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

O eletrodo de pH desempenha um papel crucial no processo de fermentação, servindo principalmente para monitorar e regular a acidez e a alcalinidade do meio fermentativo. Ao medir continuamente o valor do pH, o eletrodo permite um controle preciso do ambiente de fermentação. Um eletrodo de pH típico consiste em um eletrodo sensor e um eletrodo de referência, operando com base no 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 comparando-se a diferença de voltagem medida com a de uma solução tampão padrão, permitindo uma calibração precisa e confiável. Essa abordagem de medição garante uma regulação estável do pH ao longo do processo de fermentação, favorecendo assim a atividade microbiana ou celular ideal e assegurando a qualidade do produto.

O uso correto de eletrodos de pH requer diversas etapas preparatórias, incluindo a ativação do eletrodo — geralmente realizada por imersão em água destilada ou em uma solução tampão de pH 4 — para garantir a resposta ideal e a precisão da medição. Para atender às exigências rigorosas 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 o controle de 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-pressurizados, demonstram estabilidade excepcional sob condições extremas de temperatura e pressão, tornando-os particularmente adequados para aplicações de SIP em processos de fermentação biológica e de alimentos. Além disso, suas fortes propriedades anti-incrustantes permitem um desempenho consistente em diversos meios de fermentação. A Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. oferece diversas opções de conectores de eletrodos, aumentando a conveniência para o 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. Essencialmente, o controle do pH cria um ambiente fisiológico ideal para que células microbianas ou de mamíferos — que funcionam como "fábricas vivas" — cresçam e sintetizem compostos terapêuticos, de forma análoga à maneira 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 do meio. As enzimas, que catalisam todas as reações bioquímicas intracelulares, possuem faixas de pH ótimas estreitas; 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 — é dependente do pH. Níveis de pH subótimos podem dificultar a absorção de nutrientes, levando a um crescimento subótimo ou desequilíbrio metabólico. Ademais, valores extremos de pH podem comprometer a integridade da membrana, resultando em vazamento 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 (como o ácido lático e o 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, seriam utilizados para a síntese do produto desejado, 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 prevenir 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 de pH estável, essas moléculas podem sofrer desnaturação, agregação ou inativação, podendo formar precipitados nocivos. Além disso, certos produtos são propensos à hidrólise química ou degradação enzimática em condições ácidas ou alcalinas. A manutenção de um 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. Extensas pesquisas são conduzidas para identificar os pontos de ajuste de pH ideais para diferentes fases da fermentação — como o crescimento celular versus a expressão do produto — que podem diferir significativamente. O controle dinâmico do pH permite a otimização específica de cada fase, maximizando o acúmulo de biomassa e os títulos do produto. Além disso, agências reguladoras como a FDA e a EMA exigem estrita adesão às Boas Práticas de Fabricação (BPF), onde parâmetros de processo consistentes são obrigatórios. O pH é reconhecido como um Parâmetro Crítico de Processo (PCP), e seu monitoramento contínuo garante a reprodutibilidade entre lotes, assegurando a segurança, a eficácia e a qualidade dos produtos farmacêuticos.

5. Serve como 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 sinalizar 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 resolução de problemas e prevenindo falhas dispendiosas em lotes.

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

A seleção de 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 pressões
Os processos biofarmacêuticos geralmente 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 os ciclos térmicos.

2. Tipo de sensor e sistema de referência
Essa é uma consideração técnica fundamental que afeta a estabilidade a longo prazo, as necessidades de manutenção e a resistência à incrustação.
Configuração dos eletrodos: Eletrodos compostos, que integram elementos de medição e de referência em um único corpo, são amplamente adotados devido à facilidade de instalação e manuseio.
Sistema de referência:
• Referência com líquido (ex.: solução de KCl): Oferece resposta rápida e alta precisão, mas requer reabastecimento periódico. Durante a SIP (Sistema de Ionização por Pressão Úmida), pode ocorrer perda de eletrólito, e junções porosas (ex.: fritas cerâmicas) são propensas ao entupimento 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 amplas (por exemplo, anéis de PTFE) que resistem à incrustação. Oferecem estabilidade superior e maior vida útil em meios de fermentação complexos e viscosos.

3. Faixa de medição e precisão
O sensor deve abranger uma ampla faixa operacional, tipicamente de pH 2 a 12, para acomodar diferentes etapas do processo. Dada a sensibilidade dos sistemas biológicos, a precisão da medição deve estar dentro de ±0,01 a ±0,02 unidades de pH, com suporte de um sinal de alta resolução.

4. Tempo de resposta
O tempo de resposta é geralmente definido como t90 — o tempo necessário para atingir 90% da leitura final após uma mudança abrupta no pH. Embora os eletrodos de gel possam apresentar uma resposta ligeiramente 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 lixiviantes e inertes para evitar efeitos adversos na viabilidade celular ou na qualidade do produto. Recomenda-se o uso de formulações de vidro especializadas, desenvolvidas para aplicações em bioprocessamento, a fim de 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, porém vulnerável a interferências eletromagnéticas e atenuação do sinal em longas distâncias.
• Saída digital (ex.: sensores MEMS ou inteligentes): Incorpora microeletrônica integrada para transmitir sinais digitais (ex.: via RS485). Oferece excelente imunidade a ruídos, suporta comunicação de longa distância e permite o armazenamento do histórico de calibração, números de série e registros de uso. Está em conformidade com normas regulamentares como a FDA 21 CFR Parte 11, referente a registros e assinaturas eletrônicas, tornando-se cada vez mais utilizada em ambientes GMP.

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). Recomenda-se o uso de capas ou proteções para evitar danos mecânicos durante o manuseio ou operação e para facilitar a substituição sem comprometer a esterilidade.