BİYO-REAKTÖRLERDE ÇÖZÜNÜMŞ OKSİJEN İLETİMİ
Biyo-reaktörlerde çözünmüş oksijen iletimi, mikroorganizmaların veya hücre kültürlerinin yaşamsal faaliyetlerini sürdürebilmeleri için gerekli olan oksijenin, biyo-reaktör ortamında sıvı faza taşınması ve dağıtılması sürecini ifade eden kritik bir kavramdır. Bu süreç, biyoteknoloji, biyomedikal mühendisliği ve endüstriyel biyoproseslerde verimliliğin artırılması ve ürün kalitesinin sağlanması açısından hayati öneme sahiptir. Çözünmüş oksijen iletimi, biyo-reaktörün tasarımı, işletme koşulları ve kullanılan mikroorganizmaların oksijen ihtiyacına göre optimize edilmelidir.
Biyo-reaktörler, genellikle hücresel metabolizma için gerekli olan oksijeni sağlamak amacıyla, gaz fazından sıvı faza oksijen transferini gerçekleştiren sistemlerdir. Bu transfer, gaz-sıvı ara yüzeyinde gerçekleşir ve oksijen moleküllerinin sıvı içine çözünmesiyle başlar. Oksijen iletimi, gaz transfer hızı (OTR – Oxygen Transfer Rate) olarak adlandırılan bir parametre ile ölçülür ve bu hız, biyo-reaktör performansının temel göstergelerinden biridir. OTR, oksijenun gaz fazından sıvı faza geçiş hızını ve mikroorganizma tarafından tüketilme hızını dengeler.
Çözünmüş oksijen iletiminde etkili olan başlıca faktörler arasında gaz kabarcıklarının büyüklüğü, karıştırma hızı, oksijen konsantrasyonu farkı, sıvının viskozitesi ve biyokütle yoğunluğu yer alır. Küçük kabarcıklar, yüzey alanını artırarak oksijen transferini kolaylaştırırken, yüksek karıştırma hızları gaz-sıvı temasını artırır ancak aşırı karıştırma hücrelere zarar verebilir. Ayrıca, sıvı içindeki oksijen doygunluğu ile mikroorganizmaların oksijen tüketimi arasındaki fark, oksijen iletim hızını belirleyen temel sürükleyici güçtür.
Biyo-reaktörlerde oksijen iletimi, kütle transferi prensiplerine dayanır ve bu süreç genellikle Fick’in difüzyon kanunları ile modellenir. Oksijen, gaz kabarcıklarından sıvıya difüze olur ve ardından sıvı içinde hücrelere doğru taşınır. Bu nedenle, oksijen iletim verimliliği, hem gaz-sıvı ara yüzeyindeki transfer katsayısı (kLa) hem de sıvı içindeki oksijen difüzyon katsayısı ile ilişkilidir. kLa değeri, biyo-reaktörün tasarımına ve işletme koşullarına bağlı olarak değişir ve yüksek kLa değerleri, daha etkin oksijen iletimi anlamına gelir.
Çözünmüş oksijen iletimi, özellikle yüksek hücre yoğunluklu kültürler ve yüksek oksijen talebi olan biyoproseslerde zorluklar yaratır. Oksijenun sınırlı çözünürlüğü ve difüzyon hızı, oksijen transferini kısıtlayabilir ve bu da hücre büyümesini ve metabolik aktiviteyi olumsuz etkileyebilir. Bu nedenle, biyo-reaktörlerde oksijen iletimini artırmak için hava veya oksijen zenginleştirilmiş gaz karışımları, yüksek verimli karıştırıcılar, mikro kabarcık jeneratörleri ve membran oksijenatörleri gibi teknolojiler kullanılır.
Oksijen iletiminde karşılaşılan bir diğer önemli konu da oksijen toksisitesi riskidir. Aşırı yüksek çözünmüş oksijen konsantrasyonları, bazı hü