Новини - Мониторинг на нивата на разтворен кислород в процеса на биофармацевтична ферментация

Какво е разтворен кислород?

Разтвореният кислород (DO) се отнася до молекулярен кислород (O_₂), който е разтворен във вода. Той се различава от кислородните атоми, присъстващи във водните молекули (H_₂O), тъй като съществува във водата под формата на независими кислородни молекули, произхождащи от атмосферата или генерирани чрез фотосинтеза от водни растения. Концентрацията на разтворен кислород (DO) се влияе от различни фактори, включително температура, соленост, воден поток и биологична активност. Като такава, тя служи като критичен индикатор за оценка на здравословното състояние и замърсяването на водните среди.

Разтвореният кислород играе жизненоважна роля в насърчаването на микробния метаболизъм, като влияе върху клетъчното дишане, растежа и биосинтеза на метаболитни продукти. По-високите нива на разтворен кислород обаче не винаги са полезни. Излишният кислород може да доведе до по-нататъшен метаболизъм на натрупаните продукти и потенциално да причини токсични реакции. Оптималните нива на разтворен кислород варират при различните бактериални видове. Например, по време на биосинтеза на пеницилин, разтвореният кислород обикновено се поддържа на приблизително 30% насищане с въздух. Ако разтвореният кислород падне до нула и остане на това ниво в продължение на пет минути, образуването на продукти може да бъде значително нарушено. Ако това състояние продължи 20 минути, може да възникнат необратими увреждания.

В момента най-често използваните сензори за разтворен кислород (DO) могат да измерват само относителното насищане на въздуха, а не абсолютната концентрация на разтворен кислород. След стерилизация на хранителната среда се извършва аериране и разбъркване, докато показанията на сензора се стабилизират, след което стойността се задава на 100% насищане на въздуха. Последващите измервания по време на процеса на ферментация се основават на тази референтна стойност. Абсолютните стойности на DO не могат да бъдат определени с помощта на стандартни сензори и изискват по-усъвършенствани техники, като например полярография. Измерванията на насищане на въздуха обаче обикновено са достатъчни за наблюдение и контрол на ферментационните процеси.

В рамките на един ферментатор нивата на разтворен кислород (DO) могат да варират в различните региони. Дори когато в даден момент се получи стабилно отчитане, в определени хранителни среди все още могат да възникнат флуктуации. По-големите ферментатори са склонни да показват по-големи пространствени вариации в нивата на разтворен кислород, което може значително да повлияе на микробния растеж и производителността. Експериментални доказателства показват, че въпреки че средното ниво на разтворен кислород може да бъде 30%, ферментационната производителност при променливи условия е значително по-ниска, отколкото при стабилни условия. Следователно, при увеличаване на мащаба на ферментаторите – отвъд съображенията за геометрично и енергийно сходство – минимизирането на пространствените вариации на разтворен кислород остава ключова изследователска цел.

Защо мониторингът на разтворения кислород е от съществено значение в биофармацевтичната ферментация?

1. За поддържане на оптимална среда за растеж на микроорганизми или клетки
Индустриалната ферментация обикновено включва аеробни микроорганизми, като Escherichia coli и дрожди, или клетки на бозайници, като например клетки от яйчници на китайски хамстер (CHO). Тези клетки функционират като „работници“ във ферментационната система, изискващи кислород за дишане и метаболитна активност. Кислородът служи като краен акцептор на електрони в аеробното дишане, позволявайки производството на енергия под формата на АТФ. Недостатъчното снабдяване с кислород може да доведе до клетъчно задушаване, спиране на растежа или дори клетъчна смърт, което в крайна сметка води до неуспех на ферментацията. Мониторингът на нивата на разтворен кислород гарантира, че концентрациите на кислород остават в оптималния диапазон за устойчив клетъчен растеж и жизнеспособност.

2. Да се осигури ефективен синтез на целевите продукти
Целта на биофармацевтичната ферментация не е просто да стимулира клетъчната пролиферация, а да улесни ефективния синтез на желаните продукти, като инсулин, моноклонални антитела, ваксини и ензими. Тези биосинтетични пътища често изискват значителен енергиен вход, получен предимно от аеробно дишане. Освен това, много ензимни системи, участващи в синтеза на продукти, зависят пряко от кислорода. Недостигът на кислород може да наруши или намали ефективността на тези пътища.

Освен това, нивата на разтворен кислород действат като регулаторен сигнал. Както прекомерно високите, така и ниските концентрации на разтворен кислород могат:
- Променят клетъчните метаболитни пътища, например, преминавайки от аеробно дишане към по-малко ефективна анаеробна ферментация.
- Задействат клетъчни стрес реакции, водещи до производството на нежелани странични продукти.
- Влияние върху нивата на експресия на екзогенни протеини.

Чрез прецизен контрол на нивата на разтворен кислород (DO) на различни етапи от ферментацията е възможно да се насочи клетъчният метаболизъм към максимален синтез на целевия продукт, като по този начин се постигне ферментация с висока плътност и висок добив.

Въведение в схемата на водния поток за биофармацевтични продукти

3. За предотвратяване на недостиг или излишък на кислород
Кислородният дефицит (хипоксия) може да има тежки последици:
- Клетъчният растеж и синтезът на продукти спират.
- Метаболизмът се измества към анаеробни пътища, което води до натрупване на органични киселини като млечна киселина и оцетна киселина, които понижават pH на хранителната среда и могат да отровят клетките.
- Продължителната хипоксия може да причини необратими увреждания, като възстановяването е непълно дори след възстановяване на кислородното снабдяване.

Излишният кислород (пренасищане) също крие рискове:
- Може да предизвика оксидативен стрес и образуването на реактивни кислородни видове (ROS), които увреждат клетъчните мембрани и биомолекулите.
- Прекомерното аериране и разбъркване увеличават консумацията на енергия и оперативните разходи, което води до ненужно разхищение на ресурси.

4. Като критичен параметър за мониторинг в реално време и управление с обратна връзка

Разреденият разтворен кислород (DO) е параметър в реално време, който непрекъснато и изчерпателно отразява вътрешните условия на ферментационната система. Промените в нивата на DO могат чувствително да показват различни физиологични и оперативни състояния:
- Бързият клетъчен растеж увеличава консумацията на кислород, което води до намаляване на нивата на разтворен кислород.
- Изчерпването или инхибирането на субстрата забавя метаболизма, намалявайки консумацията на кислород и причинявайки повишаване на нивата на разтворен кислород.
- Замърсяването с чужди микроорганизми променя модела на консумация на кислород, което води до анормални колебания на разтворения кислород и служи като ранен предупредителен сигнал.
- Неизправности в оборудването, като например повреда на бъркалката, запушване на вентилационната тръба или замърсяване на филтъра, също могат да доведат до необичайно поведение на разтворения кислород.

Чрез интегриране на мониторинг на разтворения кислород в реално време в автоматизирана система за управление с обратна връзка, може да се постигне прецизно регулиране на нивата на разтворения кислород чрез динамични настройки на следните параметри:
- Скорост на разбъркване: Увеличаването на скоростта подобрява контакта газ-течност чрез разрушаване на мехурчетата, като по този начин подобрява ефективността на преноса на кислород. Това е най-често използваният и ефективен метод.
- Скорост на аериране: Регулиране на скоростта на потока или състава на входящия газ (напр. увеличаване на дела на въздух или чист кислород).
- Налягане в резервоара: Повишаването на налягането увеличава парциалното налягане на кислорода, като по този начин подобрява разтворимостта.
- Температура: Понижаването на температурата увеличава разтворимостта на кислород в хранителната среда.

Препоръки за продукти на BOQU за онлайн мониторинг на биологична ферментация: