Notícies - Monitorització dels nivells de pH en el procés de fermentació biofarmacèutica

L'elèctrode de pH juga un paper crític en el procés de fermentació, ja que serveix principalment per controlar i regular l'acidesa i l'alcalinitat del brou de fermentació. En mesurar contínuament el valor del pH, l'elèctrode permet un control precís de l'entorn de fermentació. Un elèctrode de pH típic consta d'un elèctrode sensor i un elèctrode de referència, que funcionen segons el principi de l'equació de Nernst, que regeix la conversió de l'energia química en senyals elèctrics. El potencial de l'elèctrode està directament relacionat amb l'activitat dels ions d'hidrogen a la solució. El valor del pH es determina comparant la diferència de voltatge mesurada amb la d'una solució tampó estàndard, cosa que permet una calibració precisa i fiable. Aquest mètode de mesura garanteix una regulació estable del pH durant tot el procés de fermentació, afavorint així una activitat microbiana o cel·lular òptima i garantint la qualitat del producte.

L'ús correcte dels elèctrodes de pH requereix diversos passos preparatoris, inclosa l'activació de l'elèctrode, que normalment s'aconsegueix submergint l'elèctrode en aigua destil·lada o en una solució tampó de pH 4, per garantir una resposta i una precisió de mesura òptimes. Per complir amb les estrictes demandes de la indústria de la fermentació biofarmacèutica, els elèctrodes de pH han de presentar temps de resposta ràpids, alta precisió i robustesa en condicions d'esterilització rigoroses com l'esterilització amb vapor d'alta temperatura (SIP). Aquestes característiques permeten un rendiment fiable en entorns estèrils. Per exemple, en la producció d'àcid glutàmic, una monitorització precisa del pH és essencial per controlar paràmetres clau com la temperatura, l'oxigen dissolt, la velocitat d'agitació i el pH en si. La regulació precisa d'aquestes variables influeix directament tant en el rendiment com en la qualitat del producte final. Certs elèctrodes de pH avançats, amb membranes de vidre resistents a altes temperatures i sistemes de referència de gel de polímer prepressuritzats, demostren una estabilitat excepcional en condicions extremes de temperatura i pressió, cosa que els fa especialment adequats per a aplicacions SIP en processos de fermentació biològica i alimentària. A més, les seves fortes capacitats antiincrustants permeten un rendiment consistent en diversos brous de fermentació. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. ofereix diverses opcions de connectors d'elèctrodes, millorant la comoditat de l'usuari i la flexibilitat d'integració del sistema.

Per què és necessari el control del pH durant el procés de fermentació dels biofàrmacs?

En la fermentació biofarmacèutica, el control i la monitorització en temps real del pH són essencials per a una producció reeixida i per maximitzar el rendiment i la qualitat dels productes objectiu, com ara antibiòtics, vacunes, anticossos monoclonals i enzims. En essència, el control del pH crea un entorn fisiològic òptim perquè les cèl·lules microbianes o de mamífers, que funcionen com a "fàbriques vives", creixin i sintetitzin compostos terapèutics, de manera anàloga a com els agricultors ajusten el pH del sòl segons els requisits dels cultius.

1. Mantenir una activitat cel·lular òptima
La fermentació depèn de cèl·lules vives (per exemple, cèl·lules CHO) per produir biomolècules complexes. El metabolisme cel·lular és molt sensible al pH ambiental. Els enzims, que catalitzen totes les reaccions bioquímiques intracel·lulars, tenen òptims de pH estrets; les desviacions d'aquest rang poden reduir significativament l'activitat enzimàtica o causar desnaturalització, cosa que afecta la funció metabòlica. A més, l'absorció de nutrients a través de la membrana cel·lular, com ara glucosa, aminoàcids i sals inorgàniques, depèn del pH. Els nivells de pH subòptims poden dificultar l'absorció de nutrients, provocant un creixement subòptim o un desequilibri metabòlic. A més, els valors de pH extrems poden comprometre la integritat de la membrana, provocant fuites citoplasmàtiques o lisi cel·lular.

2. Minimitzar la formació de subproductes i els residus de substrat
Durant la fermentació, el metabolisme cel·lular genera metabòlits àcids o bàsics. Per exemple, molts microorganismes produeixen àcids orgànics (per exemple, àcid làctic, àcid acètic) durant el catabolisme de la glucosa, cosa que provoca una disminució del pH. Si no es corregeix, un pH baix inhibeix el creixement cel·lular i pot desplaçar el flux metabòlic cap a vies no productives, augmentant l'acumulació de subproductes. Aquests subproductes consumeixen valuosos recursos de carboni i energia que, d'altra manera, donarien suport a la síntesi del producte objectiu, reduint així el rendiment global. Un control eficaç del pH ajuda a mantenir les rutes metabòliques desitjades i millora l'eficiència del procés.

3. Assegurar l'estabilitat del producte i evitar la degradació
Molts productes biofarmacèutics, especialment proteïnes com els anticossos monoclonals i les hormones peptídiques, són susceptibles a canvis estructurals induïts pel pH. Fora del seu rang de pH estable, aquestes molècules poden patir desnaturalització, agregació o inactivació, formant potencialment precipitats nocius. A més, certs productes són propensos a la hidròlisi química o a la degradació enzimàtica en condicions àcides o alcalines. Mantenir un pH adequat minimitza la degradació del producte durant la fabricació, preservant la potència i la seguretat.

4. Optimitzar l'eficiència del procés i garantir la consistència de lot a lot
Des d'un punt de vista industrial, el control del pH té un impacte directe en la productivitat i la viabilitat econòmica. Es duen a terme una àmplia investigació per identificar els punts de consigna ideals del pH per a les diferents fases de fermentació, com ara el creixement cel·lular versus l'expressió del producte, que poden diferir significativament. El control dinàmic del pH permet l'optimització específica de cada etapa, maximitzant l'acumulació de biomassa i els títols de producte. A més, les agències reguladores com la FDA i l'EMA exigeixen un compliment estricte de les Bones Pràctiques de Fabricació (GMP), on són obligatoris uns paràmetres de procés consistents. El pH es reconeix com un paràmetre crític de procés (CPP) i el seu seguiment continu garanteix la reproductibilitat entre lots, garantint la seguretat, l'eficàcia i la qualitat dels productes farmacèutics.

5. Servir com a indicador de la salut de la fermentació
La tendència del canvi de pH proporciona informació valuosa sobre l'estat fisiològic del cultiu. Els canvis sobtats o inesperats en el pH poden indicar contaminació, mal funcionament del sensor, esgotament de nutrients o anomalies metabòliques. La detecció precoç basada en les tendències del pH permet la intervenció oportuna de l'operador, facilitant la resolució de problemes i evitant costoses fallades per lots.

Com s'han de seleccionar els sensors de pH per al procés de fermentació en productes biofarmacèutics?

Seleccionar un sensor de pH adequat per a la fermentació biofarmacèutica és una decisió d'enginyeria crítica que afecta la fiabilitat del procés, la integritat de les dades, la qualitat del producte i el compliment normatiu. La selecció s'ha d'abordar sistemàticament, considerant no només el rendiment del sensor sinó també la compatibilitat amb tot el flux de treball de bioprocessament.

1. Resistència a altes temperatures i pressió
Els processos biofarmacèutics solen utilitzar l'esterilització amb vapor in situ (SIP), normalment a 121 °C i una pressió d'1 a 2 bars durant 20-60 minuts. Per tant, qualsevol sensor de pH ha de suportar una exposició repetida a aquestes condicions sense fallar. Idealment, el sensor hauria de tenir una capacitat nominal d'almenys 130 °C i 3-4 bars per proporcionar un marge de seguretat. Un segellat robust és essencial per evitar l'entrada d'humitat, les fuites d'electròlits o els danys mecànics durant els cicles tèrmics.

2. Tipus de sensor i sistema de referència
Aquesta és una consideració tècnica fonamental que afecta l'estabilitat a llarg termini, les necessitats de manteniment i la resistència a l'incrustació.
Configuració d'elèctrodes: Els elèctrodes compostos, que integren elements de mesura i de referència en un sol cos, s'utilitzen àmpliament a causa de la seva facilitat d'instal·lació i maneig.
Sistema de referència:
• Referència plena de líquid (per exemple, solució de KCl): ofereix una resposta ràpida i una alta precisió, però requereix un reompliment periòdic. Durant el SIP, es pot produir una pèrdua d'electròlits i les unions poroses (per exemple, frites ceràmiques) són propenses a obstruir-se per proteïnes o partícules, cosa que provoca deriva i lectures poc fiables.
• Gel de polímer o referència d'estat sòlid: cada cop més preferit en els bioreactors moderns. Aquests sistemes eliminen la necessitat de reposició d'electròlits, redueixen el manteniment i presenten unions líquides més amples (per exemple, anells de PTFE) que resisteixen l'incrustació. Ofereixen una estabilitat superior i una vida útil més llarga en medis de fermentació complexos i viscosos.

3. Rang de mesura i precisió
El sensor hauria de cobrir un ampli rang operatiu, normalment de pH 2 a 12, per adaptar-se a les diferents etapes del procés. Donada la sensibilitat dels sistemes biològics, la precisió de la mesura hauria d'estar entre ±0,01 i ±0,02 unitats de pH, amb el suport d'una sortida de senyal d'alta resolució.

4. Temps de resposta
El temps de resposta es defineix habitualment com a t90, és a dir, el temps necessari per assolir el 90% de la lectura final després d'un canvi gradual de pH. Tot i que els elèctrodes de tipus gel poden presentar una resposta lleugerament més lenta que els de líquid, generalment compleixen els requisits dinàmics dels bucles de control de fermentació, que operen en escales de temps horàries en lloc de segons.

5. Biocompatibilitat
Tots els materials en contacte amb el medi de cultiu han de ser no tòxics, no lixiviables i inerts per evitar efectes adversos sobre la viabilitat cel·lular o la qualitat del producte. Es recomanen formulacions de vidre especialitzades dissenyades per a aplicacions de bioprocessament per garantir la resistència química i la biocompatibilitat.

6. Sortida de senyal i interfície
• Sortida analògica (mV/pH): Mètode tradicional que utilitza la transmissió analògica al sistema de control. Rentable però vulnerable a interferències electromagnètiques i a l'atenuació del senyal a llargues distàncies.
• Sortida digital (per exemple, sensors intel·ligents o basats en MEMS): Incorpora microelectrònica integrada per transmetre senyals digitals (per exemple, via RS485). Proporciona una excel·lent immunitat al soroll, admet la comunicació a llarga distància i permet l'emmagatzematge de l'historial de calibratge, els números de sèrie i els registres d'ús. Compleix amb les normes reglamentàries com ara la FDA 21 CFR Part 11 pel que fa als registres i signatures electròniques, cosa que el fa cada cop més preferit en entorns GMP.

7. Interfície d'instal·lació i carcassa protectora
El sensor ha de ser compatible amb el port designat del bioreactor (per exemple, tri-clamp, accessori sanitari). Es recomana l'ús de mànigues o respatllers protectors per evitar danys mecànics durant la manipulació o el funcionament i per facilitar una substitució més senzilla sense comprometre l'esterilitat.