Notícies - Monitorització dels nivells d'oxigen dissolt en el procés de fermentació biofarmacèutica

Què és l'oxigen dissolt?

L'oxigen dissolt (OD) fa referència a l'oxigen molecular (O_₂) que es dissol en aigua. Es diferencia dels àtoms d'oxigen presents a les molècules d'aigua (H_₂O), ja que existeix a l'aigua en forma de molècules d'oxigen independents, ja sigui originades de l'atmosfera o generades a través de la fotosíntesi per les plantes aquàtiques. La concentració de DO està influenciada per diversos factors, com ara la temperatura, la salinitat, el flux d'aigua i les activitats biològiques. Com a tal, serveix com a indicador crític per avaluar l'estat de salut i contaminació dels ambients aquàtics.

L'oxigen dissolt juga un paper vital en la promoció del metabolisme microbià, influint en la respiració cel·lular, el creixement i la biosíntesi de productes metabòlics. Tanmateix, els nivells més alts d'oxigen dissolt no sempre són beneficiosos. L'excés d'oxigen pot conduir a un metabolisme addicional dels productes acumulats i potencialment causar reaccions tòxiques. Els nivells òptims d'OD varien entre les diferents espècies bacterianes. Per exemple, durant la biosíntesi de la penicil·lina, l'OD es manté normalment a una saturació d'aire aproximada del 30%. Si l'OD baixa a zero i es manté a aquest nivell durant cinc minuts, la formació del producte es pot veure afectada significativament. Si aquesta condició persisteix durant 20 minuts, es poden produir danys irreversibles.

Actualment, els sensors d'OD més utilitzats només poden mesurar la saturació relativa de l'aire, en lloc de la concentració absoluta d'oxigen dissolt. Després de l'esterilització del medi de cultiu, es realitza l'aireació i l'agitació fins que la lectura del sensor s'estabilitza, moment en què el valor s'estableix al 100% de saturació d'aire. Les mesures posteriors durant el procés de fermentació es basen en aquesta referència. Els valors absoluts d'OD no es poden determinar mitjançant sensors estàndard i requereixen tècniques més avançades, com la polarografia. Tanmateix, les mesures de saturació de l'aire són generalment suficients per monitoritzar i controlar els processos de fermentació.

Dins d'un fermentador, els nivells de DO poden variar entre diferents regions. Fins i tot quan s'obté una lectura estable en un punt, encara es poden produir fluctuacions en certs medis de cultiu. Els fermentadors més grans tendeixen a presentar majors variacions espacials en els nivells de DO, cosa que pot afectar significativament el creixement i la productivitat microbians. L'evidència experimental ha demostrat que, tot i que el nivell mitjà de DO pot ser del 30%, el rendiment de la fermentació en condicions fluctuants és notablement inferior al que es produeix en condicions estables. Per tant, en l'ampliació dels fermentadors, més enllà de les consideracions de similitud geomètrica i de potència, minimitzar les variacions espacials de DO continua sent un objectiu clau de la recerca.

Per què és essencial el control de l'oxigen dissolt en la fermentació biofarmacèutica?

1. Mantenir l'entorn de creixement òptim per a microorganismes o cèl·lules
La fermentació industrial sol implicar microorganismes aeròbics, com ara Escherichia coli i llevats, o cèl·lules de mamífers, com ara les cèl·lules de l'ovari de hàmster xinès (CHO). Aquestes cèl·lules funcionen com a "treballadores" dins del sistema de fermentació, i necessiten oxigen per a la respiració i l'activitat metabòlica. L'oxigen serveix com a acceptor terminal d'electrons en la respiració aeròbica, permetent la producció d'energia en forma d'ATP. Un subministrament insuficient d'oxigen pot provocar asfíxia cel·lular, aturada del creixement o fins i tot mort cel·lular, cosa que en última instància provoca un fracàs de la fermentació. El control dels nivells d'OD garanteix que les concentracions d'oxigen es mantinguin dins del rang òptim per a un creixement i viabilitat cel·lulars sostinguts.

2. Per garantir una síntesi eficient dels productes objectiu
L'objectiu de la fermentació biofarmacèutica no és només promoure la proliferació cel·lular, sinó facilitar la síntesi eficient dels productes diana desitjats, com ara la insulina, els anticossos monoclonals, les vacunes i els enzims. Aquestes vies biosintètiques sovint requereixen una aportació energètica substancial, derivada principalment de la respiració aeròbica. A més, molts sistemes enzimàtics implicats en la síntesi de productes depenen directament de l'oxigen. La deficiència d'oxigen pot interrompre o reduir l'eficiència d'aquestes vies.

A més, els nivells de dissolució ondulada (DO) actuen com a senyal regulador. Tant les concentracions excessivament altes com les baixes de DO poden:
- Alterar les vies metabòliques cel·lulars, per exemple, passant de la respiració aeròbica a una fermentació anaeròbica menys eficient.
- Desencadenar respostes d'estrès cel·lular, que porten a la producció de subproductes indesitjables.
- Influir en els nivells d'expressió de proteïnes exògenes.

Controlant amb precisió els nivells d'OD en les diferents etapes de la fermentació, és possible guiar el metabolisme cel·lular cap a la síntesi màxima del producte objectiu, aconseguint així una fermentació d'alta densitat i alt rendiment.

Introducció al diagrama de flux d'aigua per a productes biofarmacèutics

3. Per prevenir la deficiència o l'excés d'oxigen
La deficiència d'oxigen (hipòxia) pot tenir conseqüències greus:
- El creixement cel·lular i la síntesi de productes cessen.
- El metabolisme canvia a vies anaeròbiques, cosa que provoca l'acumulació d'àcids orgànics com l'àcid làctic i l'àcid acètic, que disminueixen el pH del medi de cultiu i poden enverinar les cèl·lules.
- La hipòxia prolongada pot causar danys irreversibles, i la recuperació és incompleta fins i tot després de restablir el subministrament d'oxigen.

L'excés d'oxigen (sobresaturació) també presenta riscos:
- Pot induir estrès oxidatiu i la formació d'espècies reactives d'oxigen (ROS), que danyen les membranes cel·lulars i les biomolècules.
- L'aireació i l'agitació excessives augmenten el consum d'energia i els costos operatius, cosa que comporta un malbaratament innecessari de recursos.

4. Com a paràmetre crític per a la monitorització en temps real i el control de retroalimentació

L'OD és un paràmetre en temps real, continu i complet que reflecteix les condicions internes del sistema de fermentació. Els canvis en els nivells d'OD poden indicar amb sensibilitat diversos estats fisiològics i operatius:
El creixement ràpid de les cèl·lules augmenta el consum d'oxigen, cosa que fa que els nivells d'OD disminueixin.
L'esgotament o la inhibició del substrat alenteix el metabolisme, reduint el consum d'oxigen i provocant un augment dels nivells d'OD.
- La contaminació per microorganismes estranys altera el patró de consum d'oxigen, donant lloc a fluctuacions anormals de l'OD i servint com a senyal d'alerta precoç.
- Els mal funcionaments de l'equip, com ara una fallada de l'agitador, un bloqueig de la canonada de ventilació o una incrustació del filtre, també poden provocar un comportament anormal de l'OD.

Integrant la monitorització de DO en temps real en un sistema de control de retroalimentació automatitzat, es pot aconseguir una regulació precisa dels nivells de DO mitjançant ajustaments dinàmics dels paràmetres següents:
- Velocitat d'agitació: Augmentar la velocitat millora el contacte gas-líquid trencant les bombolles, millorant així l'eficiència de la transferència d'oxigen. Aquest és el mètode més utilitzat i eficaç.
- Taxa d'aireació: Ajust del cabal o de la composició del gas d'entrada (per exemple, augmentant la proporció d'aire o oxigen pur).
- Pressió del tanc: L'augment de la pressió augmenta la pressió parcial d'oxigen, millorant així la solubilitat.
- Temperatura: La baixada de la temperatura augmenta la solubilitat de l'oxigen en el medi de cultiu.

Recomanacions de productes de BOQU per al monitoratge en línia de la fermentació biològica: