Berita - Pemantauan Tahap Oksigen Terlarut dalam Proses Fermentasi Biofarmaseutikal

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 yang berasal dari atmosfera atau dihasilkan 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. Contohnya, semasa biosintesis penisilin, DO biasanya dikekalkan pada kira-kira 30% tepu udara. Jika DO jatuh 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, sensor DO yang paling biasa digunakan hanya boleh mengukur ketepuan udara relatif, dan bukannya kepekatan mutlak oksigen terlarut. Selepas pensterilan medium kultur, pengudaraan dan pengadukan dilakukan sehingga bacaan sensor stabil, dan pada ketika itu nilai ditetapkan kepada 100% ketepuan udara. Pengukuran seterusnya semasa proses penapaian adalah berdasarkan rujukan ini. Nilai DO mutlak tidak boleh ditentukan menggunakan sensor standard dan memerlukan teknik yang lebih maju, seperti polarografi. Walau bagaimanapun, pengukuran ketepuan udara secara amnya mencukupi untuk memantau dan mengawal proses penapaian.

Dalam fermenter, tahap DO boleh berbeza-beza merentasi kawasan yang berbeza. Walaupun bacaan stabil diperoleh pada satu ketika, turun naik mungkin masih berlaku dalam media kultur tertentu. Fermenter yang lebih besar cenderung menunjukkan variasi spatial yang lebih besar dalam tahap DO, yang boleh menjejaskan pertumbuhan dan produktiviti mikrob dengan ketara. Bukti eksperimen menunjukkan bahawa, walaupun purata tahap DO mungkin 30%, prestasi fermentasi di bawah keadaan yang berubah-ubah adalah jauh lebih rendah berbanding di bawah keadaan yang stabil. Oleh itu, dalam peningkatan skala fermenter—melangkaui pertimbangan persamaan geometri dan kuasa—meminimumkan variasi DO spatial kekal sebagai objektif penyelidikan utama.

Mengapakah Pemantauan Oksigen Terlarut Penting dalam Fermentasi 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 respirasi 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 lemas, pertumbuhan terhenti, atau kematian sel, yang akhirnya mengakibatkan kegagalan penapaian. Pemantauan tahap DO memastikan kepekatan oksigen kekal dalam julat optimum untuk pertumbuhan dan daya hidup sel yang berterusan.

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

Tambahan pula, 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 penghasilan 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, sekali gus mencapai penapaian berketumpatan tinggi dan hasil tinggi.

Pengenalan kepada Carta Aliran Air untuk Bio Farmaseutikal

3. Untuk Mencegah Kekurangan atau Kelebihan Oksigen
Kekurangan oksigen (hipoksia) boleh menyebabkan akibat yang serius:
- 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 bekalan oksigen telah dipulihkan.

Oksigen berlebihan (supersaturasi) juga menimbulkan risiko:
- Ia boleh menyebabkan tekanan oksidatif dan pembentukan spesies oksigen reaktif (ROS), yang merosakkan membran sel dan biomolekul.
- Pengudaraan dan pengadukan yang berlebihan meningkatkan penggunaan tenaga dan kos operasi, lalu mengakibatkan pembaziran sumber yang tidak perlu.

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 boleh menunjukkan secara sensitif pelbagai keadaan fisiologi dan operasi:
- Pertumbuhan sel yang cepat meningkatkan penggunaan oksigen, menyebabkan tahap DO menurun.
- Pengurangan atau perencatan substrat memperlahankan metabolisme, mengurangkan penggunaan oksigen dan menyebabkan tahap DO meningkat.
- Pencemaran oleh mikroorganisma asing mengubah corak penggunaan oksigen, yang membawa kepada turun naik DO yang tidak normal dan berfungsi sebagai isyarat amaran awal.
- Kerosakan peralatan, seperti kegagalan pengacau, penyumbatan paip pengudaraan atau pengotoran penapis, juga boleh mengakibatkan kelakuan DO yang tidak normal.

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

Cadangan produk BOQU untuk pemantauan penapaian biologi dalam talian: