Noticias - Monitoreo de niveles de pH en el proceso de fermentación biofarmacéutica

El electrodo de pH desempeña un papel fundamental en el proceso de fermentación, ya que sirve principalmente para monitorizar y regular la acidez y la alcalinidad del caldo de fermentación. Al medir continuamente el valor de pH, el electrodo permite un control preciso del entorno de fermentación. Un electrodo de pH típico consta de un electrodo sensor y un electrodo de referencia, que funcionan según el principio de la ecuación de Nernst, que rige la conversión de energía química en señales eléctricas. El potencial del electrodo está directamente relacionado con la actividad de los iones de hidrógeno en la solución. El valor de pH se determina comparando la diferencia de voltaje medida con la de una solución tampón estándar, lo que permite una calibración precisa y fiable. Este método de medición garantiza una regulación estable del pH durante todo el proceso de fermentación, lo que favorece una actividad microbiana o celular óptima y garantiza la calidad del producto.

El uso correcto de los electrodos de pH requiere varios pasos preparatorios, incluyendo su activación (que generalmente se logra sumergiéndolos en agua destilada o en una solución tampón de pH 4) para garantizar una respuesta óptima y la precisión de la medición. Para satisfacer las exigentes exigencias de la industria de la fermentación biofarmacéutica, los electrodos de pH deben presentar tiempos de respuesta rápidos, alta precisión y robustez en condiciones de esterilización rigurosas, como la esterilización por vapor a alta temperatura (SIP). Estas características garantizan un rendimiento fiable en entornos estériles. Por ejemplo, en la producción de ácido glutámico, la monitorización precisa del pH es esencial para controlar parámetros clave como la temperatura, el oxígeno disuelto, la velocidad de agitación y el propio pH. La regulación precisa de estas variables influye directamente tanto en el rendimiento como en la calidad del producto final. Algunos electrodos de pH avanzados, con membranas de vidrio resistentes a altas temperaturas y sistemas de referencia de gel polimérico prepresurizado, demuestran una estabilidad excepcional en condiciones extremas de temperatura y presión, lo que los hace especialmente adecuados para aplicaciones de SIP en procesos de fermentación biológica y alimentaria. Además, su potente capacidad antiincrustante permite un rendimiento constante en diversos caldos de fermentación. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. ofrece varias opciones de conectores de electrodos, mejorando la comodidad del usuario y la flexibilidad de integración del sistema.

¿Por qué es necesario el monitoreo del pH durante el proceso de fermentación de productos biofarmacéuticos?

En la fermentación biofarmacéutica, la monitorización y el control del pH en tiempo real son esenciales para una producción exitosa y para maximizar el rendimiento y la calidad de productos como antibióticos, vacunas, anticuerpos monoclonales y enzimas. En esencia, el control del pH crea un entorno fisiológico óptimo para que las células microbianas o de mamíferos —que funcionan como "fábricas vivientes"— crezcan y sinteticen compuestos terapéuticos, de forma similar a cómo los agricultores ajustan el pH del suelo según las necesidades de sus cultivos.

1. Mantener una actividad celular óptima
La fermentación depende de células vivas (p. ej., células CHO) para producir biomoléculas complejas. El metabolismo celular es muy sensible al pH ambiental. Las enzimas, que catalizan todas las reacciones bioquímicas intracelulares, tienen pH óptimos estrechos; desviaciones de este rango pueden reducir significativamente la actividad enzimática o causar desnaturalización, lo que afecta la función metabólica. Además, la absorción de nutrientes a través de la membrana celular, como la glucosa, los aminoácidos y las sales inorgánicas, depende del pH. Un pH subóptimo puede dificultar la absorción de nutrientes, lo que provoca un crecimiento subóptimo o un desequilibrio metabólico. Además, valores de pH extremos pueden comprometer la integridad de la membrana, provocando fugas citoplasmáticas o lisis celular.

2. Minimizar la formación de subproductos y el desperdicio de sustrato.
Durante la fermentación, el metabolismo celular genera metabolitos ácidos o básicos. Por ejemplo, muchos microorganismos producen ácidos orgánicos (p. ej., ácido láctico, ácido acético) durante el catabolismo de la glucosa, lo que provoca una disminución del pH. Si no se corrige, un pH bajo inhibe el crecimiento celular y puede desviar el flujo metabólico hacia vías no productivas, lo que aumenta la acumulación de subproductos. Estos subproductos consumen valiosos recursos de carbono y energía que, de otro modo, contribuirían a la síntesis del producto objetivo, lo que reduce el rendimiento general. Un control eficaz del pH ayuda a mantener las rutas metabólicas deseadas y mejora la eficiencia del proceso.

3. Garantizar la estabilidad del producto y evitar la degradación.
Muchos productos biofarmacéuticos, especialmente proteínas como anticuerpos monoclonales y hormonas peptídicas, son susceptibles a cambios estructurales inducidos por el pH. Fuera de su rango de pH estable, estas moléculas pueden sufrir desnaturalización, agregación o inactivación, lo que podría formar precipitados dañinos. Además, ciertos productos son propensos a la hidrólisis química o la degradación enzimática en condiciones ácidas o alcalinas. Mantener un pH adecuado minimiza la degradación del producto durante la fabricación, preservando así su potencia y seguridad.

4. Optimizar la eficiencia del proceso y garantizar la consistencia entre lotes
Desde una perspectiva industrial, el control del pH impacta directamente la productividad y la viabilidad económica. Se realizan investigaciones exhaustivas para identificar los valores de pH ideales para las diferentes fases de fermentación, como el crecimiento celular frente a la expresión del producto, que pueden diferir significativamente. El control dinámico del pH permite la optimización específica de cada etapa, maximizando la acumulación de biomasa y los títulos de producto. Además, organismos reguladores como la FDA y la EMA exigen un estricto cumplimiento de las Buenas Prácticas de Fabricación (BPF), donde la consistencia de los parámetros del proceso es obligatoria. El pH se reconoce como un Parámetro Crítico del Proceso (PCP) y su monitorización continua garantiza la reproducibilidad entre lotes, garantizando así la seguridad, la eficacia y la calidad de los productos farmacéuticos.

5. Sirve como indicador de la salud de la fermentación.
La tendencia del cambio de pH proporciona información valiosa sobre el estado fisiológico del cultivo. Cambios repentinos o inesperados en el pH pueden indicar contaminación, mal funcionamiento del sensor, agotamiento de nutrientes o anomalías metabólicas. La detección temprana basada en las tendencias de pH permite la intervención oportuna del operador, lo que facilita la resolución de problemas y previene costosas fallas en los lotes.

¿Cómo se deben seleccionar los sensores de pH para el proceso de fermentación en productos biofarmacéuticos?

Seleccionar un sensor de pH adecuado para la fermentación biofarmacéutica es una decisión de ingeniería crucial que afecta la fiabilidad del proceso, la integridad de los datos, la calidad del producto y el cumplimiento normativo. La selección debe abordarse sistemáticamente, considerando no solo el rendimiento del sensor, sino también su compatibilidad con todo el flujo de trabajo de bioprocesamiento.

1. Resistencia a altas temperaturas y presiones.
Los procesos biofarmacéuticos suelen emplear la esterilización por vapor in situ (SIP), normalmente a 121 °C y 1-2 bares de presión durante 20-60 minutos. Por lo tanto, cualquier sensor de pH debe resistir la exposición repetida a estas condiciones sin fallar. Idealmente, el sensor debería tener una clasificación de al menos 130 °C y 3-4 bares para proporcionar un margen de seguridad. Un sellado robusto es esencial para evitar la entrada de humedad, fugas de electrolitos o daños mecánicos durante el ciclo térmico.

2. Tipo de sensor y sistema de referencia
Esta es una consideración técnica fundamental que afecta la estabilidad a largo plazo, las necesidades de mantenimiento y la resistencia a las incrustaciones.
Configuración de electrodos: Los electrodos compuestos, que integran elementos de medición y referencia en un solo cuerpo, son ampliamente adoptados debido a su facilidad de instalación y manipulación.
Sistema de referencia:
• Referencia líquida (p. ej., solución de KCl): Ofrece una respuesta rápida y alta precisión, pero requiere recarga periódica. Durante la SIP, puede producirse pérdida de electrolito, y las uniones porosas (p. ej., fritas cerámicas) son propensas a obstruirse con proteínas o partículas, lo que provoca derivas y lecturas poco fiables.
• Gel polimérico o referencia de estado sólido: Cada vez más preferidos en los biorreactores modernos. Estos sistemas eliminan la necesidad de reponer electrolitos, reducen el mantenimiento y cuentan con uniones líquidas más anchas (p. ej., anillos de PTFE) que resisten la incrustación. Ofrecen una estabilidad superior y una mayor vida útil en medios de fermentación complejos y viscosos.

3. Rango de medición y precisión
El sensor debe cubrir un amplio rango operativo, típicamente de pH 2 a 12, para adaptarse a las diferentes etapas del proceso. Dada la sensibilidad de los sistemas biológicos, la precisión de la medición debe estar entre ±0,01 y ±0,02 unidades de pH, con el respaldo de una señal de salida de alta resolución.

4. Tiempo de respuesta
El tiempo de respuesta se define comúnmente como t90, el tiempo necesario para alcanzar el 90 % de la lectura final tras un cambio brusco de pH. Si bien los electrodos de gel pueden presentar una respuesta ligeramente más lenta que los de líquido, generalmente cumplen con los requisitos dinámicos de los circuitos de control de fermentación, que operan en escalas de tiempo horarias en lugar de segundos.

5. Biocompatibilidad
Todos los materiales en contacto con el medio de cultivo deben ser atóxicos, no lixiviables e inertes para evitar efectos adversos en la viabilidad celular o la calidad del producto. Se recomiendan formulaciones de vidrio especializadas, diseñadas para aplicaciones de bioprocesamiento, para garantizar la resistencia química y la biocompatibilidad.

6. Salida de señal e interfaz
Salida analógica (mV/pH): Método tradicional que utiliza transmisión analógica al sistema de control. Rentable, pero vulnerable a interferencias electromagnéticas y atenuación de la señal a largas distancias.
Salida digital (p. ej., sensores inteligentes o basados en MEMS): Incorpora microelectrónica integrada para transmitir señales digitales (p. ej., vía RS485). Ofrece excelente inmunidad al ruido, admite comunicación a larga distancia y permite almacenar el historial de calibración, los números de serie y los registros de uso. Cumple con normas regulatorias como la FDA 21 CFR Parte 11 sobre registros y firmas electrónicas, lo que lo hace cada vez más popular en entornos GMP.

7. Interfaz de instalación y carcasa protectora
El sensor debe ser compatible con el puerto designado en el biorreactor (p. ej., abrazadera triple, conexión sanitaria). Se recomienda el uso de fundas o protectores para evitar daños mecánicos durante la manipulación o el funcionamiento y facilitar su reemplazo sin comprometer la esterilidad.