Aktualności - Monitorowanie poziomu pH w procesie fermentacji biofarmaceutycznej

Elektroda pH odgrywa kluczową rolę w procesie fermentacji, służąc przede wszystkim do monitorowania i regulacji kwasowości i zasadowości brzeczki fermentacyjnej. Poprzez ciągły pomiar wartości pH, elektroda umożliwia precyzyjną kontrolę środowiska fermentacji. Typowa elektroda pH składa się z elektrody pomiarowej i elektrody odniesienia, działających na zasadzie równania Nernsta, które reguluje konwersję energii chemicznej na sygnały elektryczne. Potencjał elektrody jest bezpośrednio związany z aktywnością jonów wodorowych w roztworze. Wartość pH jest określana poprzez porównanie zmierzonej różnicy napięć z wartością wzorcowego roztworu buforowego, co pozwala na dokładną i wiarygodną kalibrację. Takie podejście pomiarowe zapewnia stabilną regulację pH w całym procesie fermentacji, wspierając tym samym optymalną aktywność mikrobiologiczną lub komórkową i gwarantując jakość produktu.

Prawidłowe użycie elektrod pH wymaga kilku etapów przygotowawczych, w tym aktywacji elektrody – zazwyczaj poprzez zanurzenie jej w wodzie destylowanej lub buforze o pH 4 – w celu zapewnienia optymalnej czułości i dokładności pomiaru. Aby sprostać surowym wymaganiom przemysłu fermentacji biofarmaceutycznej, elektrody pH muszą charakteryzować się szybkim czasem reakcji, wysoką precyzją i wytrzymałością w rygorystycznych warunkach sterylizacji, takich jak sterylizacja parowa w wysokiej temperaturze (SIP). Te cechy umożliwiają niezawodną pracę w sterylnych środowiskach. Na przykład, w produkcji kwasu glutaminowego precyzyjne monitorowanie pH jest niezbędne do kontrolowania kluczowych parametrów, takich jak temperatura, zawartość tlenu rozpuszczonego, prędkość mieszania i samo pH. Dokładna regulacja tych zmiennych ma bezpośredni wpływ zarówno na wydajność, jak i jakość produktu końcowego. Niektóre zaawansowane elektrody pH, wyposażone w odporne na wysokie temperatury szklane membrany i wstępnie sprężone układy odniesienia z żelem polimerowym, wykazują wyjątkową stabilność w ekstremalnych warunkach temperatury i ciśnienia, co czyni je szczególnie odpowiednimi do zastosowań SIP w procesach fermentacji biologicznej i spożywczej. Co więcej, ich silne właściwości przeciwporostowe zapewniają spójną wydajność w przypadku różnych brzeczek fermentacyjnych. Firma Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. oferuje różne opcje złączy elektrod, zwiększając wygodę użytkownika i elastyczność integracji systemu.

Dlaczego monitorowanie pH jest konieczne w procesie fermentacji produktów biofarmaceutycznych?

W fermentacji biofarmaceutycznej monitorowanie i kontrola pH w czasie rzeczywistym są niezbędne dla pomyślnej produkcji oraz maksymalizacji wydajności i jakości produktów docelowych, takich jak antybiotyki, szczepionki, przeciwciała monoklonalne i enzymy. W istocie, kontrola pH tworzy optymalne środowisko fizjologiczne dla komórek drobnoustrojów lub ssaków – funkcjonujących jak „żywe fabryki” – do wzrostu i syntezy związków terapeutycznych, analogicznie do tego, jak rolnicy dostosowują pH gleby do wymagań upraw.

1. Utrzymuj optymalną aktywność komórkową
Fermentacja opiera się na żywych komórkach (np. komórkach CHO) w celu wytwarzania złożonych biocząsteczek. Metabolizm komórkowy jest wysoce wrażliwy na pH środowiska. Enzymy, które katalizują wszystkie wewnątrzkomórkowe reakcje biochemiczne, charakteryzują się wąskim zakresem optymalnego pH; odchylenia od tego zakresu mogą znacząco zmniejszyć aktywność enzymatyczną lub spowodować denaturację, upośledzając funkcje metaboliczne. Ponadto, wchłanianie składników odżywczych przez błonę komórkową – takich jak glukoza, aminokwasy i sole nieorganiczne – jest zależne od pH. Nieoptymalne poziomy pH mogą utrudniać wchłanianie składników odżywczych, prowadząc do suboptymalnego wzrostu lub zaburzeń metabolicznych. Ponadto skrajne wartości pH mogą zaburzać integralność błony komórkowej, powodując wyciek cytoplazmy lub lizę komórek.

2. Zminimalizuj powstawanie produktów ubocznych i odpadów substratu
Podczas fermentacji metabolizm komórkowy generuje kwaśne lub zasadowe metabolity. Na przykład, wiele mikroorganizmów produkuje kwasy organiczne (np. kwas mlekowy, kwas octowy) podczas katabolizmu glukozy, co powoduje spadek pH. Nieskorygowane niskie pH hamuje wzrost komórek i może przesunąć strumień metaboliczny w kierunku szlaków nieproduktywnych, zwiększając akumulację produktów ubocznych. Te produkty uboczne zużywają cenne zasoby węgla i energii, które w przeciwnym razie wspierałyby syntezę produktów docelowych, zmniejszając tym samym ogólną wydajność. Skuteczna kontrola pH pomaga utrzymać pożądane szlaki metaboliczne i poprawia wydajność procesu.

3. Zapewnij stabilność produktu i zapobiegaj jego degradacji
Wiele produktów biofarmaceutycznych, zwłaszcza białka, takie jak przeciwciała monoklonalne i hormony peptydowe, jest podatnych na zmiany strukturalne wywołane pH. Poza stabilnym zakresem pH cząsteczki te mogą ulegać denaturacji, agregacji lub inaktywacji, potencjalnie tworząc szkodliwe osady. Ponadto niektóre produkty są podatne na hydrolizę chemiczną lub degradację enzymatyczną w środowisku kwaśnym lub zasadowym. Utrzymanie odpowiedniego pH minimalizuje degradację produktu podczas produkcji, zachowując jego skuteczność i bezpieczeństwo.

4. Zoptymalizuj wydajność procesu i zapewnij spójność każdej partii
Z przemysłowego punktu widzenia, kontrola pH ma bezpośredni wpływ na wydajność i opłacalność ekonomiczną. Prowadzone są szeroko zakrojone badania w celu określenia idealnych wartości pH dla różnych faz fermentacji – takich jak wzrost komórek w porównaniu z ekspresją produktu – które mogą się znacząco różnić. Dynamiczna kontrola pH umożliwia optymalizację w zależności od etapu, maksymalizując akumulację biomasy i miana produktów. Ponadto, agencje regulacyjne, takie jak FDA i EMA, wymagają ścisłego przestrzegania Dobrych Praktyk Produkcyjnych (GMP), w których obowiązkowe jest zachowanie spójnych parametrów procesu. pH jest uznawane za krytyczny parametr procesu (CPP), a jego ciągły monitoring zapewnia powtarzalność w różnych partiach, gwarantując bezpieczeństwo, skuteczność i jakość produktów farmaceutycznych.

5. Służy jako wskaźnik zdrowia fermentacji
Trend zmian pH dostarcza cennych informacji o stanie fizjologicznym hodowli. Nagłe lub nieoczekiwane zmiany pH mogą sygnalizować zanieczyszczenie, awarię czujnika, wyczerpanie składników odżywczych lub nieprawidłowości metaboliczne. Wczesne wykrywanie na podstawie trendów pH umożliwia operatorowi szybką interwencję, ułatwiając rozwiązywanie problemów i zapobiegając kosztownym awariom partii.

Jak dobierać czujniki pH do procesu fermentacji w produktach biofarmaceutycznych?

Wybór odpowiedniego czujnika pH do fermentacji biofarmaceutycznej to kluczowa decyzja inżynieryjna, która wpływa na niezawodność procesu, integralność danych, jakość produktu i zgodność z przepisami. Dobór powinien być przeprowadzony systematycznie, uwzględniając nie tylko wydajność czujnika, ale także jego kompatybilność z całym procesem bioprzetwarzania.

1. Odporność na wysoką temperaturę i ciśnienie
Procesy biofarmaceutyczne powszechnie wykorzystują sterylizację parową in situ (SIP), zazwyczaj w temperaturze 121°C i ciśnieniu 1–2 barów przez 20–60 minut. Dlatego każdy czujnik pH musi wytrzymywać wielokrotną ekspozycję na takie warunki bezawaryjnie. Idealnie, czujnik powinien być przystosowany do pracy w temperaturze co najmniej 130°C i ciśnieniu 3–4 barów, aby zapewnić margines bezpieczeństwa. Solidne uszczelnienie jest niezbędne, aby zapobiec wnikaniu wilgoci, wyciekom elektrolitu i uszkodzeniom mechanicznym podczas cykli termicznych.

2. Typ czujnika i układ odniesienia
Jest to kluczowy czynnik techniczny mający wpływ na długoterminową stabilność, potrzeby konserwacyjne i odporność na zanieczyszczenia.
Konfiguracja elektrod: Elektrody kompozytowe, łączące w jednym korpusie elementy pomiarowe i odniesienia, są powszechnie stosowane ze względu na łatwość instalacji i obsługi.
Układ odniesienia:
• Odniesienie wypełnione cieczą (np. roztworem KCl): Oferuje szybką reakcję i wysoką dokładność, ale wymaga okresowego uzupełniania. Podczas SIP może dojść do utraty elektrolitu, a porowate złącza (np. ceramiczne fryty) są podatne na zatykanie białkami lub cząstkami stałymi, co prowadzi do dryftu i niewiarygodnych odczytów.
• Żel polimerowy lub referencyjny w stanie stałym: Coraz częściej preferowany w nowoczesnych bioreaktorach. Systemy te eliminują potrzebę uzupełniania elektrolitu, redukują koszty konserwacji i charakteryzują się szerszymi połączeniami cieczowymi (np. pierścieniami PTFE) odpornymi na zanieczyszczenia. Oferują one doskonałą stabilność i dłuższą żywotność w złożonych, lepkich środowiskach fermentacyjnych.

3. Zakres i dokładność pomiaru
Czujnik powinien obejmować szeroki zakres roboczy, zazwyczaj pH 2–12, aby dostosować się do zróżnicowanych etapów procesu. Biorąc pod uwagę wrażliwość systemów biologicznych, dokładność pomiaru powinna mieścić się w granicach ±0,01–±0,02 jednostki pH, wspierana przez sygnał wyjściowy o wysokiej rozdzielczości.

4. Czas reakcji
Czas reakcji jest powszechnie definiowany jako t90 – czas potrzebny do osiągnięcia 90% odczytu końcowego po skokowej zmianie pH. Chociaż elektrody żelowe mogą wykazywać nieco wolniejszą reakcję niż elektrody wypełnione cieczą, zazwyczaj spełniają one dynamiczne wymagania pętli sterowania fermentacją, które działają w skali godzinowej, a nie sekundowej.

5. Biozgodność
Wszystkie materiały mające kontakt z podłożem hodowlanym muszą być nietoksyczne, nieulegające wypłukiwaniu i obojętne, aby uniknąć negatywnego wpływu na żywotność komórek lub jakość produktu. Zaleca się stosowanie specjalistycznych formulacji szkła, przeznaczonych do zastosowań w bioprzetwarzaniu, w celu zapewnienia odporności chemicznej i biozgodności.

6. Wyjście sygnału i interfejs
• Wyjście analogowe (mV/pH): Tradycyjna metoda wykorzystująca transmisję analogową do systemu sterowania. Ekonomiczna, ale podatna na zakłócenia elektromagnetyczne i tłumienie sygnału na duże odległości.
• Wyjście cyfrowe (np. oparte na technologii MEMS lub inteligentne czujniki): Zawiera wbudowaną mikroelektronikę do przesyłania sygnałów cyfrowych (np. przez RS485). Zapewnia doskonałą odporność na zakłócenia, obsługuje komunikację na duże odległości i umożliwia przechowywanie historii kalibracji, numerów seryjnych i dzienników użytkowania. Zgodność z normami regulacyjnymi, takimi jak FDA 21 CFR część 11, dotyczącymi elektronicznych rejestrów i podpisów, sprawia, że jest coraz częściej preferowany w środowiskach GMP.

7. Interfejs instalacyjny i obudowa ochronna
Czujnik musi być kompatybilny z wyznaczonym portem w bioreaktorze (np. zaciskiem Tri-Clamp, przyłączem sanitarnym). Zaleca się stosowanie osłon ochronnych, aby zapobiec uszkodzeniom mechanicznym podczas obsługi lub eksploatacji oraz ułatwić wymianę bez utraty sterylności.