Жаңалықтар - биофармацевтикалық ашыту процесінде еріген оттегі деңгейін бақылау

Ерітілген оттегі дегеніміз не?

Ерітілген оттегі (DO) молекулалық оттегіге (О_₂) суда еріген. Ол су молекулаларында болатын оттегі атомдарынан ерекшеленеді (H_₂O), суда атмосферадан шыққан немесе су өсімдіктерінің фотосинтезі нәтижесінде пайда болатын тәуелсіз оттегі молекулалары түрінде болатындықтан. DO концентрациясына әртүрлі факторлар әсер етеді, соның ішінде температура, тұздылық, су ағыны және биологиялық белсенділік. Осылайша, ол су ортасының денсаулығы мен ластану жағдайын бағалау үшін маңызды көрсеткіш ретінде қызмет етеді.

Ерітілген оттегі микробтық метаболизмді ынталандыруда, жасушаның тыныс алуына, өсуіне және метаболизм өнімдерінің биосинтезіне әсер етуде маңызды рөл атқарады. Алайда еріген оттегінің жоғары деңгейі әрқашан пайдалы бола бермейді. Артық оттегі жинақталған өнімдердің одан әрі метаболизміне әкелуі және ықтимал уытты реакцияларды тудыруы мүмкін. Оңтайлы DO деңгейлері әртүрлі бактериялар түрлерінде өзгереді. Мысалы, пенициллиннің биосинтезі кезінде DO әдетте ауаның шамамен 30% қанықтылығында сақталады. Егер DO нөлге дейін төмендесе және бес минут бойы сол деңгейде қалса, өнімнің қалыптасуы айтарлықтай бұзылуы мүмкін. Бұл жағдай 20 минут бойы сақталса, қайтымсыз зақым болуы мүмкін.

Қазіргі уақытта ең жиі қолданылатын DO сенсорлары еріген оттегінің абсолютті концентрациясын емес, ауаның салыстырмалы қанықтылығын ғана өлшей алады. Қоректік ортаны зарарсыздандырудан кейін аэрация және араластыру датчиктің көрсеткіші тұрақтанғанша орындалады, бұл кезде мән ауаның 100% қанығуына орнатылады. Ашыту процесі кезіндегі кейінгі өлшемдер осы анықтамаға негізделген. Абсолютті DO мәндерін стандартты сенсорлар арқылы анықтау мүмкін емес және полярография сияқты жетілдірілген әдістерді қажет етеді. Дегенмен, ауаның қанықтылығын өлшеу әдетте ашыту процестерін бақылау және бақылау үшін жеткілікті.

Ферментатордың ішінде DO деңгейлері әртүрлі аймақтарда әртүрлі болуы мүмкін. Бір нүктеде тұрақты көрсеткіш алынған кезде де, белгілі бір мәдени орталарда ауытқулар болуы мүмкін. Үлкенірек ферментаторлар микробтардың өсуі мен өнімділігіне айтарлықтай әсер етуі мүмкін DO деңгейінде үлкен кеңістіктік вариацияларды көрсетуге бейім. Эксперименттік дәлелдер көрсеткендей, орташа DO деңгейі 30% болуы мүмкін болса да, құбылмалы жағдайларда ашыту өнімділігі тұрақты жағдайларға қарағанда айтарлықтай төмен. Сондықтан ферментерлердің ауқымын ұлғайту кезінде - геометриялық және қуат ұқсастығын ескерумен қатар - кеңістіктегі DO вариацияларын азайту зерттеудің негізгі мақсаты болып қала береді.

Неліктен биофармацевтикалық ашытуда ерітілген оттегінің мониторингі маңызды?

1. Микроорганизмдер немесе жасушалар үшін оңтайлы өсу ортасын сақтау
Өнеркәсіптік ашыту әдетте ішек таяқшасы мен ашытқы сияқты аэробты микроорганизмдерді немесе қытай хомякының аналық безі (CHO) жасушалары сияқты сүтқоректілердің жасушаларын қамтиды. Бұл жасушалар тыныс алу және метаболикалық белсенділік үшін оттегін қажет ететін ашыту жүйесінде «жұмысшылар» ретінде жұмыс істейді. Оттегі аэробты тыныс алуда соңғы электрон акцепторы қызметін атқарады, АТФ түріндегі энергияны өндіруге мүмкіндік береді. Оттегінің жеткіліксіз жеткізілуі жасушаның тұншығуына, өсудің тоқтатылуына немесе тіпті жасушаның өліміне әкелуі мүмкін, бұл ақырында ашыту сәтсіздігіне әкеледі. DO деңгейін бақылау оттегі концентрациясының жасушаның тұрақты өсуі мен өміршеңдігі үшін оңтайлы диапазонда сақталуын қамтамасыз етеді.

2. Мақсатты өнімдердің тиімді синтезін қамтамасыз ету
Биофармацевтикалық ашытудың мақсаты тек жасуша пролиферациясын ынталандыру емес, инсулин, моноклоналды антиденелер, вакциналар және ферменттер сияқты қажетті мақсатты өнімдердің тиімді синтезін жеңілдету болып табылады. Бұл биосинтетикалық жолдар көбінесе аэробты тыныс алудан алынатын айтарлықтай энергияны қажет етеді. Сонымен қатар, өнім синтезіне қатысатын көптеген ферменттік жүйелер оттегіге тікелей тәуелді. Оттегінің жетіспеушілігі бұл жолдардың тиімділігін бұзуы немесе төмендетуі мүмкін.

Сонымен қатар, DO деңгейлері реттеуші сигнал ретінде әрекет етеді. Шамадан тыс жоғары және төмен DO концентрациясы:
- Жасушалық метаболикалық жолдарды өзгерту, мысалы, аэробты тыныс алудан тиімді емес анаэробты ашытуға ауысу.
- Қажетсіз жанама өнімдерді өндіруге әкелетін жасушалық стресс жауаптарын іске қосыңыз.
- Экзогендік белоктардың экспрессиялық деңгейлеріне әсер ету.

Ашытудың әртүрлі кезеңдерінде DO деңгейлерін дәл бақылау арқылы жасушалық метаболизмді максималды мақсатты өнім синтезіне бағыттауға болады, осылайша жоғары тығыздық пен жоғары өнімді ашытуға қол жеткізуге болады.

Биофармацевтикалық препараттарға арналған су ағынының диаграммасына кіріспе

3. Оттегінің жетіспеушілігін немесе артық болуын болдырмау
Оттегі тапшылығы (гипоксия) ауыр зардаптарға әкелуі мүмкін:
- Жасушаның өсуі және өнім синтезі тоқтайды.
- Метаболизм анаэробты жолдарға ауысады, нәтижесінде сүт қышқылы және сірке қышқылы сияқты органикалық қышқылдар жиналып, қоректік ортаның рН деңгейін төмендетеді және жасушаларды улануы мүмкін.
- Ұзақ уақытқа созылған гипоксия қайтымсыз зақым келтіруі мүмкін, тіпті оттегімен қамтамасыз ету қалпына келтірілгеннен кейін қалпына келтіру толық болмайды.

Артық оттегі (асқын қанықтыру) сондай-ақ қауіп тудырады:
- Ол тотығу стрессін және жасуша мембраналары мен биомолекулаларды зақымдайтын реактивті оттегі түрлерінің (ROS) түзілуін тудыруы мүмкін.
- Шамадан тыс аэрация және араластыру энергия тұтынуды және пайдалану шығындарын арттырады, бұл қажетсіз ресурстарды ысырапқа әкеледі.

4. Нақты уақыттағы бақылау және кері байланыс бақылауының маңызды параметрі ретінде

DO - ашыту жүйесінің ішкі жағдайларын көрсететін нақты уақыттағы, үздіксіз және жан-жақты параметр. DO деңгейлерінің өзгеруі әртүрлі физиологиялық және операциялық күйлерді сезімтал түрде көрсете алады:
- Жасушаның жылдам өсуі оттегінің тұтынылуын арттырады, бұл DO деңгейінің төмендеуіне әкеледі.
- Субстраттың азаюы немесе тежелуі метаболизмді баяулатады, оттегі тұтынуды азайтады және DO деңгейінің жоғарылауына әкеледі.
- Бөгде микроорганизмдермен ластану оттегін тұтыну үлгісін өзгертеді, бұл қалыпты емес DO ауытқуларына әкеледі және ерте ескерту сигналы ретінде қызмет етеді.
- Араластырғыштың істен шығуы, желдету құбырының бітелуі немесе сүзгінің ластануы сияқты жабдықтың дұрыс жұмыс істемеуі де әдеттен тыс DO әрекетіне әкелуі мүмкін.

Нақты уақыттағы DO мониторингін кері байланысты басқарудың автоматтандырылған жүйесіне біріктіру арқылы DO деңгейлерін дәл реттеуге келесі параметрлерді динамикалық реттеу арқылы қол жеткізуге болады:
- Араластыру жылдамдығы: Жылдамдықты арттыру көпіршіктерді ыдырату арқылы газ-сұйықтық байланысын жақсартады, осылайша оттегінің тасымалдану тиімділігін арттырады. Бұл ең жиі қолданылатын және тиімді әдіс.
- Аэрация жылдамдығы: кіріс газының ағынының жылдамдығын немесе құрамын реттеу (мысалы, ауа немесе таза оттегінің үлесін арттыру).
- Резервуардың қысымы: қысымның көтерілуі оттегінің парциалды қысымын арттырады, осылайша ерігіштігін арттырады.
- Температура: Температураны төмендету қоректік ортада оттегінің ерігіштігін арттырады.

Биологиялық ашытуды онлайн бақылауға арналған BOQU өнімінің ұсыныстары: