Eliminacja zakłóceń pomiarów tlenu w fermentacji i hodowli komórek

Precyzyjna kontrola rozpuszczonego tlenu (DO) jest niezbędna w procesach fermentacji i hodowli komórek. Zmiany poziomu DO mogą znacząco wpływać na wydajność produkcji oraz jakość produktu. Jednak wiele zakładów fermentacyjnych i bioprocesowych boryka się z problemem niestabilnych sygnałów czujników DO, najczęściej spowodowanym gromadzeniem się pęcherzyków powietrza lub tlenu na końcówce czujnika. W artykule omówiono kluczowe znaczenie kontroli tlenu, przyczyny i skutki zakłóceń pomiarów DO oraz rozwiązania oferowane przez nowoczesną technologię czujników optycznych — w szczególności czujnik rozpuszczonego tlenu METTLER TOLEDO InPro™ 6860 i wyposażony w anty-pęcherzykową końcówkę OptoCap.

Rola kontroli tlenu w fermentacji i hodowli komórek

Tlen jest niezbędny dla metabolizmu organizmów tlenowych biorących udział w fermentacji i hodowli komórek. Odpowiednio kontrolowany poziom DO wspiera optymalny wzrost komórek, metabolizm oraz syntezę produktu. Zarówno niedobór, jak i nadmiar tlenu mogą negatywnie wpływać na wzrost i metabolizm komórek, prowadząc do obniżenia wydajności lub niepożądanych cech produktu. Nadmierne napowietrzanie (over-sparging) nie tylko powoduje marnotrawstwo energii, ale także zwiększa koszty operacyjne, a w hodowlach komórkowych może podnosić naprężenia ścinające, szkodząc wrażliwym komórkom.

 Problemy w pomiarze DO: problem pęcherzyków

Niestabilne sygnały DO często wynikają z powstawania i gromadzenia się pęcherzy powietrza lub tlenu na końcówce czujnika. Ciśnienie cząstkowe tlenu w tych pęcherzykach jest wyższe niż w rozpuszczonym tlenie w medium, co prowadzi do sztucznie zawyżonych odczytów. Najpoważniejszym problemem jest jednak szum sygnału powstający, gdy pęcherzyki przemieszczają się po powierzchni czujnika. Ten szum uniemożliwia dokładny pomiar i efektywną kontrolę procesu. Dodatkowo, czynniki takie jak silikonowy środek przeciwpieniący lub przywieranie materiałów stałych (np. komórek ssaków) do końcówki czujnika mogą jeszcze bardziej obniżać wiarygodność pomiaru.

Technologia optycznych czujników DO: nowoczesne rozwiązanie

Tradycyjne amperometryczne czujniki DO (Clark) — choć dokładne — wymagają regularnej konserwacji, kalibracji i długiego czasu polaryzacji. Natomiast optyczne czujniki DO wykorzystują zjawisko wygaszania fluorescencji do określania poziomu tlenu. Fluorofor umieszczony na końcówce czujnika jest wzbudzany światłem, a czas życia fluorescencji skraca się proporcjonalnie do stężenia tlenu, ze względu na transfer energii do cząsteczek tlenu. Główne zalety czujników optycznych to:

• Bardzo niski dryf pomiarowy
• Minimalne wymagania konserwacyjne
• Szybki czas reakcji
• Rzadsza kalibracja
• Brak potrzeby stosowania elektrolitu, a co za tym idzie — brak okresu polaryzacji

Anty-pęcherzykowa końcówka OptoCap: eliminacja szumu sygnału

Anty-pęcherzykowa końcówka OptoCap to wymienna końcówka czujnika zaprojektowana specjalnie, aby wyeliminować problemy z szumem spowodowanym przez pęcherzyki. Zawiera kilka innowacyjnych rozwiązań:

• Kątowa końcówka (30°): zapobiega gromadzeniu się pęcherzy na powierzchni pomiarowej.
• Powierzchnia hydrofilowa: sprzyja przyleganiu cząsteczek wody, co utrudnia przyczepianie się pęcherzy.
• Warstwa PTFE: zapobiega przywieraniu ciał stałych i tworzeniu miejsc zatrzymywania pęcherzy.
• Materiały klasy USP VI: wszystkie zwilżane części są zgodne z normami do zastosowań w bioprocesach.

 Studium przypadku: Amyris Brasil S.A.

W zakładzie Amyris w Brotas w Brazylii wysoki poziom szumu sygnału czujników DO zaburzał stabilność procesu i wymagał stałej interwencji operatorów. Przejście na czujnik InPro 6860 i z anty-pęcherzykową końcówką OptoCap przyniosło natychmiastową i znaczącą redukcję szumu sygnału. Średnia zmienność minimalnej fazy dozowania podczas fermentacji zmniejszyła się o 54%, co umożliwiło bardziej stabilną produkcję i wyeliminowało problemy z nadmiernym dozowaniem.

Najlepsze praktyki montażu czujnika

Dla optymalnej pracy zaleca się instalację czujnika możliwie blisko dolnego mieszadła fermentora lub bioreaktora. Takie umiejscowienie maksymalizuje oczyszczanie końcówki przez przepływ medium, zmniejsza szum i zapewnia powtarzalność pomiarów. W dużych zbiornikach korzystne jest ustawienie czujnika w dół oraz zastosowanie przepływu stycznego, co poprawia czyszczenie i dodatkowo zapobiega gromadzeniu się pęcherzy.

Dodatkowe korzyści: inteligentne zarządzanie czujnikiem (ISM™)

Czujnik InPro 6860i wyposażony jest w technologię ISM™, która umożliwia wstępną kalibrację poza procesem, zaawansowaną diagnostykę oraz predykcyjną konserwację. Funkcje te poprawiają zarządzanie cyklem życia czujnika i niezawodność procesu.

Podsumowanie

Szum sygnału DO spowodowany gromadzeniem się pęcherzy na końcówkach czujników od dawna utrudnia efektywną kontrolę tlenu w fermentacji i hodowli komórek. Czujnik InPro 6860 i z anty-pęcherzykową końcówką OptoCap stanowi solidne rozwiązanie, znacząco poprawiając stabilność sygnału, powtarzalność procesu oraz ogólną jakość produktu. Odpowiedni montaż czujnika oraz wykorzystanie technologii ISM™ dodatkowo wzmacniają te korzyści, wspierając najwyższe standardy analityki procesowej.

Więcej informacji dostęone w opracowaniu technicznym 

Eliminacja zakłóceń pomiarów tlenu w fermentacji i hodowli komórek