Traiter les fluctuations de l'oxygène dissous dans la fermentation microbienne

Lors de la mise à l'échelle de la fermentation biopharmaceutique et microbienne, l'oxygène dissous (OD) est un paramètre bioprocédé critique pour maintenir l'activité métabolique cellulaire et l'expression des protéines cibles. À mesure que les volumes des cuves augmentent et que les densités cellulaires augmentent dans les cultures fed-batch, le taux de transfert d'oxygène (OTR) ne parvient souvent pas à égaler le taux de consommation d'oxygène (OUR), entraînant de fortes fluctuations ou des chutes d'OD en dessous des seuils critiques.

Les commandes de rétroaction traditionnelles à paramètre unique (telles que le simple réglage de la vitesse de l'agitateur ou l'augmentation de l'aération) peuvent générer un stress de cisaillement excessif qui endommage les cellules ou provoquer des risques graves de moussage et de contamination. Par conséquent, l'évaluation de la capacité de contrôle en boucle fermée multidimensionnelle de l'OD d'un système est une considération clé lors de la sélection du bioréacteur.

Pour gérer les demandes complexes de contrôle de l'OD, les bioréacteurs modernes de paillasse et à l'échelle pilote utilisent des mécanismes de contrôle en cascade multi-vitesses . En prenant une stratégie de cascade à 4 vitesses (Vitesse 1 à Vitesse 4) comme exemple, le logiciel de contrôle ajuste séquentiellement automatiquement les actionneurs en fonction de priorités prédéfinies, empêchant une régulation excessive d'un seul paramètre :

• Vitesse 1 (Lien Agitateur): Lorsque l'OD tombe en dessous du point de consigne, le système augmente d'abord la vitesse de l'agitateur (RPM) pour améliorer la dispersion des gaz et la rupture des bulles.
• Vitesse 2 (Lien Air): Une fois que les RPM atteignent leur limite supérieure définie, le rapport de contrôle passe automatiquement à la Vitesse 2, augmentant progressivement le débit d'air total.
• Vitesse 3 (Lien O₂): Si l'OD reste en dessous du point de consigne après avoir atteint le débit d'air maximal, le système initie la Vitesse 3 pour injecter de l'oxygène pur (O₂), augmentant la pression partielle d'oxygène.
• Temps de délai et transition douce: Chaque transition de vitesse intègre des paramètres de temps de délai réglables pour éliminer la chasse de contrôle rapide et l'oscillation mécanique.

Lors de la sélection d'un système de bioréacteur pour le développement de procédés ou la mise à l'échelle pilote, les ingénieurs de procédés doivent évaluer les paramètres matériels et logiciels suivants :

• Flexibilité de la cascade: Si le système de contrôle prend en charge au moins 2 engrenages de liaison séquentiels ou plus (combinaisons flexibles d'agitateur, d'air, d'O₂ et d'alimentation).
• Zone morte et réglage du cycle: Disponibilité de paramètres configurables tels que les zones mortes de contrôle (par exemple, Zone morte 0,1) et les temps de cycle de liaison (par exemple, Temps de cycle 30,0 s) pour s'adapter aux taux métaboliques distincts des souches (bactéries, levures ou champignons).
• Analyses et traçabilité des données: Si le contrôleur fournit le calcul en ligne des métriques métaboliques clés — telles que le taux de consommation d'oxygène (OUR), le taux d'évolution du dioxyde de carbone (CER), le quotient respiratoire (RQ) et le coefficient de transfert de masse volumique ($K_L a$
  ) — et prend en charge l'exportation des données de lots USB pour la modélisation de la mise à l'échelle.