ข่าว - การตรวจสอบระดับออกซิเจนละลายในกระบวนการหมักทางชีวเภสัชกรรม

ออกซิเจนละลายน้ำคืออะไร?

ออกซิเจนละลายน้ำ (DO) หมายถึงออกซิเจนโมเลกุล (O₂)_₂) ที่ละลายอยู่ในน้ำ มันแตกต่างจากอะตอมออกซิเจนที่มีอยู่ในโมเลกุลของน้ำ (H)_₂ออกซิเจนละลายน้ำ (DO) คือออกซิเจนที่มีอยู่ในน้ำในรูปของโมเลกุลออกซิเจนอิสระ ซึ่งอาจมาจากชั้นบรรยากาศหรือเกิดจากการสังเคราะห์แสงของพืชน้ำ ความเข้มข้นของ DO ได้รับอิทธิพลจากหลายปัจจัย เช่น อุณหภูมิ ความเค็ม การไหลของน้ำ และกิจกรรมทางชีวภาพ ดังนั้นจึงเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญในการประเมินสุขภาพและสถานะมลพิษของสิ่งแวดล้อมทางน้ำ

ออกซิเจนละลายน้ำมีบทบาทสำคัญในการส่งเสริมกระบวนการเผาผลาญของจุลินทรีย์ โดยมีอิทธิพลต่อการหายใจระดับเซลล์ การเจริญเติบโต และการสังเคราะห์สารเมตาบอลิซึม อย่างไรก็ตาม ระดับออกซิเจนละลายน้ำที่สูงเกินไปก็ไม่ได้เป็นประโยชน์เสมอไป ออกซิเจนส่วนเกินอาจนำไปสู่การเผาผลาญสารที่สะสมไว้มากขึ้น และอาจก่อให้เกิดปฏิกิริยาที่เป็นพิษได้ ระดับออกซิเจนละลายน้ำที่เหมาะสมจะแตกต่างกันไปในแต่ละสายพันธุ์ของแบคทีเรีย ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการสังเคราะห์เพนิซิลลิน โดยทั่วไปแล้วระดับออกซิเจนละลายน้ำจะอยู่ที่ประมาณ 30% ของความอิ่มตัวของอากาศ หากระดับออกซิเจนละลายน้ำลดลงเหลือศูนย์และคงอยู่ที่ระดับนั้นเป็นเวลาห้านาที การสร้างผลิตภัณฑ์อาจบกพร่องอย่างมาก หากสภาวะนี้คงอยู่นานถึง 20 นาที อาจเกิดความเสียหายที่ไม่สามารถแก้ไขได้

ปัจจุบัน เซ็นเซอร์วัดปริมาณออกซิเจนละลายน้ำ (DO) ที่ใช้กันทั่วไปส่วนใหญ่สามารถวัดได้เฉพาะความอิ่มตัวของอากาศสัมพัทธ์เท่านั้น ไม่ใช่ความเข้มข้นสัมบูรณ์ของออกซิเจนละลายน้ำ หลังจากฆ่าเชื้ออาหารเลี้ยงเชื้อแล้ว จะทำการเติมอากาศและกวนจนกว่าค่าที่อ่านได้จากเซ็นเซอร์จะคงที่ จากนั้นจึงตั้งค่าเป็น 100% ของความอิ่มตัวของอากาศ การวัดค่าในระหว่างกระบวนการหมักครั้งต่อๆ ไปจะอ้างอิงจากค่านี้ ไม่สามารถหาค่า DO สัมบูรณ์ได้โดยใช้เซ็นเซอร์มาตรฐาน และต้องใช้เทคนิคขั้นสูงกว่า เช่น โพลารอกราฟี อย่างไรก็ตาม การวัดความอิ่มตัวของอากาศโดยทั่วไปก็เพียงพอสำหรับการตรวจสอบและควบคุมกระบวนการหมักแล้ว

ภายในถังหมัก ระดับออกซิเจนละลายน้ำ (DO) อาจแตกต่างกันไปในแต่ละบริเวณ แม้ว่าจะได้ค่าที่คงที่ ณ จุดหนึ่งแล้วก็ตาม ความผันผวนอาจยังคงเกิดขึ้นในอาหารเลี้ยงเชื้อบางชนิด ถังหมักขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะแสดงความผันแปรของระดับ DO ในพื้นที่มากขึ้น ซึ่งอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อการเจริญเติบโตและผลผลิตของจุลินทรีย์ หลักฐานจากการทดลองแสดงให้เห็นว่า แม้ระดับ DO เฉลี่ยอาจอยู่ที่ 30% ประสิทธิภาพการหมักภายใต้สภาวะที่ผันผวนนั้นต่ำกว่าอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเทียบกับสภาวะที่คงที่ ดังนั้น ในการขยายขนาดถังหมัก นอกเหนือจากการพิจารณาความคล้ายคลึงทางเรขาคณิตและกำลังแล้ว การลดความผันแปรของระดับ DO ในพื้นที่ยังคงเป็นเป้าหมายสำคัญของการวิจัย

เหตุใดการตรวจสอบปริมาณออกซิเจนละลายจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในกระบวนการหมักทางชีวเภสัชกรรม?

1. เพื่อรักษาสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์หรือเซลล์
โดยทั่วไป การหมักในระดับอุตสาหกรรมเกี่ยวข้องกับจุลินทรีย์แอโรบิก เช่น เอสเชอริเชีย โคไล และยีสต์ หรือเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เช่น เซลล์รังไข่หนูแฮมสเตอร์จีน (CHO) เซลล์เหล่านี้ทำหน้าที่เป็น "คนงาน" ในระบบการหมัก โดยต้องการออกซิเจนสำหรับการหายใจและกิจกรรมทางเมตาบอลิซึม ออกซิเจนทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายในการหายใจแบบแอโรบิก ทำให้เกิดการผลิตพลังงานในรูปของ ATP การขาดแคลนออกซิเจนอาจนำไปสู่การขาดอากาศหายใจของเซลล์ การหยุดการเจริญเติบโต หรือแม้กระทั่งการตายของเซลล์ ซึ่งในที่สุดจะส่งผลให้การหมักล้มเหลว การตรวจสอบระดับ DO ช่วยให้มั่นใจได้ว่าความเข้มข้นของออกซิเจนยังคงอยู่ในช่วงที่เหมาะสมสำหรับการเจริญเติบโตและความมีชีวิตของเซลล์อย่างยั่งยืน

2. เพื่อให้มั่นใจได้ว่าการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์เป้าหมายเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ
เป้าหมายของการหมักทางชีวเภสัชกรรมไม่ใช่เพียงแค่การส่งเสริมการเพิ่มจำนวนเซลล์ แต่เป็นการอำนวยความสะดวกในการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์เป้าหมายที่ต้องการอย่างมีประสิทธิภาพ เช่น อินซูลิน แอนติบอดีโมโนโคลนอล วัคซีน และเอนไซม์ กระบวนการสังเคราะห์ทางชีวภาพเหล่านี้มักต้องการพลังงานจำนวนมาก ซึ่งส่วนใหญ่ได้มาจากกระบวนการหายใจแบบใช้ออกซิเจน นอกจากนี้ ระบบเอนไซม์หลายระบบที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ยังขึ้นอยู่กับออกซิเจนโดยตรง การขาดออกซิเจนอาจทำให้กระบวนการเหล่านี้หยุดชะงักหรือลดประสิทธิภาพลงได้

นอกจากนี้ ระดับออกซิเจนละลายน้ำ (DO) ยังทำหน้าที่เป็นสัญญาณควบคุม ทั้งความเข้มข้นของ DO ที่สูงเกินไปและต่ำเกินไปอาจส่งผลดังนี้:
- เปลี่ยนแปลงกระบวนการเผาผลาญภายในเซลล์ เช่น เปลี่ยนจากการหายใจแบบใช้ออกซิเจนไปเป็นการหมักแบบไม่ใช้ออกซิเจนซึ่งมีประสิทธิภาพน้อยกว่า
- กระตุ้นการตอบสนองต่อความเครียดของเซลล์ ส่งผลให้เกิดสารประกอบที่ไม่พึงประสงค์ขึ้น
- มีอิทธิพลต่อระดับการแสดงออกของโปรตีนจากภายนอก

ด้วยการควบคุมระดับออกซิเจนละลายน้ำ (DO) อย่างแม่นยำในแต่ละขั้นตอนของการหมัก ทำให้สามารถชี้นำกระบวนการเผาผลาญของเซลล์ไปสู่การสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์เป้าหมายสูงสุด ส่งผลให้ได้การหมักที่มีความหนาแน่นสูงและผลผลิตสูง

บทนำเกี่ยวกับแผนผังการไหลของน้ำสำหรับอุตสาหกรรมยาชีวภาพ

3. เพื่อป้องกันภาวะขาดออกซิเจนหรือมีออกซิเจนมากเกินไป
ภาวะขาดออกซิเจน (hypoxia) อาจส่งผลร้ายแรงได้:
- การเจริญเติบโตของเซลล์และการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์หยุดลง
- กระบวนการเผาผลาญจะเปลี่ยนไปสู่กระบวนการแบบไม่ใช้ออกซิเจน ส่งผลให้เกิดการสะสมของกรดอินทรีย์ เช่น กรดแลคติกและกรดอะซิติก ซึ่งจะทำให้ค่า pH ของอาหารเลี้ยงเชื้อลดลงและอาจเป็นพิษต่อเซลล์ได้
- ภาวะขาดออกซิเจนเป็นเวลานานอาจก่อให้เกิดความเสียหายที่ไม่สามารถแก้ไขได้ และการฟื้นตัวจะไม่สมบูรณ์แม้ว่าจะมีการคืนออกซิเจนแล้วก็ตาม

ออกซิเจนส่วนเกิน (ภาวะอิ่มตัวเกิน) ก็ก่อให้เกิดความเสี่ยงเช่นกัน:
- มันสามารถก่อให้เกิดภาวะเครียดออกซิเดชันและการก่อตัวของอนุมูลอิสระ (ROS) ซึ่งทำลายเยื่อหุ้มเซลล์และโมเลกุลทางชีวภาพ
- การเติมอากาศและการกวนมากเกินไปจะเพิ่มการใช้พลังงานและต้นทุนการดำเนินงาน ส่งผลให้สิ้นเปลืองทรัพยากรโดยไม่จำเป็น

4. ในฐานะพารามิเตอร์สำคัญสำหรับการตรวจสอบแบบเรียลไทม์และการควบคุมแบบป้อนกลับ

DO เป็นพารามิเตอร์แบบเรียลไทม์ ต่อเนื่อง และครอบคลุม ซึ่งสะท้อนถึงสภาวะภายในของระบบการหมัก การเปลี่ยนแปลงของระดับ DO สามารถบ่งชี้ถึงสภาวะทางสรีรวิทยาและการทำงานต่างๆ ได้อย่างละเอียดอ่อน:
- การเจริญเติบโตของเซลล์อย่างรวดเร็วทำให้มีการใช้ออกซิเจนเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ระดับออกซิเจนละลายน้ำลดลง
- การหมดไปหรือการยับยั้งสารตั้งต้นจะทำให้กระบวนการเผาผลาญช้าลง ลดการใช้ออกซิเจน และทำให้ระดับออกซิเจนละลายน้ำ (DO) สูงขึ้น
- การปนเปื้อนจากจุลินทรีย์ต่างถิ่นจะเปลี่ยนแปลงรูปแบบการใช้ออกซิเจน ส่งผลให้ค่า DO ผันผวนผิดปกติ และทำหน้าที่เป็นสัญญาณเตือนล่วงหน้า
- ความผิดปกติของอุปกรณ์ เช่น เครื่องกวนเสีย ท่อระบายอากาศอุดตัน หรือตัวกรองสกปรก ก็อาจส่งผลให้ค่า DO ผิดปกติได้เช่นกัน

ด้วยการบูรณาการการตรวจสอบปริมาณออกซิเจนละลายน้ำแบบเรียลไทม์เข้ากับระบบควบคุมป้อนกลับอัตโนมัติ ทำให้สามารถควบคุมระดับออกซิเจนละลายน้ำได้อย่างแม่นยำผ่านการปรับพารามิเตอร์ต่อไปนี้แบบไดนามิก:
- ความเร็วในการกวน: การเพิ่มความเร็วในการกวนจะช่วยเพิ่มการสัมผัสระหว่างแก๊สและของเหลวโดยการสลายฟองอากาศ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทออกซิเจน วิธีนี้เป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไปและมีประสิทธิภาพมากที่สุด
- อัตราการเติมอากาศ: การปรับอัตราการไหลหรือองค์ประกอบของก๊าซขาเข้า (เช่น การเพิ่มสัดส่วนของอากาศหรือออกซิเจนบริสุทธิ์)
- แรงดันในถัง: การเพิ่มแรงดันจะเพิ่มความดันย่อยของออกซิเจน ส่งผลให้ความสามารถในการละลายดีขึ้น
- อุณหภูมิ: การลดอุณหภูมิจะช่วยเพิ่มการละลายของออกซิเจนในอาหารเลี้ยงเชื้อ

ผลิตภัณฑ์แนะนำจาก BOQU สำหรับการตรวจสอบกระบวนการหมักทางชีวภาพแบบออนไลน์: