Novice - Spremljanje pH vrednosti v procesu biofarmacevtske fermentacije

pH elektroda igra ključno vlogo v procesu fermentacije, saj služi predvsem za spremljanje in uravnavanje kislosti in alkalnosti fermentacijske juhe. Z neprekinjenim merjenjem pH vrednosti elektroda omogoča natančen nadzor nad fermentacijskim okoljem. Tipična pH elektroda je sestavljena iz zaznavne elektrode in referenčne elektrode, ki delujeta na principu Nernstove enačbe, ki ureja pretvorbo kemijske energije v električne signale. Potencial elektrode je neposredno povezan z aktivnostjo vodikovih ionov v raztopini. Vrednost pH se določi s primerjavo izmerjene napetostne razlike z napetostno razliko standardne puferske raztopine, kar omogoča natančno in zanesljivo kalibracijo. Ta merilni pristop zagotavlja stabilno regulacijo pH skozi celoten proces fermentacije, s čimer podpira optimalno mikrobno ali celično aktivnost in zagotavlja kakovost izdelka.

Pravilna uporaba pH elektrod zahteva več pripravljalnih korakov, vključno z aktivacijo elektrode – ki se običajno doseže s potopitvijo elektrode v destilirano vodo ali pufersko raztopino pH 4 – da se zagotovi optimalna odzivnost in natančnost meritev. Da bi izpolnile stroge zahteve biofarmacevtske fermentacijske industrije, morajo pH elektrode imeti hiter odzivni čas, visoko natančnost in robustnost v strogih pogojih sterilizacije, kot je sterilizacija s paro pri visokih temperaturah (SIP). Te lastnosti omogočajo zanesljivo delovanje v sterilnih okoljih. Na primer, pri proizvodnji glutaminske kisline je natančno spremljanje pH bistvenega pomena za nadzor ključnih parametrov, kot so temperatura, raztopljeni kisik, hitrost mešanja in sam pH. Natančna regulacija teh spremenljivk neposredno vpliva tako na izkoristek kot na kakovost končnega izdelka. Nekatere napredne pH elektrode, ki imajo steklene membrane, odporne na visoke temperature, in referenčne sisteme s polimernim gelom pod predhodnim tlakom, kažejo izjemno stabilnost v ekstremnih temperaturnih in tlačnih pogojih, zaradi česar so še posebej primerne za uporabo SIP v bioloških in živilskih fermentacijskih procesih. Poleg tega njihove močne lastnosti proti obraščanju omogočajo dosledno delovanje v različnih fermentacijskih juhah. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. ponuja različne možnosti priključkov za elektrode, kar povečuje udobje uporabnika in prilagodljivost sistemske integracije.

Zakaj je spremljanje pH potrebno med procesom fermentacije biofarmacevtskih izdelkov?

Pri biofarmacevtski fermentaciji sta spremljanje in nadzor pH v realnem času bistvena za uspešno proizvodnjo ter za maksimiranje pridelka in kakovosti ciljnih izdelkov, kot so antibiotiki, cepiva, monoklonska protitelesa in encimi. Nadzor pH v bistvu ustvarja optimalno fiziološko okolje za mikrobne ali sesalske celice – ki delujejo kot "žive tovarne" – za rast in sintezo terapevtskih spojin, analogno temu, kako kmetje prilagajajo pH tal glede na potrebe pridelka.

1. Ohranite optimalno celično aktivnost
Fermentacija se za proizvodnjo kompleksnih biomolekul zanaša na žive celice (npr. celice CHO). Celični metabolizem je zelo občutljiv na pH okolja. Encimi, ki katalizirajo vse znotrajcelične biokemične reakcije, imajo ozke optimalne vrednosti pH; odstopanja od tega območja lahko znatno zmanjšajo encimsko aktivnost ali povzročijo denaturacijo, kar poslabša presnovno funkcijo. Poleg tega je absorpcija hranil skozi celično membrano, kot so glukoza, aminokisline in anorganske soli, odvisna od pH. Neoptimalne vrednosti pH lahko ovirajo absorpcijo hranil, kar vodi v neoptimalno rast ali presnovno neravnovesje. Poleg tega lahko ekstremne vrednosti pH ogrozijo celovitost membrane, kar povzroči citoplazmatsko puščanje ali celično lizo.

2. Zmanjšajte nastajanje stranskih produktov in odpadke substrata
Med fermentacijo celični metabolizem ustvarja kisle ali bazične metabolite. Na primer, mnogi mikroorganizmi med katabolizmom glukoze proizvajajo organske kisline (npr. mlečno kislino, ocetno kislino), kar povzroči padec pH. Če se nizek pH ne popravi, zavira rast celic in lahko premakne presnovni tok proti neproduktivnim potem, kar poveča kopičenje stranskih produktov. Ti stranski produkti porabljajo dragocene vire ogljika in energije, ki bi sicer podpirali sintezo ciljnih produktov, s čimer se zmanjša skupni izkoristek. Učinkovit nadzor pH pomaga vzdrževati želene presnovne poti in izboljša učinkovitost procesa.

3. Zagotovite stabilnost izdelka in preprečite degradacijo
Številni biofarmacevtski izdelki, zlasti beljakovine, kot so monoklonska protitelesa in peptidni hormoni, so dovzetni za strukturne spremembe, ki jih povzroča pH. Zunaj stabilnega območja pH lahko te molekule denaturirajo, agregirajo ali inaktivirajo, kar lahko tvori škodljive oborine. Poleg tega so nekateri izdelki nagnjeni k kemični hidrolizi ali encimski razgradnji v kislih ali alkalnih pogojih. Vzdrževanje ustreznega pH zmanjša razgradnjo izdelka med proizvodnjo, s čimer se ohrani učinkovitost in varnost.

4. Optimizirajte učinkovitost procesa in zagotovite doslednost med serijami
Z industrijskega vidika nadzor pH neposredno vpliva na produktivnost in ekonomsko upravičenost. Izvajajo se obsežne raziskave za določitev idealnih nastavljenih vrednosti pH za različne faze fermentacije – kot sta rast celic v primerjavi z izražanjem produkta –, ki se lahko bistveno razlikujejo. Dinamični nadzor pH omogoča optimizacijo za posamezne faze, kar maksimizira kopičenje biomase in titre produktov. Poleg tega regulativne agencije, kot sta FDA in EMA, zahtevajo strogo upoštevanje dobrih proizvodnih praks (GMP), kjer so obvezni dosledni procesni parametri. pH je prepoznan kot kritični procesni parameter (CPP), njegovo stalno spremljanje pa zagotavlja ponovljivost v vseh serijah, kar zagotavlja varnost, učinkovitost in kakovost farmacevtskih izdelkov.

5. Služi kot pokazatelj zdravja fermentacije
Trend spremembe pH vrednosti zagotavlja dragocen vpogled v fiziološko stanje kulture. Nenadne ali nepričakovane spremembe pH vrednosti lahko kažejo na kontaminacijo, okvaro senzorja, izčrpavanje hranil ali presnovne anomalije. Zgodnje odkrivanje na podlagi trendov pH vrednosti omogoča pravočasno posredovanje operaterja, kar olajša odpravljanje težav in preprečuje drage okvare serij.

Kako naj bodo pH senzorji izbrani za proces fermentacije v biofarmacevtskih izdelkih?

Izbira ustreznega senzorja pH za biofarmacevtsko fermentacijo je ključna inženirska odločitev, ki vpliva na zanesljivost procesa, celovitost podatkov, kakovost izdelka in skladnost s predpisi. K izbiri je treba pristopiti sistematično, pri čemer je treba upoštevati ne le delovanje senzorja, temveč tudi združljivost s celotnim potekom dela v bioprocesu.

1. Odpornost na visoke temperature in tlak
Biofarmacevtski procesi pogosto uporabljajo sterilizacijo s paro in situ (SIP), običajno pri 121 °C in tlaku 1–2 bara 20–60 minut. Zato mora vsak senzor pH brez okvare prenesti ponavljajočo se izpostavljenost takim pogojem. V idealnem primeru bi moral biti senzor zasnovan za vsaj 130 °C in 3–4 bare, da se zagotovi varnostna rezerva. Robustno tesnjenje je bistveno za preprečevanje vdora vlage, puščanja elektrolita ali mehanskih poškodb med termičnim cikliranjem.

2. Vrsta senzorja in referenčni sistem
To je ključni tehnični dejavnik, ki vpliva na dolgoročno stabilnost, potrebe po vzdrževanju in odpornost proti obraščanju.
Konfiguracija elektrod: Kompozitne elektrode, ki v enem telesu združujejo merilne in referenčne elemente, so zaradi enostavne namestitve in rokovanja široko uporabljene.
Referenčni sistem:
• Referenčna vrednost, napolnjena s tekočino (npr. raztopina KCl): Ponuja hiter odziv in visoko natančnost, vendar zahteva redno polnjenje. Med SIP lahko pride do izgube elektrolita, porozni stiki (npr. keramične frite) pa so nagnjeni k zamašitvi z beljakovinami ali delci, kar vodi do zdrsa in nezanesljivih odčitkov.
• Polimerni gel ali referenca v trdnem stanju: Vse bolj priljubljena v sodobnih bioreaktorjih. Ti sistemi odpravljajo potrebo po dopolnjevanju elektrolitov, zmanjšujejo vzdrževanje in imajo širše tekoče stike (npr. PTFE obroče), ki so odporni proti obraščanju. Ponujajo vrhunsko stabilnost in daljšo življenjsko dobo v kompleksnih, viskoznih fermentacijskih medijih.

3. Merilno območje in natančnost
Senzor naj bi pokrival široko delovno območje, običajno pH 2–12, da bi se prilagodil različnim fazam procesa. Glede na občutljivost bioloških sistemov mora biti natančnost meritev v območju od ±0,01 do ±0,02 pH enote, kar podpira visokoločljivostni izhodni signal.

4. Odzivni čas
Odzivni čas je običajno opredeljen kot t90 – čas, potreben za dosego 90 % končne vrednosti po skokoviti spremembi pH. Čeprav imajo gelske elektrode lahko nekoliko počasnejši odziv kot tiste, napolnjene s tekočino, običajno izpolnjujejo dinamične zahteve za nadzor fermentacije, ki delujejo na urnih časovnih skalah in ne na sekundah.

5. Biokompatibilnost
Vsi materiali, ki so v stiku z gojiščem, morajo biti nestrupeni, ne smejo se izpirati in morajo biti inertni, da se preprečijo škodljivi učinki na sposobnost preživetja celic ali kakovost izdelka. Za zagotovitev kemične odpornosti in biokompatibilnosti so priporočljive specializirane steklene formulacije, zasnovane za bioprocesiranje.

6. Izhodni signal in vmesnik
• Analogni izhod (mV/pH): Tradicionalna metoda z uporabo analognega prenosa v krmilni sistem. Stroškovno učinkovita, vendar občutljiva na elektromagnetne motnje in slabljenje signala na dolge razdalje.
• Digitalni izhod (npr. senzorji na osnovi MEMS ali pametni senzorji): Vključuje vgrajeno mikroelektroniko za prenos digitalnih signalov (npr. prek RS485). Zagotavlja odlično odpornost proti šumu, podpira komunikacijo na dolge razdalje in omogoča shranjevanje zgodovine kalibracij, serijskih številk in dnevnikov uporabe. Ustreza regulativnim standardom, kot je FDA 21 CFR Part 11 glede elektronskih zapisov in podpisov, zaradi česar je vse bolj priljubljen v okoljih GMP.

7. Vmesnik za namestitev in zaščitno ohišje
Senzor mora biti združljiv z namenskim priključkom na bioreaktorju (npr. tri-clamp, sanitarni priključek). Za preprečevanje mehanskih poškodb med rokovanjem ali delovanjem ter za lažjo zamenjavo brez ogrožanja sterilnosti so priporočljivi zaščitni ovoji ali ščitniki.