Vijesti - Praćenje pH vrijednosti u procesu biofarmaceutske fermentacije

pH elektroda igra ključnu ulogu u procesu fermentacije, prvenstveno služeći za praćenje i regulaciju kiselosti i lužnatosti fermentacijske juhe. Kontinuiranim mjerenjem pH vrijednosti, elektroda omogućuje preciznu kontrolu nad fermentacijskim okruženjem. Tipična pH elektroda sastoji se od senzorske elektrode i referentne elektrode, koje rade na principu Nernstove jednadžbe, koja upravlja pretvorbom kemijske energije u električne signale. Potencijal elektrode izravno je povezan s aktivnošću vodikovih iona u otopini. pH vrijednost određuje se usporedbom izmjerene razlike napona s onom standardne puferske otopine, što omogućuje točnu i pouzdanu kalibraciju. Ovaj pristup mjerenju osigurava stabilnu regulaciju pH tijekom cijelog procesa fermentacije, čime se podržava optimalna mikrobna ili stanična aktivnost i osigurava kvaliteta proizvoda.

Pravilna upotreba pH elektroda zahtijeva nekoliko pripremnih koraka, uključujući aktivaciju elektrode - obično se postiže uranjanjem elektrode u destiliranu vodu ili pufersku otopinu pH 4 - kako bi se osigurala optimalna odzivnost i točnost mjerenja. Kako bi se zadovoljili strogi zahtjevi biofarmaceutske fermentacijske industrije, pH elektrode moraju pokazivati brzo vrijeme odziva, visoku preciznost i robusnost pod strogim uvjetima sterilizacije kao što je sterilizacija parom na visokim temperaturama (SIP). Ove karakteristike omogućuju pouzdan rad u sterilnim okruženjima. Na primjer, u proizvodnji glutaminske kiseline, precizno praćenje pH-a bitno je za kontrolu ključnih parametara kao što su temperatura, otopljeni kisik, brzina miješanja i sam pH. Točna regulacija ovih varijabli izravno utječe i na prinos i na kvalitetu konačnog proizvoda. Određene napredne pH elektrode, s visokotemperaturno otpornim staklenim membranama i referentnim sustavima polimernog gela pod tlakom, pokazuju iznimnu stabilnost pod ekstremnim uvjetima temperature i tlaka, što ih čini posebno prikladnima za SIP primjene u biološkim i procesima fermentacije hrane. Nadalje, njihove snažne sposobnosti protiv obraštanja omogućuju dosljedne performanse u različitim fermentacijskim juhama. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. nudi različite opcije konektora za elektrode, povećavajući praktičnost korisnika i fleksibilnost integracije sustava.

Zašto je praćenje pH vrijednosti potrebno tijekom procesa fermentacije biofarmaceutika?

U biofarmaceutskoj fermentaciji, praćenje i kontrola pH vrijednosti u stvarnom vremenu ključni su za uspješnu proizvodnju i maksimiziranje prinosa i kvalitete ciljanih proizvoda poput antibiotika, cjepiva, monoklonskih antitijela i enzima. U biti, kontrola pH vrijednosti stvara optimalno fiziološko okruženje za mikrobne ili sisavčeve stanice - koje funkcioniraju kao "žive tvornice" - za rast i sintezu terapeutskih spojeva, analogno načinu na koji poljoprivrednici prilagođavaju pH vrijednost tla prema zahtjevima usjeva.

1. Održavati optimalnu staničnu aktivnost
Fermentacija se oslanja na žive stanice (npr. CHO stanice) za proizvodnju složenih biomolekula. Stanični metabolizam je vrlo osjetljiv na pH okoliša. Enzimi, koji kataliziraju sve unutarstanične biokemijske reakcije, imaju uske pH optimalne vrijednosti; odstupanja od ovog raspona mogu značajno smanjiti enzimsku aktivnost ili uzrokovati denaturaciju, što oštećuje metaboličku funkciju. Osim toga, unos hranjivih tvari kroz staničnu membranu - poput glukoze, aminokiselina i anorganskih soli - ovisan je o pH. Suboptimalne razine pH mogu ometati apsorpciju hranjivih tvari, što dovodi do suboptimalnog rasta ili metaboličke neravnoteže. Štoviše, ekstremne pH vrijednosti mogu ugroziti integritet membrane, što rezultira citoplazmatskim curenjem ili lizom stanica.

2. Minimizirajte stvaranje nusproizvoda i otpad supstrata
Tijekom fermentacije, stanični metabolizam stvara kisele ili bazične metabolite. Na primjer, mnogi mikroorganizmi proizvode organske kiseline (npr. mliječnu kiselinu, octenu kiselinu) tijekom katabolizma glukoze, uzrokujući pad pH vrijednosti. Ako se ne korigira, niski pH inhibira rast stanica i može pomaknuti metabolički tok prema neproduktivnim putovima, povećavajući nakupljanje nusproizvoda. Ovi nusproizvodi troše vrijedne resurse ugljika i energije koji bi inače podržali sintezu ciljanog produkta, čime se smanjuje ukupni prinos. Učinkovita kontrola pH vrijednosti pomaže u održavanju željenih metaboličkih putova i poboljšava učinkovitost procesa.

3. Osigurati stabilnost proizvoda i spriječiti degradaciju
Mnogi biofarmaceutski proizvodi, posebno proteini poput monoklonskih antitijela i peptidnih hormona, osjetljivi su na strukturne promjene uzrokovane pH-om. Izvan svog stabilnog raspona pH-a, ove molekule mogu proći kroz denaturaciju, agregaciju ili inaktivaciju, potencijalno stvarajući štetne taloge. Osim toga, određeni proizvodi skloni su kemijskoj hidrolizi ili enzimskoj razgradnji u kiselim ili alkalnim uvjetima. Održavanje odgovarajućeg pH-a minimizira razgradnju proizvoda tijekom proizvodnje, čuvajući potentnost i sigurnost.

4. Optimizirajte učinkovitost procesa i osigurajte dosljednost od serije do serije
S industrijskog stajališta, kontrola pH vrijednosti izravno utječe na produktivnost i ekonomsku isplativost. Provode se opsežna istraživanja kako bi se identificirale idealne zadane vrijednosti pH vrijednosti za različite faze fermentacije - poput rasta stanica u odnosu na ekspresiju produkta - koje se mogu značajno razlikovati. Dinamička kontrola pH vrijednosti omogućuje optimizaciju specifičnu za fazu, maksimizirajući akumulaciju biomase i titre produkta. Nadalje, regulatorne agencije poput FDA i EMA zahtijevaju strogo pridržavanje Dobre proizvođačke prakse (GMP), gdje su dosljedni procesni parametri obvezni. pH je prepoznat kao kritični procesni parametar (CPP), a njegovo kontinuirano praćenje osigurava ponovljivost u svim serijama, jamčeći sigurnost, učinkovitost i kvalitetu farmaceutskih proizvoda.

5. Služe kao pokazatelj zdravlja fermentacije
Trend promjene pH vrijednosti pruža vrijedne uvide u fiziološko stanje kulture. Iznenadne ili neočekivane promjene pH vrijednosti mogu signalizirati kontaminaciju, kvar senzora, iscrpljivanje hranjivih tvari ili metaboličke anomalije. Rano otkrivanje na temelju trendova pH vrijednosti omogućuje pravovremenu intervenciju operatera, olakšavajući rješavanje problema i sprječavajući skupe kvarove serije.

Kako odabrati pH senzore za proces fermentacije u biofarmaceutskim proizvodima?

Odabir odgovarajućeg pH senzora za biofarmaceutsku fermentaciju ključna je inženjerska odluka koja utječe na pouzdanost procesa, integritet podataka, kvalitetu proizvoda i usklađenost s propisima. Odabiru treba pristupiti sustavno, uzimajući u obzir ne samo performanse senzora već i kompatibilnost s cijelim tijekom bioprocesiranja.

1. Otpornost na visoke temperature i tlak
Biofarmaceutski procesi obično koriste in situ sterilizaciju parom (SIP), obično na 121 °C i tlaku od 1 do 2 bara tijekom 20 do 60 minuta. Stoga svaki pH senzor mora izdržati ponovljeno izlaganje takvim uvjetima bez kvara. Idealno bi bilo da senzor bude dimenzioniran za najmanje 130 °C i 3 do 4 bara kako bi se osigurala sigurnosna margina. Robusno brtvljenje je ključno za sprječavanje prodiranja vlage, curenja elektrolita ili mehaničkih oštećenja tijekom termičkog cikliranja.

2. Vrsta senzora i referentni sustav
Ovo je ključno tehničko razmatranje koje utječe na dugoročnu stabilnost, potrebe održavanja i otpornost na obraštanje.
Konfiguracija elektroda: Kompozitne elektrode, koje integriraju i mjerne i referentne elemente u jednom tijelu, široko su prihvaćene zbog jednostavne ugradnje i rukovanja.
Referentni sustav:
• Referenca punjena tekućinom (npr. otopina KCl): Nudi brz odziv i visoku točnost, ali zahtijeva periodično punjenje. Tijekom SIP-a može doći do gubitka elektrolita, a porozni spojevi (npr. keramičke frite) skloni su začepljenju proteinima ili česticama, što dovodi do pomicanja i nepouzdanih očitanja.
• Polimerni gel ili referenca u čvrstom stanju: Sve se više preferiraju u modernim bioreaktorima. Ovi sustavi eliminiraju potrebu za nadopunjavanjem elektrolita, smanjuju održavanje i imaju šire spojeve tekućine (npr. PTFE prstenove) koji su otporni na onečišćenje. Nude vrhunsku stabilnost i dulji vijek trajanja u složenim, viskoznim fermentacijskim medijima.

3. Raspon i točnost mjerenja
Senzor bi trebao pokrivati široki radni raspon, obično pH 2–12, kako bi se prilagodio različitim fazama procesa. S obzirom na osjetljivost bioloških sustava, točnost mjerenja trebala bi biti unutar ±0,01 do ±0,02 pH jedinica, uz podršku izlaznog signala visoke rezolucije.

4. Vrijeme odziva
Vrijeme odziva obično se definira kao t90 - vrijeme potrebno za postizanje 90% konačnog očitanja nakon skokovite promjene pH vrijednosti. Iako elektrode gel tipa mogu pokazivati nešto sporiji odziv od onih punjenih tekućinom, one općenito zadovoljavaju dinamičke zahtjeve petlji kontrole fermentacije, koje rade na satnim vremenskim skalama, a ne na sekundama.

5. Biokompatibilnost
Svi materijali u kontaktu s hranjivim medijem moraju biti netoksični, ne ispirući i inertni kako bi se izbjegli štetni učinci na održivost stanica ili kvalitetu proizvoda. Preporučuju se specijalizirane formulacije stakla dizajnirane za bioprocesne primjene kako bi se osigurala kemijska otpornost i biokompatibilnost.

6. Izlaz signala i sučelje
• Analogni izlaz (mV/pH): Tradicionalna metoda koja koristi analogni prijenos do upravljačkog sustava. Isplativo, ali osjetljivo na elektromagnetske smetnje i slabljenje signala na velikim udaljenostima.
• Digitalni izlaz (npr. senzori temeljeni na MEMS-u ili pametni senzori): Uključuje ugrađenu mikroelektroniku za prijenos digitalnih signala (npr. putem RS485). Pruža izvrsnu imunost na šum, podržava komunikaciju na velike udaljenosti i omogućuje pohranu povijesti kalibracije, serijskih brojeva i zapisa korištenja. U skladu je s regulatornim standardima kao što je FDA 21 CFR Part 11 u vezi s elektroničkim zapisima i potpisima, što ga čini sve popularnijim u GMP okruženjima.

7. Sučelje za ugradnju i zaštitno kućište
Senzor mora biti kompatibilan s određenim priključkom na bioreaktoru (npr. tri-clamp, sanitarni priključak). Zaštitne navlake ili štitnici preporučuju se kako bi se spriječila mehanička oštećenja tijekom rukovanja ili rada i kako bi se olakšala zamjena bez ugrožavanja sterilnosti.