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Introduction
BIOSTAT B-DCU benchtop bioreactor 에 장착되어 있는 mass flow controller (MFC) 는 새롭게 개발된
gas flow 조절장치로서 1ml/min 에서 2L/min 의 넓은 범위 (flow rate ratio : 1:200) 의 mass flow 를
조절가능하며 또한 매우 정밀하게 gas 양을 조절할 수 있는 controller 이다.
이 application note 에서는 새로운 mass flow controller (MFC) 를 장착한 BIOSTAT B-DCU benchtop
bioreactor 가 얼마나 정밀하게 reactor 내부의 gas 양을 조절하는 지를 확인하고자 한다.
1. Material & Methods
Biostat B benchtop bioreactor 의 MFC 의 flow rate ratio 는 1:50 이고 analog 방식으로 controller 와
communication 을 하지만 Biostat B-DCU 의 MFC 의 flow rate ratio 는 1:200 이며 digital 방식으로
controller 와 communication 하므로 flow rate range 가 더 넓고 더 정밀한 gas flow control 이 가능하다.
Table 1 은 Biostat B 와 Biostat B-DCU 의 각 gas 에 대한 mass flow controller 의 특성을 비교하고 있다.
테스트에 사용된 bioreactor 구성과 조건은 다음과 같다.
- UniVessel Glass 5 L vessel
- 3-blade segment impeller
- hole 이 아래로 향하고 있는 ring sparger
- micro sparger
- ports 종류 : feed, pH probe, O₂ probe, exhaust cooler, gassing filter
- pH set-point : 7.15, 별도의 CO₂ sparger 를 이용하여 조절
- pO₂ set point : 60% saturation, advanced pO₂ controller 방식으로 조절 (Figure 1)
| Culture 내의 gas flow rate 조절 cascade 는 다음과 같이 진행한다. |
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| ① |
배양 초기에 산소요구량이 조금씩 증가하므로 air flow rate 를 0 에서 0.15 L/min flow
rate 로 증가시키고 동시에 N2 는 0.15 L/min flow rate 에서 0 으로 점차 감소시킨다. |
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| ② |
그 다음 단계에서는 air 의 flow rate 를 조금씩 0 으로까지 감소시키고 동시에 air 의
flow rate 감소속도와 동일한 속도로 O₂ 의 flow rate 를 0.15 L/min 으로 증가시켜 pO₂ 를 60% 로 맞춘다. |
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| ③ |
만약 culture 의 산소요구량이 계속 증가하면 O₂ 의 flow rate 를 0.5 L/min 까지 계속 증가시킨다. |
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| ④ |
impeller agitation 은 250rpm 을 유지하다가 마지막 단계에서 400rpm 으로 증가시킨다. |
| BIOSTAT B-DCU 의 새로운 mass flow controller 의 기능을 확인하기 위해 다음과 같은 과정으로 CHO fed-batch 배양을 진행하였다. |
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| ① |
3-day batch phase 와 14-day fed-batch phase 로 진행 |
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| ② |
0.3 x 10^6 cells/ml 로 inoculation |
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| ③ |
배양후 8일째에 25 - 30 x 10^6 cells/ml 로 peak viable cell density 도달하였으며
99% 의 viablity 나타냄. |
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| ④ |
FMA (feed medium A) 와 FMB (feed medium B) 는 fed-batch phase 전 과정에서 공급 |
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| ⑤ |
highly concentrated glucose solution (400 g/L) 은 배양 후 7일째에 공급하여
배양액에서 glucose 의 농도를 3 g/L 로 유지하였다. |
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| ⑥ |
feeding process 는 DCU (digital control unit) 와 MFCS (multi fermenter control system)
Recipe 를 이용하여 자동으로 진행되었다. |
2. Results & Discussion
Figure 2 와 Figure 3 은 Biostat B 와 Biostat B-DCU 에서 나타나는 60% pO₂ 값의 fluctuarion 을 비교하였다.
Figure 2 는 micro-sparger, Figure 3 은 ring sparger 를 이용하여 pO₂ 를 조절하였다.
Figure 2 과 3 모두new MFC 를 장착한 Biostat B-DCU 의 pO₂ fluctuation는 standard MFC 를 장착한
Biostat B 보다 훨씬 더 안정하다는 것을 알 수 있는데 이는 Biostat B-DCU 의 new MFC 가 더 정밀하게
pO₂ 를 조절한다는 것을 의미한다.
또한 micro sparger 에 비해 ring sparger 가 O₂ transfer 에 훨씬 효과적이라는 것이 확인되었다.
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