Новости - Мониторинг уровня растворенного кислорода в процессе биофармацевтической ферментации

Что такое растворенный кислород?

Растворенный кислород (ДО) — это молекулярный кислород (O₂)._₂), который растворен в воде. Он отличается от атомов кислорода, присутствующих в молекулах воды (H)._₂Растворенный кислород (ДО) существует в воде в виде независимых молекул кислорода, поступающих либо из атмосферы, либо образующихся в результате фотосинтеза водных растений. На концентрацию ДО влияют различные факторы, включая температуру, соленость, течение воды и биологическую активность. Таким образом, он служит важным индикатором для оценки состояния здоровья и загрязнения водных экосистем.

Растворенный кислород играет жизненно важную роль в стимулировании микробного метаболизма, влияя на клеточное дыхание, рост и биосинтез продуктов метаболизма. Однако более высокие уровни растворенного кислорода не всегда полезны. Избыток кислорода может привести к дальнейшему метаболизму накопленных продуктов и потенциально вызвать токсические реакции. Оптимальные уровни растворенного кислорода различаются у разных видов бактерий. Например, во время биосинтеза пенициллина уровень растворенного кислорода обычно поддерживается на уровне примерно 30% насыщения воздуха. Если уровень растворенного кислорода падает до нуля и остается на этом уровне в течение пяти минут, образование продукта может быть значительно нарушено. Если это состояние сохраняется в течение 20 минут, может произойти необратимое повреждение.

В настоящее время наиболее распространенные датчики растворенного кислорода (ДО) могут измерять только относительную насыщенность воздуха, а не абсолютную концентрацию растворенного кислорода. После стерилизации культуральной среды проводится аэрация и перемешивание до стабилизации показаний датчика, после чего значение устанавливается на уровне 100% насыщенности воздуха. Последующие измерения в процессе ферментации основываются на этом эталонном значении. Абсолютные значения ДО не могут быть определены с помощью стандартных датчиков и требуют более совершенных методов, таких как полярография. Однако измерения насыщенности воздуха, как правило, достаточны для мониторинга и контроля процессов ферментации.

Внутри ферментера уровень растворенного кислорода (ДО) может варьироваться в разных областях. Даже при достижении стабильного значения в одной точке, в некоторых культуральных средах могут наблюдаться колебания. В более крупных ферментерах, как правило, отмечаются большие пространственные вариации уровня ДО, что может существенно влиять на рост и продуктивность микроорганизмов. Экспериментальные данные показали, что, хотя средний уровень ДО может составлять 30%, эффективность ферментации в условиях колебаний значительно ниже, чем в стабильных условиях. Поэтому при масштабировании ферментеров — помимо соображений геометрического и энергетического подобия — минимизация пространственных вариаций ДО остается ключевой задачей исследований.

Почему мониторинг растворенного кислорода необходим в биофармацевтической ферментации?

1. Для поддержания оптимальных условий роста микроорганизмов или клеток.
Промышленная ферментация обычно включает аэробные микроорганизмы, такие как кишечная палочка и дрожжи, или клетки млекопитающих, например, клетки яичников китайского хомячка (CHO). Эти клетки функционируют как «рабочие» в системе ферментации, нуждаясь в кислороде для дыхания и метаболической активности. Кислород служит конечным акцептором электронов в аэробном дыхании, обеспечивая производство энергии в виде АТФ. Недостаточное снабжение кислородом может привести к удушению клеток, остановке роста или даже гибели клеток, что в конечном итоге приводит к сбою ферментации. Мониторинг уровня растворенного кислорода гарантирует, что концентрация кислорода остается в оптимальном диапазоне для устойчивого роста и жизнеспособности клеток.

2. Для обеспечения эффективного синтеза целевых продуктов.
Целью биофармацевтической ферментации является не просто стимуляция пролиферации клеток, а обеспечение эффективного синтеза желаемых целевых продуктов, таких как инсулин, моноклональные антитела, вакцины и ферменты. Эти биосинтетические пути часто требуют значительных энергетических затрат, в основном за счет аэробного дыхания. Кроме того, многие ферментативные системы, участвующие в синтезе продуктов, напрямую зависят от кислорода. Дефицит кислорода может нарушить или снизить эффективность этих путей.

Кроме того, уровень растворенного кислорода выступает в качестве регулирующего сигнала. Как чрезмерно высокие, так и чрезмерно низкие концентрации растворенного кислорода могут:
- Изменять клеточные метаболические пути, например, переключаясь с аэробного дыхания на менее эффективное анаэробное брожение.
- Запускают клеточные стрессовые реакции, приводящие к образованию нежелательных побочных продуктов.
- Влияют на уровни экспрессии экзогенных белков.

Точный контроль уровня растворенного кислорода на разных стадиях ферментации позволяет направлять клеточный метаболизм к максимальному синтезу целевого продукта, тем самым обеспечивая высокоплотную и высокоэффективную ферментацию.

Введение в схему потока воды для биофармацевтических препаратов

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

Избыток кислорода (перенасыщение) также представляет опасность:
- Это 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 неоправданной растрате ресурсов.

4. В качестве критического параметра для мониторинга в реальном времени и управления с обратной связью.

Растворенный кислород (ДО) — это параметр, измеряемый в режиме реального времени, непрерывно и всесторонне, отражающий внутренние условия ферментационной системы. Изменения уровня ДО могут точно указывать на различные физиологические и рабочие состояния:
- Быстрый рост клеток увеличивает потребление кислорода, что приводит к снижению уровня растворенного кислорода.
- Истощение или подавление субстрата замедляет метаболизм, снижая потребление кислорода и вызывая повышение уровня растворенного кислорода.
- Загрязнение посторонними микроорганизмами изменяет характер потребления кислорода, что приводит к аномальным колебаниям растворенного кислорода и служит сигналом раннего предупреждения.
- Неисправности оборудования, такие как поломка мешалки, засорение вентиляционной трубы или загрязнение фильтра, также могут привести к аномальному поведению растворенного кислорода.

Интеграция мониторинга растворенного кислорода в режиме реального времени в автоматизированную систему обратной связи позволяет добиться точного регулирования уровня растворенного кислорода за счет динамической корректировки следующих параметров:
- Скорость перемешивания: Увеличение скорости улучшает контакт газа с жидкостью за счет разрушения пузырьков, тем самым повышая эффективность переноса кислорода. Это наиболее распространенный и эффективный метод.
- Скорость аэрации: Регулировка скорости потока или состава поступающего газа (например, увеличение доли воздуха или чистого кислорода).
- Давление в резервуаре: Повышение давления увеличивает парциальное давление кислорода, тем самым повышая растворимость.
- Температура: Понижение температуры увеличивает растворимость кислорода в культуральной среде.

Рекомендации BOQU по продуктам для онлайн-мониторинга биологической ферментации: