समाचार - जैव औषधीय किण्वन प्रक्रिया में घुलित ऑक्सीजन के स्तर की निगरानी

घुलित ऑक्सीजन क्या है?

घुलित ऑक्सीजन (DO) से तात्पर्य आणविक ऑक्सीजन (O₂) से है।_₂) जो पानी में घुल जाता है। यह पानी के अणुओं में मौजूद ऑक्सीजन परमाणुओं (H) से भिन्न होता है।_₂जलीय वायु (DO), पानी में मौजूद ऑक्सीजन अणुओं (जैसे कि वायुमंडल से प्राप्त ऑक्सीजन) की मात्रा है, जो या तो वायुमंडल से आती है या जलीय पौधों द्वारा प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से उत्पन्न होती है। DO की सांद्रता तापमान, लवणता, जल प्रवाह और जैविक गतिविधियों सहित विभिन्न कारकों से प्रभावित होती है। इस प्रकार, यह जलीय वातावरण के स्वास्थ्य और प्रदूषण की स्थिति का आकलन करने के लिए एक महत्वपूर्ण संकेतक के रूप में कार्य करता है।

घुलित ऑक्सीजन सूक्ष्मजीवों के चयापचय को बढ़ावा देने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है, जो कोशिकीय श्वसन, वृद्धि और चयापचय उत्पादों के जैवसंश्लेषण को प्रभावित करती है। हालांकि, घुलित ऑक्सीजन का उच्च स्तर हमेशा लाभकारी नहीं होता। अतिरिक्त ऑक्सीजन संचित उत्पादों के आगे के चयापचय को बढ़ावा दे सकती है और संभावित रूप से विषाक्त प्रतिक्रियाओं का कारण बन सकती है। इष्टतम घुलित ऑक्सीजन स्तर विभिन्न जीवाणु प्रजातियों में भिन्न-भिन्न होते हैं। उदाहरण के लिए, पेनिसिलिन के जैवसंश्लेषण के दौरान, घुलित ऑक्सीजन का स्तर आमतौर पर लगभग 30% वायु संतृप्ति पर बनाए रखा जाता है। यदि घुलित ऑक्सीजन का स्तर शून्य हो जाता है और पांच मिनट तक उसी स्तर पर बना रहता है, तो उत्पाद निर्माण काफी हद तक बाधित हो सकता है। यदि यह स्थिति 20 मिनट तक बनी रहती है, तो अपरिवर्तनीय क्षति हो सकती है।

वर्तमान में, सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले डीओ सेंसर केवल सापेक्ष वायु संतृप्ति को माप सकते हैं, न कि घुलित ऑक्सीजन की पूर्ण सांद्रता को। संवर्धन माध्यम के कीटाणुशोधन के बाद, सेंसर रीडिंग स्थिर होने तक वातन और हिलाने की प्रक्रिया की जाती है, जिस बिंदु पर मान को 100% वायु संतृप्ति पर सेट किया जाता है। किण्वन प्रक्रिया के दौरान बाद के माप इसी संदर्भ पर आधारित होते हैं। मानक सेंसरों का उपयोग करके पूर्ण डीओ मान निर्धारित नहीं किए जा सकते हैं और इसके लिए पोलारोग्राफी जैसी अधिक उन्नत तकनीकों की आवश्यकता होती है। हालांकि, किण्वन प्रक्रियाओं की निगरानी और नियंत्रण के लिए वायु संतृप्ति माप आमतौर पर पर्याप्त होते हैं।

किण्वन पात्र के भीतर, विभिन्न क्षेत्रों में DO स्तर भिन्न-भिन्न हो सकते हैं। यहां तक कि जब एक बिंदु पर स्थिर माप प्राप्त हो जाता है, तब भी कुछ संवर्धन माध्यमों में उतार-चढ़ाव हो सकते हैं। बड़े किण्वन पात्रों में DO स्तरों में स्थानिक भिन्नता अधिक होती है, जो सूक्ष्मजीवों की वृद्धि और उत्पादकता को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकती है। प्रायोगिक प्रमाणों से पता चला है कि, यद्यपि औसत DO स्तर 30% हो सकता है, फिर भी उतार-चढ़ाव वाली परिस्थितियों में किण्वन प्रदर्शन स्थिर परिस्थितियों की तुलना में उल्लेखनीय रूप से कम होता है। इसलिए, किण्वन पात्रों के आकार में वृद्धि करते समय—ज्यामितीय और शक्ति समानता के विचारों से परे—स्थानिक DO भिन्नताओं को कम करना एक प्रमुख अनुसंधान उद्देश्य बना हुआ है।

जैवऔषधीय किण्वन में घुलित ऑक्सीजन की निगरानी क्यों आवश्यक है?

1. सूक्ष्मजीवों या कोशिकाओं के लिए इष्टतम विकास वातावरण बनाए रखना
औद्योगिक किण्वन में आमतौर पर एरोबिक सूक्ष्मजीव, जैसे एस्चेरिचिया कोलाई और यीस्ट, या स्तनधारी कोशिकाएं, जैसे चाइनीज हैम्स्टर ओवरी (सीएचओ) कोशिकाएं शामिल होती हैं। ये कोशिकाएं किण्वन प्रणाली में "श्रमिकों" के रूप में कार्य करती हैं, जिन्हें श्वसन और चयापचय गतिविधियों के लिए ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है। एरोबिक श्वसन में ऑक्सीजन अंतिम इलेक्ट्रॉन ग्राही के रूप में कार्य करता है, जिससे एटीपी के रूप में ऊर्जा का उत्पादन संभव होता है। ऑक्सीजन की अपर्याप्त आपूर्ति से कोशिकाओं का दम घुटना, वृद्धि रुकना या यहां तक कि कोशिका मृत्यु भी हो सकती है, जिसके परिणामस्वरूप अंततः किण्वन विफल हो जाता है। ऑक्सीजन की मात्रा (डीओ) के स्तर की निगरानी यह सुनिश्चित करती है कि ऑक्सीजन की सांद्रता कोशिकाओं की निरंतर वृद्धि और जीवन क्षमता के लिए इष्टतम सीमा के भीतर बनी रहे।

2. लक्षित उत्पादों के कुशल संश्लेषण को सुनिश्चित करना
जैवऔषधीय किण्वन का उद्देश्य केवल कोशिका वृद्धि को बढ़ावा देना ही नहीं है, बल्कि इंसुलिन, मोनोक्लोनल एंटीबॉडी, टीके और एंजाइम जैसे वांछित उत्पादों के कुशल संश्लेषण को सुगम बनाना भी है। इन जैवसंश्लेषण प्रक्रियाओं में अक्सर पर्याप्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जो मुख्य रूप से वायवीय श्वसन से प्राप्त होती है। इसके अतिरिक्त, उत्पाद संश्लेषण में शामिल कई एंजाइमी प्रणालियाँ सीधे ऑक्सीजन पर निर्भर करती हैं। ऑक्सीजन की कमी इन प्रक्रियाओं की दक्षता को बाधित या कम कर सकती है।

इसके अलावा, डीओ स्तर एक नियामक संकेत के रूप में कार्य करता है। डीओ की अत्यधिक उच्च और निम्न दोनों सांद्रताएँ निम्न परिणाम उत्पन्न कर सकती हैं:
- कोशिकीय चयापचय मार्गों को बदलना, उदाहरण के लिए, वायवीय श्वसन से कम कुशल अवायवीय किण्वन की ओर बढ़ना।
- इससे कोशिकीय तनाव प्रतिक्रियाएं शुरू हो जाती हैं, जिससे अवांछित उप-उत्पादों का उत्पादन होता है।
- बाह्य प्रोटीनों के अभिव्यक्ति स्तरों को प्रभावित करना।

किण्वन के विभिन्न चरणों में डीओ स्तरों को सटीक रूप से नियंत्रित करके, कोशिकीय चयापचय को अधिकतम लक्ष्य उत्पाद संश्लेषण की ओर निर्देशित करना संभव है, जिससे उच्च घनत्व और उच्च उपज वाला किण्वन प्राप्त किया जा सकता है।

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3. ऑक्सीजन की कमी या अधिकता को रोकने के लिए
ऑक्सीजन की कमी (हाइपोक्सिया) के गंभीर परिणाम हो सकते हैं:
- कोशिका वृद्धि और उत्पाद संश्लेषण रुक जाता है।
- चयापचय अवायवीय मार्गों की ओर स्थानांतरित हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप लैक्टिक एसिड और एसिटिक एसिड जैसे कार्बनिक अम्लों का संचय होता है, जो कल्चर माध्यम के पीएच को कम करते हैं और कोशिकाओं को विषाक्त कर सकते हैं।
लंबे समय तक ऑक्सीजन की कमी से अपरिवर्तनीय क्षति हो सकती है, और ऑक्सीजन की आपूर्ति बहाल होने के बाद भी रिकवरी अपूर्ण हो सकती है।

ऑक्सीजन की अधिकता (अतिसंतृप्ति) भी जोखिम पैदा करती है:
- यह ऑक्सीडेटिव तनाव और प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (आरओएस) के निर्माण को प्रेरित कर सकता है, जो कोशिका झिल्ली और जैव अणुओं को नुकसान पहुंचाते हैं।
अत्यधिक वायु संचार और हलचल से ऊर्जा की खपत और परिचालन लागत बढ़ जाती है, जिससे संसाधनों की अनावश्यक बर्बादी होती है।

4. वास्तविक समय की निगरानी और प्रतिक्रिया नियंत्रण के लिए एक महत्वपूर्ण पैरामीटर के रूप में

डीओ एक वास्तविक समय, निरंतर और व्यापक पैरामीटर है जो किण्वन प्रणाली की आंतरिक स्थितियों को दर्शाता है। डीओ स्तरों में परिवर्तन विभिन्न शारीरिक और परिचालन स्थितियों को संवेदनशील रूप से इंगित कर सकते हैं:
- कोशिकाओं की तीव्र वृद्धि से ऑक्सीजन की खपत बढ़ जाती है, जिससे ऑक्सीजन का स्तर कम हो जाता है।
- सबस्ट्रेट की कमी या अवरोध चयापचय को धीमा कर देता है, जिससे ऑक्सीजन की खपत कम हो जाती है और DO का स्तर बढ़ जाता है।
विदेशी सूक्ष्मजीवों द्वारा संदूषण ऑक्सीजन की खपत के पैटर्न को बदल देता है, जिससे असामान्य DO उतार-चढ़ाव होता है और यह एक प्रारंभिक चेतावनी संकेत के रूप में कार्य करता है।
- उपकरण में खराबी, जैसे कि स्टरर की विफलता, वेंटिलेशन पाइप में रुकावट, या फिल्टर में गंदगी जमना, भी असामान्य डीओ व्यवहार का कारण बन सकती है।

स्वचालित फीडबैक नियंत्रण प्रणाली में वास्तविक समय में डीओ की निगरानी को एकीकृत करके, निम्नलिखित मापदंडों के गतिशील समायोजन के माध्यम से डीओ स्तरों का सटीक विनियमन प्राप्त किया जा सकता है:
- हिलाने की गति: गति बढ़ाने से बुलबुले टूटते हैं और गैस-तरल संपर्क बेहतर होता है, जिससे ऑक्सीजन स्थानांतरण दक्षता में सुधार होता है। यह सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली और प्रभावी विधि है।
- वायु संचार दर: प्रवेश गैस की प्रवाह दर या संरचना को समायोजित करना (उदाहरण के लिए, हवा या शुद्ध ऑक्सीजन का अनुपात बढ़ाना)।
- टैंक का दबाव: दबाव बढ़ाने से ऑक्सीजन का आंशिक दबाव बढ़ता है, जिससे घुलनशीलता बढ़ जाती है।
- तापमान: तापमान कम करने से कल्चर मीडियम में ऑक्सीजन की घुलनशीलता बढ़ जाती है।

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