Novas - Monitorización dos niveis de pH no proceso de fermentación biofarmacéutica

O eléctrodo de pH desempeña un papel fundamental no proceso de fermentación, xa que serve principalmente para monitorizar e regular a acidez e a alcalinidade do caldo de fermentación. Ao medir continuamente o valor do pH, o eléctrodo permite un control preciso do ambiente de fermentación. Un eléctrodo de pH típico consta dun eléctrodo sensor e un eléctrodo de referencia, que funcionan segundo o principio da ecuación de Nernst, que rexe a conversión da enerxía química en sinais eléctricos. O potencial do eléctrodo está directamente relacionado coa actividade dos ións de hidróxeno na solución. O valor do pH determínase comparando a diferenza de tensión medida coa dunha solución tampón estándar, o que permite unha calibración precisa e fiable. Este enfoque de medición garante unha regulación estable do pH durante todo o proceso de fermentación, o que favorece unha actividade microbiana ou celular óptima e garante a calidade do produto.

O uso axeitado dos eléctrodos de pH require varios pasos preparatorios, incluída a activación do eléctrodo (que normalmente se consegue mergullando o eléctrodo en auga destilada ou nunha solución tampón de pH 4) para garantir unha resposta e unha precisión de medición óptimas. Para cumprir as esixentes esixencias da industria da fermentación biofarmacéutica, os eléctrodos de pH deben presentar tempos de resposta rápidos, alta precisión e robustez en condicións de esterilización rigorosas, como a esterilización con vapor a alta temperatura (SIP). Estas características permiten un rendemento fiable en ambientes estériles. Por exemplo, na produción de ácido glutámico, a monitorización precisa do pH é esencial para controlar parámetros clave como a temperatura, o osíxeno disolto, a velocidade de axitación e o propio pH. A regulación precisa destas variables inflúe directamente tanto no rendemento como na calidade do produto final. Certos eléctrodos de pH avanzados, con membranas de vidro resistentes a altas temperaturas e sistemas de referencia de xel de polímero prepresurizados, demostran unha estabilidade excepcional en condicións extremas de temperatura e presión, o que os fai especialmente axeitados para aplicacións SIP en procesos de fermentación biolóxica e alimentaria. Ademais, as súas fortes capacidades antiincrustantes permiten un rendemento consistente en diversos caldos de fermentación. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. ofrece varias opcións de conectores de eléctrodos, o que mellora a comodidade do usuario e a flexibilidade de integración do sistema.

Por que é necesaria a monitorización do pH durante o proceso de fermentación de biofármacos?

Na fermentación biofarmacéutica, a monitorización e o control do pH en tempo real son esenciais para unha produción exitosa e para maximizar o rendemento e a calidade dos produtos obxectivo, como antibióticos, vacinas, anticorpos monoclonais e encimas. En esencia, o control do pH crea un ambiente fisiolóxico óptimo para que as células microbianas ou mamíferas, que funcionan como "fábricas vivas", medren e sinteticen compostos terapéuticos, de xeito análogo a como os agricultores axustan o pH do solo segundo os requisitos dos cultivos.

1. Manter unha actividade celular óptima
A fermentación depende de células vivas (por exemplo, células CHO) para producir biomoléculas complexas. O metabolismo celular é moi sensible ao pH ambiental. As encimas, que catalizan todas as reaccións bioquímicas intracelulares, teñen óptimos de pH estreitos; as desviacións deste rango poden reducir significativamente a actividade encimática ou causar desnaturalización, o que prexudica a función metabólica. Ademais, a absorción de nutrientes a través da membrana celular, como a glicosa, os aminoácidos e os sales inorgánicos, depende do pH. Os niveis de pH subóptimos poden dificultar a absorción de nutrientes, o que leva a un crecemento subóptimo ou a un desequilibrio metabólico. Ademais, os valores extremos de pH poden comprometer a integridade da membrana, o que resulta en fugas citoplasmáticas ou lise celular.

2. Minimizar a formación de subprodutos e os residuos de substrato
Durante a fermentación, o metabolismo celular xera metabolitos ácidos ou básicos. Por exemplo, moitos microorganismos producen ácidos orgánicos (por exemplo, ácido láctico, ácido acético) durante o catabolismo da glicosa, o que provoca unha caída do pH. Se non se corrixe, o pH baixo inhibe o crecemento celular e pode desprazar o fluxo metabólico cara a vías non produtivas, o que aumenta a acumulación de subprodutos. Estes subprodutos consomen valiosos recursos de carbono e enerxía que doutro xeito apoiarían a síntese do produto obxectivo, o que reduce o rendemento global. Un control eficaz do pH axuda a manter as rutas metabólicas desexadas e mellora a eficiencia do proceso.

3. Garantir a estabilidade do produto e evitar a degradación
Moitos produtos biofarmacéuticos, especialmente proteínas como os anticorpos monoclonais e as hormonas peptídicas, son susceptibles a cambios estruturais inducidos polo pH. Fóra do seu rango de pH estable, estas moléculas poden sufrir desnaturalización, agregación ou inactivación, o que pode formar precipitados nocivos. Ademais, certos produtos son propensos á hidrólise química ou á degradación encimática en condicións ácidas ou alcalinas. Manter un pH axeitado minimiza a degradación do produto durante a fabricación, preservando a potencia e a seguridade.

4. Optimizar a eficiencia do proceso e garantir a consistencia de lote a lote
Desde un punto de vista industrial, o control do pH inflúe directamente na produtividade e na viabilidade económica. Realízanse extensas investigacións para identificar os puntos de axuste de pH ideais para as diferentes fases de fermentación, como o crecemento celular fronte á expresión do produto, que poden diferir significativamente. O control dinámico do pH permite a optimización específica de cada etapa, maximizando a acumulación de biomasa e os títulos de produtos. Ademais, as axencias reguladoras como a FDA e a EMA esixen o cumprimento estrito das Boas Prácticas de Fabricación (GMP), onde son obrigatorios uns parámetros de proceso consistentes. O pH recoñécese como un Parámetro Crítico do Proceso (CPP) e a súa monitorización continua garante a reproducibilidade entre lotes, garantindo a seguridade, a eficacia e a calidade dos produtos farmacéuticos.

5. Servir como indicador da saúde da fermentación
A tendencia do cambio de pH proporciona información valiosa sobre o estado fisiolóxico do cultivo. Os cambios repentinos ou inesperados no pH poden indicar contaminación, mal funcionamento do sensor, esgotamento de nutrientes ou anomalías metabólicas. A detección precoz baseada nas tendencias do pH permite a intervención oportuna do operador, facilitando a resolución de problemas e evitando custosos fallos de lote.

Como se deben seleccionar os sensores de pH para o proceso de fermentación en produtos biofarmacéuticos?

A selección dun sensor de pH axeitado para a fermentación biofarmacéutica é unha decisión de enxeñaría fundamental que afecta á fiabilidade do proceso, á integridade dos datos, á calidade do produto e ao cumprimento da normativa. A selección debe abordarse sistematicamente, tendo en conta non só o rendemento do sensor, senón tamén a compatibilidade con todo o fluxo de traballo de bioprocesamento.

1. Resistencia a altas temperaturas e presión
Os procesos biofarmacéuticos empregan habitualmente a esterilización con vapor in situ (SIP), normalmente a 121 °C e unha presión de 1 a 2 bares durante 20 a 60 minutos. Polo tanto, calquera sensor de pH debe soportar a exposición repetida a tales condicións sen fallos. Idealmente, o sensor debería ter unha clasificación de polo menos 130 °C e 3 a 4 bares para proporcionar unha marxe de seguridade. Un selado robusto é esencial para evitar a entrada de humidade, as fugas de electrólitos ou os danos mecánicos durante os ciclos térmicos.

2. Tipo de sensor e sistema de referencia
Esta é unha consideración técnica fundamental que afecta a estabilidade a longo prazo, as necesidades de mantemento e a resistencia á incrustación.
Configuración dos eléctrodos: Os eléctrodos compostos, que integran elementos de medición e de referencia nun só corpo, son amplamente utilizados debido á súa facilidade de instalación e manexo.
Sistema de referencia:
• Referencia chea de líquido (por exemplo, solución de KCl): ofrece unha resposta rápida e alta precisión, pero require un recheo periódico. Durante a proba SIP, pode producirse perda de electrólitos e as unións porosas (por exemplo, fritas cerámicas) son propensas a obstruírse con proteínas ou partículas, o que leva a deriva e lecturas pouco fiables.
• Referencia de xel de polímero ou de estado sólido: cada vez máis preferido nos biorreactores modernos. Estes sistemas eliminan a necesidade de reposición de electrólitos, reducen o mantemento e presentan unións líquidas máis amplas (por exemplo, aneis de PTFE) que resisten a ensuciación. Ofrecen unha estabilidade superior e unha vida útil máis longa en medios de fermentación complexos e viscosos.

3. Rango e precisión de medición
O sensor debería cubrir un amplo rango operativo, normalmente de pH 2 a 12, para adaptarse ás diferentes etapas do proceso. Dada a sensibilidade dos sistemas biolóxicos, a precisión da medición debería estar entre ±0,01 e ±0,02 unidades de pH, co apoio dunha saída de sinal de alta resolución.

4. Tempo de resposta
O tempo de resposta defínese habitualmente como t90, o tempo necesario para alcanzar o 90 % da lectura final despois dun cambio gradual no pH. Aínda que os eléctrodos de tipo xel poden presentar unha resposta lixeiramente máis lenta que os cheos de líquido, xeralmente cumpren os requisitos dinámicos dos bucles de control da fermentación, que funcionan en escalas de tempo horarias en lugar de segundos.

5. Biocompatibilidade
Todos os materiais en contacto co medio de cultivo deben ser non tóxicos, non lixiviables e inertes para evitar efectos adversos na viabilidade celular ou na calidade do produto. Recoméndanse formulacións de vidro especializadas deseñadas para aplicacións de bioprocesamento para garantir a resistencia química e a biocompatibilidade.

6. Saída de sinal e interface
• Saída analóxica (mV/pH): método tradicional que emprega transmisión analóxica ao sistema de control. Rentable pero vulnerable ás interferencias electromagnéticas e á atenuación do sinal a longas distancias.
• Saída dixital (por exemplo, sensores baseados en MEMS ou intelixentes): Incorpora microelectrónica integrada para transmitir sinais dixitais (por exemplo, a través de RS485). Ofrece unha excelente inmunidade ao ruído, admite a comunicación a longa distancia e permite o almacenamento do historial de calibración, números de serie e rexistros de uso. Cumpre coas normas regulamentarias como a FDA 21 CFR Parte 11 en relación cos rexistros e sinaturas electrónicas, o que a fai cada vez máis preferida en entornos GMP.

7. Interface de instalación e carcasa protectora
O sensor debe ser compatible co porto designado do biorreactor (por exemplo, tri-clamp, conexión sanitaria). É recomendable usar mangas ou gardas protectoras para evitar danos mecánicos durante a manipulación ou o funcionamento e para facilitar unha substitución máis sinxela sen comprometer a esterilidade.