Fed-batch_galvenaa-В ферментациях, где необходимо обеспечивать нарастание биомассы с большой плотностью (например, это характерно для биосинтеза рекомбинантных протеинов с использованием штаммов E.coli), существенным является выбор оптимального профиля подпитки субстратом. В научных публикациях имеются описания специально созданных экспериментальных систем для проведения ферментаций с автоматическим управлением подпиткой на основе математических моделей. Несмотря на это, коммерчески доступные контроллеры биореакторов обеспечивают не более как возможность задания оператором профилей подпитки по времени и управление скоростью подачи субстрата в зависимости от показаний датчика рО2.

Особенностью ферментационных процессов является то, что даже при соблюдении абсолютно идентичных условий культивирования не удаётся обеспечить полную повторяемость. Это связано как со свойствами посевного материала, так с наличием других, не всегда известных факторов. В результате, для обеспечения оптимального профиля подпитки его необходимо постоянно корректировать в зависимости от прохождения конкретного ферментационного процесса. Это означает, что расчёт и ввод обновлённых профилей подпитки напрямую зависит от квалификации оператора. Учитывая, что данная операция требует очень высокой подготовки и квалификации оператора, риск совершения ошибки является относительно большим, что противоречит современным требованиям GMP. Это означает, что необходимо искать решения как снизить степень зависимости от оператора при выполнении указанной технологической операции.

На определённых стадиях ферментационного процесса можно успешно проводить автоматическую подпитку по показаниям датчика рО2. Но здесь имеется несколько проблем. Во-первых, в таком случае невозможно управлять концентрацией О2 по скорости вращения мешалки и/или обогащением кислородом воздуха, подаваемого на аэрацию, а во-вторых, при достижении относительно больших плотностей биомассы невозможно реализовать такое управление в оптимальном варианте.

Резюмируя вышеупомянутое, следует отметить, что в основе проблемы реализации автоматической подпитки во время ферментационных процессов лежат ограниченные возможности контроллеров (PLC) и программных систем визуализации процессов (SCADA). Указанные ограничения связаны с тем, что для расчёта оптимальных профилей подпитки необходимо пользоваться решениями системы дифференциальных управлений.

Для решения этой проблемы, нами создана система управления ферментацией  согласно нижеприведенной блок-схеме.

 

Данная блок-схема предполагает, что пользователь уже имеет укомплектованный биореактор для проведения ферментаций. Система функционирует следующим образом. В блок-схеме с пунктирной линией выделено дополнительное оборудование и принадлежности для обеспечения автоматической подпитки субстратом. Бутыли для хранения щелочи и/или кислоты, пеногасителя, субстрата, используемого для подпитки и других субстанций размещаются на платформенных весах, так как для анализа и моделирования процесса необходимо довольно точно знать текущий вес ферментационной среды. Платформенные весы подключаются к контроллеру (на базе Siemens Simatic) посредством серийного порта RS485 с использованием протокола обмена Modbus RTU. При запуске процесса ферментации одновременно (с точностью в несколько минут) следует запустить программу SCADA для управления подпиткой субстратом.

Программа SCADA в нашей системе управления соединена с программой моделирования подпитки, разработанной на базе MATLAB. Перед запуском процесса ферментации следует ввести в программу SCADA начальные данные — объём культуральной среды, концентрацию биомассы и глюкозы (или другого источника сахаров), а также задать начальный профиль подпитки (рассчитывается с помощью MATLAB).

Во время проведения процесса ферментации берутся пробы, для того чтобы в программу SCADA ввести текущие результаты анализов биомассы и глюкозы (или других сахаров). После ввода результатов анализов программа MATLAB производит автоматическое сравнение этих результатов с результатами расчётов согласно принятой математической модели. Если отклонения выше заданной ошибки, тогда в программе MATLAB происходит расчёт нового профиля подпитки. Обновлённый профиль подпитки автоматически загружается в контроллер, и подпитка субстратом происходит дальше согласно новому профилю (пока не последует новое обновление).

С применением данной системы управления проводились ферментации E.coli. Было проведено сравнение процессов культивирования с автоматической подпиткой субстратом и процессов, где оптимальные профили подпитки перед началом культивирования устанавливались оператором.

Как показывает практика, применение данной системы управления не только дает возможность существенно повысить продуктивность ферментации, в частности E.coli, но и является очень удобным для пользователя. Это объясняется тем, что все расчеты делаются автоматически, и, следовательно, практически полностью устраняется влияние человеческого фактора при выборе оптимальных профилей подпитки.

Указанную систему управления процессом ферментации можно успешно применять как на стадии разработки технологии, так и в ферментациях промышленного производства, отвечающих современным требованиям GMP.