溶存酸素とは何ですか?
溶存酸素（DO）は分子状酸素（O₂）が水に溶解している状態です。これは水分子に含まれる酸素原子（H₂O）は、水中で独立した酸素分子の形で存在し、大気由来のもの、または水生植物の光合成によって生成されます。DO濃度は、温度、塩分濃度、水流、生物活動など、様々な要因の影響を受けます。そのため、DOは水環境の健全性と汚染状態を評価するための重要な指標となります。
溶存酸素は微生物の代謝を促進する上で重要な役割を果たし、細胞の呼吸、成長、そして代謝産物の生合成に影響を与えます。しかし、溶存酸素レベルが高いことが必ずしも有益であるとは限りません。過剰な酸素は蓄積された産物のさらなる代謝を促し、毒性反応を引き起こす可能性があります。最適なDOレベルは細菌種によって異なります。例えば、ペニシリンの生合成中は、DOは通常約30%の空気飽和度に維持されます。DOがゼロに低下し、そのレベルが5分間続くと、産物の形成が著しく阻害される可能性があります。この状態が20分間続くと、不可逆的な損傷が発生する可能性があります。
現在、最も一般的に使用されているDOセンサーは、溶存酸素の絶対濃度ではなく、相対的な空気飽和度しか測定できません。培養培地を滅菌した後、センサーの測定値が安定するまでエアレーションと撹拌を行い、その時点で値を100%空気飽和度に設定します。発酵プロセス中のその後の測定は、この基準値に基づいて行われます。標準的なセンサーでは絶対DO値を測定することはできず、ポーラログラフィーなどのより高度な技術が必要です。しかしながら、空気飽和度の測定は、発酵プロセスの監視と制御には一般的に十分です。
発酵槽内では、DOレベルは領域によって変動する可能性があります。ある時点で安定した測定値が得られても、特定の培養液では変動が生じる可能性があります。大型発酵槽ではDOレベルの空間的な変動が大きくなる傾向があり、これは微生物の増殖と生産性に重大な影響を与える可能性があります。実験結果によると、平均DOレベルが30%であっても、変動条件下での発酵パフォーマンスは安定条件下での発酵パフォーマンスよりも著しく低下することが示されています。したがって、発酵槽のスケールアップにおいては、形状や出力の相似性を考慮するだけでなく、空間的なDO変動を最小限に抑えることが依然として重要な研究目標です。
バイオ医薬品発酵において溶存酸素モニタリングが不可欠なのはなぜですか?
1. 微生物や細胞にとって最適な生育環境を維持する
工業発酵には通常、大腸菌や酵母などの好気性微生物、またはチャイニーズハムスター卵巣細胞（CHO細胞）などの哺乳類細胞が関与します。これらの細胞は発酵システム内で「働き手」として機能し、呼吸と代謝活動に酸素を必要とします。酸素は好気呼吸における終末電子受容体として機能し、ATPという形でエネルギーを産生します。酸素供給が不十分だと、細胞の窒息、成長停止、さらには細胞死につながり、最終的には発酵が失敗に終わる可能性があります。DOレベルをモニタリングすることで、酸素濃度が細胞の持続的な成長と生存にとって最適な範囲内に維持されます。
2. 目的生成物の効率的な合成を確保する
バイオ医薬品発酵の目的は、単に細胞増殖を促進することではなく、インスリン、モノクローナル抗体、ワクチン、酵素といった目的の標的産物の効率的な合成を促進することです。これらの生合成経路は、多くの場合、主に好気呼吸に由来する多大なエネルギー投入を必要とします。さらに、産物合成に関与する多くの酵素系は、酸素に直接依存しています。酸素欠乏は、これらの経路を阻害したり、効率を低下させたりする可能性があります。
さらに、DO濃度は調節信号として機能します。DO濃度が高すぎる場合も低すぎる場合も、以下のような影響があります。
- 細胞の代謝経路を変更します。たとえば、好気呼吸から効率の低い嫌気発酵に移行します。
- 細胞のストレス反応を引き起こし、望ましくない副産物の生成につながります。
- 外因性タンパク質の発現レベルに影響を与えます。
発酵のさまざまな段階で DO レベルを正確に制御することにより、細胞代謝を最大の目標生成物合成に導き、高密度かつ高収量の発酵を実現できます。
3. 酸素不足や過剰を防ぐ
酸素欠乏（低酸素症）は深刻な結果をもたらす可能性があります。
- 細胞の成長と生成物の合成が停止します。
- 代謝が嫌気性経路に移行し、乳酸や酢酸などの有機酸が蓄積して、培養培地の pH が低下し、細胞に毒性を与える可能性があります。
- 低酸素状態が長引くと、酸素供給が回復した後でも回復が不完全となり、不可逆的な損傷を引き起こす可能性があります。
過剰な酸素（過飽和）もリスクをもたらします。
- 酸化ストレスと活性酸素種（ROS）の形成を引き起こし、細胞膜や生体分子にダメージを与えます。
- 過剰な曝気と撹拌はエネルギー消費と運用コストを増加させ、不必要な資源の浪費につながります。
4. リアルタイム監視とフィードバック制御の重要なパラメータとして
DOは、発酵システムの内部状態を反映する、リアルタイムで連続的かつ包括的なパラメータです。DOレベルの変化は、様々な生理学的状態や運転状態を敏感に示すことができます。
- 急速な細胞増殖により酸素消費量が増加し、DO レベルが低下します。
- 基質の枯渇または阻害により代謝が遅くなり、酸素の消費量が減り、DO レベルが上昇します。
- 外来微生物による汚染は酸素消費パターンを変え、異常な DO 変動を引き起こし、早期警告信号として機能します。
- 撹拌機の故障、換気パイプの詰まり、フィルターの汚れなどの機器の故障によっても、異常な DO 挙動が発生する可能性があります。
リアルタイムの DO モニタリングを自動フィードバック制御システムに統合することで、次のパラメータを動的に調整し、DO レベルを正確に制御できます。
- 撹拌速度：撹拌速度を上げると、気泡が分解されて気液接触が促進され、酸素移動効率が向上します。これは最も一般的に使用され、効果的な方法です。
- 曝気速度: 入口ガスの流量または組成を調整する (例: 空気または純酸素の割合を増やす)。
- タンク圧力: 圧力を上げると酸素分圧が上昇し、溶解度が向上します。
- 温度: 温度を下げると、培養培地中の酸素の溶解度が高まります。
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投稿日時: 2025年9月16日
