Nutizie - Monitoraghju di i livelli d'ossigenu dissoltu in u prucessu di fermentazione biofarmaceutica

Chì ghjè l'ossigenu dissoltu?

L'ossigenu dissolutu (DO) si riferisce à l'ossigenu moleculare (O_₂) chì hè dissoltu in acqua. Differisce da l'atomi d'ossigenu prisenti in e molecule d'acqua (H_₂O), cum'è esiste in l'acqua in forma di molecule d'ossigenu indipendenti, sia originate da l'atmosfera sia generate per via di a fotosintesi da e piante acquatiche. A cuncentrazione di DO hè influenzata da diversi fattori, cumpresi a temperatura, a salinità, u flussu d'acqua è l'attività biologiche. In quantu tale, serve cum'è indicatore criticu per valutà u statu di salute è d'inquinamentu di l'ambienti acquatichi.

L'ossigenu dissoltu ghjoca un rolu vitale in a prumuzione di u metabolismu microbianu, influenzendu a respirazione cellulare, a crescita è a biosintesi di i prudutti metabolichi. Tuttavia, livelli più alti di ossigenu dissoltu ùn sò micca sempre benefichi. L'eccessu di ossigenu pò purtà à un ulteriore metabolismu di i prudutti accumulati è potenzialmente causà reazioni tossiche. I livelli ottimali di DO varianu trà e diverse spezie batteriche. Per esempiu, durante a biosintesi di a penicillina, DO hè tipicamente mantenutu à circa 30% di saturazione d'aria. Se DO scende à zeru è ferma à quellu livellu per cinque minuti, a furmazione di u pruduttu pò esse significativamente compromessa. Se sta cundizione persiste per 20 minuti, ponu accade danni irreversibili.

Attualmente, i sensori DO i più cumunimenti usati ponu solu misurà a saturazione relativa di l'aria, invece di a cuncentrazione assoluta di l'ossigenu dissoltu. Dopu a sterilizazione di u mezu di cultura, l'aerazione è l'agitazione sò realizate finu à chì a lettura di u sensore si stabilizza, à quellu puntu u valore hè impostu à 100% di saturazione di l'aria. E misurazioni successive durante u prucessu di fermentazione sò basate nantu à sta riferenza. I valori DO assoluti ùn ponu esse determinati cù sensori standard è richiedenu tecniche più avanzate, cum'è a polarografia. Tuttavia, e misurazioni di saturazione di l'aria sò generalmente sufficienti per monitorà è cuntrullà i prucessi di fermentazione.

In un fermentatore, i livelli di DO ponu varià trà e diverse regioni. Ancu quandu si ottiene una lettura stabile à un certu puntu, ponu ancu accade fluttuazioni in certi mezi di cultura. I fermentatori più grandi tendenu à mustrà variazioni spaziali più grande in i livelli di DO, chì ponu influenzà significativamente a crescita è a produttività microbica. L'evidenza sperimentale hà dimustratu chì, ancu s'è u livellu mediu di DO pò esse di 30%, a prestazione di fermentazione in cundizioni fluttuanti hè notevolmente più bassa chè in cundizioni stabili. Dunque, in l'aumentu di scala di i fermentatori - al di là di e cunsiderazioni di similitudine geometrica è di putenza - minimizà e variazioni spaziali di DO ferma un obiettivu chjave di ricerca.

Perchè u monitoraghju di l'ossigenu dissoltu hè essenziale in a fermentazione biofarmaceutica?

1. Per mantene l'ambiente di crescita ottimale per i microorganismi o e cellule
A fermentazione industriale implica tipicamente microrganismi aerobici, cum'è Escherichia coli è lieviti, o cellule di mammiferi, cum'è e cellule di l'ovariu di criceto cinese (CHO). Queste cellule funzionanu cum'è "lavoratrici" in u sistema di fermentazione, chì necessitanu ossigenu per a respirazione è l'attività metabolica. L'ossigenu serve cum'è accettore terminale di elettroni in a respirazione aerobica, permettendu a produzzione di energia in forma di ATP. Un apportu insufficiente di ossigenu pò purtà à a suffocazione cellulare, à l'arrestu di a crescita, o ancu à a morte cellulare, chì infine porta à un fallimentu di a fermentazione. U monitoraghju di i livelli di DO assicura chì e concentrazioni di ossigenu restinu in l'intervallu ottimale per una crescita è una viabilità cellulare sustenute.

2. Per assicurà una sintesi efficiente di i prudutti di destinazione
L'obiettivu di a fermentazione biofarmaceutica ùn hè micca solu di prumove a proliferazione cellulare, ma di facilità a sintesi efficiente di i prudutti desiderati, cum'è l'insulina, l'anticorpi monoclonali, i vaccini è l'enzimi. Queste vie biosintetiche richiedenu spessu un apportu energeticu sustanziale, derivatu principalmente da a respirazione aerobica. Inoltre, parechji sistemi enzimatici implicati in a sintesi di i prudutti dipendenu direttamente da l'ossigenu. A carenza d'ossigenu pò interrompe o riduce l'efficienza di queste vie.

Inoltre, i livelli di DO agiscenu cum'è un segnale regulatoriu. Sia e concentrazioni eccessivamente alte sia quelle basse di DO ponu:
- Alterà e vie metaboliche cellulari, per esempiu, passendu da a respirazione aerobica à una fermentazione anaerobica menu efficiente.
- Pruvoca risposte di stress cellulare, chì portanu à a pruduzzione di sottoprodotti indesiderati.
- Influenza i livelli d'espressione di e proteine esogene.

Cuntrullendu precisamente i livelli di DO in diverse tappe di a fermentazione, hè pussibule guidà u metabolismu cellulare versu a sintesi massima di u pruduttu bersagliu, ottenendu cusì una fermentazione ad alta densità è à altu rendimentu.

Introduzione à u Diagramma di Flussu di l'Acqua per i Biofarmaceutici

3. Per impedisce a carenza o l'eccessu d'ossigenu
A carenza d'ossigenu (ipossia) pò avè cunsequenze gravi:
- A crescita cellulare è a sintesi di i prudutti cessanu.
- U metabolismu si sposta versu vie anaerobiche, ciò chì porta à l'accumulazione d'acidi organici cum'è l'acidu latticu è l'acidu aceticu, chì abbassanu u pH di u mezu di cultura è ponu avvelenà e cellule.
L'ipossia prulungata pò causà danni irreversibili, cù a ripresa incompleta ancu dopu chì l'approvvigionamentu d'ossigenu hè statu ripristinatu.

L'eccessu d'ossigenu (supersaturazione) presenta ancu risichi:
- Pò induce stress ossidativu è a furmazione di spezie reattive di l'ossigenu (ROS), chì danneghjanu e membrane cellulari è e biomolecule.
- L'aerazione è l'agitazione eccessive aumentanu u cunsumu d'energia è i costi operativi, ciò chì porta à un sprecu inutile di risorse.

4. Cum'è un parametru criticu per u monitoraghju in tempu reale è u cuntrollu di feedback

L'OD hè un parametru in tempu reale, cuntinuu è cumpletu chì riflette e cundizioni interne di u sistema di fermentazione. I cambiamenti in i livelli di DO ponu indicà sensibilmente diversi stati fisiologichi è operativi:
A crescita rapida di e cellule aumenta u cunsumu d'ossigenu, pruvucendu una diminuzione di i livelli di DO.
L'esaurimentu o l'inibizione di u substratu rallenta u metabolismu, riducendu u cunsumu d'ossigenu è pruvucendu un aumentu di i livelli di DO.
- A contaminazione da microrganismi stranieri altera u mudellu di cunsumu d'ossigenu, purtendu à fluttuazioni anormali di DO è servendu cum'è un segnale d'alerta precoce.
I malfunzionamenti di l'attrezzatura, cum'è u guastu di l'agitatore, l'ostruzione di i tubi di ventilazione o l'incrostazioni di u filtru, ponu ancu purtà à un cumpurtamentu anormale di l'OD.

Integrandu u monitoraghju di DO in tempu reale in un sistema di cuntrollu di feedback automatizatu, una regulazione precisa di i livelli di DO pò esse ottenuta per mezu di aghjustamenti dinamici di i seguenti parametri:
- Velocità di mischju: Aumentà a velocità migliora u cuntattu gasu-liquidu rumpendu e bolle, migliurendu cusì l'efficienza di u trasferimentu di l'ossigenu. Questu hè u metudu u più cumunimenti utilizatu è u più efficace.
- Tassa d'aerazione: Aghjustà a velocità di flussu o a cumpusizione di u gasu d'entrata (per esempiu, aumentà a proporzione d'aria o d'ossigenu puru).
- Pressione di u serbatoiu: L'aumentu di a pressione aumenta a pressione parziale di l'ossigenu, aumentendu cusì a solubilità.
- Temperatura: Abbassà a temperatura aumenta a solubilità di l'ossigenu in u mezu di cultura.

I cunsiglii di BOQU per u monitoraghju in linea di a fermentazione biologica: