Abordando Flutuações de Oxigênio Dissolvido no Aumento de Escala de Fermentação Microbiana: Uma Abordagem de Controle em Cascata

No aumento de escala de fermentação biofarmacêutica e microbiana, o Oxigênio Dissolvido (OD) é um parâmetro crítico do bioprocesso para manter a atividade metabólica celular e a expressão de proteínas alvo. À medida que os volumes dos vasos aumentam e as densidades celulares aumentam em culturas fed-batch, a Taxa de Transferência de Oxigênio (OTR) muitas vezes falha em corresponder à Taxa de Consumo de Oxigênio (OUR), levando a flutuações severas de OD ou quedas abaixo de limiares críticos.

Controles de feedback tradicionais de parâmetro único (como apenas ajustar a velocidade do agitador ou aumentar a aeração) podem gerar estresse de cisalhamento excessivo que danifica as células ou causar riscos severos de espuma e contaminação. Consequentemente, a avaliação da capacidade de controle em malha fechada de OD multidimensional de um sistema é uma consideração chave durante a seleção do biorreator.

Para gerenciar demandas complexas de controle de OD, biorreatores modernos de bancada e escala piloto utilizam mecanismos de Controle em Cascata Multi-Engrenagem. Tomando uma estratégia de cascata de 4 engrenagens (Engrenagem 1–Engrenagem 4) como exemplo, o software de controle ajusta sequencialmente automaticamente os atuadores com base em prioridades predefinidas, evitando a super-regulação de qualquer parâmetro único:

• Engrenagem 1 (Link do Agitador): Quando o OD cai abaixo do setpoint, o sistema primeiro aumenta a velocidade do agitador (RPM) para aumentar a dispersão de gás e a quebra de bolhas.
• Engrenagem 2 (Link do Ar): Uma vez que o RPM atinge seu limite superior definido, a engrenagem de controle transita automaticamente para a Engrenagem 2, aumentando progressivamente a taxa total de fluxo de ar.
• Engrenagem 3 (Link de O₂): Se o OD permanecer abaixo do setpoint após atingir o fluxo de ar máximo, o sistema inicia a Engrenagem 3 para injetar oxigênio puro (O₂), aumentando a pressão parcial de oxigênio.
• Tempo de Atraso e Transição Suave: Cada transição de engrenagem incorpora configurações de Tempo de Atraso ajustáveis para eliminar a caça de controle rápida e a oscilação mecânica.

Ao selecionar um sistema de biorreator para desenvolvimento de processo ou aumento de escala piloto, os engenheiros de processo devem avaliar os seguintes parâmetros de hardware e software:

• Flexibilidade de Cascata: Se o sistema de controle suporta pelo menos 2 ou mais engrenagens de ligação sequenciais (combinações flexíveis de Agitador, Ar, O₂ e Alimentação).
• Zona Morta e Ajuste de Ciclo: Disponibilidade de parâmetros configuráveis, como zonas mortas de controle (por exemplo, Zona Morta 0.1) e tempos de ciclo de ligação (por exemplo, Tempo de Ciclo 30.0s) para se adequar a taxas metabólicas distintas de cepas (bactérias, leveduras ou fungos).
• Análises e Rastreabilidade de Dados: Se o controlador fornece cálculo online de métricas metabólicas chave — como Taxa de Consumo de Oxigênio (OUR), Taxa de Evolução de Dióxido de Carbono (CER), Quociente Respiratório (RQ) e coeficiente de transferência de massa volumétrica ($K_L a$
  ) — e suporta exportação de dados de lote via USB para modelagem de aumento de escala.