Noticias - Monitoreo de los niveles de oxígeno disuelto en el proceso de fermentación biofarmacéutica

¿Qué es el oxígeno disuelto?

El oxígeno disuelto (OD) se refiere al oxígeno molecular (O_₂) que se disuelve en agua. Se diferencia de los átomos de oxígeno presentes en las moléculas de agua (H_₂O), tal como se encuentra en el agua en forma de moléculas de oxígeno independientes, ya sea provenientes de la atmósfera o generados mediante la fotosíntesis por las plantas acuáticas. La concentración de oxígeno disuelto (OD) se ve influenciada por diversos factores, como la temperatura, la salinidad, el flujo de agua y las actividades biológicas. Por lo tanto, sirve como un indicador crucial para evaluar el estado de salud y contaminación de los ambientes acuáticos.

El oxígeno disuelto desempeña un papel vital en la promoción del metabolismo microbiano, influyendo en la respiración celular, el crecimiento y la biosíntesis de productos metabólicos. Sin embargo, niveles elevados de oxígeno disuelto no siempre son beneficiosos. Un exceso de oxígeno puede provocar un mayor metabolismo de los productos acumulados y potencialmente causar reacciones tóxicas. Los niveles óptimos de OD varían entre las diferentes especies bacterianas. Por ejemplo, durante la biosíntesis de penicilina, el OD se mantiene típicamente a una saturación de aire de aproximadamente el 30 %. Si el OD desciende a cero y permanece en ese nivel durante cinco minutos, la formación de productos puede verse significativamente afectada. Si esta condición persiste durante 20 minutos, pueden producirse daños irreversibles.

Actualmente, los sensores de oxígeno disuelto (OD) más utilizados solo miden la saturación relativa del aire, en lugar de la concentración absoluta de oxígeno disuelto. Tras la esterilización del medio de cultivo, se airea y agita hasta que la lectura del sensor se estabiliza, momento en el que el valor se establece en 100 % de saturación de aire. Las mediciones posteriores durante el proceso de fermentación se basan en esta referencia. Los valores absolutos de OD no pueden determinarse con sensores estándar y requieren técnicas más avanzadas, como la polarografía. Sin embargo, las mediciones de saturación del aire suelen ser suficientes para monitorizar y controlar los procesos de fermentación.

Dentro de un fermentador, los niveles de OD pueden variar según la región. Incluso con una lectura estable en un punto, pueden producirse fluctuaciones en ciertos medios de cultivo. Los fermentadores de mayor tamaño tienden a presentar mayores variaciones espaciales en los niveles de OD, lo que puede afectar significativamente el crecimiento y la productividad microbianos. La evidencia experimental ha demostrado que, aunque el nivel promedio de OD puede ser del 30 %, el rendimiento de la fermentación en condiciones fluctuantes es notablemente inferior al de las condiciones estables. Por lo tanto, en la ampliación de la escala de los fermentadores, más allá de consideraciones de similitud geométrica y de potencia, minimizar las variaciones espaciales de OD sigue siendo un objetivo clave de la investigación.

¿Por qué es esencial la monitorización del oxígeno disuelto en la fermentación biofarmacéutica?

1. Mantener el entorno de crecimiento óptimo para microorganismos o células.
La fermentación industrial suele involucrar microorganismos aeróbicos, como Escherichia coli y levaduras, o células de mamíferos, como las células de ovario de hámster chino (CHO). Estas células funcionan como "trabajadoras" dentro del sistema de fermentación, requiriendo oxígeno para la respiración y la actividad metabólica. El oxígeno actúa como aceptor terminal de electrones en la respiración aeróbica, lo que permite la producción de energía en forma de ATP. Un suministro insuficiente de oxígeno puede provocar asfixia celular, detención del crecimiento o incluso la muerte celular, lo que finalmente resulta en un fracaso de la fermentación. El monitoreo de los niveles de oxígeno disuelto (OD) garantiza que las concentraciones de oxígeno se mantengan dentro del rango óptimo para el crecimiento y la viabilidad celular sostenidos.

2. Para garantizar una síntesis eficiente de los productos objetivo
El objetivo de la fermentación biofarmacéutica no es simplemente promover la proliferación celular, sino facilitar la síntesis eficiente de productos diana deseados, como insulina, anticuerpos monoclonales, vacunas y enzimas. Estas vías biosintéticas suelen requerir un aporte energético considerable, derivado principalmente de la respiración aeróbica. Además, muchos sistemas enzimáticos implicados en la síntesis de productos dependen directamente del oxígeno. La deficiencia de oxígeno puede interrumpir o reducir la eficiencia de estas vías.

Además, los niveles de DO actúan como una señal reguladora. Tanto las concentraciones excesivamente altas como las excesivamente bajas de DO pueden:
- Alterar las vías metabólicas celulares, por ejemplo, pasando de la respiración aeróbica a una fermentación anaeróbica menos eficiente.
- Desencadena respuestas de estrés celular, lo que lleva a la producción de subproductos indeseables.
- Influir en los niveles de expresión de proteínas exógenas.

Al controlar con precisión los niveles de DO en diferentes etapas de la fermentación, es posible guiar el metabolismo celular hacia la síntesis máxima del producto objetivo, logrando así una fermentación de alta densidad y alto rendimiento.

Introducción al diagrama de flujo de agua para productos biofarmacéuticos

3. Para prevenir la deficiencia o el exceso de oxígeno
La deficiencia de oxígeno (hipoxia) puede tener graves consecuencias:
- El crecimiento celular y la síntesis de productos cesan.
- El metabolismo se desplaza hacia vías anaeróbicas, lo que produce la acumulación de ácidos orgánicos como el ácido láctico y el ácido acético, que reducen el pH del medio de cultivo y pueden envenenar las células.
- La hipoxia prolongada puede causar daños irreversibles y la recuperación puede ser incompleta incluso después de restablecerse el suministro de oxígeno.

El exceso de oxígeno (sobresaturación) también conlleva riesgos:
- Puede inducir estrés oxidativo y la formación de especies reactivas de oxígeno (ROS), que dañan las membranas celulares y las biomoléculas.
- La aireación y la agitación excesivas aumentan el consumo de energía y los costos operativos, lo que genera un desperdicio innecesario de recursos.

4. Como parámetro crítico para el monitoreo en tiempo real y el control de retroalimentación

El OD es un parámetro completo, continuo y en tiempo real que refleja las condiciones internas del sistema de fermentación. Los cambios en los niveles de OD pueden indicar con precisión diversos estados fisiológicos y operativos:
- El crecimiento celular rápido aumenta el consumo de oxígeno, lo que provoca que los niveles de DO disminuyan.
- El agotamiento o inhibición del sustrato ralentiza el metabolismo, reduciendo el consumo de oxígeno y provocando que los niveles de DO aumenten.
- La contaminación por microorganismos extraños altera el patrón de consumo de oxígeno, lo que produce fluctuaciones anormales de DO y sirve como señal de alerta temprana.
- El mal funcionamiento del equipo, como fallas del agitador, bloqueo de la tubería de ventilación o suciedad en el filtro, también pueden provocar un comportamiento anormal del DO.

Al integrar el monitoreo de DO en tiempo real en un sistema de control de retroalimentación automatizado, se puede lograr una regulación precisa de los niveles de DO a través de ajustes dinámicos de los siguientes parámetros:
- Velocidad de agitación: Aumentar la velocidad mejora el contacto gas-líquido al romper las burbujas, mejorando así la eficiencia de la transferencia de oxígeno. Este es el método más común y eficaz.
- Tasa de aireación: Ajuste del caudal o la composición del gas de entrada (por ejemplo, aumentando la proporción de aire u oxígeno puro).
- Presión del tanque: Elevar la presión aumenta la presión parcial de oxígeno, mejorando así la solubilidad.
- Temperatura: Bajar la temperatura aumenta la solubilidad del oxígeno en el medio de cultivo.

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