Hírek - Az oldott oxigén szintjének monitorozása a biogyógyszerészeti fermentációs folyamatban

Mi az oldott oxigén?

Az oldott oxigén (DO) molekuláris oxigénre (O_₂), amely vízben oldódik. Ez különbözik a vízmolekulákban jelen lévő oxigénatomoktól (H_₂O), mivel a vízben független oxigénmolekulák formájában van jelen, amelyek vagy a légkörből származnak, vagy vízinövények fotoszintézise révén keletkeznek. Az oldott oxigén koncentrációját számos tényező befolyásolja, beleértve a hőmérsékletet, a sótartalmat, a víz áramlását és a biológiai aktivitásokat. Mint ilyen, kritikus indikátorként szolgál a vízi környezet egészségi és szennyezettségi állapotának felmérésére.

Az oldott oxigén létfontosságú szerepet játszik a mikrobiális anyagcsere elősegítésében, befolyásolja a sejtlégzést, a növekedést és az anyagcsere-termékek bioszintézisét. Az oldott oxigén magasabb szintje azonban nem mindig előnyös. A felesleges oxigén a felhalmozódott termékek további anyagcseréjéhez vezethet, és potenciálisan toxikus reakciókat okozhat. Az optimális oldott oxigénszint baktériumfajonként változó. Például a penicillin bioszintézise során a oldott oxigén jellemzően körülbelül 30%-os levegőtelítettségen tartható fenn. Ha a oldott oxigén nullára csökken, és öt percig ezen a szinten marad, a termékképződés jelentősen károsodhat. Ha ez az állapot 20 percig fennáll, visszafordíthatatlan károsodás léphet fel.

Jelenleg a leggyakrabban használt DO-érzékelők csak a relatív levegőtelítettséget tudják mérni, nem pedig az oldott oxigén abszolút koncentrációját. A táptalaj sterilizálása után levegőztetést és keverést végeznek, amíg az érzékelő által leolvasott érték stabilizálódik, ekkor az értéket 100%-os levegőtelítettségre állítják be. A fermentációs folyamat során a későbbi mérések ezen a referencián alapulnak. Az abszolút DO-értékek nem határozhatók meg standard érzékelőkkel, és fejlettebb technikákat igényelnek, például polarográfiát. A levegőtelítettség mérése azonban általában elegendő a fermentációs folyamatok monitorozásához és szabályozásához.

Egy fermentoron belül az oldott oxigén (DO) szintje a különböző régiókban változhat. Még ha egy adott ponton stabil is az érték, bizonyos táptalajokban ingadozások előfordulhatnak. A nagyobb fermentorok általában nagyobb térbeli eltéréseket mutatnak az DO-szintekben, ami jelentősen befolyásolhatja a mikrobiális növekedést és a termelékenységet. Kísérleti bizonyítékok kimutatták, hogy bár az átlagos DO-szint elérheti a 30%-ot, a fermentációs teljesítmény ingadozó körülmények között lényegesen alacsonyabb, mint stabil körülmények között. Ezért a fermentorok méretnövelése során – a geometriai és teljesítménybeli hasonlóságon túl – a térbeli DO-változások minimalizálása továbbra is kulcsfontosságú kutatási cél.

Miért elengedhetetlen az oldott oxigén monitorozása a biofarmakológiai fermentációban?

1. A mikroorganizmusok vagy sejtek optimális növekedési környezetének fenntartása
Az ipari fermentáció jellemzően aerob mikroorganizmusokat, például Escherichia colit és élesztőt, vagy emlőssejteket, például kínai hörcsög petefészek (CHO) sejteket használ. Ezek a sejtek "munkásokként" működnek a fermentációs rendszerben, oxigénre van szükségük a légzéshez és az anyagcsere-aktivitáshoz. Az oxigén terminális elektron akceptorként szolgál az aerob légzésben, lehetővé téve az energiatermelést ATP formájában. Az elégtelen oxigénellátás sejtek fulladásához, növekedési leálláshoz vagy akár sejthalálhoz vezethet, ami végső soron a fermentáció kudarcát eredményezi. Az oldott oxigén szintjének monitorozása biztosítja, hogy az oxigénkoncentráció az optimális tartományon belül maradjon a fenntartható sejtnövekedés és életképesség érdekében.

2. A céltermékek hatékony szintézisének biztosítása
A biofarmakológiai fermentáció célja nem pusztán a sejtek proliferációjának elősegítése, hanem a kívánt céltermékek, például az inzulin, a monoklonális antitestek, a vakcinák és az enzimek hatékony szintézisének elősegítése is. Ezek a bioszintetikus útvonalak gyakran jelentős energiabevitelt igényelnek, amely elsősorban az aerob légzésből származik. Ezenkívül a termékszintézisben részt vevő számos enzimrendszer közvetlenül függ az oxigéntől. Az oxigénhiány megzavarhatja vagy csökkentheti ezen útvonalak hatékonyságát.

Továbbá az oldott oxigén szintje szabályozó jelként működik. Mind a túlzottan magas, mind az alacsony oldott oxigén koncentráció a következőket okozhatja:
- Megváltoztatják a sejtek anyagcsere-útvonalait, például az aerob légzésről a kevésbé hatékony anaerob fermentációra való áttéréssel.
- Sejtszintű stresszválaszokat vált ki, ami nemkívánatos melléktermékek termelődéséhez vezet.
- Befolyásolja az exogén fehérjék expressziós szintjét.

Az oldott oxigén (DO) szintjének pontos szabályozásával a fermentáció különböző szakaszaiban a sejtek anyagcseréjét a maximális céltermék-szintézis felé lehet irányítani, ezáltal nagy sűrűségű és nagy hozamú fermentációt lehet elérni.

Bevezetés a biogyógyszerek vízáramlási diagramjába

3. Az oxigénhiány vagy -felesleg megelőzése érdekében
Az oxigénhiány (hipoxia) súlyos következményekkel járhat:
- A sejtek növekedése és a termékszintézis leáll.
- Az anyagcsere anaerob utakra vált, ami szerves savak, például tejsav és ecetsav felhalmozódásához vezet, amelyek csökkentik a táptalaj pH-értékét és mérgezhetik a sejteket.
- A hosszan tartó hipoxia visszafordíthatatlan károsodást okozhat, a felépülés az oxigénellátás helyreállítása után sem teljes.

A túlzott oxigénbevitel (túltelítettség) szintén kockázatokat jelent:
- Oxidatív stresszt és reaktív oxigénfajták (ROS) képződését okozhatja, amelyek károsítják a sejtmembránokat és a biomolekulákat.
- A túlzott levegőztetés és keverés növeli az energiafogyasztást és az üzemeltetési költségeket, ami szükségtelen erőforrás-pazarláshoz vezet.

4. Kritikus paraméterként a valós idejű monitorozáshoz és a visszacsatolás szabályozásához

A DO egy valós idejű, folyamatos és átfogó paraméter, amely tükrözi a fermentációs rendszer belső körülményeit. A DO-szintek változásai érzékenyen jelezhetik a különböző fiziológiai és működési állapotokat:
- A gyors sejtnövekedés növeli az oxigénfogyasztást, ami a oldott oxigén szintjének csökkenéséhez vezet.
- A szubsztráthiány vagy -gátlás lelassítja az anyagcserét, csökkenti az oxigénfogyasztást és megemeli az oldott oxigén szintjét.
- Az idegen mikroorganizmusok okozta szennyeződés megváltoztatja az oxigénfogyasztási mintázatot, ami abnormális oldott oxigén ingadozásokhoz vezet, és korai figyelmeztető jelként szolgál.
- A berendezések meghibásodásai, például a keverő meghibásodása, a szellőzőcső eldugulása vagy a szűrő eltömődése szintén rendellenes oldott oxigén viselkedést okozhatnak.

A valós idejű oldott oxigén (DO) monitorozás automatizált visszacsatolásos vezérlőrendszerbe integrálásával a DO-szintek pontos szabályozása a következő paraméterek dinamikus beállításával érhető el:
- Keverési sebesség: A sebesség növelése javítja a gáz-folyadék érintkezést a buborékok fellazításával, ezáltal javítva az oxigénátvitel hatékonyságát. Ez a leggyakrabban használt és leghatékonyabb módszer.
- Levegőztetési sebesség: A belépő gáz áramlási sebességének vagy összetételének beállítása (pl. a levegő vagy a tiszta oxigén arányának növelése).
- Tartálynyomás: A nyomás növelése növeli az oxigén parciális nyomását, ezáltal javítja az oldhatóságot.
- Hőmérséklet: A hőmérséklet csökkentése növeli az oxigén oldhatóságát a táptalajban.

A BOQU termékjavaslatai a biológiai fermentáció online monitorozásához: