Вести - Мониторинг на нивоата на растворен кислород во процесот на биофармацевтска ферментација

Што е растворен кислород?

Растворениот кислород (DO) се однесува на молекуларен кислород (O_₂) што е растворен во вода. Се разликува од атомите на кислород присутни во молекулите на водата (H_₂O), бидејќи постои во водата во форма на независни молекули на кислород, или потекнуваат од атмосферата или се генерираат преку фотосинтеза од водни растенија. Концентрацијата на DO е под влијание на различни фактори, вклучувајќи ја температурата, соленоста, протокот на вода и биолошките активности. Како таква, таа служи како критичен индикатор за проценка на здравствената состојба и состојбата на загадувањето на водната средина.

Растворениот кислород игра витална улога во промовирањето на микробниот метаболизам, влијаејќи врз клеточното дишење, растот и биосинтезата на метаболички производи. Сепак, повисоките нивоа на растворен кислород не се секогаш корисни. Вишокот кислород може да доведе до понатамошен метаболизам на акумулираните производи и потенцијално да предизвика токсични реакции. Оптималните нивоа на DO варираат кај различните бактериски видови. На пример, за време на биосинтезата на пеницилин, DO обично се одржува на приближно 30% сатурација на воздух. Ако DO падне на нула и остане на тоа ниво пет минути, формирањето на производот може значително да се наруши. Ако оваа состојба трае 20 минути, може да се појави неповратно оштетување.

Во моментов, најчесто користените DO сензори можат да мерат само релативна сатурација на воздух, а не апсолутна концентрација на растворен кислород. По стерилизацијата на култивираната подлога, се врши аерација и мешање сè додека отчитувањето на сензорот не се стабилизира, по што вредноста се поставува на 100% сатурација на воздух. Последователните мерења за време на процесот на ферментација се базираат на оваа референца. Апсолутните вредности на DO не можат да се одредат со користење на стандардни сензори и бараат понапредни техники, како што е поларографијата. Сепак, мерењата на сатурацијата на воздух се генерално доволни за следење и контрола на процесите на ферментација.

Во рамките на ферментатор, нивоата на DO може да варираат во различни региони. Дури и кога се добива стабилно отчитување во еден момент, сепак може да се појават флуктуации во одредени медиуми за култура. Поголемите ферментатори имаат тенденција да покажуваат поголеми просторни варијации во нивоата на DO, што може значително да влијае на микробниот раст и продуктивноста. Експерименталните докази покажаа дека, иако просечното ниво на DO може да биде 30%, перформансите на ферментација под флуктуирачки услови се значително пониски отколку под стабилни услови. Затоа, при зголемувањето на ферментаторите - надвор од разгледувањето на геометриската сличност и сличноста на моќноста - минимизирањето на просторните варијации на DO останува клучна истражувачка цел.

Зошто е важно следењето на растворениот кислород во биофармацевтската ферментација?

1. За одржување на оптимална средина за раст на микроорганизми или клетки
Индустриската ферментација обично вклучува аеробни микроорганизми, како што се Escherichia coli и квасец, или клетки на цицачи, како што се клетките на јајниците на кинескиот хрчак (CHO). Овие клетки функционираат како „работници“ во рамките на системот за ферментација, барајќи кислород за дишење и метаболичка активност. Кислородот служи како терминален акцептор на електрони во аеробното дишење, овозможувајќи производство на енергија во форма на ATP. Недоволното снабдување со кислород може да доведе до клеточно задушување, запирање на растот или дури и смрт на клетките, што на крајот резултира со неуспех на ферментацијата. Следењето на нивоата на DO осигурува дека концентрациите на кислород остануваат во оптималниот опсег за одржлив раст и одржливост на клетките.

2. Да се обезбеди ефикасна синтеза на целните производи
Целта на биофармацевтската ферментација не е само да се промовира клеточната пролиферација, туку и да се олесни ефикасната синтеза на посакуваните целни производи, како што се инсулин, моноклонални антитела, вакцини и ензими. Овие биосинтетски патишта често бараат значителен внес на енергија, првенствено добиен од аеробна респирација. Дополнително, многу ензимски системи вклучени во синтезата на производи директно зависат од кислородот. Недостатокот на кислород може да ја наруши или намали ефикасноста на овие патишта.

Покрај тоа, нивоата на DO дејствуваат како регулаторен сигнал. И претерано високите и ниските концентрации на DO можат:
- Промена на клеточните метаболички патишта, на пример, преминување од аеробно дишење кон помалку ефикасна анаеробна ферментација.
- Активираат клеточни стресни реакции, што доведува до производство на несакани нуспроизводи.
- Влијае врз нивоата на експресија на егзогени протеини.

Со прецизно контролирање на нивоата на DO во различни фази на ферментација, можно е да се насочи клеточниот метаболизам кон максимална синтеза на целниот производ, со што се постигнува ферментација со висока густина и висок принос.

Вовед во дијаграмот на проток на вода за биофармацевтски производи

3. За спречување на недостаток или вишок на кислород
Недостатокот на кислород (хипоксија) може да има сериозни последици:
- Растот на клетките и синтезата на производи престануваат.
- Метаболизмот се префрла на анаеробни патишта, што резултира со акумулација на органски киселини како што се млечна киселина и оцетна киселина, кои ја намалуваат pH вредноста на културалниот медиум и можат да ги отрујат клетките.
- Продолжената хипоксија може да предизвика неповратно оштетување, при што закрепнувањето ќе биде нецелосно дури и по обновувањето на снабдувањето со кислород.

Вишокот кислород (суперсатурација) исто така претставува ризик:
- Може да предизвика оксидативен стрес и формирање на реактивни кислородни видови (ROS), кои ги оштетуваат клеточните мембрани и биомолекулите.
- Прекумерната аерација и мешање ја зголемуваат потрошувачката на енергија и оперативните трошоци, што доведува до непотребно трошење ресурси.

4. Како критичен параметар за следење во реално време и контрола на повратни информации

DO е параметар во реално време, континуиран и сеопфатен што ги одразува внатрешните услови на системот за ферментација. Промените во нивоата на DO можат чувствително да покажат различни физиолошки и оперативни состојби:
- Брзиот раст на клетките ја зголемува потрошувачката на кислород, предизвикувајќи намалување на нивоата на DO.
- Намалувањето или инхибицијата на супстратот го забавува метаболизмот, намалувајќи ја потрошувачката на кислород и предизвикувајќи зголемување на нивоата на DO.
- Контаминацијата со туѓи микроорганизми го менува моделот на потрошувачка на кислород, што доведува до абнормални флуктуации на DO и служи како сигнал за рано предупредување.
- Неисправностите на опремата, како што се дефект на мешалката, затнување на вентилационата цевка или замаглување на филтерот, исто така може да резултираат со абнормално однесување на DO.

Со интегрирање на мониторингот на DO во реално време во систем за автоматска контрола со повратна информација, прецизна регулација на нивоата на DO може да се постигне преку динамички прилагодувања на следните параметри:
- Брзина на мешање: Зголемувањето на брзината го подобрува контактот гас-течност со разбивање на меурчињата, со што се подобрува ефикасноста на преносот на кислород. Ова е најчесто користениот и најефикасниот метод.
- Брзина на аерација: Прилагодување на брзината на проток или составот на влезниот гас (на пр., зголемување на процентот на воздух или чист кислород).
- Притисок во резервоарот: Зголемувањето на притисокот го зголемува парцијалниот притисок на кислородот, со што се подобрува растворливоста.
- Температура: Намалувањето на температурата ја зголемува растворливоста на кислород во хранливата подлога.

Препораки за производи на BOQU за онлајн следење на биолошката ферментација: