Vijesti - Praćenje pH vrijednosti u procesu biofarmaceutske fermentacije

pH elektroda igra ključnu ulogu u procesu fermentacije, prvenstveno služeći za praćenje i regulaciju kiselosti i alkalnosti fermentacijske juhe. Kontinuiranim mjerenjem pH vrijednosti, elektroda omogućava preciznu kontrolu nad fermentacijskom okolinom. Tipična pH elektroda sastoji se od senzorske elektrode i referentne elektrode, koje rade na principu Nernstove jednačine, koja upravlja pretvorbom hemijske energije u električne signale. Potencijal elektrode je direktno povezan s aktivnošću vodikovih iona u otopini. pH vrijednost se određuje poređenjem izmjerene razlike napona sa standardnom puferskom otopinom, što omogućava tačnu i pouzdanu kalibraciju. Ovaj pristup mjerenju osigurava stabilnu regulaciju pH vrijednosti tokom cijelog procesa fermentacije, čime se podržava optimalna mikrobna ili ćelijska aktivnost i osigurava kvalitet proizvoda.

Pravilna upotreba pH elektroda zahtijeva nekoliko pripremnih koraka, uključujući aktivaciju elektrode - koja se obično postiže uranjanjem elektrode u destilovanu vodu ili puferski rastvor pH 4 - kako bi se osigurala optimalna odzivnost i tačnost mjerenja. Da bi se ispunili strogi zahtjevi biofarmaceutske industrije fermentacije, pH elektrode moraju pokazivati brzo vrijeme odziva, visoku preciznost i robusnost pod strogim uslovima sterilizacije kao što je sterilizacija parom na visokim temperaturama (SIP). Ove karakteristike omogućavaju pouzdane performanse u sterilnim okruženjima. Na primjer, u proizvodnji glutaminske kiseline, precizno praćenje pH je neophodno za kontrolu ključnih parametara kao što su temperatura, rastvoreni kiseonik, brzina miješanja i sam pH. Precizna regulacija ovih varijabli direktno utiče i na prinos i na kvalitet konačnog proizvoda. Određene napredne pH elektrode, sa staklenim membranama otpornim na visoke temperature i referentnim sistemima polimernog gela pod prethodnim pritiskom, pokazuju izuzetnu stabilnost pod ekstremnim uslovima temperature i pritiska, što ih čini posebno pogodnim za SIP primjene u biološkim procesima i procesima fermentacije hrane. Nadalje, njihove snažne sposobnosti protiv obraštanja omogućavaju konzistentne performanse u različitim fermentacijskim juhama. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. nudi različite opcije konektora za elektrode, poboljšavajući praktičnost korisnika i fleksibilnost integracije sistema.

Zašto je praćenje pH vrijednosti neophodno tokom procesa fermentacije biofarmaceutika?

U biofarmaceutskoj fermentaciji, praćenje i kontrola pH vrijednosti u realnom vremenu su neophodni za uspješnu proizvodnju i maksimiziranje prinosa i kvalitete ciljnih proizvoda kao što su antibiotici, vakcine, monoklonska antitijela i enzimi. U suštini, kontrola pH vrijednosti stvara optimalno fiziološko okruženje za mikrobne ili sisavske ćelije - koje funkcioniraju kao "žive fabrike" - da rastu i sintetiziraju terapeutske spojeve, analogno načinu na koji poljoprivrednici prilagođavaju pH vrijednost tla prema zahtjevima usjeva.

1. Održava optimalnu ćelijsku aktivnost
Fermentacija se oslanja na žive ćelije (npr. CHO ćelije) da bi proizvele složene biomolekule. Ćelijski metabolizam je veoma osjetljiv na pH okoline. Enzimi, koji kataliziraju sve intracelularne biohemijske 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 ćelijsku membranu - poput glukoze, aminokiselina i neorganskih soli - zavisi od pH vrijednosti. Suboptimalni nivoi pH mogu ometati apsorpciju hranjivih tvari, što dovodi do suboptimalnog rasta ili metaboličke neravnoteže. Štaviše, ekstremne pH vrijednosti mogu ugroziti integritet membrane, što rezultira citoplazmatskim curenjem ili lizom ćelija.

2. Minimizirajte stvaranje nusproizvoda i otpad supstrata
Tokom fermentacije, ćelijski metabolizam generira kisele ili bazne metabolite. Na primjer, mnogi mikroorganizmi proizvode organske kiseline (npr. mliječnu kiselinu, sirćetnu kiselinu) tokom katabolizma glukoze, što uzrokuje pad pH vrijednosti. Ako se ne koriguje, nizak pH inhibira rast ćelija i može pomjeriti metabolički tok prema neproduktivnim putevima, povećavajući akumulaciju nusproizvoda. Ovi nusproizvodi troše vrijedne resurse ugljika i energije koji bi inače podržali sintezu ciljanog proizvoda, čime se smanjuje ukupni prinos. Efikasna kontrola pH vrijednosti pomaže u održavanju željenih metaboličkih puteva i poboljšava efikasnost procesa.

3. Osigurati stabilnost proizvoda i spriječiti degradaciju
Mnogi biofarmaceutski proizvodi, posebno proteini poput monoklonskih antitijela i peptidnih hormona, podložni su strukturnim promjenama izazvanim pH vrijednošću. Izvan svog stabilnog pH raspona, ovi molekuli mogu proći kroz denaturaciju, agregaciju ili inaktivaciju, potencijalno formirajući štetne taloge. Osim toga, određeni proizvodi su skloni hemijskoj hidrolizi ili enzimskoj razgradnji u kiselim ili alkalnim uvjetima. Održavanje odgovarajućeg pH minimizira razgradnju proizvoda tokom proizvodnje, čuvajući potentnost i sigurnost.

4. Optimizirajte efikasnost procesa i osigurajte konzistentnost od serije do serije
Sa industrijskog stanovišta, kontrola pH vrijednosti direktno utiče na produktivnost i ekonomsku isplativost. Provode se opsežna istraživanja kako bi se identificirale idealne pH vrijednosti za različite faze fermentacije - kao što su rast ćelija u odnosu na ekspresiju proizvoda - koje se mogu značajno razlikovati. Dinamička kontrola pH vrijednosti omogućava optimizaciju specifičnu za fazu, maksimizirajući akumulaciju biomase i titre proizvoda. Nadalje, regulatorne agencije poput FDA i EMA zahtijevaju strogo pridržavanje Dobre proizvođačke prakse (GMP), gdje su obavezni konzistentni procesni parametri. pH je prepoznat kao kritični procesni parametar (CPP), a njegovo kontinuirano praćenje osigurava ponovljivost u svim serijama, garantujući sigurnost, efikasnost i kvalitet 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, smanjenje hranjivih tvari ili metaboličke anomalije. Rano otkrivanje na osnovu trendova pH vrijednosti omogućava pravovremenu intervenciju operatera, olakšavajući rješavanje problema i sprječavajući skupe kvarove serije.

Kako treba odabrati pH senzore za proces fermentacije u biofarmaceutskim proizvodima?

Odabir odgovarajućeg pH senzora za biofarmaceutsku fermentaciju je ključna inženjerska odluka koja utiče na pouzdanost procesa, integritet podataka, kvalitet proizvoda i usklađenost s propisima. Odabiru treba pristupiti sistematično, uzimajući u obzir ne samo performanse senzora već i kompatibilnost s cijelim tokom bioprocese.

1. Otpornost na visoke temperature i pritisak
Biofarmaceutski procesi obično koriste in situ sterilizaciju parom (SIP), obično na 121°C i pritisku od 1-2 bara tokom 20-60 minuta. Stoga, svaki pH senzor mora izdržati ponovljeno izlaganje takvim uslovima bez kvara. Idealno bi bilo da senzor bude dimenzioniran za najmanje 130°C i 3-4 bara kako bi se obezbijedila sigurnosna margina. Robusno zaptivanje je neophodno kako bi se spriječio prodor vlage, curenje elektrolita ili mehanička oštećenja tokom termičkog cikliranja.

2. Tip senzora i referentni sistem
Ovo je ključno tehničko razmatranje koje utiče na dugoročnu stabilnost, potrebe održavanja i otpornost na obraštanje.
Konfiguracija elektroda: Kompozitne elektrode, koje integrišu i mjerne i referentne elemente u jednom tijelu, široko su prihvaćene zbog jednostavne instalacije i rukovanja.
Referentni sistem:
• Referenca punjena tekućinom (npr. otopina KCl): Nudi brz odziv i visoku tačnost, ali zahtijeva periodično dopunjavanje. Tokom 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 više se preferiraju u modernim bioreaktorima. Ovi sistemi eliminišu potrebu za dopunjavanjem elektrolita, smanjuju održavanje i imaju šire spojeve tečnosti (npr. PTFE prstenove) koji su otporni na onečišćenje. Nude vrhunsku stabilnost i duži vijek trajanja u složenim, viskoznim fermentacijskim medijima.

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

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

5. Biokompatibilnost
Svi materijali u kontaktu s hranjivom podlogom moraju biti netoksični, neispirati i inertni kako bi se izbjegli negativni učinci na održivost ćelija ili kvalitet proizvoda. Preporučuju se specijalizirane formulacije stakla dizajnirane za bioprocesne primjene kako bi se osigurala hemijska otpornost i biokompatibilnost.

6. Izlaz signala i interfejs
• Analogni izlaz (mV/pH): Tradicionalna metoda koja koristi analogni prijenos do kontrolnog sistema. Isplativo, ali osjetljivo na elektromagnetne smetnje i slabljenje signala na velikim udaljenostima.
• Digitalni izlaz (npr. senzori bazirani na MEMS-u ili pametni senzori): Uključuje ugrađenu mikroelektroniku za prijenos digitalnih signala (npr. putem RS485). Pruža odličnu imunost na šum, podržava komunikaciju na velike udaljenosti i omogućava pohranjivanje historije kalibracije, serijskih brojeva i zapisa o korištenju. U skladu je s regulatornim standardima kao što je FDA 21 CFR Part 11 u vezi s elektronskim zapisima i potpisima, što ga čini sve popularnijim u GMP okruženjima.

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