اخبار - نظارت بر سطح اکسیژن محلول در فرآیند تخمیر زیستی دارویی

اکسیژن محلول چیست؟

اکسیژن محلول (DO) به اکسیژن مولکولی (O2) اشاره دارد._₂) که در آب حل می‌شود. این با اتم‌های اکسیژن موجود در مولکول‌های آب (H₂) متفاوت است._₂O)، زیرا در آب به شکل مولکول‌های اکسیژن مستقل وجود دارد، چه از جو منشأ گرفته باشد و چه از طریق فتوسنتز توسط گیاهان آبزی تولید شود. غلظت DO تحت تأثیر عوامل مختلفی از جمله دما، شوری، جریان آب و فعالیت‌های بیولوژیکی قرار دارد. به همین ترتیب، به عنوان یک شاخص حیاتی برای ارزیابی وضعیت سلامت و آلودگی محیط‌های آبی عمل می‌کند.

اکسیژن محلول نقش حیاتی در ارتقای متابولیسم میکروبی دارد و بر تنفس سلولی، رشد و بیوسنتز محصولات متابولیک تأثیر می‌گذارد. با این حال، سطوح بالاتر اکسیژن محلول همیشه مفید نیست. اکسیژن اضافی ممکن است منجر به متابولیسم بیشتر محصولات انباشته شده شود و به طور بالقوه باعث واکنش‌های سمی شود. سطح بهینه اکسیژن محلول در بین گونه‌های مختلف باکتریایی متفاوت است. به عنوان مثال، در طول بیوسنتز پنی سیلین، اکسیژن محلول معمولاً در حدود 30٪ اشباع هوا حفظ می‌شود. اگر اکسیژن محلول به صفر کاهش یابد و به مدت پنج دقیقه در آن سطح باقی بماند، تشکیل محصول می‌تواند به طور قابل توجهی مختل شود. اگر این وضعیت به مدت 20 دقیقه ادامه یابد، ممکن است آسیب برگشت‌ناپذیری رخ دهد.

در حال حاضر، رایج‌ترین حسگرهای DO فقط می‌توانند اشباع نسبی هوا را اندازه‌گیری کنند، نه غلظت مطلق اکسیژن محلول. پس از استریل کردن محیط کشت، هوادهی و هم زدن انجام می‌شود تا زمانی که عدد حسگر تثبیت شود، که در آن نقطه مقدار روی ۱۰۰٪ اشباع هوا تنظیم می‌شود. اندازه‌گیری‌های بعدی در طول فرآیند تخمیر بر اساس این مرجع انجام می‌شود. مقادیر مطلق DO را نمی‌توان با استفاده از حسگرهای استاندارد تعیین کرد و به تکنیک‌های پیشرفته‌تری مانند پلاروگرافی نیاز است. با این حال، اندازه‌گیری‌های اشباع هوا عموماً برای نظارت و کنترل فرآیندهای تخمیر کافی هستند.

در یک تخمیرکننده، سطح DO می‌تواند در مناطق مختلف متفاوت باشد. حتی زمانی که در یک نقطه، خوانش پایداری به دست می‌آید، ممکن است نوساناتی در محیط‌های کشت خاص رخ دهد. تخمیرکننده‌های بزرگتر تمایل دارند تغییرات مکانی بیشتری در سطح DO نشان دهند، که می‌تواند به طور قابل توجهی بر رشد و بهره‌وری میکروبی تأثیر بگذارد. شواهد تجربی نشان داده است که اگرچه میانگین سطح DO ممکن است 30٪ باشد، اما عملکرد تخمیر در شرایط نوسانی به طور قابل توجهی کمتر از شرایط پایدار است. بنابراین، در افزایش مقیاس تخمیرکننده‌ها - فراتر از ملاحظات شباهت هندسی و توان - به حداقل رساندن تغییرات مکانی DO همچنان یک هدف کلیدی تحقیق است.

چرا پایش اکسیژن محلول در تخمیر بیودارویی ضروری است؟

۱. حفظ محیط رشد بهینه برای میکروارگانیسم‌ها یا سلول‌ها
تخمیر صنعتی معمولاً شامل میکروارگانیسم‌های هوازی مانند اشریشیا کلی و مخمر یا سلول‌های پستانداران مانند سلول‌های تخمدان همستر چینی (CHO) است. این سلول‌ها به عنوان "کارگران" در سیستم تخمیر عمل می‌کنند و برای تنفس و فعالیت متابولیکی به اکسیژن نیاز دارند. اکسیژن به عنوان گیرنده الکترون نهایی در تنفس هوازی عمل می‌کند و تولید انرژی به شکل ATP را ممکن می‌سازد. تأمین ناکافی اکسیژن می‌تواند منجر به خفگی سلولی، توقف رشد یا حتی مرگ سلولی شود و در نهایت منجر به عدم موفقیت تخمیر شود. نظارت بر سطح DO تضمین می‌کند که غلظت اکسیژن در محدوده بهینه برای رشد و بقای پایدار سلول باقی بماند.

۲. برای اطمینان از سنتز کارآمد محصولات هدف
هدف تخمیر زیست‌دارویی صرفاً ترویج تکثیر سلولی نیست، بلکه تسهیل سنتز کارآمد محصولات هدف مورد نظر، مانند انسولین، آنتی‌بادی‌های مونوکلونال، واکسن‌ها و آنزیم‌ها است. این مسیرهای بیوسنتزی اغلب به انرژی ورودی قابل توجهی نیاز دارند که عمدتاً از تنفس هوازی حاصل می‌شود. علاوه بر این، بسیاری از سیستم‌های آنزیمی دخیل در سنتز محصول مستقیماً به اکسیژن وابسته هستند. کمبود اکسیژن ممکن است کارایی این مسیرها را مختل یا کاهش دهد.

علاوه بر این، سطح DO به عنوان یک سیگنال تنظیمی عمل می‌کند. غلظت‌های DO بیش از حد بالا و پایین می‌توانند:
- تغییر مسیرهای متابولیک سلولی، به عنوان مثال، تغییر از تنفس هوازی به تخمیر بی‌هوازی با راندمان کمتر.
- پاسخ‌های استرس سلولی را تحریک می‌کنند که منجر به تولید محصولات جانبی نامطلوب می‌شود.
- بر میزان بیان پروتئین‌های خارجی تأثیر می‌گذارند.

با کنترل دقیق سطح اکسیژن محلول در مراحل مختلف تخمیر، می‌توان متابولیسم سلولی را به سمت سنتز حداکثری محصول هدف هدایت کرد و در نتیجه به تخمیر با چگالی بالا و بازده بالا دست یافت.

مقدمه‌ای بر نمودار جریان آب برای داروسازی زیستی

۳. برای جلوگیری از کمبود یا بیش از حد اکسیژن
کمبود اکسیژن (هیپوکسی) می‌تواند عواقب شدیدی داشته باشد:
- رشد سلولی و سنتز محصولات متوقف می‌شود.
- متابولیسم به مسیرهای بی‌هوازی تغییر می‌کند و در نتیجه اسیدهای آلی مانند اسید لاکتیک و اسید استیک تجمع می‌یابند که pH محیط کشت را کاهش می‌دهند و ممکن است سلول‌ها را مسموم کنند.
- هیپوکسی طولانی مدت می‌تواند آسیب‌های جبران‌ناپذیری ایجاد کند، به طوری که حتی پس از برقراری مجدد اکسیژن، بهبودی کامل حاصل نمی‌شود.

اکسیژن اضافی (فوق اشباع) همچنین خطراتی را به همراه دارد:
- می‌تواند باعث ایجاد استرس اکسیداتیو و تشکیل گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) شود که به غشاهای سلولی و مولکول‌های زیستی آسیب می‌رسانند.
- هوادهی و هم زدن بیش از حد، مصرف انرژی و هزینه‌های عملیاتی را افزایش می‌دهد و منجر به اتلاف غیرضروری منابع می‌شود.

۴. به عنوان یک پارامتر حیاتی برای نظارت و کنترل بازخورد در لحظه

DO یک پارامتر بلادرنگ، پیوسته و جامع است که شرایط داخلی سیستم تخمیر را منعکس می‌کند. تغییرات در سطح DO می‌تواند به طور حساسی حالت‌های مختلف فیزیولوژیکی و عملیاتی را نشان دهد:
- رشد سریع سلول، مصرف اکسیژن را افزایش می‌دهد و باعث کاهش سطح اکسیژن محلول (DO) می‌شود.
- کاهش یا مهار سوبسترا، متابولیسم را کند می‌کند، مصرف اکسیژن را کاهش می‌دهد و باعث افزایش سطح اکسیژن محلول (DO) می‌شود.
- آلودگی توسط میکروارگانیسم‌های خارجی الگوی مصرف اکسیژن را تغییر می‌دهد و منجر به نوسانات غیرطبیعی DO می‌شود و به عنوان یک سیگنال هشدار اولیه عمل می‌کند.
- نقص تجهیزات، مانند خرابی همزن، انسداد لوله تهویه یا گرفتگی فیلتر، همچنین می‌تواند منجر به رفتار غیرطبیعی DO شود.

با ادغام مانیتورینگ DO در زمان واقعی در یک سیستم کنترل بازخورد خودکار، تنظیم دقیق سطوح DO را می‌توان از طریق تنظیمات پویای پارامترهای زیر به دست آورد:
- سرعت هم زدن: افزایش سرعت با شکستن حباب‌ها، تماس گاز-مایع را افزایش می‌دهد و در نتیجه راندمان انتقال اکسیژن را بهبود می‌بخشد. این روش رایج‌ترین و مؤثرترین روش است.
- میزان هوادهی: تنظیم میزان جریان یا ترکیب گاز ورودی (مثلاً افزایش نسبت هوا یا اکسیژن خالص).
فشار مخزن: افزایش فشار، فشار جزئی اکسیژن را افزایش می‌دهد و در نتیجه حلالیت را افزایش می‌دهد.
- دما: کاهش دما، حلالیت اکسیژن را در محیط کشت افزایش می‌دهد.

توصیه‌های محصول BOQU برای نظارت آنلاین بر تخمیر بیولوژیکی: