Vijesti - Praćenje nivoa rastvorenog kiseonika u procesu biofarmaceutske fermentacije

Šta je rastvoreni kiseonik?

Rastvoreni kisik (DO) odnosi se na molekularni kisik (O_₂) koji je rastvoren u vodi. Razlikuje se od atoma kisika prisutnih u molekulama vode (H_₂O), budući da postoji u vodi u obliku nezavisnih molekula kisika, bilo da potiču iz atmosfere ili nastaju fotosintezom vodenih biljaka. Na koncentraciju rastvorenog kisika utječu različiti faktori, uključujući temperaturu, salinitet, protok vode i biološke aktivnosti. Kao takav, služi kao ključni pokazatelj za procjenu zdravstvenog stanja i statusa zagađenja vodenih okoliša.

Rastvoreni kisik igra vitalnu ulogu u promovisanju mikrobnog metabolizma, utičući na ćelijsko disanje, rast i biosintezu metaboličkih produkata. Međutim, viši nivoi rastvorenog kisika nisu uvijek korisni. Višak kisika može dovesti do daljnjeg metabolizma akumuliranih produkata i potencijalno izazvati toksične reakcije. Optimalni nivoi rastvorenog kisika variraju među različitim bakterijskim vrstama. Na primjer, tokom biosinteze penicilina, rastvoreni kisik se obično održava na približno 30% zasićenja zrakom. Ako rastvoreni kisik padne na nulu i ostane na tom nivou pet minuta, formiranje produkata može biti značajno narušeno. Ako ovo stanje traje 20 minuta, može doći do nepovratne štete.

Trenutno, najčešće korišteni DO senzori mogu mjeriti samo relativnu zasićenost zrakom, a ne apsolutnu koncentraciju rastvorenog kisika. Nakon sterilizacije podloge za kulturu, vrši se aeracija i miješanje dok se očitanje senzora ne stabilizira, nakon čega se vrijednost postavlja na 100% zasićenosti zrakom. Naknadna mjerenja tokom procesa fermentacije zasnivaju se na ovoj referenci. Apsolutne DO vrijednosti ne mogu se odrediti pomoću standardnih senzora i zahtijevaju naprednije tehnike, poput polarografije. Međutim, mjerenja zasićenosti zrakom su uglavnom dovoljna za praćenje i kontrolu procesa fermentacije.

Unutar fermentora, nivoi rastvorenog rastvorenog gasa (DO) mogu varirati u različitim regijama. Čak i kada se u jednom trenutku dobije stabilno očitanje, fluktuacije se i dalje mogu javiti u određenim podlogama za kulturu. Veći fermentori imaju tendenciju da pokazuju veće prostorne varijacije u nivoima rastvorenog rastvorenog gasa (DO), što može značajno uticati na rast i produktivnost mikroba. Eksperimentalni dokazi su pokazali da, iako prosječan nivo DO može biti 30%, performanse fermentacije pod promjenjivim uslovima su znatno niže nego pod stabilnim uslovima. Stoga, pri povećanju kapaciteta fermentora - pored razmatranja geometrijske i energetske sličnosti - minimiziranje prostornih varijacija DO ostaje ključni istraživački cilj.

Zašto je praćenje rastvorenog kiseonika neophodno u biofarmaceutskoj fermentaciji?

1. Održavanje optimalnog okruženja za rast mikroorganizama ili ćelija
Industrijska fermentacija obično uključuje aerobne mikroorganizme, poput Escherichia coli i kvasca, ili ćelije sisara, poput ćelija jajnika kineskog hrčka (CHO). Ove ćelije funkcionišu kao "radnici" unutar fermentacionog sistema, kojima je potreban kiseonik za disanje i metaboličku aktivnost. Kiseonik služi kao terminalni akceptor elektrona u aerobnom disanju, omogućavajući proizvodnju energije u obliku ATP-a. Nedovoljna opskrba kiseonikom može dovesti do gušenja ćelija, zaustavljanja rasta ili čak smrti ćelija, što na kraju rezultira neuspjehom fermentacije. Praćenje nivoa rastvorenog kiseonika osigurava da koncentracije kiseonika ostanu unutar optimalnog raspona za održivi rast i održivost ćelija.

2. Osigurati efikasnu sintezu ciljnih proizvoda
Cilj biofarmaceutske fermentacije nije samo podsticanje proliferacije ćelija, već i olakšavanje efikasne sinteze željenih ciljnih proizvoda, kao što su inzulin, monoklonska antitijela, vakcine i enzimi. Ovi biosintetski putevi često zahtijevaju značajan unos energije, prvenstveno izveden iz aerobnog disanja. Osim toga, mnogi enzimski sistemi uključeni u sintezu proizvoda direktno zavise od kiseonika. Nedostatak kiseonika može poremetiti ili smanjiti efikasnost ovih puteva.

Štaviše, nivoi rastvorenog rastvorenog gasa djeluju kao regulatorni signal. I pretjerano visoke i pretjerano niske koncentracije rastvorenog rastvorenog gasa mogu:
- Mijenjaju ćelijske metaboličke puteve, na primjer, prelazeći sa aerobnog disanja na manje efikasnu anaerobnu fermentaciju.
- Pokreću ćelijske stresne reakcije, što dovodi do proizvodnje neželjenih nusprodukata.
- Utiču na nivoe ekspresije egzogenih proteina.

Preciznom kontrolom nivoa rastvorenog kiseonika (DO) u različitim fazama fermentacije, moguće je usmjeriti ćelijski metabolizam prema maksimalnoj sintezi ciljnog produkta, čime se postiže fermentacija visoke gustine i visokog prinosa.

Uvod u dijagram toka vode za biofarmaceutske proizvode

3. Za sprječavanje nedostatka ili viška kisika
Nedostatak kisika (hipoksija) može imati ozbiljne posljedice:
- Rast ćelija i sinteza produkata prestaju.
- Metabolizam se prebacuje na anaerobne puteve, što rezultira akumulacijom organskih kiselina poput mliječne i octene kiseline, koje snižavaju pH vrijednost podloge za kulturu i mogu otrovati ćelije.
- Produžena hipoksija može uzrokovati nepovratna oštećenja, pri čemu oporavak može biti nepotpun čak i nakon što se obnovi dotok kisika.

Višak kisika (prezasićenost) također predstavlja rizike:
- Može izazvati oksidativni stres i stvaranje reaktivnih vrsta kisika (ROS), koje oštećuju ćelijske membrane i biomolekule.
- Prekomjerna aeracija i miješanje povećavaju potrošnju energije i operativne troškove, što dovodi do nepotrebnog rasipanja resursa.

4. Kao kritični parametar za praćenje u realnom vremenu i kontrolu povratne sprege

Razrijeđeni rastvoreni kisik (DO) je parametar u realnom vremenu, kontinuiran i sveobuhvatan, koji odražava unutrašnje uslove fermentacionog sistema. Promjene u nivoima DO mogu osjetljivo ukazati na različita fiziološka i operativna stanja:
- Brzi rast ćelija povećava potrošnju kisika, što uzrokuje pad nivoa rastvorenog kiseonika.
- Iscrpljivanje ili inhibicija supstrata usporava metabolizam, smanjujući potrošnju kisika i uzrokujući porast nivoa rastvorenog kiseonika.
- Kontaminacija stranim mikroorganizmima mijenja obrazac potrošnje kisika, što dovodi do abnormalnih fluktuacija rastvorenog kisika i služi kao rani signal upozorenja.
- Kvarovi opreme, kao što su kvar miješalice, začepljenje ventilacijske cijevi ili onečišćenje filtera, također mogu rezultirati abnormalnim ponašanjem rastvorenog kiseonika (OK).

Integracijom praćenja rastvorenog rastvora u realnom vremenu u automatizovani sistem kontrole sa povratnom spregom, precizna regulacija nivoa rastvorenog rastvora može se postići dinamičkim podešavanjem sljedećih parametara:
- Brzina miješanja: Povećanje brzine poboljšava kontakt plina i tekućine razbijanjem mjehurića, čime se poboljšava efikasnost prijenosa kisika. Ovo je najčešće korištena i najefikasnija metoda.
- Brzina aeracije: Podešavanje brzine protoka ili sastava ulaznog plina (npr. povećanje udjela zraka ili čistog kisika).
- Pritisak u rezervoaru: Povećanje pritiska povećava parcijalni pritisak kiseonika, čime se povećava rastvorljivost.
- Temperatura: Snižavanje temperature povećava rastvorljivost kiseonika u medijumu za kulturu.

BOQU-ove preporuke za online praćenje biološke fermentacije: