الأخبار - مراقبة مستويات الأكسجين المذاب في عملية التخمير الصيدلاني الحيوي

ما هو الأكسجين المذاب؟

يشير الأكسجين المذاب (DO) إلى الأكسجين الجزيئي (O_₂) الذي يذوب في الماء. وهو يختلف عن ذرات الأكسجين الموجودة في جزيئات الماء (H_₂الأكسجين (O)، كما هو موجود في الماء على شكل جزيئات أكسجين مستقلة، إما مصدرها الغلاف الجوي أو ناتجة عن عملية التمثيل الضوئي للنباتات المائية. يتأثر تركيز الأكسجين المذاب بعوامل مختلفة، منها درجة الحرارة، والملوحة، وتدفق المياه، والأنشطة البيولوجية. وبالتالي، يُعد مؤشرًا بالغ الأهمية لتقييم حالة البيئة المائية من حيث الصحة والتلوث.

يلعب الأكسجين المذاب دورًا حيويًا في تعزيز عملية التمثيل الغذائي للميكروبات، حيث يؤثر على تنفس الخلايا ونموها وتخليق نواتجها الحيوية. ومع ذلك، فإن ارتفاع مستويات الأكسجين المذاب لا يكون مفيدًا دائمًا. فقد يؤدي الأكسجين الزائد إلى زيادة استقلاب النواتج المتراكمة، وقد يُسبب تفاعلات سامة. تختلف مستويات الأكسجين المذاب المثلى باختلاف أنواع البكتيريا. على سبيل المثال، أثناء التخليق الحيوي للبنسلين، عادةً ما يُحافظ على تشبع الأكسجين المذاب عند نسبة 30% تقريبًا من الهواء. إذا انخفض الأكسجين المذاب إلى الصفر وظل عند هذا المستوى لمدة خمس دقائق، فقد يتأثر تكوين النواتج بشكل كبير. إذا استمرت هذه الحالة لمدة 20 دقيقة، فقد يحدث ضرر لا رجعة فيه.

حاليًا، لا تستطيع مستشعرات الأكسجين المذاب الأكثر شيوعًا سوى قياس تشبع الهواء النسبي، وليس التركيز المطلق للأكسجين المذاب. بعد تعقيم وسط الزراعة، تُجرى التهوية والتحريك حتى تستقر قراءة المستشعر، وعندها تُضبط القيمة على تشبع هواء بنسبة 100%. وتعتمد القياسات اللاحقة أثناء عملية التخمير على هذا المرجع. لا يمكن تحديد قيم الأكسجين المذاب المطلقة باستخدام المستشعرات القياسية، وتتطلب تقنيات أكثر تطورًا، مثل الاستقطاب. ومع ذلك، عادةً ما تكفي قياسات تشبع الهواء لمراقبة عمليات التخمير والتحكم فيها.

داخل جهاز التخمير، قد تختلف مستويات الأكسجين المذاب (DO) باختلاف المناطق. حتى عند الحصول على قراءة مستقرة عند نقطة معينة، قد تحدث تقلبات في بعض أوساط الزراعة. تميل أجهزة التخمير الأكبر حجمًا إلى إظهار تباينات مكانية أكبر في مستويات الأكسجين المذاب، مما قد يؤثر بشكل كبير على نمو الميكروبات وإنتاجيتها. أظهرت الأدلة التجريبية أنه على الرغم من أن متوسط مستوى الأكسجين المذاب قد يصل إلى 30%، إلا أن أداء التخمير في ظل ظروف متقلبة يكون أقل بشكل ملحوظ منه في ظل ظروف مستقرة. لذلك، عند توسيع نطاق أجهزة التخمير - بغض النظر عن اعتبارات التشابه الهندسي وتشابه القدرة - يظل تقليل التباينات المكانية في الأكسجين المذاب هدفًا بحثيًا رئيسيًا.

لماذا يعد مراقبة الأكسجين المذاب أمرًا ضروريًا في التخمير الصيدلاني الحيوي؟

1. للحفاظ على بيئة النمو المثالية للكائنات الحية الدقيقة أو الخلايا
يتضمن التخمير الصناعي عادةً كائنات دقيقة هوائية، مثل الإشريكية القولونية والخميرة، أو خلايا ثديية، مثل خلايا مبيض الهامستر الصيني (CHO). تعمل هذه الخلايا كعاملات في نظام التخمير، حيث تحتاج إلى الأكسجين للتنفس والنشاط الأيضي. يعمل الأكسجين كمستقبل نهائي للإلكترونات في التنفس الهوائي، مما يُمكّن من إنتاج الطاقة على شكل ATP. قد يؤدي نقص الأكسجين إلى اختناق الخلايا، أو توقف النمو، أو حتى موتها، مما يؤدي في النهاية إلى فشل التخمير. تضمن مراقبة مستويات الأكسجين المذاب بقاء تركيزات الأكسجين ضمن النطاق الأمثل لنمو الخلايا المستدام وحيويتها.

2. لضمان التركيب الفعال للمنتجات المستهدفة
لا يقتصر هدف التخمير الحيوي الدوائي على تعزيز تكاثر الخلايا فحسب، بل تسهيل عملية التخليق الفعال للمنتجات المستهدفة المرغوبة، مثل الأنسولين والأجسام المضادة وحيدة النسيلة واللقاحات والإنزيمات. غالبًا ما تتطلب مسارات التخليق الحيوي هذه استهلاكًا كبيرًا من الطاقة، يُستمد أساسًا من التنفس الهوائي. إضافةً إلى ذلك، تعتمد العديد من الأنظمة الإنزيمية المشاركة في تخليق المنتج بشكل مباشر على الأكسجين. قد يُؤدي نقص الأكسجين إلى تعطل أو تقليل كفاءة هذه المسارات.

علاوة على ذلك، تعمل مستويات الأكسجين المذاب كإشارة تنظيمية. يمكن لتركيزات الأكسجين المذاب المرتفعة والمنخفضة بشكل مفرط أن:
- تغيير المسارات الأيضية الخلوية، على سبيل المثال، التحول من التنفس الهوائي إلى التخمير اللاهوائي الأقل كفاءة.
- إثارة استجابات الإجهاد الخلوية، مما يؤدي إلى إنتاج منتجات ثانوية غير مرغوب فيها.
- التأثير على مستويات التعبير عن البروتينات الخارجية.

من خلال التحكم الدقيق في مستويات الأكسجين المذاب في مراحل مختلفة من التخمير، من الممكن توجيه عملية التمثيل الغذائي الخلوي نحو أقصى قدر من تخليق المنتج المستهدف، وبالتالي تحقيق التخمير عالي الكثافة وعالي الغلة.

مقدمة إلى مخطط تدفق المياه للمستحضرات الصيدلانية الحيوية

3. لمنع نقص الأكسجين أو زيادته
يمكن أن يؤدي نقص الأكسجين (نقص الأكسجين) إلى عواقب وخيمة:
- يتوقف نمو الخلايا وتخليق المنتجات.
- يتحول التمثيل الغذائي إلى مسارات لاهوائية، مما يؤدي إلى تراكم الأحماض العضوية مثل حمض اللاكتيك وحمض الخليك، والتي تخفض درجة الحموضة في وسط الثقافة وقد تسمم الخلايا.
- يمكن أن يؤدي نقص الأكسجين لفترات طويلة إلى حدوث أضرار لا يمكن إصلاحها، مع عدم اكتمال التعافي حتى بعد استعادة إمدادات الأكسجين.

يشكل الأكسجين الزائد (التشبع الزائد) أيضًا مخاطر:
- يمكن أن يسبب الإجهاد التأكسدي وتكوين أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، والتي تضر الأغشية الخلوية والجزيئات الحيوية.
- تؤدي التهوية والتحريك المفرطين إلى زيادة استهلاك الطاقة وتكاليف التشغيل، مما يؤدي إلى هدر الموارد غير الضرورية.

4. كمعلمة أساسية للمراقبة في الوقت الفعلي والتحكم في التغذية الراجعة

الأكسجين المذاب (DO) هو مُعامل آني، مُستمر، وشامل، يعكس الظروف الداخلية لنظام التخمير. يُمكن للتغيرات في مستويات الأكسجين المذاب (DO) أن تُشير بدقة إلى حالات فسيولوجية وتشغيلية مُختلفة:
- يؤدي النمو السريع للخلايا إلى زيادة استهلاك الأكسجين، مما يؤدي إلى انخفاض مستويات الأكسجين.
- يؤدي استنزاف الركيزة أو تثبيطها إلى إبطاء عملية التمثيل الغذائي، مما يقلل من استهلاك الأكسجين ويسبب ارتفاع مستويات الأكسجين.
- يؤدي التلوث بالكائنات الحية الدقيقة الأجنبية إلى تغيير نمط استهلاك الأكسجين، مما يؤدي إلى تقلبات غير طبيعية في الأكسجين المذاب ويعمل كإشارة تحذير مبكرة.
- يمكن أن تؤدي أعطال المعدات، مثل فشل المحرك، أو انسداد أنبوب التهوية، أو تلوث الفلتر، أيضًا إلى سلوك غير طبيعي لـ DO.

من خلال دمج مراقبة الأكسجين المذاب في الوقت الفعلي في نظام التحكم الآلي في التغذية الراجعة، يمكن تحقيق التنظيم الدقيق لمستويات الأكسجين المذاب من خلال التعديلات الديناميكية للمعلمات التالية:
سرعة التحريك: تُحسّن زيادة السرعة تلامس الغاز بالسائل عن طريق تفتيت الفقاعات، مما يُحسّن كفاءة نقل الأكسجين. تُعد هذه الطريقة الأكثر استخدامًا وفعالية.
- معدل التهوية: تعديل معدل تدفق أو تركيب الغاز الداخل (على سبيل المثال، زيادة نسبة الهواء أو الأكسجين النقي).
- ضغط الخزان: يؤدي رفع الضغط إلى زيادة الضغط الجزئي للأكسجين، وبالتالي تعزيز الذوبان.
- درجة الحرارة: يؤدي خفض درجة الحرارة إلى زيادة ذوبان الأكسجين في وسط الثقافة.

توصيات BOQU بشأن المنتجات لمراقبة التخمير البيولوجي عبر الإنترنت: