Știri - Monitorizarea nivelurilor de oxigen dizolvat în procesul de fermentare biofarmaceutică

Ce este oxigenul dizolvat?

Oxigenul dizolvat (OD) se referă la oxigenul molecular (O_₂) care este dizolvat în apă. Acesta diferă de atomii de oxigen prezenți în moleculele de apă (H_₂O), așa cum există în apă sub formă de molecule independente de oxigen, fie provenite din atmosferă, fie generate prin fotosinteză de către plantele acvatice. Concentrația de oxigen dizolvat (DO) este influențată de diverși factori, inclusiv temperatura, salinitatea, debitul apei și activitățile biologice. Ca atare, acesta servește drept indicator critic pentru evaluarea stării de sănătate și poluare a mediilor acvatice.

Oxigenul dizolvat joacă un rol vital în promovarea metabolismului microbian, influențând respirația celulară, creșterea și biosinteza produselor metabolice. Cu toate acestea, niveluri mai ridicate de oxigen dizolvat nu sunt întotdeauna benefice. Excesul de oxigen poate duce la un metabolism suplimentar al produselor acumulate și poate provoca reacții toxice. Nivelurile optime de oxigen dizolvat variază în funcție de diferitele specii bacteriene. De exemplu, în timpul biosintezei penicilinei, oxigenul dizolvat este de obicei menținut la o saturație cu aer de aproximativ 30%. Dacă oxigenul dizolvat scade la zero și rămâne la acest nivel timp de cinci minute, formarea produsului poate fi afectată semnificativ. Dacă această afecțiune persistă timp de 20 de minute, pot apărea daune ireversibile.

În prezent, cei mai utilizați senzori de oxigen dizolvat (DO) pot măsura doar saturația relativă a aerului, nu concentrația absolută de oxigen dizolvat. După sterilizarea mediului de cultură, se efectuează aerarea și agitarea până când citirea senzorului se stabilizează, moment în care valoarea este setată la 100% saturație cu aer. Măsurătorile ulterioare din timpul procesului de fermentare se bazează pe această referință. Valorile absolute ale DO nu pot fi determinate folosind senzori standard și necesită tehnici mai avansate, cum ar fi polarografia. Cu toate acestea, măsurătorile de saturație cu aer sunt în general suficiente pentru monitorizarea și controlul proceselor de fermentare.

Într-un fermentator, nivelurile de dioxid de siliciu (DO) pot varia în diferite regiuni. Chiar și atunci când se obține o citire stabilă la un moment dat, pot apărea fluctuații în anumite medii de cultură. Fermentatoarele mai mari tind să prezinte variații spațiale mai mari ale nivelurilor de DO, ceea ce poate afecta semnificativ creșterea și productivitatea microbiană. Dovezile experimentale au arătat că, deși nivelul mediu de DO poate fi de 30%, performanța fermentației în condiții fluctuante este semnificativ mai mică decât în condiții stabile. Prin urmare, la extinderea fermentatoarelor - dincolo de considerațiile de similaritate geometrică și de putere - minimizarea variațiilor spațiale ale DO rămâne un obiectiv cheie de cercetare.

De ce este esențială monitorizarea oxigenului dizolvat în fermentația biofarmaceutică?

1. Pentru a menține mediul optim de creștere pentru microorganisme sau celule
Fermentația industrială implică de obicei microorganisme aerobe, cum ar fi Escherichia coli și drojdie, sau celule de mamifere, cum ar fi celulele ovariene de hamster chinezesc (CHO). Aceste celule funcționează ca „lucrătoare” în cadrul sistemului de fermentație, necesitând oxigen pentru respirație și activitate metabolică. Oxigenul servește ca acceptor terminal de electroni în respirația aerobă, permițând producerea de energie sub formă de ATP. Aportul insuficient de oxigen poate duce la sufocare celulară, oprirea creșterii sau chiar moartea celulară, rezultând în cele din urmă eșecul fermentației. Monitorizarea nivelurilor de dioxid de carbon asigură că concentrațiile de oxigen rămân în intervalul optim pentru creșterea și viabilitatea celulară susținută.

2. Pentru a asigura sinteza eficientă a produselor țintă
Obiectivul fermentației biofarmaceutice nu este doar de a promova proliferarea celulară, ci de a facilita sinteza eficientă a produselor țintă dorite, cum ar fi insulina, anticorpii monoclonali, vaccinurile și enzimele. Aceste căi biosintetice necesită adesea un aport energetic substanțial, derivat în principal din respirația aerobă. În plus, multe sisteme enzimatice implicate în sinteza produselor depind direct de oxigen. Deficitul de oxigen poate perturba sau reduce eficiența acestor căi.

Mai mult, nivelurile de dioxid de siliciu (DO) acționează ca un semnal de reglare. Atât concentrațiile excesiv de mari, cât și cele excesiv de mici de DO pot:
- Alterarea căilor metabolice celulare, de exemplu, trecerea de la respirația aerobă la o fermentație anaerobă mai puțin eficientă.
- Declanșează răspunsuri celulare la stres, ducând la producerea de subproduse nedorite.
- Influențarea nivelurilor de expresie ale proteinelor exogene.

Prin controlul precis al nivelurilor de dioxid de carbon (OD) în diferite etape ale fermentației, este posibil să se ghideze metabolismul celular către sinteza maximă a produsului țintă, obținând astfel o fermentație cu densitate mare și randament ridicat.

Introducere în diagrama de flux a apei pentru produsele biofarmaceutice

3. Pentru a preveni deficitul sau excesul de oxigen
Deficitul de oxigen (hipoxia) poate avea consecințe grave:
- Creșterea celulară și sinteza produselor încetează.
Metabolismul se deplasează către căi anaerobe, rezultând acumularea de acizi organici precum acidul lactic și acidul acetic, care scad pH-ul mediului de cultură și pot otrăvi celulele.
Hipoxia prelungită poate provoca leziuni ireversibile, recuperarea fiind incompletă chiar și după restabilirea aportului de oxigen.

Excesul de oxigen (suprasaturația) prezintă, de asemenea, riscuri:
- Poate induce stres oxidativ și formarea de specii reactive de oxigen (ROS), care deteriorează membranele celulare și biomoleculele.
Aerarea și agitarea excesivă cresc consumul de energie și costurile operaționale, ducând la risipă inutilă de resurse.

4. Ca parametru critic pentru monitorizarea în timp real și controlul feedback-ului

DO este un parametru în timp real, continuu și cuprinzător care reflectă condițiile interne ale sistemului de fermentație. Modificările nivelurilor de DO pot indica în mod sensibil diverse stări fiziologice și operaționale:
Creșterea rapidă a celulelor crește consumul de oxigen, determinând scăderea nivelurilor de dioxid de carbon.
Epuizarea sau inhibarea substratului încetinește metabolismul, reducând consumul de oxigen și determinând creșterea nivelurilor de dioxid de carbon.
Contaminarea cu microorganisme străine modifică modelul de consum de oxigen, ducând la fluctuații anormale ale dioxidului dizolvat (DO) și servind ca un semnal de avertizare timpuriu.
Defecțiunile echipamentelor, cum ar fi defectarea agitatorului, blocarea conductei de ventilație sau murdărirea filtrului, pot duce, de asemenea, la un comportament anormal al dizolvat oxigen.

Prin integrarea monitorizării DO în timp real într-un sistem automat de control cu feedback, se poate realiza o reglare precisă a nivelurilor de DO prin ajustări dinamice ale următorilor parametri:
- Viteza de amestecare: Creșterea vitezei îmbunătățește contactul gaz-lichid prin spargerea bulelor, îmbunătățind astfel eficiența transferului de oxigen. Aceasta este metoda cea mai frecvent utilizată și eficientă.
- Rata de aerare: Reglarea debitului sau a compoziției gazului de admisie (de exemplu, creșterea proporției de aer sau oxigen pur).
- Presiunea din rezervor: Creșterea presiunii crește presiunea parțială a oxigenului, sporind astfel solubilitatea.
- Temperatură: Scăderea temperaturii crește solubilitatea oxigenului în mediul de cultură.

Recomandările de produse BOQU pentru monitorizarea online a fermentației biologice: