Вести - Праћење нивоа раствореног кисеоника у процесу биофармацеутске ферментације

Шта је растворени кисеоник?

Растворени кисеоник (DO) се односи на молекуларни кисеоник (O_₂) који је растворен у води. Разликује се од атома кисеоника присутних у молекулима воде (H_₂O), јер постоји у води у облику независних молекула кисеоника, било да потичу из атмосфере или настају фотосинтезом водених биљака. На концентрацију раствореног кисеоника утичу различити фактори, укључујући температуру, салинитет, проток воде и биолошке активности. Као такав, служи као кључни индикатор за процену здравственог стања и статуса загађења водених средина.

Растворени кисеоник игра виталну улогу у подстицању микробног метаболизма, утицају на ћелијско дисање, раст и биосинтезу метаболичких производа. Међутим, виши нивои раствореног кисеоника нису увек корисни. Вишак кисеоника може довести до даљег метаболизма акумулираних производа и потенцијално изазвати токсичне реакције. Оптимални нивои раствореног кисеоника варирају међу различитим бактеријским врстама. На пример, током биосинтезе пеницилина, растворени кисеоник се обично одржава на приближно 30% засићења ваздухом. Ако растворени кисеоник падне на нулу и остане на том нивоу пет минута, формирање производа може бити значајно нарушено. Ако ово стање потраје 20 минута, може доћи до неповратне штете.

Тренутно, најчешће коришћени сензори раствореног кисеоника могу да мере само релативну засићеност ваздухом, а не апсолутну концентрацију раствореног кисеоника. Након стерилизације подлоге за култивацију, врши се аерација и мешање док се очитавање сензора не стабилизује, када се вредност подешава на 100% засићености ваздухом. Накнадна мерења током процеса ферментације заснивају се на овој референци. Апсолутне вредности раствореног кисеоника не могу се одредити коришћењем стандардних сензора и захтевају напредније технике, као што је поларографија. Међутим, мерења засићености ваздухом су генерално довољна за праћење и контролу процеса ферментације.

Унутар ферментора, нивои раствореног кисеоника (DO) могу да варирају у различитим регионима. Чак и када се у једном тренутку добије стабилно очитавање, флуктуације се и даље могу јавити у одређеним медијумима за култивацију. Већи ферментори имају тенденцију да показују веће просторне варијације у нивоима раствореног кисеоника, што може значајно утицати на раст и продуктивност микроба. Експериментални докази су показали да, иако просечан ниво раствореног кисеоника може бити 30%, перформансе ферментације под променљивим условима су знатно ниже него под стабилним условима. Стога, при повећању капацитета ферментора – поред разматрања геометријске и енергетске сличности – минимизирање просторних варијација раствореног кисеоника остаје кључни циљ истраживања.

Зашто је праћење раствореног кисеоника неопходно у биофармацеутској ферментацији?

1. Да би се одржало оптимално окружење за раст микроорганизама или ћелија
Индустријска ферментација обично укључује аеробне микроорганизме, као што су Escherichia coli и квасац, или ћелије сисара, као што су ћелије јајника кинеског хрчка (CHO). Ове ћелије функционишу као „радници“ унутар система ферментације, захтевајући кисеоник за дисање и метаболичку активност. Кисеоник служи као терминални акцептор електрона у аеробном дисању, омогућавајући производњу енергије у облику АТП-а. Недовољно снабдевање кисеоником може довести до ћелијског гушења, застоја у расту или чак ћелијске смрти, што на крају резултира неуспехом ферментације. Праћење нивоа раствореног кисеоника осигурава да концентрације кисеоника остану у оптималном опсегу за одрживи раст и одрживост ћелија.

2. Да би се обезбедила ефикасна синтеза циљних производа
Циљ биофармацеутске ферментације није само подстицање ћелијске пролиферације, већ и олакшавање ефикасне синтезе жељених циљних производа, као што су инсулин, моноклонска антитела, вакцине и ензими. Ови биосинтетски путеви често захтевају значајан унос енергије, првенствено добијене аеробним дисањем. Поред тога, многи ензимски системи укључени у синтезу производа директно зависе од кисеоника. Недостатак кисеоника може пореметити или смањити ефикасност ових путева.

Штавише, нивои раствореног кисеоника делују као регулаторни сигнал. И претерано високе и претерано ниске концентрације раствореног кисеоника могу:
- Мењају ћелијске метаболичке путеве, на пример, прелазећи са аеробног дисања на мање ефикасну анаеробну ферментацију.
- Покрећу ћелијске стресне реакције, што доводи до производње нежељених нуспроизвода.
- Утичу на нивое експресије егзогених протеина.

Прецизном контролом нивоа раствореног кисеоника у различитим фазама ферментације, могуће је усмерити ћелијски метаболизам ка максималној синтези циљног производа, чиме се постиже ферментација високе густине и високог приноса.

Увод у дијаграм тока воде за биофармацеутске производе

3. Да би се спречио недостатак или вишак кисеоника
Недостатак кисеоника (хипоксија) може имати озбиљне последице:
- Раст ћелија и синтеза производа престају.
- Метаболизам се помера ка анаеробним путевима, што резултира акумулацијом органских киселина као што су млечна киселина и сирћетна киселина, које снижавају pH вредност подлоге за култивацију и могу отровати ћелије.
- Продужена хипоксија може изазвати неповратна оштећења, при чему је опоравак непотпун чак и након што се обнови снабдевање кисеоником.

Вишак кисеоника (презасићеност) такође представља ризик:
- Може изазвати оксидативни стрес и стварање реактивних врста кисеоника (ROS), које оштећују ћелијске мембране и биомолекуле.
- Прекомерно аерирање и мешање повећавају потрошњу енергије и оперативне трошкове, што доводи до непотребног расипања ресурса.

4. Као критични параметар за праћење у реалном времену и контролу повратном информацијом

Разређени раствор је параметар у реалном времену, континуиран и свеобухватан, који одражава унутрашње услове система ферментације. Промене у нивоима раствореног раствора могу осетљиво указивати на различита физиолошка и оперативна стања:
- Брзи раст ћелија повећава потрошњу кисеоника, што доводи до пада нивоа раствореног кисеоника.
- Исцрпљивање или инхибиција супстрата успорава метаболизам, смањујући потрошњу кисеоника и узрокујући пораст нивоа раствореног кисеоника.
- Контаминација страним микроорганизмима мења образац потрошње кисеоника, што доводи до абнормалних флуктуација раствореног кисеоника и служи као рани сигнал упозорења.
- Кварови опреме, као што су квар мешалице, зачепљење вентилационе цеви или запрљање филтера, такође могу довести до абнормалног понашања раствореног кисеоника.

Интеграцијом праћења раствореног кисеоника у реалном времену у аутоматизовани систем контроле са повратном спрегом, прецизна регулација нивоа раствореног кисеоника може се постићи динамичким подешавањем следећих параметара:
- Брзина мешања: Повећање брзине побољшава контакт гаса и течности разбијањем мехурића, чиме се побољшава ефикасност преноса кисеоника. Ово је најчешће коришћена и најефикаснија метода.
- Брзина аерације: Подешавање брзине протока или састава улазног гаса (нпр. повећање удела ваздуха или чистог кисеоника).
- Притисак у резервоару: Повећање притиска повећава парцијални притисак кисеоника, чиме се повећава растворљивост.
- Температура: Снижавање температуре повећава растворљивост кисеоника у подлози за култивацију.

BOQU-ове препоруке за производе за онлајн праћење биолошке ферментације: