Berita - Pemantauan Tahap Oksigen Terlarut dalam Proses Penapaian Bio Farmaseutikal

Apakah Oksigen Terlarut?

Oksigen Terlarut (DO) merujuk kepada oksigen molekul (O_₂) yang larut dalam air. Ia berbeza daripada atom oksigen yang terdapat dalam molekul air (H_₂O), kerana ia wujud dalam air dalam bentuk molekul oksigen bebas, sama ada berasal dari atmosfera atau dijana melalui fotosintesis oleh tumbuhan akuatik. Kepekatan DO dipengaruhi oleh pelbagai faktor, termasuk suhu, kemasinan, aliran air, dan aktiviti biologi. Oleh itu, ia berfungsi sebagai penunjuk kritikal untuk menilai status kesihatan dan pencemaran persekitaran akuatik.

Oksigen terlarut memainkan peranan penting dalam menggalakkan metabolisme mikrob, mempengaruhi respirasi selular, pertumbuhan, dan biosintesis produk metabolik. Walau bagaimanapun, tahap oksigen terlarut yang lebih tinggi tidak selalunya bermanfaat. Oksigen berlebihan boleh menyebabkan metabolisme produk terkumpul selanjutnya dan berpotensi menyebabkan tindak balas toksik. Tahap DO optimum berbeza-beza antara spesies bakteria yang berbeza. Sebagai contoh, semasa biosintesis penisilin, DO biasanya dikekalkan pada kira-kira 30% ketepuan udara. Jika DO turun kepada sifar dan kekal pada tahap itu selama lima minit, pembentukan produk boleh terjejas dengan ketara. Jika keadaan ini berterusan selama 20 minit, kerosakan yang tidak dapat dipulihkan mungkin berlaku.

Pada masa ini, penderia DO yang paling biasa digunakan hanya boleh mengukur ketepuan udara relatif, dan bukannya kepekatan mutlak oksigen terlarut. Selepas pensterilan medium kultur, pengudaraan dan kacau dilakukan sehingga bacaan sensor menjadi stabil, di mana nilai ditetapkan kepada 100% ketepuan udara. Pengukuran seterusnya semasa proses penapaian adalah berdasarkan rujukan ini. Nilai DO mutlak tidak boleh ditentukan menggunakan penderia standard dan memerlukan teknik yang lebih maju, seperti polarografi. Walau bagaimanapun, ukuran ketepuan udara secara amnya mencukupi untuk memantau dan mengawal proses penapaian.

Dalam penapai, tahap DO boleh berbeza-beza di seluruh kawasan yang berbeza. Walaupun bacaan yang stabil diperoleh pada satu titik, turun naik mungkin masih berlaku dalam media budaya tertentu. Penapai yang lebih besar cenderung untuk mempamerkan variasi spatial yang lebih besar dalam tahap DO, yang boleh menjejaskan pertumbuhan mikrob dan produktiviti dengan ketara. Bukti eksperimen telah menunjukkan bahawa, walaupun tahap DO purata mungkin 30%, prestasi penapaian dalam keadaan turun naik adalah lebih rendah berbanding dalam keadaan stabil. Oleh itu, dalam peningkatan skala fermenter—melangkaui pertimbangan persamaan geometri dan kuasa—meminimumkan variasi DO spatial kekal sebagai objektif penyelidikan utama.

Mengapa Pemantauan Oksigen Terlarut Penting dalam Penapaian Biofarmaseutikal?

1. Untuk Mengekalkan Persekitaran Pertumbuhan Optimum untuk Mikroorganisma atau Sel
Penapaian industri biasanya melibatkan mikroorganisma aerobik, seperti Escherichia coli dan yis, atau sel mamalia, seperti sel Ovari Hamster Cina (CHO). Sel-sel ini berfungsi sebagai "pekerja" dalam sistem penapaian, memerlukan oksigen untuk pernafasan dan aktiviti metabolik. Oksigen berfungsi sebagai penerima elektron terminal dalam respirasi aerobik, membolehkan penghasilan tenaga dalam bentuk ATP. Bekalan oksigen yang tidak mencukupi boleh menyebabkan sel mati lemas, penangkapan pertumbuhan, atau kematian sel, akhirnya mengakibatkan kegagalan penapaian. Memantau tahap DO memastikan kepekatan oksigen kekal dalam julat optimum untuk pertumbuhan dan daya maju sel yang mampan.

2. Untuk Memastikan Sintesis Produk Sasaran yang Cekap
Objektif penapaian biofarmaseutikal bukan sahaja untuk menggalakkan percambahan sel tetapi untuk memudahkan sintesis cekap produk sasaran yang dikehendaki, seperti insulin, antibodi monoklonal, vaksin dan enzim. Laluan biosintetik ini selalunya memerlukan input tenaga yang besar, terutamanya diperoleh daripada respirasi aerobik. Selain itu, banyak sistem enzimatik yang terlibat dalam sintesis produk secara langsung bergantung kepada oksigen. Kekurangan oksigen boleh mengganggu atau mengurangkan kecekapan laluan ini.

Selain itu, tahap DO bertindak sebagai isyarat pengawalseliaan. Kedua-dua kepekatan DO yang terlalu tinggi dan rendah boleh:
- Mengubah laluan metabolik selular, contohnya, beralih daripada respirasi aerobik kepada penapaian anaerobik yang kurang cekap.
- Mencetuskan tindak balas tekanan selular, yang membawa kepada pengeluaran produk sampingan yang tidak diingini.
- Mempengaruhi tahap ekspresi protein eksogen.

Dengan mengawal tahap DO dengan tepat pada peringkat penapaian yang berbeza, adalah mungkin untuk membimbing metabolisme selular ke arah sintesis produk sasaran maksimum, dengan itu mencapai ketumpatan tinggi dan penapaian hasil tinggi.

Pengenalan kepada Carta Aliran Air untuk Bio Farmaseutikal

3. Untuk Mencegah Kekurangan atau Lebihan Oksigen
Kekurangan oksigen (hipoksia) boleh membawa akibat yang teruk:
- Pertumbuhan sel dan sintesis produk terhenti.
- Metabolisme beralih kepada laluan anaerobik, mengakibatkan pengumpulan asid organik seperti asid laktik dan asid asetik, yang menurunkan pH medium kultur dan boleh meracuni sel.
- Hipoksia yang berpanjangan boleh menyebabkan kerosakan yang tidak dapat dipulihkan, dengan pemulihan tidak lengkap walaupun selepas bekalan oksigen dipulihkan.

Lebihan oksigen (supersaturasi) juga menimbulkan risiko:
- Ia boleh mendorong tekanan oksidatif dan pembentukan spesies oksigen reaktif (ROS), yang merosakkan membran sel dan biomolekul.
- Pengudaraan dan pergolakan yang berlebihan meningkatkan penggunaan tenaga dan kos operasi, yang membawa kepada pembaziran sumber yang tidak diperlukan.

4. Sebagai Parameter Kritikal untuk Pemantauan Masa Nyata dan Kawalan Maklum Balas

DO ialah parameter masa nyata, berterusan dan komprehensif yang mencerminkan keadaan dalaman sistem penapaian. Perubahan dalam tahap DO secara sensitif boleh menunjukkan pelbagai keadaan fisiologi dan operasi:
- Pertumbuhan sel yang cepat meningkatkan penggunaan oksigen, menyebabkan tahap DO menurun.
- Penipisan atau perencatan substrat melambatkan metabolisme, mengurangkan penggunaan oksigen dan menyebabkan tahap DO meningkat.
- Pencemaran oleh mikroorganisma asing mengubah corak penggunaan oksigen, membawa kepada turun naik DO yang tidak normal dan berfungsi sebagai isyarat amaran awal.
- Kepincangan fungsi peralatan, seperti kegagalan pengacau, penyumbatan paip pengudaraan, atau kekotoran penapis, juga boleh mengakibatkan tingkah laku DO yang tidak normal.

Dengan menyepadukan pemantauan DO masa nyata ke dalam sistem kawalan maklum balas automatik, peraturan jitu tahap DO boleh dicapai melalui pelarasan dinamik parameter berikut:
- Kelajuan kacau: Meningkatkan kelajuan meningkatkan sentuhan gas-cecair dengan memecahkan buih, dengan itu meningkatkan kecekapan pemindahan oksigen. Ini adalah kaedah yang paling biasa digunakan dan berkesan.
- Kadar pengudaraan: Melaraskan kadar aliran atau komposisi gas masuk (cth, meningkatkan bahagian udara atau oksigen tulen).
- Tekanan tangki: Tekanan yang dinaikkan meningkatkan tekanan separa oksigen, dengan itu meningkatkan keterlarutan.
- Suhu: Menurunkan suhu meningkatkan keterlarutan oksigen dalam medium kultur.

Cadangan produk BOQU untuk pemantauan dalam talian penapaian biologi: