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 (O₂)._₂) que está dissolvido em água. Ele difere dos átomos de oxigênio presentes nas moléculas de água (H_₂O oxigênio dissolvido (OD) existe na água na forma de moléculas independentes, provenientes da atmosfera ou geradas pela fotossíntese de plantas aquáticas. A concentração de OD é influenciada por diversos fatores, como temperatura, salinidade, fluxo de água e atividades biológicas. Dessa forma, serve como um indicador crucial para avaliar a saúde e o nível de 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 elevados de oxigênio dissolvido nem sempre são benéficos. O excesso de oxigênio pode levar ao metabolismo adicional de produtos acumulados e potencialmente causar reações tóxicas. Os níveis ótimos de OD variam entre as diferentes espécies bacterianas. Por exemplo, durante a biossíntese da penicilina, o OD é tipicamente mantido em aproximadamente 30% de saturação de 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 (oxigênio dissolvido) mais comuns só conseguem medir a saturação relativa do ar, e não a concentração absoluta de oxigênio dissolvido. Após a esterilização do meio de cultura, aeração e agitação são realizadas até que a leitura do sensor se estabilize, momento em que o valor é definido como 100% de saturação de ar. As medições subsequentes durante o processo de fermentação são baseadas nessa referência. Valores absolutos de OD não podem ser determinados com sensores padrão e exigem técnicas mais avançadas, como a polarografia. No entanto, as medições de saturação de ar geralmente são suficientes para o monitoramento e controle de processos de fermentação.

Dentro de um fermentador, os níveis de OD (oxigênio dissolvido) podem variar em diferentes regiões. Mesmo quando se obtém uma leitura estável 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 de flutuação é notavelmente inferior ao em condições estáveis. Portanto, na ampliação de fermentadores — além das considerações de similaridade geométrica e de potência — minimizar as variações espaciais de OD continua sendo um objetivo fundamental de pesquisa.

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

1. Manter o ambiente ideal para o crescimento de microrganismos ou células
A fermentação industrial normalmente envolve microrganismos aeróbicos, como Escherichia coli e leveduras, ou células de mamíferos, como células de ovário de hamster chinês (CHO). Essas células funcionam como "trabalhadoras" dentro do sistema de fermentação, necessitando de oxigênio para a respiração e atividade metabólica. O oxigênio atua como aceptor final de elétrons na respiração aeróbica, possibilitando a produção de energia na forma de ATP. O suprimento insuficiente de oxigênio pode levar à asfixia celular, à interrupção do crescimento ou mesmo à morte celular, resultando, em última instância, na falha da fermentação. O monitoramento dos níveis de oxigênio dissolvido (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 desejados.
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 do produto dependem diretamente de oxigênio. A deficiência de oxigênio pode interromper ou reduzir a eficiência dessas vias.

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

Controlando com precisão os níveis de OD (oxigênio dissolvido) em diferentes estágios da fermentação, é possível direcionar o metabolismo celular para a síntese máxima do produto desejado, alcançando assim uma fermentação de alta densidade e alto rendimento.

Introdução ao fluxograma de água para produtos biofarmacêuticos

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

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

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

O OD (oxigênio dissolvido) é um parâmetro contínuo, abrangente e em tempo real que reflete as condições internas do sistema de fermentação. Alterações nos níveis de OD podem indicar, de forma sensível, diversos estados fisiológicos e operacionais:
- O rápido crescimento celular aumenta o consumo de oxigênio, causando a queda dos níveis de OD (oxigênio dissolvido).
- O esgotamento ou a inibição do substrato retarda o metabolismo, reduzindo o consumo de oxigênio e causando o aumento dos níveis de OD (oxigênio dissolvido).
A contaminação por microrganismos estranhos altera o padrão de consumo de oxigênio, levando a flutuações anormais de OD (oxigênio dissolvido) e servindo como um sinal de alerta precoce.
- Problemas com equipamentos, como falha no agitador, bloqueio do tubo de ventilação ou obstrução do filtro, também podem resultar em comportamento anormal do OD (oxigênio dissolvido).

Ao integrar o monitoramento de OD em tempo real em um sistema automatizado de controle de feedback, é possível obter uma regulação precisa dos níveis de OD por meio de ajustes dinâmicos dos seguintes parâmetros:
- Velocidade de agitação: Aumentar a velocidade melhora o contato gás-líquido ao romper as bolhas, aumentando assim a eficiência da transferência de oxigênio. Este é o método mais comum e eficaz.
- Taxa de aeração: Ajustar a vazão ou a composição do gás de entrada (por exemplo, aumentar a proporção de ar ou oxigênio puro).
- Pressão do tanque: O aumento da pressão eleva 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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