Xəbərlər - Biofarmasevtik fermentasiya prosesində həll olunmuş oksigen səviyyələrinin monitorinqi

Həll edilmiş oksigen nədir?

Həll edilmiş oksigen (DO) molekulyar oksigenə (O_₂) suda həll olunan. Su molekullarında olan oksigen atomlarından (H_₂O), suda müstəqil oksigen molekulları şəklində mövcud olduğu üçün, ya atmosferdən qaynaqlanır, ya da su bitkiləri tərəfindən fotosintez nəticəsində yaranır. DO konsentrasiyası temperatur, duzluluq, su axını və bioloji fəaliyyətlər daxil olmaqla müxtəlif amillərdən təsirlənir. Beləliklə, o, su mühitinin sağlamlıq və çirklənmə vəziyyətini qiymətləndirmək üçün kritik bir göstərici kimi xidmət edir.

Həll edilmiş oksigen mikrobların metabolizmasını təşviq etməkdə, hüceyrə tənəffüsünə, böyüməyə və metabolik məhsulların biosintezinə təsir etməkdə mühüm rol oynayır. Bununla belə, yüksək səviyyədə həll olunmuş oksigen həmişə faydalı olmur. Həddindən artıq oksigen yığılmış məhsulların daha da mübadiləsinə səbəb ola bilər və potensial olaraq toksik reaksiyalara səbəb ola bilər. Optimal DO səviyyələri müxtəlif bakteriya növləri arasında dəyişir. Məsələn, penisilin biosintezi zamanı DO adətən təxminən 30% hava ilə doyma səviyyəsində saxlanılır. Əgər DO sıfıra düşərsə və beş dəqiqə ərzində həmin səviyyədə qalsa, məhsulun formalaşması əhəmiyyətli dərəcədə pozula bilər. Bu vəziyyət 20 dəqiqə davam edərsə, geri dönüşü olmayan zədələnmələr baş verə bilər.

Hal-hazırda ən çox istifadə edilən DO sensorları həll olunmuş oksigenin mütləq konsentrasiyasını deyil, yalnız nisbi hava doymasını ölçə bilir. Mədəniyyət mühitinin sterilizasiyasından sonra aerasiya və qarışdırma sensorun göstəricisi sabitləşənə qədər aparılır, bu zaman dəyər 100% hava ilə doyma səviyyəsinə təyin edilir. Fermentasiya prosesi zamanı sonrakı ölçmələr bu istinad əsasında aparılır. Mütləq DO dəyərləri standart sensorlardan istifadə etməklə müəyyən edilə bilməz və polaroqrafiya kimi daha qabaqcıl üsullar tələb olunur. Bununla belə, havanın doyma ölçüləri fermentasiya proseslərini izləmək və nəzarət etmək üçün ümumiyyətlə kifayətdir.

Fermentator daxilində DO səviyyələri müxtəlif bölgələrdə dəyişə bilər. Hətta bir nöqtədə sabit oxunuş əldə edildikdə belə, müəyyən mədəniyyət mühitində dalğalanmalar hələ də baş verə bilər. Daha böyük fermentatorlar DO səviyyələrində daha çox məkan dəyişikliyi nümayiş etdirirlər ki, bu da mikrob artımına və məhsuldarlığına əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərə bilər. Eksperimental sübutlar göstərdi ki, orta DO səviyyəsi 30% ola bilsə də, dəyişkən şəraitdə fermentasiya performansı sabit şəraitdə olduğundan xeyli aşağıdır. Buna görə də, fermentatorların miqyasında - həndəsi və güc oxşarlığı mülahizələrindən kənarda - məkan DO variasiyalarını minimuma endirmək əsas tədqiqat məqsədi olaraq qalır.

Nə üçün biofarmasevtik fermentasiyada həll olunmuş oksigenin monitorinqi vacibdir?

1. Mikroorqanizmlər və ya Hüceyrələr üçün Optimal İnkişaf Mühitini Saxlamaq
Sənaye fermentasiyası adətən Escherichia coli və maya kimi aerob mikroorqanizmləri və ya Çin Hamster Yumurtalıq (CHO) hüceyrələri kimi məməli hüceyrələrini əhatə edir. Bu hüceyrələr tənəffüs və metabolik fəaliyyət üçün oksigen tələb edən fermentasiya sistemində "işçi" kimi fəaliyyət göstərir. Oksigen aerob tənəffüsdə terminal elektron qəbuledici rolunu oynayır və ATP şəklində enerji istehsalına imkan verir. Qeyri-kafi oksigen təchizatı hüceyrənin boğulmasına, böyümənin dayandırılmasına və ya hətta hüceyrə ölümünə səbəb ola bilər və nəticədə fermentasiya uğursuzluğu ilə nəticələnə bilər. DO səviyyələrinin monitorinqi oksigen konsentrasiyalarının davamlı hüceyrə böyüməsi və canlılığı üçün optimal diapazonda qalmasını təmin edir.

2. Hədəf Məhsullarının Səmərəli Sintezini Təmin Etmək
Biofarmasötik fermentasiyanın məqsədi təkcə hüceyrə proliferasiyasını təşviq etmək deyil, həm də insulin, monoklonal antikorlar, peyvəndlər və fermentlər kimi arzu olunan hədəf məhsulların səmərəli sintezini asanlaşdırmaqdır. Bu biosintetik yollar tez-tez ilk növbədə aerob tənəffüsdən əldə edilən əhəmiyyətli enerji girişini tələb edir. Bundan əlavə, məhsul sintezində iştirak edən bir çox enzimatik sistemlər birbaşa oksigendən asılıdır. Oksigen çatışmazlığı bu yolların səmərəliliyini poza və ya azalda bilər.

Bundan əlavə, DO səviyyələri tənzimləyici siqnal rolunu oynayır. Həm həddindən artıq yüksək, həm də aşağı DO konsentrasiyası:
- Hüceyrə metabolik yollarını dəyişdirin, məsələn, aerob tənəffüsdən daha az səmərəli anaerob fermentasiyaya keçid.
- Arzuolunmaz əlavə məhsulların istehsalına səbəb olan hüceyrə stress reaksiyalarını tətikləyin.
- Ekzogen zülalların ifadə səviyyələrinə təsir.

Fermentasiyanın müxtəlif mərhələlərində DO səviyyələrinə dəqiq nəzarət etməklə hüceyrə metabolizmini maksimum hədəf məhsul sintezinə yönəltmək və bununla da yüksək sıxlıqlı və yüksək məhsuldar fermentasiyaya nail olmaq mümkündür.

Bio Pharmaceuticals üçün Su axını cədvəlinə giriş

3. Oksigen çatışmazlığının və ya artıqlığının qarşısını almaq
Oksigen çatışmazlığı (hipoksiya) ağır nəticələrə səbəb ola bilər:
- Hüceyrə böyüməsi və məhsul sintezi dayanır.
- Metabolizm anaerob yollara keçir, nəticədə laktik turşu və sirkə turşusu kimi üzvi turşuların toplanması ilə mədəni mühitin pH-ni aşağı salır və hüceyrələri zəhərləyə bilər.
- Uzun müddət davam edən hipoksiya geri dönməz ziyana səbəb ola bilər, hətta oksigen tədarükü bərpa olunduqdan sonra da bərpa tam olmur.

Həddindən artıq oksigen (supersaturasiya) da risklər yaradır:
- O, oksidləşdirici stresə və hüceyrə membranlarına və biomolekullara zərər verən reaktiv oksigen növlərinin (ROS) əmələ gəlməsinə səbəb ola bilər.
- Həddindən artıq aerasiya və ajitasyon enerji istehlakını və əməliyyat xərclərini artırır, bu da lazımsız resurs israfına səbəb olur.

4. Real-Time Monitorinq və Rəylərə Nəzarət üçün Kritik Parametr kimi

DO fermentasiya sisteminin daxili şərtlərini əks etdirən real vaxt, davamlı və hərtərəfli parametrdir. DO səviyyələrindəki dəyişikliklər müxtəlif fizioloji və əməliyyat vəziyyətlərini həssas şəkildə göstərə bilər:
- Hüceyrələrin sürətli böyüməsi oksigen istehlakını artırır və DO səviyyəsinin azalmasına səbəb olur.
- Substratın tükənməsi və ya inhibisyonu maddələr mübadiləsini yavaşlatır, oksigen istehlakını azaldır və DO səviyyəsinin yüksəlməsinə səbəb olur.
- Xarici mikroorqanizmlər tərəfindən çirklənmə oksigen istehlakı modelini dəyişdirərək anormal DO dalğalanmalarına səbəb olur və erkən xəbərdarlıq siqnalı kimi xidmət edir.
- Qarışdırıcının nasazlığı, ventilyasiya borusunun tıxanması və ya filtrin çirklənməsi kimi avadanlığın nasazlıqları da anormal DO davranışı ilə nəticələnə bilər.

Real vaxt rejimində DO monitorinqini avtomatlaşdırılmış əks əlaqə idarəetmə sisteminə inteqrasiya etməklə, aşağıdakı parametrlərin dinamik tənzimlənməsi yolu ilə DO səviyyələrinin dəqiq tənzimlənməsinə nail olmaq olar:
- Qarışdırma sürəti: Sürətin artırılması qabarcıqları parçalamaqla qaz-maye təmasını gücləndirir və bununla da oksigen ötürmə səmərəliliyini artırır. Bu, ən çox istifadə edilən və təsirli üsuldur.
- Aerasiya dərəcəsi: Daxil olan qazın axınının və ya tərkibinin tənzimlənməsi (məsələn, havanın və ya təmiz oksigenin nisbətinin artırılması).
- Tank təzyiqi: Yüksək təzyiq oksigenin qismən təzyiqini artırır və bununla da həllolma qabiliyyətini artırır.
- Temperatur: Temperaturun aşağı salınması mədəniyyət mühitində oksigenin həllini artırır.

Bioloji fermentasiyanın onlayn monitorinqi üçün BOQU məhsul tövsiyələri: