Yangiliklar - Biofarmatsevtik fermentatsiya jarayonida erigan kislorod darajasining monitoringi

Eritilgan kislorod nima?

Eritilgan kislorod (DO) molekulyar kislorodga (O_₂) suvda erigan. U suv molekulalarida mavjud bo'lgan kislorod atomlaridan farq qiladi (H_₂O), suvda atmosferadan kelib chiqadigan yoki suv o'simliklari tomonidan fotosintez natijasida hosil bo'lgan mustaqil kislorod molekulalari shaklida mavjud bo'lganligi sababli. DO kontsentratsiyasiga harorat, sho'rlanish, suv oqimi va biologik faollik kabi turli omillar ta'sir qiladi. Shunday qilib, u suv muhitining salomatligi va ifloslanish holatini baholash uchun muhim ko'rsatkich bo'lib xizmat qiladi.

Eritilgan kislorod mikrobial metabolizmni rag'batlantirishda, hujayra nafas olishiga, o'sishiga va metabolik mahsulotlarning biosinteziga ta'sir qilishda muhim rol o'ynaydi. Biroq, erigan kislorodning yuqori darajasi har doim ham foydali emas. Ortiqcha kislorod to'plangan mahsulotlarning keyingi metabolizmiga olib kelishi va potentsial toksik reaktsiyalarni keltirib chiqarishi mumkin. Optimal DO darajalari turli bakteriya turlari orasida farq qiladi. Masalan, penitsillin biosintezi paytida DO odatda havoning taxminan 30% to'yinganligida saqlanadi. Agar DO nolga tushib qolsa va besh daqiqa davomida shu darajada qolsa, mahsulot shakllanishi sezilarli darajada buzilishi mumkin. Agar bu holat 20 daqiqa davom etsa, qaytarilmas zarar paydo bo'lishi mumkin.

Hozirgi vaqtda eng ko'p ishlatiladigan DO sensorlari erigan kislorodning mutlaq kontsentratsiyasini emas, balki faqat havoning nisbiy to'yinganligini o'lchashi mumkin. Madaniyat muhitini sterilizatsiya qilgandan so'ng, aeratsiya va aralashtirish sensor ko'rsatkichi barqarorlashguncha amalga oshiriladi, bunda qiymat havoning 100% to'yinganligiga o'rnatiladi. Fermentatsiya jarayonida keyingi o'lchovlar ushbu ma'lumotnomaga asoslanadi. Mutlaq DO qiymatlarini standart sensorlar yordamida aniqlash mumkin emas va polarografiya kabi ilg'or usullarni talab qiladi. Biroq, havo to'yinganligi o'lchovlari odatda fermentatsiya jarayonlarini kuzatish va nazorat qilish uchun etarli.

Fermentator ichida DO darajalari turli mintaqalarda farq qilishi mumkin. Bir nuqtada barqaror o'qish olingan bo'lsa ham, ba'zi madaniyat vositalarida dalgalanmalar paydo bo'lishi mumkin. Kattaroq fermentatorlar DO darajalarida ko'proq fazoviy o'zgarishlarni ko'rsatishga moyildirlar, bu esa mikroblarning o'sishi va mahsuldorligiga sezilarli ta'sir ko'rsatishi mumkin. Eksperimental dalillar shuni ko'rsatdiki, o'rtacha DO darajasi 30% bo'lishi mumkin bo'lsa-da, o'zgaruvchan sharoitlarda fermentatsiya samaradorligi barqaror sharoitlarga qaraganda ancha past. Shuning uchun, fermentatorlarning ko'lamini kengaytirishda - geometrik va quvvat o'xshashligini hisobga olmaganda - fazoviy DO o'zgarishlarini minimallashtirish asosiy tadqiqot maqsadi bo'lib qolmoqda.

Nima uchun biofarmatsevtik fermentatsiyada erigan kislorod monitoringi muhim?

1. Mikroorganizmlar yoki hujayralar uchun optimal o'sish muhitini saqlash
Sanoat fermentatsiyasi odatda Escherichia coli va xamirturush kabi aerob mikroorganizmlarni yoki Xitoy Hamster tuxumdon (CHO) hujayralari kabi sutemizuvchilar hujayralarini o'z ichiga oladi. Ushbu hujayralar fermentatsiya tizimida "ishchilar" sifatida ishlaydi, nafas olish va metabolik faollik uchun kislorod talab qiladi. Kislorod aerob nafas olishda terminal elektron qabul qiluvchi bo'lib, ATP shaklida energiya ishlab chiqarishga imkon beradi. Kislorod bilan ta'minlanmaganligi hujayraning bo'g'ilishiga, o'sishni to'xtatishga yoki hatto hujayra o'limiga olib kelishi mumkin, natijada fermentatsiya muvaffaqiyatsizlikka uchraydi. DO darajasini kuzatish kislorod kontsentratsiyasining hujayraning barqaror o'sishi va hayotiyligi uchun optimal diapazonda qolishini ta'minlaydi.

2. Maqsadli mahsulotlarning samarali sintezini ta'minlash
Biofarmatsevtik fermentatsiyaning maqsadi nafaqat hujayra proliferatsiyasini rag'batlantirish, balki insulin, monoklonal antikorlar, vaktsinalar va fermentlar kabi kerakli maqsadli mahsulotlarning samarali sintezini osonlashtirishdir. Ushbu biosintetik yo'llar ko'pincha aerob nafas olishdan kelib chiqadigan katta energiya sarfini talab qiladi. Bundan tashqari, mahsulot sintezida ishtirok etadigan ko'plab fermentativ tizimlar bevosita kislorodga bog'liq. Kislorod etishmovchiligi bu yo'llarning samaradorligini buzishi yoki kamaytirishi mumkin.

Bundan tashqari, DO darajalari tartibga soluvchi signal sifatida ishlaydi. Haddan tashqari yuqori va past DO konsentratsiyasi quyidagilarga olib kelishi mumkin:
- Hujayradagi metabolik yo'llarni o'zgartirish, masalan, aerob nafas olishdan kamroq samarali anaerob fermentatsiyaga o'tish.
- istalmagan qo'shimcha mahsulotlarni ishlab chiqarishga olib keladigan uyali stress reaktsiyalarini tetiklash.
- Ekzogen oqsillarning ifoda darajalariga ta'sir qilish.

Fermentatsiyaning turli bosqichlarida DO darajasini aniq nazorat qilish orqali hujayra metabolizmini maksimal maqsadli mahsulot sinteziga yo'naltirish va shu bilan yuqori zichlikli va yuqori mahsuldor fermentatsiyaga erishish mumkin.

Biofarmatsevtika uchun suv oqimi jadvaliga kirish

3. Kislorod etishmasligi yoki ortiqcha bo'lishining oldini olish
Kislorod etishmovchiligi (gipoksiya) jiddiy oqibatlarga olib kelishi mumkin:
- Hujayra o'sishi va mahsulot sintezi to'xtaydi.
- Metabolizm anaerob yo'llarga o'tadi, natijada sut kislotasi va sirka kislotasi kabi organik kislotalar to'planib, madaniy muhitning pH darajasini pasaytiradi va hujayralarni zaharlashi mumkin.
- Uzoq muddatli gipoksiya qaytarilmas zararga olib kelishi mumkin, hatto kislorod ta'minoti tiklanganidan keyin ham tiklanish to'liq bo'lmaydi.

Haddan tashqari kislorod (o'ta to'yinganlik) ham xavf tug'diradi:
- Bu oksidlovchi stressni keltirib chiqarishi va hujayra membranalari va biomolekulalariga zarar etkazadigan reaktiv kislorod turlarining (ROS) shakllanishiga olib kelishi mumkin.
- Haddan tashqari shamollatish va ajitatsiya energiya sarfini va ekspluatatsiya xarajatlarini oshiradi, bu esa keraksiz resurs chiqindilariga olib keladi.

4. Haqiqiy vaqtda monitoring va fikr-mulohazalarni nazorat qilish uchun muhim parametr sifatida

DO fermentatsiya tizimining ichki sharoitlarini aks ettiruvchi real vaqtda, uzluksiz va keng qamrovli parametrdir. DO darajasidagi o'zgarishlar turli fiziologik va operatsion holatlarni sezgir tarzda ko'rsatishi mumkin:
- Hujayralarning tez o'sishi kislorod iste'molini oshiradi, bu esa DO darajasining pasayishiga olib keladi.
- Substratning kamayishi yoki inhibisyonu metabolizmni sekinlashtiradi, kislorod iste'molini kamaytiradi va DO darajasining oshishiga olib keladi.
- Chet el mikroorganizmlari bilan ifloslanish kislorod iste'molini o'zgartiradi, bu esa DO'ning g'ayritabiiy o'zgarishiga olib keladi va erta ogohlantirish signali bo'lib xizmat qiladi.
- Uskunaning noto'g'ri ishlashi, masalan, aralashtirgichning ishdan chiqishi, ventilyatsiya trubkasi tiqilib qolishi yoki filtrning ifloslanishi ham g'ayritabiiy DO xatti-harakatlariga olib kelishi mumkin.

Haqiqiy vaqtda DO monitoringini avtomatlashtirilgan qayta aloqa nazorati tizimiga integratsiyalashgan holda, DO darajalarini aniq tartibga solishga quyidagi parametrlarni dinamik sozlash orqali erishish mumkin:
- Aralashtirish tezligi: Tezlikni oshirish pufakchalarni parchalash orqali gaz-suyuqlik aloqasini kuchaytiradi va shu bilan kislorod uzatish samaradorligini oshiradi. Bu eng ko'p ishlatiladigan va samarali usul.
- Shamollatish tezligi: Kirish gazining oqimi yoki tarkibini sozlash (masalan, havo yoki toza kislorod ulushini oshirish).
- Tank bosimi: Ko'tarilgan bosim kislorodning qisman bosimini oshiradi va shu bilan eruvchanlikni oshiradi.
- Harorat: haroratni pasaytirish madaniy muhitda kislorodning eruvchanligini oshiradi.

BOQU mahsulotining biologik fermentatsiyani onlayn monitoring qilish bo'yicha tavsiyalari: