Naujienos – ištirpusio deguonies lygio stebėjimas biofarmacijos fermentacijos procese

Kas yra ištirpęs deguonis?

Ištirpęs deguonis (DO) reiškia molekulinį deguonį (O_₂), kuris yra ištirpęs vandenyje. Jis skiriasi nuo deguonies atomų, esančių vandens molekulėse (H_₂O), nes jis vandenyje yra nepriklausomų deguonies molekulių pavidalu, gaunamas iš atmosferos arba susidaro fotosintezės būdu vandens augalams. DO koncentracijai įtakos turi įvairūs veiksniai, įskaitant temperatūrą, druskingumą, vandens tėkmę ir biologinį aktyvumą. Todėl jis yra svarbus rodiklis vertinant vandens aplinkos sveikatos ir taršos būklę.

Ištirpęs deguonis atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį skatinant mikrobų metabolizmą, darant įtaką ląstelių kvėpavimui, augimui ir medžiagų apykaitos produktų biosintezei. Tačiau didesnis ištirpusio deguonies kiekis ne visada yra naudingas. Deguonies perteklius gali paskatinti tolesnį susikaupusių produktų metabolizmą ir gali sukelti toksines reakcijas. Optimalus ištirpusio deguonies kiekis skirtingoms bakterijų rūšims skiriasi. Pavyzdžiui, penicilino biosintezės metu ištirpusio deguonies kiekis paprastai palaikomas maždaug 30 % oro prisotinimo. Jei ištirpusio deguonies kiekis sumažėja iki nulio ir išlieka tokiame lygyje penkias minutes, produkto susidarymas gali labai sutrikti. Jei ši būklė tęsiasi 20 minučių, gali atsirasti negrįžtama žala.

Šiuo metu dažniausiai naudojami DO jutikliai gali matuoti tik santykinį oro prisotinimą, o ne absoliučią ištirpusio deguonies koncentraciją. Sterilizavus kultūros terpę, atliekama aeracija ir maišymas, kol jutiklio rodmuo stabilizuojasi, o tada vertė nustatoma į 100 % oro prisotinimo. Vėlesni matavimai fermentacijos proceso metu grindžiami šia nuoroda. Absoliučių DO verčių negalima nustatyti naudojant standartinius jutiklius ir tam reikalingi pažangesni metodai, tokie kaip poliarografija. Tačiau oro prisotinimo matavimų paprastai pakanka fermentacijos procesams stebėti ir valdyti.

Fermentatoriuje DO lygis gali skirtis skirtinguose regionuose. Net ir tuo atveju, kai vienu metu gaunamas stabilus rodmuo, tam tikrose kultūros terpėse vis tiek gali būti svyravimų. Didesniuose fermentatoriuose DO lygis paprastai pasižymi didesniais erdviniais svyravimais, kurie gali reikšmingai paveikti mikrobų augimą ir produktyvumą. Eksperimentiniai duomenys parodė, kad nors vidutinis DO lygis gali būti 30 %, fermentacijos našumas svyruojančiomis sąlygomis yra žymiai mažesnis nei stabiliomis sąlygomis. Todėl, didinant fermentatorių mastą, be geometrinio ir galios panašumo svarstymų, erdvinių DO pokyčių sumažinimas išlieka pagrindiniu tyrimų tikslu.

Kodėl ištirpusio deguonies stebėjimas yra būtinas biofarmacinėje fermentacijoje?

1. Palaikyti optimalią mikroorganizmų ar ląstelių augimo aplinką
Pramoninėje fermentacijoje paprastai dalyvauja aerobiniai mikroorganizmai, tokie kaip Escherichia coli ir mielės, arba žinduolių ląstelės, tokios kaip kininio žiurkėno kiaušidžių (CHO) ląstelės. Šios ląstelės fermentacijos sistemoje veikia kaip „darbininkės“, kurioms kvėpavimui ir medžiagų apykaitai reikalingas deguonis. Deguonis aerobiniame kvėpavime yra galutinis elektronų akceptorius, leidžiantis gaminti energiją ATP pavidalu. Nepakankamas deguonies tiekimas gali sukelti ląstelių uždusimą, augimo sustojimą ar net ląstelių mirtį, o tai galiausiai lemia fermentacijos nesėkmę. DO lygio stebėjimas užtikrina, kad deguonies koncentracija išliktų optimaliame diapazone, kad ląstelės augtų ir gyvybingai.

2. Užtikrinti efektyvią tikslinių produktų sintezę
Biofarmacinės fermentacijos tikslas yra ne tik skatinti ląstelių dauginimąsi, bet ir palengvinti efektyvią norimų tikslinių produktų, tokių kaip insulinas, monokloniniai antikūnai, vakcinos ir fermentai, sintezę. Šiems biosintezės keliams dažnai reikia didelių energijos sąnaudų, daugiausia gaunamų iš aerobinio kvėpavimo. Be to, daugelis fermentinių sistemų, dalyvaujančių produktų sintezėje, tiesiogiai priklauso nuo deguonies. Deguonies trūkumas gali sutrikdyti arba sumažinti šių kelių efektyvumą.

Be to, DO lygiai veikia kaip reguliavimo signalas. Tiek pernelyg didelė, tiek pernelyg maža DO koncentracija gali:
- Pakeisti ląstelių medžiagų apykaitos kelius, pavyzdžiui, pereiti nuo aerobinio kvėpavimo prie mažiau efektyvios anaerobinės fermentacijos.
- Sukelia ląstelių streso reakcijas, dėl kurių susidaro nepageidaujami šalutiniai produktai.
- Įtakoti egzogeninių baltymų raiškos lygius.

Tiksliai kontroliuojant DO lygius skirtinguose fermentacijos etapuose, galima nukreipti ląstelių metabolizmą link maksimalios tikslinio produkto sintezės, taip pasiekiant didelio tankio ir didelio derlingumo fermentaciją.

Įvadas į biologinių vaistų vandens srauto schemą

3. Siekiant išvengti deguonies trūkumo ar pertekliaus
Deguonies trūkumas (hipoksija) gali turėti rimtų pasekmių:
- Ląstelių augimas ir produktų sintezė sustoja.
- Metabolizmas pereina į anaerobinius kelius, todėl kaupiasi organinės rūgštys, tokios kaip pieno rūgštis ir acto rūgštis, kurios sumažina kultūros terpės pH ir gali užnuodyti ląsteles.
- Užsitęsusi hipoksija gali sukelti negrįžtamą žalą, kai atsigavimas nėra pilnas net ir atkūrus deguonies tiekimą.

Per didelis deguonies kiekis (persotinimas) taip pat kelia pavojų:
- Tai gali sukelti oksidacinį stresą ir reaktyviųjų deguonies formų (ROS) susidarymą, kurios pažeidžia ląstelių membranas ir biomolekules.
- Per didelis aeravimas ir maišymas didina energijos suvartojimą ir eksploatavimo išlaidas, todėl be reikalo švaistomi ištekliai.

4. Kaip kritinis realaus laiko stebėjimo ir grįžtamojo ryšio valdymo parametras

DO yra realaus laiko, nuolatinis ir išsamus parametras, atspindintis fermentacijos sistemos vidines sąlygas. DO lygio pokyčiai gali jautriai rodyti įvairias fiziologines ir funkcines būsenas:
- Greitas ląstelių augimas padidina deguonies suvartojimą, todėl sumažėja DO lygis.
- Substrato išeikvojimas arba slopinimas sulėtina medžiagų apykaitą, sumažina deguonies suvartojimą ir padidina DO kiekį.
- Užterštumas svetimais mikroorganizmais pakeičia deguonies suvartojimo modelį, sukeldamas nenormalius ištirpusio deguonies svyravimus ir tarnaudamas kaip ankstyvas įspėjamasis signalas.
- Įrangos gedimai, pvz., maišytuvo gedimas, ventiliacijos vamzdžio užsikimšimas arba filtro užsiteršimas, taip pat gali lemti nenormalų DO veikimą.

Integruojant realaus laiko DO stebėjimą į automatizuotą grįžtamojo ryšio valdymo sistemą, galima tiksliai reguliuoti DO lygius dinamiškai koreguojant šiuos parametrus:
- Maišymo greitis: padidinus greitį, suskaidomas burbuliukas, todėl pagerėja dujų ir skysčio sąlytis, o tai pagerina deguonies perdavimo efektyvumą. Tai dažniausiai naudojamas ir veiksmingiausias metodas.
- Aeracijos greitis: įleidžiamų dujų srauto greičio arba sudėties reguliavimas (pvz., oro arba gryno deguonies dalies didinimas).
- Slėgis bake: Didėjant slėgiui, padidėja deguonies dalinis slėgis, taip pagerinant tirpumą.
- Temperatūra: Temperatūros sumažinimas padidina deguonies tirpumą kultūros terpėje.

BOQU produktų rekomendacijos biologinės fermentacijos stebėjimui internetu: