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

Oxy hòa tan là gì?

Oxy hòa tan (DO) đề cập đến oxy phân tử (O_₂) hòa tan trong nước. Nó khác với các nguyên tử oxy có trong phân tử nước (H_₂O), vì nó 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 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 nước.

Oxy hòa tan đóng vai trò thiết yếu trong việc thúc đẩy quá trình trao đổi chất của vi khuẩn, ảnh hưởng đến hô hấp tế bào, sinh trưởng và sinh tổng hợp các sản phẩm trao đổi chất. Tuy nhiên, nồng độ oxy hòa tan cao hơn không phải lúc nào cũng có lợi. Lượng oxy dư thừa có thể dẫn đến quá trình trao đổi chất tiếp theo của các sản phẩm tích tụ và có khả năng gây ra các phản ứng độc hại. Mức DO tối ưu khác nhau tùy theo loài vi khuẩn. Ví dụ, trong quá trình sinh tổng hợp penicillin, DO thường được duy trì ở mức bão hòa không khí khoảng 30%. Nếu DO 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, các cảm biến DO được sử dụng phổ biến nhất chỉ có thể đo độ bão hòa oxy hòa tan tương đối trong không khí, chứ không phải nồng độ oxy hòa tan tuyệt đối. Sau khi khử trùng môi trường nuôi cấy, sục khí và khuấy được thực hiện cho đến khi giá trị cảm biến ổn định, tại thời điểm đó, giá trị được đặt thành 100% độ bão hòa oxy. Các phép đo tiếp theo trong quá trình lên men dựa trên tham chiếu này. Giá trị DO tuyệt đối không thể được xác định bằng các cảm biến tiêu chuẩn và đòi hỏi các kỹ thuật tiên tiến hơn, chẳng hạn như phương pháp phân cực. Tuy nhiên, các phép đo độ bão hòa oxy hòa tan thường đủ để theo dõi và kiểm soát quá trình lên men.

Trong một thùng lên men, nồng độ DO có thể thay đổi theo các vùng khác nhau. Ngay cả khi đạt được giá trị ổn định tại một thời điểm, sự biến động vẫn có thể xảy ra trong một số môi trường nuôi cấy nhất định. Các thùng lên men lớn hơn có xu hướng biểu hiện sự biến động nồng độ DO theo không gian lớn hơn, 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 biến động thấp hơn đáng kể so với điều kiện ổn định. Do đó, trong quá trình mở rộng quy mô thùng lên men—ngoài việc xem xét sự tương đồng về hình học và công suất—việc giảm thiểu sự biến động nồng độ DO theo không gian vẫn là một mục tiêu nghiên cứu quan trọng.

Tại sao việc theo dõi oxy hòa tan lại quan trọng trong quá trình lên men dược phẩm sinh học?

1. Duy trì môi trường tăng 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). Những 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 điện tử cuối cùng trong quá trình hô hấp hiếu khí, cho phép sản xuất năng lượng dưới dạng ATP. Việc cung cấp oxy không đủ có thể dẫn đến tình trạng tế bào bị ngạt thở, 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 nồng độ oxy luôn nằm trong phạm vi tối ưu cho sự tăng trưởng và khả năng sống của tế bào.

2. Đảm bảo tổng hợp hiệu quả các sản phẩm mục tiêu
Mục tiêu của quá trình lên men dược phẩm sinh học không chỉ đơn thuần là thúc đẩy sự tăng sinh tế bào mà còn 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 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. Thiếu oxy có thể làm gián đoạn hoặc làm giảm hiệu quả của các con đường này.

Hơn nữa, nồng độ DO hoạt động như một tín hiệu điều hòa. 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 phản ứng căng thẳng của tế bào, dẫn đến sản sinh ra các sản phẩm phụ không mong muốn.
- Ảnh hưởng đến mức độ biểu hiện của protein ngoại sinh.

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

Giới thiệu về Biểu đồ dòng chảy nước cho Dược phẩm sinh học

3. Để ngăn ngừa tình trạng thiếu hoặc thừa oxy
Thiếu oxy (thiếu oxy) có thể gây ra 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 ra tổn thương không thể phục hồi, khiến quá trình phục hồi không hoàn toàn ngay cả khi nguồn cung cấp oxy được phục hồi.

Lượng oxy dư thừa (quá bão hòa) cũng gây ra những rủi ro:
- Có thể gây ra stress oxy hóa và hình thành các loài oxy phản ứng (ROS), gây tổn hại đến màng tế bào và các phân tử sinh học.
- Sục khí và khuấy quá mức làm tăng mức 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 kiểm soát phản hồi

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

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

Khuyến nghị sản phẩm của BOQU để theo dõi trực tuyến quá trình lên men sinh học: