Hírek - A pH-szint monitorozása a biogyógyszerészeti fermentációs folyamatban

A pH-elektróda kritikus szerepet játszik a fermentációs folyamatban, elsősorban a fermentlé savasságának és lúgosságának monitorozására és szabályozására szolgál. A pH-érték folyamatos mérésével az elektróda lehetővé teszi a fermentációs környezet pontos szabályozását. Egy tipikus pH-elektróda egy érzékelőelektródából és egy referenciaelektródából áll, amelyek a Nernst-egyenlet elvén működnek, amely a kémiai energia elektromos jelekké alakítását szabályozza. Az elektródpotenciál közvetlenül összefügg az oldatban lévő hidrogénionok aktivitásával. A pH-értéket a mért feszültségkülönbségnek a standard pufferoldat feszültségkülönbségével való összehasonlításával határozzák meg, ami lehetővé teszi a pontos és megbízható kalibrálást. Ez a mérési megközelítés biztosítja a stabil pH-szabályozást a fermentációs folyamat során, ezáltal támogatja az optimális mikrobiális vagy sejtes aktivitást és biztosítja a termék minőségét.

A pH-elektródák megfelelő használata számos előkészítő lépést igényel, beleértve az elektróda aktiválását – amelyet jellemzően az elektróda desztillált vízbe vagy pH 4-es pufferoldatba merítésével érnek el – az optimális érzékenység és mérési pontosság biztosítása érdekében. A biofarmakológiai fermentációs ipar szigorú követelményeinek való megfelelés érdekében a pH-elektródáknak gyors válaszidőt, nagy pontosságot és robusztusságot kell mutatniuk szigorú sterilizálási körülmények között, például magas hőmérsékletű gőzsterilizálás (SIP) esetén. Ezek a jellemzők lehetővé teszik a megbízható teljesítményt steril környezetben. Például a glutaminsav előállításánál a pontos pH-monitorozás elengedhetetlen a kulcsfontosságú paraméterek, például a hőmérséklet, az oldott oxigén, a keverési sebesség és maga a pH szabályozásához. Ezen változók pontos szabályozása közvetlenül befolyásolja mind a végtermék hozamát, mind a minőségét. Bizonyos fejlett pH-elektródák, amelyek magas hőmérsékletnek ellenálló üvegmembránokkal és előnyomás alatti polimer gél referenciarendszerekkel rendelkeznek, kivételes stabilitást mutatnak extrém hőmérsékleti és nyomásviszonyok között, így különösen alkalmasak SIP alkalmazásokhoz biológiai és élelmiszer-fermentációs folyamatokban. Továbbá erős lerakódásgátló képességük lehetővé teszi az állandó teljesítményt a különböző fermentlétípusokban. A Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. különféle elektródacsatlakozási lehetőségeket kínál, növelve a felhasználói kényelmet és a rendszerintegrációs rugalmasságot.

Miért szükséges a pH-érték monitorozása a biogyógyszerek fermentációs folyamata során?

A biofarmakológiai fermentációban a pH valós idejű monitorozása és szabályozása elengedhetetlen a sikeres termeléshez, valamint a céltermékek, például antibiotikumok, vakcinák, monoklonális antitestek és enzimek hozamának és minőségének maximalizálásához. Lényegében a pH-szabályozás optimális fiziológiai környezetet teremt a mikrobiális vagy emlőssejtek számára – amelyek „élő gyárakként” működnek – a terápiás vegyületek növekedéséhez és szintetizálásához, hasonlóan ahhoz, ahogyan a gazdák a talaj pH-értékét a növények igényei szerint állítják be.

1. Fenntartja az optimális sejtműködést
Az erjesztés élő sejtekre (pl. CHO-sejtekre) támaszkodik komplex biomolekulák előállításához. A sejtek anyagcseréje nagyon érzékeny a környezet pH-értékére. Az enzimek, amelyek minden intracelluláris biokémiai reakciót katalizálnak, szűk pH-optimummal rendelkeznek; ettől a tartománytól való eltérések jelentősen csökkenthetik az enzimaktivitást vagy denaturációt okozhatnak, ami károsítja az anyagcsere-funkciót. Ezenkívül a tápanyagok – például a glükóz, az aminosavak és a szervetlen sók – felvétele a sejtmembránon keresztül pH-függő. Az optimálisnál alacsonyabb pH-értékek akadályozhatják a tápanyagok felszívódását, ami szuboptimális növekedéshez vagy anyagcsere-egyensúlyhiányhoz vezethet. Ezenkívül a szélsőséges pH-értékek veszélyeztethetik a membrán integritását, ami citoplazmatikus szivárgást vagy sejtlízist eredményezhet.

2. Minimalizálja a melléktermékek képződését és az aljzathulladékot
A fermentáció során a sejtek anyagcseréje savas vagy bázikus metabolitokat termel. Például sok mikroorganizmus szerves savakat (pl. tejsavat, ecetsavat) termel a glükóz katabolizmusa során, ami a pH csökkenését okozza. Ha nem korrigálják, az alacsony pH gátolja a sejtek növekedését, és az anyagcsere-folyamatot a nem produktív útvonalak felé terelheti, növelve a melléktermékek felhalmozódását. Ezek a melléktermékek értékes szén- és energiaforrásokat fogyasztanak, amelyek egyébként a céltermék szintézisét támogatnák, ezáltal csökkentve az összhozamot. A hatékony pH-szabályozás segít fenntartani a kívánt anyagcsere-útvonalakat és javítja a folyamat hatékonyságát.

3. Biztosítsa a termék stabilitását és akadályozza meg a lebomlást
Számos biofarmakológiai termék, különösen a fehérjék, mint például a monoklonális antitestek és a peptidhormonok, érzékenyek a pH által kiváltott szerkezeti változásokra. Stabil pH-tartományukon kívül ezek a molekulák denaturálódhatnak, aggregálódhatnak vagy inaktiválódhatnak, ami potenciálisan káros kicsapódásokat okozhat. Ezenkívül bizonyos termékek hajlamosak kémiai hidrolízisre vagy enzimatikus lebomlásra savas vagy lúgos körülmények között. A megfelelő pH fenntartása minimalizálja a termék lebomlását a gyártás során, megőrizve a hatékonyságot és a biztonságosságot.

4. Optimalizálja a folyamatok hatékonyságát és biztosítsa a tételek közötti konzisztenciát
Ipari szempontból a pH-szabályozás közvetlenül befolyásolja a termelékenységet és a gazdasági életképességet. Kiterjedt kutatásokat végeznek a különböző fermentációs fázisok – például a sejtnövekedés és a termékexpresszió – ideális pH-értékeinek meghatározására, amelyek jelentősen eltérhetnek. A dinamikus pH-szabályozás lehetővé teszi a szakaszspecifikus optimalizálást, maximalizálva a biomassza-felhalmozódást és a terméktitereket. Továbbá a szabályozó ügynökségek, mint például az FDA és az EMA, megkövetelik a helyes gyártási gyakorlat (GMP) szigorú betartását, ahol az egységes folyamatparaméterek kötelezőek. A pH-t kritikus folyamatparaméterként (CPP) ismerik el, és folyamatos monitorozása biztosítja a reprodukálhatóságot a tételek között, garantálva a gyógyszeripari termékek biztonságosságát, hatékonyságát és minőségét.

5. Az erjedés egészségének indikátoraként szolgál
A pH-változás trendje értékes betekintést nyújt a kultúra fiziológiai állapotába. A pH hirtelen vagy váratlan eltolódása szennyeződésre, érzékelő meghibásodására, tápanyaghiányra vagy anyagcsere-rendellenességekre utalhat. A pH-trendeken alapuló korai felismerés lehetővé teszi az időben történő kezelői beavatkozást, megkönnyíti a hibaelhárítást és megelőzi a költséges tételhibákat.

Hogyan kell pH-érzékelőket választani a biogyógyszerek fermentációs folyamatához?

A megfelelő pH-érzékelő kiválasztása biofarmakológiai fermentációhoz kritikus mérnöki döntés, amely befolyásolja a folyamat megbízhatóságát, az adatok integritását, a termékminőséget és a szabályozási megfelelést. A kiválasztást szisztematikusan kell megközelíteni, figyelembe véve nemcsak az érzékelő teljesítményét, hanem a teljes biofeldolgozási munkafolyamattal való kompatibilitást is.

1. Magas hőmérséklet- és nyomásállóság
A biofarmakológiai eljárások gyakran alkalmaznak in situ gőzsterilizálást (SIP), jellemzően 121 °C-on és 1–2 bar nyomáson 20–60 percig. Ezért minden pH-érzékelőnek meghibásodás nélkül el kell viselnie az ilyen körülményeknek való ismételt kitettséget. Ideális esetben az érzékelőt legalább 130 °C-ra és 3–4 bar nyomásra kell méretezni a biztonsági ráhagyás biztosítása érdekében. A robusztus tömítés elengedhetetlen a nedvesség behatolásának, az elektrolitszivárgásnak vagy a mechanikai sérüléseknek a hőciklusok során történő megakadályozásához.

2. Érzékelő típusa és referenciarendszer
Ez egy alapvető műszaki szempont, amely befolyásolja a hosszú távú stabilitást, a karbantartási igényeket és a szennyeződéssel szembeni ellenállást.
Elektróda konfiguráció: A mérési és referencia elemeket egyetlen testben integráló kompozit elektródák széles körben elterjedtek a könnyű telepítés és kezelés miatt.
Referenciarendszer:
• Folyadékkal töltött referencia (pl. KCl-oldat): Gyors válaszidőt és nagy pontosságot kínál, de időszakos utántöltést igényel. SIP során elektrolitveszteség léphet fel, és a porózus csatlakozások (pl. kerámia frittek) hajlamosak az eltömődésre fehérjékkel vagy részecskékkel, ami eltolódáshoz és megbízhatatlan mérési eredményekhez vezet.
• Polimer gél vagy szilárd fázisú referencia: Egyre inkább előnyben részesítik a modern bioreaktorokban. Ezek a rendszerek kiküszöbölik az elektrolit utántöltésének szükségességét, csökkentik a karbantartást, és szélesebb folyadékcsatlakozókkal (pl. PTFE gyűrűk) rendelkeznek, amelyek ellenállnak a szennyeződésnek. Kiváló stabilitást és hosszabb élettartamot kínálnak komplex, viszkózus fermentációs közegekben.

3. Mérési tartomány és pontosság
Az érzékelőnek széles működési tartományt kell lefednie, jellemzően pH 2–12 között, hogy a különböző folyamatszakaszokhoz igazodjon. A biológiai rendszerek érzékenysége miatt a mérési pontosságnak ±0,01 és ±0,02 pH-egység között kell lennie, amit nagy felbontású jelkimenetnek kell támogatnia.

4. Válaszidő
A válaszidőt általában t90-ként definiálják – ez az az idő, amely a pH-érték lépésenkénti változása után a végső érték 90%-ának eléréséhez szükséges. Bár a gél típusú elektródák valamivel lassabb választ mutathatnak, mint a folyadékkal töltöttek, általában megfelelnek a fermentációs szabályozó hurkok dinamikus követelményeinek, amelyek óránkénti, nem pedig másodperces skálán működnek.

5. Biokompatibilitás
A táptalajjal érintkezésbe kerülő összes anyagnak nem mérgezőnek, nem kimosódónak és inertnek kell lennie, hogy elkerüljük a sejtek életképességére vagy a termék minőségére gyakorolt káros hatásokat. A biofeldolgozási alkalmazásokhoz tervezett speciális üvegösszetételek használata ajánlott a kémiai ellenállás és a biokompatibilitás biztosítása érdekében.

6. Jelkimenet és interfész
• Analóg kimenet (mV/pH): Hagyományos módszer, amely analóg átvitelt használ a vezérlőrendszerbe. Költséghatékony, de érzékeny az elektromágneses interferenciára és a jelcsillapításra nagy távolságokon.
• Digitális kimenet (pl. MEMS-alapú vagy intelligens érzékelők): Beépített mikroelektronikát tartalmaz a digitális jelek továbbításához (pl. RS485-ön keresztül). Kiváló zajvédelmet biztosít, támogatja a nagy távolságú kommunikációt, és lehetővé teszi a kalibrációs előzmények, sorozatszámok és használati naplók tárolását. Megfelel az olyan szabályozási szabványoknak, mint az FDA 21 CFR Part 11 az elektronikus nyilvántartásokkal és aláírásokkal kapcsolatban, így egyre inkább előnyben részesítik a GMP környezetekben.

7. Telepítési interfész és védőburkolat
Az érzékelőnek kompatibilisnek kell lennie a bioreaktoron kijelölt porttal (pl. tri-clamp, higiénikus szerelvény). Védőhüvelyek vagy védőburkolatok használata ajánlott a mechanikai sérülések elkerülése érdekében kezelés vagy üzemeltetés közben, valamint a könnyebb csere érdekében a sterilitás veszélyeztetése nélkül.