Lajme - Monitorimi i Niveleve të Oksigjenit të Tretur në Procesin e Fermentimit Bio Farmaceutik

Çfarë është oksigjeni i tretur?

Oksigjeni i tretur (DO) i referohet oksigjenit molekular (O_₂) që tretet në ujë. Ai ndryshon nga atomet e oksigjenit të pranishëm në molekulat e ujit (H_₂O), pasi ekziston në ujë në formën e molekulave të pavarura të oksigjenit, ose me origjinë nga atmosfera ose të gjeneruara përmes fotosintezës nga bimët ujore. Përqendrimi i DO ndikohet nga faktorë të ndryshëm, duke përfshirë temperaturën, kripësinë, rrjedhën e ujit dhe aktivitetet biologjike. Si i tillë, ai shërben si një tregues kritik për vlerësimin e gjendjes shëndetësore dhe të ndotjes së mjediseve ujore.

Oksigjeni i tretur luan një rol jetësor në promovimin e metabolizmit mikrobik, duke ndikuar në frymëmarrjen qelizore, rritjen dhe biosintezën e produkteve metabolike. Megjithatë, nivelet më të larta të oksigjenit të tretur nuk janë gjithmonë të dobishme. Oksigjeni i tepërt mund të çojë në metabolizëm të mëtejshëm të produkteve të akumuluara dhe potencialisht të shkaktojë reaksione toksike. Nivelet optimale të DO ndryshojnë midis specieve të ndryshme bakteriale. Për shembull, gjatë biosintezës së penicilinës, DO zakonisht mbahet në afërsisht 30% të ngopjes së ajrit. Nëse DO bie në zero dhe mbetet në atë nivel për pesë minuta, formimi i produktit mund të dëmtohet ndjeshëm. Nëse kjo gjendje vazhdon për 20 minuta, mund të ndodhë dëmtim i pakthyeshëm.

Aktualisht, sensorët më të përdorur të DO mund të matin vetëm ngopjen relative të ajrit, në vend të përqendrimit absolut të oksigjenit të tretur. Pas sterilizimit të mjedisit të kulturës, kryhet ajrimi dhe përzierja derisa leximi i sensorit të stabilizohet, në të cilën pikë vlera vendoset në ngopje 100% të ajrit. Matjet pasuese gjatë procesit të fermentimit bazohen në këtë referencë. Vlerat absolute të DO nuk mund të përcaktohen duke përdorur sensorë standardë dhe kërkojnë teknika më të avancuara, të tilla si polarografia. Megjithatë, matjet e ngopjes së ajrit janë përgjithësisht të mjaftueshme për monitorimin dhe kontrollin e proceseve të fermentimit.

Brenda një fermentuesi, nivelet e DO mund të ndryshojnë në rajone të ndryshme. Edhe kur merret një lexim i qëndrueshëm në një pikë, luhatjet mund të ndodhin ende në media të caktuara të kulturës. Fermentuesit më të mëdhenj kanë tendencë të shfaqin variacione më të mëdha hapësinore në nivelet e DO, të cilat mund të ndikojnë ndjeshëm në rritjen dhe produktivitetin mikrobik. Provat eksperimentale kanë treguar se, megjithëse niveli mesatar i DO mund të jetë 30%, performanca e fermentimit në kushte luhatëse është dukshëm më e ulët se në kushte të qëndrueshme. Prandaj, në shkallëzimin e fermentuesve - përtej konsideratave të ngjashmërisë gjeometrike dhe të fuqisë - minimizimi i variacioneve hapësinore të DO mbetet një objektiv kyç kërkimor.

Pse është thelbësor monitorimi i oksigjenit të tretur në fermentimin biofarmaceutik?

1. Për të ruajtur mjedisin optimal të rritjes për mikroorganizmat ose qelizat
Fermentimi industrial zakonisht përfshin mikroorganizma aerobë, siç janë Escherichia coli dhe maja, ose qeliza gjitarësh, siç janë qelizat e vezoreve të hamsterit kinez (CHO). Këto qeliza funksionojnë si "punëtore" brenda sistemit të fermentimit, duke kërkuar oksigjen për frymëmarrje dhe aktivitet metabolik. Oksigjeni shërben si pranuesi përfundimtar i elektroneve në frymëmarrjen aerobe, duke mundësuar prodhimin e energjisë në formën e ATP-së. Furnizimi i pamjaftueshëm me oksigjen mund të çojë në mbytje qelizore, ndalim të rritjes ose edhe vdekje qelizore, duke rezultuar në dështim të fermentimit. Monitorimi i niveleve të DO siguron që përqendrimet e oksigjenit të mbeten brenda diapazonit optimal për rritje dhe qëndrueshmëri të qëndrueshme të qelizave.

2. Për të siguruar sintezë efikase të produkteve të synuara
Objektivi i fermentimit biofarmaceutik nuk është thjesht të nxisë përhapjen e qelizave, por edhe të lehtësojë sintezën efikase të produkteve të synuara të dëshiruara, siç janë insulina, antitrupat monoklonalë, vaksinat dhe enzimat. Këto rrugë biosintetike shpesh kërkojnë një input të konsiderueshëm energjie, kryesisht të nxjerrë nga frymëmarrja aerobe. Përveç kësaj, shumë sisteme enzimatike të përfshira në sintezën e produkteve varen drejtpërdrejt nga oksigjeni. Mungesa e oksigjenit mund të prishë ose zvogëlojë efikasitetin e këtyre rrugëve.

Për më tepër, nivelet e DO veprojnë si një sinjal rregullator. Si përqendrimet tepër të larta ashtu edhe ato tepër të ulëta të DO mund të:
- Ndryshojnë rrugët metabolike qelizore, për shembull, duke kaluar nga frymëmarrja aerobe në fermentim anaerob më pak efikas.
- Shkaktojnë përgjigje qelizore ndaj stresit, duke çuar në prodhimin e nënprodukteve të padëshirueshme.
- Ndikojnë në nivelet e shprehjes së proteinave ekzogjene.

Duke kontrolluar me saktësi nivelet e DO në faza të ndryshme të fermentimit, është e mundur të drejtohet metabolizmi qelizor drejt sintezës maksimale të produktit të synuar, duke arritur kështu fermentim me dendësi të lartë dhe rendiment të lartë.

Hyrje në Grafikun e Rrjedhjes së Ujit për Bio Farmaceutikët

3. Për të parandaluar mungesën ose tepricën e oksigjenit
Mungesa e oksigjenit (hipoksia) mund të ketë pasoja të rënda:
- Rritja e qelizave dhe sinteza e produkteve ndërpriten.
- Metabolizmi zhvendoset në rrugë anaerobe, duke rezultuar në akumulimin e acideve organike si acidi laktik dhe acidi acetik, të cilat ulin pH-in e mjedisit të kulturës dhe mund të helmojnë qelizat.
Hipoksia e zgjatur mund të shkaktojë dëme të pakthyeshme, me rikuperim të paplotë edhe pasi të jetë rikthyer furnizimi me oksigjen.

Oksigjeni i tepërt (supersaturimi) gjithashtu paraqet rreziqe:
- Mund të shkaktojë stres oksidativ dhe formimin e specieve reaktive të oksigjenit (ROS), të cilat dëmtojnë membranat qelizore dhe biomolekulat.
- Ajrosja dhe trazimi i tepërt rrisin konsumin e energjisë dhe kostot operative, duke çuar në shpërdorim të panevojshëm të burimeve.

4. Si një Parametër Kritik për Monitorimin në Kohë Reale dhe Kontrollin e Reagimit

DO është një parametër në kohë reale, i vazhdueshëm dhe gjithëpërfshirës që pasqyron kushtet e brendshme të sistemit të fermentimit. Ndryshimet në nivelet e DO mund të tregojnë me ndjeshmëri gjendje të ndryshme fiziologjike dhe operacionale:
- Rritja e shpejtë e qelizave rrit konsumin e oksigjenit, duke shkaktuar uljen e niveleve të DO.
- Pakësimi ose frenimi i substratit ngadalëson metabolizmin, duke zvogëluar konsumin e oksigjenit dhe duke shkaktuar rritjen e niveleve të DO.
- Kontaminimi nga mikroorganizma të huaj ndryshon modelin e konsumit të oksigjenit, duke çuar në luhatje anormale të DO dhe duke shërbyer si një sinjal paralajmërues i hershëm.
- Mosfunksionimet e pajisjeve, të tilla si dështimi i përzierësit, bllokimi i tubit të ventilimit ose ndotja e filtrit, mund të rezultojnë gjithashtu në sjellje jonormale të DO-së.

Duke integruar monitorimin e DO në kohë reale në një sistem të automatizuar të kontrollit me reagime, rregullimi i saktë i niveleve të DO mund të arrihet përmes rregullimeve dinamike të parametrave të mëposhtëm:
- Shpejtësia e përzierjes: Rritja e shpejtësisë rrit kontaktin gaz-lëng duke thyer flluskat, duke përmirësuar kështu efikasitetin e transferimit të oksigjenit. Kjo është metoda më e përdorur dhe efektive.
- Shkalla e ajrosjes: Rregullimi i shkallës së rrjedhjes ose përbërjes së gazit hyrës (p.sh., rritja e përqindjes së ajrit ose oksigjenit të pastër).
- Presioni i rezervuarit: Rritja e presionit rrit presionin e pjesshëm të oksigjenit, duke rritur kështu tretshmërinë.
- Temperatura: Ulja e temperaturës rrit tretshmërinë e oksigjenit në mjedisin e kulturës.

Rekomandimet e produkteve të BOQU për monitorimin online të fermentimit biologjik: