Control de calidad de caldos de fermentación

Los procesos de fermentación celular son un método de producción fiable para moléculas pequeñas e ingredientes farmacéuticos activos (API) basados en proteínas, lo que permite a las empresas farmacéuticas optimizar el proceso de producción y reducir el tiempo de comercialización. El proceso de fermentación requiere la monitorización de muchos parámetros diferentes para garantizar una producción óptima. Estos parámetros de calidad incluyen (pero no se limitan a) pH, contenido bacteriano, potencia, glucosa y concentración de azúcares reductores. El análisis de laboratorio tradicional toma una cantidad significativa de tiempo y requiere diferentes técnicas analíticas para monitorear estos parámetros de calidad en el proceso de fermentación.

La espectroscopía del infrarrojo cercano (NIRS) ofrece una alternativa más rápida y económica a los métodos tradicionales para determinar parámetros críticos en los caldos de fermentación en cualquier fase del proceso de fermentación.

Figure 1. Analizador de sólidos DS2500.

Las muestras de caldo de fermentación tomadas en diferentes tiempos de fermentación se midieron en modo de reflexión con el analizador de sólidos Metrohm DS2500. Debido a que las muestras eran de color oscuro (amarillo-marrón), se midieron sin necesidad de usar el reflector dorado y no requirieron preparación de muestras. El paquete de software Metrohm Vision Air Complete se utilizó para toda la adquisición de datos y el desarrollo del modelo de predicción.

**Tabla 1.** Descripción general del equipo de hardware y software
Equipo	Número de metrohmios
Analizador de sólidos DS2500	2.922.0010
Recipiente de transflexión NIRS	6.7401.000
Portavasos de muestra mini NIRS para DS2500	6.7430.040
Vision Air 2.0 completo	6.6072.208

Los espectros Vis-NIR obtenidos (Figura 2) se utilizaron para crear modelos de predicción para la cuantificación de la concentración de bacterias, glucosa y azúcares reductores, así como el pH y la potencia. La calidad de los modelos de predicción se evaluó mediante el diagrama de correlación, que muestra una alta correlación entre la predicción Vis-NIR y los valores de referencia. Las respectivas cifras de mérito (FOM) muestran la precisión esperada de una predicción durante el análisis de rutina. Potencia (Figuras 7 y 8) se midió con dos métodos de laboratorio diferentes como se describe en Tabla 8.

Figure 2. Espectros Vis-NIR de muestras de caldo de fermentación tomadas en diferentes tiempos de fermentación y analizadas en un analizador de sólidos DS2500.

Resultado pH en caldos de fermentación

Figure 3. Diagrama de correlación para la predicción del pH en caldo de fermentación utilizando un analizador de sólidos DS2500. El valor de laboratorio se evaluó usando un medidor de pH.

**Tabla 2.** Cifras de mérito para la predicción del pH en caldo de fermentación utilizando un analizador de sólidos DS2500.
Figuras de merito	Valor
R²	0,6461
Error estándar de calibración	0,1645
Error estándar de validación cruzada	0,1686
Error estándar de validación	0,0997

Resultado concentración bacteriana en caldos de fermentación

Figure 4. Diagrama de correlación para la predicción de la concentración bacteriana en caldo de fermentación utilizando un analizador de sólidos DS2500. El valor de laboratorio se evaluó mediante espectrofotometría UV-Vis.

**Tabla 3.** Cifras de mérito para la predicción de la concentración bacteriana en caldo de fermentación utilizando un analizador de sólidos DS2500.
Figuras de merito	Valor
R²	0,7086
Error estándar de calibración	4,6884 UFC/mL
Error estándar de validación cruzada	4,7429 UFC/mL
Error estándar de validación	5,0916 UFC/mL

Resultado contenido de glucosa en caldos de fermentación

Figure 5. Diagrama de correlación para la predicción de la concentración de glucosa en caldo de fermentación utilizando un analizador de sólidos DS2500. El valor de laboratorio se evaluó usando HPLC.

**Tabla 4.** Cifras de mérito para la predicción de la glucosa contenido en caldo de fermentación utilizando un analizador de sólidos DS2500.
Figuras de merito	Valor
R²	0,9165
Error estándar de calibración	0,6938%
Error estándar de validación cruzada	0,7896%
Error estándar de validación	0,8628%

Resultado reductor del contenido de azúcares en caldos de fermentación

Figure 6. Diagrama de correlación para la predicción de azúcares reductores en caldo de fermentación utilizando un analizador de sólidos DS2500. El valor de laboratorio se evaluó usando HPLC.

**Tabla 5.** Cifras de mérito para la predicción de azúcares contenido en caldo de fermentación utilizando un analizador de sólidos DS2500.
Figuras de merito	Valor
R²	0,9863
Error estándar de calibración	0,4767%
Error estándar de validación cruzada	0,6821%
Error estándar de validación	1,2429%

Resultado potencia en caldos de fermentación

Figure 7. Diagrama de correlación para la predicción de potencia en caldo de fermentación utilizando un analizador de sólidos DS2500. El valor de laboratorio se evaluó mediante espectrofotometría UV-Vis.

**Tabla 6.** Figuras de mérito para la predicción de potencia en caldo de fermentación utilizando un analizador de sólidos DS2500.
Figuras de merito	Valor
R²	0,9083
Error estándar de calibración	2295 u/mL
Error estándar de validación cruzada	2968 u/mL
Error estándar de validación	2089 u/mL

Resultado potencia en caldos de fermentación

Figure 8. Diagrama de correlación para la predicción de potencia en caldo de fermentación utilizando un analizador de sólidos DS2500. El valor de laboratorio se evaluó mediante HPLC + PCR.

**Tabla 7.** Figuras de mérito para la predicción de potencia en caldo de fermentación utilizando un analizador de sólidos DS2500.
Figuras de merito	Valor
R²	0,9156
Error estándar de calibración	1913 u/mL
Error estándar de validación cruzada	2172 u/mL
Error estándar de validación	1168 u/mL

Esta nota de aplicación demuestra la viabilidad de determinar parámetros clave del control de calidad del proceso de fermentación con espectroscopia NIR. Las principales ventajas de la espectroscopia Vis-NIR sobre los métodos químicos húmedos son que los costos de funcionamiento son significativamente más bajos y el tiempo de obtención de resultados se reduce significativamente. Además, no se requieren productos químicos y la técnica no es destructiva para las muestras.

**Tabla 8.** Visión general del tiempo de obtención de resultados para los diferentes parámetros de calidad
Parámetro	Método	tiempo de resultado
pH	medidor de pH	∼ 3–5 minutos
Concentración bacteriana	UV-Vis	∼ 8 horas (preparación de muestra) + ∼ 1 minuto (UV-Vis)
Concentración de glucosa y azúcares reductores	HPLC	∼ 30–45 minutos
Potencia	UV-Vis	∼ 7 minutos (preparación de muestra) + ∼ 1 minuto (UV-Vis)
Potencia	HPLC + PCR	∼ 1 hora (preparación de muestra) + ∼ 20 minutos (HPLC + PCR)

Contacto

Metrohm Hispania

Calle Aguacate 15
28044 Madrid

Contacto

Internal reference: AW NIR CN-0017-112021