวนของออกซิเจนที่ละลายได้ในการขยายขนาดการหมักจุลินทรีย์: แนวทางควบคุมแบบน้ำตก

ในการขยายขนาดการหมักชีวเภสัชภัณฑ์และจุลินทรีย์ ออกซิเจนละลายน้ำ (DO) เป็นพารามิเตอร์สำคัญของกระบวนการทางชีวภาพในการรักษาการทำงานของเมแทบอลิซึมของเซลล์และการแสดงออกของโปรตีนเป้าหมาย เมื่อปริมาตรของภาชนะเพิ่มขึ้นและความหนาแน่นของเซลล์สูงขึ้นในการเพาะเลี้ยงแบบ fed-batch อัตราการถ่ายเทออกซิเจน (OTR) มักจะไม่สามารถจับคู่อัตราการใช้ออกซิเจน (OUR) ได้ ทำให้เกิดความผันผวนของ DO อย่างรุนแรงหรือลดลงต่ำกว่าเกณฑ์ที่สำคัญ

การควบคุมแบบป้อนกลับแบบพารามิเตอร์เดียวแบบดั้งเดิม (เช่น การปรับความเร็วรอบของใบพัดกวนเพียงอย่างเดียว หรือการเพิ่มการเติมอากาศ) อาจทำให้เกิดความเค้นเฉือนมากเกินไปซึ่งทำลายเซลล์ หรือก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อการเกิดฟองมากเกินไปและการปนเปื้อน ดังนั้น การประเมินความสามารถในการควบคุมแบบวงปิด DO แบบหลายมิติของระบบจึงเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญในการเลือกเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ

เพื่อจัดการกับความต้องการการควบคุม DO ที่ซับซ้อน เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดตั้งโต๊ะและขนาดนำร่องสมัยใหม่ใช้กลไก การควบคุมแบบ Cascade หลายเกียร์ โดยใช้กลยุทธ์ cascade แบบ 4 เกียร์ (เกียร์ 1–เกียร์ 4) เป็นตัวอย่าง ซอฟต์แวร์ควบคุมจะปรับตัวกระตุ้นโดยอัตโนมัติตามลำดับตามลำดับความสำคัญที่กำหนดไว้ล่วงหน้า เพื่อป้องกันการควบคุมพารามิเตอร์เดียวมากเกินไป:

• เกียร์ 1 (การเชื่อมต่อใบพัดกวน): เมื่อ DO ลดลงต่ำกว่าจุดที่ตั้งไว้ ระบบจะเพิ่มความเร็วรอบของใบพัดกวน (RPM) ก่อนเพื่อเพิ่มการกระจายตัวของก๊าซและการแตกตัวของฟองอากาศ
• เกียร์ 2 (การเชื่อมต่ออากาศ): เมื่อ RPM ถึงขีดจำกัดบนที่กำหนดไว้ เกียร์ควบคุมจะเปลี่ยนไปที่เกียร์ 2 โดยอัตโนมัติ โดยค่อยๆ เพิ่มอัตราการไหลของอากาศทั้งหมด
• เกียร์ 3 (การเชื่อมต่อ O₂): หาก DO ยังคงต่ำกว่าจุดที่ตั้งไว้หลังจากถึงอัตราการไหลของอากาศสูงสุด ระบบจะเริ่มเกียร์ 3 เพื่อฉีดออกซิเจนบริสุทธิ์ (O₂) เพื่อเพิ่มความดันย่อยของออกซิเจน
• เวลาหน่วงและการเปลี่ยนที่ราบรื่น: การเปลี่ยนเกียร์แต่ละครั้งมีการตั้งค่าเวลาหน่วงที่ปรับได้เพื่อขจัดปัญหาการควบคุมที่รวดเร็วและการสั่นสะเทือนทางกล

เมื่อเลือกระบบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสำหรับการพัฒนาหรือการขยายขนาดนำร่อง วิศวกรกระบวนการควรประเมินพารามิเตอร์ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ดังต่อไปนี้:

• ความยืดหยุ่นของ Cascade: ระบบควบคุมรองรับเกียร์เชื่อมต่อแบบลำดับอย่างน้อย 2 เกียร์ขึ้นไปหรือไม่ (การผสมผสานที่ยืดหยุ่นของใบพัดกวน, อากาศ, O₂, และการป้อน)
• โซนตายและการปรับรอบการทำงาน: ความพร้อมใช้งานของพารามิเตอร์ที่กำหนดค่าได้ เช่น โซนตายของการควบคุม (เช่น Dead Zone 0.1) และเวลาวงจรการเชื่อมต่อ (เช่น Cycle Time 30.0s) เพื่อให้เหมาะกับอัตราการเผาผลาญของสายพันธุ์ที่แตกต่างกัน (แบคทีเรีย ยีสต์ หรือเชื้อรา)
• การวิเคราะห์และการติดตามข้อมูล: ตัวควบคุมมีการคำนวณเมตริกการเผาผลาญที่สำคัญแบบออนไลน์หรือไม่ เช่น อัตราการใช้ออกซิเจน (OUR), อัตราการปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ (CER), อัตราส่วนการหายใจ (RQ) และสัมประสิทธิ์การถ่ายเทมวลเชิงปริมาตร ($K_L a$
  ) และรองรับการส่งออกข้อมูลแบทช์ผ่าน USB สำหรับการสร้างแบบจำลองการขยายขนาด