Nyheder - Overvågning af niveauer af opløst ilt i den biofarmaceutiske fermenteringsproces

Hvad er opløst ilt?

Opløst ilt (DO) refererer til molekylært ilt (O_₂) som er opløst i vand. Det adskiller sig fra de iltatomer, der findes i vandmolekyler (H_₂O), som det findes i vand i form af uafhængige iltmolekyler, enten oprindeligt fra atmosfæren eller genereret gennem fotosyntese af vandplanter. Koncentrationen af DO påvirkes af forskellige faktorer, herunder temperatur, saltindhold, vandgennemstrømning og biologiske aktiviteter. Som sådan fungerer den som en kritisk indikator for vurdering af vandmiljøers sundheds- og forureningsstatus.

Opløst ilt spiller en afgørende rolle i at fremme mikrobiel metabolisme, påvirke cellulær respiration, vækst og biosyntese af metaboliske produkter. Højere niveauer af opløst ilt er dog ikke altid gavnlige. Overskydende ilt kan føre til yderligere metabolisme af akkumulerede produkter og potentielt forårsage toksiske reaktioner. De optimale DO-niveauer varierer mellem forskellige bakteriearter. For eksempel opretholdes DO typisk på ca. 30 % luftmætning under biosyntesen af penicillin. Hvis DO falder til nul og forbliver på dette niveau i fem minutter, kan produktdannelsen blive betydeligt forringet. Hvis denne tilstand varer ved i 20 minutter, kan der opstå irreversibel skade.

I øjeblikket kan de mest almindeligt anvendte DO-sensorer kun måle relativ luftmætning i stedet for den absolutte koncentration af opløst ilt. Efter sterilisering af dyrkningsmediet udføres luftning og omrøring, indtil sensoraflæsningen stabiliserer sig, hvorefter værdien indstilles til 100 % luftmætning. Efterfølgende målinger under fermenteringsprocessen er baseret på denne reference. Absolutte DO-værdier kan ikke bestemmes ved hjælp af standardsensorer og kræver mere avancerede teknikker, såsom polarografi. Målinger af luftmætning er dog generelt tilstrækkelige til at overvåge og kontrollere fermenteringsprocesser.

Inden for en fermentor kan DO-niveauer variere på tværs af forskellige regioner. Selv når der opnås en stabil aflæsning på et tidspunkt, kan der stadig forekomme udsving i visse kulturmedier. Større fermentorer har en tendens til at udvise større rumlige variationer i DO-niveauer, hvilket kan påvirke mikrobiel vækst og produktivitet betydeligt. Eksperimentelle beviser har vist, at selvom det gennemsnitlige DO-niveau kan være 30%, er fermenteringsydelsen under fluktuerende forhold betydeligt lavere end under stabile forhold. Derfor er det ved opskalering af fermentorer - ud over hensyntagen til geometrisk og effektmæssig lighed - fortsat et centralt forskningsmål at minimere rumlige DO-variationer.

Hvorfor er overvågning af opløst ilt essentiel i biofarmaceutisk fermentering?

1. At opretholde det optimale vækstmiljø for mikroorganismer eller celler
Industriel fermentering involverer typisk aerobe mikroorganismer, såsom Escherichia coli og gær, eller pattedyrceller, såsom kinesiske hamsterovarieceller (CHO). Disse celler fungerer som "arbejdere" i fermenteringssystemet og kræver ilt til respiration og metabolisk aktivitet. Ilt fungerer som den terminale elektronacceptor i aerob respiration, hvilket muliggør produktion af energi i form af ATP. Utilstrækkelig iltforsyning kan føre til cellulær kvælning, vækststop eller endda celledød, hvilket i sidste ende resulterer i fermenteringssvigt. Overvågning af DO-niveauer sikrer, at iltkoncentrationerne forbliver inden for det optimale område for vedvarende cellevækst og levedygtighed.

2. For at sikre effektiv syntese af målprodukter
Formålet med biofarmaceutisk fermentering er ikke blot at fremme celleproliferation, men også at lette den effektive syntese af ønskede målprodukter, såsom insulin, monoklonale antistoffer, vacciner og enzymer. Disse biosyntetiske veje kræver ofte en betydelig energitilførsel, primært fra aerob respiration. Derudover er mange enzymatiske systemer involveret i produktsyntese direkte afhængige af ilt. Iltmangel kan forstyrre eller reducere effektiviteten af disse veje.

Derudover fungerer DO-niveauer som et regulatorisk signal. Både for høje og lave DO-koncentrationer kan:
- Ændring af cellulære metaboliske veje, for eksempel skift fra aerob respiration til mindre effektiv anaerob fermentering.
- Udløser cellulære stressreaktioner, hvilket fører til produktion af uønskede biprodukter.
- Påvirke ekspressionsniveauerne af eksogene proteiner.

Ved præcist at kontrollere DO-niveauer på forskellige stadier af fermenteringen er det muligt at styre cellulær metabolisme mod maksimal syntese af målproduktet og derved opnå fermentering med høj densitet og højt udbytte.

Introduktion til vandflowdiagrammet for biofarmaceutiske produkter

3. For at forhindre iltmangel eller -overskud
Iltmangel (hypoksi) kan have alvorlige konsekvenser:
- Cellevækst og produktsyntese ophører.
- Metabolismen skifter til anaerobe veje, hvilket resulterer i akkumulering af organiske syrer såsom mælkesyre og eddikesyre, som sænker pH-værdien i kulturmediet og kan forgifte cellerne.
- Langvarig hypoxi kan forårsage uoprettelig skade, hvor helingen er ufuldstændig, selv efter at iltforsyningen er genoprettet.

Overskydende ilt (overmætning) udgør også risici:
- Det kan fremkalde oxidativ stress og dannelsen af reaktive iltarter (ROS), som beskadiger cellemembraner og biomolekyler.
- Overdreven luftning og omrøring øger energiforbruget og driftsomkostningerne, hvilket fører til unødvendigt ressourcespild.

4. Som en kritisk parameter for realtidsovervågning og feedbackkontrol

DO er en realtids, kontinuerlig og omfattende parameter, der afspejler de interne forhold i fermenteringssystemet. Ændringer i DO-niveauer kan følsomt indikere forskellige fysiologiske og operationelle tilstande:
- Hurtig cellevækst øger iltforbruget, hvilket får DO-niveauerne til at falde.
- Substratudtømning eller -hæmning forsinker stofskiftet, hvilket reducerer iltforbruget og får DO-niveauerne til at stige.
- Kontaminering med fremmede mikroorganismer ændrer iltforbrugsmønsteret, hvilket fører til unormale DO-udsving og fungerer som et tidligt advarselssignal.
- Udstyrsfejl, såsom omrørerfejl, blokering af ventilationsrør eller tilsmudsning af filter, kan også resultere i unormal DO-adfærd.

Ved at integrere realtids-DO-overvågning i et automatiseret feedback-kontrolsystem kan præcis regulering af DO-niveauer opnås gennem dynamiske justeringer af følgende parametre:
- Omrøringshastighed: Øget hastighed forbedrer gas-væske-kontakten ved at bryde bobler, hvorved iltoverførselseffektiviteten forbedres. Dette er den mest almindeligt anvendte og effektive metode.
- Luftningshastighed: Justering af strømningshastigheden eller sammensætningen af den indløbne gas (f.eks. forøgelse af andelen af luft eller ren ilt).
- Tanktryk: Forhøjet tryk øger iltpartialtrykket og forbedrer dermed opløseligheden.
- Temperatur: Sænkning af temperaturen øger iltopløseligheden i dyrkningsmediet.

BOQUs produktanbefalinger til online overvågning af biologisk fermentering: