Nyheter - Overvåking av pH-nivåer i den biofarmasøytiske fermenteringsprosessen

pH-elektroden spiller en kritisk rolle i fermenteringsprosessen, og tjener først og fremst til å overvåke og regulere surhetsgraden og alkaliteten i fermenteringsbuljongen. Ved kontinuerlig måling av pH-verdien muliggjør elektroden presis kontroll over fermenteringsmiljøet. En typisk pH-elektrode består av en sensorelektrode og en referanseelektrode, som opererer etter prinsippet i Nernst-ligningen, som styrer omdannelsen av kjemisk energi til elektriske signaler. Elektrodepotensialet er direkte relatert til aktiviteten til hydrogenioner i løsningen. pH-verdien bestemmes ved å sammenligne den målte spenningsforskjellen med den til en standard bufferløsning, noe som muliggjør nøyaktig og pålitelig kalibrering. Denne målemetoden sikrer stabil pH-regulering gjennom hele fermenteringsprosessen, og støtter dermed optimal mikrobiell eller cellulær aktivitet og sikrer produktkvalitet.

Riktig bruk av pH-elektroder krever flere forberedende trinn, inkludert elektrodeaktivering – vanligvis oppnådd ved å senke elektroden i destillert vann eller en pH 4 bufferløsning – for å sikre optimal respons og målenøyaktighet. For å møte de strenge kravene fra den biofarmasøytiske fermenteringsindustrien, må pH-elektroder ha raske responstider, høy presisjon og robusthet under strenge steriliseringsforhold som høytemperaturdampsterilisering (SIP). Disse egenskapene muliggjør pålitelig ytelse i sterile miljøer. For eksempel, i glutaminsyreproduksjon, er presis pH-overvåking avgjørende for å kontrollere viktige parametere som temperatur, oppløst oksygen, omrøringshastighet og selve pH-verdien. Nøyaktig regulering av disse variablene påvirker direkte både utbyttet og kvaliteten på sluttproduktet. Enkelte avanserte pH-elektroder, med høytemperaturbestandige glassmembraner og forhåndstrykksatte polymergelreferansesystemer, viser eksepsjonell stabilitet under ekstreme temperatur- og trykkforhold, noe som gjør dem spesielt egnet for SIP-applikasjoner i biologiske og matfermenteringsprosesser. Videre gir deres sterke anti-fouling-egenskaper jevn ytelse på tvers av ulike fermenteringsbuljonger. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. tilbyr ulike elektrodekontaktalternativer, noe som forbedrer brukervennligheten og fleksibiliteten til systemintegrasjon.

Hvorfor er pH-overvåking nødvendig under fermenteringsprosessen av biofarmasøytiske produkter?

I biofarmasøytisk fermentering er sanntidsovervåking og kontroll av pH-verdien avgjørende for vellykket produksjon og for å maksimere utbyttet og kvaliteten på målprodukter som antibiotika, vaksiner, monoklonale antistoffer og enzymer. I hovedsak skaper pH-kontroll et optimalt fysiologisk miljø for mikrobielle celler eller pattedyrceller – som fungerer som «levende fabrikker» – for å dyrke og syntetisere terapeutiske forbindelser, analogt med hvordan bønder justerer jordens pH-verdi i henhold til avlingens behov.

1. Oppretthold optimal cellulær aktivitet
Fermentering er avhengig av levende celler (f.eks. CHO-celler) for å produsere komplekse biomolekyler. Cellulær metabolisme er svært følsom for miljøets pH. Enzymer, som katalyserer alle intracellulære biokjemiske reaksjoner, har smale pH-optima; avvik fra dette området kan redusere enzymatisk aktivitet betydelig eller forårsake denaturering, noe som svekker metabolsk funksjon. I tillegg er næringsopptak gjennom cellemembranen – som glukose, aminosyrer og uorganiske salter – pH-avhengig. Suboptimale pH-nivåer kan hindre næringsopptak, noe som fører til suboptimal vekst eller metabolsk ubalanse. Dessuten kan ekstreme pH-verdier kompromittere membranintegriteten, noe som resulterer i cytoplasmisk lekkasje eller cellelyse.

2. Minimer dannelse av biprodukter og substratavfall
Under fermentering genererer cellulær metabolisme sure eller basiske metabolitter. For eksempel produserer mange mikroorganismer organiske syrer (f.eks. melkesyre, eddiksyre) under glukosekatabolisme, noe som forårsaker et fall i pH. Hvis lav pH ikke korrigeres, hemmer den cellevekst og kan flytte metabolsk fluks mot ikke-produktive veier, noe som øker akkumulering av biprodukter. Disse biproduktene forbruker verdifulle karbon- og energiressurser som ellers ville støttet syntesen av målproduktet, og reduserer dermed det totale utbyttet. Effektiv pH-kontroll bidrar til å opprettholde ønskede metabolske ruter og forbedrer prosesseffektiviteten.

3. Sørg for produktstabilitet og forhindre forringelse
Mange biofarmasøytiske produkter, spesielt proteiner som monoklonale antistoffer og peptidhormoner, er utsatt for pH-induserte strukturelle endringer. Utenfor sitt stabile pH-område kan disse molekylene gjennomgå denaturering, aggregering eller inaktivering, noe som potensielt kan danne skadelige utfellinger. I tillegg er visse produkter utsatt for kjemisk hydrolyse eller enzymatisk nedbrytning under sure eller alkaliske forhold. Å opprettholde riktig pH minimerer produktnedbrytning under produksjon, noe som bevarer styrke og sikkerhet.

