Haberler - Biyofarmasötik Fermantasyon Sürecinde Çözünmüş Oksijen Seviyelerinin İzlenmesi

Çözünmüş Oksijen Nedir?

Çözünmüş Oksijen (DO), moleküler oksijeni (O₂) ifade eder._₂Suda çözünmüş halde bulunan bir moleküldür. Su moleküllerinde bulunan oksijen atomlarından (H) farklıdır._₂Çözünmüş oksijen (DO), suda bağımsız oksijen molekülleri şeklinde bulunur; bu moleküller ya atmosferden kaynaklanır ya da su bitkileri tarafından fotosentez yoluyla üretilir. Çözünmüş oksijen konsantrasyonu, sıcaklık, tuzluluk, su akışı ve biyolojik aktiviteler de dahil olmak üzere çeşitli faktörlerden etkilenir. Bu nedenle, su ortamlarının sağlık ve kirlilik durumunu değerlendirmek için kritik bir gösterge görevi görür.

Çözünmüş oksijen, mikrobiyal metabolizmayı desteklemede, hücresel solunumu, büyümeyi ve metabolik ürünlerin biyosentezini etkilemede hayati bir rol oynar. Bununla birlikte, yüksek çözünmüş oksijen seviyeleri her zaman faydalı değildir. Fazla oksijen, biriken ürünlerin daha fazla metabolize edilmesine ve potansiyel olarak toksik reaksiyonlara yol açabilir. Optimal çözünmüş oksijen seviyeleri farklı bakteri türleri arasında değişir. Örneğin, penisilin biyosentezi sırasında, çözünmüş oksijen genellikle yaklaşık %30 hava doygunluğunda tutulur. Eğer çözünmüş oksijen 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.

Şu anda en yaygın kullanılan çözünmüş oksijen (DO) sensörleri, çözünmüş oksijenin mutlak konsantrasyonunu değil, yalnızca bağıl hava doygunluğunu ölçebilmektedir. Kültür ortamının sterilizasyonundan sonra, sensör okuması stabilize olana kadar havalandırma ve karıştırma yapılır; bu noktada değer %100 hava doygunluğuna ayarlanır. Fermantasyon süreci boyunca sonraki ölçümler bu referansa dayanmaktadır. Mutlak DO değerleri standart sensörler kullanılarak belirlenemez ve polarografi gibi daha gelişmiş teknikler gerektirir. Bununla birlikte, hava doygunluğu ölçümleri genellikle fermantasyon süreçlerinin izlenmesi ve kontrolü için yeterlidir.

Bir fermantasyon tankı içinde, çözünmüş oksijen (DO) seviyeleri farklı bölgelerde değişiklik gösterebilir. Bir noktada sabit bir değer elde edilse bile, bazı kültür ortamlarında dalgalanmalar meydana gelebilir. Daha büyük fermantasyon tankları, DO seviyelerinde daha büyük mekansal varyasyonlar sergileme eğilimindedir ve bu da mikrobiyal büyüme ve verimliliği önemli ölçüde etkileyebilir. Deneysel kanıtlar, ortalama DO seviyesinin %30 olmasına rağmen, dalgalanan koşullar altında fermantasyon performansının sabit koşullara göre belirgin şekilde daha düşük olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, fermantasyon tanklarının ölçeklendirilmesinde -geometrik ve güç benzerliği hususlarının ötesinde- mekansal DO varyasyonlarını en aza indirmek önemli bir araştırma hedefi olmaya devam etmektedir.

Biyofarmasötik Fermantasyonda Çözünmüş Oksijen İzlemesi Neden Önemlidir?

1. Mikroorganizmalar veya hücreler için en uygun büyüme ortamını sağlamak
Endüstriyel fermantasyon genellikle Escherichia coli ve maya gibi aerobik mikroorganizmalar veya Çin hamsteri yumurtalık (CHO) hücreleri gibi memeli hücreleri içerir. Bu hücreler, fermantasyon sisteminde "işçi" olarak işlev görür ve solunum ve metabolik aktivite için oksijene ihtiyaç duyarlar. Oksijen, aerobik solunumda son elektron alıcısı görevi görerek ATP formunda enerji üretimini sağlar. Yetersiz oksijen kaynağı, hücresel boğulmaya, büyüme durmasına veya hatta hücre ölümüne yol açarak sonuçta fermantasyonun başarısız olmasına neden olabilir. Çözünmüş oksijen (DO) seviyelerinin izlenmesi, oksijen konsantrasyonlarının hücre büyümesinin ve canlılığının sürdürülmesi için optimal aralıkta kalmasını sağlar.

2. Hedef Ürünlerin Etkin Sentezini Sağlamak İçin
Biyofarmasötik fermantasyonun amacı sadece hücre çoğalmasını teşvik etmek değil, aynı zamanda insülin, monoklonal antikorlar, aşılar ve enzimler gibi istenen hedef ürünlerin verimli sentezini kolaylaştırmaktır. Bu biyosentetik yollar genellikle, esas olarak aerobik solunumdan elde edilen önemli miktarda enerji girdisi gerektirir. Ek olarak, ürün sentezinde yer alan birçok enzimatik sistem doğrudan oksijene bağlıdır. Oksijen eksikliği bu yolların verimliliğini bozabilir veya azaltabilir.

Dahası, çözünmüş oksijen (DO) seviyeleri düzenleyici bir sinyal görevi görür. Hem aşırı yüksek hem de aşırı düşük DO konsantrasyonları şunlara neden olabilir:
- Hücresel metabolik yolları değiştirmek, örneğin aerobik solunumdan daha az verimli anaerobik fermantasyona geçiş yapmak.
- Hücresel stres tepkilerini tetikleyerek istenmeyen yan ürünlerin üretimine yol açar.
- Eksojen proteinlerin ifade düzeylerini etkiler.

Fermantasyonun farklı aşamalarında çözünmüş oksijen (DO) seviyelerinin hassas bir şekilde kontrol edilmesiyle, hücresel metabolizmanın maksimum hedef ürün sentezine yönlendirilmesi ve böylece yüksek yoğunluklu ve yüksek verimli fermantasyon elde edilmesi mümkündür.

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 ve bunun sonucunda laktik asit ve asetik asit gibi organik asitler birikir; bu da kültür ortamının pH'ını düşürür ve hücreleri zehirleyebilir.
- Uzun süreli hipoksi, oksijen tedariki yeniden sağlandıktan sonra bile iyileşmenin tamamlanmamasına ve geri dönüşü olmayan hasara neden olabilir.

Aşırı oksijen (aşırı doygunluk) da risk oluşturur:
- Oksidatif strese ve hücre zarlarını ve biyomolekülleri tahrip eden 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 Besleme Kontrolü için Kritik Bir Parametre Olarak

Çözünmüş oksijen (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 artırarak çözünmüş oksijen seviyelerinin düşmesine neden olur.
- Substrat tükenmesi veya inhibisyonu metabolizmayı yavaşlatır, oksijen tüketimini azaltır ve çözünmüş oksijen (DO) seviyelerinin yükselmesine neden olur.
- Yabancı mikroorganizmaların neden olduğu kontaminasyon, oksijen tüketim modelini değiştirerek anormal çözünmüş oksijen (DO) dalgalanmalarına yol açar ve erken uyarı sinyali görevi görür.
- Karıştırıcı arızası, havalandırma borusu tıkanması veya filtre kirlenmesi gibi ekipman arızaları da anormal çözünmüş oksijen (DO) davranışına neden olabilir.

Gerçek zamanlı çözünmüş oksijen (DO) izlemesini otomatik geri beslemeli kontrol sistemine entegre ederek, aşağıdaki parametrelerin dinamik ayarlamaları yoluyla DO seviyelerinin hassas bir şekilde düzenlenmesi sağlanabilir:
- Karıştırma hızı: Hızı artırmak, kabarcıkları parçalayarak gaz-sıvı temasını iyileştirir ve böylece oksijen transfer verimliliğini artırır. Bu, en yaygın kullanılan ve etkili yöntemdir.
- Havalandırma hızı: Giriş gazının akış hızını veya bileşimini ayarlama (örneğin, hava veya saf oksijen oranını artırma).
- Tank basıncı: Basıncın yükseltilmesi oksijen kısmi basıncını artırır ve böylece çözünürlüğü iyileştirir.
- Sıcaklık: Sıcaklığın düşürülmesi, kültür ortamında oksijen çözünürlüğünü artırır.

BOQU'nun biyolojik fermantasyonun çevrimiçi izlenmesi için ürün önerileri: