Novinky - Monitorovanie hodnôt pH v procese biofarmaceutickej fermentácie

pH elektróda zohráva kľúčovú úlohu v procese fermentácie, pričom slúži predovšetkým na monitorovanie a reguláciu kyslosti a zásaditosti fermentačného vývaru. Nepretržitým meraním hodnoty pH umožňuje elektróda presnú kontrolu fermentačného prostredia. Typická pH elektróda pozostáva zo snímacej elektródy a referenčnej elektródy, ktoré fungujú na princípe Nernstovej rovnice, ktorá riadi premenu chemickej energie na elektrické signály. Potenciál elektródy priamo súvisí s aktivitou vodíkových iónov v roztoku. Hodnota pH sa určuje porovnaním nameraného rozdielu napätia s rozdielom štandardného tlmivého roztoku, čo umožňuje presnú a spoľahlivú kalibráciu. Tento prístup k meraniu zaisťuje stabilnú reguláciu pH počas celého procesu fermentácie, čím podporuje optimálnu mikrobiálnu alebo bunkovú aktivitu a zabezpečuje kvalitu produktu.

Správne používanie pH elektród vyžaduje niekoľko prípravných krokov vrátane aktivácie elektródy – zvyčajne sa dosahuje ponorením elektródy do destilovanej vody alebo tlmivého roztoku s pH 4 – aby sa zabezpečila optimálna citlivosť a presnosť merania. Aby spĺňali prísne požiadavky biofarmaceutického fermentačného priemyslu, pH elektródy musia vykazovať rýchle časy odozvy, vysokú presnosť a robustnosť za prísnych sterilizačných podmienok, ako je sterilizácia parou pri vysokých teplotách (SIP). Tieto vlastnosti umožňujú spoľahlivý výkon v sterilnom prostredí. Napríklad pri výrobe kyseliny glutámovej je presné monitorovanie pH nevyhnutné na riadenie kľúčových parametrov, ako je teplota, rozpustený kyslík, rýchlosť miešania a samotné pH. Presná regulácia týchto premenných priamo ovplyvňuje výťažok aj kvalitu konečného produktu. Niektoré pokročilé pH elektródy s vysokoteplotnými sklenenými membránami a predtlakovými referenčnými systémami z polymérneho gélu vykazujú výnimočnú stabilitu za extrémnych teplotných a tlakových podmienok, vďaka čomu sú obzvlášť vhodné pre aplikácie SIP v biologických a potravinárskych fermentačných procesoch. Okrem toho ich silné antifoulingové schopnosti umožňujú konzistentný výkon v rôznych fermentačných bujónoch. Spoločnosť Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. ponúka rôzne možnosti konektorov elektród, čo zvyšuje pohodlie používateľa a flexibilitu integrácie systému.

Prečo je monitorovanie pH potrebné počas fermentačného procesu biofarmaceutík?

Pri biofarmaceutickej fermentácii je monitorovanie a kontrola pH v reálnom čase nevyhnutné pre úspešnú výrobu a maximalizáciu výťažku a kvality cieľových produktov, ako sú antibiotiká, vakcíny, monoklonálne protilátky a enzýmy. V podstate kontrola pH vytvára optimálne fyziologické prostredie pre mikrobiálne alebo cicavčie bunky – fungujúce ako „živé továrne“ – na rast a syntézu terapeutických zlúčenín, analogicky k tomu, ako poľnohospodári upravujú pH pôdy podľa požiadaviek plodín.

1. Udržiavať optimálnu bunkovú aktivitu
Fermentácia sa spolieha na živé bunky (napr. bunky CHO) na produkciu komplexných biomolekúl. Bunkový metabolizmus je vysoko citlivý na pH prostredia. Enzýmy, ktoré katalyzujú všetky intracelulárne biochemické reakcie, majú úzke optimum pH; odchýlky od tohto rozsahu môžu výrazne znížiť enzymatickú aktivitu alebo spôsobiť denaturáciu, čo zhoršuje metabolickú funkciu. Okrem toho je príjem živín cez bunkovú membránu – ako je glukóza, aminokyseliny a anorganické soli – závislý od pH. Suboptimálne hladiny pH môžu brániť absorpcii živín, čo vedie k suboptimálnemu rastu alebo metabolickej nerovnováhe. Okrem toho extrémne hodnoty pH môžu ohroziť integritu membrány, čo má za následok cytoplazmatický únik alebo lýzu buniek.

