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Controle automatizado de oxigênio dissolvido em tempo real graças a sensores ópticos

Otimização de bioprocessos graças ao monitoramento em linha confiável

Indústria: Pesquisa e Desenvolvimento de Bioprocessos
Campo de aplicação: Estudos de aumento e redução de escala de fermentações microbianas
Produtos Hamilton: VisiFerm ECS com tampa H0

 

Medição em linha de parâmetros críticos do processo

A fabricação de produtos de base biológica, como bioquímicos e biofarmacêuticos é um processo complexo. O controle em tempo real dos parâmetros críticos da fermentação é fundamental para torná-los mais reprodutíveis e, em última análise, otimizar o rendimento do produto, seja a produção para aplicações agrícolas, químicas ou farmacêuticas. Para identificar essas condições ideais, é uma estratégia comum realizar escalas e estudos em escala reduzida para simular em menor escala o que pode então ser implementado em maior escala. Focando apenas na indústria biofarmacêutica, vários parâmetros são monitorados a fim de conduzir a otimização de bioprocessos baseada em estatísticas, para cumprir as atuais iniciativas dos órgãos reguladores destinadas a impulsionar a inovação, como o PAT (Tecnologias Analíticas de Processos). Entre eles estão os CPPs (Parâmetros Críticos de Controle), mais importantes porque sua variabilidade tem impacto direto nas propriedades terapêuticas do produto. Portanto, os CPPs devem ser controlados em tempo real para garantir que o processo forneça a qualidade desejada do produto.

As fermentações microbianas, por exemplo, passam pela fase lag e log de crescimento em poucas horas, razão pela qual CPPs como pH, temperatura, taxas de alimentação e o mais importante oxigênio dissolvido (OD) precisam ser continuamente medidos e controlados para impulsionar o processo para desempenhos de rendimento máximo. No que diz respeito ao OD, para o crescimento de microrganismos como a levedura Saccharomyces cerevisiae, o oxigênio introduzido pela aspersão de ar no biorreator é utilizado, entre outras funções, para sintetizar, por exemplo, esteróis e ácidos graxos insaturados (UFAs) em lag Estágio. Uma possibilidade para adição automatizada de ar (portanto oxigênio) é realizar o controle em cascata em torno de um ponto de ajuste usando o sinal produzido por sensores de OD em linha. Claro, isso só é possível supondo que as medições de CPP permaneçam precisas e precisas durante todo o processo: em outras palavras, as variações do sinal devem vir apenas das alterações da fermentação e não da deriva ou do mau funcionamento do sensor.

Nesta nota de aplicação, será esclarecido por que a empresa escocesa de biotecnologia Ingenza, que opera laboratórios em conformidade com GMP para a construção, otimização e aplicação de cepas microbianas projetadas, decidiu mudar de sensores eletroquímicos para sensores ópticos, a fim de ter um desempenho confiável em Controle automatizado in situ de OD para culturas microbianas como E. coli, P. putida, Bacillus sp, P. pastoris e S. cerevisiae, em biorreatores em escala laboratorial.

Controle de Oxigênio Dissolvido de Bioprocessos com Sensores Ópticos

A forma tradicional de medir OD em um processo era através de sensores polarográficos. Eles operam com base no princípio da redução da difusão do oxigênio através de uma membrana na superfície de um eletrodo de metal nobre, o cátodo. Isto é o eletrodo coberto por membrana introduzido por Clark. Esses sensores apresentam algumas desvantagens como:

  • Longo tempo de resposta e necessidade de esperar horas pela polarização do sensor antes de iniciar as leituras
  • Interferências eletrostáticas e mecânicas no sinal, pois normalmente são sensores analógicos
  • A ponta da membrana do sensor pode ser facilmente danificada

 

Os sensores ópticos de oxigênio dissolvido VisiFerm DO ECS da Hamilton oferecem aos usuários como o Ingenza uma maneira simples de atualizar os sensores polarográficos tradicionais e evitar os problemas de desempenho listados acima. O princípio de medição do sensor oferece maior precisão e manutenção reduzida, enquanto a saída ECS (sinal eletroquímico) pode ser inserida diretamente em controladores ou transmissores que aceitam o sinal nano-amp tradicional de um sensor polarográfico de oxigênio. O sinal ECS é uma solução inteligente para equipar biorreatores mais antigos que requerem uma saída de sensor nanoAmp (nA) com uma simulação digital de tal sinal, permitindo a substituição direta de sensores de tecnologia antiga com todos os benefícios dos sensores ópticos mais recentes.

 

Sensores ópticos de OD em linha no laboratório de pesquisa e desenvolvimento da Ingenza

A Ingenza cooperou com a Hamilton para conectar o sinal dos sensores VisiFerm diretamente em suas torres de controle, de modo que eles sejam conectados ao RPM do biorreator e à aeração em um ponto de ajuste em cascata. Isso permitiu que a Ingenza trouxesse os benefícios dos sensores ópticos de OD para seu biorreator existente (veja a Figura 1). De acordo com Alison Arnold, chefe de fermentação da Ingenza e Microbiologia, além da robustez do sinal digital, os principais benefícios desta solução, em comparação com uma analógica, são os seguintes:

  • Economia de tempo: não há necessidade de esperar pelo tempo de polarização após a autoclavação do sensor
  • Sem risco de paralisação: a membrana do sensor óptico pode sobreviver a todos os processos de fermentação
  • Eficiência automatizada: controle preciso do ponto de ajuste do oxigênio dissolvido devido ao sinal digital preciso enviado do sensor diretamente para a torre de controle

Esses benefícios permitem que a Ingenza realize seus estudos com total segurança sobre a confiabilidade da medição de OD em linha e, portanto, possibilitam estratégias de controle de CPPs em tempo real. Isto torna os processos de fermentação da empresa mais eficientes: processos mais curtos geram um retorno mais rápido no tempo e, portanto, proporcionam melhorias financeiras.

Benefícios do VisiFerm

  • Imediatamente na operação de rotina sem necessidade de esperar pelo tempo de polarização do sensor
  • Robustez graças à membrana do sensor que dura mais ciclos do que as células Clark tradicionais
  • Controle automatizado do ponto de ajuste do oxigênio dissolvido devido ao sinal digital preciso enviado do sensor diretamente para a torre de controle

 

Figura 1: Detalhe do sensor Hamilton VisiFerm ECS no Biorreator FerMac 320 da Electrolab Biotech da Ingenza.

 

Autor: Alison Arnold, Chefe de Fermentação e Microbiologia

Empresa: Ingenza Ltda

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