4. Optimaliser prosesseffektiviteten og sørg for konsistens fra batch til batch
Fra et industrielt synspunkt påvirker pH-kontroll direkte produktivitet og økonomisk levedyktighet. Omfattende forskning utføres for å identifisere de ideelle pH-settpunktene for ulike fermenteringsfaser – som cellevekst versus produktuttrykk – som kan variere betydelig. Dynamisk pH-kontroll muliggjør trinnspesifikk optimalisering, maksimering av biomasseakkumulering og produkttitere. Videre krever reguleringsorganer som FDA og EMA streng overholdelse av Good Manufacturing Practices (GMP), der konsistente prosessparametere er obligatoriske. pH er anerkjent som en kritisk prosessparameter (CPP), og kontinuerlig overvåking sikrer reproduserbarhet på tvers av batcher, noe som garanterer sikkerheten, effekten og kvaliteten til farmasøytiske produkter.

5. Fungerer som en indikator på gjæringstilstanden
Trenden for pH-endringer gir verdifull innsikt i kulturens fysiologiske tilstand. Plutselige eller uventede endringer i pH kan signalisere kontaminering, sensorfeil, næringsstoffmangel eller metabolske avvik. Tidlig deteksjon basert på pH-trender muliggjør rettidig operatørinngripen, noe som forenkler feilsøking og forhindrer kostbare batchfeil.

Hvordan bør pH-sensorer velges for fermenteringsprosessen i biofarmasøytiske produkter?

Å velge en passende pH-sensor for biofarmasøytisk fermentering er en kritisk ingeniørbeslutning som påvirker prosesspålitelighet, dataintegritet, produktkvalitet og samsvar med forskrifter. Valget bør gjøres systematisk, og ikke bare vurdere sensorens ytelse, men også kompatibilitet med hele bioprosesseringsarbeidsflyten.

1. Høy temperatur- og trykkmotstand
Biofarmasøytiske prosesser benytter ofte in-situ dampsterilisering (SIP), vanligvis ved 121 °C og 1–2 bar trykk i 20–60 minutter. Derfor må enhver pH-sensor tåle gjentatt eksponering for slike forhold uten å svikte. Ideelt sett bør sensoren være klassifisert for minst 130 °C og 3–4 bar for å gi en sikkerhetsmargin. Robust tetting er avgjørende for å forhindre fuktighetsinntrengning, elektrolyttlekkasje eller mekanisk skade under termisk sykling.

2. Sensortype og referansesystem
Dette er en sentral teknisk vurdering som påvirker langsiktig stabilitet, vedlikeholdsbehov og motstandsdyktighet mot tilsmussing.
Elektrodekonfigurasjon: Komposittelektroder, som integrerer både måle- og referanseelementer i ett hus, er bredt brukt på grunn av enkel installasjon og håndtering.
Referansesystem:
• Væskefylt referanse (f.eks. KCl-løsning): Gir rask respons og høy nøyaktighet, men krever periodisk påfylling. Under SIP kan det oppstå elektrolytttap, og porøse forbindelser (f.eks. keramiske fritter) er utsatt for tilstopping av proteiner eller partikler, noe som fører til drift og upålitelige avlesninger.
• Polymergel eller faststoffreferanse: Stadig mer foretrukket i moderne bioreaktorer. Disse systemene eliminerer behovet for elektrolyttpåfylling, reduserer vedlikehold og har bredere væskeforbindelser (f.eks. PTFE-ringer) som motstår tilsmussing. De gir overlegen stabilitet og lengre levetid i komplekse, viskøse fermenteringsmedier.

3. Måleområde og nøyaktighet
Sensoren bør dekke et bredt driftsområde, vanligvis pH 2–12, for å imøtekomme varierende prosesstrinn. Gitt følsomheten til biologiske systemer, bør målenøyaktigheten være innenfor ±0,01 til ±0,02 pH-enheter, støttet av høyoppløselig signalutgang.

4. Responstid
Responstid defineres vanligvis som t90 – tiden som kreves for å nå 90 % av den endelige avlesningen etter en trinnvis endring i pH. Selv om gelelektroder kan ha litt lavere respons enn væskefylte elektroder, oppfyller de vanligvis de dynamiske kravene til fermenteringskontrollsløyfer, som opererer på timebasis i stedet for sekunder.

5. Biokompatibilitet
Alle materialer som er i kontakt med kulturmediet må være giftfrie, ikke-utvaskende og inerte for å unngå negative effekter på cellelevedyktighet eller produktkvalitet. Spesialiserte glassformuleringer utviklet for bioprosesseringsapplikasjoner anbefales for å sikre kjemisk resistens og biokompatibilitet.

6. Signalutgang og grensesnitt
• Analog utgang (mV/pH): Tradisjonell metode som bruker analog overføring til kontrollsystemet. Kostnadseffektiv, men sårbar for elektromagnetisk interferens og signaldemping over lange avstander.
• Digital utgang (f.eks. MEMS-baserte eller smarte sensorer): Inneholder innebygd mikroelektronikk for å overføre digitale signaler (f.eks. via RS485). Gir utmerket støyimmunitet, støtter langdistansekommunikasjon og muliggjør lagring av kalibreringshistorikk, serienumre og brukslogger. Samsvarer med regulatoriske standarder som FDA 21 CFR del 11 angående elektroniske poster og signaturer, noe som gjør den stadig mer foretrukket i GMP-miljøer.

7. Installasjonsgrensesnitt og beskyttelseshus
Sensoren må være kompatibel med den angitte porten på bioreaktoren (f.eks. tri-clamp, sanitærkobling). Beskyttelseshylser eller -beskyttelse anbefales for å forhindre mekanisk skade under håndtering eller drift, og for å gjøre det enklere å bytte ut uten at det går utover steriliteten.