용존산소란 무엇인가?
용존산소(DO)는 분자산소(O2.)는 물에 용해됩니다. 이는 물 분자에 존재하는 산소 원자(H)와 다릅니다.2.용존산소(DO)는 대기에서 유래하거나 수생 식물의 광합성을 통해 생성된 독립적인 산소 분자 형태로 물 속에 존재합니다. 용존산소(DO) 농도는 수온, 염도, 유량, 생물학적 활동 등 다양한 요인의 영향을 받습니다. 따라서 용존산소는 수생 환경의 건강 및 오염 상태를 평가하는 중요한 지표 역할을 합니다.
용존산소는 미생물 대사 촉진, 세포 호흡, 성장, 그리고 대사산물 생합성에 영향을 미치는 데 중요한 역할을 합니다. 그러나 용존산소 농도가 높다고 해서 항상 유익한 것은 아닙니다. 과도한 산소는 축적된 산물의 대사를 촉진하여 독성 반응을 유발할 수 있습니다. 최적의 용존산소 농도는 세균 종에 따라 다릅니다. 예를 들어, 페니실린 생합성 과정에서 용존산소는 일반적으로 공기 포화도의 약 30%로 유지됩니다. 용존산소가 0으로 떨어지고 5분 동안 그 상태가 유지되면 산물의 생성이 심각하게 저해될 수 있습니다. 이러한 상태가 20분 동안 지속되면 돌이킬 수 없는 손상이 발생할 수 있습니다.
현재 가장 널리 사용되는 용존 산소량(DO) 센서는 용존 산소의 절대 농도가 아닌 상대적인 공기 포화도만 측정합니다. 배양 배지 멸균 후, 센서 값이 안정될 때까지 통기와 교반을 반복하며, 이때 값은 100% 공기 포화도로 설정됩니다. 발효 과정 중 이후 측정은 이 기준을 기반으로 합니다. 절대 DO 값은 표준 센서로는 측정할 수 없으며 폴라로그래피와 같은 고급 기술이 필요합니다. 그러나 공기 포화도 측정은 일반적으로 발효 과정의 모니터링 및 제어에 충분합니다.
발효조 내에서 DO 수준은 지역에 따라 다를 수 있습니다. 한 지점에서 안정적인 측정값을 얻더라도 특정 배양 배지에서는 변동이 발생할 수 있습니다. 발효조가 클수록 DO 수준의 공간적 변동이 더 커지는 경향이 있으며, 이는 미생물 성장과 생산성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 실험 결과, 평균 DO 수준이 30%일 수 있지만 변동이 있는 조건에서의 발효 성능은 안정적인 조건에서보다 현저히 낮습니다. 따라서 발효조 규모 확장 시, 기하학적 유사성 및 동력 유사성을 고려하는 것 외에도 공간적 DO 변동을 최소화하는 것이 핵심 연구 목표로 남아 있습니다.
생물제약 발효에서 용존산소 모니터링이 필수적인 이유는 무엇입니까?
1. 미생물이나 세포의 최적 성장 환경 유지
산업 발효에는 일반적으로 대장균, 효모와 같은 호기성 미생물이나 중국 햄스터 난소(CHO) 세포와 같은 포유류 세포가 관여합니다. 이러한 세포는 발효 시스템 내에서 "일꾼" 역할을 하며, 호흡 및 대사 활동에 산소를 필요로 합니다. 산소는 호기성 호흡에서 최종 전자 수용체 역할을 하여 ATP 형태의 에너지 생성을 가능하게 합니다. 산소 공급이 부족하면 세포 질식, 성장 정지, 심지어 세포 사멸로 이어져 궁극적으로 발효 실패로 이어질 수 있습니다. 용존 산소(DO) 수준을 모니터링하면 산소 농도가 지속적인 세포 성장 및 생존에 최적의 범위 내로 유지됩니다.
2. 목표 생성물의 효율적인 합성을 보장하기 위해
생물약학 발효의 목적은 단순히 세포 증식을 촉진하는 것이 아니라 인슐린, 단일클론 항체, 백신, 효소와 같은 원하는 표적 생성물의 효율적인 합성을 촉진하는 것입니다. 이러한 생합성 경로는 종종 상당한 에너지 입력을 필요로 하며, 이는 주로 호기성 호흡에서 유래합니다. 또한, 생성물 합성에 관여하는 많은 효소 시스템은 산소에 직접적으로 의존합니다. 산소 결핍은 이러한 경로의 효율을 저해하거나 감소시킬 수 있습니다.
더욱이, DO 수치는 조절 신호 역할을 합니다. 과도하게 높거나 낮은 DO 농도는 다음과 같은 문제를 일으킬 수 있습니다.
- 세포 대사 경로를 변경합니다. 예를 들어 호기성 호흡에서 효율성이 낮은 혐기성 발효로 전환합니다.
- 세포 스트레스 반응을 유발하여 바람직하지 않은 부산물을 생성합니다.
- 외인성 단백질의 발현 수준에 영향을 미칩니다.
발효의 다양한 단계에서 DO 수치를 정밀하게 제어함으로써 세포 대사를 최대 목표 생성물 합성으로 유도하여 고밀도, 고수율 발효를 달성할 수 있습니다.
3. 산소 결핍 또는 과잉을 방지하기 위해
산소 결핍(저산소증)은 심각한 결과를 초래할 수 있습니다.
- 세포 성장과 생성물 합성이 중단됩니다.
- 대사가 혐기성 경로로 전환되어 젖산, 아세트산과 같은 유기산이 축적되고, 이는 배양 배지의 pH를 낮추고 세포를 중독시킬 수 있습니다.
- 장기간의 저산소증은 돌이킬 수 없는 손상을 초래할 수 있으며, 산소 공급이 회복된 후에도 회복이 완전하지 않을 수 있습니다.
과도한 산소(과포화)는 다음과 같은 위험을 초래합니다.
- 산화 스트레스와 활성 산소종(ROS) 생성을 유발하여 세포막과 생체 분자를 손상시킬 수 있습니다.
- 과도한 통기 및 교반은 에너지 소비와 운영 비용을 증가시켜 불필요한 자원 낭비로 이어집니다.
4. 실시간 모니터링 및 피드백 제어를 위한 중요한 매개변수로서
DO는 발효 시스템의 내부 상태를 반영하는 실시간, 연속적, 포괄적인 매개변수입니다. DO 수치의 변화는 다양한 생리적 및 작동 상태를 민감하게 나타낼 수 있습니다.
- 세포의 빠른 성장은 산소 소모를 증가시키고, 이로 인해 DO 수치가 감소합니다.
- 기질 고갈이나 억제는 신진대사를 늦추고, 산소 소비를 감소시키며 DO 수치를 상승시킵니다.
- 이물질 미생물에 의한 오염은 산소 소비 패턴을 변화시켜 비정상적인 DO 변동을 초래하고 조기 경고 신호로 작용합니다.
- 교반기 고장, 환기 파이프 막힘, 필터 오염 등의 장비 오작동으로 인해 비정상적인 DO 동작이 발생할 수도 있습니다.
실시간 DO 모니터링을 자동화된 피드백 제어 시스템에 통합하면 다음 매개변수의 동적 조정을 통해 DO 수준을 정확하게 조절할 수 있습니다.
- 교반 속도: 교반 속도를 높이면 기포가 분해되어 기체-액체 접촉이 활발해져 산소 전달 효율이 향상됩니다. 이는 가장 널리 사용되고 효과적인 방법입니다.
- 통기 속도: 유입 가스의 유량이나 구성을 조절합니다(예: 공기나 순수 산소의 비율을 높입니다).
- 탱크 압력: 압력이 높아지면 산소 분압이 증가하여 용해도가 높아집니다.
- 온도: 온도를 낮추면 배양 배지에서 산소 용해도가 증가합니다.
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게시 시간: 2025년 9월 16일
