Новости – Мониторинг уровня растворённого кислорода в процессе биофармацевтической ферментации

Что такое растворенный кислород?

Растворенный кислород (РК) относится к молекулярному кислороду (O_₂), растворённый в воде. Он отличается от атомов кислорода, присутствующих в молекулах воды (H_₂O), поскольку он существует в воде в виде независимых молекул кислорода, поступающих из атмосферы или генерируемых водными растениями в процессе фотосинтеза. Концентрация РК зависит от различных факторов, включая температуру, солёность, течение воды и биологическую активность. Таким образом, он служит важнейшим индикатором для оценки состояния и степени загрязнения водных сред.

Растворённый кислород играет жизненно важную роль в стимуляции метаболизма микроорганизмов, влияя на клеточное дыхание, рост и биосинтез продуктов метаболизма. Однако более высокие уровни растворённого кислорода не всегда полезны. Избыток кислорода может привести к дальнейшему метаболизму накопленных продуктов и потенциально вызывать токсические реакции. Оптимальные уровни РК различаются у разных видов бактерий. Например, во время биосинтеза пенициллина РК обычно поддерживается на уровне примерно 30% насыщения воздуха. Если РК падает до нуля и остаётся на этом уровне в течение пяти минут, образование продуктов может быть значительно нарушено. Если это состояние сохраняется в течение 20 минут, могут возникнуть необратимые повреждения.

В настоящее время наиболее распространённые датчики растворённого кислорода (РК) могут измерять только относительную насыщенность воздуха, а не абсолютную концентрацию растворённого кислорода. После стерилизации питательной среды проводится аэрация и перемешивание до стабилизации показаний датчика, после чего значение устанавливается равным 100%. Последующие измерения в процессе ферментации основаны на этом значении. Абсолютные значения РК невозможно определить с помощью стандартных датчиков, для этого требуются более сложные методы, такие как полярография. Однако измерения насыщенности воздуха, как правило, достаточно для мониторинга и управления процессами ферментации.

Внутри ферментера уровень РК может варьироваться в разных зонах. Даже при достижении стабильных показаний в определённой точке, в определённых питательных средах могут наблюдаться колебания. В более крупных ферментерах, как правило, наблюдаются более выраженные пространственные вариации уровня РК, что может существенно влиять на рост и продуктивность микроорганизмов. Экспериментальные данные показали, что, хотя средний уровень РК может составлять 30%, эффективность ферментации в условиях колебаний заметно ниже, чем в стабильных. Поэтому при масштабировании ферментеров, помимо соображений геометрического и мощностного подобия, минимизация пространственных вариаций РК остаётся ключевой целью исследований.

Почему мониторинг растворенного кислорода так важен при биофармацевтической ферментации?

1. Поддержание оптимальной среды роста для микроорганизмов и клеток
Промышленная ферментация обычно осуществляется с использованием аэробных микроорганизмов, таких как Escherichia coli и дрожжи, или клеток млекопитающих, например, клеток яичника китайского хомячка (CHO). Эти клетки выполняют функцию «рабочих» в ферментационной системе, нуждаясь в кислороде для дыхания и метаболической активности. Кислород служит конечным акцептором электронов при аэробном дыхании, обеспечивая производство энергии в форме АТФ. Недостаточное поступление кислорода может привести к клеточной асфиксии, остановке роста или даже гибели клеток, что в конечном итоге приводит к сбою ферментации. Мониторинг уровня растворенного кислорода (РК) гарантирует поддержание концентрации кислорода в оптимальном диапазоне для устойчивого роста и жизнеспособности клеток.

2. Обеспечить эффективный синтез целевых продуктов
Цель биофармацевтической ферментации — не только стимулировать пролиферацию клеток, но и способствовать эффективному синтезу целевых продуктов, таких как инсулин, моноклональные антитела, вакцины и ферменты. Эти биосинтетические пути часто требуют значительных затрат энергии, в основном за счёт аэробного дыхания. Кроме того, многие ферментативные системы, участвующие в синтезе продуктов, напрямую зависят от кислорода. Дефицит кислорода может нарушить или снизить эффективность этих путей.

Более того, уровень РК действует как регуляторный сигнал. Как чрезмерно высокие, так и низкие концентрации РК могут:
- Изменить клеточные метаболические пути, например, перейти от аэробного дыхания к менее эффективной анаэробной ферментации.
- Вызывают стрессовые реакции клеток, приводящие к образованию нежелательных побочных продуктов.
- Влиять на уровни экспрессии экзогенных белков.

Точно контролируя уровни РК на разных этапах ферментации, можно направлять клеточный метаболизм на максимальный синтез целевого продукта, тем самым достигая высокой плотности и высокого выхода ферментации.

Введение в схему потока воды для биофармацевтических препаратов

3. Для предотвращения дефицита или избытка кислорода
Дефицит кислорода (гипоксия) может иметь серьезные последствия:
- Рост клеток и синтез продуктов прекращаются.
- Метаболизм переходит на анаэробные пути, что приводит к накоплению органических кислот, таких как молочная и уксусная кислота, которые снижают pH питательной среды и могут отравить клетки.
- Длительная гипоксия может вызвать необратимые повреждения, при этом восстановление будет неполным даже после восстановления подачи кислорода.

Избыток кислорода (перенасыщение) также создает риски:
- Он может вызывать окислительный стресс и образование активных форм кислорода (АФК), которые повреждают клеточные мембраны и биомолекулы.
- Чрезмерная аэрация и перемешивание увеличивают потребление энергии и эксплуатационные расходы, что приводит к ненужной трате ресурсов.

4. Как критический параметр для мониторинга в реальном времени и управления с обратной связью

DO — это непрерывный и комплексный параметр, отражающий внутренние условия ферментационной системы в режиме реального времени. Изменения уровня DO могут точно указывать на различные физиологические и рабочие состояния:
- Быстрый рост клеток увеличивает потребление кислорода, что приводит к снижению уровня РК.
- Истощение или ингибирование субстрата замедляет метаболизм, снижая потребление кислорода и вызывая повышение уровня РК.
- Загрязнение чужеродными микроорганизмами изменяет характер потребления кислорода, что приводит к аномальным колебаниям РК и служит ранним сигналом предупреждения.
- Неисправности оборудования, такие как поломка мешалки, засорение вентиляционной трубы или загрязнение фильтра, также могут привести к аномальному поведению РК.

Интеграция мониторинга РК в реальном времени в автоматизированную систему управления с обратной связью позволяет добиться точного регулирования уровней РК посредством динамической регулировки следующих параметров:
– Скорость перемешивания: увеличение скорости улучшает контакт газа с жидкостью за счёт разрушения пузырьков, тем самым повышая эффективность переноса кислорода. Это наиболее распространённый и эффективный метод.
- Скорость аэрации: регулировка скорости потока или состава входящего газа (например, увеличение доли воздуха или чистого кислорода).
- Давление в баке: повышение давления увеличивает парциальное давление кислорода, тем самым улучшая растворимость.
- Температура: снижение температуры увеличивает растворимость кислорода в питательной среде.

Рекомендации BOQU по продуктам для онлайн-мониторинга биологической ферментации: