Haberler - Biyofarmasötik Fermantasyon Sürecinde Çözünmüş Oksijen Düzeylerinin İzlenmesi

Çözünmüş Oksijen Nedir?

Çözünmüş Oksijen (DO), moleküler oksijeni (O) ifade eder_₂) suda çözünmüş halde bulunur. Su moleküllerinde bulunan oksijen atomlarından (H_₂O), atmosferden kaynaklanan veya su bitkileri tarafından fotosentez yoluyla üretilen bağımsız oksijen molekülleri formunda suda bulunur. DO konsantrasyonu, sıcaklık, tuzluluk, su akışı ve biyolojik aktiviteler gibi çeşitli faktörlerden etkilenir. Bu nedenle, su ortamlarının sağlık ve kirlilik durumunu değerlendirmek için kritik bir gösterge görevi görür.

Çözünmüş oksijen, mikrobiyal metabolizmayı desteklemede hayati bir rol oynar, hücre solunumunu, büyümesini ve metabolik ürünlerin biyosentezini etkiler. Ancak, daha yüksek çözünmüş oksijen seviyeleri her zaman faydalı değildir. Fazla oksijen, biriken ürünlerin daha fazla metabolize olmasına ve potansiyel olarak toksik reaksiyonlara neden olabilir. Optimum DO seviyeleri farklı bakteri türleri arasında değişiklik gösterir. Örneğin, penisilin biyosentezi sırasında DO genellikle yaklaşık %30 hava doygunluğunda tutulur. DO sıfıra düşer ve beş dakika boyunca bu seviyede kalırsa, ürün oluşumu önemli ölçüde bozulabilir. Bu durum 20 dakika boyunca devam ederse, geri dönüşü olmayan hasar meydana gelebilir.

Günümüzde en yaygın kullanılan DO sensörleri, çözünmüş oksijenin mutlak konsantrasyonu yerine yalnızca bağıl hava doygunluğunu ölçebilmektedir. Kültür ortamının sterilizasyonundan sonra, sensör okuması stabilize olana kadar havalandırma ve karıştırma işlemleri gerçekleştirilir ve bu noktada değer %100 hava doygunluğuna ayarlanır. Fermantasyon süreci boyunca yapılan sonraki ölçümler bu referansa dayanmaktadır. Mutlak DO değerleri standart sensörler kullanılarak belirlenemez ve polarografi gibi daha gelişmiş teknikler gerektirir. Ancak, hava doygunluğu ölçümleri genellikle fermantasyon süreçlerinin izlenmesi ve kontrolü için yeterlidir.

Bir fermentör içindeki DO seviyeleri farklı bölgelerde değişiklik gösterebilir. Bir noktada kararlı bir okuma elde edilse bile, belirli kültür ortamlarında dalgalanmalar meydana gelebilir. Daha büyük fermentörler, DO seviyelerinde daha büyük mekansal değişimler gösterme eğilimindedir ve bu da mikrobiyal büyüme ve üretkenliği önemli ölçüde etkileyebilir. Deneysel kanıtlar, ortalama DO seviyesi %30 olsa da, dalgalanan koşullar altında fermantasyon performansının kararlı koşullara göre belirgin şekilde daha düşük olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, fermentörlerin ölçeklendirilmesinde -geometrik ve güç benzerliği değerlendirmelerinin ötesinde- mekansal DO değişimlerini en aza indirmek temel bir araştırma hedefi olmaya devam etmektedir.

Biyofarmasötik Fermantasyonda Çözünmüş Oksijen İzlemesi Neden Önemlidir?

1. Mikroorganizmalar veya Hücreler için Optimum Büyüme Ortamını Korumak
Endüstriyel fermantasyon genellikle Escherichia coli ve maya gibi aerobik mikroorganizmaları veya Çin Hamster Yumurtalık (CHO) hücreleri gibi memeli hücrelerini içerir. Bu hücreler, fermantasyon sisteminde "işçi" olarak görev yapar ve solunum ve metabolik aktivite için oksijene ihtiyaç duyar. Oksijen, aerobik solunumda terminal elektron alıcısı olarak görev yaparak ATP formunda enerji üretimini sağlar. Yetersiz oksijen temini, hücresel boğulmaya, büyümenin durmasına ve hatta hücre ölümüne yol açarak fermantasyonun başarısız olmasına neden olabilir. DO seviyelerinin izlenmesi, oksijen konsantrasyonlarının sürekli hücre büyümesi ve canlılığı için optimum aralıkta kalmasını sağlar.

2. Hedef Ürünlerin Verimli Sentezini Sağlamak
Biyofarmasötik fermantasyonun amacı yalnızca hücre çoğalmasını teşvik etmek değil, aynı zamanda insülin, monoklonal antikorlar, aşılar ve enzimler gibi istenen hedef ürünlerin verimli bir şekilde sentezlenmesini sağlamaktır. Bu biyosentetik yollar genellikle, öncelikle aerobik solunumdan elde edilen önemli miktarda enerji girdisi gerektirir. Ayrıca, ürün sentezinde rol oynayan birçok enzimatik sistem doğrudan oksijene bağlıdır. Oksijen eksikliği, bu yolların verimliliğini bozabilir veya azaltabilir.

Dahası, DO seviyeleri düzenleyici bir sinyal görevi görür. Hem aşırı yüksek hem de aşırı düşük DO konsantrasyonları şunlara yol açabilir:
- Hücresel metabolik yolları değiştirmek, örneğin aerobik solunumdan daha az verimli anaerobik fermantasyona geçmek.
- Hücresel stres tepkilerini tetikleyerek istenmeyen yan ürünlerin oluşumuna yol açar.
- Ekzojen proteinlerin ifade düzeylerini etkiler.

Fermantasyonun farklı aşamalarında DO seviyelerinin hassas bir şekilde kontrol edilmesiyle, hücresel metabolizmanın maksimum hedef ürün sentezine yönlendirilmesi ve böylece yüksek yoğunluklu ve yüksek verimli fermantasyonun elde edilmesi mümkün olmaktadır.

Biyofarmasötikler için Su Akış Şemasına Giriş

3. Oksijen Eksikliğini veya Fazlalığını Önlemek İçin
Oksijen eksikliği (hipoksi) ciddi sonuçlara yol açabilir:
- Hücre büyümesi ve ürün sentezi durur.
- Metabolizma anaerobik yollara kayar, bunun sonucunda laktik asit, asetik asit gibi organik asitler birikir, bu da kültür ortamının pH'ını düşürerek hücreleri zehirleyebilir.
- Uzun süreli hipoksi, oksijen sağlanmasına rağmen iyileşmenin tamamlanmamasıyla birlikte geri dönüşü olmayan hasara yol açabilir.

Aşırı oksijen (aşırı doygunluk) da riskler doğurur:
- Hücre zarlarına ve biyomoleküllere zarar veren oksidatif strese ve reaktif oksijen türlerinin (ROS) oluşumuna neden olabilir.
- Aşırı havalandırma ve karıştırma enerji tüketimini ve işletme maliyetlerini artırarak gereksiz kaynak israfına yol açar.

4. Gerçek Zamanlı İzleme ve Geri Bildirim Kontrolü için Kritik Bir Parametre Olarak

DO, fermantasyon sisteminin iç koşullarını yansıtan gerçek zamanlı, sürekli ve kapsamlı bir parametredir. DO seviyelerindeki değişiklikler, çeşitli fizyolojik ve operasyonel durumları hassas bir şekilde gösterebilir:
- Hızlı hücre büyümesi oksijen tüketimini artırır ve DO düzeylerinin düşmesine neden olur.
- Substrat tükenmesi veya inhibisyonu metabolizmayı yavaşlatır, oksijen tüketimini azaltır ve DO seviyelerinin yükselmesine neden olur.
- Yabancı mikroorganizmaların bulaşması oksijen tüketim düzenini değiştirerek anormal DO dalgalanmalarına yol açar ve erken uyarı sinyali görevi görür.
- Karıştırıcı arızası, havalandırma borusu tıkanıklığı veya filtre kirlenmesi gibi ekipman arızaları da anormal DO davranışına neden olabilir.

Gerçek zamanlı DO izlemenin otomatik geri bildirim kontrol sistemine entegre edilmesiyle, aşağıdaki parametrelerin dinamik olarak ayarlanması yoluyla DO seviyelerinin hassas bir şekilde düzenlenmesi sağlanabilir:
- Karıştırma hızı: Hızın artırılması, kabarcıkları parçalayarak gaz-sıvı temasını artırır ve böylece oksijen transfer verimliliğini artırır. Bu, en yaygın kullanılan ve etkili yöntemdir.
- Havalandırma oranı: Giriş gazının akış hızının veya bileşiminin ayarlanması (örneğin, hava veya saf oksijen oranının artırılması).
- Tank basıncı: Basıncın artırılması oksijenin kısmi basıncını artırır ve böylece çözünürlüğü iyileştirir.
- Sıcaklık: Sıcaklığın düşürülmesi, kültür ortamındaki oksijenin çözünürlüğünü artırır.

BOQU'nun biyolojik fermantasyonun çevrimiçi izlenmesi için ürün önerileri: