Balita - Pagsubaybay sa mga Antas ng Natunaw na Oksiheno sa Proseso ng Bio Pharmaceutical Fermentation

Ano ang Natunaw na Oksiheno?

Ang Dissolved Oxygen (DO) ay tumutukoy sa molekular na oksiheno (O₂)._₂) na natutunaw sa tubig. Ito ay naiiba sa mga atomo ng oksiheno na nasa mga molekula ng tubig (H_₂O), dahil umiiral ito sa tubig sa anyo ng mga independiyenteng molekula ng oksiheno, na nagmumula sa atmospera o nalilikha sa pamamagitan ng potosintesis ng mga halamang nabubuhay sa tubig. Ang konsentrasyon ng DO ay naiimpluwensyahan ng iba't ibang salik, kabilang ang temperatura, kaasinan, daloy ng tubig, at mga aktibidad na biyolohikal. Dahil dito, nagsisilbi itong isang kritikal na tagapagpahiwatig para sa pagtatasa ng kalusugan at katayuan ng polusyon ng mga kapaligirang nabubuhay sa tubig.

Ang dissolved oxygen ay may mahalagang papel sa pagtataguyod ng metabolismo ng mikrobyo, na nakakaimpluwensya sa cellular respiration, paglaki, at biosynthesis ng mga produktong metabolic. Gayunpaman, ang mas mataas na antas ng dissolved oxygen ay hindi laging kapaki-pakinabang. Ang labis na oxygen ay maaaring humantong sa karagdagang metabolismo ng mga naipon na produkto at posibleng magdulot ng mga nakalalasong reaksyon. Ang pinakamainam na antas ng DO ay nag-iiba sa iba't ibang uri ng bacteria. Halimbawa, sa panahon ng biosynthesis ng penicillin, ang DO ay karaniwang pinapanatili sa humigit-kumulang 30% na saturation ng hangin. Kung ang DO ay bumaba sa zero at nananatili sa antas na iyon sa loob ng limang minuto, ang pagbuo ng produkto ay maaaring lubos na maapektuhan. Kung ang kondisyong ito ay magpapatuloy sa loob ng 20 minuto, maaaring mangyari ang hindi na maibabalik na pinsala.

Sa kasalukuyan, ang mga pinakakaraniwang ginagamit na DO sensor ay maaari lamang masukat ang relatibong saturation ng hangin, sa halip na ang ganap na konsentrasyon ng dissolved oxygen. Pagkatapos ng isterilisasyon ng culture medium, isinasagawa ang aeration at stirring hanggang sa maging matatag ang pagbasa ng sensor, kung saan ang halaga ay nakatakda sa 100% air saturation. Ang mga kasunod na pagsukat sa panahon ng proseso ng fermentation ay batay sa reference na ito. Ang mga ganap na halaga ng DO ay hindi maaaring matukoy gamit ang mga karaniwang sensor at nangangailangan ng mas advanced na mga pamamaraan, tulad ng polarography. Gayunpaman, ang mga pagsukat ng air saturation ay karaniwang sapat para sa pagsubaybay at pagkontrol sa mga proseso ng fermentation.

Sa loob ng isang fermenter, ang mga antas ng DO ay maaaring mag-iba sa iba't ibang rehiyon. Kahit na may nakuhang matatag na pagbasa sa isang punto, maaari pa ring mangyari ang mga pagbabago-bago sa ilang partikular na culture media. Ang mas malalaking fermenter ay may posibilidad na magpakita ng mas malaking spatial variations sa mga antas ng DO, na maaaring makaapekto nang malaki sa paglaki at produktibidad ng microbial. Ipinakita ng mga ebidensiyang eksperimental na, bagama't ang average na antas ng DO ay maaaring 30%, ang performance ng fermentation sa ilalim ng pabago-bagong mga kondisyon ay kapansin-pansing mas mababa kaysa sa ilalim ng matatag na mga kondisyon. Samakatuwid, sa pagpapalawak ng mga fermenter—lampas sa pagsasaalang-alang sa geometric at power similarity—ang pagliit ng spatial DO variations ay nananatiling isang pangunahing layunin ng pananaliksik.

Bakit Mahalaga ang Pagsubaybay sa Dissolved Oxygen sa Biopharmaceutical Fermentation?

1. Upang Mapanatili ang Pinakamainam na Kapaligiran sa Paglago para sa mga Mikroorganismo o mga Selula
Karaniwang kinasasangkutan ng industrial fermentation ang mga aerobic microorganism, tulad ng Escherichia coli at yeast, o mga mammalian cell, tulad ng mga Chinese Hamster Ovary (CHO) cell. Ang mga cell na ito ay gumaganap bilang "mga manggagawa" sa loob ng sistema ng fermentation, na nangangailangan ng oxygen para sa respiration at metabolic activity. Ang oxygen ay nagsisilbing terminal electron acceptor sa aerobic respiration, na nagbibigay-daan sa produksyon ng enerhiya sa anyo ng ATP. Ang kakulangan ng supply ng oxygen ay maaaring humantong sa cellular suffocation, growth stop, o kahit na pagkamatay ng cell, na sa huli ay magreresulta sa pagkabigo ng fermentation. Tinitiyak ng pagsubaybay sa mga antas ng DO na ang mga konsentrasyon ng oxygen ay mananatili sa loob ng pinakamainam na saklaw para sa patuloy na paglaki at viability ng cell.

2. Upang Matiyak ang Mahusay na Sintesis ng mga Target na Produkto
Ang layunin ng biopharmaceutical fermentation ay hindi lamang upang isulong ang pagdami ng selula kundi upang mapadali ang mahusay na sintesis ng mga ninanais na target na produkto, tulad ng insulin, monoclonal antibodies, bakuna, at enzymes. Ang mga biosynthetic pathway na ito ay kadalasang nangangailangan ng malaking input ng enerhiya, pangunahin na nagmumula sa aerobic respiration. Bukod pa rito, maraming enzymatic system na kasangkot sa sintesis ng produkto ang direktang nakasalalay sa oxygen. Ang kakulangan ng oxygen ay maaaring makagambala o makabawas sa kahusayan ng mga pathway na ito.

Bukod dito, ang mga antas ng DO ay nagsisilbing isang regulatory signal. Ang parehong labis na mataas at mababang konsentrasyon ng DO ay maaaring:
- Binabago ang mga cellular metabolic pathway, halimbawa, ang paglipat mula sa aerobic respiration patungo sa hindi gaanong episyenteng anaerobic fermentation.
- Nagpapasimula ng mga tugon sa stress ng mga selula, na humahantong sa paggawa ng mga hindi kanais-nais na by-product.
- Nakakaimpluwensya sa mga antas ng ekspresyon ng mga exogenous na protina.

Sa pamamagitan ng tumpak na pagkontrol sa mga antas ng DO sa iba't ibang yugto ng fermentation, posibleng gabayan ang metabolismo ng cellular patungo sa pinakamataas na target na synthesis ng produkto, sa gayon ay makakamit ang high-density at high-yield na fermentation.

Panimula sa Tsart ng Daloy ng Tubig para sa Bio Pharmaceuticals

3. Upang Maiwasan ang Kakulangan o Labis na Oksiheno
Ang kakulangan sa oxygen (hypoxia) ay maaaring magdulot ng malubhang kahihinatnan:
- Huminto ang paglaki ng selula at ang pagbubuo ng produkto.
- Ang metabolismo ay lumilipat patungo sa anaerobic pathways, na nagreresulta sa akumulasyon ng mga organic acid tulad ng lactic acid at acetic acid, na nagpapababa sa pH ng culture medium at maaaring lumason sa mga selula.
- Ang matagalang hypoxia ay maaaring magdulot ng hindi na mababaligtad na pinsala, kung saan ang paggaling ay hindi kumpleto kahit na naibalik na ang suplay 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 nakakasira sa mga lamad ng cell at biomolecules.
- Ang labis na pagpapahangin at pag-alog ay nagpapataas ng pagkonsumo ng enerhiya at mga gastos sa pagpapatakbo, na humahantong sa hindi kinakailangang pag-aaksaya ng mapagkukunan.

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

Ang DO ay isang real-time, tuluy-tuloy, at komprehensibong parameter na sumasalamin sa mga panloob na kondisyon ng sistema ng permentasyon. Ang mga pagbabago sa mga antas ng DO ay maaaring sensitibong magpahiwatig ng iba't ibang mga estadong pisyolohikal at operasyonal:
- Ang mabilis na paglaki ng selula ay nagpapataas ng konsumo ng oxygen, na nagiging sanhi ng pagbaba ng mga antas ng DO.
- Ang pagkaubos o pagpigil ng substrate ay nagpapabagal sa metabolismo, na binabawasan ang pagkonsumo ng oxygen at nagiging sanhi ng pagtaas ng mga antas ng DO.
- Binabago ng kontaminasyon ng mga dayuhang mikroorganismo ang padron ng pagkonsumo ng oxygen, na humahantong sa mga abnormal na pagbabago-bago ng DO at nagsisilbing maagang babala.
- Ang mga malfunction ng kagamitan, tulad ng pagpalya ng stirrer, bara sa tubo ng bentilasyon, o pagdumi ng filter, ay maaari ring magresulta sa abnormal na pag-uugali ng DO.

Sa pamamagitan ng pagsasama ng real-time na pagsubaybay sa DO sa isang awtomatikong sistema ng pagkontrol ng feedback, makakamit ang tumpak na regulasyon ng mga antas ng DO sa pamamagitan ng mga dynamic na pagsasaayos ng mga sumusunod na parameter:
- Bilis ng paghahalo: Ang pagpapataas ng bilis ay nagpapahusay sa pagkakadikit ng gas at likido sa pamamagitan ng pagbasag ng mga bula, sa gayon ay nagpapabuti sa kahusayan ng paglipat ng oxygen. Ito ang pinakakaraniwang ginagamit at epektibong paraan.
- Bilis ng aerasyon: Pagsasaayos ng bilis ng daloy o komposisyon ng pumapasok na gas (hal., pagpapataas ng proporsyon ng hangin o purong oksiheno).
- Presyon ng tangke: Ang pagtataas ng presyon ay nagpapataas ng bahagyang presyon ng oksiheno, sa gayon ay pinahuhusay ang solubility.
- Temperatura: Ang pagpapababa ng temperatura ay nagpapataas ng solubility ng oxygen sa culture medium.

Mga rekomendasyon ng produkto ng BOQU para sa online na pagsubaybay sa biyolohikal na permentasyon: