Nijs - Monitoaring fan oploste soerstofnivo's yn it biofarmaseutyske fermentaasjeproses

Wat is oploste soerstof?

Oploste soerstof (DO) ferwiist nei molekulêre soerstof (O_₂) dat oplost is yn wetter. It ferskilt fan 'e soerstofatomen dy't oanwêzich binne yn wettermolekulen (H_₂O), sa't it yn wetter bestiet yn 'e foarm fan ûnôfhinklike soerstofmolekulen, dy't of ôfkomstich binne út 'e atmosfear of generearre wurde troch fotosynteze troch wetterplanten. De konsintraasje fan DO wurdt beynfloede troch ferskate faktoaren, ynklusyf temperatuer, sâltgehalte, wetterstream en biologyske aktiviteiten. As sadanich tsjinnet it as in krityske yndikator foar it beoardieljen fan 'e sûnens- en fersmoargingsstatus fan wetteromjouwings.

Oploste soerstof spilet in essensjele rol by it befoarderjen fan mikrobiële metabolisme, en beynfloedet sellulêre respiraasje, groei en de biosynteze fan metabolike produkten. Hegere nivo's fan oploste soerstof binne lykwols net altyd foardielich. In tefolle soerstof kin liede ta fierdere metabolisme fan opboude produkten en potinsjeel giftige reaksjes feroarsaakje. De optimale DO-nivo's fariearje tusken ferskate baktearjesoarten. Bygelyks, tidens de biosynteze fan penisilline wurdt DO typysk op sawat 30% loftsaturaasje hâlden. As DO nei nul sakket en fiif minuten op dat nivo bliuwt, kin de produktfoarming signifikant beheind wurde. As dizze tastân 20 minuten oanhâldt, kin ûnomkearbere skea ûntstean.

Op it stuit kinne de meast brûkte DO-sensoren allinich relative loftsaturaasje mjitte, ynstee fan de absolute konsintraasje fan oploste soerstof. Nei sterilisaasje fan it kweekmedium wurde beluchting en roering útfierd oant de sensorlêzing stabilisearret, wêrnei't de wearde ynsteld wurdt op 100% loftsaturaasje. Folgjende mjittingen tidens it fermentaasjeproses binne basearre op dizze referinsje. Absolute DO-wearden kinne net bepaald wurde mei standert sensoren en fereaskje mear avansearre techniken, lykas polarografy. Loftsaturaasjemjittingen binne lykwols oer it algemien genôch foar it kontrolearjen en kontrolearjen fan fermentaasjeprosessen.

Binnen in fermentor kinne DO-nivo's ferskille tusken ferskate regio's. Sels as op in bepaald momint in stabile lêzing wurdt krigen, kinne fluktuaasjes noch foarkomme yn bepaalde kultuermedia. Gruttere fermentors hawwe de neiging om gruttere romtlike fariaasjes yn DO-nivo's te sjen litten, wat de mikrobiële groei en produktiviteit signifikant kin beynfloedzje. Eksperiminteel bewiis hat oantoand dat, hoewol it gemiddelde DO-nivo 30% kin wêze, de fermentaasjeprestaasje ûnder fluktuearjende omstannichheden merkber leger is as ûnder stabile omstannichheden. Dêrom bliuwt it minimalisearjen fan romtlike DO-fariaasjes by it opskalearjen fan fermentors - bûten oerwagings fan geometryske en krêftoerienkomst - in wichtich ûndersyksdoel.

Wêrom is it monitoren fan oploste soerstof essensjeel by biofarmaseutyske fermentaasje?

1. Om de optimale groeiomjouwing foar mikro-organismen of sellen te behâlden
Yndustriële fermentaasje omfettet typysk aerobe mikroorganismen, lykas Escherichia coli en gist, of sûchdiersellen, lykas Sineeske hamster-ovariumsellen (CHO-sellen). Dizze sellen funksjonearje as "wurknimmers" binnen it fermentaasjesysteem, en hawwe soerstof nedich foar respiraasje en metabolike aktiviteit. Soerstof tsjinnet as de terminale elektronakseptor yn aerobe respiraasje, wêrtroch't enerzjy yn 'e foarm fan ATP produsearre wurde kin. Unfoldwaande soerstoffoarsjenning kin liede ta sellulêre ferstikking, groeiarrestaasje, of sels seldea, wat úteinlik resulteart yn fermentaasjemislearring. It kontrolearjen fan DO-nivo's soarget derfoar dat soerstofkonsintraasjes binnen it optimale berik bliuwe foar oanhâldende selgroei en leefberens.

2. Om effisjinte synteze fan doelprodukten te garandearjen
It doel fan biofarmaseutyske fermentaasje is net allinich it befoarderjen fan selproliferaasje, mar ek it fasilitearjen fan 'e effisjinte synteze fan winske doelprodukten, lykas insuline, monoklonale antistoffen, faksins en enzymen. Dizze biosyntetyske paden fereaskje faak substansjele enerzjyynfier, benammen ôflaat fan aerobe respiraasje. Derneist binne in protte enzymatyske systemen dy't belutsen binne by produktsynteze direkt ôfhinklik fan soerstof. Soerstoftekoart kin de effisjinsje fan dizze paden fersteure of ferminderje.

Boppedat fungearje DO-nivo's as in regeljouwingssinjaal. Sawol te hege as lege DO-konsintraasjes kinne:
- Feroarje sellulêre metabolike paden, bygelyks troch te ferskowen fan aerobe respiraasje nei minder effisjinte anaerobe fermentaasje.
- Triggerje sellulêre stressreaksjes, wat liedt ta de produksje fan net winske byprodukten.
- Beynfloede de ekspresjenivo's fan eksogene proteïnen.

Troch it presys kontrolearjen fan DO-nivo's yn ferskate stadia fan fermentaasje, is it mooglik om sellulêr metabolisme te lieden nei maksimale doelproduktsynteze, wêrtroch fermentaasje mei hege tichtheid en hege opbringst berikt wurdt.

Ynlieding ta it wetterstreamdiagram foar biofarmaseutika

3. Om soerstoftekoart of oerskot te foarkommen
Soerstoftekoart (hypoxia) kin slimme gefolgen hawwe:
- Selgroei en produktsynteze stopje.
- Metabolisme ferskowt nei anaerobe paden, wat resulteart yn 'e opgarjen fan organyske soeren lykas molksûr en jittiksoer, dy't de pH fan it kweekmedium ferleegje en de sellen kinne fergiftigje.
- Langduorjende hypoxia kin ûnomkearbere skea feroarsaakje, wêrby't it herstel net folslein is, sels nei't de soerstoffoarsjenning wer opboud is.

Oermjittige soerstof (oersaturaasje) bringt ek risiko's mei:
- It kin oksidative stress en de foarming fan reaktive soerstofsoarten (ROS) feroarsaakje, dy't selmembranen en biomolekulen beskeadigje.
- Oermjittige beluchting en skodzjen ferheegje it enerzjyferbrûk en de eksploitaasjekosten, wat liedt ta ûnnedige fergriemerij fan boarnen.

4. As in krityske parameter foar real-time monitoring en feedbackkontrôle

DO is in real-time, trochgeande en wiidweidige parameter dy't de ynterne omstannichheden fan it fermentaasjesysteem wjerspegelet. Feroarings yn DO-nivo's kinne gefoelich ferskate fysiologyske en operasjonele steaten oanjaan:
- Snelle selgroei fergruttet soerstofferbrûk, wêrtroch't DO-nivo's sakje.
- Substraatútputting of ynhibysje fertraget it metabolisme, wêrtroch't soerstofferbrûk ferminderet en DO-nivo's omheech geane.
- Fersmoarging troch frjemde mikroorganismen feroaret it soerstofferbrûkspatroan, wat liedt ta abnormale DO-fluktuaasjes en tsjinnet as in ier warskôgingssignaal.
- Storingen yn apparatuer, lykas it falen fan 'e roerder, blokkearjen fan fentilaasjepipen of fersmoarging fan filters, kinne ek liede ta abnormaal DO-gedrach.

Troch real-time DO-monitoring te yntegrearjen yn in automatisearre feedbackkontrôlesysteem, kin krekte regeling fan DO-nivo's berikt wurde troch dynamyske oanpassingen fan 'e folgjende parameters:
- Roersnelheid: It ferheegjen fan de snelheid ferbetteret it kontakt tusken gas en floeistof troch it brekken fan bubbels, wêrtroch de effisjinsje fan soerstofoerdracht ferbetteret. Dit is de meast brûkte en effektive metoade.
- Beluchtingssnelheid: It oanpassen fan de streamsnelheid of gearstalling fan it ynlaatgas (bygelyks, it ferheegjen fan it oanpart loft of suvere soerstof).
- Tankdruk: Ferheegjen fan 'e druk fergruttet de parsjele druk fan soerstof, wêrtroch't de oplosberens ferbettere wurdt.
- Temperatuer: It ferleegjen fan 'e temperatuer fergruttet de oplosberens fan soerstof yn it kweekmedium.

BOQU's produktoanbefellings foar online monitoring fan biologyske fermentaasje: