Novaĵoj - Monitorado de Dissolvitaj Oksigenaj Niveloj en la Biofarmacia Fermentadprocezo

Kio estas Dissolvita Oksigeno?

Dissolvita oksigeno (DO) rilatas al molekula oksigeno (O_₂) kiu estas dissolvita en akvo. Ĝi diferencas de la oksigenatomoj ĉeestantaj en akvomolekuloj (H_₂O), ĉar ĝi ekzistas en akvo en la formo de sendependaj oksigenmolekuloj, aŭ originantaj de la atmosfero aŭ generitaj per fotosintezo fare de akvaj plantoj. La koncentriĝo de DO estas influata de diversaj faktoroj, inkluzive de temperaturo, saleco, akvofluo kaj biologiaj aktivecoj. Kiel tia, ĝi servas kiel kritika indikilo por taksi la sanon kaj poluan staton de akvaj medioj.

Dissolvita oksigeno ludas gravan rolon en antaŭenigado de mikroba metabolo, influante ĉelan spiradon, kreskon kaj la biosintezon de metabolaj produktoj. Tamen, pli altaj niveloj de dissolvita oksigeno ne ĉiam estas utilaj. Troa oksigeno povas konduki al plia metabolo de akumulitaj produktoj kaj eble kaŭzi toksajn reagojn. La optimumaj DO-niveloj varias inter malsamaj bakteriaj specioj. Ekzemple, dum la biosintezo de penicilino, DO estas tipe konservata je proksimume 30% aersaturiĝo. Se DO falas al nulo kaj restas je tiu nivelo dum kvin minutoj, produkta formado povas esti signife difektita. Se ĉi tiu kondiĉo daŭras dum 20 minutoj, nemaligebla damaĝo povas okazi.

Nuntempe, la plej ofte uzataj DO-sensiloj povas mezuri nur relativan aersaturiĝon, anstataŭ la absolutan koncentriĝon de dissolvita oksigeno. Post steriligo de la kulturmedio, aerumado kaj kirlado okazas ĝis la sensila valoro stabiliĝas, ĉe kiu punkto la valoro estas agordita al 100% aersaturiĝo. Postaj mezuradoj dum la fermentado baziĝas sur ĉi tiu referenco. Absolutaj DO-valoroj ne povas esti determinitaj per normaj sensiloj kaj postulas pli progresintajn teknikojn, kiel ekzemple polarografio. Tamen, mezuradoj de aersaturiĝo ĝenerale sufiĉas por monitori kaj kontroli fermentado-procezojn.

Ene de fermentujo, la niveloj de dissolvita dioksido (DO) povas varii laŭ diversaj regionoj. Eĉ kiam stabila valoro estas akirita je iu punkto, fluktuoj ankoraŭ povas okazi en certaj kulturmedioj. Pli grandaj fermentujoj emas montri pli grandajn spacajn variojn en DO-niveloj, kio povas signife influi mikroban kreskon kaj produktivecon. Eksperimentaj pruvoj montris, ke kvankam la averaĝa DO-nivelo povas esti 30%, la fermentada efikeco sub fluktuantaj kondiĉoj estas rimarkeble pli malalta ol sub stabilaj kondiĉoj. Tial, en la pligrandigo de fermentujoj - preter konsideroj pri geometria kaj potenca simileco - minimumigi spacajn DO-variojn restas ŝlosila esplorcelo.

Kial Monitorado de Dissolvita Oksigeno estas Esenca en Biofarmacia Fermentado?

1. Konservi la Optimuman Kreskomedion por Mikroorganismoj aŭ Ĉeloj
Industria fermentado tipe implikas aerobajn mikroorganismojn, kiel ekzemple Escherichia coli kaj gisto, aŭ mamulajn ĉelojn, kiel ekzemple ĉinaj hamstraj ovariĉeloj (CHO). Ĉi tiuj ĉeloj funkcias kiel "laboristoj" ene de la fermentadsistemo, postulante oksigenon por spirado kaj metabola agado. Oksigeno servas kiel la fina elektrona akceptanto en aeroba spirado, ebligante la produktadon de energio en la formo de ATP. Nesufiĉa oksigenprovizo povas konduki al ĉela sufokado, kreskhalto, aŭ eĉ ĉelmorto, finfine rezultante en fermentadmalsukceso. Monitorado de DO-niveloj certigas, ke oksigenkoncentriĝoj restas ene de la optimuma intervalo por daŭra ĉelkresko kaj viveblo.

2. Por certigi efikan sintezon de celaj produktoj
La celo de biofarmacia fermentado ne estas nur antaŭenigi ĉelmultobliĝon, sed faciligi la efikan sintezon de dezirataj celproduktoj, kiel ekzemple insulino, monoklonaj antikorpoj, vakcinoj kaj enzimoj. Ĉi tiuj biosintezaj vojoj ofte postulas grandan energian enigaĵon, ĉefe derivitan de aeroba spirado. Krome, multaj enzimaj sistemoj implikitaj en produktsintezo rekte dependas de oksigeno. Oksigenmanko povas interrompi aŭ redukti la efikecon de ĉi tiuj vojoj.

Krome, DO-niveloj agas kiel reguliga signalo. Kaj troe altaj kaj malaltaj DO-koncentriĝoj povas:
- Ŝanĝi ĉelajn metabolajn vojojn, ekzemple, ŝanĝante de aeroba spirado al malpli efika malaeroba fermentado.
- Ekigi ĉelajn stresajn respondojn, kondukante al la produktado de nedezirindaj kromproduktoj.
- Influi la esprimo-nivelojn de eksogenaj proteinoj.

Per preciza kontrolado de DO-niveloj en malsamaj stadioj de fermentado, eblas gvidi ĉelan metabolon al maksimuma cela produktsintezo, tiel atingante alt-densecan kaj alt-rendimentan fermentadon.

Enkonduko al la Akvofluodiagramo por Biofarmaciaĵoj

3. Por Malebligi Oksigenan Mankon aŭ Troon
Oksigena manko (hipoksio) povas havi severajn sekvojn:
- Ĉelkresko kaj produktsintezo ĉesas.
Metabolo ŝoviĝas al malaerobaj vojoj, rezultante en la amasiĝo de organikaj acidoj kiel lakta acido kaj acetata acido, kiuj malaltigas la pH de la kulturmedio kaj povas veneni la ĉelojn.
Longedaŭra hipoksio povas kaŭzi nemaligeblaĵan damaĝon, kaj la resaniĝo estas nekompleta eĉ post kiam la oksigenprovizo estas restarigita.

Troa oksigeno (supersaturiĝo) ankaŭ prezentas riskojn:
- Ĝi povas indukti oksidigan streson kaj la formadon de reaktivaj oksigenaj specioj (ROS), kiuj difektas ĉelmembranojn kaj biomolekulojn.
Troa aerumado kaj skuado pliigas energikonsumon kaj funkciajn kostojn, kondukante al nenecesa resursmalŝparo.

4. Kiel Kritika Parametro por Realtempa Monitorado kaj Kontrolo de Religo

DO estas realtempa, kontinua kaj ampleksa parametro, kiu reflektas la internajn kondiĉojn de la fermentadsistemo. Ŝanĝoj en DO-niveloj povas senteme indiki diversajn fiziologiajn kaj funkciajn statojn:
Rapida ĉelkresko pliigas oksigenkonsumon, kaŭzante malpliiĝon de DO-niveloj.
Substrata malplenigo aŭ inhibicio malrapidigas la metabolon, reduktante oksigenkonsumon kaj kaŭzante altiĝon de DO-niveloj.
- Poluado per fremdaj mikroorganismoj ŝanĝas la oksigenkonsuman modelon, kaŭzante nenormalajn DO-fluktuojn kaj servante kiel frua averta signalo.
- Paneoj de ekipaĵo, kiel ekzemple paneo de kirlilo, blokado de ventoladtubo aŭ malpuriĝo de filtrilo, ankaŭ povas rezultigi nenormalan konduton de dissolvita disĵeto.

Integrante realtempan DO-monitoradon en aŭtomatan sistemon de retrokuplado, preciza reguligo de DO-niveloj povas esti atingita per dinamikaj alĝustigoj de la jenaj parametroj:
- Kirladrapido: Pligrandigo de la rapido plibonigas la kontakton inter gaso kaj likvaĵo per disigo de vezikoj, tiel plibonigante la efikecon de oksigena transigo. Ĉi tiu estas la plej ofte uzata kaj efika metodo.
- Aerumado: Alĝustigo de la flukvanto aŭ konsisto de la eniga gaso (ekz., pliigo de la proporcio de aero aŭ pura oksigeno).
- Tankopremo: Pliigo de premo pliigas la partan premon de oksigeno, tiel plibonigante la solveblecon.
- Temperaturo: Malaltigo de la temperaturo pliigas la oksigenan solveblecon en la kulturmedio.

Produktaj rekomendoj de BOQU por reta monitorado de biologia fermentado: