Abordar las fluctuaciones de oxígeno disuelto en la ampliación de la fermentación microbiana: un enfoque de control en cascada

En la ampliación de la fermentación biofarmacéutica y microbiana, el oxígeno disuelto (OD) es un parámetro crítico del bioproceso para mantener la actividad metabólica celular y la expresión de proteínas objetivo. A medida que aumentan los volúmenes de los recipientes y las densidades celulares en los cultivos alimentados en lotes, la tasa de transferencia de oxígeno (OTR) a menudo no puede igualar la tasa de consumo de oxígeno (OUR), lo que provoca fluctuaciones severas o caídas del OD por debajo de los umbrales críticos.

Los controles de retroalimentación tradicionales de un solo parámetro (como ajustar únicamente la velocidad del agitador o aumentar la aireación) pueden generar un estrés de cizallamiento excesivo que daña las células o causar graves riesgos de espuma y contaminación. En consecuencia, la evaluación de la capacidad de control en bucle cerrado de OD multidimensional de un sistema es una consideración clave durante la selección del biorreactor.

Para gestionar las complejas demandas de control de OD, los biorreactores modernos de sobremesa y a escala piloto utilizan mecanismos de Control en cascada multiengranaje . Tomando como ejemplo una estrategia de cascada de 4 engranajes (Engranaje 1-Engranaje 4), el software de control ajusta secuencialmente automáticamente los actuadores en función de prioridades predefinidas, evitando la sobrerregulación de cualquier parámetro único:

• Engranaje 1 (Enlace del agitador): Cuando el OD cae por debajo del punto de ajuste, el sistema primero aumenta la velocidad del agitador (RPM) para mejorar la dispersión del gas y la ruptura de burbujas.
• Engranaje 2 (Enlace de aire): Una vez que las RPM alcanzan su límite superior definido, el engranaje de control transita automáticamente al Engranaje 2, aumentando progresivamente la tasa de flujo de aire total.
• Engranaje 3 (Enlace de O₂): Si el OD permanece por debajo del punto de ajuste después de alcanzar el flujo de aire máximo, el sistema inicia el Engranaje 3 para inyectar oxígeno puro (O₂), aumentando la presión parcial de oxígeno.
• Tiempo de retardo y transición suave: Cada transición de engranaje incorpora ajustes de tiempo de retardo ajustables para eliminar la caza de control rápida y la oscilación mecánica.

Al seleccionar un sistema de biorreactor para el desarrollo de procesos o la ampliación a escala piloto, los ingenieros de procesos deben evaluar los siguientes parámetros de hardware y software:

• Flexibilidad de cascada: Si el sistema de control admite al menos 2 o más engranajes de enlace secuencial (combinaciones flexibles de Agitador, Aire, O₂ y Alimentación).
• Zona muerta y ajuste de ciclo: Disponibilidad de parámetros configurables como zonas muertas de control (por ejemplo, Zona muerta 0.1) y tiempos de ciclo de enlace (por ejemplo, Tiempo de ciclo 30.0s) para adaptarse a las distintas tasas metabólicas de las cepas (bacterias, levaduras o hongos).
• Análisis y trazabilidad de datos: Si el controlador proporciona el cálculo en línea de métricas metabólicas clave, como la tasa de consumo de oxígeno (OUR), la tasa de evolución de dióxido de carbono (CER), el cociente respiratorio (RQ) y el coeficiente de transferencia de masa volumétrica ($K_L a$
  ) y admite la exportación de datos de lotes por USB para la modelización de la ampliación.