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

घुलित ऑक्सीजन क्या है?

घुलित ऑक्सीजन (DO) आणविक ऑक्सीजन (O .) को संदर्भित करता है_₂) जो पानी में घुला होता है। यह पानी के अणुओं (H_₂O), क्योंकि यह जल में स्वतंत्र ऑक्सीजन अणुओं के रूप में मौजूद होता है, जो या तो वायुमंडल से उत्पन्न होता है या जलीय पौधों द्वारा प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से उत्पन्न होता 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।

घुली हुई ऑक्सीजन सूक्ष्मजीवों के चयापचय को बढ़ावा देने, कोशिकीय श्वसन, वृद्धि और उपापचयी उत्पादों के जैवसंश्लेषण को प्रभावित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। हालाँकि, घुली हुई ऑक्सीजन का उच्च स्तर हमेशा लाभदायक नहीं होता। अतिरिक्त ऑक्सीजन संचित उत्पादों के और अधिक चयापचय को बढ़ावा दे सकती है और संभावित रूप से विषाक्त प्रतिक्रियाओं का कारण बन सकती है। विभिन्न जीवाणु प्रजातियों में इष्टतम DO का स्तर अलग-अलग होता है। उदाहरण के लिए, पेनिसिलिन के जैवसंश्लेषण के दौरान, DO आमतौर पर लगभग 30% वायु संतृप्ति पर बना रहता है। यदि DO शून्य हो जाता है और पाँच मिनट तक उस स्तर पर बना रहता है, तो उत्पाद निर्माण में काफी बाधा आ सकती 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 माप सकते हैं, न कि घुली हुई ऑक्सीजन की पूर्ण सांद्रता। संवर्धन माध्यम के निर्जर्मीकरण के बाद, सेंसर रीडिंग के स्थिर होने तक वातन और विरलन किया जाता है, जिसके बाद मान 100% वायु संतृप्ति पर सेट हो जाता है। किण्वन प्रक्रिया के दौरान बाद के माप इसी संदर्भ पर आधारित होते हैं। मानक सेंसर का उपयोग करके निरपेक्ष डीओ मान निर्धारित नहीं किए जा सकते और इसके लिए पोलरोग्राफी जैसी अधिक उन्नत तकनीकों की आवश्यकता होती है। हालाँकि, किण्वन प्रक्रियाओं की निगरानी और नियंत्रण के लिए वायु संतृप्ति माप आमतौर पर पर्याप्त होते हैं।

एक किण्वक के भीतर, विभिन्न क्षेत्रों में DO का स्तर भिन्न हो सकता है। एक बिंदु पर स्थिर रीडिंग प्राप्त होने पर भी, कुछ संवर्धन माध्यमों में उतार-चढ़ाव हो सकते हैं। बड़े किण्वकों में DO के स्तर में अधिक स्थानिक भिन्नताएँ देखने को मिलती हैं, जो सूक्ष्मजीवों की वृद्धि और उत्पादकता को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकती हैं। प्रायोगिक साक्ष्यों से पता चला है कि, हालाँकि औसत DO स्तर 30% हो सकता है, लेकिन परिवर्तनशील परिस्थितियों में किण्वन प्रदर्शन स्थिर परिस्थितियों की तुलना में काफ़ी कम होता है। इसलिए, किण्वकों के विस्तार में—ज्यामितीय और शक्ति समानता के विचारों से परे—स्थानिक DO भिन्नताओं को न्यूनतम करना एक प्रमुख शोध उद्देश्य बना हुआ है।

बायोफार्मास्युटिकल 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 एस्चेरिचिया कोलाई और यीस्ट जैसे वायवीय सूक्ष्मजीव, या चीनी हैम्स्टर ओवरी (CHO) जैसी स्तनधारी कोशिकाएँ शामिल होती हैं। ये कोशिकाएँ किण्वन प्रणाली में "कार्यकर्ता" के रूप में कार्य करती हैं, जिन्हें श्वसन और उपापचयी क्रिया के लिए ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है। वायवीय श्वसन में ऑक्सीजन अंतिम इलेक्ट्रॉन ग्राही के रूप में कार्य करती है, जिससे ATP के रूप में ऊर्जा का उत्पादन संभव होता है। अपर्याप्त ऑक्सीजन आपूर्ति से कोशिकाओं में घुटन, वृद्धि रुकना, या यहाँ तक कि कोशिका मृत्यु भी हो सकती है, जिसके परिणामस्वरूप अंततः किण्वन विफल हो जाता है। DO स्तरों की निगरानी यह सुनिश्चित करती है कि निरंतर कोशिका वृद्धि और व्यवहार्यता के लिए ऑक्सीजन सांद्रता इष्टतम सीमा के भीतर बनी रहे।

2. लक्षित उत्पादों का कुशल संश्लेषण सुनिश्चित करना
बायोफार्मास्युटिकल किण्वन का उद्देश्य केवल कोशिका प्रसार को बढ़ावा देना ही नहीं है, बल्कि इंसुलिन, मोनोक्लोनल एंटीबॉडी, टीके और एंजाइम जैसे वांछित लक्षित उत्पादों के कुशल संश्लेषण को सुगम बनाना भी है। इन जैवसंश्लेषण मार्गों में अक्सर पर्याप्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जो मुख्यतः 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 मार्गों की दक्षता को बाधित या कम कर सकती है।

इसके अलावा, DO का स्तर एक नियामक संकेत के रूप में कार्य करता है। DO की अत्यधिक उच्च और निम्न सांद्रता, दोनों ही:
- कोशिकीय चयापचय पथों में परिवर्तन, उदाहरण के लिए, वायवीय श्वसन से कम कुशल अवायवीय किण्वन में स्थानांतरण।
- कोशिकीय तनाव प्रतिक्रियाओं को ट्रिगर करना, जिससे अवांछनीय उप-उत्पादों का उत्पादन होता है।
- बहिर्जात प्रोटीन के अभिव्यक्ति स्तर को प्रभावित करना।

किण्वन के विभिन्न चरणों में डी.ओ. 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 किण्वन प्राप्त होता है।

जैव औषधियों के लिए जल प्रवाह चार्ट का परिचय

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 बंद हो जाता है।
- चयापचय अवायवीय पथों की ओर स्थानांतरित हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप लैक्टिक एसिड और एसिटिक एसिड जैसे कार्बनिक अम्लों का संचय होता है, जो संवर्धन माध्यम के पीएच को कम कर देते हैं और कोशिकाओं को विषाक्त कर सकते हैं।
- लम्बे समय तक हाइपोक्सिया से अपरिवर्तनीय क्षति हो सकती है, तथा ऑक्सीजन की आपूर्ति बहाल होने के बाद भी रिकवरी अधूरी रह जाती है।

अतिरिक्त ऑक्सीजन (अतिसंतृप्ति) से भी खतरा उत्पन्न होता 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 वातन और हलचल से ऊर्जा की खपत और परिचालन लागत बढ़ जाती है, जिससे अनावश्यक संसाधन बर्बाद होते हैं।

4. वास्तविक समय निगरानी और फीडबैक 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 के स्तर में परिवर्तन विभिन्न शारीरिक और परिचालन स्थितियों का संवेदनशील रूप से संकेत दे सकते हैं:
- तीव्र कोशिका वृद्धि से ऑक्सीजन की खपत बढ़ जाती है, जिससे DO का स्तर कम हो जाता है।
- सब्सट्रेट की कमी या अवरोध से चयापचय धीमा हो जाता है, ऑक्सीजन की खपत कम हो जाती है और डीओ का स्तर बढ़ जाता है।
- विदेशी सूक्ष्मजीवों द्वारा संदूषण ऑक्सीजन उपभोग 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 की खराबी, जैसे कि स्टिरर की विफलता, वेंटिलेशन पाइप का अवरुद्ध होना, या फिल्टर का गंदा होना, भी असामान्य डीओ व्यवहार का कारण बन सकता है।

वास्तविक समय डीओ निगरानी को एक स्वचालित फीडबैक नियंत्रण प्रणाली में एकीकृत करके, निम्नलिखित मापदंडों के गतिशील समायोजन के माध्यम से डीओ स्तरों का सटीक विनियमन प्राप्त किया जा सकता है:
- गति बढ़ाने से बुलबुले टूटकर गैस-द्रव संपर्क बेहतर होता है, जिससे ऑक्सीजन स्थानांतरण दक्षता में सुधार होता है। यह सबसे आम और प्रभावी तरीका है।
- वातन दर: इनलेट गैस की प्रवाह दर या संरचना को समायोजित करना (जैसे, हवा या शुद्ध ऑक्सीजन का अनुपात बढ़ाना)।
- टैंक दबाव: दबाव बढ़ाने से ऑक्सीजन का आंशिक दबाव बढ़ जाता है, जिससे घुलनशीलता बढ़ जाती है।
- तापमान: तापमान कम करने से संवर्धन माध्यम में ऑक्सीजन की घुलनशीलता बढ़ जाती है।

जैविक किण्वन की ऑनलाइन निगरानी के लिए BOQU की उत्पाद अनुशंसाएँ: