ข่าวสาร - การตรวจสอบระดับออกซิเจนที่ละลายอยู่ในกระบวนการหมักยาชีวภาพ

ออกซิเจนที่ละลายน้ำคืออะไร?

ออกซิเจนที่ละลายน้ำ (DO) หมายถึงออกซิเจนโมเลกุล (O_₂) ที่ละลายในน้ำ แตกต่างจากอะตอมออกซิเจนที่มีอยู่ในโมเลกุลของน้ำ (H_₂O) ที่มีอยู่ในน้ำในรูปของโมเลกุลออกซิเจนอิสระ ไม่ว่าจะมาจากชั้นบรรยากาศหรือเกิดจากการสังเคราะห์แสงของพืชน้ำ ความเข้มข้นของ DO ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ ได้แก่ อุณหภูมิ ความเค็ม การไหลของน้ำ และกิจกรรมทางชีวภาพ ดังนั้น จึงใช้เป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญในการประเมินสถานะสุขภาพและมลพิษของสภาพแวดล้อมทางน้ำ

ออกซิเจนที่ละลายน้ำมีบทบาทสำคัญในการส่งเสริมการเผาผลาญของจุลินทรีย์ มีอิทธิพลต่อการหายใจของเซลล์ การเจริญเติบโต และการสังเคราะห์ทางชีวภาพของผลิตภัณฑ์จากกระบวนการเมแทบอลิซึม อย่างไรก็ตาม ระดับออกซิเจนที่ละลายน้ำในปริมาณที่สูงไม่ได้เป็นประโยชน์เสมอไป ออกซิเจนที่มากเกินไปอาจนำไปสู่การเผาผลาญของผลิตภัณฑ์ที่สะสมมากขึ้น และอาจก่อให้เกิดปฏิกิริยาที่เป็นพิษ ระดับออกซิเจนที่ละลายน้ำได้ (DO) ที่เหมาะสมจะแตกต่างกันไปในแต่ละสายพันธุ์ของแบคทีเรีย ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการสังเคราะห์ทางชีวภาพของเพนิซิลลิน โดยทั่วไปแล้ว DO จะถูกควบคุมให้อยู่ในระดับอิ่มตัวของอากาศประมาณ 30% หาก DO ลดลงเหลือศูนย์และคงอยู่ในระดับนั้นเป็นเวลาห้านาที การก่อตัวของผลิตภัณฑ์อาจบกพร่องอย่างมาก หากภาวะนี้ยังคงอยู่เป็นเวลา 20 นาที อาจเกิดความเสียหายที่ไม่สามารถกลับคืนสู่สภาพเดิมได้

ปัจจุบัน เซ็นเซอร์วัดค่าออกซิเจน (DO) ที่ใช้กันทั่วไปสามารถวัดค่าความอิ่มตัวของอากาศสัมพัทธ์ได้เท่านั้น ไม่ใช่ความเข้มข้นสัมบูรณ์ของออกซิเจนที่ละลายในน้ำ หลังจากการฆ่าเชื้ออาหารเลี้ยงเชื้อแล้ว จะทำการเติมอากาศและกวนจนกระทั่งค่าที่อ่านได้จากเซ็นเซอร์คงที่ จากนั้นจึงตั้งค่าความอิ่มตัวของอากาศไว้ที่ 100% การวัดค่าต่อไปในระหว่างกระบวนการหมักจะอ้างอิงตามค่าอ้างอิงนี้ ค่า DO สัมบูรณ์ไม่สามารถหาค่าได้โดยใช้เซ็นเซอร์มาตรฐาน และจำเป็นต้องใช้เทคนิคขั้นสูงกว่า เช่น โพลาโรกราฟี อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้ว การวัดค่าความอิ่มตัวของอากาศก็เพียงพอสำหรับการตรวจสอบและควบคุมกระบวนการหมัก

ภายในถังหมัก ระดับ DO อาจแตกต่างกันไปในแต่ละภูมิภาค แม้ว่าจะอ่านค่าได้อย่างคงที่ ณ จุดหนึ่ง แต่ความผันผวนก็อาจเกิดขึ้นได้ในอาหารเลี้ยงเชื้อบางชนิด ถังหมักขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะแสดงระดับ DO ที่แตกต่างกันในเชิงพื้นที่มากกว่า ซึ่งอาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการเจริญเติบโตและผลผลิตของจุลินทรีย์ หลักฐานการทดลองแสดงให้เห็นว่า แม้ว่าระดับ DO เฉลี่ยอาจอยู่ที่ 30% แต่ประสิทธิภาพการหมักภายใต้สภาวะที่ผันผวนจะต่ำกว่าในสภาวะที่เสถียรอย่างเห็นได้ชัด ดังนั้น ในการขยายขนาดของถังหมัก นอกเหนือจากการพิจารณาความคล้ายคลึงทางเรขาคณิตและกำลังแล้ว การลดความผันแปรของ DO ที่แตกต่างกันในเชิงพื้นที่ยังคงเป็นวัตถุประสงค์การวิจัยที่สำคัญ

เหตุใดการตรวจติดตามออกซิเจนที่ละลายน้ำจึงมีความจำเป็นในกระบวนการหมักทางชีวเภสัชกรรม?

1. เพื่อรักษาสภาพแวดล้อมการเจริญเติบโตที่เหมาะสมที่สุดสำหรับจุลินทรีย์หรือเซลล์
การหมักเชิงอุตสาหกรรมโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับจุลินทรีย์ที่ใช้ออกซิเจน เช่น Escherichia coli และยีสต์ หรือเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เช่น เซลล์รังไข่หนูแฮมสเตอร์จีน (Chinese Hamster Ovary: CHO) เซลล์เหล่านี้ทำหน้าที่เป็น "คนงาน" ในระบบการหมัก โดยต้องการออกซิเจนสำหรับการหายใจและกิจกรรมเมแทบอลิซึม ออกซิเจนทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอนปลายทางในการหายใจแบบใช้ออกซิเจน ทำให้สามารถผลิตพลังงานในรูปของ ATP ได้ การจัดหาออกซิเจนที่ไม่เพียงพออาจนำไปสู่การขาดอากาศหายใจของเซลล์ การหยุดการเจริญเติบโต หรือแม้แต่การตายของเซลล์ ซึ่งท้ายที่สุดแล้วส่งผลให้การหมักล้มเหลว การตรวจสอบระดับออกซิเจน (DO) ช่วยให้มั่นใจได้ว่าความเข้มข้นของออกซิเจนอยู่ในช่วงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเจริญเติบโตและการมีชีวิตของเซลล์อย่างยั่งยืน

2. เพื่อให้มั่นใจถึงการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์เป้าหมายอย่างมีประสิทธิภาพ
วัตถุประสงค์ของการหมักชีวเภสัชภัณฑ์ไม่ได้มีเพียงเพื่อส่งเสริมการเพิ่มจำนวนเซลล์เท่านั้น แต่ยังเพื่ออำนวยความสะดวกในการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์เป้าหมายที่ต้องการได้อย่างมีประสิทธิภาพ เช่น อินซูลิน โมโนโคลนอลแอนติบอดี วัคซีน และเอนไซม์ กระบวนการสังเคราะห์ชีวเภสัชภัณฑ์เหล่านี้มักต้องการพลังงานจำนวนมาก ซึ่งส่วนใหญ่ได้มาจากการหายใจแบบใช้ออกซิเจน นอกจากนี้ ระบบเอนไซม์หลายระบบที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ยังต้องอาศัยออกซิเจนโดยตรง การขาดออกซิเจนอาจขัดขวางหรือลดประสิทธิภาพของกระบวนการเหล่านี้

ยิ่งไปกว่านั้น ระดับ DO ยังทำหน้าที่เป็นสัญญาณควบคุม ความเข้มข้นของ DO ที่สูงหรือต่ำเกินไปอาจส่งผลดังนี้:
- เปลี่ยนแปลงเส้นทางการเผาผลาญของเซลล์ เช่น เปลี่ยนจากการหายใจแบบใช้ออกซิเจนไปเป็นการหมักแบบไม่ใช้ออกซิเจนที่มีประสิทธิภาพน้อยลง
- กระตุ้นการตอบสนองความเครียดของเซลล์ ส่งผลให้เกิดผลพลอยได้ที่ไม่พึงประสงค์
- มีอิทธิพลต่อระดับการแสดงออกของโปรตีนจากภายนอก

การควบคุมระดับ DO อย่างแม่นยำในแต่ละขั้นตอนของการหมัก ช่วยให้สามารถควบคุมกระบวนการเผาผลาญของเซลล์ให้มุ่งไปสู่การสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์เป้าหมายสูงสุด จึงทำให้ได้การหมักที่มีความหนาแน่นสูงและผลผลิตสูง

บทนำเกี่ยวกับแผนภูมิการไหลของน้ำสำหรับผลิตภัณฑ์เภสัชชีวภาพ

3. เพื่อป้องกันการขาดออกซิเจนหรือออกซิเจนมากเกินไป
ภาวะขาดออกซิเจน (hypoxia) อาจส่งผลร้ายแรงได้ดังนี้:
- การเจริญเติบโตของเซลล์และการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์หยุดลง
- การเผาผลาญจะเปลี่ยนไปสู่วิถีที่ไม่ใช้ออกซิเจน ส่งผลให้มีกรดอินทรีย์ เช่น กรดแลคติกและกรดอะซิติกสะสม ซึ่งจะทำให้ค่า pH ของอาหารเลี้ยงเชื้อลดลง และอาจเป็นพิษต่อเซลล์ได้
ภาวะขาดออกซิเจนเป็นเวลานานอาจทำให้เกิดความเสียหายที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ โดยการฟื้นตัวไม่สมบูรณ์แบบแม้ว่าจะมีออกซิเจนกลับมาแล้วก็ตาม

ออกซิเจนส่วนเกิน (ออกซิเจนเกินอิ่มตัว) ยังก่อให้เกิดความเสี่ยงอีกด้วย:
- สามารถทำให้เกิดภาวะเครียดออกซิเดชันและการเกิดอนุมูลอิสระ (ROS) ซึ่งทำลายเยื่อหุ้มเซลล์และชีวโมเลกุล
- การเติมอากาศและการกวนมากเกินไปจะเพิ่มการใช้พลังงานและต้นทุนการดำเนินงาน ส่งผลให้สูญเสียทรัพยากรที่ไม่จำเป็น

4. เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญสำหรับการตรวจสอบแบบเรียลไทม์และการควบคุมข้อเสนอแนะ

DO เป็นพารามิเตอร์แบบเรียลไทม์ ต่อเนื่อง และครอบคลุม ซึ่งสะท้อนถึงสภาวะภายในของระบบการหมัก การเปลี่ยนแปลงระดับ DO สามารถบ่งชี้สภาวะทางสรีรวิทยาและการทำงานต่างๆ ได้อย่างละเอียดอ่อน:
- การเจริญเติบโตของเซลล์อย่างรวดเร็วทำให้การบริโภคออกซิเจนเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ระดับ DO ลดลง
- การลดหรือการยับยั้งสารตั้งต้นทำให้การเผาผลาญช้าลง ลดการใช้ออกซิเจน และทำให้ระดับ DO เพิ่มสูงขึ้น
- การปนเปื้อนจากจุลินทรีย์แปลกปลอมทำให้รูปแบบการใช้ออกซิเจนเปลี่ยนแปลง ส่งผลให้เกิดการผันผวนของ DO ที่ผิดปกติ และทำหน้าที่เป็นสัญญาณเตือนล่วงหน้า
- การทำงานผิดปกติของอุปกรณ์ เช่น ความผิดพลาดของเครื่องกวน การอุดตันของท่อระบายอากาศ หรือตัวกรองสกปรก ก็สามารถส่งผลให้เกิดพฤติกรรม DO ที่ผิดปกติได้เช่นกัน

การรวมการตรวจสอบ DO แบบเรียลไทม์เข้ากับระบบควบคุมป้อนกลับอัตโนมัติ ช่วยให้สามารถควบคุมระดับ DO ได้อย่างแม่นยำผ่านการปรับพารามิเตอร์ต่อไปนี้แบบไดนามิก:
- ความเร็วในการกวน: การเพิ่มความเร็วจะช่วยเพิ่มการสัมผัสระหว่างก๊าซและของเหลวโดยการทำให้ฟองอากาศแตกตัว ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทออกซิเจน นี่เป็นวิธีที่ได้รับความนิยมและมีประสิทธิภาพมากที่สุด
- อัตราการเติมอากาศ : การปรับอัตราการไหลหรือองค์ประกอบของก๊าซที่เข้ามา (เช่น เพิ่มสัดส่วนของอากาศหรือออกซิเจนบริสุทธิ์)
- แรงดันถัง: การเพิ่มแรงดันจะเพิ่มแรงดันบางส่วนของออกซิเจน จึงทำให้ความสามารถในการละลายดีขึ้น
- อุณหภูมิ: การลดอุณหภูมิจะช่วยเพิ่มความสามารถในการละลายของออกซิเจนในอาหารเลี้ยงเชื้อ

คำแนะนำผลิตภัณฑ์ของ BOQU สำหรับการติดตามการหมักทางชีวภาพแบบออนไลน์: