미생물 발효 스케일업에서 용존 산소 변동성 해결: 캐스케이드 제어 접근 방식

바이오 의약품 및 미생물 발효 스케일업에서 용존 산소(DO)는 세포 대사 활동 및 표적 단백질 발현을 유지하는 데 중요한 생물 공정 매개변수입니다. 배양기 부피가 증가하고 공급 배치 배양에서 세포 밀도가 높아짐에 따라 산소 전달율(OTR)이 산소 흡수율(OUR)을 따라가지 못하는 경우가 많아 심각한 DO 변동 또는 임계값 이하로 떨어지는 현상이 발생합니다.

전통적인 단일 매개변수 피드백 제어(예: 교반기 속도만 조정하거나 통기량 증가)는 세포를 손상시키는 과도한 전단 응력을 발생시키거나 심각한 거품 및 오염 위험을 초래할 수 있습니다. 따라서 시스템의 다차원 DO 폐쇄 루프 제어 기능을 평가하는 것은 생물 반응기 선택 시 주요 고려 사항입니다.

복잡한 DO 제어 요구 사항을 관리하기 위해 최신 벤치탑 및 파일럿 규모 생물 반응기는 다단 기어 캐스케이드 제어 메커니즘을 사용합니다. 4단 기어 캐스케이드 전략(기어 1~기어 4)을 예로 들면, 제어 소프트웨어는 미리 정의된 우선 순위에 따라 액추에이터를 순차적으로 자동으로 조정하여 단일 매개변수의 과도한 규제를 방지합니다.

• 기어 1 (교반기 링크): DO가 설정값 이하로 떨어지면 시스템은 먼저 교반기 속도(RPM)를 높여 가스 분산 및 기포 파괴를 향상시킵니다.
• 기어 2 (공기 링크): RPM이 정의된 상한에 도달하면 제어 기어는 자동으로 기어 2로 전환되어 총 공기 유량(airflow rate)을 점진적으로 증가시킵니다.
• 기어 3 (O₂ 링크): 최대 공기 유량에 도달한 후에도 DO가 설정값 이하로 유지되면 시스템은 기어 3을 시작하여 순수 산소(O₂)를 주입하여 산소 분압을 높입니다.
• 지연 시간 및 부드러운 전환: 각 기어 전환에는 제어 사냥 및 기계적 진동을 제거하기 위해 조정 가능한 지연 시간 설정이 포함됩니다.

공정 개발 또는 파일럿 스케일업을 위한 생물 반응기 시스템을 선택할 때 공정 엔지니어는 다음 하드웨어 및 소프트웨어 매개변수를 평가해야 합니다.

• 캐스케이드 유연성: 제어 시스템이 최소 2개 이상의 순차적 연결 기어(교반기, 공기, O₂, 공급의 유연한 조합)를 지원하는지 여부.
• 데드 존 및 사이클 튜닝: 특정 균주 대사율(박테리아, 효모 또는 곰팡이)에 맞추기 위한 구성 가능한 매개변수(예: 데드 존 0.1) 및 연결 사이클 시간(예: 사이클 시간 30.0초)의 가용성.
• 분석 및 데이터 추적성: 컨트롤러가 산소 흡수율(OUR), 이산화탄소 배출율(CER), 호흡 지수(RQ) 및 부피 질량 전달 계수($K_L a$)와 같은 주요 대사 지표의 온라인 계산을 제공하고 스케일업 모델링을 위한 USB 배치 데이터 내보내기를 지원하는지 여부.