Notícias - Monitoramento dos níveis de oxigênio dissolvido no processo de fermentação biofarmacêutica

O que é oxigênio dissolvido?

Oxigênio dissolvido (OD) refere-se ao oxigênio molecular (O_₂) que é dissolvido em água. Difere dos átomos de oxigênio presentes nas moléculas de água (H_₂O), presente na água na forma de moléculas independentes de oxigênio, provenientes da atmosfera ou geradas pela fotossíntese de plantas aquáticas. A concentração de OD é influenciada por diversos fatores, incluindo temperatura, salinidade, fluxo de água e atividades biológicas. Como tal, serve como um indicador crítico para avaliar o estado de saúde e poluição dos ambientes aquáticos.

O oxigênio dissolvido desempenha um papel vital na promoção do metabolismo microbiano, influenciando a respiração celular, o crescimento e a biossíntese de produtos metabólicos. No entanto, níveis mais elevados de oxigênio dissolvido nem sempre são benéficos. O excesso de oxigênio pode levar à metabolização adicional dos produtos acumulados e potencialmente causar reações tóxicas. Os níveis ideais de OD variam entre as diferentes espécies bacterianas. Por exemplo, durante a biossíntese da penicilina, o OD é normalmente mantido em aproximadamente 30% de saturação do ar. Se o OD cair para zero e permanecer nesse nível por cinco minutos, a formação do produto pode ser significativamente prejudicada. Se essa condição persistir por 20 minutos, podem ocorrer danos irreversíveis.

Atualmente, os sensores de OD mais utilizados medem apenas a saturação relativa do ar, e não a concentração absoluta de oxigênio dissolvido. Após a esterilização do meio de cultura, a aeração e a agitação são realizadas até que a leitura do sensor se estabilize, momento em que o valor é definido como 100% de saturação do ar. As medições subsequentes durante o processo de fermentação baseiam-se nessa referência. Os valores absolutos de OD não podem ser determinados com sensores padrão e requerem técnicas mais avançadas, como a polarografia. No entanto, as medições de saturação do ar geralmente são suficientes para monitorar e controlar os processos de fermentação.

Dentro de um fermentador, os níveis de OD podem variar entre diferentes regiões. Mesmo quando uma leitura estável é obtida em um ponto, flutuações ainda podem ocorrer em certos meios de cultura. Fermentadores maiores tendem a apresentar maiores variações espaciais nos níveis de OD, o que pode afetar significativamente o crescimento e a produtividade microbiana. Evidências experimentais demonstraram que, embora o nível médio de OD possa ser de 30%, o desempenho da fermentação em condições flutuantes é notavelmente inferior ao de condições estáveis. Portanto, no escalonamento de fermentadores — além das considerações de similaridade geométrica e de potência — minimizar as variações espaciais de OD continua sendo um objetivo fundamental da pesquisa.

Por que o monitoramento de oxigênio dissolvido é essencial na fermentação biofarmacêutica?

1. Para manter o ambiente de crescimento ideal para microrganismos ou células
A fermentação industrial normalmente envolve microrganismos aeróbicos, como Escherichia coli e leveduras, ou células de mamíferos, como as células de ovário de hamster chinês (CHO). Essas células funcionam como "trabalhadoras" dentro do sistema de fermentação, necessitando de oxigênio para a respiração e a atividade metabólica. O oxigênio atua como o aceptor terminal de elétrons na respiração aeróbica, permitindo a produção de energia na forma de ATP. O fornecimento insuficiente de oxigênio pode levar à sufocação celular, parada do crescimento ou até mesmo à morte celular, resultando, em última análise, na falha da fermentação. O monitoramento dos níveis de OD garante que as concentrações de oxigênio permaneçam dentro da faixa ideal para o crescimento e a viabilidade celular sustentados.

2. Para garantir a síntese eficiente dos produtos alvo
O objetivo da fermentação biofarmacêutica não é apenas promover a proliferação celular, mas também facilitar a síntese eficiente de produtos-alvo desejados, como insulina, anticorpos monoclonais, vacinas e enzimas. Essas vias biossintéticas frequentemente requerem um aporte energético substancial, derivado principalmente da respiração aeróbica. Além disso, muitos sistemas enzimáticos envolvidos na síntese de produtos dependem diretamente do oxigênio. A deficiência de oxigênio pode interromper ou reduzir a eficiência dessas vias.

Além disso, os níveis de OD atuam como um sinal regulador. Concentrações excessivamente altas ou baixas de OD podem:
- Alterar as vias metabólicas celulares, por exemplo, mudando da respiração aeróbica para a fermentação anaeróbica menos eficiente.
- Desencadeia respostas de estresse celular, levando à produção de subprodutos indesejáveis.
- Influenciar os níveis de expressão de proteínas exógenas.

Ao controlar precisamente os níveis de OD em diferentes estágios da fermentação, é possível orientar o metabolismo celular em direção à síntese máxima do produto alvo, alcançando assim uma fermentação de alta densidade e alto rendimento.

Introdução ao Fluxograma de Água para Biofármacos

3. Para prevenir a deficiência ou excesso de oxigênio
A deficiência de oxigênio (hipóxia) pode ter consequências graves:
- O crescimento celular e a síntese de produtos cessam.
- O metabolismo muda para vias anaeróbicas, resultando no acúmulo de ácidos orgânicos, como ácido lático e ácido acético, que diminuem o pH do meio de cultura e podem envenenar as células.
- A hipóxia prolongada pode causar danos irreversíveis, com a recuperação incompleta mesmo após o suprimento de oxigênio ser restaurado.

O excesso de oxigênio (supersaturação) também apresenta riscos:
- Pode induzir estresse oxidativo e a formação de espécies reativas de oxigênio (ERO), que danificam membranas celulares e biomoléculas.
- Aeração e agitação excessivas aumentam o consumo de energia e os custos operacionais, levando ao desperdício desnecessário de recursos.

4. Como um parâmetro crítico para monitoramento em tempo real e controle de feedback

O OD é um parâmetro abrangente, contínuo e em tempo real que reflete as condições internas do sistema de fermentação. Alterações nos níveis de OD podem indicar com sensibilidade diversos estados fisiológicos e operacionais:
- O rápido crescimento celular aumenta o consumo de oxigênio, causando o declínio dos níveis de OD.
- A depleção ou inibição do substrato retarda o metabolismo, reduzindo o consumo de oxigênio e causando aumento dos níveis de OD.
- A contaminação por microrganismos estranhos altera o padrão de consumo de oxigênio, levando a flutuações anormais de OD e servindo como um sinal de alerta precoce.
- Mau funcionamento do equipamento, como falha do agitador, bloqueio do tubo de ventilação ou entupimento do filtro, também podem resultar em comportamento anormal do OD.

Ao integrar o monitoramento de OD em tempo real em um sistema de controle de feedback automatizado, a regulação precisa dos níveis de OD pode ser alcançada por meio de ajustes dinâmicos dos seguintes parâmetros:
- Velocidade de agitação: Aumentar a velocidade melhora o contato gás-líquido, quebrando bolhas e, assim, melhorando a eficiência da transferência de oxigênio. Este é o método mais comumente utilizado e eficaz.
- Taxa de aeração: ajuste da vazão ou composição do gás de entrada (por exemplo, aumentando a proporção de ar ou oxigênio puro).
- Pressão do tanque: o aumento da pressão aumenta a pressão parcial de oxigênio, aumentando assim a solubilidade.
- Temperatura: A redução da temperatura aumenta a solubilidade do oxigênio no meio de cultura.

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