Новини - Моніторинг рівня pH у процесі біофармацевтичної ферментації

pH-електрод відіграє вирішальну роль у процесі ферментації, головним чином служачи для контролю та регулювання кислотності та лужності ферментаційного бульйону. Завдяки постійному вимірюванню значення pH, електрод дозволяє точно контролювати середовище ферментації. Типовий pH-електрод складається з чутливого електрода та електрода порівняння, що працюють за принципом рівняння Нернста, яке керує перетворенням хімічної енергії в електричні сигнали. Потенціал електрода безпосередньо пов'язаний з активністю іонів водню в розчині. Значення pH визначається шляхом порівняння виміряної різниці напруг зі стандартним буферним розчином, що дозволяє проводити точне та надійне калібрування. Такий підхід до вимірювання забезпечує стабільне регулювання pH протягом усього процесу ферментації, тим самим підтримуючи оптимальну мікробну або клітинну активність та забезпечуючи якість продукту.

Правильне використання pH-електродів вимагає кількох підготовчих етапів, включаючи активацію електрода, яка зазвичай досягається шляхом занурення електрода в дистильовану воду або буферний розчин з pH 4, для забезпечення оптимальної чутливості та точності вимірювання. Щоб відповідати суворим вимогам біофармацевтичної ферментаційної галузі, pH-електроди повинні демонструвати швидкий час відгуку, високу точність та надійність у суворих умовах стерилізації, таких як високотемпературна парова стерилізація (SIP). Ці характеристики забезпечують надійну роботу в стерильних середовищах. Наприклад, у виробництві глутамінової кислоти точний моніторинг pH є важливим для контролю ключових параметрів, таких як температура, розчинений кисень, швидкість перемішування та сам pH. Точне регулювання цих змінних безпосередньо впливає як на вихід, так і на якість кінцевого продукту. Деякі вдосконалені pH-електроди, що оснащені стійкими до високих температур скляними мембранами та попередньо герметичними полімерними гелевими системами порівняння, демонструють виняткову стабільність в екстремальних умовах температури та тиску, що робить їх особливо придатними для застосування SIP у біологічних та харчових процесах ферментації. Крім того, їх сильні протиобростаючі властивості забезпечують стабільну роботу в різних ферментаційних бульйонах. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. пропонує різні варіанти роз'ємів для електродів, що підвищує зручність користувача та гнучкість інтеграції системи.

Чому необхідний моніторинг pH під час процесу ферментації біофармацевтичних препаратів?

У біофармацевтичній ферментації моніторинг та контроль pH у режимі реального часу є важливими для успішного виробництва та максимізації врожайності й якості цільових продуктів, таких як антибіотики, вакцини, моноклональні антитіла та ферменти. По суті, контроль pH створює оптимальне фізіологічне середовище для мікробних або ссавців клітин, які функціонують як «живі фабрики» для росту та синтезу терапевтичних сполук, аналогічно тому, як фермери регулюють pH ґрунту відповідно до потреб культури.

1. Підтримувати оптимальну клітинну активність
Ферментація залежить від живих клітин (наприклад, клітин CHO) для виробництва складних біомолекул. Клітинний метаболізм дуже чутливий до pH навколишнього середовища. Ферменти, які каталізують усі внутрішньоклітинні біохімічні реакції, мають вузький оптимум pH; відхилення від цього діапазону можуть значно знизити ферментативну активність або спричинити денатурацію, погіршуючи метаболічну функцію. Крім того, поглинання поживних речовин через клітинну мембрану, таких як глюкоза, амінокислоти та неорганічні солі, залежить від pH. Неоптимальні рівні pH можуть перешкоджати поглинанню поживних речовин, що призводить до неоптимального росту або метаболічного дисбалансу. Більше того, екстремальні значення pH можуть порушити цілісність мембрани, що призводить до цитоплазматичного витоку або лізису клітин.

2. Мінімізація утворення побічних продуктів та відходів субстрату
Під час ферментації клітинний метаболізм генерує кислотні або основні метаболіти. Наприклад, багато мікроорганізмів виробляють органічні кислоти (наприклад, молочну кислоту, оцтову кислоту) під час катаболізму глюкози, що призводить до зниження pH. Якщо низький pH не коригується, він пригнічує ріст клітин і може зміщувати метаболічний потік у бік непродуктивних шляхів, збільшуючи накопичення побічних продуктів. Ці побічні продукти споживають цінні вуглецеві та енергетичні ресурси, які в іншому випадку підтримували б синтез цільового продукту, тим самим знижуючи загальний вихід. Ефективний контроль pH допомагає підтримувати бажані метаболічні шляхи та підвищує ефективність процесу.

3. Забезпечити стабільність продукту та запобігти його деградації
Багато біофармацевтичних продуктів, особливо білки, такі як моноклональні антитіла та пептидні гормони, схильні до структурних змін, викликаних pH. Поза межами їхнього стабільного діапазону pH ці молекули можуть зазнавати денатурації, агрегації або інактивації, потенційно утворюючи шкідливі осади. Крім того, деякі продукти схильні до хімічного гідролізу або ферментативної деградації в кислих або лужних умовах. Підтримка відповідного pH мінімізує деградацію продукту під час виробництва, зберігаючи ефективність та безпеку.

4. Оптимізуйте ефективність процесу та забезпечте узгодженість між партіями
З промислової точки зору, контроль pH безпосередньо впливає на продуктивність та економічну доцільність. Проводяться широкі дослідження для визначення ідеальних значень pH для різних фаз ферментації, таких як ріст клітин проти експресії продукту, які можуть суттєво відрізнятися. Динамічний контроль pH дозволяє оптимізувати конкретні стадії, максимізуючи накопичення біомаси та титри продукту. Крім того, регуляторні органи, такі як FDA та EMA, вимагають суворого дотримання належної виробничої практики (GMP), де обов'язковими є узгоджені параметри процесу. pH визнано критичним параметром процесу (CPP), і його постійний моніторинг забезпечує відтворюваність у всіх партіях, гарантуючи безпеку, ефективність та якість фармацевтичної продукції.

5. Служать індикатором стану ферментації
Тенденція зміни pH надає цінну інформацію про фізіологічний стан культури. Раптові або неочікувані зміни pH можуть сигналізувати про забруднення, несправність датчика, виснаження поживних речовин або метаболічні аномалії. Раннє виявлення на основі тенденцій pH дозволяє своєчасно втручатися оператору, полегшуючи усунення несправностей та запобігаючи дороговартісним збоям партій.

Як слід вибирати датчики pH для процесу ферментації в біофармацевтичних препаратах?

Вибір відповідного датчика pH для біофармацевтичної ферментації є критичним інженерним рішенням, яке впливає на надійність процесу, цілісність даних, якість продукту та відповідність нормативним вимогам. До вибору слід підходити систематично, враховуючи не лише продуктивність датчика, але й сумісність з усім робочим процесом біообробки.

1. Стійкість до високих температур і тиску
У біофармацевтичних процесах зазвичай використовується стерилізація парою in situ (SIP), зазвичай при температурі 121°C та тиску 1–2 бари протягом 20–60 хвилин. Тому будь-який датчик pH повинен витримувати багаторазовий вплив таких умов без збоїв. В ідеалі датчик повинен бути розрахований на температуру щонайменше 130°C та тиск 3–4 бари, щоб забезпечити запас міцності. Міцне ущільнення є важливим для запобігання потраплянню вологи, витоку електроліту або механічним пошкодженням під час термоциклування.

2. Тип датчика та система відліку
Це ключовий технічний фактор, що впливає на довгострокову стабільність, потреби в технічному обслуговуванні та стійкість до забруднення.
Конфігурація електродів: Композитні електроди, що об'єднують вимірювальні та опорні елементи в одному корпусі, широко використовуються завдяки простоті встановлення та використання.
Система відліку:
• Рідкий еталон (наприклад, розчин KCl): забезпечує швидку реакцію та високу точність, але вимагає періодичного доливання. Під час SIP може відбуватися втрата електроліту, а пористі з'єднання (наприклад, керамічні фрити) схильні до засмічення білками або частинками, що призводить до дрейфу та ненадійних показників.
• Полімерний гель або твердотільний референс: дедалі частіше використовуються в сучасних біореакторах. Ці системи усувають потребу в поповненні електроліту, зменшують обсяг технічного обслуговування та мають ширші рідинні з'єднання (наприклад, кільця з ПТФЕ), що запобігають забрудненню. Вони забезпечують чудову стабільність і довший термін служби у складних, в'язких середовищах для ферментації.

3. Діапазон та точність вимірювання
Датчик повинен охоплювати широкий робочий діапазон, зазвичай pH 2–12, щоб враховувати різні стадії процесу. Враховуючи чутливість біологічних систем, точність вимірювання повинна бути в межах від ±0,01 до ±0,02 одиниць pH, що забезпечується високою роздільною здатністю вихідного сигналу.

4. Час реагування
Час відгуку зазвичай визначається як t90 — час, необхідний для досягнення 90% кінцевого показника після ступінчастої зміни pH. Хоча гелеві електроди можуть демонструвати дещо повільнішу реакцію, ніж електроди, заповнені рідиною, вони зазвичай відповідають динамічним вимогам циклів контролю ферментації, які працюють у погодинних часових масштабах, а не в секундах.

5. Біосумісність
Усі матеріали, що контактують з живильним середовищем, повинні бути нетоксичними, такими, що не вилуговуються, та інертними, щоб уникнути негативного впливу на життєздатність клітин або якість продукту. Для забезпечення хімічної стійкості та біосумісності рекомендується використовувати спеціальні скляні склади, призначені для біообробки.

6. Вихідний сигнал та інтерфейс
• Аналоговий вихід (мВ/pH): Традиційний метод з використанням аналогової передачі до системи керування. Економічно ефективний, але вразливий до електромагнітних перешкод та затухання сигналу на великих відстанях.
• Цифровий вихід (наприклад, датчики на основі MEMS або інтелектуальні датчики): Вбудована мікроелектроніка для передачі цифрових сигналів (наприклад, через RS485). Забезпечує чудову завадостійкість, підтримує зв'язок на великі відстані та дозволяє зберігати історію калібрування, серійні номери та журнали використання. Відповідає нормативним стандартам, таким як FDA 21 CFR Part 11 щодо електронних записів та підписів, що робить його дедалі популярнішим у середовищах GMP.

7. Інтерфейс встановлення та захисний корпус
Датчик має бути сумісним із призначеним портом на біореакторі (наприклад, тризатискний, санітарний фітинг). Рекомендується використовувати захисні чохли або кожухи для запобігання механічним пошкодженням під час обробки або експлуатації, а також для полегшення заміни без порушення стерильності.