Știri - Monitorizarea nivelurilor de pH în procesul de fermentare biofarmaceutică

Electrodul de pH joacă un rol esențial în procesul de fermentație, servind în principal la monitorizarea și reglarea acidității și alcalinității bulionului de fermentație. Prin măsurarea continuă a valorii pH-ului, electrodul permite un control precis asupra mediului de fermentație. Un electrod de pH tipic constă dintr-un electrod de detectare și un electrod de referință, funcționând pe principiul ecuației Nernst, care guvernează conversia energiei chimice în semnale electrice. Potențialul electrodului este direct legat de activitatea ionilor de hidrogen din soluție. Valoarea pH-ului este determinată prin compararea diferenței de tensiune măsurate cu cea a unei soluții tampon standard, permițând o calibrare precisă și fiabilă. Această abordare a măsurării asigură o reglare stabilă a pH-ului pe tot parcursul procesului de fermentație, susținând astfel activitatea microbiană sau celulară optimă și asigurând calitatea produsului.

Utilizarea corectă a electrozilor de pH necesită mai mulți pași pregătitori, inclusiv activarea electrodului - realizată de obicei prin imersarea electrodului în apă distilată sau într-o soluție tampon pH 4 - pentru a asigura o reacție optimă și o precizie a măsurătorilor. Pentru a satisface cerințele stricte ale industriei de fermentație biofarmaceutică, electrozii de pH trebuie să prezinte timpi de răspuns rapizi, precizie ridicată și robustețe în condiții riguroase de sterilizare, cum ar fi sterilizarea cu abur la temperatură înaltă (SIP). Aceste caracteristici permit performanțe fiabile în medii sterile. De exemplu, în producția de acid glutamic, monitorizarea precisă a pH-ului este esențială pentru controlul parametrilor cheie, cum ar fi temperatura, oxigenul dizolvat, viteza de agitare și pH-ul în sine. Reglarea precisă a acestor variabile influențează direct atât randamentul, cât și calitatea produsului final. Anumiți electrozi de pH avansați, cu membrane de sticlă rezistente la temperaturi ridicate și sisteme de referință cu gel polimeric pre-presurizat, demonstrează o stabilitate excepțională în condiții extreme de temperatură și presiune, ceea ce îi face deosebit de potriviți pentru aplicațiile SIP în procesele de fermentație biologică și alimentară. În plus, capacitățile lor anti-murdărire puternice permit o performanță consistentă în diverse bulionuri de fermentație. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. oferă diverse opțiuni de conectori pentru electrozi, sporind confortul utilizatorului și flexibilitatea integrării sistemului.

De ce este necesară monitorizarea pH-ului în timpul procesului de fermentare a produselor biofarmaceutice?

În fermentația biofarmaceutică, monitorizarea și controlul pH-ului în timp real sunt esențiale pentru o producție reușită și pentru maximizarea randamentului și a calității produselor țintă, cum ar fi antibioticele, vaccinurile, anticorpii monoclonali și enzimele. În esență, controlul pH-ului creează un mediu fiziologic optim pentru celulele microbiene sau mamifere - funcționând ca „fabrici vii” - pentru a crește și a sintetiza compuși terapeutici, analog modului în care fermierii ajustează pH-ul solului în funcție de cerințele culturilor.

1. Mențineți o activitate celulară optimă
Fermentația se bazează pe celule vii (de exemplu, celulele CHO) pentru a produce biomolecule complexe. Metabolismul celular este foarte sensibil la pH-ul mediului. Enzimele, care catalizează toate reacțiile biochimice intracelulare, au valori optime de pH înguste; abaterile de la acest interval pot reduce semnificativ activitatea enzimatică sau pot provoca denaturarea, afectând funcția metabolică. În plus, absorbția nutrienților prin membrana celulară - cum ar fi glucoza, aminoacizii și sărurile anorganice - este dependentă de pH. Nivelurile suboptimale ale pH-ului pot împiedica absorbția nutrienților, ducând la o creștere suboptimală sau la un dezechilibru metabolic. Mai mult, valorile extreme ale pH-ului pot compromite integritatea membranei, rezultând scurgeri citoplasmatice sau liză celulară.

2. Minimizarea formării de produse secundare și a risipei de substrat
În timpul fermentației, metabolismul celular generează metaboliți acizi sau bazici. De exemplu, multe microorganisme produc acizi organici (de exemplu, acid lactic, acid acetic) în timpul catabolismului glucozei, provocând o scădere a pH-ului. Dacă nu este corectat, pH-ul scăzut inhibă creșterea celulară și poate deplasa fluxul metabolic către căi neproductive, crescând acumularea de produse secundare. Aceste produse secundare consumă resurse valoroase de carbon și energie care altfel ar susține sinteza produsului țintă, reducând astfel randamentul general. Controlul eficient al pH-ului ajută la menținerea rutelor metabolice dorite și îmbunătățește eficiența procesului.

3. Asigurarea stabilității produsului și prevenirea degradării
Multe produse biofarmaceutice, în special proteine precum anticorpii monoclonali și hormonii peptidici, sunt susceptibile la modificări structurale induse de pH. În afara intervalului lor stabil de pH, aceste molecule pot suferi denaturare, agregare sau inactivare, putând forma precipitate dăunătoare. În plus, anumite produse sunt predispuse la hidroliză chimică sau degradare enzimatică în condiții acide sau alcaline. Menținerea unui pH adecvat minimizează degradarea produsului în timpul fabricației, păstrând potența și siguranța.

4. Optimizați eficiența procesului și asigurați consecvența de la lot la lot
Din punct de vedere industrial, controlul pH-ului are un impact direct asupra productivității și viabilității economice. Se efectuează cercetări ample pentru a identifica valorile ideale de referință ale pH-ului pentru diferite faze de fermentație - cum ar fi creșterea celulară versus exprimarea produsului - care pot diferi semnificativ. Controlul dinamic al pH-ului permite optimizarea specifică etapei, maximizând acumularea de biomasă și titrurile de produs. În plus, agențiile de reglementare precum FDA și EMA impun respectarea strictă a bunelor practici de fabricație (GMP), unde parametrii de proces consecvenți sunt obligatorii. pH-ul este recunoscut ca un parametru critic de proces (CPP), iar monitorizarea sa continuă asigură reproductibilitatea între loturi, garantând siguranța, eficacitatea și calitatea produselor farmaceutice.

5. Servește ca indicator al sănătății fermentației
Tendința de modificare a pH-ului oferă informații valoroase despre starea fiziologică a culturii. Modificările bruște sau neașteptate ale pH-ului pot semnala contaminare, funcționare defectuoasă a senzorului, epuizarea nutrienților sau anomalii metabolice. Detectarea timpurie bazată pe tendințele pH-ului permite intervenția promptă a operatorului, facilitând depanarea și prevenind eșecurile costisitoare ale loturilor.

Cum ar trebui selectați senzorii de pH pentru procesul de fermentație în produsele biofarmaceutice?

Selectarea unui senzor de pH adecvat pentru fermentația biofarmaceutică este o decizie inginerească critică care afectează fiabilitatea procesului, integritatea datelor, calitatea produsului și conformitatea cu reglementările. Selecția trebuie abordată sistematic, luând în considerare nu doar performanța senzorului, ci și compatibilitatea cu întregul flux de lucru de bioprocesare.

1. Rezistență la temperaturi ridicate și presiune
Procesele biofarmaceutice utilizează în mod obișnuit sterilizarea cu abur in situ (SIP), de obicei la 121°C și o presiune de 1-2 bari timp de 20-60 de minute. Prin urmare, orice senzor de pH trebuie să reziste expunerii repetate la astfel de condiții fără a se defecta. În mod ideal, senzorul ar trebui să fie evaluat pentru cel puțin 130°C și 3-4 bari pentru a oferi o marjă de siguranță. Etanșarea robustă este esențială pentru a preveni pătrunderea umezelii, scurgerile de electroliți sau deteriorarea mecanică în timpul ciclului termic.

2. Tipul senzorului și sistemul de referință
Aceasta este o considerație tehnică esențială care afectează stabilitatea pe termen lung, nevoile de întreținere și rezistența la murdărire.
Configurația electrodului: Electrozii compoziti, care integrează atât elemente de măsurare, cât și elemente de referință într-un singur corp, sunt adoptați pe scară largă datorită ușurinței de instalare și manipulare.
Sistem de referință:
• Referință umplută cu lichid (de exemplu, soluție de KCl): Oferă un răspuns rapid și o precizie ridicată, dar necesită reumplere periodică. În timpul SIP, pot apărea pierderi de electrolit, iar joncțiunile poroase (de exemplu, fritele ceramice) sunt predispuse la colmatare cu proteine sau particule, ceea ce duce la derivă și citiri nesigure.
• Gel polimeric sau referință în stare solidă: Din ce în ce mai preferate în bioreactoarele moderne. Aceste sisteme elimină necesitatea completării electroliților, reduc întreținerea și prezintă joncțiuni lichide mai largi (de exemplu, inele PTFE) care rezistă la murdărire. Acestea oferă o stabilitate superioară și o durată de viață mai lungă în medii de fermentare complexe și vâscoase.

3. Interval de măsurare și precizie
Senzorul ar trebui să acopere un interval operațional larg, de obicei între pH 2 și 12, pentru a se adapta la diferite etape ale procesului. Având în vedere sensibilitatea sistemelor biologice, precizia măsurării ar trebui să fie între ±0,01 și ±0,02 unități de pH, susținută de un semnal de ieșire de înaltă rezoluție.

4. Timpul de răspuns
Timpul de răspuns este definit în mod obișnuit ca t90 - timpul necesar pentru a atinge 90% din citirea finală după o modificare treptată a pH-ului. Deși electrozii de tip gel pot prezenta un răspuns puțin mai lent decât cei umpluți cu lichid, aceștia îndeplinesc, în general, cerințele dinamice ale buclelor de control al fermentației, care funcționează pe intervale orare, mai degrabă decât pe secunde.

5. Biocompatibilitate
Toate materialele care intră în contact cu mediul de cultură trebuie să fie netoxice, ne-levigatoare și inerte pentru a evita efectele adverse asupra viabilității celulare sau a calității produsului. Se recomandă formulări specializate de sticlă concepute pentru aplicații de bioprocesare pentru a asigura rezistența chimică și biocompatibilitatea.

6. Ieșire semnal și interfață
• Ieșire analogică (mV/pH): Metodă tradițională care utilizează transmisia analogică către sistemul de control. Eficientă din punct de vedere al costurilor, dar vulnerabilă la interferențe electromagnetice și atenuarea semnalului pe distanțe lungi.
• Ieșire digitală (de exemplu, senzori bazați pe MEMS sau senzori inteligenți): Încorporează microelectronică la bord pentru a transmite semnale digitale (de exemplu, prin RS485). Oferă imunitate excelentă la zgomot, acceptă comunicarea la distanță și permite stocarea istoricului calibrării, a numerelor de serie și a jurnalelor de utilizare. Respectă standardele de reglementare precum FDA 21 CFR Partea 11 privind înregistrările și semnăturile electronice, ceea ce o face din ce în ce mai preferată în mediile GMP.

7. Interfață de instalare și carcasă de protecție
Senzorul trebuie să fie compatibil cu portul desemnat de pe bioreactor (de exemplu, tri-clamp, racord sanitar). Se recomandă utilizarea unor manșoane sau apărători de protecție pentru a preveni deteriorarea mecanică în timpul manipulării sau funcționării și pentru a facilita înlocuirea fără a compromite sterilitatea.