Berita - Pemantauan Kadar Oksigen Terlarut dalam Proses Fermentasi Biofarmasi

Apa itu Oksigen Terlarut?

Oksigen Terlarut (DO) mengacu pada molekul oksigen (O_₂) yang terlarut dalam air. Berbeda dengan atom oksigen yang terdapat dalam molekul air (H_₂O), karena terdapat di dalam air dalam bentuk molekul oksigen independen, baik yang berasal dari atmosfer maupun 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 berperan penting dalam mendorong metabolisme mikroba, memengaruhi respirasi seluler, pertumbuhan, dan biosintesis produk metabolisme. Namun, kadar oksigen terlarut yang lebih tinggi tidak selalu bermanfaat. Kelebihan oksigen dapat menyebabkan metabolisme produk yang terakumulasi lebih lanjut dan berpotensi menyebabkan reaksi toksik. Kadar DO optimal bervariasi di antara spesies bakteri yang berbeda. Misalnya, selama biosintesis penisilin, DO biasanya dipertahankan pada saturasi udara sekitar 30%. Jika DO turun hingga nol dan tetap pada tingkat tersebut selama lima menit, pembentukan produk dapat terganggu secara signifikan. Jika kondisi ini berlanjut selama 20 menit, kerusakan permanen dapat terjadi.

Saat ini, sensor DO yang paling umum digunakan hanya dapat mengukur saturasi udara relatif, alih-alih konsentrasi absolut oksigen terlarut. Setelah sterilisasi media kultur, aerasi dan pengadukan dilakukan hingga pembacaan sensor stabil, dan pada titik tersebut, nilainya ditetapkan pada saturasi udara 100%. 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 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—di luar pertimbangan kesamaan geometri dan daya—meminimalkan variasi DO spasial tetap menjadi tujuan penelitian utama.

Mengapa Pemantauan Oksigen Terlarut Penting dalam Fermentasi Biofarmasi?

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

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 berperan sebagai sinyal pengatur. Konsentrasi DO yang terlalu tinggi maupun terlalu rendah dapat:
- Mengubah jalur metabolisme seluler, 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 mengendalikan kadar DO secara tepat pada berbagai tahap fermentasi, dimungkinkan untuk mengarahkan metabolisme seluler menuju sintesis produk target yang maksimal, sehingga tercapai fermentasi berkepadatan tinggi dan hasil tinggi.

Pengantar Diagram Alir Air untuk Biofarmasi

3. Untuk Mencegah Kekurangan atau Kelebihan Oksigen
Kekurangan oksigen (hipoksia) dapat menimbulkan konsekuensi yang parah:
- 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 yang berkepanjangan dapat menyebabkan kerusakan yang tidak dapat dipulihkan, di mana pemulihan tidak tuntas bahkan setelah pasokan oksigen dipulihkan.

Oksigen berlebih (supersaturasi) juga menimbulkan risiko:
- Dapat menyebabkan 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 Real-Time dan Kontrol Umpan Balik

DO adalah parameter yang bersifat real-time, berkelanjutan, dan komprehensif yang mencerminkan kondisi internal sistem fermentasi. Perubahan kadar DO dapat secara sensitif menunjukkan 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 peningkatan kadar DO.
- Kontaminasi oleh mikroorganisme asing mengubah pola konsumsi oksigen, yang menyebabkan fluktuasi DO abnormal dan berfungsi sebagai sinyal peringatan dini.
- Kerusakan peralatan, seperti kegagalan pengaduk, penyumbatan pipa ventilasi, atau penyumbatan filter, juga dapat mengakibatkan perilaku DO yang tidak normal.

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

Rekomendasi produk BOQU untuk pemantauan fermentasi biologis daring: