Nyheter - Overvåking av nivåer av oppløst oksygen i den biofarmasøytiske fermenteringsprosessen

Hva er oppløst oksygen?

Oppløst oksygen (DO) refererer til molekylært oksygen (O_₂) som er oppløst i vann. Den er forskjellig fra oksygenatomene som finnes i vannmolekyler (H_₂O), slik det finnes i vann i form av uavhengige oksygenmolekyler, enten som stammer fra atmosfæren eller genereres gjennom fotosyntese av vannplanter. Konsentrasjonen av DO påvirkes av ulike faktorer, inkludert temperatur, saltinnhold, vannføring og biologisk aktivitet. Som sådan fungerer den som en kritisk indikator for å vurdere helse- og forurensningsstatusen til vannmiljøer.

Oppløst oksygen spiller en viktig rolle i å fremme mikrobiell metabolisme, og påvirker cellulær respirasjon, vekst og biosyntesen av metabolske produkter. Høyere nivåer av oppløst oksygen er imidlertid ikke alltid gunstige. Overskudd av oksygen kan føre til ytterligere metabolisme av akkumulerte produkter og potensielt forårsake toksiske reaksjoner. De optimale DO-nivåene varierer mellom forskjellige bakteriearter. For eksempel, under biosyntesen av penicillin, opprettholdes DO vanligvis på omtrent 30 % luftmetning. Hvis DO faller til null og forblir på det nivået i fem minutter, kan produktdannelsen bli betydelig svekket. Hvis denne tilstanden vedvarer i 20 minutter, kan det oppstå irreversibel skade.

For tiden kan de mest brukte DO-sensorene bare måle relativ luftmetning, snarere enn den absolutte konsentrasjonen av oppløst oksygen. Etter sterilisering av kulturmediet utføres lufting og omrøring inntil sensoravlesningen stabiliserer seg, hvoretter verdien settes til 100 % luftmetning. Påfølgende målinger under fermenteringsprosessen er basert på denne referansen. Absolutte DO-verdier kan ikke bestemmes ved hjelp av standardsensorer og krever mer avanserte teknikker, for eksempel polarografi. Imidlertid er luftmetningsmålinger generelt tilstrekkelige for å overvåke og kontrollere fermenteringsprosesser.

Inne i en fermentor kan DO-nivåer variere på tvers av forskjellige regioner. Selv når en stabil avlesning oppnås på ett tidspunkt, kan det fortsatt forekomme svingninger i visse kulturmedier. Større fermentorer har en tendens til å vise større romlige variasjoner i DO-nivåer, noe som kan påvirke mikrobiell vekst og produktivitet betydelig. Eksperimentelle bevis har vist at selv om det gjennomsnittlige DO-nivået kan være 30 %, er fermenteringsytelsen under varierende forhold betydelig lavere enn under stabile forhold. Derfor er det fortsatt et sentralt forskningsmål å minimere romlige DO-variasjoner ved oppskalering av fermentorer – utover hensyn til geometrisk likhet og effektlikhet.

Hvorfor er overvåking av oppløst oksygen viktig i biofarmasøytisk fermentering?

1. For å opprettholde et optimalt vekstmiljø for mikroorganismer eller celler
Industriell fermentering involverer vanligvis aerobe mikroorganismer, som Escherichia coli og gjær, eller pattedyrceller, som kinesiske hamsterovarieceller (CHO). Disse cellene fungerer som "arbeidere" i fermenteringssystemet og krever oksygen for respirasjon og metabolsk aktivitet. Oksygen fungerer som den terminale elektronakseptoren i aerob respirasjon, og muliggjør produksjon av energi i form av ATP. Utilstrekkelig oksygentilførsel kan føre til cellulær kvelning, vekststans eller til og med celledød, noe som til slutt resulterer i fermenteringssvikt. Overvåking av DO-nivåer sikrer at oksygenkonsentrasjonene forblir innenfor det optimale området for vedvarende cellevekst og levedyktighet.

2. For å sikre effektiv syntese av målprodukter
Målet med biofarmasøytisk fermentering er ikke bare å fremme celleproliferasjon, men å legge til rette for effektiv syntese av ønskede målprodukter, som insulin, monoklonale antistoffer, vaksiner og enzymer. Disse biosyntetiske veiene krever ofte betydelig energitilførsel, hovedsakelig fra aerob respirasjon. I tillegg er mange enzymatiske systemer involvert i produktsyntese direkte avhengige av oksygen. Oksygenmangel kan forstyrre eller redusere effektiviteten til disse veiene.

Dessuten fungerer DO-nivåer som et regulatorisk signal. Både for høye og lave DO-konsentrasjoner kan:
- Endre cellulære metabolske veier, for eksempel overgang fra aerob respirasjon til mindre effektiv anaerob fermentering.
- Utløser cellulære stressresponser, som fører til produksjon av uønskede biprodukter.
- Påvirke uttrykknivåene til eksogene proteiner.

Ved å kontrollere DO-nivåene nøyaktig på ulike stadier av fermenteringen, er det mulig å styre cellulær metabolisme mot maksimal syntese av målproduktet, og dermed oppnå fermentering med høy tetthet og høyt utbytte.

Introduksjon til vannflytskjemaet for biofarmasøytiske produkter

3. For å forhindre oksygenmangel eller overskudd
Oksygenmangel (hypoksi) kan ha alvorlige konsekvenser:
- Cellevekst og produktsyntese opphører.
- Metabolismen skifter til anaerobe veier, noe som resulterer i akkumulering av organiske syrer som melkesyre og eddiksyre, som senker pH-verdien i kulturmediet og kan forgifte cellene.
- Langvarig hypoksi kan forårsake irreversibel skade, med ufullstendig rekonvalesens selv etter at oksygentilførselen er gjenopprettet.

Overflødig oksygen (overmetning) utgjør også risikoer:
- Det kan indusere oksidativt stress og dannelse av reaktive oksygenforbindelser (ROS), som skader cellemembraner og biomolekyler.
- Overdreven lufting og omrøring øker energiforbruket og driftskostnadene, noe som fører til unødvendig ressurssløsing.

4. Som en kritisk parameter for sanntidsovervåking og tilbakemeldingskontroll

DO er en sanntids, kontinuerlig og omfattende parameter som gjenspeiler de interne forholdene i fermenteringssystemet. Endringer i DO-nivåer kan sensitivt indikere ulike fysiologiske og operasjonelle tilstander:
- Rask cellevekst øker oksygenforbruket, noe som fører til at DO-nivåene synker.
- Substratuttømming eller -hemming bremser metabolismen, reduserer oksygenforbruket og fører til at DO-nivåene stiger.
- Forurensning av fremmede mikroorganismer endrer oksygenforbruksmønsteret, noe som fører til unormale DO-svingninger og fungerer som et tidlig varslingssignal.
- Utstyrsfeil, som svikt i omrører, blokkering av ventilasjonsrør eller tilsmussing av filter, kan også føre til unormal DO-oppførsel.

Ved å integrere DO-overvåking i sanntid i et automatisert tilbakekoblingssystem, kan presis regulering av DO-nivåer oppnås gjennom dynamiske justeringer av følgende parametere:
- Rørehastighet: Økning av hastigheten forbedrer gass-væske-kontakten ved å bryte opp bobler, og dermed forbedre oksygenoverføringseffektiviteten. Dette er den mest brukte og effektive metoden.
- Luftingshastighet: Justering av strømningshastigheten eller sammensetningen av innløpsgassen (f.eks. økning av andelen luft eller rent oksygen).
- Tanktrykk: Økt trykk øker oksygenpartialtrykket, og forbedrer dermed løseligheten.
- Temperatur: Senking av temperaturen øker oksygenløseligheten i kulturmediet.

BOQUs produktanbefalinger for online overvåking av biologisk gjæring: