Ampliando a Escala: Um Guia Abrangente para a Fermentação Comercial

A fermentação é um pilar de inúmeras indústrias, desde alimentos e bebidas até produtos farmacêuticos e biocombustíveis. Embora a fermentação bem-sucedida em escala de laboratório seja uma conquista significativa, traduzir esse sucesso para a produção comercial requer planejamento, execução e otimização cuidadosos. Este guia oferece uma visão abrangente das principais considerações e melhores práticas para ampliar os processos de fermentação comercial.

Por Que Ampliar a Escala da Fermentação é Desafiador?

Ampliar um processo de fermentação não é simplesmente aumentar o volume. Vários fatores que são facilmente controlados em pequena escala tornam-se significativamente mais complexos à medida que o processo cresce. Estes incluem:

• Transferência de Calor: Manter a temperatura ideal é crucial para o crescimento microbiano e a formação do produto. Biorreatores maiores têm uma menor relação área de superfície-volume, tornando a remoção de calor mais desafiadora. O resfriamento inadequado pode levar ao superaquecimento e à morte celular, enquanto o resfriamento excessivo pode retardar o processo de fermentação.
• Transferência de Massa: A transferência de oxigénio é frequentemente um fator limitante em fermentações aeróbias. À medida que a densidade da cultura aumenta, a demanda por oxigénio sobe. Garantir um fornecimento adequado de oxigénio em todo o biorreator torna-se cada vez mais difícil em escalas maiores. A mistura, a aspersão e o design do reator desempenham papéis cruciais na eficiência da transferência de oxigénio.
• Mistura: A mistura eficaz é essencial para manter a homogeneidade, distribuir nutrientes e remover subprodutos metabólicos. Uma mistura deficiente pode levar a gradientes de pH, temperatura e concentração de nutrientes, o que pode impactar negativamente o crescimento celular e a formação do produto. O tipo e a configuração dos impulsores, o design das chicanas e a velocidade de mistura devem ser cuidadosamente considerados.
• Tensão de Cisalhamento: A tensão de cisalhamento excessiva dos impulsores pode danificar as células, especialmente aquelas que são sensíveis ao cisalhamento. Otimizar o design do impulsor e a velocidade de mistura é crucial para minimizar a tensão de cisalhamento, mantendo uma mistura adequada. Algumas células (por exemplo, fungos filamentosos) são mais suscetíveis a danos por cisalhamento do que outras.
• Esterilidade: Manter a esterilidade é primordial nos processos de fermentação. O risco de contaminação aumenta com o tamanho e a complexidade do biorreator. Procedimentos de esterilização robustos, técnicas assépticas e sistemas fechados são essenciais para prevenir a contaminação e garantir a qualidade do produto.
• Controlo de pH: Manter a faixa de pH ideal é crítico para a atividade enzimática e a viabilidade celular. Conforme a fermentação progride, a produção de ácidos ou bases pode causar flutuações significativas de pH. O controlo preciso do pH requer sistemas de monitorização e controlo sofisticados.
• Monitorização e Controlo do Processo: A monitorização e o controlo eficazes dos parâmetros críticos do processo (por exemplo, temperatura, pH, oxigénio dissolvido, níveis de nutrientes) são cruciais para um desempenho consistente e para a qualidade do produto. A monitorização em tempo real e os sistemas de controlo automatizados são essenciais para fermentações em grande escala.
• Alterações Metabólicas Dependentes da Escala: As células podem comportar-se de forma diferente em fermentadores de grande escala em comparação com culturas de pequena escala. Fatores como a disponibilidade de oxigénio, a tensão de cisalhamento e os gradientes de nutrientes podem alterar as vias metabólicas e afetar o rendimento e a qualidade do produto. Essas alterações precisam ser cuidadosamente estudadas e abordadas durante a ampliação da escala.

Etapas da Ampliação da Escala de Fermentação

The scale-up process typically involves several stages, each with its own objectives and challenges:

1. Desenvolvimento da Cultura de Inóculo

A cultura de inóculo serve como o inóculo para o fermentador de produção. É crucial desenvolver uma cultura de inóculo que seja saudável, em crescimento ativo e livre de contaminação. Isso geralmente envolve múltiplos estágios de crescimento, começando de uma cultura-mãe criopreservada e progredindo através de frascos agitados, pequenos biorreatores e, finalmente, para um fermentador de inóculo. A cultura de inóculo deve ser fisiologicamente semelhante às células desejadas no fermentador de produção.

Exemplo: Uma empresa farmacêutica desenvolvendo um novo antibiótico pode começar com um estoque congelado do microrganismo produtor. Esse estoque é reativado em um frasco agitado, depois transferido para um pequeno biorreator (por exemplo, 2L). A biomassa deste biorreator então inocula um fermentador de inóculo maior (por exemplo, 50L), que fornece o inóculo para o fermentador de produção.

2. Fermentação em Escala Piloto

A fermentação em escala piloto faz a ponte entre o laboratório e a produção industrial. Permite testar e otimizar o processo de fermentação sob condições que se assemelham mais ao ambiente de produção em larga escala. Estudos em escala piloto ajudam a identificar potenciais problemas de ampliação da escala e a refinar os parâmetros operacionais. Essas experiências geralmente envolvem biorreatores que variam de 50L a 500L.

Exemplo: Uma empresa de biocombustíveis pode usar um biorreator de 100L para avaliar o desempenho de uma nova estirpe de levedura geneticamente modificada para a produção de etanol. Eles otimizariam parâmetros como temperatura, pH e taxas de alimentação de nutrientes para maximizar o rendimento e a produtividade de etanol.

3. Fermentação em Escala de Produção

A fase final é a fermentação em escala de produção, onde o produto é fabricado em grandes quantidades para venda comercial. Os biorreatores em escala de produção podem variar de vários milhares de litros a centenas de milhares de litros. Manter um desempenho consistente e a qualidade do produto nesta escala requer atenção cuidadosa aos detalhes e sistemas robustos de controlo de processos.

Exemplo: Uma cervejaria pode usar um fermentador de 10.000L para produzir cerveja em escala comercial. Eles monitorizariam cuidadosamente os níveis de temperatura, pH e oxigénio dissolvido para garantir sabor e qualidade consistentes.

Principais Considerações para a Ampliação da Escala de Fermentação

1. Design do Biorreator

O biorreator é o coração do processo de fermentação. Escolher o design certo do biorreator é crucial para uma ampliação de escala bem-sucedida. As principais considerações incluem:

• Tipo de Biorreator: Diferentes tipos de biorreatores são adequados para diferentes aplicações. Os reatores de tanque agitado são o tipo mais comum, mas outras opções incluem reatores de elevação a ar (air-lift), reatores de coluna de bolhas e reatores de leito empacotado. A escolha depende dos requisitos específicos do processo de fermentação, como o tipo de microrganismo, a demanda de oxigénio e a sensibilidade à tensão de cisalhamento.
• Sistema de Mistura: O sistema de mistura deve fornecer uma mistura adequada para homogeneidade, distribuição de nutrientes e transferência de oxigénio. Tipos comuns de impulsores incluem turbinas Rushton, turbinas de pás inclinadas e hélices marinhas. O número e a configuração dos impulsores, o design das chicanas e a velocidade de mistura devem ser otimizados para o biorreator e o processo de fermentação específicos.
• Sistema de Aspersão: O sistema de aspersão introduz ar ou oxigénio no biorreator. O tipo e o tamanho do aspersor, a taxa de fluxo de gás e a composição do gás devem ser cuidadosamente controlados para otimizar a transferência de oxigénio sem causar formação excessiva de espuma ou danos às células.
• Sistema de Transferência de Calor: O sistema de transferência de calor deve manter o biorreator na temperatura ideal para o crescimento celular e a formação do produto. Isso geralmente envolve um vaso encamisado com fluido de resfriamento ou aquecimento em circulação. A capacidade de transferência de calor deve ser suficiente para remover o calor gerado pelo processo de fermentação.
• Instrumentação e Controlo: O biorreator deve ser equipado com sensores e sistemas de controlo para monitorizar e regular parâmetros críticos do processo, como temperatura, pH, oxigénio dissolvido e níveis de nutrientes. Sistemas de controlo automatizados são essenciais para manter um desempenho consistente e a qualidade do produto.

2. Otimização do Processo

A otimização do processo envolve a identificação e a otimização dos principais parâmetros do processo que afetam o crescimento celular, a formação do produto e a qualidade do produto. Isso geralmente envolve uma combinação de estudos experimentais e modelagem matemática.

• Otimização do Meio: O meio de fermentação deve fornecer todos os nutrientes necessários para o crescimento celular e a formação do produto. Otimizar a composição do meio pode melhorar significativamente o rendimento e a produtividade do produto. Isso pode envolver a variação das concentrações de fontes de carbono, fontes de nitrogénio, vitaminas e minerais. Projetos experimentais estatísticos, como a metodologia de superfície de resposta (RSM), podem ser usados para otimizar eficientemente a composição do meio.
• Otimização da Temperatura: A temperatura ideal para o crescimento celular e a formação do produto depende do microrganismo específico. A temperatura pode afetar a atividade enzimática, a fluidez da membrana e a estabilidade das proteínas. A temperatura ideal deve ser determinada experimentalmente.
• Otimização do pH: A faixa de pH ideal para o crescimento celular e a formação do produto também depende do microrganismo específico. O pH pode afetar a atividade enzimática, a permeabilidade da membrana celular e a solubilidade das proteínas. O controlo preciso do pH é essencial para um desempenho ótimo da fermentação.
• Otimização do Oxigénio Dissolvido: Manter níveis adequados de oxigénio dissolvido é crucial para fermentações aeróbias. O nível ideal de oxigénio dissolvido depende da demanda de oxigénio do microrganismo e da capacidade de transferência de oxigénio do biorreator. Os níveis de oxigénio dissolvido podem ser controlados ajustando a velocidade de agitação, a taxa de aeração e o enriquecimento de oxigénio.
• Estratégias de Alimentação: Para fermentações em batelada alimentada e contínuas, a taxa e a composição da alimentação devem ser cuidadosamente otimizadas para maximizar o rendimento e a produtividade do produto. Estratégias de controlo por retroalimentação podem ser usadas para ajustar a taxa de alimentação com base em medições em tempo real da concentração de glicose, pH ou oxigénio dissolvido.

3. Monitorização e Controlo

A monitorização e o controlo eficazes dos parâmetros críticos do processo são essenciais para um desempenho consistente e para a qualidade do produto. Isso requer o uso de sensores apropriados, sistemas de controlo e técnicas de análise de dados.

• Sensores: Vários sensores estão disponíveis para monitorizar parâmetros críticos do processo, incluindo temperatura, pH, oxigénio dissolvido, concentração de glicose, concentração de biomassa e concentração de produto. A escolha do sensor depende do parâmetro específico a ser medido e dos requisitos do processo de fermentação.
• Sistemas de Controlo: Sistemas de controlo automatizados são usados para regular os parâmetros do processo com base no feedback dos sensores. Sistemas de controlo comuns incluem controladores PID (proporcional-integral-derivativo), que ajustam as variáveis manipuladas (por exemplo, temperatura, pH, velocidade de agitação) para manter os pontos de ajuste desejados.
• Análise de Dados: Os dados coletados de sensores e sistemas de controlo podem ser analisados para identificar tendências, detetar anomalias e otimizar o desempenho do processo. Técnicas de controlo estatístico de processo (CEP) podem ser usadas para monitorizar a variabilidade do processo e identificar problemas potenciais antes que afetem a qualidade do produto.
• Tecnologia Analítica de Processo (PAT): A PAT é uma estrutura para projetar, analisar e controlar processos de fabricação por meio de medições oportunas de atributos críticos de qualidade (CQAs) e parâmetros críticos de processo (CPPs). A PAT visa melhorar a compreensão do processo, reduzir a variabilidade e aumentar a qualidade do produto.

4. Garantia de Esterilidade

Manter a esterilidade é primordial nos processos de fermentação. A contaminação pode levar à deterioração do produto, redução do rendimento e até mesmo à falha completa do processo. Implementar procedimentos de esterilização robustos e técnicas assépticas é essencial.

• Esterilização de Equipamentos: Todos os equipamentos que entram em contato com o caldo de fermentação, incluindo o biorreator, tubulações e sensores, devem ser completamente esterilizados antes do uso. A esterilização a vapor é o método mais comum, mas outras opções incluem autoclavagem, filtração e esterilização química.
• Esterilização de Meios: O meio de fermentação também deve ser esterilizado para eliminar quaisquer microrganismos contaminantes. Isso é tipicamente feito por autoclavagem ou filtração estéril.
• Técnicas Assépticas: Todas as operações que envolvem a abertura do biorreator ou a introdução de materiais no caldo de fermentação devem ser realizadas usando técnicas assépticas. Isso inclui o uso de equipamentos estéreis, o uso de luvas estéreis e o trabalho em um ambiente limpo.
• Filtração de Ar: O ar que entra no biorreator deve ser filtrado através de filtros estéreis para remover quaisquer microrganismos transportados pelo ar.
• Sistemas Fechados: O uso de sistemas fechados minimiza o risco de contaminação. Isso envolve a conexão de todos os equipamentos e tubulações em um circuito fechado e evitar quaisquer transferências abertas de materiais.

5. Controlo da Espuma

A formação de espuma é um problema comum nos processos de fermentação, especialmente aqueles que envolvem proteínas ou surfactantes. A espuma excessiva pode levar à redução da transferência de oxigénio, contaminação e perda de produto. A espuma pode ser controlada adicionando agentes antiespumantes ou usando quebradores de espuma mecânicos.

• Agentes Antiespumantes: Agentes antiespumantes são produtos químicos que reduzem a tensão superficial do caldo de fermentação, prevenindo a formação de espuma. Agentes antiespumantes comuns incluem silicones, óleos vegetais e ácidos graxos. A escolha do agente antiespumante depende do processo de fermentação específico e da sensibilidade do microrganismo.
• Quebradores de Espuma Mecânicos: Os quebradores de espuma mecânicos usam pás rotativas ou outros dispositivos para quebrar fisicamente a espuma. Estes são frequentemente usados em conjunto com agentes antiespumantes.

Estratégias para uma Ampliação de Escala Bem-Sucedida

1. Abordagem QbD (Qualidade pelo Design)

QbD é uma abordagem sistemática ao desenvolvimento que começa com objetivos predefinidos e enfatiza a compreensão do produto e do processo e o controlo do processo. A aplicação dos princípios de QbD à ampliação da escala de fermentação ajuda a garantir a qualidade e o desempenho consistentes do produto.

Os elementos-chave do QbD incluem:

• Definir o Perfil de Qualidade do Produto Alvo (QTPP): O QTPP descreve as características desejadas do produto final, como pureza, potência e estabilidade.
• Identificar Atributos Críticos de Qualidade (CQAs): CQAs são as propriedades físicas, químicas, biológicas ou microbiológicas que devem ser controladas para garantir a qualidade desejada do produto.
• Identificar Parâmetros Críticos de Processo (CPPs): CPPs são os parâmetros do processo que podem afetar os CQAs.
• Estabelecer o Espaço de Design: O espaço de design é a combinação e interação multidimensional de variáveis de entrada (por exemplo, CPPs) e parâmetros de processo que demonstraram fornecer garantia de qualidade. Trabalhar dentro do espaço de design garante que o produto atenda aos atributos de qualidade desejados.
• Implementar uma Estratégia de Controlo: A estratégia de controlo descreve como os CPPs serão monitorizados e controlados para garantir que o processo permaneça dentro do espaço de design e que o produto atenda aos atributos de qualidade desejados.

2. Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD)

A CFD é uma ferramenta poderosa para simular o fluxo de fluidos, a transferência de calor e a transferência de massa em biorreatores. As simulações de CFD podem ser usadas para otimizar o design do biorreator, os sistemas de mistura e os sistemas de aspersão. Elas também podem ajudar a identificar problemas potenciais, como zonas mortas e pontos de alta tensão de cisalhamento. A CFD pode reduzir o número de experiências caras e demoradas em escala piloto necessárias para a ampliação da escala.

3. Modelos de Escala Reduzida

Modelos de escala reduzida são biorreatores de pequena escala projetados para imitar as condições em um biorreator de produção em grande escala. Os modelos de escala reduzida podem ser usados para estudar os efeitos de diferentes parâmetros de processo no crescimento celular, na formação do produto e na qualidade do produto. Eles também podem ser usados para solucionar problemas que surgem durante a ampliação da escala. Modelos de escala reduzida bem caracterizados podem fornecer informações valiosas e acelerar o processo de desenvolvimento.

4. Modelagem e Simulação de Processos

A modelagem e a simulação de processos podem ser usadas para prever o comportamento do processo de fermentação em diferentes escalas e sob diferentes condições operacionais. Modelos matemáticos podem ser desenvolvidos com base em princípios fundamentais de transferência de massa, transferência de calor e cinética de reação. Esses modelos podem ser usados para otimizar parâmetros de processo, projetar estratégias de controlo e solucionar problemas. Ferramentas como MATLAB, gPROMS e Aspen Plus podem ser usadas para modelagem e simulação de processos.

Considerações sobre o Processamento Downstream

As considerações de ampliação de escala vão além do próprio processo de fermentação. O processamento downstream, que envolve a separação e purificação do produto do caldo de fermentação, também precisa ser ampliado. A escolha das técnicas de processamento downstream depende da natureza do produto, sua concentração e a pureza desejada. As técnicas comuns de processamento downstream incluem:

• Separação Celular: A remoção de células do caldo de fermentação é frequentemente o primeiro passo no processamento downstream. Isso pode ser feito por centrifugação, filtração ou microfiltração.
• Rompimento Celular: Se o produto for intracelular, as células devem ser rompidas para liberar o produto. Isso pode ser feito por métodos mecânicos (por exemplo, homogeneização, moagem com esferas) ou métodos químicos (por exemplo, lise enzimática).
• Isolamento do Produto: O produto pode ser isolado do caldo de fermentação por uma variedade de técnicas, incluindo precipitação, extração e adsorção.
• Purificação do Produto: O produto é tipicamente purificado por técnicas cromatográficas, como cromatografia de afinidade, cromatografia de troca iónica e cromatografia de exclusão por tamanho.
• Formulação do Produto: O passo final no processamento downstream é formular o produto em uma forma estável e utilizável. Isso pode envolver a adição de excipientes, estabilizadores e conservantes.

Exemplos Globais de Ampliação de Escala de Fermentação Bem-Sucedida

Várias indústrias em todo o mundo dependem fortemente de uma ampliação de escala de fermentação bem-sucedida. Aqui estão alguns exemplos:

• Indústria Farmacêutica (Global): A produção de antibióticos, vacinas e outros biofármacos depende da fermentação em grande escala de microrganismos ou culturas de células. Empresas como Pfizer, Roche e Novartis operam instalações de fermentação massivas em todo o mundo.
• Indústria de Alimentos e Bebidas (Europa, América do Norte, Ásia): A produção de cerveja, vinho, iogurte, queijo e outros alimentos e bebidas fermentados depende de processos de fermentação controlados. Empresas como Anheuser-Busch InBev (Bélgica), Danone (França) e Kirin Brewery (Japão) aperfeiçoaram a ampliação da escala de fermentação ao longo de muitos anos.
• Indústria de Biocombustíveis (Brasil, EUA): A produção de etanol a partir de cana-de-açúcar (Brasil) e milho (EUA) envolve a fermentação em grande escala de açúcares por leveduras. Empresas como a Raízen (Brasil) e a Archer Daniels Midland (EUA) operam instalações de produção de biocombustíveis em grande escala.
• Biotecnologia Industrial (Dinamarca, Alemanha, China): A produção de enzimas, bioplásticos e outros produtos de base biológica depende da fermentação de microrganismos geneticamente modificados. Empresas como Novozymes (Dinamarca), BASF (Alemanha) e Amyris (EUA) são líderes neste campo.

Solução de Problemas Comuns na Ampliação da Escala

Apesar do planejamento e da execução cuidadosos, problemas ainda podem surgir durante a ampliação da escala de fermentação. Aqui estão alguns problemas comuns e possíveis soluções:

• Redução do Rendimento do Produto: Isso pode ser devido a mudanças nas vias metabólicas, limitações de nutrientes ou acúmulo de subprodutos inibitórios. Reveja a composição do meio, otimize as estratégias de alimentação e garanta uma transferência de oxigénio adequada.
• Aumento do Risco de Contaminação: Isso pode ser devido a procedimentos de esterilização inadequados ou falhas na técnica asséptica. Reveja os protocolos de esterilização, melhore a filtração do ar e implemente procedimentos assépticos mais rigorosos.
• Superprodução de Espuma: Isso pode ser devido a mudanças na composição do meio ou na fisiologia celular. Otimize a adição de agente antiespumante ou instale um quebrador de espuma mecânico.
• Alterações na Morfologia Celular: Isso pode ser devido a mudanças na tensão de cisalhamento ou nos gradientes de nutrientes. Otimize o design do impulsor, a velocidade de mistura e as estratégias de alimentação.
• Instabilidade do Produto: Isso pode ser devido a mudanças de pH, temperatura ou à presença de enzimas degradantes. Otimize os parâmetros do processo e adicione estabilizadores ao meio.

Tendências Futuras na Ampliação da Escala de Fermentação

O campo da fermentação está em constante evolução. Algumas das principais tendências que estão a moldar o futuro da ampliação da escala de fermentação incluem:

• Fermentação Contínua: A fermentação contínua oferece várias vantagens sobre a fermentação em batelada, incluindo maior produtividade, menores custos operacionais e qualidade do produto mais consistente.
• Biorreatores de Uso Único: Biorreatores de uso único eliminam a necessidade de limpeza e esterilização, reduzindo o risco de contaminação e simplificando as operações.
• Controlo Avançado de Processo: Técnicas avançadas de controlo de processo, como o controlo preditivo por modelo (MPC) e a aprendizagem de máquina, estão a ser usadas para otimizar os processos de fermentação em tempo real.
• Biologia Sintética: A biologia sintética está a ser usada para projetar microrganismos com capacidades metabólicas e produtividades melhoradas.
• Comunidades Microbianas: A exploração de comunidades e consórcios microbianos pode desbloquear novas vias metabólicas e melhorar a eficiência dos bioprocessos.

Conclusão

A ampliação dos processos de fermentação comercial é um passo complexo, mas essencial, para levar bioprodutos ao mercado. Ao considerar cuidadosamente os fatores-chave discutidos neste guia, incluindo o design do biorreator, a otimização do processo, a monitorização e o controlo, a garantia de esterilidade e o controlo da espuma, as empresas podem ampliar com sucesso os seus processos de fermentação e alcançar qualidade e desempenho consistentes do produto. A adoção de novas tecnologias e metodologias, como QbD, CFD, modelos de escala reduzida e controlo avançado de processo, aumentará ainda mais a eficiência e a robustez das operações de fermentação comercial em todo o mundo.