Fed-batch_galvenaa-Fermentācijas, kurās nepieciešams nodrošināt augsta blīvuma biomasu (piemēram, rekombinantā proteīna biosintēzē, izmantojot E. Coli celmus) ir ļoti svarīga optimālā substrāta piebarošanas profila izvēle. Zinātniskās publikācijas apraksta specifiski izveidotas eksperimentālās sistēmas, lai varētu īstenot fermentācijas ar automātiski kontrolētu piebarošanu, kas bāzēta uz matemātiskiem modeļiem. Neskatoties uz to, komerciāli pieejamie bioreaktoru kontrolieri nodrošina iespēju tikai operatoriem uzstādīt piebarošanas profilu un kontrolēt substrāta piebarošanas ātrumu atkarībā no pO2 sensoru izdotās informācijas.

Fermentācijas procesu īpatnība ir tāda, ka nav iespējams nodrošināt pilnu atkārtojamību, pat tad, ja kultivēšanas apstākļi ir absolūti identiski. Tam par iemeslu ir kultivētā mikroorganisma celma īpašības, kā arī citu ne vienmēr zināmu faktoru ietekmes. Rezultātā, lai nodrošinātu optimālu piebarošanas profilu, ir nepieciešams pastāvīgi veikt korekcijas atkarībā no konkrētā notiekošā fermentācijas procesa. Tas nozīmē, ka atjaunināto piebarošanas profilu aprēķināšana un ievadīšana ir atkarīga no operatora iemaņām. Ņemot vērā, ka šo darbību veikšanai operatoram nepieciešama ļoti augsta līmeņa apmācība un prasmes, pastāv salīdzinoši liels kļūdu rašanās risks, kas ir pretrunā ar LRP prasībām. Tas nozīmē, ka nepieciešams rast risinājumu, kas ļautu samazināt atkarību no operatora procesa laikā.

Lai atrisinātu šo problēmu, mēs esam izveidojuši fermentēšanas kontroles sistēmu, kas balstās uz sekojošo shēmu:

 

Šajā shēmā pieņemts, ka lietotājam jau ir pilnīgi nokomplektēts bioreaktors, kas ir atbilstošā kārtībā, lai varētu veikt fermentācijas procesu. Platforma ar svariem ir savienota ar kontrolieri (uz Siemens Simatic bāzes) caur seriālo portu RS485, izmantojot apmaiņas protokolu Modbus RTU. Substrāta piebarošanas kontrolei programmatūrai SCADA jādarbojas vienlaicīgi (līdz vairākām minūtēm), kad tiek sākts fermentācijas process.

Mūsu kontroles sistēmā SCADA ir savienota ar piebarošanas simulācijas programmatūru, kas izveidota uz MATLAB bāzes. Pirms tiek sākts fermentācijas process, sākotnējie dati ir jāievada programmatūrā SCADA – barotnes tilpums, biomasas un glikozes (vai cita cukuru avota) koncentrācija, kā arī jāuzstāda sākotnējais piebarošanas profils (aprēķināts izmantojot MATLAB).

Fermentācijas procesa laikā tiek ņemti paraugi ar mērķi ievadīt programmatūrā SCADA pašreizējos biomasas un glikozes (vai cita cukuru avota) testu rezultātus. Kad ir veikta testa rezultātu ievadīšana, MATLAB veic automātisku šo rezultātu salīdzināšanu ar aprēķinātajiem rezultātiem saskaņā ar pieņemto matemātisko modeli. Ja novirzes pārsniedz uzstādīto kļūdas robežu, tad MATLAB veic aprēķinus jaunam piebarošanas profilam. Jaunais piebarošanas profils automātiski tiek augšupielādēts kontrolierī un piebarošana turpmāk tiek realizēta saskaņā ar jauno profilu (līdz nākamajai atjaunošanas reizei).

Izmantojot šo kontroles sistēmu tika veiktas E. coli fermentācijas. Kultivēšanas process, kurā izmantota automātiska substrāta piebarošana tika salīdzināts ar procesu, kurā optimālo piebarošanas profilu pirms kultivēšanas sākuma uzstādīja operators.

Mūsu izveidoto fermentācijas kontroles sistēmu var sekmīgi izmantot tehnoloģiju attīstības stadijā, kā arī rūpnieciska mēroga fermentācijas, kas atbilst mūsdienu LRP (GMP) prasībām.