Neuigkeiten - Überwachung des gelösten Sauerstoffgehalts im biopharmazeutischen Fermentationsprozess

Was ist gelöster Sauerstoff?

Gelöster Sauerstoff (DO) bezieht sich auf molekularen Sauerstoff (O_₂), das in Wasser gelöst ist. Es unterscheidet sich von den in Wassermolekülen vorhandenen Sauerstoffatomen (H_₂O), da es im Wasser in Form unabhängiger Sauerstoffmoleküle vorkommt, die entweder aus der Atmosphäre stammen oder durch Photosynthese von Wasserpflanzen erzeugt werden. Die DO-Konzentration wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter Temperatur, Salzgehalt, Wasserströmung und biologische Aktivitäten. Daher dient sie als wichtiger Indikator für die Beurteilung des Gesundheits- und Verschmutzungszustands von Gewässern.

Gelöster Sauerstoff spielt eine entscheidende Rolle im mikrobiellen Stoffwechsel und beeinflusst die Zellatmung, das Wachstum und die Biosynthese von Stoffwechselprodukten. Höhere Konzentrationen von gelöstem Sauerstoff sind jedoch nicht immer vorteilhaft. Überschüssiger Sauerstoff kann den Stoffwechsel angesammelter Produkte anregen und möglicherweise toxische Reaktionen hervorrufen. Die optimalen Sauerstoffwerte variieren je nach Bakterienart. Beispielsweise wird bei der Biosynthese von Penicillin der Sauerstoffgehalt typischerweise bei etwa 30 % Luftsättigung gehalten. Sinkt der Sauerstoffgehalt auf Null und bleibt er fünf Minuten lang auf diesem Niveau, kann die Produktbildung erheblich beeinträchtigt werden. Hält dieser Zustand 20 Minuten lang an, können irreversible Schäden auftreten.

Die derzeit am häufigsten verwendeten Sauerstoffsensoren können nur die relative Luftsättigung messen, nicht jedoch die absolute Konzentration des gelösten Sauerstoffs. Nach der Sterilisation des Kulturmediums werden Belüftung und Rühren durchgeführt, bis sich der Sensorwert stabilisiert. Anschließend wird der Wert auf 100 % Luftsättigung eingestellt. Nachfolgende Messungen während des Fermentationsprozesses basieren auf diesem Referenzwert. Absolute Sauerstoffwerte können mit Standardsensoren nicht bestimmt werden und erfordern fortschrittlichere Techniken wie die Polarographie. Messungen der Luftsättigung sind jedoch im Allgemeinen ausreichend, um Fermentationsprozesse zu überwachen und zu steuern.

Innerhalb eines Fermenters können die Sauerstoffwerte in verschiedenen Bereichen variieren. Selbst wenn an einem Punkt ein stabiler Messwert erreicht wird, können in bestimmten Kulturmedien Schwankungen auftreten. Größere Fermenter neigen zu größeren räumlichen Schwankungen der Sauerstoffwerte, die das mikrobielle Wachstum und die Produktivität erheblich beeinträchtigen können. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass die Fermentationsleistung unter schwankenden Bedingungen deutlich geringer ist als unter stabilen Bedingungen, obwohl der durchschnittliche Sauerstoffwert 30 % betragen kann. Daher bleibt die Minimierung räumlicher Sauerstoffschwankungen bei der Skalierung von Fermentern – über Überlegungen zur geometrischen und leistungsmäßigen Ähnlichkeit hinaus – ein zentrales Forschungsziel.

Warum ist die Überwachung des gelösten Sauerstoffs bei der biopharmazeutischen Fermentation so wichtig?

1. Zur Aufrechterhaltung der optimalen Wachstumsumgebung für Mikroorganismen oder Zellen
Bei der industriellen Fermentation kommen typischerweise aerobe Mikroorganismen wie Escherichia coli und Hefe oder Säugetierzellen wie CHO-Zellen (Chinese Hamster Ovary) zum Einsatz. Diese Zellen fungieren als „Arbeiter“ im Fermentationssystem und benötigen Sauerstoff für Atmung und Stoffwechsel. Sauerstoff dient als terminaler Elektronenakzeptor bei der aeroben Atmung und ermöglicht die Energieproduktion in Form von ATP. Eine unzureichende Sauerstoffversorgung kann zu Zellerstickung, Wachstumsstopp oder sogar Zelltod führen und letztendlich zum Versagen der Fermentation führen. Die Überwachung des Sauerstoffgehalts stellt sicher, dass die Sauerstoffkonzentration im optimalen Bereich für nachhaltiges Zellwachstum und Zelllebensfähigkeit bleibt.

2. Gewährleistung einer effizienten Synthese der Zielprodukte
Ziel der biopharmazeutischen Fermentation ist nicht nur die Förderung der Zellproliferation, sondern auch die effiziente Synthese gewünschter Zielprodukte wie Insulin, monoklonaler Antikörper, Impfstoffe und Enzyme. Diese Biosynthesewege erfordern oft einen erheblichen Energieaufwand, der hauptsächlich aus der aeroben Atmung stammt. Darüber hinaus sind viele an der Produktsynthese beteiligte Enzymsysteme direkt auf Sauerstoff angewiesen. Sauerstoffmangel kann die Effizienz dieser Prozesse beeinträchtigen oder verringern.

Darüber hinaus wirken DO-Werte als regulatorisches Signal. Sowohl zu hohe als auch zu niedrige DO-Konzentrationen können:
- Veränderung der zellulären Stoffwechselwege, beispielsweise durch Umstellung von der aeroben Atmung auf die weniger effiziente anaerobe Gärung.
- Lösen zelluläre Stressreaktionen aus, die zur Produktion unerwünschter Nebenprodukte führen.
- Beeinflussen Sie die Expressionsniveaus exogener Proteine.

Durch die präzise Kontrolle der DO-Werte in verschiedenen Fermentationsstadien ist es möglich, den Zellstoffwechsel auf eine maximale Zielproduktsynthese auszurichten und so eine Fermentation mit hoher Dichte und hohem Ertrag zu erreichen.

Einführung in das Wasserflussdiagramm für Biopharmazeutika

3. Um Sauerstoffmangel oder -überschuss zu verhindern
Sauerstoffmangel (Hypoxie) kann schwerwiegende Folgen haben:
- Zellwachstum und Produktsynthese hören auf.
- Der Stoffwechsel verlagert sich auf anaerobe Wege, was zur Ansammlung organischer Säuren wie Milchsäure und Essigsäure führt, die den pH-Wert des Kulturmediums senken und die Zellen vergiften können.
- Eine anhaltende Hypoxie kann zu irreversiblen Schäden führen, wobei die Genesung auch nach Wiederherstellung der Sauerstoffversorgung unvollständig ist.

Auch ein Sauerstoffüberschuss (Übersättigung) birgt Risiken:
- Es kann oxidativen Stress und die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) auslösen, die Zellmembranen und Biomoleküle schädigen.
- Übermäßige Belüftung und Bewegung erhöhen den Energieverbrauch und die Betriebskosten, was zu unnötiger Ressourcenverschwendung führt.

4. Als kritischer Parameter für Echtzeitüberwachung und Feedback-Steuerung

Der gelöste Sauerstoff (DO) ist ein Echtzeit-, kontinuierlicher und umfassender Parameter, der die internen Bedingungen des Fermentationssystems widerspiegelt. Änderungen des DO-Werts können verschiedene physiologische und betriebliche Zustände zuverlässig anzeigen:
- Schnelles Zellwachstum erhöht den Sauerstoffverbrauch, wodurch der Sauerstoffgehalt sinkt.
- Substratmangel oder -hemmung verlangsamen den Stoffwechsel, verringern den Sauerstoffverbrauch und führen zu einem Anstieg des Sauerstoffspiegels.
- Eine Kontamination durch fremde Mikroorganismen verändert das Sauerstoffverbrauchsmuster, was zu abnormalen DO-Schwankungen führt und als Frühwarnsignal dient.
- Auch Gerätestörungen wie Rührwerksausfall, Verstopfung der Belüftungsrohre oder Filterverschmutzung können zu einem abnormalen DO-Verhalten führen.

Durch die Integration der Echtzeit-DO-Überwachung in ein automatisiertes Rückkopplungskontrollsystem kann eine präzise Regulierung der DO-Werte durch dynamische Anpassungen der folgenden Parameter erreicht werden:
- Rührgeschwindigkeit: Eine höhere Geschwindigkeit verbessert den Gas-Flüssigkeits-Kontakt durch Aufbrechen von Blasen und verbessert so die Sauerstoffübertragungseffizienz. Dies ist die am häufigsten verwendete und effektivste Methode.
- Belüftungsrate: Anpassung der Durchflussrate oder Zusammensetzung des Eingangsgases (z. B. Erhöhung des Luft- oder reinen Sauerstoffanteils).
- Tankdruck: Durch Druckerhöhung wird der Sauerstoffpartialdruck erhöht und dadurch die Löslichkeit verbessert.
- Temperatur: Durch Absenken der Temperatur erhöht sich die Sauerstofflöslichkeit im Kulturmedium.

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