Tin tức - Giám sát nồng độ oxy hòa tan trong quá trình lên men sinh dược phẩm

Oxy hòa tan là gì?

Oxy hòa tan (DO) đề cập đến oxy phân tử (O₂)._₂(H₂O) được hòa tan trong nước. Nó khác với các nguyên tử oxy có trong phân tử nước (H₂O)._₂Oxy hòa tan (DO) tồn tại trong nước dưới dạng các phân tử oxy độc lập, có nguồn gốc từ khí quyển hoặc được tạo ra thông qua quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh. Nồng độ DO bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ, độ mặn, dòng chảy của nước và các hoạt động sinh học. Do đó, nó đóng vai trò là một chỉ số quan trọng để đánh giá tình trạng sức khỏe và ô nhiễm của môi trường thủy sinh.

Oxy hòa tan đóng vai trò thiết yếu trong việc thúc đẩy quá trình trao đổi chất của vi sinh vật, ảnh hưởng đến hô hấp tế bào, sự phát triển và quá trình sinh tổng hợp các sản phẩm chuyển hóa. Tuy nhiên, nồng độ oxy hòa tan cao không phải lúc nào cũng có lợi. Oxy dư thừa có thể dẫn đến quá trình chuyển hóa tiếp tục các sản phẩm tích lũy và có khả năng gây ra các phản ứng độc hại. Nồng độ oxy hòa tan tối ưu khác nhau giữa các loài vi khuẩn. Ví dụ, trong quá trình sinh tổng hợp penicillin, oxy hòa tan thường được duy trì ở mức khoảng 30% độ bão hòa không khí. Nếu oxy hòa tan giảm xuống 0 và duy trì ở mức đó trong năm phút, quá trình hình thành sản phẩm có thể bị suy giảm đáng kể. Nếu tình trạng này kéo dài trong 20 phút, có thể xảy ra tổn thương không thể phục hồi.

Hiện nay, hầu hết các cảm biến DO được sử dụng phổ biến chỉ có thể đo độ bão hòa không khí tương đối, chứ không phải nồng độ tuyệt đối của oxy hòa tan. Sau khi khử trùng môi trường nuôi cấy, quá trình sục khí và khuấy trộn được thực hiện cho đến khi chỉ số cảm biến ổn định, tại thời điểm đó giá trị được đặt là 100% độ bão hòa không khí. Các phép đo tiếp theo trong quá trình lên men dựa trên giá trị tham chiếu này. Giá trị DO tuyệt đối không thể được xác định bằng các cảm biến tiêu chuẩn và cần các kỹ thuật tiên tiến hơn, chẳng hạn như phép đo cực phổ. Tuy nhiên, các phép đo độ bão hòa không khí thường đủ để theo dõi và kiểm soát các quá trình lên men.

Trong một thiết bị lên men, nồng độ oxy hòa tan (DO) có thể thay đổi ở các vùng khác nhau. Ngay cả khi thu được kết quả ổn định tại một điểm, sự dao động vẫn có thể xảy ra trong một số môi trường nuôi cấy nhất định. Các thiết bị lên men lớn hơn thường thể hiện sự biến động không gian lớn hơn về nồng độ DO, điều này có thể ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển và năng suất của vi sinh vật. Bằng chứng thực nghiệm đã chỉ ra rằng, mặc dù nồng độ DO trung bình có thể là 30%, hiệu suất lên men trong điều kiện dao động thấp hơn đáng kể so với điều kiện ổn định. Do đó, trong việc mở rộng quy mô thiết bị lên men - ngoài những cân nhắc về sự tương đồng hình học và công suất - việc giảm thiểu sự biến động DO trong không gian vẫn là mục tiêu nghiên cứu quan trọng.

Tại sao việc theo dõi nồng độ oxy hòa tan lại cần thiết trong quá trình lên men sinh dược phẩm?

1. Duy trì môi trường sinh trưởng tối ưu cho vi sinh vật hoặc tế bào
Quá trình lên men công nghiệp thường liên quan đến các vi sinh vật hiếu khí, chẳng hạn như Escherichia coli và nấm men, hoặc các tế bào động vật có vú, chẳng hạn như tế bào buồng trứng chuột hamster Trung Quốc (CHO). Các tế bào này hoạt động như "công nhân" trong hệ thống lên men, cần oxy cho quá trình hô hấp và hoạt động trao đổi chất. Oxy đóng vai trò là chất nhận electron cuối cùng trong hô hấp hiếu khí, cho phép sản sinh năng lượng dưới dạng ATP. Thiếu oxy có thể dẫn đến ngạt thở tế bào, ngừng tăng trưởng hoặc thậm chí chết tế bào, cuối cùng dẫn đến thất bại trong quá trình lên men. Việc theo dõi nồng độ oxy hòa tan (DO) đảm bảo rằng nồng độ oxy luôn nằm trong phạm vi tối ưu cho sự tăng trưởng và khả năng sống sót của tế bào.

2. Đảm bảo tổng hợp sản phẩm mục tiêu hiệu quả
Mục tiêu của quá trình lên men sinh dược phẩm không chỉ đơn thuần là thúc đẩy sự tăng sinh tế bào mà còn là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tổng hợp hiệu quả các sản phẩm mục tiêu mong muốn, chẳng hạn như insulin, kháng thể đơn dòng, vắc xin và enzyme. Các con đường sinh tổng hợp này thường đòi hỏi lượng năng lượng đầu vào đáng kể, chủ yếu đến từ hô hấp hiếu khí. Ngoài ra, nhiều hệ thống enzyme tham gia vào quá trình tổng hợp sản phẩm phụ thuộc trực tiếp vào oxy. Sự thiếu hụt oxy có thể làm gián đoạn hoặc giảm hiệu quả của các con đường này.

Hơn nữa, nồng độ DO đóng vai trò như một tín hiệu điều chỉnh. Cả nồng độ DO quá cao và quá thấp đều có thể:
- Thay đổi các con đường trao đổi chất của tế bào, ví dụ, chuyển từ hô hấp hiếu khí sang quá trình lên men kỵ khí kém hiệu quả hơn.
- Kích hoạt các phản ứng căng thẳng tế bào, dẫn đến sản sinh các sản phẩm phụ không mong muốn.
- Ảnh hưởng đến mức độ biểu hiện của các protein ngoại lai.

Bằng cách kiểm soát chính xác nồng độ DO ở các giai đoạn khác nhau của quá trình lên men, có thể định hướng quá trình trao đổi chất của tế bào hướng tới tổng hợp sản phẩm mục tiêu tối đa, từ đó đạt được quá trình lên men mật độ cao và năng suất cao.

Giới thiệu về sơ đồ quy trình dòng chảy nước trong dược phẩm sinh học

3. Để ngăn ngừa tình trạng thiếu hoặc thừa oxy
Tình trạng thiếu oxy (thiếu khí oxy trong máu) có thể dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng:
- Sự phát triển của tế bào và quá trình tổng hợp sản phẩm ngừng lại.
- Quá trình trao đổi chất chuyển sang con đường kỵ khí, dẫn đến sự tích tụ các axit hữu cơ như axit lactic và axit axetic, làm giảm độ pH của môi trường nuôi cấy và có thể gây độc cho tế bào.
- Tình trạng thiếu oxy kéo dài có thể gây tổn thương không thể phục hồi, và quá trình phục hồi sẽ không hoàn toàn ngay cả khi nguồn cung cấp oxy được khôi phục.

Lượng oxy dư thừa (bão hòa quá mức) cũng tiềm ẩn những rủi ro:
- Nó có thể gây ra stress oxy hóa và sự hình thành các gốc oxy phản ứng (ROS), làm tổn thương màng tế bào và các phân tử sinh học.
- Sục khí và khuấy trộn quá mức làm tăng tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành, dẫn đến lãng phí tài nguyên không cần thiết.

4. Là một thông số quan trọng cho việc giám sát thời gian thực và điều khiển phản hồi.

DO là một thông số thời gian thực, liên tục và toàn diện phản ánh các điều kiện bên trong của hệ thống lên men. Sự thay đổi nồng độ DO có thể nhạy cảm chỉ ra nhiều trạng thái sinh lý và hoạt động khác nhau:
- Sự phát triển nhanh chóng của tế bào làm tăng lượng tiêu thụ oxy, dẫn đến nồng độ DO giảm.
- Sự cạn kiệt hoặc ức chế chất nền làm chậm quá trình trao đổi chất, làm giảm lượng oxy tiêu thụ và khiến nồng độ DO tăng lên.
- Sự nhiễm bẩn bởi các vi sinh vật ngoại lai làm thay đổi mô hình tiêu thụ oxy, dẫn đến sự dao động DO bất thường và đóng vai trò như một tín hiệu cảnh báo sớm.
- Các sự cố về thiết bị, chẳng hạn như hỏng bộ khuấy, tắc nghẽn ống thông gió hoặc tắc nghẽn bộ lọc, cũng có thể dẫn đến hiện tượng DO bất thường.

Bằng cách tích hợp giám sát DO thời gian thực vào hệ thống điều khiển phản hồi tự động, có thể đạt được sự điều chỉnh chính xác nồng độ DO thông qua việc điều chỉnh động các thông số sau:
- Tốc độ khuấy: Tăng tốc độ khuấy giúp tăng cường sự tiếp xúc giữa khí và chất lỏng bằng cách phá vỡ các bọt khí, từ đó cải thiện hiệu quả truyền oxy. Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất và hiệu quả nhất.
- Tốc độ sục khí: Điều chỉnh tốc độ dòng chảy hoặc thành phần của khí đầu vào (ví dụ: tăng tỷ lệ không khí hoặc oxy nguyên chất).
- Áp suất trong bình: Tăng áp suất làm tăng áp suất riêng phần của oxy, từ đó tăng cường khả năng hòa tan.
- Nhiệt độ: Giảm nhiệt độ sẽ làm tăng độ hòa tan của oxy trong môi trường nuôi cấy.

Các sản phẩm được BOQU đề xuất để giám sát trực tuyến quá trình lên men sinh học: