Novas - Monitorización dos niveis de osíxeno disolto no proceso de fermentación biofarmacéutica

Que é o osíxeno disolto?

O osíxeno disolto (OD) refírese ao osíxeno molecular (O_₂) que está disolto en auga. Difire dos átomos de osíxeno presentes nas moléculas de auga (H_₂O), xa que existe na auga en forma de moléculas de osíxeno independentes, xa sexan orixinarias da atmosfera ou xeradas a través da fotosíntese polas plantas acuáticas. A concentración de OD está influenciada por varios factores, incluíndo a temperatura, a salinidade, o fluxo de auga e as actividades biolóxicas. Como tal, serve como un indicador fundamental para avaliar o estado de saúde e contaminación dos ambientes acuáticos.

O osíxeno disolto xoga un papel vital na promoción do metabolismo microbiano, o que inflúe na respiración celular, no crecemento e na biosíntese de produtos metabólicos. Non obstante, os niveis máis altos de osíxeno disolto non sempre son beneficiosos. O exceso de osíxeno pode levar a un maior metabolismo dos produtos acumulados e potencialmente causar reaccións tóxicas. Os niveis óptimos de OD varían entre as diferentes especies bacterianas. Por exemplo, durante a biosíntese da penicilina, o OD mantense normalmente a unha saturación de aire de aproximadamente o 30 %. Se o OD cae a cero e permanece nese nivel durante cinco minutos, a formación do produto pode verse significativamente afectada. Se esta condición persiste durante 20 minutos, poden producirse danos irreversibles.

Actualmente, os sensores de oxíxeno disolto (DO) máis empregados só poden medir a saturación relativa do aire, en lugar da concentración absoluta de osíxeno disolto. Despois da esterilización do medio de cultivo, realízase a aireación e a axitación ata que a lectura do sensor se estabiliza, momento no que o valor establécese no 100 % de saturación de aire. As medicións posteriores durante o proceso de fermentación baséanse nesta referencia. Os valores absolutos de DO non se poden determinar utilizando sensores estándar e requiren técnicas máis avanzadas, como a polarografía. Non obstante, as medicións da saturación do aire son xeralmente suficientes para monitorizar e controlar os procesos de fermentación.

Dentro dun fermentador, os niveis de OD poden variar entre as diferentes rexións. Mesmo cando se obtén unha lectura estable nun punto, aínda poden producirse flutuacións nalgúns medios de cultivo. Os fermentadores máis grandes tenden a exhibir maiores variacións espaciais nos niveis de OD, o que pode afectar significativamente o crecemento e a produtividade microbiana. A evidencia experimental demostrou que, aínda que o nivel medio de OD pode ser do 30 %, o rendemento da fermentación en condicións fluctuantes é notablemente menor que en condicións estables. Polo tanto, na ampliación de fermentadores, máis alá de consideracións de semellanza xeométrica e de potencia, minimizar as variacións espaciais de OD segue a ser un obxectivo clave da investigación.

Por que é esencial a monitorización do osíxeno disolto na fermentación biofarmacéutica?

1. Para manter o ambiente de crecemento óptimo para microorganismos ou células
A fermentación industrial implica normalmente microorganismos aeróbicos, como Escherichia coli e lévedos, ou células de mamíferos, como as células de ovario de hámster chinés (CHO). Estas células funcionan como "traballadoras" dentro do sistema de fermentación, requirindo osíxeno para a respiración e a actividade metabólica. O osíxeno serve como aceptor terminal de electróns na respiración aeróbica, o que permite a produción de enerxía en forma de ATP. Un subministro insuficiente de osíxeno pode levar á asfixia celular, á detención do crecemento ou mesmo á morte celular, o que en última instancia resulta nun fallo da fermentación. A monitorización dos niveis de dióxido de óxido garante que as concentracións de osíxeno se manteñan dentro do rango óptimo para un crecemento e viabilidade celular sostidos.

2. Para garantir unha síntese eficiente dos produtos obxectivo
O obxectivo da fermentación biofarmacéutica non é simplemente promover a proliferación celular, senón facilitar a síntese eficiente dos produtos diana desexados, como a insulina, os anticorpos monoclonais, as vacinas e os encimas. Estas vías biosintéticas adoitan requirir unha achega de enerxía substancial, derivada principalmente da respiración aeróbica. Ademais, moitos sistemas encimáticos implicados na síntese de produtos dependen directamente do osíxeno. A deficiencia de osíxeno pode interromper ou reducir a eficiencia destas vías.

Ademais, os niveis de DO actúan como un sinal regulador. Tanto as concentracións excesivamente altas como as baixas de DO poden:
- Alterar as vías metabólicas celulares, por exemplo, pasando da respiración aeróbica a unha fermentación anaeróbica menos eficiente.
- Desencadean respostas de estrés celular, o que leva á produción de subprodutos indesexables.
- Influír nos niveis de expresión de proteínas exóxenas.

Ao controlar con precisión os niveis de OD nas diferentes etapas da fermentación, é posible guiar o metabolismo celular cara á máxima síntese do produto obxectivo, conseguindo así unha fermentación de alta densidade e alto rendemento.

Introdución ao diagrama de fluxo de auga para produtos biofarmacéuticos

3. Para previr a deficiencia ou o exceso de osíxeno
A deficiencia de osíxeno (hipoxia) pode ter consecuencias graves:
- Cesan o crecemento celular e a síntese de produtos.
O metabolismo desprázase cara a vías anaeróbicas, o que provoca a acumulación de ácidos orgánicos como o ácido láctico e o ácido acético, que reducen o pH do medio de cultivo e poden envelenar as células.
A hipoxia prolongada pode causar danos irreversibles, sendo a recuperación incompleta mesmo despois de restablecer o subministro de osíxeno.

O exceso de osíxeno (sobresaturación) tamén supón riscos:
Pode inducir estrés oxidativo e a formación de especies reactivas de osíxeno (ROS), que danan as membranas celulares e as biomoléculas.
- O exceso de aireación e axitación aumenta o consumo de enerxía e os custos operativos, o que leva a un desperdicio innecesario de recursos.

4. Como parámetro crítico para a monitorización en tempo real e o control da retroalimentación

O OD é un parámetro en tempo real, continuo e completo que reflicte as condicións internas do sistema de fermentación. Os cambios nos niveis de OD poden indicar con sensibilidade varios estados fisiolóxicos e operativos:
- O crecemento rápido das células aumenta o consumo de osíxeno, o que provoca un descenso dos niveis de OD.
O esgotamento ou a inhibición do substrato ralentiza o metabolismo, o que reduce o consumo de osíxeno e provoca un aumento dos niveis de OD.
A contaminación por microorganismos estraños altera o patrón de consumo de osíxeno, o que leva a flutuacións anormais de OD e serve como un sinal de alerta temperá.
- Os avarías do equipo, como a falla do axitador, o bloqueo da tubaxe de ventilación ou a ensuciamento do filtro, tamén poden provocar un comportamento anormal do OD.

Ao integrar a monitorización de OD en tempo real nun sistema de control de retroalimentación automatizado, pódese conseguir unha regulación precisa dos niveis de OD mediante axustes dinámicos dos seguintes parámetros:
- Velocidade de axitación: Aumentar a velocidade mellora o contacto gas-líquido ao romper as burbullas, mellorando así a eficiencia da transferencia de osíxeno. Este é o método máis utilizado e eficaz.
- Taxa de aireación: Axuste do caudal ou da composición do gas de entrada (por exemplo, aumento da proporción de aire ou osíxeno puro).
- Presión do tanque: Aumentar a presión aumenta a presión parcial de osíxeno, o que mellora a solubilidade.
- Temperatura: Ao baixar a temperatura, aumenta a solubilidade do osíxeno no medio de cultivo.

Recomendacións de produtos de BOQU para a monitorización en liña da fermentación biolóxica: