Nuus - Monitering van opgeloste suurstofvlakke in die biofarmaseutiese fermentasieproses

Wat is opgeloste suurstof?

Opgeloste suurstof (DO) verwys na molekulêre suurstof (O_₂) wat in water opgelos is. Dit verskil van die suurstofatome wat in watermolekules voorkom (H_₂O), soos dit in water bestaan in die vorm van onafhanklike suurstofmolekules, wat óf uit die atmosfeer ontstaan óf deur fotosintese deur waterplante gegenereer word. Die konsentrasie van DO word beïnvloed deur verskeie faktore, insluitend temperatuur, soutgehalte, watervloei en biologiese aktiwiteite. As sodanig dien dit as 'n kritieke aanwyser vir die beoordeling van die gesondheids- en besoedelingstatus van akwatiese omgewings.

Opgeloste suurstof speel 'n belangrike rol in die bevordering van mikrobiese metabolisme, wat sellulêre respirasie, groei en die biosintese van metaboliese produkte beïnvloed. Hoër vlakke van opgeloste suurstof is egter nie altyd voordelig nie. Oormatige suurstof kan lei tot verdere metabolisme van opgehoopte produkte en moontlik toksiese reaksies veroorsaak. Die optimale DO-vlakke wissel tussen verskillende bakteriese spesies. Byvoorbeeld, tydens die biosintese van penisillien word DO tipies op ongeveer 30% lugversadiging gehandhaaf. As DO tot nul daal en vir vyf minute op daardie vlak bly, kan produkvorming aansienlik benadeel word. As hierdie toestand vir 20 minute voortduur, kan onomkeerbare skade voorkom.

Tans kan die mees gebruikte DO-sensors slegs relatiewe lugversadiging meet, eerder as die absolute konsentrasie van opgeloste suurstof. Na sterilisasie van die kweekmedium word belugting en roering uitgevoer totdat die sensorlesing stabiliseer, waarna die waarde op 100% lugversadiging gestel word. Daaropvolgende metings tydens die fermentasieproses is gebaseer op hierdie verwysing. Absolute DO-waardes kan nie met standaardsensors bepaal word nie en vereis meer gevorderde tegnieke, soos polarografie. Lugversadigingsmetings is egter oor die algemeen voldoende vir die monitering en beheer van fermentasieprosesse.

Binne 'n fermenteerder kan DO-vlakke tussen verskillende streke wissel. Selfs wanneer 'n stabiele lesing op een punt verkry word, kan skommelinge steeds in sekere kultuurmedia voorkom. Groter fermenteerders is geneig om groter ruimtelike variasies in DO-vlakke te toon, wat mikrobiese groei en produktiwiteit aansienlik kan beïnvloed. Eksperimentele bewyse het getoon dat, hoewel die gemiddelde DO-vlak 30% kan wees, fermentasieprestasie onder wisselende toestande aansienlik laer is as onder stabiele toestande. Daarom bly die minimalisering van ruimtelike DO-variasies 'n sleutelnavorsingsdoelwit in die opskaal van fermenteerders – bo en behalwe oorwegings van geometriese en kragooreenkomste.

Waarom is die monitering van opgeloste suurstof noodsaaklik in biofarmaseutiese fermentasie?

1. Om die optimale groeiomgewing vir mikroörganismes of selle te handhaaf
Industriële fermentasie behels tipies aërobiese mikroörganismes, soos Escherichia coli en gis, of soogdierselle, soos Chinese hamster-ovariumselle (CHO-selle). Hierdie selle funksioneer as "werkers" binne die fermentasiestelsel en benodig suurstof vir respirasie en metaboliese aktiwiteit. Suurstof dien as die terminale elektronakseptor in aërobiese respirasie, wat die produksie van energie in die vorm van ATP moontlik maak. Onvoldoende suurstoftoevoer kan lei tot sellulêre versmoring, groeistilstand of selfs seldood, wat uiteindelik tot fermentasiemislukking lei. Monitering van DO-vlakke verseker dat suurstofkonsentrasies binne die optimale reeks bly vir volgehoue selgroei en lewensvatbaarheid.

2. Om Doeltreffende Sintese van Teikenprodukte te Verseker
Die doel van biofarmaseutiese fermentasie is nie bloot om selproliferasie te bevorder nie, maar ook om die doeltreffende sintese van verlangde teikenprodukte, soos insulien, monoklonale teenliggaampies, entstowwe en ensieme, te fasiliteer. Hierdie biosintetiese weë vereis dikwels aansienlike energie-insette, hoofsaaklik verkry van aërobiese respirasie. Daarbenewens is baie ensiematiese stelsels wat betrokke is by produksintese direk afhanklik van suurstof. Suurstoftekort kan die doeltreffendheid van hierdie weë ontwrig of verminder.

Boonop dien DO-vlakke as 'n regulerende sein. Beide oordrewe hoë en lae DO-konsentrasies kan:
- Verander sellulêre metaboliese weë, byvoorbeeld, verskuiwing van aërobiese respirasie na minder doeltreffende anaërobiese fermentasie.
- Veroorsaak sellulêre stresreaksies, wat lei tot die produksie van ongewenste neweprodukte.
- Beïnvloed die ekspressievlakke van eksogene proteïene.

Deur DO-vlakke in verskillende stadiums van fermentasie presies te beheer, is dit moontlik om sellulêre metabolisme na maksimale teikenproduksintese te lei, en sodoende hoëdigtheid- en hoë-opbrengsfermentasie te bereik.

Inleiding tot die Watervloeidiagram vir Bio-farmaseutiese produkte

3. Om suurstoftekort of oormaat te voorkom
Suurstoftekort (hipoksie) kan ernstige gevolge hê:
- Selgroei en produksintese hou op.
- Metabolisme verskuif na anaërobiese weë, wat lei tot die ophoping van organiese sure soos melksuur en asynsuur, wat die pH van die kweekmedium verlaag en die selle kan vergiftig.
- Langdurige hipoksie kan onomkeerbare skade veroorsaak, met herstel wat onvolledig is selfs nadat die suurstoftoevoer herstel is.

Oormatige suurstof (oorversadiging) hou ook risiko's in:
- Dit kan oksidatiewe stres en die vorming van reaktiewe suurstofspesies (ROS) veroorsaak, wat selmembrane en biomolekules beskadig.
- Oormatige belugting en roering verhoog energieverbruik en bedryfskoste, wat lei tot onnodige hulpbronvermorsing.

4. As 'n kritieke parameter vir intydse monitering en terugvoerbeheer

DO is 'n intydse, deurlopende en omvattende parameter wat die interne toestande van die fermentasiestelsel weerspieël. Veranderinge in DO-vlakke kan verskeie fisiologiese en operasionele toestande sensitief aandui:
- Vinnige selgroei verhoog suurstofverbruik, wat veroorsaak dat DO-vlakke daal.
- Substraatuitputting of -inhibisie vertraag metabolisme, verminder suurstofverbruik en veroorsaak dat DO-vlakke styg.
- Kontaminasie deur vreemde mikroörganismes verander die suurstofverbruikspatroon, wat lei tot abnormale DO-skommelings en dien as 'n vroeë waarskuwingssein.
- Toerustingwanfunksies, soos roerderversaking, ventilasiepypblokkasie of filtervervuiling, kan ook lei tot abnormale DO-gedrag.

Deur intydse DO-monitering in 'n outomatiese terugvoerbeheerstelsel te integreer, kan presiese regulering van DO-vlakke bereik word deur dinamiese aanpassings van die volgende parameters:
- Roerspoed: Deur die spoed te verhoog, verbeter die gas-vloeistof kontak deur borrels op te breek, wat die doeltreffendheid van suurstofoordrag verbeter. Dit is die mees algemeen gebruikte en effektiewe metode.
- Belugtingstempo: Aanpassing van die vloeitempo of samestelling van die inlaatgas (bv. verhoging van die verhouding van lug of suiwer suurstof).
- Tenkdruk: Verhoogde druk verhoog suurstofpartiële druk, wat die oplosbaarheid verbeter.
- Temperatuur: Deur die temperatuur te verlaag, verhoog die oplosbaarheid van suurstof in die kweekmedium.

BOQU se produkaanbevelings vir aanlyn monitering van biologiese fermentasie: