Автоматизированные системы подпитки биореакторов

Система подпитки существует по метаболической, а не логистической причине. Дайте культуре клеток млекопитающих или микроорганизмов сразу всю глюкозу, которую она способна потребить, — и потреблена она будет неэффективно. Выше порогового удельного поглощения гликолитический поток превышает окислительную ёмкость клетки, и избыток уходит частично окисленным побочным продуктом: лактатом у CHO, ацетатом у кишечной палочки, этанолом у сахаромицетов по эффекту Крэбтри. Углерод теряется, а сам побочный продукт подавляет рост и смещает качество целевого белка. Поэтому fed-batch — это преднамеренная полуголодная диета: остаточный сахар держат низким, удельное поглощение остаётся ниже порога перелива, и тот же суммарный углерод уходит в биомассу и продукт, а не в лактат.

Кормление вслепую#

Цель управления ясна. Трудность в том, что величина, к которой она относится, — концентрация в аппарате прямо сейчас — обычно не измеряется. Аналога pH-электрода для глюкозы, который выдержал бы недели стерильной культуры без дрейфа и обрастания, нет, поэтому большинство контуров подпитки вовсе не является контурами обратной связи. Это заранее рассчитанный профиль — экспоненциальная кривая, выведенная из целевой удельной скорости роста и принятого коэффициента выхода, — исполняемый разомкнуто и корректируемый по суточным отборам.

Все альтернативы подставляют косвенный сигнал вместо нужного. Анализ отходящего газа даёт скорости потребления кислорода и выделения углекислоты, из которых потребление субстрата выводится, если стехиометрия удерживается. Ёмкостные зонды читают диэлектрический отклик целых клеток с неповреждённой мембраной и потому отслеживают именно живую биомассу, позволяя дозировать на клетку, а не на литр. Схемы DO-stat и pH-stat используют то, что голодающая культура перестаёт дышать или подкислять среду, и подают порцию по этому переходу. Каждый способ — суррогат, и каждый отказывает там, где рушится его допущение: газовый анализ при сдвиге метаболизма, ёмкостный зонд при изменении размера или морфологии клеток по ходу процесса.

Что на самом деле ограничивает железо#

Перистальтическую подачу выбирают потому, что жидкость остаётся внутри замкнутой одноразовой трубки — это сохраняет стерильность и герметичность. Слабость метрологическая: объём за оборот зависит от шланга, который устаёт под многократным пережатием, поэтому за длинную кампанию калиброванная подача уплывает и поданный объём перестаёт совпадать с заданным. Честная поправка — гравиметрическая: ёмкость с подпиткой стоит на тензодатчике, и дозу определяет убыль массы, а не число оборотов.

Ещё два потолка — химические. Подпитка должна быть концентрированной, потому что свободный объём аппарата конечен, а разбавление сводит на нет обогащение; но концентрирование глюкозы и аминокислот поднимает осмоляльность, и примерно с 350–400 мОсм/кг клетки млекопитающих отвечают замедлением роста и изменением профиля гликозилирования. Растворимость вынуждает вести вторую линию: тирозин и цистеин не удерживаются в растворе при нейтральном pH в концентрированном виде и подаются отдельно при высоком pH.

Последнее ограничение пространственное. Подпитка входит в одной точке, а время гомогенизации в крупном аппарате — минута и более. Рядом с точкой ввода культура кратковременно видит концентрацию много выше уставки — ровно то состояние, которого стратегия и должна была избежать. Поэтому расположение точки ввода и разбавление подаваемого потока относятся к решениям о процессе, а не к деталям обвязки.