Actualités - Surveillance des niveaux d'oxygène dissous dans le processus de fermentation biopharmaceutique

Qu'est-ce que l'oxygène dissous ?

L'oxygène dissous (OD) fait référence à l'oxygène moléculaire (O_₂) dissous dans l'eau. Il diffère des atomes d'oxygène présents dans les molécules d'eau (H_₂O), tel qu'il existe dans l'eau sous forme de molécules d'oxygène indépendantes, provenant soit de l'atmosphère, soit générées par la photosynthèse des plantes aquatiques. La concentration en OD est influencée par divers facteurs, notamment la température, la salinité, le débit d'eau et les activités biologiques. À ce titre, il constitue un indicateur essentiel pour évaluer l'état de santé et de pollution des milieux aquatiques.

L'oxygène dissous joue un rôle essentiel dans le métabolisme microbien, influençant la respiration cellulaire, la croissance et la biosynthèse des produits métaboliques. Cependant, des niveaux élevés d'oxygène dissous ne sont pas toujours bénéfiques. Un excès d'oxygène peut entraîner une métabolisation plus importante des produits accumulés et potentiellement provoquer des réactions toxiques. Les niveaux optimaux d'oxygène dissous varient selon les espèces bactériennes. Par exemple, lors de la biosynthèse de la pénicilline, l'oxygène dissous est généralement maintenu à environ 30 % de saturation en air. Si l'oxygène dissous chute à zéro et reste à ce niveau pendant cinq minutes, la formation du produit peut être considérablement altérée. Si cet état persiste pendant 20 minutes, des dommages irréversibles peuvent survenir.

Actuellement, les capteurs d'oxygène dissous les plus couramment utilisés ne mesurent que la saturation relative en air, et non la concentration absolue en oxygène dissous. Après stérilisation du milieu de culture, l'aération et l'agitation sont effectuées jusqu'à ce que la valeur du capteur se stabilise, puis la valeur est fixée à 100 % de saturation en air. Les mesures ultérieures pendant le processus de fermentation sont basées sur cette référence. Les valeurs absolues d'oxygène dissous ne peuvent pas être déterminées à l'aide de capteurs standard et nécessitent des techniques plus avancées, comme la polarographie. Cependant, les mesures de saturation en air sont généralement suffisantes pour surveiller et contrôler les processus de fermentation.

Au sein d'un fermenteur, les niveaux d'OD peuvent varier selon les régions. Même lorsqu'une mesure stable est obtenue à un moment donné, des fluctuations peuvent persister dans certains milieux de culture. Les fermenteurs de plus grande taille ont tendance à présenter des variations spatiales plus importantes des niveaux d'OD, ce qui peut affecter significativement la croissance et la productivité microbiennes. Des données expérimentales ont montré que, bien que le niveau moyen d'OD puisse atteindre 30 %, les performances de fermentation en conditions fluctuantes sont nettement inférieures à celles en conditions stables. Par conséquent, lors de la mise à l'échelle des fermenteurs, au-delà des considérations de similarité géométrique et de puissance, la minimisation des variations spatiales d'OD reste un objectif de recherche clé.

Pourquoi la surveillance de l’oxygène dissous est-elle essentielle dans la fermentation biopharmaceutique ?

1. Maintenir un environnement de croissance optimal pour les micro-organismes ou les cellules
La fermentation industrielle fait généralement appel à des micro-organismes aérobies, tels qu'Escherichia coli et les levures, ou à des cellules de mammifères, comme les cellules ovariennes de hamster chinois (CHO). Ces cellules fonctionnent comme des « ouvrières » au sein du système de fermentation et ont besoin d'oxygène pour leur respiration et leur activité métabolique. L'oxygène sert d'accepteur terminal d'électrons dans la respiration aérobie, permettant la production d'énergie sous forme d'ATP. Un apport insuffisant en oxygène peut entraîner l'asphyxie cellulaire, l'arrêt de la croissance, voire la mort cellulaire, aboutissant finalement à l'échec de la fermentation. La surveillance des niveaux d'oxygène dissous garantit que les concentrations d'oxygène restent dans la plage optimale pour une croissance et une viabilité cellulaires soutenues.

2. Assurer une synthèse efficace des produits cibles
L'objectif de la fermentation biopharmaceutique n'est pas seulement de favoriser la prolifération cellulaire, mais aussi de faciliter la synthèse efficace de produits cibles, tels que l'insuline, les anticorps monoclonaux, les vaccins et les enzymes. Ces voies de biosynthèse nécessitent souvent un apport énergétique important, principalement issu de la respiration aérobie. De plus, de nombreux systèmes enzymatiques impliqués dans la synthèse des produits dépendent directement de l'oxygène. Un manque d'oxygène peut perturber ou réduire l'efficacité de ces voies.

De plus, les niveaux d'OD agissent comme un signal régulateur. Des concentrations d'OD excessivement élevées ou trop faibles peuvent :
- Modifier les voies métaboliques cellulaires, par exemple en passant de la respiration aérobie à une fermentation anaérobie moins efficace.
- Déclencher des réponses cellulaires au stress, conduisant à la production de sous-produits indésirables.
- Influencer les niveaux d’expression des protéines exogènes.

En contrôlant précisément les niveaux d'OD à différentes étapes de la fermentation, il est possible de guider le métabolisme cellulaire vers une synthèse maximale du produit cible, obtenant ainsi une fermentation à haute densité et à haut rendement.

Introduction au diagramme de flux d'eau pour les produits biopharmaceutiques

3. Pour prévenir le manque ou l'excès d'oxygène
Le manque d’oxygène (hypoxie) peut avoir de graves conséquences :
- La croissance cellulaire et la synthèse des produits cessent.
- Le métabolisme se déplace vers les voies anaérobies, ce qui entraîne l’accumulation d’acides organiques tels que l’acide lactique et l’acide acétique, qui abaissent le pH du milieu de culture et peuvent empoisonner les cellules.
- Une hypoxie prolongée peut provoquer des dommages irréversibles, la récupération étant incomplète même après le rétablissement de l’apport en oxygène.

L'excès d'oxygène (sursaturation) présente également des risques :
- Il peut induire un stress oxydatif et la formation d’espèces réactives de l’oxygène (ROS), qui endommagent les membranes cellulaires et les biomolécules.
- Une aération et une agitation excessives augmentent la consommation d’énergie et les coûts d’exploitation, entraînant un gaspillage inutile de ressources.

4. En tant que paramètre critique pour la surveillance en temps réel et le contrôle de rétroaction

L'OD est un paramètre complet, continu et en temps réel qui reflète les conditions internes du système de fermentation. Les variations de l'OD peuvent indiquer avec précision divers états physiologiques et opérationnels :
- La croissance cellulaire rapide augmente la consommation d’oxygène, ce qui entraîne une baisse des niveaux d’OD.
- L’épuisement ou l’inhibition du substrat ralentit le métabolisme, réduisant la consommation d’oxygène et provoquant une augmentation des niveaux d’OD.
- La contamination par des micro-organismes étrangers modifie le modèle de consommation d’oxygène, entraînant des fluctuations anormales de l’OD et servant de signal d’alerte précoce.
- Des dysfonctionnements de l'équipement, tels qu'une défaillance de l'agitateur, un blocage du tuyau de ventilation ou un encrassement du filtre, peuvent également entraîner un comportement anormal de l'OD.

En intégrant la surveillance DO en temps réel dans un système de contrôle de rétroaction automatisé, une régulation précise des niveaux DO peut être obtenue grâce à des ajustements dynamiques des paramètres suivants :
- Vitesse d'agitation : l'augmentation de la vitesse améliore le contact gaz-liquide en brisant les bulles, améliorant ainsi l'efficacité du transfert d'oxygène. C'est la méthode la plus couramment utilisée et la plus efficace.
- Taux d'aération : Réglage du débit ou de la composition du gaz d'admission (par exemple, augmentation de la proportion d'air ou d'oxygène pur).
- Pression du réservoir : l'augmentation de la pression augmente la pression partielle d'oxygène, améliorant ainsi la solubilité.
- Température : L’abaissement de la température augmente la solubilité de l’oxygène dans le milieu de culture.

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