Notícias - Monitoramento dos níveis de pH no processo de fermentação biofarmacêutica

O eletrodo de pH desempenha um papel crítico no processo de fermentação, servindo principalmente para monitorar e regular a acidez e a alcalinidade do caldo de fermentação. Ao medir continuamente o valor do pH, o eletrodo permite o controle preciso do ambiente de fermentação. Um eletrodo de pH típico consiste em um eletrodo sensor e um eletrodo de referência, operando segundo o princípio da equação de Nernst, que rege a conversão de energia química em sinais elétricos. O potencial do eletrodo está diretamente relacionado à atividade dos íons de hidrogênio na solução. O valor do pH é determinado pela comparação da diferença de voltagem medida com a de uma solução tampão padrão, permitindo uma calibração precisa e confiável. Essa abordagem de medição garante a regulação estável do pH durante todo o processo de fermentação, apoiando assim a atividade microbiana ou celular ideal e garantindo a qualidade do produto.

O uso adequado de eletrodos de pH requer várias etapas preparatórias, incluindo a ativação do eletrodo — normalmente obtida pela imersão do eletrodo em água destilada ou em uma solução tampão de pH 4 — para garantir a responsividade e a precisão da medição ideais. Para atender às rigorosas demandas da indústria de fermentação biofarmacêutica, os eletrodos de pH devem apresentar tempos de resposta rápidos, alta precisão e robustez sob condições rigorosas de esterilização, como a esterilização a vapor em alta temperatura (SIP). Essas características permitem um desempenho confiável em ambientes estéreis. Por exemplo, na produção de ácido glutâmico, o monitoramento preciso do pH é essencial para controlar parâmetros-chave como temperatura, oxigênio dissolvido, velocidade de agitação e o próprio pH. A regulação precisa dessas variáveis influencia diretamente o rendimento e a qualidade do produto final. Certos eletrodos de pH avançados, com membranas de vidro resistentes a altas temperaturas e sistemas de referência de gel polimérico pré-pressurizado, demonstram estabilidade excepcional sob condições extremas de temperatura e pressão, tornando-os particularmente adequados para aplicações SIP em processos de fermentação biológica e de alimentos. Além disso, suas fortes capacidades antiincrustantes permitem um desempenho consistente em diversos caldos de fermentação. A Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. oferece várias opções de conectores de eletrodos, aumentando a conveniência do usuário e a flexibilidade de integração do sistema.

Por que o monitoramento do pH é necessário durante o processo de fermentação de biofármacos?

Na fermentação biofarmacêutica, o monitoramento e o controle do pH em tempo real são essenciais para o sucesso da produção e para maximizar o rendimento e a qualidade de produtos-alvo, como antibióticos, vacinas, anticorpos monoclonais e enzimas. Em essência, o controle do pH cria um ambiente fisiológico ideal para células microbianas ou de mamíferos — funcionando como "fábricas vivas" — cultivarem e sintetizarem compostos terapêuticos, de forma análoga à forma como os agricultores ajustam o pH do solo de acordo com as necessidades das culturas.

1. Manter a atividade celular ideal
A fermentação depende de células vivas (por exemplo, células CHO) para produzir biomoléculas complexas. O metabolismo celular é altamente sensível ao pH ambiental. As enzimas, que catalisam todas as reações bioquímicas intracelulares, têm pH ótimos estreitos; desvios dessa faixa podem reduzir significativamente a atividade enzimática ou causar desnaturação, prejudicando a função metabólica. Além disso, a absorção de nutrientes através da membrana celular — como glicose, aminoácidos e sais inorgânicos — depende do pH. Níveis de pH abaixo do ideal podem dificultar a absorção de nutrientes, levando a crescimento abaixo do ideal ou desequilíbrio metabólico. Além disso, valores extremos de pH podem comprometer a integridade da membrana, resultando em extravasamento citoplasmático ou lise celular.

2. Minimizar a formação de subprodutos e o desperdício de substrato
Durante a fermentação, o metabolismo celular gera metabólitos ácidos ou básicos. Por exemplo, muitos microrganismos produzem ácidos orgânicos (p. ex., ácido lático, ácido acético) durante o catabolismo da glicose, causando uma queda no pH. Se não corrigido, o pH baixo inibe o crescimento celular e pode desviar o fluxo metabólico para vias não produtivas, aumentando o acúmulo de subprodutos. Esses subprodutos consomem recursos valiosos de carbono e energia que, de outra forma, sustentariam a síntese do produto alvo, reduzindo assim o rendimento geral. O controle eficaz do pH ajuda a manter as rotas metabólicas desejadas e melhora a eficiência do processo.

3. Garantir a estabilidade do produto e evitar a degradação
Muitos produtos biofarmacêuticos, especialmente proteínas como anticorpos monoclonais e hormônios peptídicos, são suscetíveis a alterações estruturais induzidas pelo pH. Fora de sua faixa estável de pH, essas moléculas podem sofrer desnaturação, agregação ou inativação, potencialmente formando precipitados nocivos. Além disso, certos produtos são propensos à hidrólise química ou degradação enzimática em condições ácidas ou alcalinas. Manter o pH adequado minimiza a degradação do produto durante a fabricação, preservando sua potência e segurança.

