Berita - Pemantauan Tingkat Oksigen Terlarut dalam Proses Fermentasi Biofarmasi

Apa itu Oksigen Terlarut?

Oksigen Terlarut (DO) mengacu pada oksigen molekuler (O_₂) yang terlarut dalam air. Ini berbeda dari atom oksigen yang terdapat dalam molekul air (H_₂Oksigen terlarut (DO), karena terdapat dalam air dalam bentuk molekul oksigen independen, baik yang berasal dari atmosfer maupun yang dihasilkan melalui fotosintesis oleh tumbuhan air. Konsentrasi DO dipengaruhi oleh berbagai faktor, termasuk suhu, salinitas, aliran air, dan aktivitas biologis. Dengan demikian, DO berfungsi sebagai indikator penting untuk menilai status kesehatan dan pencemaran lingkungan perairan.

Oksigen terlarut memainkan peran penting dalam mendorong metabolisme mikroba, memengaruhi respirasi seluler, pertumbuhan, dan biosintesis produk metabolik. Namun, kadar oksigen terlarut yang lebih tinggi tidak selalu bermanfaat. Kelebihan oksigen dapat menyebabkan metabolisme lebih lanjut dari produk yang terakumulasi dan berpotensi menyebabkan reaksi toksik. Kadar DO optimal bervariasi di antara spesies bakteri yang berbeda. Misalnya, selama biosintesis penisilin, DO biasanya dipertahankan pada sekitar 30% saturasi udara. Jika DO turun menjadi nol dan tetap pada level tersebut selama lima menit, pembentukan produk dapat terganggu secara signifikan. Jika kondisi ini berlanjut selama 20 menit, kerusakan ireversibel dapat terjadi.

Saat ini, sensor DO yang paling umum digunakan hanya dapat mengukur saturasi udara relatif, bukan konsentrasi absolut oksigen terlarut. Setelah sterilisasi media kultur, aerasi dan pengadukan dilakukan hingga pembacaan sensor stabil, pada titik tersebut nilainya ditetapkan menjadi 100% saturasi udara. Pengukuran selanjutnya selama proses fermentasi didasarkan pada referensi ini. Nilai DO absolut tidak dapat ditentukan menggunakan sensor standar dan memerlukan teknik yang lebih canggih, seperti polarografi. Namun, pengukuran saturasi udara umumnya cukup untuk memantau dan mengendalikan proses fermentasi.

Di dalam fermentor, kadar DO (oksigen terlarut) dapat bervariasi di berbagai wilayah. Bahkan ketika pembacaan stabil diperoleh pada satu titik, fluktuasi masih dapat terjadi pada media kultur tertentu. Fermentor yang lebih besar cenderung menunjukkan variasi spasial yang lebih besar dalam kadar DO, yang dapat secara signifikan memengaruhi pertumbuhan dan produktivitas mikroba. Bukti eksperimental menunjukkan bahwa, meskipun kadar DO rata-rata mungkin 30%, kinerja fermentasi dalam kondisi berfluktuasi jauh lebih rendah daripada dalam kondisi stabil. Oleh karena itu, dalam peningkatan skala fermentor—selain pertimbangan kesamaan geometris dan daya—meminimalkan variasi spasial DO tetap menjadi tujuan penelitian utama.

Mengapa Pemantauan Oksigen Terlarut Penting dalam Fermentasi Biofarmasi?

1. Untuk Mempertahankan Lingkungan Pertumbuhan Optimal bagi Mikroorganisme atau Sel
Fermentasi industri biasanya melibatkan mikroorganisme aerobik, seperti Escherichia coli dan ragi, atau sel mamalia, seperti sel Chinese Hamster Ovary (CHO). Sel-sel ini berfungsi sebagai "pekerja" dalam sistem fermentasi, membutuhkan oksigen untuk respirasi dan aktivitas metabolisme. Oksigen berfungsi sebagai penerima elektron terminal dalam respirasi aerobik, memungkinkan produksi energi dalam bentuk ATP. Pasokan oksigen yang tidak mencukupi dapat menyebabkan mati lemas sel, penghentian pertumbuhan, atau bahkan kematian sel, yang pada akhirnya mengakibatkan kegagalan fermentasi. Pemantauan kadar DO memastikan bahwa konsentrasi oksigen tetap berada dalam kisaran optimal untuk pertumbuhan dan kelangsungan hidup sel.

2. Untuk Memastikan Sintesis Produk Target yang Efisien
Tujuan fermentasi biofarmasi bukan hanya untuk mendorong proliferasi sel, tetapi juga untuk memfasilitasi sintesis produk target yang diinginkan secara efisien, seperti insulin, antibodi monoklonal, vaksin, dan enzim. Jalur biosintesis ini seringkali membutuhkan masukan energi yang substansial, terutama yang berasal dari respirasi aerobik. Selain itu, banyak sistem enzimatik yang terlibat dalam sintesis produk secara langsung bergantung pada oksigen. Kekurangan oksigen dapat mengganggu atau mengurangi efisiensi jalur-jalur ini.

Selain itu, kadar DO bertindak sebagai sinyal pengaturan. Konsentrasi DO yang terlalu tinggi maupun terlalu rendah dapat:
- Mengubah jalur metabolisme sel, misalnya, beralih dari respirasi aerobik ke fermentasi anaerobik yang kurang efisien.
- Memicu respons stres seluler, yang menyebabkan produksi produk sampingan yang tidak diinginkan.
- Mempengaruhi tingkat ekspresi protein eksogen.

Dengan mengontrol secara tepat kadar DO pada berbagai tahap fermentasi, dimungkinkan untuk mengarahkan metabolisme seluler menuju sintesis produk target maksimal, sehingga mencapai fermentasi dengan kepadatan dan hasil yang tinggi.

Pengantar Bagan Alur Air untuk Biofarmasi

3. Untuk Mencegah Kekurangan atau Kelebihan Oksigen
Kekurangan oksigen (hipoksia) dapat memiliki konsekuensi yang serius:
- Pertumbuhan sel dan sintesis produk berhenti.
- Metabolisme bergeser ke jalur anaerobik, yang mengakibatkan akumulasi asam organik seperti asam laktat dan asam asetat, yang menurunkan pH media kultur dan dapat meracuni sel.
- Hipoksia berkepanjangan dapat menyebabkan kerusakan permanen, dan pemulihan tidak akan lengkap bahkan setelah pasokan oksigen dipulihkan.

Kelebihan oksigen (supersaturasi) juga menimbulkan risiko:
- Hal ini dapat memicu stres oksidatif dan pembentukan spesies oksigen reaktif (ROS), yang merusak membran sel dan biomolekul.
- Aerasi dan pengadukan yang berlebihan meningkatkan konsumsi energi dan biaya operasional, yang menyebabkan pemborosan sumber daya yang tidak perlu.

4. Sebagai Parameter Kritis untuk Pemantauan Waktu Nyata dan Kontrol Umpan Balik

DO (oksigen terlarut) adalah parameter real-time, kontinu, dan komprehensif yang mencerminkan kondisi internal sistem fermentasi. Perubahan kadar DO dapat secara sensitif mengindikasikan berbagai kondisi fisiologis dan operasional:
- Pertumbuhan sel yang cepat meningkatkan konsumsi oksigen, menyebabkan kadar DO menurun.
- Penipisan atau penghambatan substrat memperlambat metabolisme, mengurangi konsumsi oksigen dan menyebabkan kadar DO meningkat.
- Kontaminasi oleh mikroorganisme asing mengubah pola konsumsi oksigen, menyebabkan fluktuasi DO yang tidak normal dan berfungsi sebagai sinyal peringatan dini.
- Kerusakan peralatan, seperti kegagalan pengaduk, penyumbatan pipa ventilasi, atau pengotoran filter, juga dapat mengakibatkan perilaku DO yang abnormal.

Dengan mengintegrasikan pemantauan DO secara real-time ke dalam sistem kontrol umpan balik otomatis, pengaturan tingkat DO yang tepat dapat dicapai melalui penyesuaian dinamis dari parameter-parameter berikut:
- Kecepatan pengadukan: Meningkatkan kecepatan pengadukan meningkatkan kontak gas-cair dengan memecah gelembung, sehingga meningkatkan efisiensi transfer oksigen. Ini adalah metode yang paling umum digunakan dan efektif.
- Tingkat aerasi: Menyesuaikan laju aliran atau komposisi gas masuk (misalnya, meningkatkan proporsi udara atau oksigen murni).
- Tekanan tangki: Meningkatkan tekanan akan meningkatkan tekanan parsial oksigen, sehingga meningkatkan kelarutan.
- Suhu: Menurunkan suhu meningkatkan kelarutan oksigen dalam media kultur.

Rekomendasi produk BOQU untuk pemantauan online fermentasi biologis: