Habari - Ufuatiliaji wa Viwango vya Oksijeni Vilivyoyeyushwa katika Mchakato wa Uchachushaji wa Dawa za Bio

Oksijeni Iliyoyeyuka ni Nini?

Oksijeni Iliyoyeyushwa (DO) inarejelea oksijeni ya molekuli (O2)_₂) ambayo huyeyuka katika maji. Inatofautiana na atomi za oksijeni zilizopo katika molekuli za maji (H_₂O), kwani ipo katika maji katika mfumo wa molekuli za oksijeni huru, zinazotoka angahewa au zinazozalishwa kupitia usanisinuru na mimea ya majini. Mkusanyiko wa DO huathiriwa na mambo mbalimbali, ikiwa ni pamoja na halijoto, chumvi, mtiririko wa maji, na shughuli za kibiolojia. Kwa hivyo, hutumika kama kiashiria muhimu cha kutathmini hali ya afya na uchafuzi wa mazingira ya majini.

Oksijeni iliyoyeyushwa ina jukumu muhimu katika kukuza kimetaboliki ya vijidudu, kushawishi upumuaji wa seli, ukuaji, na usanisinuru wa bidhaa za kimetaboliki. Hata hivyo, viwango vya juu vya oksijeni iliyoyeyushwa si vyema kila wakati. Oksijeni ya ziada inaweza kusababisha kimetaboliki zaidi ya bidhaa zilizokusanywa na kusababisha athari za sumu. Viwango bora vya DO hutofautiana kati ya spishi tofauti za bakteria. Kwa mfano, wakati wa usanisinuru wa penicillin, DO kwa kawaida huhifadhiwa kwa takriban 30% ya hewa iliyojaa. Ikiwa DO inashuka hadi sifuri na kubaki katika kiwango hicho kwa dakika tano, uundaji wa bidhaa unaweza kuharibika sana. Ikiwa hali hii itaendelea kwa dakika 20, uharibifu usioweza kurekebishwa unaweza kutokea.

Hivi sasa, vitambuzi vya DO vinavyotumika sana vinaweza kupima tu uenezaji wa hewa, badala ya mkusanyiko kamili wa oksijeni iliyoyeyushwa. Baada ya kuua vijidudu kwenye chombo cha kukuzia, uingizaji hewa na kukoroga hufanywa hadi usomaji wa kitambuzi utakapotulia, ambapo thamani huwekwa kuwa uenezaji wa hewa 100%. Vipimo vinavyofuata wakati wa mchakato wa uchachushaji vinategemea marejeleo haya. Thamani kamili za DO haziwezi kuamuliwa kwa kutumia vitambuzi vya kawaida na zinahitaji mbinu za hali ya juu zaidi, kama vile polarografia. Hata hivyo, vipimo vya uenezaji wa hewa kwa ujumla vinatosha kwa ajili ya ufuatiliaji na kudhibiti michakato ya uchachushaji.

Ndani ya kichomeo, viwango vya DO vinaweza kutofautiana katika maeneo tofauti. Hata wakati usomaji thabiti unapopatikana wakati fulani, mabadiliko yanaweza kutokea katika vyombo fulani vya utamaduni. Vichomeo vikubwa huwa na tabia ya kuonyesha tofauti kubwa za anga katika viwango vya DO, ambavyo vinaweza kuathiri kwa kiasi kikubwa ukuaji na tija ya vijidudu. Ushahidi wa majaribio umeonyesha kuwa, ingawa wastani wa kiwango cha DO unaweza kuwa 30%, utendaji wa uchachushaji chini ya hali zinazobadilika ni mdogo sana kuliko chini ya hali thabiti. Kwa hivyo, katika upanuzi wa vichomeo—zaidi ya kuzingatia kufanana kwa kijiometri na nguvu—kupunguza tofauti za DO za anga bado ni lengo muhimu la utafiti.

Kwa Nini Ufuatiliaji wa Oksijeni Iliyoyeyuka Ni Muhimu katika Uchachushaji wa Biofarmasi?

1. Kudumisha Mazingira Bora ya Ukuaji kwa Vijidudu au Seli
Uchachushaji wa viwandani kwa kawaida huhusisha vijidudu vya aerobic, kama vile Escherichia coli na chachu, au seli za mamalia, kama vile seli za Ovary za Hamster za Kichina (CHO). Seli hizi hufanya kazi kama "wafanyakazi" ndani ya mfumo wa uchachushaji, zikihitaji oksijeni kwa ajili ya kupumua na shughuli za kimetaboliki. Oksijeni hutumika kama kipokezi cha mwisho cha elektroni katika upumuaji wa aerobic, na kuwezesha uzalishaji wa nishati katika mfumo wa ATP. Ugavi wa oksijeni usiotosha unaweza kusababisha kukosa hewa kwa seli, kusimama kwa ukuaji, au hata kifo cha seli, na hatimaye kusababisha kushindwa kuchachusha. Kufuatilia viwango vya DO huhakikisha kwamba viwango vya oksijeni vinabaki ndani ya kiwango bora kwa ukuaji endelevu wa seli na uhai.

2. Kuhakikisha Usanisi Ufanisi wa Bidhaa Lengwa
Lengo la uchachushaji wa biofarmaceutical si tu kukuza ukuaji wa seli bali pia kuwezesha usanisi mzuri wa bidhaa lengwa zinazohitajika, kama vile insulini, kingamwili za monokloni, chanjo, na vimeng'enya. Njia hizi za usanisi wa kibiolojia mara nyingi huhitaji nishati nyingi, hasa inayotokana na kupumua kwa aerobic. Zaidi ya hayo, mifumo mingi ya kimeng'enya inayohusika katika usanisi wa bidhaa hutegemea moja kwa moja oksijeni. Upungufu wa oksijeni unaweza kuvuruga au kupunguza ufanisi wa njia hizi.

Zaidi ya hayo, viwango vya DO hufanya kazi kama ishara ya udhibiti. Viwango vya DO vya juu sana na vya chini vinaweza:
- Badilisha njia za kimetaboliki za seli, kwa mfano, kuhama kutoka kwa kupumua kwa aerobic hadi uchachushaji usio na ufanisi wa anaerobic.
- Husababisha majibu ya msongo wa mawazo kwenye seli, na kusababisha uzalishaji wa bidhaa zisizohitajika.
- Huathiri viwango vya usemi wa protini za nje.

Kwa kudhibiti kwa usahihi viwango vya DO katika hatua tofauti za uchachushaji, inawezekana kuongoza umetaboli wa seli kuelekea usanisi wa bidhaa lengwa wa kiwango cha juu zaidi, na hivyo kufikia uchachushaji wa msongamano mkubwa na mavuno mengi.

Utangulizi wa Chati ya Mtiririko wa Maji kwa Dawa za Bio

3. Kuzuia Upungufu wa Oksijeni au Ziada
Upungufu wa oksijeni (hypoxia) unaweza kusababisha madhara makubwa:
- Ukuaji wa seli na usanisi wa bidhaa huacha.
- Kimetaboliki hubadilika na kuwa njia zisizo na hewa, na kusababisha mkusanyiko wa asidi kikaboni kama vile asidi lactic na asidi asetiki, ambazo hupunguza pH ya njia ya tamaduni na zinaweza kudhuru seli.
- Hypoxia ya muda mrefu inaweza kusababisha uharibifu usioweza kurekebishwa, huku kupona kukiwa kumekamilika hata baada ya usambazaji wa oksijeni kurejeshwa.

Oksijeni nyingi (superloturation) pia husababisha hatari:
- Inaweza kusababisha msongo wa oksidi na uundaji wa spishi tendaji za oksijeni (ROS), ambazo huharibu utando wa seli na biomolekuli.
- Uingizaji hewa mwingi na msisimko huongeza matumizi ya nishati na gharama za uendeshaji, na kusababisha upotevu wa rasilimali usio wa lazima.

4. Kama Kigezo Muhimu cha Ufuatiliaji wa Wakati Halisi na Udhibiti wa Maoni

DO ni kigezo cha wakati halisi, kinachoendelea, na cha kina kinachoakisi hali za ndani za mfumo wa uchachushaji. Mabadiliko katika viwango vya DO yanaweza kuonyesha kwa unyeti hali mbalimbali za kisaikolojia na utendaji kazi:
- Ukuaji wa haraka wa seli huongeza matumizi ya oksijeni, na kusababisha viwango vya DO kupungua.
- Kupungua au kuzuiwa kwa substrate hupunguza kasi ya kimetaboliki, kupunguza matumizi ya oksijeni na kusababisha viwango vya DO kuongezeka.
- Uchafuzi unaosababishwa na vijidudu vya kigeni hubadilisha muundo wa matumizi ya oksijeni, na kusababisha mabadiliko yasiyo ya kawaida ya DO na kutumika kama ishara ya onyo la mapema.
- Makosa ya vifaa, kama vile hitilafu ya kichocheo, kuziba kwa bomba la uingizaji hewa, au uchafuzi wa kichujio, pia yanaweza kusababisha tabia isiyo ya kawaida ya DO.

Kwa kuunganisha ufuatiliaji wa DO wa wakati halisi katika mfumo wa udhibiti wa maoni otomatiki, udhibiti sahihi wa viwango vya DO unaweza kupatikana kupitia marekebisho yanayobadilika ya vigezo vifuatavyo:
- Kasi ya kukoroga: Kuongeza kasi huongeza mgusano wa gesi-kioevu kwa kuvunja viputo, na hivyo kuboresha ufanisi wa uhamishaji wa oksijeni. Hii ndiyo njia inayotumika sana na yenye ufanisi.
- Kiwango cha upenyezaji hewa: Kurekebisha kiwango cha mtiririko au muundo wa gesi inayoingia (km, kuongeza uwiano wa hewa au oksijeni safi).
- Shinikizo la tanki: Kuongeza shinikizo huongeza shinikizo la sehemu ya oksijeni, na hivyo kuongeza umumunyifu.
- Halijoto: Kupunguza halijoto huongeza umumunyifu wa oksijeni katika mazingira ya kilimo.

Mapendekezo ya bidhaa za BOQU kwa ajili ya ufuatiliaji mtandaoni wa uchachushaji wa kibiolojia: