Yangiliklar - Bio-farmatsevtik fermentatsiya jarayonida erigan kislorod darajasini monitoring qilish

Erigan kislorod nima?

Erigan kislorod (DO) molekulyar kislorodni (O) anglatadi_₂) suvda eriydi. U suv molekulalarida mavjud bo'lgan kislorod atomlaridan (H2O) farq qiladi._₂O), chunki u suvda atmosferadan kelib chiqadigan yoki suv o'simliklari tomonidan fotosintez natijasida hosil bo'ladigan mustaqil kislorod molekulalari shaklida mavjud. DO konsentratsiyasiga 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.

Erigan 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. Haddan tashqari kislorod to'plangan mahsulotlarning keyingi metabolizmiga olib kelishi va toksik reaksiyalarga olib kelishi mumkin. Optimal DO darajalari turli bakteriyalar turlari orasida farq qiladi. Masalan, penitsillin biosintezi paytida DO odatda taxminan 30% havo to'yinganligida saqlanadi. Agar DO nolga tushsa va besh daqiqa davomida shu darajada qolsa, mahsulot hosil bo'lishi sezilarli darajada buzilishi mumkin. Agar bu holat 20 daqiqa davom etsa, qaytarib bo'lmaydigan zarar etkazilishi mumkin.

Hozirgi vaqtda eng ko'p ishlatiladigan DO sensorlari erigan kislorodning absolyut konsentratsiyasini emas, balki faqat nisbiy havo to'yinganligini o'lchashi mumkin. Kulturaviy muhitni sterilizatsiya qilgandan so'ng, sensor ko'rsatkichi barqarorlashguncha aeratsiya va aralashtirish amalga oshiriladi, bu vaqtda qiymat 100% havo to'yinganligiga o'rnatiladi. Fermentatsiya jarayonidagi keyingi o'lchovlar ushbu ma'lumotnomaga asoslanadi. Absolyut DO qiymatlarini standart sensorlar yordamida aniqlab bo'lmaydi va polyarografiya kabi ilg'or usullarni talab qiladi. Biroq, havo to'yinganligini o'lchash odatda fermentatsiya jarayonlarini kuzatish va boshqarish uchun etarli.

Fermentator ichida DO darajalari turli mintaqalarda farq qilishi mumkin. Bir nuqtada barqaror ko'rsatkich olingan taqdirda ham, ma'lum madaniy muhitlarda tebranishlar hali ham sodir bo'lishi mumkin. Kattaroq fermentatorlar DO darajalarida katta fazoviy o'zgarishlarni namoyon etishga moyil bo'ladi, bu esa mikroblarning o'sishi va unumdorligiga 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, fermentatorlarni masshtablashda - geometrik va quvvat o'xshashligini hisobga olmaganda - fazoviy DO o'zgarishlarini minimallashtirish asosiy tadqiqot maqsadi bo'lib qolmoqda.

Biofarmatsevtik fermentatsiyada erigan kislorodni monitoring qilish nima uchun muhim?

1. Mikroorganizmlar yoki hujayralar uchun optimal o'sish muhitini saqlab qolish
Sanoat fermentatsiyasi odatda Escherichia coli va xamirturush kabi aerob mikroorganizmlarni yoki Xitoy Hamster Ovary (CHO) hujayralari kabi sutemizuvchi hujayralarni o'z ichiga oladi. Bu hujayralar fermentatsiya tizimida "ishchilar" vazifasini bajaradi, nafas olish va metabolik faollik uchun kislorodga muhtoj. Kislorod aerob nafas olishda terminal elektron akseptori bo'lib xizmat qiladi va ATF shaklida energiya ishlab chiqarishni ta'minlaydi. Kislorodning yetarli darajada ta'minlanmasligi hujayralarning bo'g'ilishiga, o'sishning to'xtashiga yoki hatto hujayralarning o'limiga olib kelishi mumkin, natijada fermentatsiya muvaffaqiyatsiz bo'ladi. DO darajasini kuzatish kislorod konsentratsiyasi hujayralarning barqaror o'sishi va hayotiyligi uchun optimal diapazonda qolishini ta'minlaydi.

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

Bundan tashqari, DO darajalari tartibga soluvchi signal vazifasini bajaradi. Haddan tashqari yuqori va past DO konsentratsiyalari quyidagilarga olib kelishi mumkin:
- Hujayra metabolik yo'llarini o'zgartirish, masalan, aerob nafas olishdan samarasizroq anaerob fermentatsiyaga o'tish.
- Hujayra stress reaksiyalarini qo'zg'atadi, bu esa kiruvchi yon mahsulotlar ishlab chiqarilishiga olib keladi.
- 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 zichlikdagi va yuqori mahsuldor fermentatsiyaga erishish mumkin.

Bio Pharmaceuticals uchun suv oqimi jadvaliga kirish

3. Kislorod yetishmasligi yoki ortiqcha bo'lishining oldini olish uchun
Kislorod yetishmovchiligi (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'planadi, ular kultivatsiya muhitining pH qiymatini pasaytiradi va hujayralarni zaharlashi mumkin.
- Uzoq muddatli gipoksiya qaytarib bo'lmaydigan zararga olib kelishi mumkin, kislorod ta'minoti tiklanganidan keyin ham tiklanish to'liq bo'lmaydi.

Haddan tashqari kislorod (superto'yinganlik) ham xavf tug'diradi:
- Bu oksidlovchi stressni va reaktiv kislorod turlarining (ROS) shakllanishini keltirib chiqarishi mumkin, bu esa hujayra membranalari va biomolekulalarga zarar yetkazadi.
- Haddan tashqari aeratsiya va qo'zg'atish energiya sarfini va operatsion xarajatlarni oshiradi, bu esa keraksiz resurslarni isrof qilishga olib keladi.

4. Real vaqt rejimida monitoring va fikr-mulohazalarni boshqarish uchun muhim parametr sifatida

DO fermentatsiya tizimining ichki sharoitlarini aks ettiruvchi real vaqt rejimidagi, uzluksiz va keng qamrovli parametrdir. DO darajasidagi o'zgarishlar turli fiziologik va operatsion holatlarni sezgir ravishda ko'rsatishi mumkin:
- Hujayralarning tez o'sishi kislorod iste'molini oshiradi, bu esa DO darajasining pasayishiga olib keladi.
- Substratning kamayishi yoki inhibatsiyasi metabolizmni sekinlashtiradi, kislorod iste'molini kamaytiradi va DO darajasining oshishiga olib keladi.
- Chet el mikroorganizmlari bilan ifloslanish kislorod iste'mol qilish rejimini o'zgartiradi, bu esa DO ning g'ayritabiiy tebranishlariga olib keladi va erta ogohlantirish signali bo'lib xizmat qiladi.
- Uskunaning ishlamay qolishi, masalan, aralashtirgichning ishdan chiqishi, shamollatish quvurlarining tiqilib qolishi yoki filtrning ifloslanishi ham DO ning g'ayritabiiy xatti-harakatlariga olib kelishi mumkin.

Avtomatlashtirilgan teskari aloqani boshqarish tizimiga real vaqt rejimida DO monitoringini integratsiya qilish orqali 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.
- Aeratsiya tezligi: Kirish gazining oqim tezligini yoki tarkibini sozlash (masalan, havo yoki sof kislorod ulushini oshirish).
- Bak bosimi: Bosimning ko'tarilishi kislorodning qisman bosimini oshiradi va shu bilan eruvchanlikni oshiradi.
- Harorat: Haroratni pasaytirish kultivatsiya muhitida kislorodning eruvchanligini oshiradi.

Biologik fermentatsiyani onlayn monitoring qilish bo'yicha BOQU mahsulot tavsiyalari: