Balita - Pagsubaybay sa Mga Antas ng Dissolved Oxygen sa Proseso ng Bio Pharmaceutical Fermentation

Ano ang Dissolved Oxygen?

Ang Dissolved Oxygen (DO) ay tumutukoy sa molecular oxygen (O_₂) na natutunaw sa tubig. Ito ay naiiba sa mga atomo ng oxygen na nasa mga molekula ng tubig (H_₂O), dahil ito ay umiiral sa tubig sa anyo ng mga independiyenteng molekula ng oxygen, alinman na nagmula sa atmospera o nabuo sa pamamagitan ng photosynthesis ng mga aquatic na halaman. Ang konsentrasyon ng DO ay naiimpluwensyahan ng iba't ibang mga kadahilanan, kabilang ang temperatura, kaasinan, daloy ng tubig, at mga biological na aktibidad. Dahil dito, nagsisilbi itong kritikal na tagapagpahiwatig para sa pagtatasa ng kalagayan ng kalusugan at polusyon ng mga kapaligirang nabubuhay sa tubig.

Ang dissolved oxygen ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa pagtataguyod ng microbial metabolism, pag-impluwensya sa cellular respiration, paglaki, at ang biosynthesis ng mga metabolic na produkto. Gayunpaman, ang mas mataas na antas ng dissolved oxygen ay hindi palaging kapaki-pakinabang. Ang sobrang oxygen ay maaaring humantong sa karagdagang metabolismo ng mga naipon na produkto at posibleng magdulot ng mga nakakalason na reaksyon. Ang pinakamainam na antas ng DO ay nag-iiba sa iba't ibang bacterial species. Halimbawa, sa panahon ng biosynthesis ng penicillin, ang DO ay karaniwang pinananatili sa humigit-kumulang 30% air saturation. Kung ang DO ay bumaba sa zero at nananatili sa antas na iyon sa loob ng limang minuto, ang pagbuo ng produkto ay maaaring makabuluhang mapahina. Kung magpapatuloy ang kundisyong ito sa loob ng 20 minuto, maaaring mangyari ang hindi maibabalik na pinsala.

Sa kasalukuyan, ang pinakakaraniwang ginagamit na mga sensor ng DO ay maaari lamang masukat ang kamag-anak na saturation ng hangin, sa halip na ang ganap na konsentrasyon ng dissolved oxygen. Pagkatapos ng isterilisasyon ng medium ng kultura, ang aeration at stirring ay isinasagawa hanggang ang pagbabasa ng sensor ay nagpapatatag, kung saan ang halaga ay nakatakda sa 100% air saturation. Ang mga kasunod na sukat sa panahon ng proseso ng pagbuburo ay batay sa sanggunian na ito. Ang mga halaga ng ganap na DO ay hindi maaaring matukoy gamit ang mga karaniwang sensor at nangangailangan ng mas advanced na mga diskarte, tulad ng polarography. Gayunpaman, ang mga sukat ng saturation ng hangin ay karaniwang sapat para sa pagsubaybay at pagkontrol sa mga proseso ng pagbuburo.

Sa loob ng isang fermenter, ang mga antas ng DO ay maaaring mag-iba sa iba't ibang rehiyon. Kahit na ang isang matatag na pagbabasa ay nakuha sa isang punto, ang mga pagbabagu-bago ay maaaring mangyari pa rin sa ilang kulturang media. Ang mga malalaking fermenter ay may posibilidad na magpakita ng mas malaking spatial na mga pagkakaiba-iba sa mga antas ng DO, na maaaring makabuluhang makaapekto sa paglaki ng microbial at produktibidad. Ang pang-eksperimentong ebidensya ay nagpakita na, kahit na ang average na antas ng DO ay maaaring 30%, ang pagganap ng fermentation sa ilalim ng pabagu-bagong mga kondisyon ay kapansin-pansing mas mababa kaysa sa ilalim ng matatag na mga kondisyon. Samakatuwid, sa pag-scale-up ng mga fermenter—higit pa sa mga pagsasaalang-alang ng geometric at pagkakatulad ng kapangyarihan—nananatiling isang pangunahing layunin ng pananaliksik ang pagliit sa mga spatial na pagkakaiba-iba ng DO.

Bakit Mahalaga ang Dissolved Oxygen Monitoring sa Biopharmaceutical Fermentation?

1. Upang Panatilihin ang Pinakamainam na Kapaligiran sa Paglago para sa mga Microorganism o Cell
Karaniwang kinasasangkutan ng pang-industriyang fermentation ang mga aerobic microorganism, gaya ng Escherichia coli at yeast, o mammalian cells, gaya ng Chinese Hamster Ovary (CHO) cells. Ang mga cell na ito ay gumaganap bilang "mga manggagawa" sa loob ng sistema ng pagbuburo, na nangangailangan ng oxygen para sa paghinga at metabolic na aktibidad. Ang oxygen ay nagsisilbing terminal na electron acceptor sa aerobic respiration, na nagpapagana ng produksyon ng enerhiya sa anyo ng ATP. Ang hindi sapat na supply ng oxygen ay maaaring humantong sa cellular suffocation, growth arrest, o kahit cell death, na sa huli ay magreresulta sa fermentation failure. Ang pagsubaybay sa mga antas ng DO ay nagsisiguro na ang mga konsentrasyon ng oxygen ay mananatili sa pinakamainam na hanay para sa matagal na paglaki at kakayahang umangkop ng cell.

2. Upang Matiyak ang Mahusay na Synthesis ng Mga Target na Produkto
Ang layunin ng biopharmaceutical fermentation ay hindi lamang upang isulong ang paglaganap ng cell ngunit upang mapadali ang mahusay na synthesis ng mga gustong target na produkto, tulad ng insulin, monoclonal antibodies, bakuna, at enzymes. Ang mga biosynthetic pathway na ito ay madalas na nangangailangan ng malaking input ng enerhiya, pangunahin na nagmula sa aerobic respiration. Bilang karagdagan, maraming mga enzymatic system na kasangkot sa synthesis ng produkto ay direktang umaasa sa oxygen. Ang kakulangan sa oxygen ay maaaring makagambala o makabawas sa kahusayan ng mga landas na ito.

Bukod dito, ang mga antas ng DO ay kumikilos bilang isang signal ng regulasyon. Ang parehong labis na mataas at mababang konsentrasyon ng DO ay maaaring:
- Baguhin ang mga cellular metabolic pathway, halimbawa, paglipat mula sa aerobic respiration patungo sa hindi gaanong mahusay na anaerobic fermentation.
- Mag-trigger ng mga tugon sa cellular stress, na humahantong sa paggawa ng mga hindi kanais-nais na by-product.
- Impluwensya ang mga antas ng pagpapahayag ng mga exogenous na protina.

Sa pamamagitan ng tumpak na pagkontrol sa mga antas ng DO sa iba't ibang yugto ng pagbuburo, posibleng gabayan ang cellular metabolism tungo sa pinakamaraming target na synthesis ng produkto, sa gayon ay nakakamit ang high-density at high-yield fermentation.

Panimula sa Water Flow Chart para sa Bio Pharmaceuticals

3. Para maiwasan ang Oxygen Deficiency o Excess
Ang kakulangan sa oxygen (hypoxia) ay maaaring magkaroon ng malubhang kahihinatnan:
- Huminto ang paglaki ng cell at synthesis ng produkto.
- Ang metabolismo ay lumilipat sa anaerobic pathways, na nagreresulta sa akumulasyon ng mga organikong acid tulad ng lactic acid at acetic acid, na nagpapababa sa pH ng medium ng kultura at maaaring lason ang mga selula.
- Ang matagal na hypoxia ay maaaring magdulot ng hindi maibabalik na pinsala, na ang pagbawi ay hindi kumpleto kahit na matapos maibalik ang supply ng oxygen.

Ang labis na oxygen (supersaturation) ay nagdudulot din ng mga panganib:
- Maaari itong magdulot ng oxidative stress at pagbuo ng reactive oxygen species (ROS), na pumipinsala sa mga lamad ng cell at biomolecules.
- Ang sobrang pag-aeration at pagkabalisa ay nagpapataas ng pagkonsumo ng enerhiya at mga gastos sa pagpapatakbo, na humahantong sa hindi kinakailangang pag-aaksaya ng mapagkukunan.

4. Bilang Kritikal na Parameter para sa Real-Time na Pagsubaybay at Kontrol ng Feedback

Ang DO ay isang real-time, tuloy-tuloy, at komprehensibong parameter na sumasalamin sa mga panloob na kondisyon ng sistema ng fermentation. Ang mga pagbabago sa mga antas ng DO ay maaaring sensitibong magpahiwatig ng iba't ibang physiological at operational na estado:
- Ang mabilis na paglaki ng cell ay nagpapataas ng pagkonsumo ng oxygen, na nagiging sanhi ng pagbaba ng mga antas ng DO.
- Ang pagkaubos o pagsugpo ng substrate ay nagpapabagal sa metabolismo, binabawasan ang pagkonsumo ng oxygen at nagiging sanhi ng pagtaas ng mga antas ng DO.
- Binabago ng kontaminasyon ng mga dayuhang mikroorganismo ang pattern ng pagkonsumo ng oxygen, na humahantong sa abnormal na pagbabagu-bago ng DO at nagsisilbing signal ng maagang babala.
- Ang mga malfunction ng kagamitan, gaya ng stirrer failure, ventilation pipe blockage, o filter fouling, ay maaari ding magresulta sa abnormal na pag-uugali ng DO.

Sa pamamagitan ng pagsasama ng real-time na pagsubaybay sa DO sa isang automated na feedback control system, ang tumpak na regulasyon ng mga antas ng DO ay maaaring makamit sa pamamagitan ng mga dinamikong pagsasaayos ng mga sumusunod na parameter:
- Bilis ng pagpapakilos: Ang pagtaas ng bilis ay nagpapahusay ng gas-liquid contact sa pamamagitan ng paghiwa-hiwalay ng mga bula, at sa gayon ay nagpapabuti ng kahusayan sa paglipat ng oxygen. Ito ang pinakakaraniwang ginagamit at epektibong paraan.
- Aeration rate: Pagsasaayos ng flow rate o komposisyon ng pumapasok na gas (hal., pagtaas ng proporsyon ng hangin o purong oxygen).
- Presyon ng tangke: Ang pagtaas ng presyon ay nagpapataas ng bahagyang presyon ng oxygen, at sa gayo'y pinahuhusay ang solubility.
- Temperatura: Ang pagbaba ng temperatura ay nagpapataas ng oxygen solubility sa medium ng kultura.

Mga rekomendasyon sa produkto ng BOQU para sa online na pagsubaybay sa biological fermentation: