Նորություններ - Լուծված թթվածնի մակարդակի մոնիթորինգ կենսադեղագործական խմորման գործընթացում

Ի՞նչ է լուծված թթվածինը։

Լուծված թթվածին (DO) վերաբերում է մոլեկուլային թթվածնին (O_₂), որը լուծվում է ջրում։ Այն տարբերվում է ջրի մոլեկուլներում առկա թթվածնի ատոմներից (H_₂O), քանի որ այն ջրում գոյություն ունի անկախ թթվածնի մոլեկուլների տեսքով, որոնք կամ առաջանում են մթնոլորտից, կամ առաջանում են ջրային բույսերի կողմից ֆոտոսինթեզի միջոցով: DO-ի կոնցենտրացիան կախված է տարբեր գործոններից, այդ թվում՝ ջերմաստիճանից, աղիությունից, ջրի հոսքից և կենսաբանական ակտիվությունից: Որպես այդպիսին, այն ծառայում է որպես կարևոր ցուցանիշ ջրային միջավայրերի առողջության և աղտոտվածության վիճակը գնահատելու համար:

Լուծված թթվածինը կարևոր դեր է խաղում մանրէային նյութափոխանակության խթանման գործում՝ ազդելով բջջային շնչառության, աճի և նյութափոխանակության արգասիքների կենսասինթեզի վրա: Այնուամենայնիվ, լուծված թթվածնի ավելի բարձր մակարդակները միշտ չէ, որ օգտակար են: Թթվածնի ավելցուկը կարող է հանգեցնել կուտակված արգասիքների հետագա նյութափոխանակության և հնարավոր է՝ առաջացնել թունավոր ռեակցիաներ: Օպտիմալ DO մակարդակները տարբերվում են տարբեր մանրէային տեսակների մոտ: Օրինակ, պենիցիլինի կենսասինթեզի ընթացքում DO-ն սովորաբար պահպանվում է մոտավորապես 30% օդային հագեցվածության մակարդակում: Եթե DO-ն իջնում է զրոյի և մնում է այդ մակարդակում հինգ րոպե, արգասիքների առաջացումը կարող է զգալիորեն խաթարվել: Եթե այս վիճակը շարունակվում է 20 րոպե, կարող է անդառնալի վնաս առաջանալ:

Ներկայումս ամենատարածված օգտագործվող DO սենսորները կարող են չափել միայն հարաբերական օդային հագեցվածությունը, այլ ոչ թե լուծված թթվածնի բացարձակ կոնցենտրացիան: Կուլտուրայի միջավայրի ստերիլիզացումից հետո կատարվում են օդափոխություն և խառնում մինչև սենսորի ցուցմունքի կայունացումը, որի դեպքում արժեքը սահմանվում է 100% օդային հագեցվածության: Խմորման գործընթացի ընթացքում հետագա չափումները հիմնված են այս հղման վրա: DO բացարձակ արժեքները չեն կարող որոշվել ստանդարտ սենսորների միջոցով և պահանջում են ավելի առաջադեմ տեխնիկա, ինչպիսին է պոլարոգրաֆիան: Այնուամենայնիվ, օդային հագեցվածության չափումները, որպես կանոն, բավարար են խմորման գործընթացների մոնիթորինգի և վերահսկման համար:

Խմորիչի ներսում DO մակարդակները կարող են տարբեր լինել տարբեր շրջաններում: Նույնիսկ երբ որոշակի պահի ստացվում է կայուն ցուցանիշ, որոշակի կուլտուրային միջավայրերում դեռևս կարող են տեղի ունենալ տատանումներ: Ավելի մեծ խմորիչները հակված են ցուցաբերել DO մակարդակների ավելի մեծ տարածական տատանումներ, ինչը կարող է զգալիորեն ազդել մանրէների աճի և արտադրողականության վրա: Փորձարարական տվյալները ցույց են տվել, որ չնայած DO միջին մակարդակը կարող է կազմել 30%, խմորման արդյունավետությունը տատանվող պայմաններում զգալիորեն ցածր է, քան կայուն պայմաններում: Հետևաբար, խմորիչների մասշտաբավորման դեպքում՝ երկրաչափական և հզորային նմանության հաշվառումից այն կողմ՝ DO տարածական տատանումների նվազագույնի հասցնելը մնում է հիմնական հետազոտական նպատակը:

Ինչո՞ւ է լուծված թթվածնի մոնիթորինգը կարևոր կենսաֆարմացևտիկ խմորման մեջ։

1. Միկրոօրգանիզմների կամ բջիջների համար օպտիմալ աճի միջավայր պահպանելու համար
Արդյունաբերական խմորումը սովորաբար ներառում է աէրոբ միկրոօրգանիզմներ, ինչպիսիք են Escherichia coli-ն և խմորիչը, կամ կաթնասունների բջիջներ, ինչպիսիք են չինական խոզապուխտի ձվարանների (CHO) բջիջները: Այս բջիջները գործում են որպես «աշխատողներ» խմորման համակարգի ներսում՝ պահանջելով թթվածին շնչառության և նյութափոխանակության ակտիվության համար: Թթվածինը ծառայում է որպես էլեկտրոնային ընդունիչի վերջնական էլեկտրոններ աէրոբ շնչառության մեջ՝ հնարավորություն տալով արտադրել էներգիա ATP-ի տեսքով: Թթվածնի անբավարար մատակարարումը կարող է հանգեցնել բջիջների խեղդման, աճի կանգի կամ նույնիսկ բջջային մահվան, ինչը, ի վերջո, հանգեցնում է խմորման ձախողման: DO մակարդակի մոնիթորինգը ապահովում է, որ թթվածնի կոնցենտրացիաները մնան օպտիմալ սահմաններում՝ բջիջների կայուն աճի և կենսունակության համար:

2. Նպատակային արտադրանքի արդյունավետ սինթեզն ապահովելու համար
Կենսադեղագործական խմորման նպատակը ոչ միայն բջիջների բազմացման խթանումն է, այլև ցանկալի թիրախային արգասիքների, ինչպիսիք են ինսուլինը, մոնոկլոնալ հակամարմինները, պատվաստանյութերը և ֆերմենտները, արդյունավետ սինթեզը հեշտացնելը: Այս կենսասինթետիկ ուղիները հաճախ պահանջում են զգալի էներգիայի ներդրում, որը հիմնականում ստացվում է աէրոբ շնչառությունից: Բացի այդ, արգասիքների սինթեզին մասնակցող շատ ֆերմենտատիվ համակարգեր ուղղակիորեն կախված են թթվածնից: Թթվածնի անբավարարությունը կարող է խաթարել կամ նվազեցնել այս ուղիների արդյունավետությունը:

Ավելին, DO մակարդակները գործում են որպես կարգավորիչ ազդանշան: DO-ի չափազանց բարձր և ցածր կոնցենտրացիաները կարող են.
- Փոփոխել բջջային նյութափոխանակության ուղիները, օրինակ՝ անցում կատարել աէրոբ շնչառությունից դեպի պակաս արդյունավետ անաէրոբ խմորում։
- Ակտիվացնում է բջջային սթրեսային արձագանքները, ինչը հանգեցնում է անցանկալի ենթամթերքների արտադրությանը։
- Ազդեցություն էկզոգեն սպիտակուցների արտահայտման մակարդակի վրա։

Խմորման տարբեր փուլերում DO մակարդակները ճշգրիտ վերահսկելով՝ հնարավոր է բջջային նյութափոխանակությունը ուղղորդել դեպի թիրախային արտադրանքի առավելագույն սինթեզ, այդպիսով հասնելով բարձր խտության և բարձր արտադրողականության խմորման։

Կենսաբժշկական արտադրանքի ջրի հոսքի գրաֆիկի ներածություն

3. Թթվածնի անբավարարությունը կամ ավելցուկը կանխելու համար
Թթվածնի անբավարարությունը (հիպօքսիա) կարող է լուրջ հետևանքներ ունենալ.
- Բջջային աճը և արտադրանքի սինթեզը դադարում են։
- Նյութափոխանակությունը տեղափոխվում է անաէրոբ ուղիներ, ինչի արդյունքում կուտակվում են օրգանական թթուներ, ինչպիսիք են կաթնաթթուն և քացախաթթուն, որոնք իջեցնում են կուլտուրայի միջավայրի pH-ը և կարող են թունավորել բջիջները։
- Երկարատև հիպօքսիան կարող է անդառնալի վնաս հասցնել, որի դեպքում վերականգնումը կլինի թերի նույնիսկ թթվածնի մատակարարման վերականգնումից հետո։

Ավելորդ թթվածինը (գերհագեցածությունը) նույնպես ռիսկեր է պարունակում.
- Այն կարող է առաջացնել օքսիդատիվ սթրես և ռեակտիվ թթվածնային տեսակների (ROS) առաջացում, որոնք վնասում են բջջային թաղանթները և կենսամոլեկուլները։
- Չափից շատ օդափոխությունը և խառնումը մեծացնում են էներգիայի սպառումը և շահագործման ծախսերը, ինչը հանգեցնում է ռեսուրսների ավելորդ վատնման։

4. Որպես իրական ժամանակի մոնիթորինգի և հետադարձ կապի կառավարման կարևորագույն պարամետր

DO-ն իրական ժամանակի, անընդհատ և համապարփակ պարամետր է, որը արտացոլում է խմորման համակարգի ներքին պայմանները: DO մակարդակների փոփոխությունները կարող են զգայուն կերպով ցույց տալ տարբեր ֆիզիոլոգիական և գործառնական վիճակներ.
- Բջիջների արագ աճը մեծացնում է թթվածնի սպառումը, ինչը հանգեցնում է DO մակարդակի նվազմանը։
- Սուբստրատի սպառումը կամ արգելակումը դանդաղեցնում է նյութափոխանակությունը՝ նվազեցնելով թթվածնի սպառումը և առաջացնելով DO մակարդակի բարձրացում։
- Օտարերկրյա միկրոօրգանիզմներով աղտոտումը փոխում է թթվածնի սպառման ռեժիմը՝ հանգեցնելով թթվածնի օքսիդացման աննորմալ տատանումների և ծառայելով որպես վաղ նախազգուշացման ազդանշան։
- Սարքավորումների անսարքությունները, ինչպիսիք են խառնիչի խափանումը, օդափոխման խողովակի խցանումը կամ ֆիլտրի աղտոտումը, նույնպես կարող են հանգեցնել DO-ի աննորմալ վարքագծի:

Իրական ժամանակում DO մոնիթորինգը ավտոմատացված հետադարձ կապի կառավարման համակարգի մեջ ինտեգրելով՝ DO մակարդակների ճշգրիտ կարգավորումը կարելի է իրականացնել հետևյալ պարամետրերի դինամիկ կարգավորումների միջոցով.
- Խառնման արագություն. Արագության բարձրացումը բարելավում է գազ-հեղուկ շփումը՝ փուչիկները քայքայելով, այդպիսով բարելավելով թթվածնի փոխանցման արդյունավետությունը: Սա ամենատարածված և արդյունավետ մեթոդն է:
- Աերացիայի արագություն. մուտքային գազի հոսքի արագության կամ կազմի կարգավորում (օրինակ՝ օդի կամ մաքուր թթվածնի համամասնության ավելացում):
- Բաքի ճնշում. Ճնշման բարձրացումը մեծացնում է թթվածնի մասնակի ճնշումը, դրանով իսկ բարելավելով լուծելիությունը։
- Ջերմաստիճան. Ջերմաստիճանի իջեցումը մեծացնում է թթվածնի լուծելիությունը մշակութային միջավայրում:

BOQU-ի արտադրանքի առաջարկությունները կենսաբանական խմորման առցանց մոնիթորինգի համար.