4. Otimizar a eficiência do processo e garantir a consistência entre lotes
Do ponto de vista industrial, o controle do pH impacta diretamente a produtividade e a viabilidade econômica. Pesquisas extensivas são conduzidas para identificar os pontos de ajuste de pH ideais para diferentes fases da fermentação — como crescimento celular versus expressão do produto — que podem diferir significativamente. O controle dinâmico do pH permite a otimização específica para cada estágio, maximizando o acúmulo de biomassa e os títulos do produto. Além disso, agências reguladoras como a FDA e a EMA exigem adesão rigorosa às Boas Práticas de Fabricação (BPF), onde parâmetros de processo consistentes são obrigatórios. O pH é reconhecido como um Parâmetro Crítico de Processo (PPC), e seu monitoramento contínuo garante a reprodutibilidade entre lotes, garantindo a segurança, a eficácia e a qualidade dos produtos farmacêuticos.

5. Servir como um indicador da saúde da fermentação
A tendência de variação do pH fornece informações valiosas sobre o estado fisiológico da cultura. Alterações repentinas ou inesperadas no pH podem indicar contaminação, mau funcionamento do sensor, depleção de nutrientes ou anomalias metabólicas. A detecção precoce com base nas tendências de pH permite a intervenção oportuna do operador, facilitando a solução de problemas e prevenindo falhas dispendiosas em lotes.

Como os sensores de pH devem ser selecionados para o processo de fermentação em biofármacos?

Selecionar um sensor de pH adequado para fermentação biofarmacêutica é uma decisão crítica de engenharia que afeta a confiabilidade do processo, a integridade dos dados, a qualidade do produto e a conformidade regulatória. A seleção deve ser feita de forma sistemática, considerando não apenas o desempenho do sensor, mas também a compatibilidade com todo o fluxo de trabalho do bioprocessamento.

1. Resistência a altas temperaturas e pressão
Os processos biofarmacêuticos comumente empregam esterilização a vapor in situ (SIP), tipicamente a 121 °C e pressão de 1 a 2 bar por 20 a 60 minutos. Portanto, qualquer sensor de pH deve suportar exposição repetida a tais condições sem falhas. Idealmente, o sensor deve ser classificado para pelo menos 130 °C e 3 a 4 bar para fornecer uma margem de segurança. Uma vedação robusta é essencial para evitar a entrada de umidade, vazamento de eletrólitos ou danos mecânicos durante o ciclo térmico.

2. Tipo de sensor e sistema de referência
Esta é uma consideração técnica fundamental que afeta a estabilidade a longo prazo, as necessidades de manutenção e a resistência à incrustação.
Configuração do eletrodo: Eletrodos compostos, que integram elementos de medição e referência em um único corpo, são amplamente adotados devido à facilidade de instalação e manuseio.
Sistema de referência:
• Referência preenchida com líquido (p. ex., solução de KCl): Oferece resposta rápida e alta precisão, mas requer recarga periódica. Durante a SIP, pode ocorrer perda de eletrólitos, e junções porosas (p. ex., fritas cerâmicas) são propensas a obstrução por proteínas ou partículas, levando a desvios e leituras não confiáveis.
• Gel polimérico ou referência em estado sólido: Cada vez mais preferidos em biorreatores modernos. Esses sistemas eliminam a necessidade de reposição de eletrólitos, reduzem a manutenção e apresentam junções líquidas mais largas (por exemplo, anéis de PTFE) que resistem à incrustação. Oferecem estabilidade superior e vida útil mais longa em meios de fermentação complexos e viscosos.

3. Faixa de medição e precisão
O sensor deve cobrir uma ampla faixa operacional, normalmente pH 2–12, para acomodar diferentes estágios do processo. Dada a sensibilidade dos sistemas biológicos, a precisão da medição deve estar entre ±0,01 e ±0,02 unidades de pH, com suporte de saída de sinal de alta resolução.

4. Tempo de resposta
O tempo de resposta é comumente definido como t90 — o tempo necessário para atingir 90% da leitura final após uma mudança gradual no pH. Embora eletrodos de gel possam apresentar uma resposta um pouco mais lenta do que os preenchidos com líquido, eles geralmente atendem aos requisitos dinâmicos dos circuitos de controle de fermentação, que operam em escalas de tempo horárias em vez de segundos.

5. Biocompatibilidade
Todos os materiais em contato com o meio de cultura devem ser atóxicos, não lixiviáveis e inertes para evitar efeitos adversos na viabilidade celular ou na qualidade do produto. Formulações de vidro especializadas, projetadas para aplicações de bioprocessamento, são recomendadas para garantir resistência química e biocompatibilidade.

6. Saída de sinal e interface
• Saída analógica (mV/pH): Método tradicional que utiliza transmissão analógica para o sistema de controle. Econômico, mas vulnerável a interferências eletromagnéticas e atenuação de sinal em longas distâncias.
• Saída digital (por exemplo, sensores inteligentes ou baseados em MEMS): Incorpora microeletrônica integrada para transmitir sinais digitais (por exemplo, via RS485). Oferece excelente imunidade a ruídos, suporta comunicação de longa distância e permite o armazenamento de histórico de calibração, números de série e registros de uso. Atende a normas regulatórias como a FDA 21 CFR Parte 11 referente a registros e assinaturas eletrônicas, tornando-a cada vez mais utilizada em ambientes de BPF.

7. Interface de instalação e caixa de proteção
O sensor deve ser compatível com a porta designada no biorreator (por exemplo, tri-clamp, conexão sanitária). Luvas ou protetores são recomendados para evitar danos mecânicos durante o manuseio ou operação e para facilitar a substituição sem comprometer a esterilidade.