2. Minimalizujte tvorbu vedľajších produktov a odpad substrátu
Počas fermentácie bunkový metabolizmus vytvára kyslé alebo zásadité metabolity. Napríklad mnoho mikroorganizmov produkuje počas katabolizmu glukózy organické kyseliny (napr. kyselinu mliečnu, kyselinu octovú), čo spôsobuje pokles pH. Ak sa nízke pH nekoriguje, inhibuje rast buniek a môže posunúť metabolický tok smerom k neproduktívnym dráham, čím sa zvyšuje akumulácia vedľajších produktov. Tieto vedľajšie produkty spotrebúvajú cenné zdroje uhlíka a energie, ktoré by inak podporovali syntézu cieľového produktu, čím sa znižuje celkový výťažok. Účinná kontrola pH pomáha udržiavať požadované metabolické cesty a zlepšuje účinnosť procesu.

3. Zabezpečte stabilitu produktu a zabráňte jeho degradácii
Mnohé biofarmaceutické produkty, najmä proteíny, ako sú monoklonálne protilátky a peptidové hormóny, sú náchylné na štrukturálne zmeny vyvolané pH. Mimo ich stabilného rozsahu pH môžu tieto molekuly podliehať denaturácii, agregácii alebo inaktivácii, čo môže viesť k tvorbe škodlivých zrazenín. Okrem toho sú niektoré produkty náchylné na chemickú hydrolýzu alebo enzymatickú degradáciu v kyslých alebo zásaditých podmienkach. Udržiavanie vhodného pH minimalizuje degradáciu produktu počas výroby, čím sa zachováva účinnosť a bezpečnosť.

4. Optimalizujte efektivitu procesu a zabezpečte konzistentnosť medzi jednotlivými dávkami
Z priemyselného hľadiska má regulácia pH priamy vplyv na produktivitu a ekonomickú životaschopnosť. Vykonáva sa rozsiahly výskum s cieľom identifikovať ideálne nastavené hodnoty pH pre rôzne fázy fermentácie – ako je rast buniek verzus expresia produktu – ktoré sa môžu výrazne líšiť. Dynamická regulácia pH umožňuje optimalizáciu špecifickú pre jednotlivé fázy, maximalizáciu akumulácie biomasy a titrov produktov. Okrem toho regulačné agentúry, ako sú FDA a EMA, vyžadujú prísne dodržiavanie správnej výrobnej praxe (GMP), kde sú povinné konzistentné procesné parametre. Hodnota pH je uznávaná ako kritický procesný parameter (CPP) a jej neustále monitorovanie zabezpečuje reprodukovateľnosť naprieč šaržami, čím sa zaručuje bezpečnosť, účinnosť a kvalita farmaceutických produktov.

5. Slúži ako indikátor stavu fermentácie
Trend zmeny pH poskytuje cenné poznatky o fyziologickom stave kultúry. Náhle alebo neočakávané zmeny pH môžu signalizovať kontamináciu, poruchu senzora, vyčerpanie živín alebo metabolické anomálie. Včasná detekcia na základe trendov pH umožňuje včasný zásah operátora, uľahčuje riešenie problémov a predchádza nákladným poruchám šarží.

Ako by sa mali vyberať pH senzory pre fermentačný proces v biofarmaceutickej výrobe?

Výber vhodného pH senzora pre biofarmaceutickú fermentáciu je kritické inžinierske rozhodnutie, ktoré ovplyvňuje spoľahlivosť procesu, integritu údajov, kvalitu produktu a súlad s predpismi. K výberu by sa malo pristupovať systematicky, pričom by sa malo brať do úvahy nielen výkon senzora, ale aj kompatibilita s celým pracovným postupom bioprocesovania.

1. Odolnosť voči vysokým teplotám a tlaku
Biofarmaceutické procesy bežne využívajú sterilizáciu parou in situ (SIP), zvyčajne pri teplote 121 °C a tlaku 1 – 2 bary počas 20 – 60 minút. Preto musí každý pH senzor odolať opakovanému vystaveniu takýmto podmienkam bez poruchy. V ideálnom prípade by mal byť senzor dimenzovaný na minimálne 130 °C a tlak 3 – 4 bary, aby sa zabezpečila bezpečnostná rezerva. Robustné utesnenie je nevyhnutné, aby sa zabránilo vniknutiu vlhkosti, úniku elektrolytu alebo mechanickému poškodeniu počas tepelného cyklovania.

2. Typ snímača a referenčný systém
Toto je kľúčový technický faktor ovplyvňujúci dlhodobú stabilitu, potreby údržby a odolnosť voči znečisteniu.
Konfigurácia elektródy: Kompozitné elektródy, ktoré integrujú meracie aj referenčné prvky v jednom telese, sú široko používané vďaka jednoduchej inštalácii a manipulácii.
Referenčný systém:
• Referenčná kvapalina plnená (napr. roztok KCl): Ponúka rýchlu odozvu a vysokú presnosť, ale vyžaduje pravidelné dopĺňanie. Počas SIP môže dôjsť k strate elektrolytu a pórovité spoje (napr. keramické frity) sú náchylné na upchávanie proteínmi alebo časticami, čo vedie k driftu a nespoľahlivým údajom.
• Polymérny gél alebo referencia v pevnom skupenstve: Čoraz viac sa uprednostňuje v moderných bioreaktoroch. Tieto systémy eliminujú potrebu dopĺňania elektrolytu, znižujú údržbu a vyznačujú sa širšími kvapalinovými spojmi (napr. PTFE krúžky), ktoré odolávajú znečisteniu. Ponúkajú vynikajúcu stabilitu a dlhšiu životnosť v komplexných, viskóznych fermentačných médiách.

3. Rozsah a presnosť merania
Senzor by mal pokrývať široký prevádzkový rozsah, typicky pH 2 – 12, aby sa prispôsobil rôznym fázam procesu. Vzhľadom na citlivosť biologických systémov by presnosť merania mala byť v rozmedzí ±0,01 až ±0,02 jednotky pH, a mala by byť podporená výstupným signálom s vysokým rozlíšením.

4. Doba odozvy
Čas odozvy sa bežne definuje ako t90 – čas potrebný na dosiahnutie 90 % konečnej hodnoty po skokovej zmene pH. Hoci gélové elektródy môžu vykazovať o niečo pomalšiu odozvu ako elektródy naplnené kvapalinou, vo všeobecnosti spĺňajú dynamické požiadavky fermentačných riadiacich slučiek, ktoré pracujú v hodinových časových intervaloch, a nie v sekundách.

5. Biokompatibilita
Všetky materiály, ktoré prichádzajú do kontaktu s kultivačným médiom, musia byť netoxické, nevylúhovateľné a inertné, aby sa predišlo nepriaznivým účinkom na životaschopnosť buniek alebo kvalitu produktu. Na zabezpečenie chemickej odolnosti a biokompatibility sa odporúčajú špeciálne sklenené prípravky určené pre bioprocesné aplikácie.

6. Výstup signálu a rozhranie
• Analógový výstup (mV/pH): Tradičná metóda využívajúca analógový prenos do riadiaceho systému. Nákladovo efektívna, ale náchylná na elektromagnetické rušenie a útlm signálu na dlhé vzdialenosti.
• Digitálny výstup (napr. senzory založené na MEMS alebo inteligentné senzory): Obsahuje integrovanú mikroelektroniku na prenos digitálnych signálov (napr. cez RS485). Poskytuje vynikajúcu odolnosť voči šumu, podporuje komunikáciu na dlhé vzdialenosti a umožňuje ukladanie histórie kalibrácií, sériových čísel a záznamov o používaní. Spĺňa regulačné normy, ako je FDA 21 CFR časť 11, týkajúce sa elektronických záznamov a podpisov, vďaka čomu je čoraz viac obľúbený v prostrediach GMP.

7. Inštalačné rozhranie a ochranný kryt
Senzor musí byť kompatibilný s určeným portom na bioreaktore (napr. tri-clamp, sanitárna armatúra). Odporúčajú sa ochranné puzdrá alebo kryty, aby sa zabránilo mechanickému poškodeniu počas manipulácie alebo prevádzky a aby sa uľahčila výmena bez ohrozenia sterility.