Newyddion - Monitro Lefelau Ocsigen Toddedig yn y Broses Eplesu Bio-Fferyllol

Beth yw Ocsigen Toddedig?

Mae Ocsigen Toddedig (DO) yn cyfeirio at ocsigen moleciwlaidd (O_₂) sydd wedi'i doddi mewn dŵr. Mae'n wahanol i'r atomau ocsigen sydd mewn moleciwlau dŵr (H_₂O), fel y mae'n bodoli mewn dŵr ar ffurf moleciwlau ocsigen annibynnol, naill ai'n tarddu o'r atmosffer neu'n cael eu cynhyrchu trwy ffotosynthesis gan blanhigion dyfrol. Mae crynodiad DO yn cael ei ddylanwadu gan amrywiol ffactorau, gan gynnwys tymheredd, halltedd, llif dŵr, a gweithgareddau biolegol. O'r herwydd, mae'n gwasanaethu fel dangosydd hollbwysig ar gyfer asesu statws iechyd a llygredd amgylcheddau dyfrol.

Mae ocsigen toddedig yn chwarae rhan hanfodol wrth hyrwyddo metaboledd microbaidd, gan ddylanwadu ar resbiradaeth gellog, twf, a biosynthesis cynhyrchion metabolaidd. Fodd bynnag, nid yw lefelau uwch o ocsigen toddedig bob amser yn fuddiol. Gall gormod o ocsigen arwain at fetaboledd pellach o gynhyrchion cronedig ac o bosibl achosi adweithiau gwenwynig. Mae'r lefelau DO gorau posibl yn amrywio ymhlith gwahanol rywogaethau bacteriol. Er enghraifft, yn ystod biosynthesis penisilin, cynhelir DO fel arfer ar tua 30% o dirlawnder aer. Os yw DO yn gostwng i sero ac yn aros ar y lefel honno am bum munud, gall ffurfio cynnyrch gael ei amharu'n sylweddol. Os yw'r cyflwr hwn yn parhau am 20 munud, gall difrod anadferadwy ddigwydd.

Ar hyn o bryd, dim ond dirlawnder aer cymharol y gall y synwyryddion DO a ddefnyddir amlaf eu mesur, yn hytrach na chrynodiad absoliwt yr ocsigen toddedig. Ar ôl sterileiddio'r cyfrwng diwylliant, perfformir awyru a chymysgu nes bod darlleniad y synhwyrydd yn sefydlogi, ac ar yr adeg honno mae'r gwerth yn cael ei osod i 100% o ddirlawnder aer. Mae mesuriadau dilynol yn ystod y broses eplesu yn seiliedig ar y cyfeirnod hwn. Ni ellir pennu gwerthoedd DO absoliwt gan ddefnyddio synwyryddion safonol ac mae angen technegau mwy datblygedig arnynt, fel polagraffeg. Fodd bynnag, mae mesuriadau dirlawnder aer yn gyffredinol yn ddigonol ar gyfer monitro a rheoli prosesau eplesu.

O fewn eplesydd, gall lefelau DO amrywio ar draws gwahanol ranbarthau. Hyd yn oed pan geir darlleniad sefydlog ar un adeg, gall amrywiadau ddigwydd o hyd mewn rhai cyfryngau diwylliant. Mae epleswyr mwy yn tueddu i arddangos amrywiadau gofodol mwy mewn lefelau DO, a all effeithio'n sylweddol ar dwf a chynhyrchiant microbaidd. Mae tystiolaeth arbrofol wedi dangos, er y gall y lefel DO gyfartalog fod yn 30%, bod perfformiad eplesu o dan amodau amrywiol yn sylweddol is nag o dan amodau sefydlog. Felly, wrth ehangu epleswyr—y tu hwnt i ystyriaethau tebygrwydd geometrig a phŵer—mae lleihau amrywiadau DO gofodol yn parhau i fod yn amcan ymchwil allweddol.

Pam mae Monitro Ocsigen Toddedig yn Hanfodol mewn Eplesu Biofferyllol?

1. Cynnal yr Amgylchedd Twf Gorau posibl ar gyfer Micro-organebau neu Gelloedd
Mae eplesu diwydiannol fel arfer yn cynnwys micro-organebau aerobig, fel Escherichia coli a burum, neu gelloedd mamalaidd, fel celloedd Ofari Hamster Tsieineaidd (CHO). Mae'r celloedd hyn yn gweithredu fel "gweithwyr" o fewn y system eplesu, gan fod angen ocsigen ar gyfer resbiradaeth a gweithgaredd metabolig. Mae ocsigen yn gwasanaethu fel y derbynnydd electronau terfynol mewn resbiradaeth aerobig, gan alluogi cynhyrchu ynni ar ffurf ATP. Gall cyflenwad ocsigen annigonol arwain at dagu celloedd, ataliad twf, neu hyd yn oed farwolaeth celloedd, gan arwain yn y pen draw at fethiant eplesu. Mae monitro lefelau DO yn sicrhau bod crynodiadau ocsigen yn aros o fewn yr ystod orau ar gyfer twf a hyfywedd celloedd cynaliadwy.

2. Sicrhau Synthesis Effeithlon o Gynhyrchion Targed
Nid hyrwyddo amlhau celloedd yn unig yw amcan eplesu biofferyllol ond hwyluso synthesis effeithlon cynhyrchion targed dymunol, fel inswlin, gwrthgyrff monoclonaidd, brechlynnau ac ensymau. Yn aml, mae'r llwybrau biosynthetig hyn yn gofyn am fewnbwn ynni sylweddol, sy'n deillio'n bennaf o resbiradaeth aerobig. Yn ogystal, mae llawer o systemau ensymatig sy'n ymwneud â synthesis cynnyrch yn dibynnu'n uniongyrchol ar ocsigen. Gall diffyg ocsigen amharu ar effeithlonrwydd y llwybrau hyn neu leihau eu heffeithlonrwydd.

Ar ben hynny, mae lefelau DO yn gweithredu fel signal rheoleiddio. Gall crynodiadau DO rhy uchel ac isel:
- Newid llwybrau metabolaidd cellog, er enghraifft, symud o resbiradaeth aerobig i eplesiad anaerobig llai effeithlon.
- Sbarduno ymatebion straen cellog, gan arwain at gynhyrchu sgil-gynhyrchion annymunol.
- Dylanwadu ar lefelau mynegiant proteinau alldarddol.

Drwy reoli lefelau DO yn fanwl gywir mewn gwahanol gamau o eplesu, mae'n bosibl arwain metaboledd cellog tuag at synthesis cynnyrch targed mwyaf posibl, a thrwy hynny gyflawni eplesu dwysedd uchel a chynnyrch uchel.

Cyflwyniad i'r Siart Llif Dŵr ar gyfer Bio-fferyllol

3. I Atal Diffyg neu Ormodedd Ocsigen
Gall diffyg ocsigen (hypocsia) gael canlyniadau difrifol:
- Mae twf celloedd a synthesis cynnyrch yn dod i ben.
- Mae metaboledd yn symud i lwybrau anaerobig, gan arwain at gronni asidau organig fel asid lactig ac asid asetig, sy'n gostwng pH y cyfrwng diwylliant a gall wenwyno'r celloedd.
- Gall hypocsia hirfaith achosi niwed na ellir ei wrthdroi, gyda'r adferiad yn anghyflawn hyd yn oed ar ôl i'r cyflenwad ocsigen gael ei adfer.

Mae gormod o ocsigen (gor-dirlawnder) hefyd yn peri risgiau:
- Gall achosi straen ocsideiddiol a ffurfio rhywogaethau ocsigen adweithiol (ROS), sy'n niweidio pilenni celloedd a biomoleciwlau.
- Mae awyru a chynnwrf gormodol yn cynyddu'r defnydd o ynni a chostau gweithredu, gan arwain at wastraff adnoddau diangen.

4. Fel Paramedr Beirniadol ar gyfer Monitro Amser Real a Rheoli Adborth

Mae DO yn baramedr amser real, parhaus, a chynhwysfawr sy'n adlewyrchu amodau mewnol y system eplesu. Gall newidiadau yn lefelau DO ddangos yn sensitif wahanol gyflyrau ffisiolegol a gweithredol:
- Mae twf cyflym celloedd yn cynyddu'r defnydd o ocsigen, gan achosi i lefelau DO ostwng.
- Mae disbyddu neu ataliad swbstrad yn arafu metaboledd, gan leihau'r defnydd o ocsigen ac achosi i lefelau DO godi.
- Mae halogiad gan ficro-organebau tramor yn newid y patrwm defnydd o ocsigen, gan arwain at amrywiadau annormal mewn DO a gwasanaethu fel arwydd rhybudd cynnar.
- Gall camweithrediadau offer, fel methiant y cymysgydd, blocâd pibell awyru, neu faw'r hidlydd, hefyd arwain at ymddygiad DO annormal.

Drwy integreiddio monitro DO amser real i mewn i system rheoli adborth awtomataidd, gellir cyflawni rheoleiddio manwl gywir o lefelau DO drwy addasiadau deinamig o'r paramedrau canlynol:
- Cyflymder cymysgu: Mae cynyddu'r cyflymder yn gwella'r cyswllt nwy-hylif trwy dorri swigod, a thrwy hynny wella effeithlonrwydd trosglwyddo ocsigen. Dyma'r dull a ddefnyddir amlaf ac effeithiol.
- Cyfradd awyru: Addasu cyfradd llif neu gyfansoddiad y nwy mewnfa (e.e., cynyddu cyfran yr aer neu ocsigen pur).
- Pwysedd y tanc: Mae codi'r pwysau yn cynyddu pwysedd rhannol ocsigen, a thrwy hynny'n gwella hydoddedd.
- Tymheredd: Mae gostwng y tymheredd yn cynyddu hydoddedd ocsigen yn y cyfrwng diwylliant.

Argymhellion cynnyrch BOQU ar gyfer monitro eplesu biolegol ar-lein: