Nyheter - Övervakning av nivåer av löst syre i den biofarmaceutiska fermenteringsprocessen

Vad är löst syre?

Löst syre (DO) avser molekylärt syre (O_₂) som är löst i vatten. Den skiljer sig från syreatomerna som finns i vattenmolekyler (H_₂O), så som det existerar i vatten i form av oberoende syremolekyler, antingen härrörande från atmosfären eller genererade genom fotosyntes av vattenväxter. Koncentrationen av DO påverkas av olika faktorer, inklusive temperatur, salthalt, vattenflöde och biologiska aktiviteter. Som sådan fungerar den som en kritisk indikator för att bedöma hälso- och föroreningsstatusen i vattenmiljöer.

Löst syre spelar en viktig roll för att främja mikrobiell metabolism, påverka cellandning, tillväxt och biosyntes av metaboliska produkter. Högre nivåer av löst syre är dock inte alltid fördelaktiga. Överskott av syre kan leda till ytterligare metabolism av ackumulerade produkter och potentiellt orsaka toxiska reaktioner. De optimala DO-nivåerna varierar mellan olika bakteriearter. Till exempel, under biosyntesen av penicillin, hålls DO vanligtvis vid cirka 30 % luftmättnad. Om DO sjunker till noll och förblir på den nivån i fem minuter kan produktbildningen försämras avsevärt. Om detta tillstånd kvarstår i 20 minuter kan irreversibla skador uppstå.

För närvarande kan de vanligaste DO-sensorerna endast mäta relativ luftmättnad, snarare än den absoluta koncentrationen av löst syre. Efter sterilisering av odlingsmediet utförs luftning och omrörning tills sensoravläsningen stabiliseras, varvid värdet ställs in på 100 % luftmättnad. Efterföljande mätningar under fermenteringsprocessen baseras på denna referens. Absoluta DO-värden kan inte bestämmas med standardsensorer och kräver mer avancerade tekniker, såsom polarografi. Mätningar av luftmättnad är dock i allmänhet tillräckliga för att övervaka och kontrollera fermenteringsprocesser.

Inom en fermentor kan DO-nivåerna variera mellan olika regioner. Även när en stabil avläsning erhålls vid en viss punkt kan fluktuationer fortfarande förekomma i vissa odlingsmedier. Större fermentorer tenderar att uppvisa större rumsliga variationer i DO-nivåer, vilket kan påverka mikrobiell tillväxt och produktivitet avsevärt. Experimentella bevis har visat att, även om den genomsnittliga DO-nivån kan vara 30 %, är fermenteringsprestandan under fluktuerande förhållanden betydligt lägre än under stabila förhållanden. Därför är det fortfarande ett viktigt forskningsmål att minimera rumsliga DO-variationer vid uppskalning av fermentorer – utöver hänsyn till geometrisk likhet och effektlikhet.

Varför är övervakning av löst syre avgörande vid biofarmaceutisk fermentering?

1. För att upprätthålla en optimal tillväxtmiljö för mikroorganismer eller celler
Industriell fermentering involverar vanligtvis aeroba mikroorganismer, såsom Escherichia coli och jäst, eller däggdjursceller, såsom kinesiska hamsteräggstocksceller (CHO). Dessa celler fungerar som "arbetare" i fermenteringssystemet och behöver syre för respiration och metabolisk aktivitet. Syre fungerar som den terminala elektronacceptorn i aerob respiration, vilket möjliggör produktion av energi i form av ATP. Otillräcklig syretillförsel kan leda till cellkvävning, tillväxtstopp eller till och med celldöd, vilket i slutändan resulterar i fermenteringsmisslyckande. Övervakning av DO-nivåerna säkerställer att syrekoncentrationerna förblir inom det optimala intervallet för hållbar celltillväxt och livskraft.

2. För att säkerställa effektiv syntes av målprodukter
Syftet med biofarmaceutisk fermentering är inte bara att främja cellproliferation utan att underlätta effektiv syntes av önskade målprodukter, såsom insulin, monoklonala antikroppar, vacciner och enzymer. Dessa biosyntetiska vägar kräver ofta betydande energitillförsel, främst från aerob respiration. Dessutom är många enzymatiska system som är involverade i produktsyntes direkt beroende av syre. Syrebrist kan störa eller minska effektiviteten hos dessa vägar.

Dessutom fungerar DO-nivåer som en regleringssignal. Både alltför höga och låga DO-koncentrationer kan:
- Förändra cellulära metaboliska vägar, till exempel genom att övergå från aerob respiration till mindre effektiv anaerob fermentering.
- Utlöser cellulära stressreaktioner, vilket leder till produktion av oönskade biprodukter.
- Påverka uttrycksnivåerna av exogena proteiner.

Genom att exakt kontrollera DO-nivåerna i olika stadier av fermenteringen är det möjligt att styra cellmetabolismen mot maximal målproduktsyntes, och därigenom uppnå högdensitets- och högavkastningsfermentering.

Introduktion till vattenflödesschemat för bioläkemedel

3. För att förhindra syrebrist eller överskott
Syrebrist (hypoxi) kan få allvarliga konsekvenser:
- Celltillväxt och produktsyntes upphör.
- Metabolismen övergår till anaeroba vägar, vilket resulterar i ansamling av organiska syror som mjölksyra och ättiksyra, vilket sänker pH-värdet i odlingsmediet och kan förgifta cellerna.
- Långvarig hypoxi kan orsaka irreversibla skador, där återhämtningen är ofullständig även efter att syretillförseln har återställts.

Överskott av syre (övermättnad) medför också risker:
- Det kan orsaka oxidativ stress och bildandet av reaktiva syreradikaler (ROS), vilket skadar cellmembran och biomolekyler.
- Överdriven luftning och omrörning ökar energiförbrukningen och driftskostnaderna, vilket leder till onödigt resursslöseri.

4. Som en kritisk parameter för realtidsövervakning och återkopplingskontroll

DO är en realtids-, kontinuerlig och omfattande parameter som återspeglar de interna förhållandena i fermenteringssystemet. Förändringar i DO-nivåer kan känsligt indikera olika fysiologiska och operativa tillstånd:
- Snabb celltillväxt ökar syreförbrukningen, vilket gör att DO-nivåerna sjunker.
- Substratutarmning eller hämning saktar ner ämnesomsättningen, vilket minskar syreförbrukningen och orsakar att DO-nivåerna stiger.
- Kontaminering av främmande mikroorganismer förändrar syreförbrukningsmönstret, vilket leder till onormala DO-fluktuationer och fungerar som en tidig varningssignal.
- Utrustningsfel, såsom fel på omröraren, blockering av ventilationsrör eller nedsmutsning av filter, kan också leda till onormalt DO-beteende.

Genom att integrera realtidsövervakning av DO i ett automatiserat återkopplingssystem kan exakt reglering av DO-nivåer uppnås genom dynamiska justeringar av följande parametrar:
- Omrörningshastighet: Ökad hastighet förbättrar gas-vätska-kontakten genom att bryta upp bubblor, vilket förbättrar syreöverföringseffektiviteten. Detta är den vanligaste och mest effektiva metoden.
- Luftningshastighet: Justering av flödeshastigheten eller sammansättningen av inloppsgasen (t.ex. ökning av andelen luft eller rent syre).
- Tanktryck: Höjt tryck ökar syrets partialtryck, vilket förbättrar lösligheten.
- Temperatur: Sänkning av temperaturen ökar syrelösligheten i odlingsmediet.

BOQUs produktrekommendationer för onlineövervakning av biologisk fermentering: